로보틱스를 위한 VFD 케이블 선택 시 모션 성능 고려 사항

산업용 로보틱스를 위한 가변 주파수 드라이브(VFD) 케이블을 지정할 때 솔루션 크기를 최소화하고 신뢰성을 극대화하려면 여러 주요 요소를 고려해야 합니다. 모든 상황에 적합한 '만능' 솔루션은 없기 때문에, 각 응용 분야에 가장 적합한 케이블을 결정하려면 구체적인 모션 요구 사항을 신중하게 분석해야 합니다.

어떤 케이블 유형은 갠트리 로봇에 적합하고, 또 어떤 케이블 유형은 다축 농업용 로봇, 픽 앤 플레이스 응용 제품 또는 기타 로봇 솔루션에 적합합니다.

고려해야 할 사양에는 최소한의 굽힘 반지름, 최대 비틀림, 연선 구조, 연속 플렉스 등급(굽힘 반지름, 거리, 가속, 속도, 무게를 기반으로 함), 절연 및 외피 재료, 전자기 간섭(EMI)에 대한 차폐 수준이 포함됩니다.

이 기사에서는 산업용 로보틱스를 위한 케이블을 지정할 때 고려해야 할 일부 세부 요소를 자세히 살펴보고, 최대 2백만 회의 굽힘에 대해 정격화된 LAPP의 ÖLFLEX® VFD 1XL 및 VFD 1XL(신호 케이블 포함)이 갠트리 로봇을 비롯한 다양한 로봇 설계에 어떻게 적합한지 설명합니다. 그런 다음, 복잡한 뒤틀림 및 굽힘 모션을 지원하는 다축 농업용 로봇의 요구 사항과, 이러한 경우에 ÖLFLEX ROBOT F1 케이블을 사용함으로써 제공되는 이점을 검토합니다.

또한, Class 6 초극세 연선으로 제작되고, 자동 조립 및 픽 앤 플레이스와 같은 로보틱스 응용 분야에서의 사용을 위해 최대 1000만 회의 굽힘에 대해 설계된 하이브리드 케이블인 ÖLFLEX SERVO FD 7DSL을 간략하게 소개합니다. 마지막으로, 케이블 및 로봇 모션 신뢰성을 보장하는 데 있어 케이블 글랜드의 중요성을 설명하며 마무리합니다.

모션 기본 사항

일반적인 산업 응용 제품과 산업용 로보틱스를 위한 VFD 케이블의 주요 차이점은 신속하고 반복 가능하며 정밀한 모션을 지원하는 능력입니다. 이러한 모션은 케이블에 많은 부담을 줍니다.

대부분의 VFD 케이블은 일정 수준의 유연성을 제공하도록 정격화되었습니다. 즉, 설치 시 배선이 용이하도록 케이블을 구부릴 수 있음을 의미합니다. 이는 고정식 응용 제품에는 유용할 수 있지만 로보틱스의 경우에는 전혀 충분하지 않습니다.

케이블 유연성에 영향을 주는 요소에는 절연 유형, 랩 또는 차폐 추가, 컨덕터 크기, 연성 구조 등이 있습니다. 높은 굽힘 횟수를 달성하려면 외피 재료를 비롯하여 케이블 구조의 모든 측면에 많은 주의를 기울여야 합니다.

케이블의 굽힘 반지름은 손상 없이 굽힐 수 있는 최소 반지름을 나타내는 기본 사양이지만 케이블이 견딜 수 있는 굽힘 횟수를 나타내지는 않습니다. 적절한 케이블을 선택하고 필요한 수명 주기를 보장하려면 발생할 모션의 유형을 이해하는 것이 중요합니다.

굽힘 반지름은 연속 플렉스(롤링 플렉스라고도 함)의 한 측면이며, 로보틱스 응용 분야에 중요한 사양입니다. 비틀림 플렉스는 특정 유형의 로봇에 매우 중요한 유연성의 또 다른 유형입니다. 경우에 따라 케이블은 축을 중심으로 ±360° 회전할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 대부분의 산업용 케이블 설치에는 굽힘 플렉스가 유용할 수 있습니다. 산업 로보틱스에는 연속 플렉스 및 비틀림 플렉스 특성이 필요합니다(이미지 출처: LAPP).

