Beckhoff, 항공우주산업용 대형 부품 검사하기

PC 및 이더캣 기반 컨트롤 기술은 항공 우주 산업용 안전 관련 부품의 검사 과정에서 높은 정확도와 많은 처리량 그리고 설치 시 현저한 절감 효과를 제공한다.

셰인 노바체크(Shane Novacek): Beckhoff Automation LLC 새비지 (USA) 북미 마케팅 커뮤니케이션 매니저.

항공우주산업은 자재 검사와 품질 보장 요건이 매우 까다롭다. 빈틈없는 검사만이 승객과 승무원 그리고 화물의 안전을 보장하기 때문이다. Genesis Systems 그룹은 제조 산업과 운반 산업, 항공우주산업용 로봇 지원 시스템 통합 업체이다. Genesis Systems는 항공기, 위성, 로켓에 사용하는 대형 부품의 비파괴 검사와 이에 대한 특수한 요건을 위해 로봇 지원 NDI(Non-destructive Inspection) 시스템을 개발하였다.

최종 테스트용 로봇 시스템

아무리 경험이 많은 검사자라도 대형 부품을 수작업으로 검사하는 것은 상당히 큰 도전과제이다. 다양한 크기의 부품 중심으로 이동해야 하고, 매우 높은 정확도를 준수하면서 빠짐 없이 물질 검사를 보장해야 하기 때문이다. Genesis의 검사 시스템은 Beckhoff의 PC와 이더캣을 기반으로 컨트롤 시스템에 요구되는 정밀도와 단축된 시간 안에 과제를 처리한다.

Genesis는 PLC, 모션 컨트롤, 안전 로직, 검사 소프트웨어, HMI, 윈도우에 대해 임베디드 PC CX2030을 사용하며, 이때 20대의 로봇으로 구성되는 시스템 내에서 CPU 용량을 약 25%만 사용한다.

             Genesis Systems의 Nspect 시리즈 NDI 솔루션은 항공우주산업 부품의 표면에 결함이 있는지 그리고 제조 규정을 준수하였는지 점검한다. 이를 위해 로봇은 초음파검사 기술을 갖추고 있으며, 부품을 검사하고 이를 수신기로 전송된다. 여기에는 펄스 에코 기술, 위상 변위, 시어로 그래피와 같은 종래의 시험 방법과 다른 기술도 지원한다. 조사한 물질은 대부분 강, 알루미늄 또는 복합 재료이다. 이 솔루션의 핵심 요소는 6축 관절 로봇인 Genesis Blitz(블리츠) 모듈이다. 이 블리츠 모듈은 C++ 프로그래밍으로 로봇의 모든 위치를 정확하게 파악하고, 약 200μs 이내에 6개 자유도와 최대 1mm의 측정 그리드 크기로 가상 엔코더를 생성한다. 이 위치 피드백이 부품의 넓은 표면을 빈틈 없이 검사한다. „이것을 물질 검사에서는 Pop(Pulse on Posion)라고 부릅니다. “(라이언 슈테켈, Genesis Systems Group 자동화 시스템 엔지니어) „

블리츠 모듈은 검사하는 물질의 측정 데이터를 수집하고 이를 기구 또는 센서의 위치와 연결합니다. 이때 펄스가 빠르게 송신될수록 로봇이 앞으로 신속하게 움직일 수 있고 NCI 시스템의 생산성은 더욱 높아집니다.“(라이언 슈테켈 엔지니어) 이더캣과의 통신을 통해 블리츠 모듈은 펄스 송신에 1ms만 필요하며, 반면 표준 값은 10ms이다. 또한 이더캣은 높은 측정 정확도와 정밀한 시스템 동기화가 가능하며, 이는 물질 검사에 있어서 두 가지 핵심 기준이 된다.

다수의 관절 로봇으로 구성되는 Genesis Systems 그룹의 부품 홀딩 시스템은 항공우주 산업의 대형 부품을 검사한다.

             또 다른 새로운 기술은 Robopogo이다. 이는 Nspect 시스템으로 검사하기 위해 다수의 관절 로봇을 포함하는 부품 홀딩 시스템이다. Robopogo는 다양한 형상의 대형 부품을 잡을 수 있다. „Genesis는 2017년에 NDI 시험에서 대형 부품을 고정하는 프로젝트를 수주했습니다. 기존의 장치나 수동으로 조정하는 홀더는 매우 번거롭고 비용이 많이 듭니다.“ (Genesis Systems 그룹의 우주항공 분과 디렉터인 휘트니 문)

3 ~ 33m 길이의 부품을 고정해야 한다면 Robopogo가 최적 시스템이다. 이는 관절암 로봇이 다양한 부품 형상이나 절차 또는 어플리케이션에 적응하는 데에 필요한 유연성을 제공하고, Nspect 시리즈의 검사 로봇과 정확하게 동기화되면서 측정 중에 동적 재포지셔닝이 가능하다.

