제조 산업에서 경쟁력은 자본 설비에서 최대한의 투자 수익을 실현하는 것이다. 이는 최대 가동 시간, 최소 유지 관리, 최대 처리량, 그리고 완벽한 품질 제공을 의미한다.
기업이 최대 출력의 경쟁력을 달성하려면 고성능 레이싱 카의 시스템처럼 기업의 모든 프로세스와 구성 요소가 최적화되어야 한다. 무수한 작은 부분의 성과가 합쳐져 성패를 가늠하는 차이를 만들기 때문이다.
자동 조립 분야에서 공압 그리퍼gripper는 주요 부품이지만, 최적화를 위해 개선이 필요한 업그레이드 후보에서는 쉽게 간과되곤 한다.
하지만 자동차 경주에서 실제 트랙과 접촉하는 타이어가 큰 차이를 만들듯 제품, 가공 공정과 직접 접촉하는 그리퍼의 중요성은 적지 않은데, 기록 향상을 위해 오늘날 자동차 경주에서 타이어의 지속적인 모니터링이 진행되는 것과 달리 지금까지 그리퍼에 대한 지속적인 성능 모니터링과 제어는 이뤄지지 않고 있다. 이에 그리퍼는 그저 맹목적으로 작동하고 있다.
이러한 그리퍼는 호스트 컨트롤러에 개폐 여부와 개폐 거리, 혹은 부품이나 제품을 성공적으로 파지했는지에 대한 정보를 제공하지 않는다. 벙어리dumb 그리퍼인 것이다.
현장에서 그리퍼 상태가 예상된 조건과 다를 때, 프로세스는 실패하게 된다. 혁신적인 제조 회사, 자동화 기계 제작자라면 이러한 문제를 확인하고, 해결 방법을 적극적으로 모색해야 한다.
센서가 그리퍼의 성능을 높인다
● 그리퍼 열림/닫힘/부분 열림
● 그리퍼 죠Jaw의 실제 위치
● 그리퍼 죠 내의 부품 유무
죠의 개폐 여부는 그리퍼 상태 모니터링의 가장 기본적인 형태이다. 센서로부터의 개별적인 온/오프 신호는 그리퍼가 계획대로 기계적 제어 명령을 실행하고 있음을 확인시킨다. 신뢰성 있는 그리퍼 상태 신호는 오류가 발생했을 때 이를 감지하여 프로세스를 자동으로 정지시키고, 기계나 부품이 손상되기 전에 문제를 해결할 수 있도록 한다. 이와 달리 그리퍼 상태를 확인하지 못하면 그리퍼 이상에도 계속적인 동작이 이뤄짐으로서 생산 중단이나 심지어 생산 장비의 손상까지 이어질 수 있다.
공압 실린더와 같은 구동 장치에 의해 작동되는 그리퍼에서 죠의 정확한 위치를 파악하기 위해서는 ▲죠 자체를 모니터링 하는 직접적인 방식과 ▲죠를 움직이는 메커니즘을 모니터링하는 간접적 방식 등 두 가지 접근법을 사용할 수 있다.
그리퍼에 장착되는 센서의 유형
먼저 그리퍼 죠에 대한 직접 모니터링은 금속을 감지하는 유도형 근접 센서로 가능하다. 브리킷처럼 죠에 부착되는 금속을 타깃으로 하여 죠의 위치를 직접 파악하는 것이다.
센서의 소형화로 인해 점점 더 작아지는 소형 그리퍼에서도 직접 모니터링을 할 수 있다. 현재 최신 유도형 근접 센서는 직경 3mm, 길이 6mm까지 소형화됐으며, 부피가 큰 외부 증폭기도 필요로 하지 않는다.
간접적인 모니터링 방식에서는 주로 자기장 센서가 사용된다. 그리퍼의 내 공압 실린더 외부에 두 개의 자기장 센서를 설치, 이 센서가 그리퍼 죠를 움직이는 액추에이터의 위치를 모니터링함으로써 그리퍼 죠가 열림 상태인지, 혹은 닫힘 상태인지를 파악한다.
한편 높은 속도, 향상된 품질 관리, 예방적인 유지 보수를 위해서는 정확한 죠 위치 피드백이 필요하다. 이를 위한 방안은 앱솔루트 아날로그 위치 측정이다. 컨트롤러에 다수의 소프트웨어 세트 포인트를 생성하는 아날로그 신호는 그리퍼가 파지한 물체의 크기를 파악할 수 있게 하며, 압력을 동적으로 조정해 쉽게 변형될 수 있는 제품을 손상시키지 않으면서 안전한 그립력을 보장한다.
