[Beckhoff 어플리케이션] 약병 캡 조립라인을 위한 유연성 강화

XTS(eXtended Transport System)는 하드웨어 요구를 최소화하는 특수 제약 기계의 혁신적인 설계를 구현하는데 도움을 주다

수동 또는 반자동이었던 제품 생산 프로세스를 완전히 자동화하면 관련 사이클 타임이 극히 짧을 때 특별한 문제가 발생한다. 고정 사이클 타임으로 작동하는 워크피스 캐리어시스템의 경우, 개별 가공 스테이션의 모션 프로 파일 간의 차이를 수용하려면 주어진 유형의 여러 스테이션을 병렬로 작동하도록 설정해야 한다. 이로 인해 독일 Balingen에 위치한 Goldfuß Engineering GmbH는 의료용 의약품 포장라인에 최초의 Beckhoff eXtended Transport System(XTS)을 활용하게 되었다. XTS는 유연한 버퍼링을 위해 소프트웨어 기능을 사용하여 라인 전송 요구를 이상적으로 충족시키는 매우 동적인 솔루션을 제공하고 구성요소의 수를 최소한으로 줄이는데 도움을 준다.

Goldfuß는 플라스틱 공학과 식품 및 제약분야에 사용되는 특수기계를 포함하여 다양한 처리 및 생산시스템을 설계하고 구축한다. 분당 최대 60개의 부품을 처리하는 고속 프로세스를 지원하기 위해 이 시스템은 매우 정확한 공급, 위치 결정, 가공 및 검사 작업을 필요로 한다. XTS는 이러한 소형 전송 솔루션과 같은 시스템에 필요한 유연성과 신속한 제품 전환 기능을 제공한다. 동시에 고급 소프트웨어 기능을 갖춘 XTS는 완전히 새로운 접근 방식을 통해 매우 역동적인 시스템 설정 및 구성을 구현할 수 있는 길을 열어 준다. 한때 불가능에 가까웠거나 매우 복잡한 솔루션을 필요로 했던 모션 작업이 이제 전례없는 편리성과 유연성으로 구현될 수 있다. Goldfuß의 경영진이자 특수 목적 기계 판매 책임자인 Michael Müller는 다음과 같이 설명한다. “특정 가공 스테이션의 인스턴스를 최대 4개까지 제공해야 하는 고정 사이클 타임 워크피스 캐리어 시스템과 달리 XTS 및 자사의 소프트웨어 기능은 엄청난 유연성을 제공합니다. 우리는 필요한 만큼의 무버(mover)를 사용할 수 있으며, 프로세스 실행 방식에 따라 작동 방식을 변경할 수 있습니다.”
Goldfuß는 2017년에 약병 캡을 조립하는 특수기계에서 이 접근 방식을 실행했다. 이것은 건조제로 채워진 안전 캡이다. 조립 과정은 기계적 관점에서만 도전이 아니라 FDA 21 CFR Part 11 규정을 준수하여 의약품에 사용되는 포장재가 완전히 깨끗하고 살균된 제품임을 보장해야 한다. 대부분의 경우 이런 종류의 조립기계는 클린룸에 위치해 있기 때문에 자동화 시스템 제어 캐비닛 또한 Class 8 클린룸 표준을 준수해야 한다. 게다가 고객들은 빠른 출력 속도, 최소 생산 위험과 고도의 유연성 및 프로세스 신뢰성을 기대한다.

