KR100351298B1 - 자동화 시스템의 고속 원점 복귀 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동화 시스템의 고속 원점 복귀 장치 및 방법에 관한 것으로, 종래 원점 복귀 동작에 있어서 근사원점을 검출한 후에는 별도의 감속 구간 및 저속 운행을 통해 설정된 기계 원점과 시스템의 원점을 일치시킴으로써, 상기 감속 시간 및 저속 진행 시간이 길어 원점 복귀시 장비의 초기화에 따른 시간의 지연으로 생산성이 저하되며, 또한, 원점 근처에서 충분히 낮은 속도로 감속하여 정확한 원점을 결정하기 위해 원점과 일정 거리 떨어진 위치에 근사 원점 센서를 설치함으로써, 불필요한 부품 추가 및 장비 제작상의 제약을 초래하게 되는 문제점이 있었다. 또한, 원점을 결정한 위치가 기계를 운전하기 위한 시작점과 일치하지 않는 경우, 시작하기 위한 위치 결정점으로 이동하기 위하여 위치 및 속도 프로파일을 생성하여 이동함으로써, 추가적인 위치 결정 운전 시간이 소요됨에 따라 생산성이 저하되는 문제점이 있었다. 따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 원점 복귀 요구시 원점 복귀 속도로 가속후 정속운전하며 원점 신호를 검출하여 원점 결정 상태로 전환한 후 위치 결정점으로 이동함으로써, 추가적인 원점 복귀 저속 구간을 없애 원점 복귀 수행 시간을 줄여 초기화 시간을 최소화함과 아울러 근사 원점 센서를 사용하지 않아 제조 원가를 절감함에 따라 생산성을 향상시키며, 원점 검출후 위치 결정점으로 바로 이동함에 따라 불필요한 가감속 운전을 방지하는 효과가 있다.

Description

자동화 시스템의 고속 원점 복귀 장치 및 방법{HOMING APPARATUS AND METHOD IN HIGH SPEED REGION FOR AUTOMATIC SYSTEM}

본 발명은 자동화 시스템의 고속 원점 복귀 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 모터로 기계를 구동하는 모션 제어에 필요한 원점 복귀 장치에 있어서 원점 복귀를 수행하는데 필요한 시간 및 부품을 최소화하여 생산성을 향상시키도록 한 자동화 시스템의 고속 원점 복귀 장치 및 방법에 관한 것이다.

정밀한 위치 및 속도 제어가 요구되는 로보트, 정밀 이송장치, 자동 절단기, 반도체 장비 등의 자동화 시스템에서 주로 서보모터와 스텝핑 모터를 사용하고 있다.

따라서, 상기 모터를 구동하여 정밀 기기의 위치를 제어함에 있어서 프로그램에서 인식하는 위치와 실제 기계의 위치를 일치시키기 위하여 운전전에 원점 복귀 제어를 수행하고 있다.

도 1은 종래 자동화 시스템의 원점 복귀 장치의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이 절대 위치 정보를 검출하는 원점 센서(10)와; 속도를 줄이도록 감속을 결정해주는 근사 원점 센서(11)와; 전압, 전류 또는 펄스열 형태의 신호인 위치와 속도 프로파일을 발생하는 모션 제어 장치(20)와; 상기 모션 제어 장치(20)의 위치와 속도 프로파일을 회전운동으로 바꾸어 모터(40)를 구동하는 드라이버(30)와; 상기 모터(40)의 현재 속도를 펄스열로 출력하는 엔코더(50)로 구성되며, 상기 모션 제어 장치(20)는 상기 엔코더(50)의 펄스열을 입력받아 현재 위치 및 속도를 검출하는 위치 및 속도 검출부(21)와; 상기 위치 및 속도 검출부(21)의 위치 및 속도 정보와 상기 근사 원점 센서(11)와 원점 센서(10)의 검출값을 입력받아 위치 및 속도 프로파일을 발생하는 모션 프로파일 발생부(22)로 구성되며, 이와 같이 구성된 종래 기술에 따른 동작과정을 첨부한 도 2 내지 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.

우선, 모션 제어 장치(20)는 프로그램된 속도와 위치 프로파일을 발생시켜 그 정보를 드라이버(30)에 전달하게 되며, 이 드라이버(30)는 그 정보 또는 신호를 모터를 구동하기 위한 전류, 전압등으로 변환 또는 증폭하여 모터(40)의 회전 운동을 결정하게 된다.

