유연한 부품 피딩을 위한 효율적 비전 시스템
Asyril
1. 유연성, 대량 맞춤형 생산 자동화의 주요 문제
대중의 맞춤형 제품에 대한 수요는 그 어느 때 보다 높아졌다. 이러한 요구를 충족시키기 위해 제조 산업은 수명주기가 짧아지고 가능한 최저 판매 가격을 보장하면서 점점 더 세분화된 제품을 조립해야 한다. 이 문제를 해결하려면 생산 유연성이라는 핵심 요구 사항이 충족돼야 한다.
1.1 부품 피딩 기술의 혁명
조립 기계의 유연성을 달성하기 위해 제조업체는 모두 같은 문제에 직면한다. 한 자동화 기계 내에서 더 많은 부품 종류를 공급하고, 제품 ‘A’에서 제품 ‘B’로 생산 배치를 변경하는 데 걸리는 시간을 줄여야 한다. 자동화 기계에서 부품을 피딩하는 전통적인 방법은 진동 보울(vibrating bowls)을 사용하는 것이다. 그러나 이는 유연성에 대한 요구 사항을 충족시키지 못한다. 결과적으로 새로운 솔루션 즉, 유연성 있는 부품 피더(part feeders)가 지난 수년에 걸쳐 시장에 등장했다.
일반적으로 유연한 부품 피더는 부품을 분리하고 방향을 정하는 지능형 진동 플랫폼(호퍼 포함, hopper), 부품을 배치하는 비전 시스템 및 부품을 픽업하는 로봇으로 구성된다. 기본적으로 프로그래밍 가능한 장치로 구성되므로 유연한 부품 공급 장치를 쉽게 변수화하여 새 부품의 공급 요구 사항을 충족할 수 있다. 최적의 성능을 위해서는, 안정적인 공급 공정을 보장하기 위해 세 가지 구성 요소가 효율적이고 조율된 방식으로 상호 작용해야 한다. 이와 관련하여 비전 시스템은 중심적인 역할을 하며 시스템의 핵심이 된다.
본문에서는 비전 시스템의 역할과 지능형 진동 플랫폼 그리고 로봇과의 상호 작용을 살펴본다. 효율적인 피딩 시스템에 대한 기본 비전 시스템 요구 사항도 설명한다.
2. 유연한 부품 피딩 시스템의 핵심
비전 시스템의 역할을 이해하려면 먼저 유연한 부품 피딩 시스템을 구성하는 다른 요소와 상호 작용하는 방식을 살펴 봐야한다. 그 후에는 비전 시스템과 각 개별 구성 요소 사이의 연결을 단계별로 살펴본다.
2.1 비전 시스템과 로봇의 상호 작용
비전 시스템의 주요 역할은 플랫폼에서 부품을 찾고 로봇에 좌표를 제공하는 것이다. 매우 간단하게 들리지만 몇 가지 중요한 측면을 동시에 고려해야 한다.
첫째, 올바른 방향(위/아래, 올바른 각도 등)의 부품만 선택해야 한다. 이 작업은 비전 시스템에 의해 처리된다.
둘째, 로봇이 이 모든 부분을 파악할 수 있는 것은 아니다. 그리퍼가 다른 부품과 충돌하지 않고 쉽게 잡을 수 있도록 각 부품 주위에 일정한 공간이 있어야 한다. 따라서 각 부품 주위에 금지 구역을 정의해야 한다. 부품이 금지 구역과 교차하는 경우, 부품을 파악할 수 없기 때문에 해당 좌표를 로봇으로 보내면 안 된다. 금지 구역의 일부 예가 아래 그림에 나와 있다.
셋째, 카메라 이미지에서 부품의 좌표는 픽셀 단위로 측정된다. 픽셀은 로봇이 이해할 수 있는 단위다. 로봇의 좌표를 부품의 좌표와 일치 시키려면 교정이 필요하다. 시스템을 처음 설치할 때 보정은 한 번만 수행된다. 이 교정 작업에는 특정 도구가 필요하며 애플리케이션에 따라 수동 또는 자동으로 수행된다. 일단 교정되면 비전 시스템은 각 부분에 대해 픽셀 값을 ‘로봇 좌표’ 위치 값으로 변환하고 이를 로봇으로 보낸다. 교정은 시스템 설정 중에 매우 중요한 단계이며 정밀도와 공정 안정성에 직접적인 영향을 미친다.