XTS에 의한 새로운 차원의 자유
탁월한 속도 외에도 XTS는 부품을 공급, 배치, 조립, 검사 및 배출하는 공정 단계의 타이밍 차이를 수용할 수 있는 탁월한 유연성을 제공하므로 사이클 타임을 1초 미만으로 유지한다. “우리는 특정 개수의 처리 스테이션에 의존하지 않고도 설치할 수 있는 시스템을 구현하고자 했습니다. 사이클 타임 제약 조건을 감안할 때, 우리가 원하는 대로 구성 요소를 자유롭게 선택할 수 있었던 것이 중요했으며, 무버의 개수를 통해 원하는 유연성을 얻을 수 있었습니다.”라고 Michael Müller는 설명하고 다음과 같이 덧붙였다. “우리는 다양한 워크피스 캐리어 및 고정 사이클 타임을 가진 시스템을 검토했습니다. 그러나 고정 사이클 캐리어를 사용하면 필요한 사이클 타임을 성공적으로 유지하기 위해서는 병목 스테이션에서처럼 동일한 개수의 시스템이 모든 스테이션에 필요합니다. 우리의 경우, 이는 4개의 카메라 시스템, 4개의 가공 스테이션 및 4개의 조립 스테이션을 사용해야 한다는 것을 의미했습니다. 이러한 이유로 우리는 훨씬 더 유연한 XTS 솔루션을 선택했습니다.”
안전 캡을 위한 사출성형 부품은 나선형 컨베이어를 통해 벌크로 제공되어 시스템에 공급되며, 시스템에서 여러 대의 카메라로 검사된 다음 적절한 마운트가 장착된 XTS 무버에 배치된다. 무버는 캡을 카드 보드 디스크를 펀치하고 초음파 용접을 수행하며 다양한 조립작업을 수행하는 가공 스테이션으로 운반한다. 그 사이에 카메라 스테이션에서 부품을 반복적으로 검사한다. 또한 전체 공정의 마지막에 계량기에서 검사한다. 가공 및 검사 스테이션은 총길이가 약 7.5 미터인 타원형의 XTS 전송 트랙으로 연결되어 있으며 이는 20개의 직선 및 각각 250 밀리미터 길이인 8개의 45° 곡선 모터 모듈로 구성되어 있다. 워크피스 캐리어 역할을 하는 34개의 무버가 트랙을 따라 이동한다. 전체 시스템은 제어 캐비닛 설치를 위한 C6930 산업용 PC로 제어된다.
캡조립 라인의 무버는 제품 스트림 내에서 여러 가지 방법으로 그룹화 할 수 있다. 즉, 개별적으로 또는 그룹으로 가공 스테이션으로 이동할 수 있다. 무버는 별도의 서보축으로 개별적으로 제어되지만 필요할 경우 다른 무버 또는 프로세스 워크플로와 동기화 할 수 있다. 진행 중인 작업에 따라 그들은(절대 위치가 무엇이든 상관없이) 독립적으로 이동할 수 있고 서로 상대적으로 작동할 수 있다. 이를 통해 유연한 버퍼가 형성되어 개별 가공 스테이션을 실제 처리 성능에 맞게 매우 역동적인 방식으로 사용할 수 있다.

