Beckhoff, XTS가 소형의 고속 리니어 기계를 작동시키다 [무인화기술 2016년 8월]

Groninger: 화장품 충전 라인에 배치된 리니어 운송 시스템

리니어 프로세스 시퀀스(Linear Process Sequence)에 의해 작동하는 충전기는(Filling machines) 원형 충전 시스템보다 어플리케이션 친화적이면서, 유저 친화적이며, 기계 친화적이다.

Groninger에서 새로운 화장품 충전라인에 사용했던 것처럼 eXtended Transport System(이하 XTS) 기반의 소형 디자인과 고속의 충전 속도를 결합한 혁신적인 시스템 설계를 활용하지 않는 한, 대형 기계들은 처리 속도에 있어서 한계에 이를 수 있다.

어떠한 위치에서도 사용 할 수 있는 콤팩트한 XTS는 충전시스템에 45°로 설치됨으로써, 추가공간을 절약한다.

Groninger & Co.는 35년 동안 독일, 크라일스하임에 있는 본사 및 슈넬도르프의 인근 시설에서 제약산업과 화장품 산업을 위한 최첨단 기계 및 장비를 개발해왔다. “우리의 중요한 성공요인 중 하나는 산업과 기술에 대한 전문적이고 깊은 지식입니다. Groninger는 매년 수익의 10%를 연구개발에 투자합니다. 이것은 구강세정제와 같은 수성제품부터 점성크림 및 마스카라와 같은 페이스트형 제품에 이르기까지 모든 액상 화장품용 충전 시스템을 포함한 화장품 부문에도 해당됩니다”라고 화장품 영업 이사인 Hubertus Ritzenhofen는 설명한다.

“브라질 대형 화장품 제조업체의 향수 충전시스템에 관한 주요 요구사항은 소형크기와 속도, 그리고 유연성입니다. 그 시설에서 오드뜨왈렛이나 향수를 분당 150병 채울 수 있습니다. 이는 3교대로 하루에 300,000병을 채우는 것과 동일합니다. 시스템은 아주 복잡한 패턴으로 병을 처리할 수 있어야 합니다. 추가 요구사항으로, 라인은 현재 8개의 서로 다른 제품을 처리하며, 향후 제품 교체시에 적합한 유연성을 제공해야 합니다” 라고 Groninger의 기술이사인 Markus Gegner는 최근의 예를 들어 설명한다. “형태의 다양성은 화장품 분야에서 가장 큰 과제입니다. 경우에 따라 하나의 시스템이 최대 100개의 다른 컨테이너 형식을 처리하고 있습니다. 따라서 완제품의 관점에서 유연성이 중요합니다”라고Hubertus Ritzenhofen는 동의한다.

Groninger는 XTS의 어플리케이션을 통해, 브라질의 대형 화장품 제조업체의 충전라인 구현에 있어서, 소규모 공간에 대한 요구사항에도 불구하고 리니어 머신 개념을 구현할 수 있었다.

공간절약형 병 처리 유닛에 충분히 활용될 수 있는 혁신

“또한 유연성은 향수 충전시스템의 개발과정 동안 주요한 요구사항이었다”라고 Hubertus Ritzenhofen는 설명한다. “한편으로 고객의 요구가 늘어나면서, 우리는 시스템 결과의 관점에서 고객의 요구사항을 고려해야 했으며, 다른 한편으론 기계에 대해 원래 계획했던 것 보다 더 작은 공간을 사용해야 했습니다. 이런 기본적인 요구사항을 충족하는데 있어서 리니어 시스템 레이아웃의 기본개념, 즉 기존방식으로 클럭 충전기 및 연속 밀봉기로 구성된 일체형 시스템을 구현할 수 없었습니다. 높은 출력속도를 위해서는 시스템 구성요소 간의 확장된 Accumulating Conveyor를 요구하지만, 이를 위한 여유 공간은 없었습니다.”

Beckhoff의 XTS는 시스템 구성요소 사이에 매우 콤팩트한 병 처리 유닛을 구현할 수 있게 했다고 Markus Regner는 말한다. “우리는 Accumulating Conveyor를 없앰으로써, 시스템 길이를 원래 구상했던 7.5m에서 거의 6m로 줄일 수 있었습니다. 단 10cm의 초과 길이도 기존의 리니어 기계설계를 구현할 수 없게 만들기 때문에, 이러한 대폭적인 감소 그 자체는 주목해 볼만 합니다." "실제로 우리와 우리의 고객들은 유지보수뿐만 아니라, 어플리케이션 및 운영관점에서 리니어공정의 장점을 확신합니다. XTS을 이용해서 우리는 리니어 시스템을 구현할 수 있었으며, 기존 원형 충전라인으로만 가능했던 브라질 화장품 제조업체의 요구사항을 충족시켰습니다.”

