메카트로닉스 개론 ㈜ ESP 교육시스템 사업팀

메카트로닉스 (Mechatronics)? Mechatronics = Mechanics + Electronics Mechanism for Factory Automation Electronics for Mechanism Control & Operation 기계공학적인 문제 컴퓨터 기반 디지털 제어 전자전기적 I/F

메카트로닉스의 발전 LSI 의 소형 / 저전력 및 고성능화 저가격 대량공급 초 LSI → 마이크로프로세서 → 마이크로컴퓨터 제어 기술 및 센서의 발달과 정보 이용 기술 (PID 제어, 모션제어, Encoder, Vision, 통신 ) 전기신호 구동 액츄에이터 개발 : 모터, 솔레노이드 ( 기계적인 스위치 → 마이크로컴퓨터 제어 ) ※ 메카트로닉스에 의한 Automation 발전단계 FA(Factory) OA(Office) HA(Home) LA(Lab) →→→

메카트로닉스 기본 구동구조 제어기시스템 핵심 구동축 : 전기모타 ElectronicsMechanism 모타 kW Nm/rpm

Electronics 응용 ( 전장, 전원, 공정시퀀스...) Mechanics 응용 ( 볼스크류, 치공구, Feeder...) 공작기계등 가공기 조립 / 용접장비 검사측정기 제조장비... 메카트로닉스 제어기 기본구조 Motor/DriveSensor & I/O 모션제어 F/WI/O 제어 F/W Interpolator ( 보간기 ) 모션제어 S/W Data Manager Interpreter ( 해석기 ) 시스템 운용 S/W CNC 제어시스템 ROBOT 제어시스템 검사측정 제어시스템 제조공정 제어시스템 S/W H/W FA

메카트로닉스 사업 특징 메카트로닉스 제품은 가전제품 / 통신기기와는 달라 새로운 사업시각 요구 생산 공정기계에 적용되어 제어기능 수행 설치 및 사용이 복잡함 전문 Engineer 만이 취급가능 응용 Eng. 기술사업이 필수 품질중요 일부 기술선진국의 독과점 사업임

Factory Automation Mechanism ActuatorActuator Sensor & I/O Sensor & I/O Electronics 생산기술센타 메카트로닉스 사업 제조라인 자동화 핵심 부품 및 제조장비 기술 사업 서보모타 구동시스템을 핵심으로 하는 제어기술 사업

생기센타 메카트로닉스 사업제품 구분세부항목모델명 서보 Actuator 서보드라이브 CSDP/CSDJ & + 인버터 G5/E5/PC3 Mechanism 로보트 CM/SM/AS/W&LTR 생산자동화장비 CSP/LOC/LCDin 검사조정장비 VSS/Xray Electronics PLC N70/700/7000 & + NC 제어기 SRC/SNC 모션제어기 MMC/MAC/RC1 HMI S/W AnyView/Plant

서보 Actuator ( 구동장치 ) “ 조절 가능한 물리적량 ( 속도, 위치, 각도등 ) 을 원하는 시점에 원하는 양으로 제어할 수 있는 구동장치 ” 라틴어 Servue ( 영어 Slave: 노예 ) → Servo 정도 정도 출력 기술력 大 中大 中 大中 小小小 종 류 가격 中 大 小 ※ 일반 Actuator : 솔레노이드 밸브등 모타 Actuator 유압 Actuator 공압 Actuator

모타 Actuator 종류 AC/DC 서보모타 유도전동기 정밀 위치제어를 위한 목적으로 적용 저용량급 (100W ~ 1kW) : 조립 / 검사장비, 로보트 중용량급 (0.8kW ~ 6kW) : 공작기계, 대형로보트 대용량급 (7kW ~ 15kW) AC/DC 서보드라이브 스텝핑모타, 리니어모타등 ….. 인버터, 스핀들드라이버 대상물의 속도제어를 위한 목적으로 적용 저 ~ 초대용량급 (500W ~ 수백 kW) 스핀들드라이브 = 고속 제어 인버터

서보드라이브 vs. 인버터 서보 인버터 기술력 주요사용 부품 및 S/W 기술력 유사함 사용용량 0.1 ~ 6 kW 0.5 ~ 수백 kW 정밀도 고정밀 저정밀 ( 상대적 ) 제어대상 위치 / 각도 제어 속도제어 제어모타 고가 정밀 서보모타 ( 엔코더 부착 ) 고가 정밀 서보모타 ( 엔코더 부착 ) 저가 일반 유도전동기 스핀들 : 고속벡타모타 저가 일반 유도전동기 스핀들 : 고속벡타모타 상위제어기 고가 / 복잡 CNC/MMC/SRC/MAC PLC 위치결정 고가 / 복잡 CNC/MMC/SRC/MAC PLC 위치결정 저가 / 간단 PLC/Relay 시퀀스회로 저가 / 간단 PLC/Relay 시퀀스회로

Sensor & I/O 종류 “ 메커니즘의 동작상태 및 조작대상물의 상태를 감지 (Sensing) 하여 설정된 신호를 발생하는 장치 ” 비젼센서 근접 / 리미트 센서 Photo/Laser 센서 엔코더

Machanism 의 종류 “ 원하는 작업 공정대상을 자동화하기 위한 기구장치 ” ※ 목표 작업대상에 따라 매우 다양한 형태를 가짐 로보트 공작기계 조립장비 검사조정장비 무인차, 자동창고 …..

