메카트로닉스 개론 ㈜ ESP 교육시스템 사업팀 메카트로닉스 (Mechatronics)? Mechatronics = Mechanics + Electronics Mechanism for Factory Automation Electronics for Mechanism Control.

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2 메카트로닉스 개론 ㈜ ESP 교육시스템 사업팀

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

4 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) →→→

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

6 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

7 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

8 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

9 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

10 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

11 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

12 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

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

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

15 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

16 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

17 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

18 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 )

19 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

20 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

21 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

22 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

23 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)

24 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

25 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

26 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 ) +

27 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

28 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...

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

30 메카트로닉스 시장규모 ( 국내 ) NC 공작기계 산업용로봇 CAD/CAM PLC 류 자동창고 기타 계 CNC 구 분 3,244 248 637 312 755 1,610 6,806 (811) 1990 6,510 2,297 1,797 1,100 1,850 2,930 16,317 (1,627) 1996 5,276 1,874 1,888 950 1,730 2,930 14,648 (1,319) 1997 7,960 2,737 2,794 1,434 2,249 3,809 20,987 (1,830) 2000 국내 메카트로닉스산업의 시장규모 * 자료 : 산업연구원, 1999

31 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

32 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

33 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

34 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