또 아날로그 신호는 그리퍼 메커니즘의 작동 효율을 모니터링하는 데에도 사용될 수 있다. 예를 들어, 공압 실린더에서 공기 누출이 발생하거나 죠가 고장난 그리퍼는 더 천천히 작동하는데, 아날로그 신호의 실시간 상승/하강 시간을 제어 소프트웨어에서 분석하여 비정상적으로 느린 동작을 감지함으로써 빠르게 조치할 수 있다.
리니어 구동식 그리퍼의 경우, 그리퍼 죠의 실제(아날로그) 위치를 직접 및 간접적으로 결정하는 두 가지 기본 접근 방식을 갖는다. 하나는 아날로그 방식의 유도형 근접 센서를 활용하는 직접 방식이며, 다른 하나는 아날로그 자기 유도 선형 위치 센서를 사용하는 간접적 방식이다.
먼저 아날로그 유도 근접 센서를 활용한 그리퍼 모니터링은 다시 두 가지 방법으로 활용할 수 있다. 아날로그 유도 근접 센서로 그리퍼 죠의 움직임에 직접 비례하는 절대 아날로그 위치 신호를 출력하여 직선 운동을 직접 감지하도록 구성하거나 그리퍼 죠에 부착된 금속 타깃을 감지하여 모니터링하는 것이다.
이와 달리 아날로그 자기 유도 선형 위치 센서를 사용하는 간접 모니터링은 개별 자기장 센서 대신 그리퍼 실린더 하우징에 센서를 장착하여 공압 액추에이터 피스톤에 장착된 내부 자석을 지속적으로 감지하는 방식이다. 자기 유도 선형 위치 센서는 제어 시스템으로 절대 아날로그 위치 신호(4~20mA 또는 0~10V)를 피드백한다.
그리퍼 죠에서 부품의 존재 또는 부재를 감지하면 어셈블리 또는 생산 공정의 상태에 대한 주요 정보를 얻을 수 있다. 예를 들어 그리퍼가 부품을 픽업할 것으로 예상됐지만, 실제로 부품이 감지되지 않는다면 그리퍼가 부품을 지나치는 오류를 생각할 수 있다.
애플리케이션에 따라, 여러 그리퍼를 동시에 사용해 크고 무거운 부품을 잡아야 할 수 있다. 이때 하나 이상의 그리퍼가 부품을 올바르게 잡아 내지 못하게 되면 리프트 및 이동 작업은 실패이다. 이러한 작업 실패는 부품을 떨어뜨리거나 끌게 되어 부품은 물론 주변 장비까지 손상시킬 수 있어 작업 성공/실패를 신속하게 파악할 필요가 있다.
다행스럽게도 그리퍼에서 부품을 감지하는 데 사용할 수 있는 두 가지 센서 기술이 존재한다. 바로 유도형 근접 센서와 자체제어식 빔 투과형 광전 센서다.
먼저 취급되는 부품이 판금, 가공 부품 또는 주물과 같은 금속인 경우에는 유도 근접 센서를 그리퍼 죠에 통합해 부품을 직접 감지하는 것이 유용하다. 이러한 방식의 센서에는 일반적으로 플랫 팩flat pack이라고 불리는 로우 프로파일low-profile 블록 스타일 하우징이 활용된다. 플랫 팩 하우징은 플라스틱 또는 금속일 수 있지만, 어떤 경우에도 센서가 반복적인 충격과 진동에 견딜 수 있도록 고품질이어야 하며 정격으로 설계되어야 한다. 또 센서 케이블은 애플리케이션에서 연속적인 구부림에 대응해 플렉스 레이팅되어야 한다.
자체제어식 빔 투과형 광전 센서는 재질에 관계없이 부품의 존재를 감지할 수 있는 장점을 지닌다. 부품의 특성이나 작동 환경, 나아가 그리퍼에서 부품 배치의 요구되는 정밀도에 따라 다양한 광원(적외선/가시광선 등)을 사용할 수 있으며, 이를 통해 투명 유리나 플라스틱의 감지도 가능하다.
이 센서는 U자형 또는 L자형 구성으로 제공되는데, U자형 광전 센서는 부품을 한 방향에서 잡아야 측정하지만, L자형 센서는 여러 방향에서 부품을 잡거나 놓아도 모두 감지할 수 있다.
