Beckhoff, 차량 제어요소를 위한 통합 오토매틱 햅틱 테스트장치 [무인화기술 2016년 7월]

자동차 산업을 위한 엔드오브라인 테스트기의 Scientific Automation 및 소형 드라이브 기술

독일 잉겔하임에 기반을 둔 엔지니어링 컨설턴트 회사인 보르만(Borrmann GmbH)과 독일 Sommerloch 에 위치한 Schuhnemen Maschinenbau GmbH는 Beckhoff 의 PC 기반 제어 기술을 사용해서 차량용 운전자 제어 기능을 위한 초소형의 고성능 오토매틱 테스트 장치를 생산한다. 고속 고정밀 측정 기술 및 제어 기술을 결합한 Scientific Automation 개념은 상당한 이점을 제공하고, 기존 솔루션과 비교해서 최대 70%까지 비용을 절감시킨다. 게다가 버스 터미널 I/0 포멧의 소형 서보 드라이브 사용을 통해서 상당한 공간 절약을 하는 추가적인 이점이 있다.

통합 첨단 측정 기술 및 고성능 PC 기반 제어 기술 덕분에, 엔드-오브-라인 테스트기가 극히 소형화 됐다.

자동 테스트장치는 차량 운전자를 위한 제어 요소의 종합적인 테스트를 위한 엔드-오브-라인 테스터기이다. 운전자는 조명, 라디오, 에어컨, 네비게이션 시스템 등을 작동시키기 위해 이 기능들을 사용한다. 차량의 다양한 기능들은 프레싱, 푸싱, 틸팅, 터닝 또는 터칭을 통해서 선택되는데 보르만 엔지니어링 컨설턴트사의 전무이사 안드레아스 보르만(Andreas Borrmann)은 설명한다. “테스트 시스템의 주된 태스크는 자동 햄틱 테스트다. 수많은 센서들은 다양한 스위칭 기능들의 작동에 관련된 힘과 토크를 측정하고 로터리 플레이트 어플리케이션은 최대8개의 독립적으로 가동되는 스테이션들로 구현된다.”

이 자동 유닛은 시장에서 가장 통합된 햅틱 테스트기이며 초소형 제어 및 드라이브 기술을 제공한다. 특히 강력한 측정 기술과 결합된 이러한 기능들은 견고하고 강력한 솔루션을 제공하는 중요한 역할을 하는데 보르만에 따르면 과거에는 힘/경로 또는 토크/각도 데이터의 동기 획득을 위해 특별한 측정 기술이 요구되었던 반면, 현재 Beckhoff 의 표준 구성요소를 사용할 수 있다고 한다. 심지어 표준 I/0 터미널은 시험 중인 디바이스에서 CAN이나 LIN과 같은 버스 텔레그램의 추가적인 동기 획득을 가능하게 한다.

하나의 산업용 PC(IPC)가 8개 스테이션의 모든 제어 및 측정 태스크를 처리하는데 각각의 오퍼레이터 제어 요소들에 대해 최대 450 개의 테스트 파라미터들을 가지는 것은 드문 일이 아닐 쁜더러 로터리 플레이트 사이클의 일반적인 사이클 타임은 20초다. 이는 300,000개 이상의 드라이버 제어요소의 연간 생산에 해당한다.

AM81xx OCT 서보모터는 7개의 축에서 고 정밀 모션을 보장한다.

복잡한 테스트 절차의 간소화

테스트 사이클 시작 시에 오퍼레이터는 명백한 기계적 결함 및 스크래치와 같은 외관상 결함에 대해 스테이션 1에서 테스트한 구성요소를 주관적으로 검사한다. 일단 시험 중인 디바이스가 삽입되면 그것은 자동으로 고정 및 연결된다. 디바이스의 수동 through-switching 및 오퍼레이터에 의한 주관적 검사의 확인 후 리프트 도어가 닫히고, 로터리 플레이트 사이클이 시작된다.

