산업 응용 분야를 위한 공압 그리퍼의 기초

공압 그리퍼는 물체를 잡고 들어 올리고 고정하고 회전하고 정해진 위치에 놓기 위해 산업 응용 분야에서 사용되는 전기 기계 장치입니다. 이러한 그리퍼는 일반적으로 작업물 처리 기계 또는 6축, 직교, 가변 순응형 다관절 로봇 팔(SCARA)의 가장 먼 부분에 설치하여 엔드 이펙터로서 다양한 자재 관리 작업을 실행합니다. 제어, 센서, 피드백 연결성 면에서 지난 수십 년간의 발전에 의해 보완된 공압 그리퍼 동작(주로 잡았다 놓는 용도)은 일반적으로 실장되는 기계 축이나 로봇 팔의 동작에 맞춰집니다.

공압 그리퍼 동작

그림 1: 로봇 팔의 끝에서 2핑거 공압 그리퍼를 볼 수 있습니다. 조(Jaw) 핑거는 물체와 물리적으로 접촉하여 그리퍼가 물체를 잡았다 놓을 수 있도록 합니다. (이미지 출처: Kazakov • Getty Images)

그림 2: 평행 그리퍼, 3핑거 그리퍼, 각형 그리퍼는 산업 응용 분야에서 가장 일반적인 세 가지 그리퍼 유형입니다. 여기에 표시된 3핑거 공압 그리퍼는 120° 오프셋되어 있어 O링을 부드럽게 펴고 대상 샤프트에 실장할 수 있습니다. (이미지 출처: Schunk)

공압 그리퍼는 로봇 픽앤플레이스, 기계 공구, 작업물 가공, 조립 작업과 관련된 산업 응용 분야에서 가장 일반적인 그리퍼 유형입니다. 일부 공압 그리퍼는 공기주머니나 흡착판 모양의 엔드 이펙터 형태를 취하지만 일반적으로 다른 전후 사정이 없다는 가정하에 핑거나 조가 있는 공압 그리퍼가 가장 널리 사용됩니다.

조 공압 그리퍼는 압축 공기에 의존해 작동합니다. 어떤 명령 신호에 따라 밸브를 조작하여 공기가 내부 채널을 통해 이동하게 하고 기계적 연결을 활성화하여 그리퍼 핑거를 열고 닫습니다. 이러한 기본적인 하위 부품 세트를 구성하는 것은 공압 호스, 하위 제어 부품 및 배선, 기계 및 로봇에 부착하기 위한 실장 플랜지, 안전 메커니즘, 이러한 부품들을 둘러싸는 하우징입니다.

일반적으로 놓았을 때의 위치(기계식 압축 스프링으로 유지)가 기본이지만 잡았을 때를 기본으로 사용하는 그리퍼 설계도 시장에서 사용할 수 있습니다. 닫힌(잡았을 때) 위치가 기본인 경우 스프링은 잡는 힘을 제공하고 그리퍼에 압축 공기를 가하면 조는 여는 역활을 합니다. 사실 일부 그리퍼는 잡는 힘과 놓는 힘 모두 압축 공기에 의존합니다.

동영상 1: 한 가지 일반적인 동작, 공압 그리퍼는 특수 호스를 통해 압축 공기 시스템에 연결됩니다. 압축 공기의 힘으로 피스톤을 밀어내면 일부 기어, 토글, 슬라이드 연결 장치를 통해 외부 조가 스트로크 범위 내에서 작동하게 됩니다. (동영상 출처: Schunk)

사전 프로그래밍이 된 잡았다 놓는 주기에 따라 공압 그리퍼로 들어가는 공기를 제어하는 경우가 많지만 더 정교한 응용 분야에서는 고정된 물체를 감지하는 센서의 피드백에 따라 제어합니다.