이때, 상기 모터(40)가 회전 운동으로 기계의 이송속도와 이송거리를 결정하기 위해서는 모션 제어 장치(20)에서 인식하고 있는 위치와 실제 기계의 위치를 일치시켜야 하며, 이가 일치 되지 않을 경우에는 기계가 원하는 위치로 이동할수 없거나 심할 경우 파손되게 된다.

그러므로, 기계의 위치와 모션 제어 장치(20)의 위치를 일치시키는 작업이 필요하게 되는데, 이 과정을 원점 복귀라고 하며, 상기 원점을 인식한 상태를 원점 결정 상태라고 한다.

따라서, 원점 복귀는 최초 원점을 검출하기 위한 요구가 발생되면, 가능한 빨리 원점을 찾기 위하여 가속하여 고속으로 운전을 시작하게 된다.

이때, 원점센서에서 발생된 신호에 반응하여 정지하기까지 위치변화를 최소화하며 상기 정확한 원점을 결정하기 위해서 상기 모션 제어 장치(20)는 충분히 낮은 속도로 감속된 상태에서 원점 복귀 동작을 반복수행하여 원점 결정 위치가 항상 동일하도록 하게 된다.

따라서, 상기 모션 제어 장치(20)는 원점 근처에서 감속을 하는 동작을 근사 원점 센서(11)를 통해 결정하게 된다.

이때, 최초 원점 복귀 요구에 의해 고속으로 운전하는 속도를 원점 복귀 고속 속도라고 하고, 상기 근사 원점 센서(11)에 의해 감속후 진행하는 저속 속도를 원점 복귀 저속 속도라고 한다.

따라서, 원점 복귀 저속 속도로 진행하여 원점 센서(10)를 검출하면, 즉시 정지하고, 그 정지한 이후의 현재 위치를 원점으로 간주하며, 이를 기계 원점으로 인식하도록 하여 기계 원점과 프로그램 원점을 일치시키게 된다.

따라서, 상기 모션 제어 장치(20)내 모션 프로파일 발생부(22)는 도 2에 도시된 바와 같이 원점 복귀 요구 신호가 발생하면, 근사 원점 검출 시간()동안 가속을 하는 위치/속도 프로파일을 출력하게 되고, 이를 입력받은 드라이버(30)는 그에 따라 모터(40)를 구동하게 된다.

이때, 상기 모션 제어 장치(20)내 위치 및 속도 검출부(21)는 상기 모터(40)의 회전량과 속도를 펄스열로 변환한 엔코더(50)의 출력신호를 입력받아 현재 모터(40)의 속도의 위치 및 속도 정보를 상기 모션 프로파일 발생부(22)로 출력하여 위치 및 속도를 제어하게 된다.

이후, 상기 모션 프로파일 발생부(22)는 근사 원점 센서(11)에 의해 근사 원점이 검출되면, 감속 운전을 소정시간() 수행하여 저속으로 등속 운전을 수행하게 된다.

그리고, 원점 센서(10)로 부터 원점 신호가 검출되면, 상기 모션 프로파일발생부(22)는 즉시 정지하여 그 위치를 원점 결정점으로 결정하게 되며, 그 위치를 기계 원점으로 처리하게 된다.

이때, 소요되는 원점 복귀 실행 시간()은 하기 수학식 1과 같이 원점 복귀의 운전을 시작하여 근사 원점 신호를 검출하기 까지의 경과시간()과 근사원점 검출후, 감속하여 저속 속도까지 도달하는데 소요되는 시간() 및 저속으로 진행하여 원점을 검출하게 되는 시간(T_L)을 모두 합한 것과 같다.

여기서,는 원점 복귀 실행 시간이고,는 근사 원점 검출 시간이고,는 근사 원점 검출후 감속시간이고, T_L은 원점 검출 시간이다.

그러나, 대부분의 자동화 시스템에서는 원점을 결정한 위치가 기계를 운전하기 위한 시작점과 일치하지 않는 경우가 많으며, 이에 따라 원점 복귀를 수행하여 기계의 위치를 파악한 이후, 자동화된 운전 시퀀스를 수행하기 위하여 시작점으로의 위치 결정 운전을 필요로 하게 된다.