LED 심볼 조명의 밝기는 30%이상으로 달라질 수 있다. 스테이션 2 에서 밝기는 비디오카메라로 밝기 정도를 측정함으로써 보정된다. 밝기 제어를 위한 보정 값은 CAN 텔레그램을 통해 시험 중인 디바이스의 EEPROM에 기록된다. 스테이션 3에서 흡입그리퍼(suction gripper)를 사용한 리프트 오프(lift-off) 테스트는 장식 덮개 및 커버가 정확하게 접착되어 있는지 확인한다. 유도 아날로그 이니시에이터는 볼트의 유무를 확인하고 각각의 센서들은 모든 버튼의 정확한 컬러 조합을 확인한다. 토크 측정의 형태로 첫 햅틱 테스트가 스테이션 4에서 이루어지는데 압전 효과에 기초해서 작동하는 토크 센서는 초당 최대 180도의 회전속도에서 0.1 Nm까지의 해상도로 토크 데이터를제공한다.

이 측정의 목적은 최소 및 최대 코깅 토크(cogging torque)뿐만 아니라 노칭(notching)을 결정하는 것이다. 허용범위 밖의 코깅 토크는 시험 중인 디바이스의 조립 과정에서의 불량을 나타낸다고 안드레아스 보르만은 설명한다. “우리는 1 ms의 태스크 사이클 타임에서 초당 20, 000개의 측정이 가능하도록 인수 20의 오버샘플링 기능을 사용합니다. 따라서 각각의 각도는 25개 이상의 토크 데이터 세트와 함께 해결됩니다.”

스테이션 5는 유일하게 수직 압력을 테스트하기 위해 구성되어 있다. 여기서도 역시 고정밀 압전 센서가 사용된다. 오버샘플링 기능 덕분에 0.02 N의 force resolution은 0.002 mm의 path resolution 및 10 mm/s의 구동속도로 달성될 수 있는데 동시에 1 ms의 태스크 사이클 타임덕분에 CAN 및 LIN 텔레그램은 구동하는 동안에 기록되며, 구동 위치에 정확하게 할당된다.

스테이션 6 및 7은 스테이션 5에서와 동일한 측정 기술을 활용해서 수평 틸팅 포스(tilting force)를 측정하는데 최적화되어 있다. 틸팅 동작의 엄격한 수평 구동은 횡력(lateral force)을 발생시키기 때문에 이러한 힘은 정교한 기계적 균형 요소를 통해서 보정되어야 한다.

마지막 스테이션인 스테이션 8에서는 부품번호, 일련번호, 생산 날짜 및 상품별 추가 정보와 같은 데이터가 EEPROM에 마지막으로 기록된다. 만약 모든 테스트 파라미터(최대 450개)의 결과가 지정된 범위 내에 있으면, 시험 중인 레이저 라벨링 장치에 승인되고, 라벨은 일반 텍스트 및 데이터 매트릭스 코드(DMC)로 정보를 담고 있다. DMC 리더기는 코드를 스캔해서 내용과 품질을 확인한다. 이후의 로터리 플레이트 단계에서는 완전하게 검사가 이루어진 모듈이 스테이션 1로 이송되어 오퍼레이터가 그것을 떼어내어 포장한다.

ISO 15765 표준에 따른 테스트 디바이스와의 통신은 7개의 EL6751 CANopen 마스터 터미널을 통해 실현된다.

이것은 기존 솔루션과 비교했을 때 80% 이상 비용을 절감시켰다.

One Cable Technology (OCT) 및 EL7211-0010 서보모터 터미널은 소형 디자인 및 정밀한 모션 제어를 가능하게 하는 핵심요소이다.

속도 및 정밀도는 PC 제어 솔루션을 필요로 하다

안드레아스 보르만에 따르면 Beckhoff 의 PC 기반 제어 기술이 없었다면 이 엔드-오브-라인 테스트기의 개발이사실상 불가능 했을 것이다. “오직 PC 기반 제어만이 측정 및 드라이브 기술에서의 속도 및 정확성에 대한 아주 엄격한 요구사항을 충족시킬 수 있습니다. 기존 솔루션의 성능은 과거에 사용했던 측정 및 제어 카드와 PC의 확장성 부족에 의해 제한되었는데 모듈식 분산형의 Beckhoff 기술은 이런 제한을 제거했으며, 별도의 측정 기술을 가진 기존 솔루션과 비교해서 최대 70%까지 하드웨어 비용감소를 촉진 시켰습니다.”

