[인더스트리뉴스 최종윤 기자] Voxel Innovations와 Palmetto Mechatronics, Beckhoff가 로봇 공학 및 검사 기능이 통합된 자동화된 펄스 전기 화학 가공(PECM) 생산라인 개발을 완료했다. 펄스 전기 화학 가공(PECM)은 복잡한 기하학적 구조를 원자 단위로 형성할 수 있는 고속 부식 공정이다. 하이테크 어플리케이션을 위한 금속 부품의 정밀한 제조에 이상적이다. 3사는 핵심 프로세스를 완전 자동화된 고처리량 생산라인에 통합하기 위해 Beckhoff의 개방형 PC 기반 제어 기술을 사용했다.

PECM은 복잡한 고품질 형상을 원자 단위로 형성하는 매우 빠르고 고도로 표적화된 부식이다. Voxel의 다니엘 해링턴(Daniel Herrington) CEO는 “PECM 공정은 비접촉식 및 비열 방식이므로 부품의 변형 없이 복잡한 피처가 있는 얇은 벽 형상을 만들 수 있다”며, “기존 제조 공정으로는 경제적으로 처리할 수 없거나 아예 만들 수 없었던 부품을 생산할 수 있다”고 강조했다.

제품 취급 및 품질 관리 기능 내장

Voxel에서 개발 완료한 자동화된 생산라인을 구체적으로 살펴보면, 먼저 라인에서 부품을 먼저 분리한 다음 SCARA 로봇이 트레이에 부품을 적재한다. 갠트리가 트레이를 전처리 수조를 통해 이동한다. 다음으로 멀티 조인트 로봇이 여러 개 작업물을 잡고 PECM 셀에 삽입한다. 내부에서는 툴링이 제자리로 내려가고 전해질 용액이 툴과 부품 사이의 미세한 틈을 채운다. 정확한 전압 전위를 적용해 시스템은 전기 분해를 통해 금속을 용해한다. 동시에 전해액은 노폐물과 잔여열을 제거하는 플러싱제 역할도 한다. 그후 로봇은 가공된 부품을 별도의 트레이에 내려 놓는다. 그런 다음 두 번째 갠트리를 통해 후처리 욕조와 건조실로 이동한다. 마지막으로 다른 SCARA가 트레이를 내리는 동시에 Micro Epsilon 광학 게이지를 사용해 부품을 검사 스테이션으로 라우팅한다.

정교한 작업에는 빠른 사이클 타임과 서로 다른 프로세스 간의 정확한 동기화가 필요하다. 또한 데이터베이스와의 인터페이스, 웹 기반 플랫폼에 연결해 데이터를 추출하고 타사 디바이스와의 간편한 통합도 모두 고려해야 했다.

자동화 소프트웨어로 까다로운 과제 해결

기계 프로그래밍에는 Beckhoff의 TwinCAT 3 자동화 소프트웨어를 사용했다. TwinCAT을 사용하면 엔지니어는 자신의 스킬셋과 어플리케이션의 요구 사항에 가장 적합한 언어로 프로그래밍할 수 있다. HMI 사용자 지정에 C#과 함께 구조화된 텍스트를 사용했다. 표준 PLC 기능 및 프로세스 센서를 위한 PID 루프 실행 외에도 여러 가지 TwinCAT 기능이 중요한 것으로 확인됐다. 예를 들어 PECM 툴링을 올리고 내리는 13개의 Beckhoff AM8100 서보모터로 볼 스크류 액추에이터를 구동하는 PTP 모션 제어 라이브러리를 사용할 수 있었다. 또 TwinCAT 3 데이터베이스 서버를 통해 진행 중인 작업(WIP) 제어 및 주요 성과 지표도 확인 가능했다.

Palmetto Mechatronics의 Robert Belk 자동화 컨설턴트이자 CEO는 “공작 기계의 마모나 손상을 파악하고 가공 공정을 최적화하는 데 있어 부품 데이터는 매우 중요하다”며, “Beckhoff의 데이터베이스 클라이언트 소프트웨어는 TwinCAT 제어 소프트웨어 내에서 저장 프로시저를 매우 빠르게 실행할 수 있게 해준다”고 말했다.

정밀 가공을 위한 정밀 제어

Voxel의 PECM 생산 라인은 TwinCAT을 실행하는 CX2042 임베디드 PC를 중앙 머신 컨트롤러로 사용한다. 직접 연결된 EtherCAT 터미널이 있는 CX2042는 세 대의 로봇, 광학 게이지, MS-SQL 데이터베이스와 통신하고 HMI 프로그램을 호스팅한다. Intel Xeon 멀티코어 프로세서를 탑재해 짧은 사이클 타임에 필요한 컴퓨팅 성능을 제공한다.

네트워킹 측면에서 EtherCAT은 빠른 실시간 통신과 유연한 토폴로지를 제공한다. 멀티 조인트 로봇에 설치된 EtherCAT 터미널은 24개의 그리퍼 세트를 위한 밸브와 센서로 로봇팔 끝 툴링을 제어한다. 또한 EL7211 서보모터 터미널은 AM8100 서보모터를 위한 공간 절약형 48V DC 서보 증폭기를 제공했다. 로봇에 내장된 기능뿐만 아니라 TwinSAFE 하드웨어를 통해 EtherCAT 네트워크로 기능 안전을 구현할 수 있다.

대량 생산을 위한 혁신적인 자동화

1년간의 개발 기간을 거쳐 2023년 6월에 가동에 들어간 자동화된 PECM 생산라인은 연간 약 400만 개의 부품을 생산하고 있다. Voxel은 설계 단계에서 설정한 성능 벤치마크를 달성했다. 시스템은 품질 관리 데이터, pH 레벨 등에 대한 완벽한 가시성을 제공해 항공우주 분야 AS9100 및 의료 기기 제조 분야 ISO 13485와 같은 표준을 준수하기 위한 추적성도 제공한다. 또한 생산을 일시 중지하고 허용 오차를 벗어나는 경우 작업자에게 경고할 수 있다.

Voxel의 Daniel Herrington CEO는 “제트 엔진용 부품, 이식형 의료 기기, 에너지 애플리케이션용 열교환기 등 어느 분야든 우리 비전은 고객이 성능과 비용 지표를 최적화하는 데 도움이 되는 차별화된 기술을 제공하는 것”이라고 말했다. 이어 Daniel Herrington CEO는 “우리의 목표는 신뢰할 수 있는 엔지니어링 개발 및 대량 생산 파트너가 되는 것”이라며, “제품 수명 주기 내내 고객을 지원할 것”이라고 강조했다.

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