자동 조립 생산 라인의 측정 검사 솔루션에 적용된 레이저 센서의 특징과 장점

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제조업체가 기존의 조립 라인 기술을 선호하는 것은 때로는 많은 장점을 제공하기 때문이다.

예를 들어, 비접촉식 레이저 센서는 대량의 어셈플리 애플리케이션에서 소형 부품을 먼 거리에서 감지하는 데 적합하다. 그러나 밝은 레이저 센서는 조립 라인의 주변 먼지를 작업자가 볼 수 있게 해 라인의 청결도를 높이고 최적의 센서 성능을 보장할 수 있도록 한다.

이는 시스템 통합 업체 Bluewrist Inc.와 같은 최종 사용자에게 빠르고 정확하며 일관되고 신뢰할 수 있음을 뜻한다. 이 같은 성능이 Bluewrist가 3D 머신비전 시스템에서 여러 레이저 센서를 사용하는 이유이다. 센서들은 로봇이 차량의 앞뒤 유리를 정확히 삽입할 수 있도록 도와준다. 몇 년 전에 개발된 이 시스템은 Bluewrist의 EzRG 로봇 안내 소프트웨어로 구성된다.

로봇의 엔드 이펙터에 장착된 Gocator 2300 시리즈 3D 스마트 센서 4개, LMI Technologies Inc.에서 만든 센서는 로봇의 움직임과 진동에 영향을 받지 않는다. 조립 라인에서 대형 6축 로봇은 진공 컵(suction cups)을 사용해 고정된 위치에서 윈드실드(windshield)를 픽업하고 유리를 미리 정해진 삽입 지점으로 옮긴다. 센서는 앞 유리의 가장자리 4개와 자동 차체 조리개를 가로 지르는 적색 635nm 레이저 라인을 투사한다.

반사된 레이저 광이 각 센서에 내장된 카메라로 디지털화되면 내장된 측정 도구가 앞 유리의 X, Y, Z 좌표를 결정하고 이 데이터를 EzRG 소프트웨어가 장착된 외부 Advantech PC로 보낸다. 소프트웨어는 0.5초 이내에 6자유도의 변환 데이터를 계산하고 결과를 로봇 컨트롤러로 보낸다.

로봇은 계산된 변환값을 사용해서 앞 유리를 구멍의 위치로 안내하고 유리를 삽입한다. 안내 정확도는 ±0.2mm다.

항공 우주와 의료 기기, 반도체 제조업체는 물론 패키징을 수행하는 제조업체도 레이저 센서에 크게 의존한다. 이와 같이 측정과 검사, 결함 감지를 위해 최신 단일 포인트와 2D 혹은 3D 레이저 센서를 사용해 해당 애플리케이션을 성공적으로 완료한다.

많은 장점을 제공하는 빔

레이저는 많은 장점을 제공하지만 몇 가지 제한 사항이 있다. Balluff의 엔지니어링 파트너 관리자에 따르면, 레이저 센서의 레이저는 미세한 초점을 맞추는 빔으로 작은 부품 탐지에 적합하고 일관된 색상과 너비, 파장의 기능을 갖는다.

Banner Engineering의 센서 사업 개발 관리자는 “센서는 공장의 생산 비용 절감에 기여하고 있어 선호도가 높아지고 있습니다. 레이저 센서는 많은 장점을 제공합니다. 작업자의 빔은 가시적이므로 운전자는 정확히 어디로 가야 하는지 정확하게 조준할 수 있습니다. 많은 센서는 1µm의 낮은 증분 정밀도와 자동으로 조정할 수 있는 빔 강도를 제공해 대상의 대비를 최적화합니다. 또한 움직이는 부품이 올바른 위치에 도달하고 방향이 올바른지 확인하는 데 유용합니다.”라고 말했다.

최근까지 일반적인 레이저 빔은 적색이었다. LMI Technologies의 CEO에 따르면, 많은 공급 업체는 이제 표면 반사를 최소화하고 반사면을 더욱 정확하게 스캔하기 때문에 청색 레이저 빔으로 레이저 센서를 제공한다.

Origin Technologies의 CEO 겸 기술 책임자는 수많은 자동차와 항공 우주 제조업체에서 레이저 센서가 비접촉식이고 정확하기 때문에 다른 유형보다 선호한다고 말한다. Origin은 1990년대 후반부터 LaserGauge(LG) 핸드 헬드 2D 레이저 센서를 생산했으며 최근 첫 번째 EOAT 장착 버전 레이저 센서를 출시했다.