안드레아스 보르만은 전체 측정 및 제어 시스템이 하나의 IPC로 중앙에서 편리하게 제어 될 수 있다는 사실에서 추가적인 이점을 본다고 보고 있다. 기존 시스템에서 요구되는 추가적인 PLC는 생략될 수 있으며, 다른 제조사의 측정 기술을 위한 다양한 드라이버를 설치하는데 드는 노력은 과거의 일이 되었다.

“통합 시스템 솔루션은 특히 PC 기반 제어가 고성능, 고정밀, 고속 측정기술을 포함하고 있다는 사실에서 상당한 이점을 제공합니다. 더욱이 ISO 15765 표준에 따른 오퍼레이팅 요소와 제어유닛 사이의 통신을 위해 차량에사용되는 CAN 프로토콜을 쉽게 통합할 수 있습니다. 그 프로토콜은 TwinCAT PLC로 모델링되며, 7개의 EL6751 CANopen 마스터 터미널을 통해서 처리됩니다. 과거에 사용된 기술과 비교하여 이것은 80% 이상의 비용절감 효과를 가져왔습니다. 게다가 현재 CAN 프로토콜은 시험 중인 자동 구동 장치와 동기화하여 실시간으로 읽고 평가 될 수 있습니다. 이전에는 고도로 전문화되고 복잡한 전자 측정 시스템에서만 가능했습니다. 햅틱 데이터는 세 가지 요소로 구성되어 있는데-아날로그로 샘플링 된 힘, 모터를 통해 직접 결정된 경로 및 CANopen 마스터 터미널을 통해 결정된 컨택-이들은 이제쉽게 결정될 수 있습니다.”

I/0 시스템이 고급 측정기술을 통합한다.

게다가 서보모터 및 CANopen 마스터 터미널쁜만 아니라, 제어 기술을 보완하는 I/0 시스템은 각각 8개의 채널을 가진 EL1008 디지털 입력 터미널 및 12개의 EL2008 디지털 출력 터미널을 활용한다. 측정 기술은 해당 EtherCAT 터미널을 통해서 직접 통합되는데 오버샘플링 인수 20으로 4개의 2-채널 EL3202 아날로그 입력 터미널은 힘, 경로, 토크 및 각도 데이터의 시간동기식 고정밀 획득을 보장한다. 7개의 4-채널 EL3104 아날로그 입력 터미널은 전류, 온도 및 신호 측정을 처리한다. 고정밀 2-채널 EL3692 저항 측정 터미널이 접촉 저항 값 측정을 제공하는 동안 EL3681 디지털 멀티미터 터미널은 전류를 측정한다.

최소한의 공간 요구사항과 서보 드라이브 기술

서보 드라이브 기술 또한 I/0 시스템에 직접 통합된다. 각각의 테스트 스테이션에서 고정밀 움직임이 단지 24mm 폭의 EL7211-0010 서보모터 터미널로 구성된 7개의 서보 축들을 통해서 실현된다. 이 터미널은 또한 각각 0.5Nm와 0.8Nm의 정격 토크를 가진 AM812x OCT 서보모터 이외에도 통합 One Cable Technology(OCT) 및 최대 4.5 ARMS 출력 전류를 갖추고 있다. 안드레아스 보르만은 “초소형 버스 터미널 포맷의 서보 드라이브가 없었다면 시스템의 소형 풋프린트(footprint)를 달성할 수 없었을 것입니다. 이 제품은 설치 사이즈를 최소화하고 추가 제어 캐비닛을 없앴습니다. OCT는 리니어 및 로터리 부싱을 기반으로 복잡한 케이블 레이아웃을 상당히 단순화하였기 때문에 역시 매우 도움이 되었습니다. 또한 큰 장점은 완벽한 피드백 시스템에서 발생합니다. 이것은 이전에는 필요했던 reference switch를 불필요한 것으로 만들었으며 따라서 드라이브 기술의 복잡성을 상당히 줄였습니다.”