카르테시안(갠트리) 로봇이 관절 로봇보다 뛰어난 4가지 핵심 이유

Futura Automation, LLC(www.futura-automation.com)는 다양한 로봇, 자동화, 모션 제어 솔루션을 제공합니다. 이번 주 Futura Automation 뉴스레터는 Macron Dynamics가 공급하는 카르테시안 로봇의 이점을 다른 주요 산업용 로봇 토폴로지인 #관절형, 델타, SCARA와 비교해 설명합니다. 이 글은 카르테시안의 네 가지 주요 이점을 다룹니다:

• 설계 유연성
• 대폭 긴 리치(이동 거리)
• 더 큰 페이로드
• 비용 절감

대부분 자동차 용접 라인이나 케이스 포장/팔레타이징에 자주 등장하는 6축(관절형) 로봇 암을 알고 있습니다. #델타 로봇은 주로 식품 포장에서 두 컨베이어 벨트 간 대량 픽앤플레이스에 인기 있습니다. #SCARA 또는 4축 암은 산업용 로봇의 또 다른 일반적인 폼 팩터입니다. SCARA는 전자, 의료 포장, 소형 소비재에서 소형 부품 픽앤플레이스에 최적입니다. 관절형과 SCARA 같은 표준 로봇 토폴로지는 제조사와 암 메커니즘에 의해 잘 정의된 작업 엔벨로프를 가집니다. 특이한 동작이 필요하거나 매우 높거나 매우 긴 동작이 필요하면 어떨까요? 그런 경우 카르테시안 로봇을 제안할 수 있습니다. 카르테시안은 갠트리 로봇이라고도 불리는 매우 일반적이고 단순한 로봇 토폴로지입니다. 갠트리 크레인은 물론 자동화된 카르테시안 로봇보다 수세기 전부터 존재했습니다. 하지만 폼 팩터는 꽤 유사합니다. 차이는 갠트리 로봇에 적용된 자동화로 움직임이 사전 프로그래밍되고 경우에 따라 머신 비전의 지원을 받는다는 점입니다.

카르테시안 로봇이란?

3D 프린터는 데스크톱 모델이든 콘크리트로 집을 프린트할 만큼 큰 모델이든 카르테시안 또는 리니어 로봇 토폴로지를 사용합니다. 또 다른 일반적인 예는 전자 회로 기판 제조에 사용되는 픽앤플레이스 머신으로, 흔히 '칩 슈터'라고 불립니다. 소형 폼 팩터 카르테시안 로봇은 테이블이나 컨베이어 시스템 위에 구축되는 경우가 많습니다. 일반적으로 3축 모션을 가집니다. 상/하, 전/후, 좌/우로 움직일 수 있습니다. 모든 로봇처럼 카르테시안도 할당된 작업을 수행하는 엔드 이펙터를 가집니다. 가장 정밀한 작업을 수행하는 카르테시안(보통 반도체 및 광학 산업)은 30cm 미만의 리치/스팬에서 1미크론 미만의 반복정밀도를 가집니다.

카르테시안 로봇용 엔드 이펙터에는 다음이 포함될 수 있습니다:

• 진공 그리퍼
• 기계식 그리퍼
• 프린터 헤드
• 라우터 헤드
• 워터젯
• 절단 레이저
• 혼합 또는 교반 툴
• 머신 비전

어떤 산업에서 카르테시안 로봇을 사용하는가?

광범위한 애플리케이션을 가지므로 카르테시안 로봇은 많은 산업에서 발견됩니다. 다음 산업의 제조업체들이 이 기술을 흔히 활용합니다:

• 항공우주 - 가공 및 마감
• 농업 - 수직 농업
• 포장 - 케이스 포장 & 팔레타이징
• 머신 텐딩 (CNC 또는 플라스틱)
• 전자, 광학 및 반도체
• 의료 기기 조립 및 제약 디스펜싱
• 멀티미디어, 무대 장비 및 광고
• 식음료 취급

이는 몇 가지 예일 뿐입니다. 카르테시안 기술은 오랫동안 존재해왔습니다. 이 때문에 이 로봇들에 대한 검증된 애플리케이션이 많습니다. 또한 운영자가 이해하고 재프로그래밍하기 간단합니다. 이는 자동화 입문자에게 사용자 친화적입니다. 이 제조업체들은 카르테시안 로봇이 탁월할 수 있는 유형의 애플리케이션을 종종 가집니다.