따라서, 상기 모션 프로파일 발생부(22)는 도 3과 같이 원점 복귀 요구 발생시 가속하여 근사원점 신호를 검출하기까지 운전을 계속하다가 근사원점 신호를 만나면, 감속 저속으로 원점 신호를 검출할때까지 진행하여 원점 결정점을 결정하게 된다. 그리고, 상기 모션 프로파일 발생부(22)에서 위치 결정점으로 이동하기 위한 프로파일을 생성하는 소정 휴지 시간()이 경과된 이후, 상기 생성된 위치 및 속도 프로파일에 의해 위치 결정점으로 이동하게 된다.

이때, 소요되는 경과 시간()은 하기 수학식 2와 같다.

T_EP= T_E+ T_N+ T_P= T_A+ T_D+ T_L+ T_N+ T_P

여기서,는 원점 복귀 및 위치 결정 운전 시간이고,은 위치 결정 운전전 휴지 시간이고,는 시작점으로 위치결정 운전시간이다.

상기와 같이 종래 원점 복귀 동작에 있어서 근사원점을 검출한 후에는 별도의 감속 구간 및 저속 운행을 통해 설정된 기계 원점과 시스템의 원점을 일치시킴으로써, 상기 감속 시간 및 저속 진행 시간이 길어 원점 복귀시 장비의 초기화에 따른 시간의 지연으로 생산성이 저하되며, 또한, 원점 근처에서 충분히 낮은 속도로 감속하여 정확한 원점을 결정하기 위해 원점과 일정 거리 떨어진 위치에 근사 원점 센서를 설치함으로써, 불필요한 부품 추가 및 장비 제작상의 제약을 초래하게 되는 문제점이 있었다.

또한, 원점을 결정한 위치가 기계를 운전하기 위한 시작점과 일치하지 않는 경우, 시작하기 위한 위치 결정점으로 이동하기 위하여 위치 및 속도 프로파일을 생성하여 이동함으로써, 추가적인 위치 결정 운전 시간이 소요됨에 따라 생산성이 저하되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 원점 복귀 요구시 가속후 정속 주행중에 원점 센서를 이용하여 원점을 결정함으로써, 초기화 시간을 최소화하여 자동화 시스템의 생산성을 향상시킴과 아울러 부품의 수를 최소화하도록 한 자동화 시스템의 고속 원점 복귀 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래 자동화 시스템의 원점 복귀 장치의 구성을 보인 블록도.

도 2는 도 1에서 원점 복귀 프로파일을 보인 도.

도 3은 도 1에서 원점 복귀후 시작점 위치 결정 프로파일을 보인 도.

도 4는 본 발명 자동화 시스템의 고속 원점 복귀 장치의 구성을 보인 블록도.

도 5는 도 4에서 원점 복귀 프로파일을 보인 도.

도 6은 도 4에서 원점 복귀후 시작점 위치 결정 프로파일을 보인 도.

도 7은 도 4에서 원점 복귀 동작을 보인 흐름도.