연속 플렉스는 자동화 장비, 갠트리 로봇 또는 케이블 추적 시스템과 같은 응용 분야에서 일반적으로 볼 수 있는, 케이블의 반복된 선형 왕복 움직임을 의미합니다. 이 유형은 케이블에 연속적인 마모 또는 부담을 주므로, 케이블은 고장 없이 연속적인 움직임을 견딜 수 있어야 합니다.

비틀림 플렉스를 위해 설계된 케이블은 연속적인 꼬임을 견딜 수 있습니다. 로봇에서는 케이블이 앞뒤로 당겨져 선형의 연속 플렉스와 회전하는 비틀림 플렉스를 결합할 수 있습니다. 다축 농업용 로봇, 산업용 도장 로봇(특히 엔드 이펙터에서), 픽 앤 플레이스 시스템과 같은 응용 분야에서의 케이블에는 비틀림 플렉스가 발생할 수 있습니다.

산업 공정의 여러 다른 영역과 달리, 서로 다른 유형의 케이블 유연성을 설명하거나 수량화할 수 있는 표준 용어는 없습니다. 각 제조업체는 일반적으로 IEC 60228, '절연 케이블로 구성된 컨덕터'와 같은 일련의 IEC 표준을 기반으로 자체적인 분류 시스템을 개발해야 합니다.

IEC 60228:2023은 다양한 유형 및 응용 분야의 전력 케이블 및 코드에 사용되는 컨덕터에 대한 공칭 단면적을 지정합니다. 전선 개수 및 크기뿐만 아니라 저항 값에 대한 요구 사항도 포함되어 있습니다.

이 표준은 유연성 및 구성에 따라 컨덕터를 단선(Class 1), 연선(Class 2), 연성(Class 5), 고연성(Class 6) 컨덕터를 포함한 등급으로 분류합니다. 컨덕터의 유연성이 뛰어날수록 연선 내에 더 많은 극세 전선이 포함되어 있습니다.

다양한 IEC 표준을 참조하는 것 외에도 LAPP의 연속 플렉스 테스트 방법은 세부적인 감사를 기반으로 UL 인증을 획득했습니다. 이 감사에는 테스트 및 교정 기관의 역량에 대한 요구 사항을 설정하는 국제 표준인 ISO/IEC 17025에 따른 보정된 특수 장비, 숙련된 직원, 관리 문서에 대한 요구 사항이 포함되었습니다.

LAPP는 5단계의 연속 플렉스 성능 수준과 비틀림 플렉스 케이블에 대한 2단계의 성능 수준을 정의합니다(표 1). LAPP는 또한 기본적인 산업용 케이블에 대한 3단계의 굽힘 플렉스 수준과 풍력 발전용 터빈에 사용되는 특수 케이블에 대한 3단계의 비틀림 플렉스 수준도 정의했습니다.

표 1: LAPP에 정의된 연속 플렉스 및 비틀림 플렉스 성능 수준(표 출처: Lapp)

로보틱스 케이블을 선택할 때 가벼운 무게도 중요한 고려 사항입니다. 산업용 로봇은 빠른 가속 및 제동을 제공하며, 경량 케이블은 질량을 최소화하여 신속한 모션을 가능하게 하고, 수 백만 회의 혹독한 굽힘 및 뒤틀림을 안정적으로 견딜 수 있도록 케이블의 성능을 향상시킵니다.

기본적인 로봇 모션

LAPP ÖLFLEX VFD 1XL 케이블은 CF-01 연속 플렉스 등급을 제공하므로 갠트리 로봇과 같은 응용 분야에 적합합니다. 이러한 케이블은 오일 및 UV에 대한 내성이 있으며 차폐 기능도 제공합니다. XLPE plus로도 알려진 개선된 상호 연결 폴리에틸렌(XLPE) 절연은 로보틱스에 필요한 기계적 속성을 갖추고 있으며 외부 지름이 감소되어 CF-01 유연성을 유지하면서 좁은 공간에 설치할 수 있습니다.