넷째, 로봇의 움직임과 카메라에 의한 이미지 획득이 조정되어야 한다. 실제로 로봇이 지능형 플랫폼에서 부품을 가져 오는 순간 비전 시스템은 로봇에 의해 시야가 가려지기 때문에 이미지를 촬영해서는 안 된다. 따라서 이미지 캡처를 시작하기 전에 로봇이 카메라의 시야에서 벗어날 때까지 기다려야 한다. 로봇이 부품을 집어 올리거나 카메라가 새로운 이미지를 얻는 동안 발생해서는 안 되는 피더 진동에도 동일한 조건이 적용된다. 다음 그림에는 전형적인 동기화 순서가 나와 있다.
1) 로봇 이동과 픽업, 2) 플랫폼을 진동시켜 부품을 분리, 3) 이미지를 캡처하고 부품의 좌표를 로봇으로 보낸다. 여기서 반드시 순차적 접근이 최적의 방법이 아니다. 로봇은 진동과 이미지 캡처 중에는 기다려야 한다. 결과적으로 사이클 시간을 소비하게 된다.
로봇이 카메라의 시야에서 벗어나 부품을 조립하는 동안 진동과 이미지 캡처를 실현하는 것이 좋다(다음 그림 참조). 이 동기화에는 로봇과 비전 시스템 간의 통신이 매우 엄격해야 한다.
다섯째, 피딩 시스템의 전체 속도는 이미지 분석에 필요한 계산 시간의 영향을 받는다. 부품을 탐지하고 위치를 찾고 로봇 좌표로 변환하려면 시간이 많이 걸린다. 유연한 부품 피딩 시스템의 특징 중 하나는 카메라가 일반적으로 가능한 많은 부품으로 채워진 넓은 시야를 관찰한다는 것이다. 시야의 크기와 배치할 부품의 수가 많아 계산 시간이 몇 초 정도 걸리기 때문에 생산성과 직접적으로 관련된다.
대신 이미지에서 관심이 있는 영역(부품을 위치하는 영역)을 빠르게 찾아 계산 시간을 최적화한 다음 이미지의 작은 부분에서 사용 가능한 부품 중 하나만 찾는다. 그런 다음 단일 부품의 좌표가 로봇에 제공되고 로봇이 이를 선택하여 어플리케이션에서 요구하는 대로 배치한다. 로봇이 첫 번째 부품을 픽업 위치에서 목적지로 이동하기 위해 바쁘지만, 비전 시스템은 다른 부품의 좌표를 계산할 시간이 충분하다.
2.2 비전 시스템과 부품 공급 플랫폼 간의 상호 작용
높은 부품 피딩 성능을 달성하려면 부품 피딩 플랫폼과 비전 시스템 간의 상호 작용이 매우 중요하다. 비전 시스템의 역할은 플랫폼의 순서를 결정하기 위해 플랫폼에서 부품의 위치와 동작을 관찰하는 것이다. 부품 피딩 플랫폼은 로봇이 부품을 수령할 때 적어도 하나의 부품을 수령할 수 있도록 제어해야 한다. 이 목표를 달성하려면 플랫폼의 부품 수와 표면의 두 가지 매개 변수가 가장 중요하다.
플랫폼의 부품 수량은 부품의 위치와 직접 연결되어 있다. 예를 들어, 플랫폼에 부품이 너무 많으면(아래 그림 참조) 한 부품이 다른 부품과 분리될 가능성이 거의 없다. 따라서 로봇은 잡을 부품이 없다.
반면 플랫폼 상에 부품이 너무 적으면, 쉽게 분리 될 수 있지만, 부분적으로 사용되지 않는 진동 표면으로 인해 공급 성능이 줄어든다. 이와 관련하여 한 부품을 준비하려면 많은 진동 시험이 필요할 수 있으며 로봇은 이 부분이 발생할 때까지 기다려야 한다. 따라서 카메라는 플랫폼의 충전 속도를 실시간으로 측정해야 한다. 이 값은 필요한 경우 호퍼를 작동시키는 데 사용되어 플랫폼의 총 부품 수를 제어한다.