Electronics 의 종류 “ Mechanism 을 공정 프로그램에 따라 작동시키기 위한 두뇌 및 신경에 해당되는 제어기 ” H/W S/W PC ( 산업용형태 ), PLC DSP &  P 응용보드 모타 & 드라이브 DOS/RTOS/Windows/Linux 제어 S/W (Motion & 서보제어 ) HMI, 통신 S/W

PLC (Programmable Logic Controller) ? “ 대상기기의 시퀀스 ( 순차 ) 제어를 위해 마이크로컴퓨터를 도입한 범용적인 (Programmable) 무접점 논리 입출력 제어장치 ” 기구적 시퀀스유접점 릴레이회로무접점 제어회로 Hard-wired Logic ( 배선작업 ) Hard-wired Logic ( 배선작업 ) Soft-wired Logic (Ladder Program) (  P 이용한 S/W Relay/Timer/Counter…) Soft-wired Logic (Ladder Program) (  P 이용한 S/W Relay/Timer/Counter…) 소형 PLC : on/off 제어 위주, 수십 ~ 수백 I/O 점수 중대형 PLC : 특수 고급기능 부가, 수백 ~ 수천 I/O 점수 주요기업 : 삼성, LG, 미쓰비시, OMRON, 마쓰시타, AB 2000 년 시장규모 : 국내 (\700 억 ) ( ) X10 R15 Y27

PLC 의 발전 기존 릴레이회로  P 를 이용한 Sequence 제어 산술연산 + 논리연산 + 함수연산 + 조절연산 + 데이터처리 + 통신기능 S/W 화 고기능 복합화 제어내용 수정 / 변경 용이  유지보수 용이 단위기계 자동화 복잡한 제어기능 수행 용이 복합공정 자동화 시스템 Network 기능, 고속 데이터 처리 CIM 구축 필수 요소

CNC? Computer Numerical Controller ( 컴퓨터 수치 제어장치 ) “ 제어대상 기계의 전체 또는 일부의 위치 / 거리 / 각도 / 속도 등을 가공지시 수치데이터에 의해 수치제어하는 시스템 ”  CNC 는 공장자동화의 꽃이라고 할 수 있을 만큼 다양한 기능으로 다양한 자동화 기계 ( 주로 절삭가공기계 ) 에 적용  자본재 산업의 핵심기술이나 국내 기술 자립 미비로 대형 무역수지 역조 제품  주요기업 : FANUC, 미쓰비시 ( 日 ), SIEMENS( 獨 ), FAGOR( 伊 )

CNC 및 공작기계의 역사 1958 년 머시닝 센터 America Kearney & Trecker 1952 년 3 축의 NC 밀링머신 T. Parsans 1775 년 수평 보링 머신 John Wilkinson Watt 가 증기기관을 발명할 당시 증기 실린더를 만들기 위해 개발 1948 년 미 공군에서 Missile 의 부품 제작위해 개발 착수 NC 공작기계의 연구를 시작한 역사적인 시발점 한대의 기계에서 복합가공을 하기 위해 자동공구교환장치 (ATC) 부가 가공공정 분야의 일대 혁신 계기 1972 년 FANUC Seiuemon Inaba 미국중심의 CNC 산업을 일본중심으로 전환하는 계기 CNC Architecture 정립 : MMC/CNC/PMC 1977 년 국산 1 호 NC 선반 개발 화천기계 1996 년 SNC 삼성전자 국산 최초 자체기술 CNC 제어장치 개발 및 상용화

CNC 적용장비의 장점  제품의 균일성을 향상시킬 수 있음  가공 소요 시간의 단축  제조원가 및 인력 감축 효과  작업자의 피로 감소  제품 난이성과 비례로 가공성 증대  재고 및 생산관리 용이  안전의 확보

CNC 제어시스템 구성 BATTERY PLC TFT-LCD MDI SNC-α SERV O MOT OR FDD SERV O DRIV E SPINDL E DRIVE SPINDL E MOTOR

CNC S/W 기본 Architecture NCKPLC BMI Motion Prg/Data MMI I/O Prg/Data SERVO I/O 서보 Data I/O Data PC Remote Monitoring/Control

Operating System Multitasking Kernel NC Standard API MMI NCK Etc. Graphic Simulation System Program Check Offset Program Position Display Application Manager NCK I/F Etc. Motion Control System Data Manager BMI & PLC Interpreter CNC S/W 모듈 구성도 ※ 상기는 SNC 제어기 Ver 3.0 S/W 의 구조임 (Man Machine Interface)(Numerical Control Kernel) (Basic Machine I/O) (App. Program Interface)