Origin은 약 3년 전에 센서에 청색 레이저를 장착하기 시작했다. 관계자에 따르면 그 이유는 모든 재료(불투명, 반투명, 투명)를 측정할 수 있으며, 청색 레이저가 더 정확하기 때문이다.

이 밖에도 레이저의 좁은 초점은 센서의 오류 때문에 실행이 취소될 수 있다. 예를 들어 포지셔닝 시스템에 진동이 심하면 레이저가 대상 근처를 지나지 않고 통과할 수 있다. 이 경우 넓은 빔 패턴을 가진 표준 광전 센서가 더 적합하다.

고려해야 할 사항

공급 업체는 다양한 레이저 센서를 제공한다. 이 센서에는 모두 발광기와 수광기로 감지된 신호를 평가하고 증폭하는 구성 요소가 있다. 가장 일반적인 레이저 센서 유형 중 하나는 광전이다. 자동 조립에는 3가지 종류의 광전 센서가 쓰인다.

반사형 모델은 이미터와 수신기를 모두 갖췄다. 이미터의 빛이 대상에 감지되면 반사된 빛이 표면에서 모든 각도로 확산된다. 수신기가 충분한 반사광을 수신하면 출력 상태로 전환된다. 빛이 수신기로 다시 반사되지 않으면 출력은 원래 상태로 돌아간다.

투과형 센서에는 정렬된 별도의 이미터와 수신기가 있다. 이는 송신기에서 나오는 최대한 많은 양의 빛이 수신기에 도달하도록 하기 위함이다. 대상이 광선의 경로를 가로지르면 수신기에서 빛을 차단한다. 이로 인해 수신기의 출력 상태가 변경된다. 대상이 더는 광경로를 차단하지 않으면 수신기의 출력이 정상 상태로 돌아간다.

역반사 센서(Retroreflective sensors)는 이미터와 수신기를 하나의 유닛에 포함한다는 점에서 반사형 센서와 유사하다. 그러나 역반사 센서를 사용하면 이미터의 빛이 직선으로 반사기로 전달돼 수신기로 돌아간다. 타깃이 광경로를 차단하면 센서의 출력 상태가 변경된다.

물체 또는 거리를 측정하는 레이저 센서는 광학 삼각 측량 또는 비행 시간(time-of-flight) 기술을 사용해 측정한다. 광학 삼각 측량에는 펄스형 레이저와 선형 전하 결합 장치(CCD)를 배치하는 것이 포함된다. 레이저 빔은 스폿 또는 라인으로 대상에 투사되고 빛은 CCD에 반사된다.

부품이 레이저를 지나서 이동할 때 CCD에서 반사된 빛의 위치도 이동한다. 후자를 측정하면 전자를 정확하게 측정할 수 있다.

비행 시간 시스템은 레이저 펄스가 표면으로 이동해 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정한다. 빛의 속도가 일정하기 때문에 센서가 차이를 분석할 수 있다.

단일 포인트 레이저 센서는 위치와 변위 또는 거리와 관련된 고해상도 피사체를 정확하게 측정할 수 있다(두께, 폭, 런 아웃 또는 진동). 2D나 3D 센서는 이와 같은 기술을 사용해서 높이와 너비, 각도, 간격, 모양을 측정하고 결함을 감지할 수 있다. Keyence의 LJ-G5000 시리즈 2D 레이저 변위 센서는 높이와 너비를 포함해 다양한 안정적인 측정을 제공한다. 장치 5개 모두 사용하기 쉽고, 8개 지점에서 동시에 측정할 수 있는 E3-CMOS 이미지 센서가 있다. 이 센서는 삼각 측량과 Quatro 링크 시스템을 사용해서 고속 샘플링(3.8밀리 초)과 높은 정확도(풀 스케일의 ±0.1%)를 보장한다.

지난 몇 년 동안 Renault는 프랑스 Cléon의 G9 엔진 생산 라인에서 LJ-G 센서를 사용해 왔다. 작업자는 오일의 밀봉, 압축 링을 각 피스톤에 밀어 넣은 다음 장착된 피스톤 여러 개를 팔레트에 올려놓고 자동 검사 플랫폼으로 옮긴다.

피스톤 4개를 LJ-G 센서 4개로 동시에 점검하고, 각 피스톤에 대해 프로파일을 생성하고 링이 없는 프로파일과 비교해 모든 링이 제자리에 있는지 확인한다. 초박형 오일 링은 검사하기 가장 까다로우며 3mm 압축 링이 가장 쉽다.