ÖLFLEX VFD 1XL은 유연성에 미치는 케이블 구조의 영향을 보여주는 좋은 예입니다. 미세 주석 도금 전선을 사용하고 장벽 테이프, 3중층 호일 테이프(100% 커버리지), 주석 도금 브레이드(85% 커버리지)로 차폐된 701703과 같은 기본 모델은 CF-01 유연성 등급을 제공하며, 1백만 ~ 2백만 회의 정격 수명 주기와 최대 15ft의 체인 길이를 지원합니다.

신호 연결을 위해 개별적으로 호일 차폐된 한 쌍의 전선과 절연되지 않은 트레이 케이블(TC) 드레인 전선을 추가하면, 하나의 케이블로 전력과 신호를 동시에 처리할 수 있어 설치가 간소화되지만, 유연성 등급은 낮아질 수 있습니다. 신호 케이블이 포함된 ÖLFLEX VFD 1XL은 FL-02의 유연성 등급을 제공하므로 일반 산업 응용 분야에 적합합니다.

예를 들어, 신호 케이블이 포함된 모델 701715 ÖLFLEX VFD 1XL은 FL-02 등급이며 '연속 플렉스' 설계 특성 덕분에 매우 유연합니다. 그러나 정격화된 수명 주기가 없어 대부분의 로보틱스 응용 분야에는 부적합합니다(그림 2).

그림 2: 신호선이 추가된 이 ÖLFLEX VFD 1XL 케이블은 FL-02의 플렉스 등급을 제공하므로 일반적인 산업 응용 분야에 적합합니다. 신호선이 없는 케이블은 플렉스 등급이 CF-01까지 증가하여 기본적인 로봇 응용 분야에 이상적일 수 있습니다(이미지 출처: DigiKey).

최대 로봇 모션

가장 까다로운 로보틱스 응용 분야의 경우 설계자는 TCF-01의 높은 비틀림 플렉스 등급을 제공하는 ÖLFLEX ROBOT F1 케이블에 의존할 수 있습니다. 해당 수준의 비틀림 유연성은 0029591과 같은 기본 모델과 0029689와 같은 차폐 모델로 달성됩니다. 둘 모두 IEC 60228에 지정된 초극세 구리선과 열가소성 탄성 중합체(TPE) 절연을 사용합니다.

0.14mm² ~ 0.5mm²의 더 작은 케이블은 주석 구리선을 사용하고 0.75mm² 이상의 케이블은 순 구리선을 사용합니다. 주요 성능 차이는 최대 비틀림 정격으로, 비차폐 케이블의 경우 미터당 ±360°, 차폐 케이블의 경우 미터당 ±180°입니다.

최대 비틀림 정격은 케이블이 1m 길이에서 손상 없이 견딜 수 없는 비틀림 정도를 나타냅니다. TCF-01 유연성 등급을 가진 이와 같은 케이블은 1000만 회의 비틀림에서도 연속 모션과 높은 동적 응력을 견딜 수 있습니다.

ÖLFLEX ROBOT F1 케이블은 다축 농업용 로봇, 용접 로봇, 산업용 페인트 분무 로봇과 같은 응용 분야에 사용할 수 있도록 특별히 설계되었습니다. 예를 들어, 페인팅 로봇은 높은 수준의 비틀림이 요구되는 복잡한 움직임을 구현할 수 있는 6축 설계인 경우가 많습니다(그림 3).

그림 3: 산업용 페인팅 로봇(이미지 소스: LAPP)

다축 로봇의 모든 축이 반드시 동일한 유형이나 수준의 플렉스를 겪는 것은 아닙니다. 설계에 따라 일부 축은 ±360°의 비틀림을, 경우에 따라 반대 방향의 비틀림을 겪을 수 있고, 다른 축은 선형적인 연속 플렉스만 경험하고 비틀림은 거의 또는 전혀 발생하지 않을 수도 있습니다. ÖLFLEX ROBOT F1 케이블은 모든 모션 시나리오에 사용할 수 있지만 엔드 이펙터 툴 연결과 같이 비틀림과 굽힘 응력이 모두 발생하는 응용 분야에 특히 적합합니다.