공압 그리퍼의 유형

그림 3: Schunk의 PGN-plus 계열인 2핑거 평행 그리퍼는 긴 조 스트로크를 제공하며 거친 산업 환경을 견딜 수 있도록 시일, 먼지 방지 원형/선형 가이드, 고강도 알루미늄 합금 하우징을 갖추었습니다. (이미지 출처: Schunk)

조 및 핑거 공압 그리퍼는 다음을 기준으로 분류할 수 있습니다.

• 운동학적 배열, 핑거 수, 동작, 실장 유형
• 물리적 크기와 최대 파지력
• 조와 방진 방수 등급 포함한 하우징 구조
• 일반적인 산업 제어 네트워크 연결성

1970년대에 처음 상용화된 공압 2핑거 그리퍼는 오늘날 가장 널리 사용되며 전체 공압 그리퍼 응용 분야의 절반 이상을 차지합니다. 중심점에서 미끄러지거나 회전하도록 설계된 핑거는 미닫이문이나 랍스터 집게처럼 대상 물체의 가장자리를 잡습니다. 조 또는 핑거는 평행 이동이나 각운동을 할 수 있습니다.

평행 이동 조를 가진 공압 그리퍼: 평행 그리퍼의 두 핑거는 그리퍼 본체 상부의 트랙을 따라 동일한 축에서 안쪽과 바깥쪽으로(직선 동작으로) 미끄러집니다. 일반적으로 안쪽으로 미끄러지는 동작은 작업물이나 다른 물체를 잡는 동작입니다. 그러나 속이 비어있거나 뚫려있는 작업물(예: O링, 실린더)처럼 두 개의 핑거가 내부 지름에서 바깥쪽으로 미끄러져서 고정하는 응용 분야도 많이 있습니다. 이 아주 간단한 그리퍼의 이점은 매우 많습니다. 이러한 그리퍼의 다양한 하위 부품은 다른 하위 부품보다 제조가 간단하여 매우 비용 효율이 높습니다. 또한 전체 핑거 스트로크에 걸쳐 파지력이 일정하기 때문에 섬세하거나 압력에 민감한 작업물과 연관된 작업을 쉽게 합니다. 마지막으로 평행 그리퍼는 상당히 넓게(수십 cm 또는 그 이상) 닫히고 열리도록 설계할 수 있습니다.

각운동 핑거를 가진 공압 그리퍼: 이 그리퍼에서 작동하는 핑거 끝단은 고정된 중심점에 핀으로 연결되어 있습니다. 공압이 가해지면 피스톤 동작과 기계적 핀 연결로 인해 핑거가 프렌치 도어처럼 닫히거나(또는 열림) 회전합니다. 열린 위치에서 조는 그리퍼 본체 바깥쪽 너머로 펼쳐지거나 똑바로 돌출됩니다. 닫힌(일반적으로 잡는) 위치에서는 그리퍼 핑거의 끝이 안쪽으로 기울어져 테이퍼형 잡기 모양으로 닫힙니다. 이러한 그리퍼를 사용할 때 한 가지 설계상 주의사항은 평행 핑거 유형과 달리 각형 핑거는 제한된 스트로크를 가지며 작동 스트로크에 따라 가변적인 파지력이 발생한다는 것입니다. 그렇더라도 피스톤이 직접 작동하는 각형 핑거 그리퍼는 최대 2,300N 이상의 매우 높은 파지력을 가질 수 있습니다.