***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***

100 : 모션 제어 장치 101 : 위치 및 속도 검출부

102 : 모션 프로파일 발생부

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 절대 위치 정보를 검출하는 원점 센서와; 입력되는 위치와 속도 프로파일을 회전운동으로 바꾸어 모터를 구동하는 드라이버와; 상기 모터의 회전량과 속도를 펄스열로 출력하는 엔코더와; 엔코더의 펄스열에 의해 위치와 속도를 제어하는 전압, 전류 또는 펄스열 형태의 신호인 위치 및 속도 프로파일을 발생하며, 원점 복귀 요구시 상기 원점센서의 검출신호에 의해 원점을 결정하며, 위치 결정점으로 이동하는 위치 및 속도 프로파일을 발생하는 모션 제어 장치로 구성하여 된 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명은 원점 복귀 요구가 있으면, 원점 복귀 속도로 가속하는 제1 단계와; 상기 제1 단계에서 정속 구간에 도달하면, 원점 센서를 통해 원점 신호를 검출하여 원점 결정 상태로 전환하는 제2 단계와; 상기 제2 단계에서 원점 결정 상태로 전환되면, 위치 결정점으로의 이동필요여부를 판단하여, 이동필요시에 상기 정속상태에서 위치 결정점으로 바로 이동하는 제3 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 일실시예에 대한 동작과 작용효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명 자동화 시스템의 고속 원점 복귀 장치의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시한 바와 같이 절대 위치 정보를 검출하는 원점 센서(10)와; 위치와 속도를 제어하는 전압, 전류 또는 펄스열 형태의 신호인 위치와 속도 프로파일을 발생하는 모션 제어 장치(100)와; 상기 모션 제어 장치(100)의 위치와 속도 프로파일을 회전운동으로 바꾸어 모터(40)를 구동하는 드라이버(30)와; 상기 모터(40)의 현재 속도를 펄스열로 출력하는 엔코더(50)로 구성하며, 상기 모션 제어 장치(100)는 상기 엔코더(50)의 펄스열을 입력받아 상기 모터(40)의 현재 회전속도와 회전량을 검출하여 위치 및 속도 정보를 출력함과 아울러 원점 신호 검출 허용 신호에 의해 상기 원점 센서(10)의 검출값을 입력받아 원점 신호 검출 정보를 출력하는 위치 및 속도 검출부(101)와; 상기 위치 및 속도 검출부(101)의 위치 및 속도 정보에 의해 에러를 보정한 위치 및 속도 프로파일을 발생하며, 원점 신호 검출 정보에 의해 원점을 결정하는 모션 프로파일 발생부(102)로 구성하며, 이와 같이 구성한 본 발명에 따른 동작과정을 첨부한 도 5 내지 도 7을 참조하여 상세히 설명한다.

우선, 모션 제어 장치(100)에서 모터(40)를 구동하는 동작은 종래 도 1과 동일하게 동작한다. 즉, 모션 제어 장치(100)에서 발생된 위치 및 속도 프로파일을 입력받은 드라이버(40)는 모터를 구동하기 위한 전류, 전압등으로 변환 또는 증폭하여 모터(40)를 구동하며, 상기 모터(40)의 회전량과 속도를 펄스열로 변환한 엔코더(50)의 출력신호를 입력받은 상기 모션 제어 장치(100)는 위치 및 속도 프로파일을 보정하여 상기 모터(40)가 원하는 위치 및 속도 정보를 갖도록 보정한다.

그리고, 상기 모터(40)가 회전 운동으로 기계의 이송속도와 이송거리를 결정하기 위해서는 모션 제어 장치(100)에서 인식하고 있는 위치와 실제 기계의 위치를 일치시키기 위한 원점 복귀 요구가 발생하면, 원점 복귀 동작을 수행하기 전에 현재의 위치를 0으로 초기화한 후에 모션 프로파일 발생부(102)는 도 5에 도시한 바와 같이 위치/속도 프로파일을 발생하여 상기 모터(40)의 구동 속도를 설정된 원점 복귀 속도로 가속한다.

그 후, 원점 복귀 속도에 도달하면, 상기 모션 프로파일 발생부(102)는 정속으로 모터(40)를 구동하며, 위치 및 속도 검출부(101)로 원점 신호 검출 허용 신호를 출력하여 원점 신호 검출 허용 상태로 전환한다.

그리고, 이 후에 발생되는 원점 센서(10)의 검출값에 의해 상기 위치 및 속도 검출부(101)는 내부 위치 카운터를 임의의 값으로 프리셋시킴과 동시에 원점이 검출되었음을 의미하는 원점 검출 정보를 상기 모션 프로파일 발생부(102)로 출력하고, 이에 상기 모션 프로파일 발생부(102)는 그 위치를 기계의 기준점인 원점으로 인식하여 처리한다.

이때, 원점 센서(10)의 신호는 모션 프로파일 발생부(102)를 통하여 위치 및 속도 검출부(101)내 위치 카운터를 초기화하는 것이 아니라 상기 위치 및 속도 검출부(101)의 위치 카운터를 하드웨어적으로 초기화하는 것이다.

그러므로, 상기 모션 프로파일 발생부(102)의 프로그램 스캔 주기에 영향을 받지 않는다.

여기서, 상기 원점 센서(10)에서 발생된 신호는 일정한 지연 요소에 의해 상기 위치 및 속도 검출부(101)에 도달하게 되므로, 원점 복귀를 반복하여 수행시 항상 동일한 속도에서 원점 센서(10)를 검출하면, 동일한 원점 위치를 얻을 수 있다.