PC 기반 플랫폼이 시스템 통합을 단순화한다

„Robopogo 시스템을 이용하는 어플리케이션은 특수하여 시스템을 간단하게 구성할 수 있는 유연한 자동화 기술이 필요합니다. 우리는 모든 과제를 통합한 하나의 플랫폼으로 원스톱 처리할 수 있기 때문에 PC 기반 컨트롤이 이상적입니다.“(휘트니 문) Genesis Systems는 PLC, 모션 컨트롤, HMI 소프트웨어, 윈도우 운영 시스템 그리고 Genesis의 자체 시험 프로그램까지 모든 기능을 임베디드 PC CX2030에 통합하였다. „우리는 로봇 20대로 이루어진 시스템에 CX2030을 사용합니다. 이때 CPU 사용률은 약 25%에 불과합니다. 모든 시험 데이터 수집과 밀리초 사이클 안에 20대의 Kuka 로봇과 통신합니다. 이러한 점은 PC 기반 컨트롤과 이더캣의 장점을 명확하게 보여줍니다.“(라이언 슈테켈 엔지니어)

시스템 프로그래밍과 런타임은 Beckhoff의 Twincat 3 소프트웨어를 기반으로 한다.

            시스템 프로그래밍과 Twincat 3 소프트웨어를 이용한 런타임이 시스템 준비를 간단하게 한다. „개별 환경에는 스트럭처드 텍스트와 객체 지향 프로그래밍이 이에 속합니다. Robopogo는 이를 통해 로봇 4대로 이루어진 시스템이나 20대로 이루어진 시스템에 관계 없이 필요에 따라 간단하게 조정할 수 있습니다.“(휘트니 문) „새로운 시스템인 경우, 새로 프로그램을 작성하는 대신 기본 매개변수만 조정하면 됩니다.“(슈테켈)

슬림하게 자동화하기 및 안전성 높이기

Robopogo와 Genesis의 또 다른 NDI 시스템은 이더캣을 통해 통신한다. Genesis Systems는 원케이블 자동화를 위한 이더캣 P의 얼리 어댑터이다. „Genesis Systems의 항공우주산업에 대한 작업량이 많아지면서 100m 이상 되는 부품에 대한 어플리케이션이 많이 필요하게 되었습니다.“(휘트니 문) „많은 케이블을 다시 컨트롤 캐비닛으로 가져가야 한다면, 시간이 많이 걸리고 비용도 많이 들어갑니다. Genesis Systems는 개별 스테이션 간에 이더캣 신호와 전력을 전달하기 위해 이더캣 P를 사용하고, 스테이션에서 메인 컨트롤 캐비닛으로 돌아오는 라인을 사용하지 않을 수 있습니다.“ 따라서 IP67 보호 등급의 이더캣 P 박스 모듈과 원 케이블 기술을 사용하는 서보 모터와 서보 드라이브는 총 배선 비용을 줄일 수 있다.

Genesis Systems의 Nspect 시스템은 초음파 검사 데이터와 로봇의 위치 데이터를 조합하여 안전 관련 부품의 빈틈 없는 물질 검사를 한다.

             이더캣 I/O 시스템에 통합된 안전 기술인 Twinsafe는 FSoE로 보호되는 통신 덕분에 또 다른 장점을 제공한다. „필요한 안전 릴레이 수가 90% 정도 줄었습니다. 이더캣 진단 기능은 시스템의 안전을 높입니다. 통합된 툴이 네트워크 내 관련 장치와 오류를 정확하게 짝지을 수 있기 때문입니다.“(휘트니 문) 또한 안전 구역을 설정하고 작동 중에 재구성할 수 있다. 예를 들면 시스템이 검사 대상을 검사하는 동안 다음 검사 대상을 고정할 수 있다. 이러한 유연성은 지금까지 다른 컨트롤 시스템과 안전 인터페이스로는 불가능했다.

절감 효과는 주목할 만하면서 동시에 정확도는 높다

„Genesis Systems는 Beckhoff의 원케이블 자동화를 통해 드라이브, 모터, 센서, 액추에이터 그리고 NDI 시스템의 공압 밸브의 배선을 최대 50%까지 줄일 수 있었습니다.“(라이언 슈테켈 엔지니어) „모든 전기 구성 요소의 설치와 배선 시간도 50% 정도 줄일 수 있었고, 스위치 캐비닛과 컨트롤 캐비닛에서 차지하는 공간도 20% 줄었습니다.“(디렉터 휘트니 문)

MM Genesis Systems Group

로봇 기반 대형 부품 검사

미국 아이오와주 데이븐포트에 소재한 Genesis Systems 그룹은 대형 부품 및 소형 비행기, 위성, 로켓용 부품을 비파괴 검사하기 위해 로봇 기반 시스템을 개발한다. 이 업체는 1983년에 설립되었으며 약 200 여명의 직원들이 종사하고 있다.