플랫폼에서 부품의 분포는 두 번째 중요한 변수이다. 아래 그림의 케이스(a)와 같이 부품이 모두 플랫폼의 한쪽에 있는 경우 어느 것도 선택할 수 없다. 가장 좋은 상황은 동일한 그림(b)과 같이 부품의 균일하게 분포된 상황이다. 이를 측정하기 위해 모든 부품의 질량을 계산하고 플랫폼의 중앙으로 질량을 안내하는 명령을 플랫폼에 보낼 수 있다.
이 두 변수를 최적화하면 피더가 효율적으로 작동할 수 있다. 따라서 비전 시스템은 고성능의 유연한 부품 공급을 달성한다.
2.3 비전과 로봇 컨트롤러 또는 PLC 간의 상호 작용
유연한 공급 시스템이 작동하려면 제어 시스템이 필요하다. 구현에 따라, 제어 시스템은 로봇 컨트롤러이거나 전체 조립 스테이션을 시험할 PLC 일 수 있다. 컨트롤러 유형에 관계없이 제어 시스템에는 세 가지 주요 기능이 있다.
• 구성(시스템 설정, ‘레시피’ 관리 등)
• 통신(개별 시스템 구성 요소 시작 및 중지, 부품 좌표 교환 등)
• 감독(오류 처리, 생산 정보 표시 등)
2.3.1 구성
요리 레시피가 재료의 세부 목록과 준비 방법을 지정하는 것처럼 ‘머시닝 레시피’는 다양한 주변 장치가 주어진 작업(예: 조립, 제어 등)을 수행하는 데 사용하는 매개 변수와 방법을 나타낸다. 이 요리 비유에서 주요 변수(성분)는 플랫폼 구성, 픽업할 부품 모델 학습, 사용된 교정, 진동 전략, 로봇 툴의 크기 등이 포함된다. 제어 시스템은 사용자가 직관적인 인터페이스를 사용하여 위에 나열된 다양한 주요 변수를 구성할 수 있어야 한다. 또한 소프트웨어 아키텍처를 통해 사용자는 다양한 피더, 카메라 그리고 조명을 관리하기 위해 부품 레시피를 쉽게 로드할 수 있어야 한다.
레시피는 진동 공급 플랫폼, 비전 시스템(조명 변수 포함)과 로봇 조작기 등 자동화 시스템에서 저장하거나 로드해야 한다. 또한 전체 레시피를 내보내거나 특정 하위 시스템과 관련된 레시피의 일부만 내보낼 수 있다는 점은 새로운 부품 레시피를 쉽게 만들 수 있기 때문에 사용자에게 높이 평가된다. 새로운 부품을 처음부터 시작해야 하는 대신 이 기능은 애플리케이션의 작업량을 크게 줄인다.
2.3.2 커뮤니케이션
컨트롤러는 시스템에 설치된 주변 장치를 제어하고 각 주변 장치와 통신하는 중앙 요소다. 강력한 정보 처리 기능을 갖춘 Industry 4.0 솔루션은 지속적으로 한계를 극복하고 있다.
유연한 부품 피딩과 관련하여 컨트롤러는 그림과 같이 다양한 구성 요소(호퍼, 부품 공급 플랫폼, 카메라, 조명, 모션 컨트롤러 및 로봇 등)에 연결되어야 한다. 이것은 피딩 시스템과의 인터페이스에 대한 문제로 제기된다. 보다 우수한 솔루션은 공급 시스템의 모든 기능을 하나의 컨트롤러에 중앙 집중화하여 모든 관련 하위 시스템을 독립적으로 조정하는 것이다.
이 모듈 방식을 사용하면 아래 그림과 같이 PLC 또는 로봇 컨트롤러와 지능형 공급 시스템 간의 통신 채널을 하나만 최소화 할 수 있다. 이러한 시스템 아키텍처의 장점은 통합자가 구현해야 하는 유일한 명령은 (1) 로봇이 카메라의 시야를 차단하지 않을 때 비전 시스템을 사용하여 이미지 캡처 권한을 요청하고 (2) 부품 좌표를 요청한다는 것이다.