중급의 로봇 모션

ÖLFLEX SERVO FD 저 정전 용량 하이브리드 서보 케이블(예: 모델 1023278)은 IEC 60228에 정의된 순 구리 초극세 연선을 사용하고 폴리우레탄(PUR) 외장을 갖추었으며 고도로 동적인 파워 체인 응용 제품용으로 설계되었습니다. 이러한 케이블은 일부 갠트리 로봇 설계와 조립 또는 픽 앤 플레이스 기계와 같이 높은 수명 주기와 중간 수준의 유연성을 필요로 하는 응용 제품에 적합합니다.

이러한 케이블은 CF-04 연속 플렉스 등급이며 최대 300ft의 체인 길이를 지원하는 긴 케이블 트랙에서 고주기, 연속 플렉스 응용 제품을 위해 설계되었습니다. 또한 8백만 ~2천만 회의 수명 주기 정격을 제공합니다. 이 신호쌍은 Hiperface DSL 단일 케이블 솔루션(SCS) 오픈-링크 인터페이스에 적합합니다. 또한 높은 가속 응력을 견딜 수 있습니다.

스트레인 완화 장치의 중요성

케이블이 상당한 기계적 응력을 받는 로보틱스 응용 분야에는 스트레인 완화 장치에서 제공하는 보호가 필수적입니다. 이는 외부 힘이 납땜 조인트 또는 커넥터 핀과 같은 내부 연결로 이동하는 것을 방지하여 케이블 연결이 오래 지속되도록 보장합니다. 

LAPP의 SKINTOP SL/SLR 계열은 내구적이고 방수 기능이 있으며 쉽게 조립할 수 있는 스트레인 완화 케이블 글랜드로 로보틱스 응용 분야를 위해 설계되었습니다. 예를 들어, S2221은 9mm ~ 16mm의 클램핑 범위를 가지며 중간 지름의 VFD 케이블에 적합합니다(그림 4).

그림 4: 이와 같은 케이블 글랜드는 산업 로보틱스와 같은 응용 분야에서 케이블에 대한 스트레인 완화 기능을 제공합니다(이미지 출처: LAPP).

SKINTOP SL/SLR 케이블 글랜드의 네오프렌 부싱은 IP68에 따른 방수 및 방진 밀폐 성능을 제공합니다. 또한 내진동 보호를 위한 내부 라체트와 함께 통합 잠금 메커니즘을 사용합니다

결론

로보틱스에 적합한 케이블을 선택할 때는 모션 요구 사항을 이해하는 것이 중요합니다. 갠트리 로봇처럼 케이블에 연속 플렉스가 발생하는지 또는 산업용 페인팅 로봇처럼 비틀림 플렉스가 발생하는지 또는 둘 다 발생하는지 파악해야 합니다. 어느 정도의 플렉스가 발생하는 지도 알아야 합니다. 예를 들어, 일부 다축 농업용 로봇의 경우 ±360°까지 굽힐 수 있지만, 다른 로봇의 경우 ±180°의 굽힘만 요구될 수 있습니다.

ÖLFLEX VFD 1XL과 신호선을 갖춘 VFD 1XL의 비교에서 확인된 바와 같이, 신호선과 같은 기능을 추가하면 케이블의 유연성 등급이 낮아질 수 있습니다. ÖLFLEX SERVO FD와 같은 케이블은 신호 케이블이 통합된 경우에도 매우 우수한 수준의 연속 플렉스를 유지하고 픽 앤 플레이스 및 조립 로봇의 필요 사항을 충족할 수 있습니다. 마지막으로, 케이블 그랜드를 사용하면 케이블과 연결된 전자 부품 모두를 보호하는 데 필요한 스트레인 완화 기능을 제공할 뿐만 아니라 환경 보호 기능을 개선할 수도 있습니다.

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