개방형, 소형, 엔드-투-엔드시스템에서의 PC 기반제어
이 시스템은 과립 물질을 처리하기 때문에 높은 수준의 먼지와 오물을 막기 위해 가압 처리되어 완전히 밀폐된다. 핸들링 장비–가공 중인 부품을 붙잡고, 들어올리고, 밀어내고 압축하는 요소–는 밸브 터미널에 의해 공기압으로 제어된다. 컨베이어 무게 계량기는 라인 끝에서 제품의 내용물 무게를 확인한다. 전체 시스템은 CP-Link 4 결합 전원 및 데이터 케이블을 통해 연결된 CP3919 19” 멀티 터치 제어판에서 작동하는 C6930 산업용 PC로 제어된다. XTS와의 데이터 통신은 초고속 EtherCAT 링크를 통해 이루어지며 카메라 시스템은 이더넷으로 TCP/IP를 통해 연결된다. 초음파 용접기에는 EL6900 TwinSAFE 논리 터미널을 포함하는 TwinSAFE 안정장치가 장착되어 비상정지(STO) 및 안전정지(SS1 및 SS2)와 같은 안전 기능을 구현한다. 또한 다양한 아날로그 및 디지털 입력 및 출력 모듈이 있다
XTS의 단순하고 컴팩트한 디자인은 다음과 같은 뚜렷한 장점을 가지고 있다. “XTS의 주된 장점은 드라이브 및 전력 전자 장치와 위치 측정 시스템이 모두 모터 모듈에 포함되어 있다는 것입니다. 즉 실제 XTS 트랙에 포함되어 있습니다. 만약 XTS가 없다면 우리 조립라인은 약 200~300대의 모터가 필요할 것이고, 구동 제어 장치는 매우 큰 캐비닛을 채울 것입니다. XTS를 사용하면 제어 캐비닛에 연결 케이블(EtherCAT용 및 24/48-V 전원공급장치용) 3개만 연결하면 됩니다. TwinCAT 소프트웨어를 실행하는 Intel® Core™i7 쿼드코어 CPU가 장착된 C6930 산업용 PC는 개별 무버를 서보축으로 관리하여 전자 기어링 및 캐밍과 같은 일반적인 모션 제어 기능을 모두 갖추고 있습니다. 이것들은 워크피스 캐리어가 줄지어 흔들림없이 움직일 수 있을 뿐만 아니라 트랙의 곡선 부분에서 발생하는 원심력을 제한합니다. 멀티코어 CPU의 병렬 처리로 인해 단일 코어에서 순차 처리하는 것 보다 가용 컴퓨팅 성능이 훨씬 뛰어나므로 이러한 XTS 애플리케이션을 구현하는 것이 매우 효율적입니다.”

유연성이 향상되고 기계적 복잡성이 감소된 조립라인
원칙적으로 XTS 무버는 주어진 처리 스테이션에 연속적으로 도착하지만 사이클 타임이 필요한 경우에 같은 종류의 여러 스테이션에 병렬로 보낼 수 있다. 예를 들어, 처리주기가 1 초 이상 걸리면 처리 스테이션의 수를 2, 3 또는 4개로 늘려야 한다. 초음파 용접은 3~4초 정도 걸리므로 사이클 타임 제한을 지키기 위해 Goldfuß는 현재 3개의 초음파 용접장치를 병렬로 작동시키고 4번째 장치는 사이클 시간이 늘어날 경우을 대비해서 대기모드로 해놓는다. 조립 스테이션의 상황도 본질적으로 동일하다. 그들은 한번에 4개의 캡을 조립한다. 무버의 고속을 활용하여 기계는 전체적으로 사용되는 스테이션의 수를 늘릴 수 있으며 요구되는 사이클 타임을 정확히 유지할 수 있다. 이를 통해 라인은 분당 60개의 부품을 처리할 수 있다. 고속 카메라 스테이션은 결과를 반환하는데 1초도 채 걸리지 않으므로 모든 무버가 1대의 카메라만 통과한다.
“조립라인은 이제 매우 유연해져서 많은 액츄에이터를 제거할 수 있었습니다. 기존 시스템에 비해 XTS는 구성요소를 더 적게 필요로 하므로 기계적 요구사항이 크게 줄어들었습니다.”라고 Michael Muller는 말한다. “이 시스템을 통해 모션 프로파일을 정밀하게 조정하여 사이클 타임을 정확하게 일치시키고 여러 스테이션 간에 프로세싱이 나뉘는 방식을 유연하게 바꿀 수 있습니다. 또한 제품 요구사항이 변경되는 경우 약간의 노력으로 모듈을 전환, 수정 및 추가할 수 있습니다. 주요 적용이 소프트웨어에서 이루어지기 때문에 이러한 경우에는 사소한 기계적 변형만 포함됩니다. 뿐만 아니라 기계는 설계 측면에서 모듈화 되어 있기 때문에 다양한 새로운 요구사항을 충족시키고 향후 다른 산업별 요구사항을 효율적으로 해결할 수 있습니다.”