카르테시안 로봇의 일반적인 애플리케이션

카르테시안 로봇은 많은 애플리케이션에서 올바른 솔루션이지만, 다른 애플리케이션에서는 리니어 로봇이 나쁜 선택일 수 있습니다. 카르테시안의 핵심 제한사항은 제한된 동작 범위, 특히 허리 축 또는 Joint 1(J1)과 손목 동작 또는 J5, 관절형 로봇의 회전 J6입니다. 6축 로봇은 온갖 자세로 구부리고 회전할 수 있습니다. 소재를 각도에서 취급하거나 회전해야 하는 경우(픽업 또는 배치, 용접, 페인팅, 디스펜싱), 관절형 암이 더 적합합니다. 카르테시안 로봇은 엔드 이펙터의 가능한 로터리 액추에이터를 제외하고 회전 동작이 없는 매우 강성한 모션을 가집니다. 이는 제한처럼 보일 수 있고 실제로 그렇기도 합니다. 하지만 평면 방식으로 설계된 애플리케이션(플랫폼이나 컨베이어에서 제품 배치, 정렬, 적재)에서는 장점이 됩니다. 이 리니어 로봇의 평면적 특성은 특정 애플리케이션에서 다른 로봇 유형보다 더 잘 수행할 수 있는 이점을 가집니다. 몇 가지 예:

• CNC 머신 텐딩
• 3D 프린팅
• 금속 플라즈마/레이저 절단
• 나사 조임
• 디스펜싱
• 목재 취급 및 라우팅
• PCB 조립 및 테스트
• 픽앤플레이스 또는 분류
• 물류 - 웨어하우징용 AS/RS
• 수직 농업
• 검사

카르테시안 로봇이 이 애플리케이션에서 탁월할 수 있는 몇 가지 이유가 있습니다. 첫째, 이 애플리케이션은 흔히 한 평면이나 차원에서 수행됩니다. 예를 들어, 레이저 카르테시안 로봇이 금속 시트에서 모양을 잘라내는 임무를 맡았다고 합시다. 금속 시트는 절단 표면에 평평하게 놓여 있습니다. 로봇은 명령된 움직임을 수행해 조각에서 모양을 잘라냅니다. 이 모션은 로봇이 특수 각도로 비틀리거나 조각 옆으로 회전할 필요가 없습니다. 모두 상/하, 전/후, 좌/우 모션입니다. 일부 카르테시안 로봇은 엔드 이펙터에 추가 로터리 축을 가집니다. 상당한 유연성과 동작 범위가 필요하면 다른 로봇 유형이 최선일 수 있습니다.

설계 유연성

카르테시안 로봇은 사용 가능한 가장 확장 가능한 로봇 플랫폼입니다. 이 확장성은 잠재적 물리적 크기와 궁극적 강도 양쪽에 있습니다. 카르테시안 로봇은 손바닥만 한 크기에서 창고만큼 클 수 있습니다. 매우 작은 카르테시안은 '멀티축 스테이지'라고 불리며 전자 분야에서 미크론 정밀도 포토리소그래피, 디스펜싱, 배치, 레이저 절단에 사용됩니다. 오늘날 50미터(164피트) 이상 길이의 대형 카르테시안 로봇도 있습니다. 일반적인 '대형 카르테시안' 애플리케이션은 로봇 트랜스퍼 유닛, 즉 흔히 '7축'으로 알려진 단일 '7번째 축'입니다. 관절형 로봇도 XY 또는 XZ 카르테시안에 장착해 선박 마감이나 용접물 연마 같은 넓은 영역을 커버할 수 있습니다. 금속 강화 벨트 액추에이터로 Macron Dynamics는 이 시스템을 믿을 수 없을 만큼 길게 만들고 최대 2200lb(1000kg) 페이로드에 적합하게 만듭니다. 큰 비율의 기어박스와 슬림한 로봇 바디 케이싱 안에 들어갈 필요가 없는 모터 등의 메커니즘 덕분에 카르테시안 로봇은 가장 크고 무거운 작업도 쉽게 처리할 수 있습니다.