몇몇 자동차 OEM 업체는 움직이는 조립 라인에서 차량이 전진하는 동안 차량 도어와 헤드라이트, 후미등, 창문, 반짝이거나 또는 불투명한 표면의 간격을 정확하게 검사하고 측정하기 위해 Origin의 EOAT 장착 2D LG 센서 설치를 고려하고 있다. 이 센서의 교차 벡터 구성은 청색 레이저가 교차 각도에서 여러 개의 화면을 제공해 반경 가장자리를 볼 수 있도록 해서 완벽한 표면 프로파일을 만든다. 가상 게이지는 각 측정 지점에 구성되며 사양 한계는 각 반환값에 대해 정의된다.

또, 반투명한 표면과 솔리드 바디 패널에 청색 레이저를 사용하는 핸드 헬드 HS763 센서도 제공한다. 표준 이더넷 연결은 PC와 로봇 컨트롤러, PLC와 통신할 수 있게 한다. 검사 루틴은 LGWorks 소프트웨어를 사용해 작성하고 편집한다. LMI의 Gocator 2512 3D 프로파일 센서는 유리와 광택 금속, 플라스틱, 그리고 기타 다양한 반사 재료, 표면이 컨베이어에서 움직일 때 정확하게 스캔한다.

8미크론 X 해상도로 물체를 스캔하고 0.2미크론 Z 반복성으로 최대 10kHz(킬로헤르츠)까지 속도를 낸다. 이 센서는 금속과 플라스틱을 동일한 하우징에 나란히 내장하고 정반사와 확산 표면을 동시에 스캔하는 가전제품 어셈블리를 스캔하는 데 특히 적합하다.

이를테면 휴대 전화의 커버 글라스와 프레임이 있다. 또한 이 센서는 투명하고 광택이 있으며 다른 까다로운 표면 조도를 사용해 어셈블리의 형상 치수와 공차 측정을 정확하게 수행한다.

일부 공급 업체는 생산 라인에 쉽게 통합할 수 있는 내장 논리 기능을 갖춘 자체 내장형 ‘스마트’ 레이저 센서를 제공한다. 레이저 중 하나는 최대 65피트 거리에서 회전하는 대상의 속도를 측정하는 CSLS 모델이다. Monarch Instrument에서 제작됐으며 Fast Fourier Transform 분석기와 함께 사용하면 레퍼런스 마크 없이 회전 속도를 빠르게 결정한다.

제조업체는 센서를 사용해 표면 불규칙성을 추적하고 키 홈에서 출력을 제공할 수 있다. 센서는 IP64 등급이고 먼지가 많은 습한 환경에서 사용하기 적합하며 0.25인치 삼각대 장착 부싱을 포함한다.

발루프의 최신 광전 센서에는 BOS21M-HPL과 BOD21M이 있다. BOS21M-HPL은 배경 억제기능을 제공해서 대상의 표면과 색상, 재료에 상관없이 신뢰할 수 있는 결함과 부품 감지를 보장한다. BOD21M은 거리 측정용으로 설계됐다. 두 모델 모두 IO-Link를 지원하므로 운영자는 각 센서의 전압 과부하 상태와 수행된 사이클 수, 기타 진단 요소를 모니터링할 수 있다. 또, 유연성을 최적화하기 위해 다양한 장착 옵션을 사용할 수 있다. 자동차와 식품 포장, 생명 과학 회사에서 BOS 센서를 많이 사용한다.

Banner는 2018년에 소형 LM 시리즈의 레이저 센서를 출시했다. 이로써 제조업체가 조립과 검사 중에 부품을 더 정확히 측정하고 공정 모두에서 부품과 위치 제어를 개선할 수 있도록 돕는다. 센서는 다양한 색상과 반사율을 가진 움직이는 대상의 두께와 높이를 높은 반복성으로 측정한다. 센서의 측정 범위는 50~150mm이며 응답 속도가 0.5ms인 0.004mm 분해능을 제공한다.

마찬가지로, 센서는 장착 안정성을 제공하고 있다. 관계자에 따르면 이 최소한의 온도 변화는 고정밀 애플리케이션에 중요하다. 약간의 온도 변화 때문에 센서의 측정 오류가 두 배로 증가할 수 있기 때문이다. 옵션 RSD 원격 디스플레이는 제품 전환과 손쉬운 장치 교체를 위해 최대 6개의 구성을 저장한다.

자료 제공: Assemblymag(www.assemblymag.com)