향수가 채원진 10개의 병은 작업물 캐리어(Workpiece carriers)와 함께 대기중인 XTS 무버(Mover)의 그리핑 부분에 끼워진다.

충전 후 10 병의 Batch는 정지 상태에서 속도를 높여 연속 밀봉공정과 동적으로 동기화된다.

하드웨어 요구사항을 감소시킨 소프트웨어 기능

XTS는 소프트웨어 기능을 통해 기존의 하드웨어를 대체할 수 있다고 Markus Regner는 말한다. “XTS 자체가 매우 콤팩트하다는 사실은 말할 것도 없고, XTS를 사용해서 우리는 공간을 차지하는 Accumulating Conveyor를 없앨 수 있었습니다. XTS의 또 다른 이점은 모든 위치에 사용될 수 있다는 것입니다. 이 충전시스템에서 XTS는 이송 방향으로 45°로 기울어 있습니다. 제품 운반 그리퍼 또한 45°로 기울어 있어서, 순방향으로의 제품 운반을 위한 수평 그리퍼, 최대 공간절약을 위한 수직 그리퍼를 사용해 최소 공간 요구를 충족시키는 이송 유닛이 실현될 수 있었습니다.”

Markus Regner는 유연성 및 제품 처리 품질의 향상과 같은 더 큰 이익을 보고 있다. “이 플랜트에서 10 병의 배치는 충전 영역을 없앱니다. 기존 시스템에서 이 배치는 급격한 속도 감속의 결과로 밸런싱 루프를 입력할 것입니다. 이것은 속도에 따라 액체를 쏟을 수도 있습니다. 물론 이런 상황은 적절히 처리될 수 있지만, 완전히 제어 가능한 제품, 즉 채워진 병은 통제된 공정에서 제거하여 밀봉되기 이전공정으로 되돌려 보내야할 지도 모릅니다. 제품은 공정 내내 XTS로 제어될 수 있으며, 소프트웨어 기능에 기초해서 병 축적이 최적화 될 수 있습니다. 따라서 XTS는 복잡한 프로세스를 가능하게 하거나, 어려운 제품 용기 배치를 같은 기계로 신속하게 처리할 수 있게 합니다.”

타원 트랙 위의 30개 이동자

화장품 충전 라인의 XTS 시스템은 총 20개의 25cm 직선 모터 모듈과, 곡선에 사용되는 반원형 모듈뿐만 아니라, 제품 운반용 반원형 그리퍼가 있는 30개의 mover로 구성되어 있다. 이것들로 약 3m 길이의 타원형 트랙이 만들어진다. 경로 속도 1.5 m/s 및 최대 mover 가속도10 m/s² 의 전체 시스템은 2 ms의 제어 사이클 타임으로 하나의 제어 캐비닛 PC, 즉 C6920에 의해 제어된다.

10 병의 배치는 까다로운 공정요건을 충족시킬 수 있도록 정지 상태에서 채워진다. 그런 다음 향수병은 로터리 공정, 즉 연속공정에 의해 밀봉된다. “10개의 구성요소로 된 한 블록은 상대적으로 단시간에 1미터 미만의 짧은 거리에서 정지 상태로 연속 밀봉기와 동기화되어야 합니다. 이것은 다소 까다로운 작업이지만 XTS로 해결될 수 있습니다. 또 다른 측면에서 충전공정 동안 가득 찬 병을 기다리는 10개의 그리퍼는 간격 없이 나란히 위치합니다. 그러나 밀봉장치에 진입할 때는 특정 등거리 간격을 유지해야합니다. 이것은 또한 블록에도 적용되어 두 블록 사이에 간격이 없어야 합니다. 이 모든 것은 XTS에 대한 이상적인 어플리케이션입니다”라고 Markus Regner는 언급한다.

추가적인 잠재 효율성 활용

Groninger의 XTS 시스템은 현재 30개의 mover를 사용한다. 충전영역에 있는 10 병의 한 그룹, 밀봉기에서 동기화 단계에 있는 두 번째 그룹, 그리고 밀봉공정으로부터 방출 중이거나 충전영역으로 회귀하는 세 번째 그룹이 있다. Markus Regner는 이미 미래의 잠재 효율성을 보고 있다. “mover 및 비용을 절약하기 위해서 우리는 더 최적화할 수 있고 XTS의 보유 용량을 훨씬 더 잘 활용할 수 있습니다. 게다가 XTS는 가장 느린 하위공정을 반복해서 전체 공정속도를 증가시키는 방식으로 공정과정을 맵핑할 수 있습니다. 대표적인 예는 복잡해서 시간 소모적인 밀봉(Sealing) 메커니즘이나, 기존제품의 수정에 따른 시스템 개발시 발생하는 추가공정 단계입니다.”