따라서, 상기 모션 프로파일 발생부(102)는 가속중 또는 변속중에는 원점 센서(10)에서 발생된 신호가 위치 및 속도 검출부(101)의 위치 카운터를 초기화시키지 못하도록 원점 신호 검출 허용 신호를 금지 상태로 유지하고, 등속운행중 원점 신호 검출 허용 신호를 인에이블한다.

이때, 소요되는 원점 복귀 실행 시간()은 하기 수학식 3과 같이 원점 복귀 요구후 원점 결정점에 도달하여 원점 신호를 검출하기까지의 시간인 원점 결정 시간()과 원점 검출후 감속 시간()을 더한 것과 같다.

여기서, 대부분의 자동화 시스템에서는 원점을 결정한 위치가 기계를 운전하기 위한 시작점과 일치하지 않는 경우, 원점 복귀를 수행하여 기계의 위치를 파악한 이후 자동화된 운전 시퀀스를 수행하기 위하여 시작점으로의 위치 결정 운전을 필요로 한다.

따라서, 위치 결정 운전을 하는 경우, 상기 모션 프로파일 발생부(102)는 도 6과 같은 위치 및 속도 프로파일을 발생한다.

즉, 원점 복귀 요구가 발생하면, 상기 모션 프로파일 발생부(102)는 원점 복귀 속도로 가속한후, 정속 구간에서 위치 및 속도 검출부(101)를 원점 허용 상태로 인에이블하여 원점을 결정한 후 감속하여 정지하지 않고, 현재 운전중인 속도로 위치 결정점으로 이동하는 위치 결정 운전을 수행한다.

이때, 전체 운전하는데 소요되는 시간()은 하기 수학식 4와 같이 원점 복귀 실행시간()과 시작점으로의 위치 결정 운전 시간()을 더한 것과 같게 나타나게 된다.

상기에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 원점 복귀 요구시 원점 복귀 속도로 가속후 정속운전하며 원점 신호를 검출하여 원점 결정 상태로 전환한 후 위치 결정점으로 이동함으로써, 추가적인 원점 복귀 저속 구간을 없애 원점 복귀 수행 시간을 줄여 초기화 시간을 최소화함과 아울러 근사 원점 센서를 사용하지 않아 제조 원가를 절감함에 따라 생산성을 향상시키며, 원점 검출후 위치 결정점으로 바로 이동함에 따라 불필요한 가감속 운전을 방지하는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 절대 위치 정보를 검출하는 원점 센서와; 입력되는 위치와 속도 프로파일을 회전운동으로 바꾸어 모터를 구동하는 드라이버와; 상기 모터의 회전량과 속도를 펄스열로 출력하는 엔코더와; 상기 엔코더의 펄스열을 입력받아 모터의 회전속도와 회전량을 검출하여 위치 및 속도 정보를 출력함과 아울러 원점 신호 검출 허용 신호에 의해 상기 원점 센서의 검출값을 입력받아 원점 신호 검출 정보를 출력하는 위치 및 속도 검출부와; 원점 복귀 속도로 가속한 후 정속구간에서 상기 원점 신호 검출 허용신호를 출력하고, 상기 위치 및 속도 검출부의 위치 및 속도 정보에 의해 에러를 보정한 상기 위치 및 속도 프로파일을 발생하며, 상기 원점 신호 검출 정보에 의해 원점을 결정하는 모션 프로파일 발생부로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 자동화 시스템의 고속 원점 복귀 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 위치 및 속도 검출부는 윈점 신호 검출 허용 신호에 의해 인에이블되어 원점 신호에 의해 초기화되는 위치 카운터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 자동화 시스템의 고속 원점 복귀 장치.
4. 원점 복귀 요구가 있으면, 원점 복귀 속도로 가속하는 제1 단계와; 상기 제1 단계에서 가속에 의해 정속 구간에 도달하면, 원점 센서를 통해 원점 신호를 검출하여 원점 결정 상태로 전환하는 제2 단계와; 상기 제2 단계에서 원점 결정 상태로 전환되면, 위치 결정점으로의 이동필요여부를 판단하여, 이동 필요시 상기 정속상태에서 위치 결정점으로 바로 이동하는 제3 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동화 시스템의 고속 원점 복귀 방법.