MMC? MMC (Multi-Motion Controller) Motor/DriveSensor & I/O 모션제어 F/WI/O 제어 F/W Interpolator ( 보간기 ) 모션제어 S/W Data Manager Interpreter ( 해석기 ) 시스템 운용 S/W CNC 제어시스템 ROBOT 제어시스템 검사측정 제어시스템 제조공정 제어시스템 제조공정 제어시스템의 개방화를 위해 모션제어 및 I/O 제어 S/W 를 Library 화 한 서보상위 모션제어기 전용제어시스템 구성에 용이 경쟁사 : MEI 보드, 기타 중소벤쳐 PC Library

MAC & RC1? MAC (Multi-Axis Controller) 간단한 시스템환경 및 동작이 요구되는 2~4 축 제어기 직교로봇등 응용할 수 있는 간이형 서보 상위제어기 RC1 (Robot Controller 1 축 ) 1 축제어기 + 서보드라이브 하나의 축을 독립적으로 반복 제어하기에 적합

ROBOT? “ 대상물을 인식하고 스스로 판단하여 움직일 수 있는 기능을 보유 하고 프로그램된 작업을 수행하는 자동기계 ” 슬라브어 robota = 일꾼 (Worker) ROBOT 인공지능 ( 인식 / 판단 ) 메카트로닉스 ( 기계동작 작업 ) +

산업용 Robot “ 다축 서보제어의 다관절을 보유하고 임의 프로그 램을 수행하여 대상물의 조작 및 원하는 작업을 하는 기계장치 ” 산업용 Robot Motor/DriveSensor & I/O 모션제어 F/WI/O 제어 F/W Inverse Kinematics Interpolator ( 보간기 ) 모션제어 S/W Data Manager Interpreter ( 해석기 ) 시스템 운용 S/W CNC 제어시스템 ROBOT 제어시스템 검사측정 제어시스템 제조공정 제어시스템

제어방식에 의한 분류 ① 조종 ROBOT (Manipulater) ② 시퀀스 ROBOT ③ Playback ROBOT ( 반복작업 ) ④ 이동 ROBOT (Mobile ROBOT) ⑤ 수치제어 ROBOT (CNC ROBOT) ⑥ 인공지능 ROBOT (AI ROBOT) 감각제어 ROBOT 적응제어 ROBOT 학습제어 ROBOT ROBOT 의 분류 응용분야에 의한 분류 ① 조립 / 검사용 ROBOT ② 용접용 ROBOT ( 아크 / 스폿 ) ③ 핸들링 ROBOT...

동작방식에 의한 ROBOT 분류 직각좌표 ROBOT 원통좌표 ROBOT 극좌표 ROBOT 다관절 ROBOT

메카트로닉스 시장규모 ( 국내 ) NC 공작기계 산업용로봇 CAD/CAM PLC 류 자동창고 기타 계 CNC 구 분 3, ,610 6,806 (811) ,510 2,297 1,797 1,100 1,850 2,930 16,317 (1,627) ,276 1,874 1, ,730 2,930 14,648 (1,319) ,960 2,737 2,794 1,434 2,249 3,809 20,987 (1,830) 2000 국내 메카트로닉스산업의 시장규모 * 자료 : 산업연구원, 1999

메카트로닉스 제어기 전망 고속 / 고정밀화 디지탈서보 / 고속연산 CPU 에 의한 제어성능의 향상 이송기구의 발달 ( 볼스크류 /LM Guide, 리니어모타 ) 네트워크화 원격감시 및 고속데이타 전송 Field Bus, TCP/IP, Internet/Intranet 개방화 기술추세의 변화 : H/W → S/W → 통합서비스 표준과 개방구조의 조합 (OSACA, OMAC, SERCOS,...) 개방형 MMI: 사용편의성 추구, Windows 기반 S/W 고성능 PC 기반 제어장치 ( 모듈화, Lib 화 ) 복합화 2 개 이상의 공정을 단일 장비화 생산설비의 시스템화

제어기의 개방성 분류 1 단계 PC 기반 MMI 를 반드시 포함 G/M 코드 프로그래밍 표준의 사용 선택가능 기타 사양은 전용 I/F 채택 현재 개방형 제어기 대부분의 구조임 (FANUC, SIEMENS) 표준 RTOS, 개방형 Network 채택 표준 H/W, S/W 및 I/F 채택 (MEI, MMC, …) 현재 NC 보드 +PC 형태의 제어기 (PMAC, MeldasMagic) 표준 PC H/W, S/W, 개방형 RTOS 채택 개방 / 표준 API 제공 2 단계 3 단계

개방형제어기 ? Interoperability ( 상호운용성 ) 이기종간 표준통신 시스템 Portability ( 이식성 ) 동일한 Platform 응용 API Scalability ( 비율성 ) 제어시스템 기능 / 성능의 확장 / 축소 가능 Interchangeability ( 상호교환성 ) 구성요소를 타기종에 대체 가능

CNC PC Based NC PC Embeded NC Software PC NC Remote PC Monitoring PCNC 형태 분류 NC Card I/F Card Servo Drive Servo Motor PC Card