Servopress 101:기본 안내서

산업 자동화는 특히 조립 작업에 사용될 때 마술처럼 보일 수 있습니다. 다음 자동화 프로젝트에 도움이 되는 기본 사항에 대해 알아보세요.

서보메커니즘은 21세기 자동화의 핵심입니다. 기본 요소는 서보 모터입니다. 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 장치; 필요한 피드백을 제공하는 센서 제품군 피드백 데이터를 명령 신호로 변환하는 컨트롤러; 및 활성화 소프트웨어. 이것이 고속 정밀 조립 작업의 "마법"입니다. 기본 구성 요소가 21세기에 발전함에 따라 서보 프레스는 판도를 바꾸는 기술입니다.

빠르고 정확할 뿐만 아니라 규모도 커졌습니다. 금속 성형 및 스탬핑 산업에서 최대 5,000톤(4,536미터톤) 용량의 서보 프레스를 사용할 수 있으며 더 큰 장치가 개발 중입니다. 이러한 프레스는 엔지니어가 프로세스의 전체 스트로크 동안 힘, 속도 및 위치를 실시간으로 정밀하게 제어할 수 있도록 하여 사용자가 프로세스 설계에 접근하는 방식을 바꾸고 있습니다.

30년 전 업계의 선구자들은 정밀 볼스크류와 서보 모터, 로터리 인코더 및 로드 셀을 결합하여 조립 작업을 위해 특별히 설계된 최초의 EMAP(Electro-Mechanical Assembly Press)를 생산했습니다.

성공적인 얼리 어답터

얼리 어답터는 조립 중 프로세스 매개변수를 측정하는 기능을 통해 각 작업의 힘/위치 "시그니처"를 알려진 양호한 사이클의 힘/위치 "시그니처"와 비교하고 이를 복제하기 위해 실시간으로 프레스 매개변수를 조정함으로써 말 그대로 제품을 "복제"할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이 기본 개념은 간단한 리벳팅에서 고가 전자 제품의 설치에 이르기까지 수백 가지의 다양한 조립 응용 분야에서 사용되었습니다. 다음은 몇 가지 예입니다.
유니버설 조인트 어셈블리:카르단형 유니버셜 조인트에는 중앙 십자형 또는 "거미"가 있어 베어링 컵을 암의 구멍을 통해 눌러 한 쌍의 U자형 암에 부착됩니다. "거미"에 가공된 저널을 캡처합니다. 조립이 끝나면 베어링 컵이 암에 고정되어 제자리에 고정됩니다.

문제는 베어링 컵을 눌러 고정하는 동안 거미를 팔의 중앙에 유지하는 것입니다. 이것은 삽입되는 동안 각 베어링 컵에 동일한 힘을 가하도록 동기화된 한 쌍의 EMAP으로 수행됩니다. 컵이 제자리에 있으면 스파이더가 정확하게 중앙에 배치되고 EMAP가 동시에 스테이킹 작업을 수행합니다. 거미의 반대쪽 다리에 동일한 힘이 가해지기 때문에 중심을 유지하고 매번 좋은 조립 결과를 얻을 수 있습니다.

이 응용 프로그램은 EMAP가 작동 중에 모니터링되고 제어 장치에 의해 실시간으로 힘과 위치가 조정되기 때문에 작동합니다. 품질 보증을 위해 전체 프로세스의 데이터를 캡처하고 저장할 수 있어 각 어셈블리에 대해 100% 추적성을 제공합니다. 이 데이터는 조립 중인 부품의 이상을 식별하고 수정하는 데에도 유용하므로 전체 공급망과 조립 프로세스의 품질이 향상됩니다.

의료용 카테터 조립:중요한 작업은 작은 직경의 금속 튜브를 카테터의 유연한 부분에 부착된 더 큰 튜브에 부착하는 크림핑 프로세스입니다. 크림프가 완벽하지 않으면 잡아당길 때 분리되거나 튜브가 완전히 닫혀 카테터가 쓸모 없게 됩니다. 작은 금속 튜브를 약간 더 큰 튜브에 지속적으로 압착하는 것은 엄청난 도전이었습니다.

카테터 압착 작업에서 일관된 품질을 유지하기 위한 핵심은 가해지는 힘의 양과 압착 도구의 정확한 위치를 동시에 모니터링하는 것이었습니다. 알려진 양호한 작업의 두 매개변수가 모두 캡처되면 힘/위치 "시그니처"가 후속 작업을 측정하기 위한 벤치마크로 사용되었습니다.

외부 위치 변환기가 완비된 EMAP 기반 크림핑 스테이션은 카테터에서 크림핑 작업을 수행하는 데 사용됩니다. EMAP은 반복 가능한 압착력을 제공하고 변환기는 압착이 너무 얕지도 너무 깊지도 않은지 확인하기 위해 툴링을 모니터링합니다. 그 결과 생산된 모든 카테터에 대해 100% 노력 테스트 인증을 받았으며 현장에서 압착 실패가 사실상 제거되었습니다.