더 많은 핑거 수: 3핑거 및 4핑거 그리퍼

2핑거 공압 그리퍼가 작업물을 다루기에 적합하지 않은 경우 3핑거 및 4핑거 그리퍼(특수 인간형 로봇 공학 응용 분야의 경우 5핑거 그리퍼)가 더 나은 잡기 능력과 안정성을 제공할 수 있습니다. 하지만 분명한 것은 이러한 모든 그리퍼는 2핑거 그리퍼보다 훨씬 일반적이지 않으며 3핑거 그리퍼만 산업 응용 분야에서는 일반적입니다. 더 높은 수준의 적용 가능성은 비용이 들지만 3핑거 그리퍼는 더 복잡하거나 더 어려운 형상의 작업물 및 기타 물건을 잡을 수 있습니다. 이른바 셀프 센터링 3핑거 공압 그리퍼에는 동작을 변경하려면 핑거 교체가 필요한 짝수 간격(기계 척에서 120° 간격)의 핑거 3개가 포함되어 있습니다. 이 핑거들은 중심점에서 작업물을 잡기 위해 안쪽으로 닫힙니다. 이와 대조적으로 소위 적응형 3핑거 공압 그리퍼는 핑거 2개는 모으고 세 번째 핑거는 엄지손가락처럼 반대편에 마주하도록 설정합니다. 모바일 로봇 공학에서 가장 일반적으로 사용되는 이러한 그리퍼는 주어진 작업의 형상 변화를 수용하기 위해 여러 가지 방법으로 물체를 집어 들 수 있습니다.

내부에서 잡기와 이중 동작

대부분의 공압 그리퍼는 외부(외부 물체 표면과 접촉)에서 부품을 잡거나 고정하는 데 사용하지만 내부에서 잡는 동작도 많은 조립품 응용 분야에서 필수적입니다. 방금 언급한 그리퍼 핑거는 속이 빈 형상을 가진 물체를 잡기 위해 내부에서 열립니다. 경우에 따라 그리퍼는 외부 및 내부 잡기 작업을 모두 수행할 수 있지만 두 가지 기능을 모두 갖추도록 설계해야 합니다.

조 및 핑거 공압 그리퍼는 단일 동작과 이중 동작 잡기의 형태를 취할 수 있습니다. 단일 동작 그리퍼에서 압축 공기의 힘은 잡는 동작과 힘을 생성합니다. 공급이 차단되면 간단한 압축 스프링의 작용으로 핑거는 원래 위치로 돌아가 유지합니다. 반면에 이중 동작 그리퍼의 경우 잡기와 놓기 동작 모두에 압축 공기 작동이 필요합니다. 사실 이중 동작 그리퍼는 위에서 설명한 바와 같이 내부 및 외부에서 모두 잡기가 가능합니다.

일반적인 공압 그리퍼 응용 분야

그림 4: Schunk PGN-plus 그리퍼에는 타원형 피스톤 구동이 있습니다. (이미지 출처: Schunk)

공압 그리퍼는 특히 자동화된 작업셀, 조립 및 생산 라인, 첨단 제조와 관련된 기계 관리, 위험한 공장 구역, 물류 및 자동화 창고 작업과 같은 산업 환경에서 널리 사용됩니다. 작은 규모이지만 성장하고 있는 상업용, 레크리에이션용, 소비자용 로봇 응용 분야(이동형 생체 공학 포함)에서도 공압 그리퍼를 사용합니다.

식품과 음료 가공 및 포장 장비에서 자재 관리가 필요할 때 공압 그리퍼를 고려해 보십시오. 공압의 깨끗한 작동은 강점이며 공압 작동식 핑거 그리퍼는 박스, 와인병에서 부터 계란과 사탕 봉지에 이르기까지 모든 것을 처리하기 위해 다른 공기 구동식 공기주머니 및 흡착 그리퍼 유형의 사용을 보완합니다. 대조적으로 기계 공구 응용 분야의 그리퍼는 일반적으로 하나의 작업물 전용으로 설계되며 경우에 따라서는 기계 가공을 하거나 다른 공정 시 해당 작업물을 고정하는 용도로 쓰입니다. 공압 그리퍼가 조립 또는 분류 및 선택에 관련된 경우 센서 또는 머신 비전 시스템의 지원을 받아 동작을 지시하는 경우가 많습니다. 다른 방법으로 그리퍼의 홀 효과 및 근접 센서가 충분한 피드백을 제공할 수 있습니다.

공압 그리퍼의 장점과 한계

다른 그리퍼 유형에 비해 공압 그리퍼의 주요 이점 중 하나는 몇 뉴턴에서 수 킬로뉴턴에 이르는 다양한 크기와 파지력으로 사용할 수 있으며 시간당 수천 번을 반복해야 하는 경우에도 다양한 응용 분야에 맞게 적용할 수 있다는 것입니다. 산업용 공압 그리퍼는 정밀 자동화 작업에서도 타의 추종을 불허하는 반복성을 보여줍니다. 다음은 공압 그리퍼의 추가 장점입니다.