피딩 플랫폼의 진동은 지능형 피딩 시스템의 마스터에 의해 자동으로 제어된다. 호퍼 제어, 이미지 캡처 및 이미지 처리/분석에도 동일하게 적용된다. 그럼에도 불구하고 사용자는 시스템의 자동 보정, 이미지 캡처 튜닝, 카메라 노출 시간 조정 또는 개별 진동 지속 시간과 같은 고급 기능을 사용할 수 있다.
PLC/로봇 컨트롤러와 지능형 피딩 시스템 마스터 간에는 효율적이고 유연한 통신 프로토콜이 필수적이다. 이와 관련하여 TCP/IP 통신 프레임 워크는 메시지 구성과 관련하여 많은 유연성을 제공한다.
2.3.3 감독
앞에서 설명한 바와 같이 비전 시스템은 로봇에 올바른 부품의 좌표를 제공한다. 아울러 감독 목적으로 기계 사용자가 이 정보를 실시간으로 시각화하는 것도 할 수 있다. 이를 통해 사용자는 표면에 너무 많은 부품이 있는지 또는 로봇이 올바른 부품을 집었는지 즉시 확인할 수 있다. 너무 많은 화면이 표시되는 것을 피하기 위해 기계 제조업체는 이미지를 장비의 기본 제어판에서 제어할 수 있다.
3. 임베디드 ‘스마트’ 카메라와 PC 기반 비전 시스템
유연한 피딩 시스템을 위해 지능형 카메라, PC 기반 비전 중 무엇이 나은지 묻는 경우가 많다. 이 질문에 대한 확실한 정답은 없다. 이 두 가지 솔루션 중 무엇이 더 적합한 지 이해하기 위해 부품 피딩 사례를 살펴본다.
3.1 넓은 시야의 요구
유연한 부품 피딩 시스템에서 카메라는 진동 플랫폼에 있는 모든 부품을 보고 찾을 수 있어야 한다. 그러므로 시야는 적어도 진동 플랫폼의 표면만큼 커야 한다. 시야각을 점검해야 하는 부품의 크기에 맞게 조정하는 부품 제어 애플리케이션과 달리 유연한 부품 징 장치의 경우 시야각을 플랫폼 크기에 맞게 조정해야 한다. 아래 예시된 바와 같이, 시야각의 크기는 주로 사용된 렌즈의 작동 거리와 초점 거리에 의해 영향을 받는다.
유연한 피딩의 경우 로봇이 플랫폼간에 자유롭게 이동할 수 있도록 플랫폼과 카메라 사이에 먼 거리를 두어야 한다. SCARA와 같은 특정 로봇 형태의 경우 특히 그렇다. SCARA는 일반적으로 다소 번거로운 수직 축으로 만들어진 회전축이 장착되어 있다.
요약하면 로봇식 부품 피딩기의 일부로 사용되는 카메라와 광학 장치는 다음 두 가지 기준을 충족해야 한다.
• 시야는 처리할 부품의 크기가 아닌 진동 플랫폼 표면의 크기에 맞게 조정되어야 한다.
• 비전 시스템 작동 거리는 로봇이 카메라와 플랫폼 사이를 자유롭게 이동할 수 있을 만큼 커야 한다.
3.2 고해상도의 요구
로봇이 플랫폼에서 부품을 집어 들고 조립 기계에 배치 할 수 있는 정밀도는 카메라가 주어진 부품의 좌표를 식별 할 수 있는 정밀도에 달려 있다. 이 경우 부품의 크기를 알고 있어야 하며 해당되는 경우 부품에서 감지할 가장 작은 디테일의 크기도 알고 있어야 한다(이 세부 사항은 예를 들어 위치 할 부품이 앞면 또는 뒷면인지를 결정하는 데 중요 할 수 있다). 부품의 감지 정확도는 차지하는 픽셀 수에 따라 결정된다. 비전 분석 도구 라이브러리 공급 업체는 일반적으로 부품이 1픽셀 미만의 정확도로 위치하도록 최소 20픽셀을 측정 할 것을 권장한다. 다음 예는 이 권장 사항을 보여준다.
