엄격한 생산 효율 향상 요구를 앞두고, 산업용 로봇 진화의 방책은?

상반되는 과제, 「소형화」와 「고속화」를 실현할 수 있는 모터를 찾을 수 없다

A사는, 산업용 로봇 등의 개발·제조로 알려진 산업 기기 메이커. 최근, 비용면과 품질면에서 치열한 경쟁에 노출되어 있는 제조업계에서는 생산라인의 더욱 효율화가 급선무가 되고 있습니다. A사도 예외는 아니고, 산업용 로봇의 성능에 대한 유저로부터의 요구는 날로 증가해 가고 있어, 개발자에게는 큰 압박을 받고 있었습니다.
A사 개발부 설계 그룹의 Y그룹 리더는 이렇게 말합니다.

“구조가 인간의 팔을 닮은 6축 수직 다관절 로봇은, 인간의 대체 작업을 시키는데 가장 합리적인 장치로서, 수평 다관절(스칼라) 로봇과 함께 널리 보급되고 있습니다. 개발·제조에 종사해 왔습니다.그러나, 보다 높은 경쟁 우위성을 요구하는 유저로부터는, 고속화나 소형·슬림화의 면에서 한층 더 향상을 요구되는 케이스가 늘어나고 있어, 정직, 더 이상의 개량에 는 멈추는 것을 느꼈습니다.

게다가 생산 라인의 효율화에 있어서 중요한 요건인 「사이클 타임의 단축」의 요구가, 개발의 어려움에 박차를 가하고 있었습니다. 로봇의 동작을 고속화하려면 출력이 높은 모터가 필요하지만 일반적으로 고출력의 모터는 질량이 커집니다. 손목 기구에 사용하면 본체 선회축 등의 기본축에 걸리는 관성 모멘트가 커져 속도가 오르지 않습니다. 본체 선회축의 모터를 사이즈 업하면 설치 면적이 넓어져 소형화는 바랄 수 없다. 또, 고속화하면 암의 코너 선회도 엄격해져, 궤적 정밀도를 유지하기 위해서는 감속할 수밖에 없게 됩니다. 그 속도 변화에 응답할 수 있는가….

현재의 제어 시스템으로, 더 이상의 정정 시간의 단축은 곤란…

Y씨를 한층 더 고민시킨 것이, 정정 시간의 단축입니다. 속도를 올리면 강성이 낮은 암 선단부분에 진동이 발생하기 쉬워집니다. 모터가 정지해도 핸드 부분인 엔드 이펙터가 멈추고 있다고는 할 수 없습니다. 이 진동을 작게 하는 것이 사이클 타임 단축에는 빠뜨릴 수 없는 요소라는 것을 알고 있었습니다. 그러나, “극력, 제어계에 부담이 걸리지 않도록, 모든 구조를 재검토했습니다만, 현재의 제어 시스템에서는, 아무래도 더 이상 진동을 억제할 수 없었습니다.”(Y씨)

"현재의 제어 시스템에서는 더 이상 사용자의 요구에 부응하기가 어렵다"는 것은 개발 직원의 공통된 의견이었습니다. 그러나, Y씨는 단지 손을 반죽하고 있던 것은 아니었습니다. 근본적으로 뭔가를 검토하여 사용자의 요구에 부응하고 싶다. 이것은 기술자로서 거짓 느낌이었습니다.

「작아도 힘!」업계 최소/고회전 모터로, 한층 더 고속화에.

Y씨의 전기는, 지인의 기술자로부터 소개된 산요전기의 영업 담당자와 이야기를 하고 있을 때 방문합니다. 「종래품 대비 30% 소형화에 성공해, 업계 최소*의 서보 모터를 개발했다」라는 정보에 강하게 흥미를 가졌습니다. 즉시 데모기를 통해 검증을 시작한 Y씨는 이 서보 시스템이 탑재하고 있는 다양한 제진 제어 기술에 주목했습니다.
*2006년 9월 현재. 당사 조사.

「종래품 대비 30%의 소형화를 실현하고 있음에도 불구하고, 순간 최대 토크·최고 회전 속도가 함께 향상하고 있다. 바로 당사의 로봇에 적합했습니다. 모터를 사이즈 업하지 않고, 고속화를 실현할 수 있다. 오히려 중량이 작아지는 만큼 로봇의 구조를 근본적으로 재검토할 수 있어 소형·슬림화가 가능하게 되었습니다. "

또한 기존의 13bit(8,192분할)에서 17bit(131,072분할)까지 향상된 고분해능 엔코더에 의해 정지시의 위치 편차를 미소하게 검출할 수 있도록 하여 궤적 정밀도·위치 반복 정밀도의 대폭적인 향상이 전망되었다 점도 큰 포인트가 되었습니다.

위치 결정 정밀도 향상과 고속화를 양립해 사이클 타임 단축에!

Y씨가 다음에 검증한 것이 정정 시간의 단축입니다. 그 점, 서보 앰프는, 암 선단의 진동 억제에 효과적인 “피드 포워드 제진 제어”를 비롯해, 다른 축의 영향을 최소화할 수 있는 “외란 옵저버” 등, 고도의 제진 제어 기능을 탑재해 있었습니다.

고도의 알고리즘을 채용한 이 서보 시스템은, 고속화라는 점에서도 확실히, 위치 결정에 있어서의 정정 시간을 반감하는 것에 성공. 이와 같이 밀접한 관계성에 있는 소형화와 고속화를 양립해 사이클 타임을 단축하는 길이 개척되었습니다.

“토크업에 의해 설치 면적의 확대는 부인할 수 없다고 예측하고 있었지만, 오히려 암의 구조를 재검토할 수 있어, 로봇 전체를 컴팩트하게 할 수 있다고는 놀랐습니다.고속화에 더해 제진성 까지 향상하면 로봇의 생산 효율을 극대화하여 설치 면적을 작게 하는 시너지 효과를 가져올 수 있습니다.”(Y씨)

서보 모터의 진화가 로봇의 성능을 UP

이렇게 충분히 검증을 거듭한 Y씨는, 시험적으로 이 「AC 서보시스템 SANMOTION R」를 사용해, 새로운 6축 수직 다관절 로봇의 개발에 착수. 그 결과, 사용자의 요구를 충분히 충족시키는 프로토타입을 생성하는 데 성공했습니다.

서보 모터의 진화가 로봇의 성능 향상에 크게 공헌한 것이었습니다. 마지막으로, Y씨는 이렇게 마무리하고 있습니다.
“근래의 생산 현장은 매우 다양화· 복잡화하고 있어 산업용 로봇에는 향후 더욱 정밀도나 성능의 향상이 요구되어 갈 것입니다. 그래서 향후 양산화를 위해 현재 급피치로 요건 정의를 진행하고 있습니다.
환경이 격변하고 있는 제조 업계에 있어서, 생산 라인의 효율화라고 하는 최대의 테마에 임하는 것으로, 산업용 로봇의 가능성을 넓히는 좋은 예라고 말할 수 있을 것입니다.

게시일: 2019-01-01 00:00