리치(길이) 확장성

Futura Automation의 고객들은 맞춤형 카르테시안 로봇의 유연성과 확장성 혜택을 누립니다. 건물의 구조적 스팬만큼 긴 카르테시안을 구축하는 것이 가능합니다. Futura의 파트너 Macron Dynamics는 수평 스팬에 유리섬유 풀트루전 빔 보강을 제공합니다. 더 긴 스팬과 더 무거운 하중을 위해 리니어 액추에이터를 강철 I빔으로 보강하는 것도 가능합니다. 200피트(60m) 수평 X 또는 Y축, 60피트(20m) 높이의 Z축도 가능합니다. 카르테시안은 Z축 또는 수직축 끝에 회전용 세타 축 드라이브를 포함하거나 손목 동작을 제공할 수도 있습니다.

광범위한 페이로드 범위

강철 강화 벨트를 사용하고 유리섬유 풀트루전 빔이나 강철 I빔으로 보강된 갠트리는 가장 강력한(그리고 매우 비싼) 관절형 로봇 암에 필적하는 수천 파운드 하중을 처리할 수 있습니다. 서보 기어모터에 통합 기계식 브레이크를 적용해 전원 차단 시에도 수직 축에서 하중을 고정할 수 있습니다. Macron Dynamics는 제어되지 않은 수직 하중으로부터 보호하는 안전 장치로 CLAWS 시스템도 제공합니다.

카르테시안 로봇의 비용

카르테시안 로봇이 고도로 확장 가능하다는 것을 알았습니다. 이는 비용도 고도로 확장 가능하다는 의미입니다. 2023년 기준 서보 드라이브와 제어를 포함한 완전한 카르테시안 로봇 시스템 비용은 소형 시스템 기준 $20,000부터 초대형 시스템 기준 $200,000 이상까지 다양합니다. 하지만 조건이 동일하다면, 동일한 프로젝트에서 동일한 리치와 페이로드로 6축 같은 다른 비교 가능한 산업용 로봇 폼 팩터를 사용하는 것보다 카르테시안 로봇을 사용하는 것이 더 저렴합니다. 주된 이유는 주조된 기계식 암에 맞춤 서보, 사이클로이드 기어링, 맞춤 베어링이 필요한 관절형 암과 달리 표준화된 압출재와 기성품 서보를 사용하기 때문입니다. 카르테시안 로봇 프로젝트의 주요 비용 변수는:

• 프로젝트 크기와 속도(액추에이터 길이와 페이로드 용량) 및 보강 슈퍼구조 필요 여부
• 애플리케이션 복잡성(특수 그리퍼나 추가 세타 축 필요 여부)
• 작동에 필요한 제어, 통신, HMI 유형
• 필요 정밀도 수준, 하나 이상의 축에 제로 백래시 스크류 드라이브 하이브리드 필요 가능성
• 안전 펜스나 센서 필요 여부

요약: 카르테시안 로봇이 관절형, 델타, SCARA 로봇을 이기는 경우는?

이제 카르테시안 로봇과 그 애플리케이션에 대해 알게 되었습니다. 그렇다면 언제 귀사와 프로젝트에 적합할까요? 우리는 이 질문에 답하는 것을 도울 수 있습니다. 간단히 말해 주요 고려사항은:

• 비용 절감 또는 처리량 증가를 원하십니까?
• 페이로드나 리치가 관절형 또는 SCARA 암에 큰 과제입니까?
• 애플리케이션에 필요한 정밀도/정확도는 무엇입니까?
• 속도 프로파일 대 하중, 즉 관성과 드라이브 토크 요구사항은 무엇입니까?

카르테시안 로봇은 백지 상태에서 설계되므로 모터와 기어박스 선택 시 관성을 올바르게 매칭하는 것이 중요합니다. Futura Automation은 고객 프로젝트에 대한 설계 가이드 제공 시 관성 매칭을 돕습니다. 업계 협회 'A3'의 문서로 임피던스 매칭의 중요성을 철저히 설명합니다. 관성 매칭 비디오 가이드도 제공: https://www.automate.org/industry-insights/understanding-the-mysteries-of-inertia-mismatch

Futura Automation이 귀사 프로젝트를 지원하는 방법

문의: sales@futura-automation.com