3.2.1 테스트 예
앞에서 설명한 바와 같이, 시야는 전체 진동 플랫폼을 커버해야 한다. 진동 플랫폼의 크기가 150x200mm라고 가정한다. 감지할 부품의 크기가 20mm이지만 현지화해야 하는 구멍이 2mm라고 가정한다.
다음 공식은 시야와 감지할 세부 사항의 크기에 따라 이상적인 센서 너비를 제공한다.
이 예에서 2mm 국소화 구멍이있는 부품은 다음과 같다.
다음 표는 해상도(폭과 길이의 픽셀 수)를 제공한다.
유연한 부품 공급 시스템을 위해서는 비교적 높은 해상도의 카메라를 선택하는 것이 중요하다. 로봇에 의해 선택 될 수 있도록 부품을 정확하게 위치 시키거나 세부 사항을 정확하게 위치시키기에 충분한 정밀도를 동시에 유지하면서 동시에 시야가 플랫폼의 전체 표면을 커버하도록 하는 것이 중요하다.
3.3 PC 기반 비전: 유연한 부품 피딩을 위한 최적의 솔루션
앞의 두 장에서는 유연한 부품 피딩 시스템에 사용되는 비전 시스템에서 넓은 시야와 고해상도를 보장하는 것이 중요함을 보여 주었다. 이 장에서는 이러한 기준이 지능형 카메라 기반 비전 시스템 사용 선택과 산업용 PC 기반 선택에 어떤 영향을 미치는지 평가해 본다. 일반적인 조립 기계에서는 조립 작업당 2개 이상의 부품을 조립해야 하는 경우가 종종 있다.
따라서 하나의 시스템뿐만 아니라 여러 공급 시스템을 기계에 통합해야 한다. 진동 플랫폼과 비전 시스템은 복제 할 필요가 없다. 지능형 카메라의 주요 장점은 매우 컴팩트 하다는 것이다(통합 컨트롤러와 온보드 이미지 처리 인텔리전스). 그러나 높은 카메라 해상도가 필요한 경우 이러한 구성 요소는 비용이 매우 많이 든다. 복제가 필요한 경우 온보드 인텔리전스도 복제해야 하므로 비용이 크게 증가한다.
다중 피더와 비전 시스템을 사용하는 유연한 조립 애플리케이션 제품에 대한 비용을 수용 가능하게 유지하려면 PC 기반 접근 방식을 권장한다. 고해상도 카메라(일반적으로 9MPx 이상)를 매우 경쟁력 있는 비용으로 통합 할 수 있다. 또한 많은 PC를 단일 PC에 연결할 수 있으므로 이 솔루션은 하드웨어와 소프트웨어(비전 라이센스) 비용을 크게 줄인다.
산업용 PC에 설치된 소프트웨어의 모듈 형 특성을 통해 동일한 피더의 여러 부품을 처리하거나 여러 플랫폼에서 단일 모바일 카메라를 사용하는 등의 복잡한 통합 시나리오를 관리 할 수 있다.
4. 유연한 부품 피딩을 위한 비전 시스템 점검
하드웨어:
• 카메라 시야는 전체 플랫폼 크기를 커버한다.
• 카메라 해상도가 부품의 세부 정보를 볼 수 있을 만큼 높다.
• 카메라에서 최상의 대비를 제공하기 위한 조명 색상과 구성이 선택됐다.
• vision 단일 비전 마스터로 여러 카메라와 여러 플랫폼을 제어하여 비용 절감
• controller 로봇 컨트롤러/ PLC와 간단하면서도 유연한 통신으로 통합 용이
비전 소프트웨어:
• 플랫폼의 부품 수량에 따라 호퍼 제어
• 플랫폼에서 부품이 고르게 분포되도록 부품의 움직임 방향을 관리한다.
• 로봇이 필요한 정밀도로 픽업 할 수 있도록 부품을 배치한다.