• 비용 효율과 전력 효율이 높습니다.
• 특히 특정 모터 및 유압 기반 옵션에 비해 가볍고 콤팩트합니다.

유압식 및 전기식 그리퍼와 달리 공압 그리퍼는 작업 환경의 영향을 거의 받지 않습니다. 이런 점은 습한 환경에서 오작동할 수 있는 민감한 전자 장치를 가진 전기 작동식 그리퍼와는 대조적입니다.

물론 공압 그리퍼에는 몇 가지 단점과 한계가 있습니다. 이는 일반적으로 공압 설계 및 압축 공기 시스템의 운영 비용 및 복잡성과 주로 관련되어 있습니다. 이러한 시스템의 설정 초기에는 비용이 많이 들고 복잡할 수 있습니다. 그렇긴 하지만 산업 운영이 이미 다른 곳에서 압축 공기 시스템을 사용하고 있는 규모의 경제가 있습니다.

공압 그리퍼 선택 기준

주어진 자재 관리 응용 분야용 공압 그리퍼의 크기 및 구체화는 주요 설계 파라미터의 명확한 정의로부터 시작해야 합니다.

크기와 파지력: 공압 그리퍼는 취급하는 물체를 수용할 수 있을 정도로 충분히 열려 있어야 합니다. 필요한 공압 그리퍼 핑거 힘은 취급하는 물체의 무게뿐만 아니라 핑거와 물체의 마찰 계수, 핑거와 물체의 접촉 면적, 반대쪽 손가락 힘에 대응하는 힘에 따라 달라집니다. 매우 공학적인 그리퍼 핑거 소재와 코팅은 핑거와 물체의 마찰 계수를 증가시킬 수 있습니다. 물론 식품이나 의약품에 사용되는 공압 그리퍼의 조는 FDA 승인 재료로 만들거나 코팅해야 합니다.

취급 부품 크기와 무게의 비율은 매우 다양하며, 가벼우면서도 부피가 큰 품목은 종종 그리퍼 설계상 가장 큰 문제를 야기합니다.

부품 형상: 복잡한 형상을 가진 물체를 취급할 경우 2핑거 대신 3핑거 공압 그리퍼가 필요할 수 있습니다. 특히 일련의 작업물 형상이 약간씩 다를 수 있는 경우에는 더욱 그렇습니다. 그러나 작업물이 일관적인 경우 2핑거 그립퍼는 이러한 물체의 특정한 지점을 잡기 위해서 맞춤형 표면과 모양을 통합할 수 있습니다. 2핑거 그리퍼의 비용 절감은 이 솔루션이 작업 요구 사항을 충족하는 곳이라면 어디에 사용해도 정당한 이유가 됩니다.

작동 환경: 공압 그리퍼 베어링, 내부 기계 소자, 하우징은 깨끗하며 오염된 작동 환경을 만족시키기에 충분합니다. 특히 중요한 것은 공압 그리퍼 온도 등급(그리퍼가 최적의 기능을 하는 범위를 규정함)과 입자상 물질 및 습기가 침투하기 전에 주어진 그리퍼가 저항할 수 있는 수준을 정의하는 IP 등급입니다.

결론

공압 그리퍼는 생산 라인의 자재 관리에 필수적인 로봇 엔드 이펙터입니다. 이러한 그리퍼는 작업물을 고정, 방향 지정, 배치하여 작업물과 다른 물체를 처리하거나 다른 부품과 조립하거나 품질 검사 스테이션을 통해 컨베이어에서 분리하는 방식으로 제거합니다. 공압 그리퍼 작동에 필요한 압축 공기 시스템은 단점에도 불구하고 부품을 관리하는 데 가장 깨끗하고 가장 빠르며 가장 적합한 선택입니다.