리벳이 있는 볼 조인트 어셈블리:자동차 볼 조인트 어셈블리는 일반적으로 리벳으로 상부 및 하부 컨트롤 암에 부착되는 안전에 중요한 구성 요소입니다. 세 가지 가능한 고장 모드가 있습니다. 1) 리벳이 너무 길거나 너무 짧을 수 있고, 2) 리벳이 너무 단단하거나 너무 부드럽거나, 3) 리벳이 완전히 없을 수 있습니다. 조립은 안전이 중요하기 때문에 전통적으로 100% 리벳팅 후 검사가 수행되었습니다.

기존 유압 프레스 대신 EMAP 기반 시스템을 사용하면 수행되는 동안 프로세스를 모니터링하고 "서명"을 알려진 양호한 작동과 비교함으로써 100% 검사 요구 사항을 제거합니다. 3개의 개별 로드 셀이 툴링에 장착되어 각 리벳에 가해지는 힘을 독립적으로 측정하는 반면 단일 위치 변환기는 램의 이동 거리를 측정합니다. 너무 단단하거나 부드럽거나 너무 짧거나 긴 리벳은 구멍 직경과 같은 허용 오차를 벗어난 세부 사항과 마찬가지로 서명에 뚜렷한 변화를 줍니다.

시스템은 다음을 제공합니다:길고, 짧고, 단단하고, 부드럽고, 리벳 감지가 없습니다. 모든 어셈블리의 100% 인증; 내장 데이터 수집; 그리고 생산된 모든 부품에 대한 힘 및 위치 데이터의 기록(프로세스 주기 동안 모두 실시간). 결과는 일관되고 정확하며 추적 가능하므로 품질을 보장하기 위해 더 이상 모든 부품에 대한 사후 공정 검사가 필요하지 않습니다.

기본을 넘어선

얼리 어답터들은 EMAP 기반 시스템에서 생성된 상세한 프로세스 데이터가 단순히 "서명"과 "복제" 어셈블리를 비교하는 것 이상의 용도가 있다는 것을 깨닫는 데 오랜 시간이 걸리지 않았습니다. EMAP 공급업체는 또한 고급 애플리케이션을 지원하기 위해 하드웨어 및 소프트웨어 기능을 모두 향상하느라 분주했습니다.

이러한 발전을 활용한 첫 번째 응용 프로그램 중 하나는 적절한 기능을 달성하기 위해 기하학적 정밀도가 필요한 제품이지만 매우 가까운 공차로 경제적으로 생산할 수 없는 구성 요소로 만들어진 자동차 제어 암의 조립이었습니다. 컨트롤 암은 견고한 스탬핑 또는 주조로 구성되어 있으며 고무로 둘러싸인 부싱이 제자리에 눌러져 있습니다. 극도의 치수 정밀도에는 적합하지 않습니다.

자동차 엔지니어가 일반적으로 하는 일은 어셈블리에 필요한 형상을 정의하고 "성취 방법" 부분은 공급업체에 맡기는 것입니다. 공급업체에서는 이것을 "유령" 차원이라고 부르며 다양한 산업 분야에서 흔히 볼 수 있습니다.

"팬텀" 치수에 대한 사양을 충족하기 위한 기존의 접근 방식은 정밀한 도구와 고정구를 만든 다음 부품의 지속적이고 예측할 수 없는 변동을 처리하도록 지속적으로 조정하는 것입니다. 다른 공급업체는 "압박 및 희망"을 선택한 다음 "측정 및 분류"를 선택하고 스크랩 및 재작업 비용을 수락합니다. EMAP 기반 시스템 대신 이 문제를 해결하려면 프레스에 통합된 로드 셀 외부의 추가 센서를 처리하는 고급 소프트웨어가 필요합니다. 조립은 두 개의 EMAP과 두 개의 디지털 프로브로 수행됩니다. 탄성 부싱이 설치 중에 구부러져 정확한 위치를 파악하기 어렵기 때문에 이러한 프로브가 필요합니다. 프로브는 또한 기계 및 로드 셀 편향을 보정합니다.

컨트롤 암을 조립하기 위해 부싱을 초기 위치로 누르고 힘을 제거한 다음 디지털 프로브로 위치를 측정합니다. 하나의 부싱은 볼 조인트에 상대적인 치수로 눌러집니다. 프로브는 위치를 측정하고 정보를 컨트롤러에 피드백하여 프레스에 얼마나 더 눌러야 하는지 알려줍니다. 이 순서는 부싱이 제자리에 고정될 때까지 반복됩니다. 다른 부싱은 동일한 설치 순서를 사용하지만 첫 번째 부싱에 상대적인 치수로 눌러집니다. 이것은 "팬텀" 차원이며 시스템은 제어 암 및/또는 부싱의 변화에 ​​관계없이 효율적이고 반복적으로 이를 달성할 수 있습니다.