• 카메라와 로봇 좌표계 간의 자동 교정
• 이미지 좌표를 로봇 좌표로 변환
• ‘선택 가능한’ 첫 번째 부품을 로봇으로 가능한 빨리 전송
• 언제 어떤 진동 시퀀스가 실행 될지 진동 플랫폼에 알린다.
• 시야에 액세스하여 새 부품을 픽업 할 수 있을 때 로봇에 알린다.
• 부품의 특정성에 따라 올바른 순서로 조명을 트리거한다.
사용자 인터페이스:
• 안내 인터페이스를 통해 공급되는 새로운 부품의 손쉬운 교육
• 리퍼 형상과 일치하는 부품 주위에 금지 구역을 정의 할 수 있음.
• 몇 번의 클릭만으로 모듈식 레시피에 모든 주요 파라미터 저장
• 시각적 인터페이스를 통한 프로세스 감독과 모니터링
5. Asyril의 SmartSight: 유연한 부품 피딩을 위한 강력한 비전 시스템
SmartSight는 유연한 부품 피딩 시스템을 위한 효율적이고 강력한 비전 솔루션을 제공하기 위한 Asyril의 접근 방식이다. 여기서 설명된 모든 중요한 요구 사항을 충족한다. 시스템은 아래 그림에 설명되어 있다. 이 제품은 산업용 PC (Control Unit SmartSight)에 설치된 강력한 시각 감지 소프트웨어와 카메라, 대물 렌즈와 필요한 모든 케이블을 포함하여 최적으로 구성된 비전 키트로 구성된다. 기본 구성은 하나의 Asycube (Asyril의 지능형 3축 진동 플랫폼) 위에 장착된 하나의 카메라로 구성된다.
또한 이 시스템은 독립적으로 작동 할 수도 있고 작동하지 않을 수도 있다. 단일 물리적 산업용 PC 기반 제어 장치에서 매개 변수(레시피)를 저장하고 로드 할 수 있는 여러 대의 카메라와 추가 Asycube 피더를 포함하는 것과 같이 보다 복잡한 설치 구성을 허용한다. Asyril SmartSight를 사용하여 최대 7대의 카메라와 피더를 제어 할 수 있다. 따라서 최신 조립 기계에서 부품을 안정적으로 공급할 수 있어 비용 효율적이고 고성능 시스템을 제공한다.
SmartSight 제어 장치 덕분에 로봇 컨트롤러/PLC에는 하나의 통신 채널만 설정하면 된다. SmartSight는 급지 시스템의 모든 요소를 조정한다. 자동으로 부품 이동을 제어하고 (플랫폼에서 최적의 부품 분리 및 분배 보장) 필요한 경우 호퍼에서 부품을 리필하고 조명을 제어하며 적시에 이미지 획득을 시작하고 플랫폼에서 부품을 찾는다. 파악할 부품의 위치는 이더넷 TCP/IP 연결을 통해 로봇 컨트롤러/PLC에 제공된다. 직관적인 사용자 인터페이스 덕분에 이 시스템은 <0.1mm에서 최대 150mm (Asycube 로봇 부품 공급 장치 크기에 따라)의 부품에 맞게 쉽게 프로그래밍 할 수 있다.
6. 결론
최신 자동화와 조립 기계는 대량 사용자 정의로 인한 유연성 요구 사항을 충족해야한다. 이와 관련하여, 유연한 부품 피딩이 가장 중요하다. 이 기사에서 설명한 것처럼 이러한 유연한 시스템의 장점은 동일한 기계에 새 부품을 배포하기 위해 쉽게 재 프로그램 할 수 있다는 것이다. 진동 부품과 산업용 로봇 외에도 유연한 부품 피딩 시스템은 비전 시스템에 의존하며 중심 역할을 한다.
따라서 Asyril SmartSight가 제공하는 유연한 부품 이송을 위한 효율적인 전용 비전 시스템을 선택하는 것이 중요하다. 통합자는 거의 모든 부품과 호환되는 ‘plug and produce’의 유연한 부품 공급 시스템을 통해 상당한 이점을 얻을 수 있으며, 이를 통해 구현 비용을 대폭 줄일 수 있다(반복 통합의 경우 몇 주에서 며칠 또는 몇 시간까지).
자료 제공: Asyril(www.asyril.com)