방금 설명한 시스템은 구성 부품의 치수 사양을 변경하지 않고도 조립하는 컨트롤 암의 기능 품질을 크게 향상시킵니다. 사실, 완제품의 기능 품질에 영향을 미치지 않으면서 제조 비용을 줄이기 위해 이러한 구성 부품의 허용 오차를 느슨하게 할 수 있습니다. 기능은 품질에 대한 소비자의 척도이며, 컨트롤 암 시스템이 개척한 일종의 지능형 조립품으로 제조업체의 것도 될 수 있습니다.

성숙한 기술

지능형 어셈블리 애플리케이션이 확산됨에 따라 이를 구현하는 데 필요한 하드웨어 및 소프트웨어 시스템도 증가했습니다. 오늘날 EMAP은 0.2kN ~ 500kN 범위의 힘 출력과 함께 사용할 수 있으며 광범위한 통합 및 외부 센서를 장착할 수 있습니다. 시스템 빌더, H-프레임 프레스 및 최종 사용자를 위한 유연한 독립형 워크스테이션에 개별 구성요소로 제공됩니다.

혁신적인 엔지니어는 로봇 엔드 이펙터로 사용할 수 있을 만큼 EMAP을 가볍게 만들었고 인간이 손에 쥐는 모델도 사용할 수 있습니다. 두 제품 모두 프레스가 부품에 전달되는 응용 분야를 위한 것입니다. 즉, 프레스 작업의 반력이 로봇이나 작업자에게 전달될 수 없음을 의미합니다.

Promess가 로봇 애플리케이션을 위해 개발한 솔루션 중 하나는 통합 백스톱을 통합한 Robot Press입니다. 작동하는 동안 프레스는 로봇에 의해 부품에 배치되고 툴링이 맞물립니다. 그런 다음 로봇은 프레스가 통합 백 스톱에 도달할 때까지 프레스 동작을 수용하기 위해 세 번째 축에서 이동하면서 위치를 유지하기 위해 두 축에서 자유 부유 상태로 이동합니다. 프레스 동작은 완전히 프로그래밍할 수 있으며 프레스에 힘 및 위치 센서를 장착하여 지능형 조립 작업을 지원할 수 있습니다.

선형 EMAP/로터리 액추에이터 콤보

또 다른 추세는 조립 중 기능 테스트를 용이하게 하기 위해 선형 EMAP과 회전식 액추에이터의 조합입니다. 예를 들어, 자동차 후드 래치는 EMAP을 사용하여 리벳으로 조립됩니다. 리벳이 피닝되는 동안 래치가 작동되고 필요한 힘이 지정된 수준에 도달할 때까지 계속 측정되며 이 지점에서 프로세스가 중지됩니다. 이 프로세스는 리벳이나 스탬핑의 변화에 ​​관계없이 균일한 작동력으로 래치를 생산합니다. 유사한 시스템이 자동차 시트 래치, 플라이어를 조립하고 자동차 차동 장치의 부하에서 기어 백래시를 확인하는 데에도 사용됩니다.

이러한 모든 애플리케이션은 실시간으로 여러 데이터 입력을 처리 및 통합하고 필요한 서보 명령을 생성하는 정교한 컨트롤러와 소프트웨어에 의존합니다. 이제 압반 프레스의 모서리를 구동하는 여러 EMAP을 동기화하여 하중이 균일하지 않더라도 압반을 평행하게 유지하는 데 필요한 힘을 각각 생성하도록 제어하는 ​​기능을 사용할 수 있습니다.

제어 소프트웨어는 하드웨어와 함께 발전했으며 오늘날의 시스템은 몇 년 전의 이전 시스템보다 훨씬 쉽게 프로그래밍할 수 있습니다. 공급업체는 종종 전문 제어 엔지니어가 필요하지 않을 정도로 프로세스를 단순화하는 시스템에 상당한 시간과 재능을 투자했습니다.

EMAP 기술이 성숙해짐에 따라 지능형 조립 및 조립의 개념은 차원이 아닌 기능 사양에 따라 광범위한 산업 분야에서 점점 더 실용적이 되었습니다. 그러나 성숙이 침체를 의미하지는 않습니다. 이 기술은 수십 년 동안, 어떤 경우에는 수백 년 동안 제조업체를 괴롭힌 문제에 대한 진정으로 혁신적인 솔루션을 가능하게 함으로써 계속해서 성장하고 있습니다.