장비제조업체(OEM)에서 설계 시간을 33% 단축한 비결

장비제조업체(OEM)에서 설계 시간을 33% 단축한 비결

 

패키징 장비 제작 업체가 식품 용기 설계에 시뮬레이션 모델링을 이용해 장비 성능을 개선하고

설계 시간을 1/3로 단축한 방법

 

 

로크웰 오토메이션

 

시장에는 다양한 양과 크기로 상품을 포장하기를 원하는 요구가 많아서 식품 패키징 시장은 매우 복잡하고 변화무쌍하다. 따라서 제조업체는 언제나 이러한 변화에 대응할 준비가 되어 있어야 하며, 패키징 장비는 여러 가지 유형과 크기의 패키지를 다룰 수 있도록 고객의 요청에 유연하게 대응할 수 있어야 한다.
또한 패키징 장비는 각 상품이 정확하게 포장되도록 매우 정밀한 정확성을 보장하는 동시에 고속으로 동작할 수 있어야 한다.
영국 브리스톨(Bristol) 및 미국 조지아 주의 디케이터(Decatur) 카운티 소재 식품 패키징 장비 제작 업체인 Kliklok-Woodman 공장의 엔지니어들은 이러한 요구를 염두에 두고 새로운 패키징 장비인 CELOX Endload Cartoner를 공동으로 개발했다.
이 장비는 생산 라인의 마지막에 설치되어 포장된 음식을 포장 용기에 담은 후 밀봉한다.
CELOX는 여러 가지 상품을 생산할 때 쉽고 빠르게 변경 사항에 대응할 수 있도록 유연하고 사용자가 원하는 대로 변경할 수 있으며, 최소한의 장비 사용 교육을 통해 직원이 쉽게 사용할 수 있도록 효율적으로 설계되었다. 또한 장비의 한쪽 측면에 위치한 용기 공급 장치(Carton Feeder) 및 삽입기(Inserter) 모듈에 쉽게 접근할 수 있어 단 한 명의 오퍼레이터로도 운용이 가능하다.
Kliklok-Woodman은 2007년부터 미국 제조업체에 CELOX 장비를 납품하기 시작했다. 최근 미국의 주요 식품 제조업체가 CELOX를 주문했고 조지아 주의 Kliklok-Woodman 공장의 엔지니어는 고객의 특수한 요구 사항을 만족시키기 위해 새로운 설계 옵션이 필요하다는 것을 깨달았다.

 

디지털 모델링

각 장비 내에서 거의 숨겨져 있는 부분은 ‘Flap Kicker’이다. 이것은 손가락처럼 생긴 장치로 각 용기의 접는 부분을 적시에 바깥쪽으로 구부려 상품이 용기 안에 원활하게 담기도록 한다.
원래의 CELOX 설계에 포함되었던 Flap Kicker는 공기식 실린더의 힘을 이용했다. 이 경우, 고속으로 장비를 운용할 때 서보 구동식 메커니즘을 이용하는 경우보다 Flap Kicker가 더 빠른 속도로 마모된다.
엔지니어는 분당 325개의 용기를 처리하기 위해 정확도와 안정성을 보장하는 새로운 Flap Kicker를 설계해야 했다. 서보 구동형 Flap Kicker 개발을 위해 엔지니어는 로크웰 오토메이션의 Allen-Bradley Motion Analyzer 소프트웨어를 적용했다.
Motion Analyzer는 디지털 모델링 및 시뮬레이션 도구로 적절한 양의 에너지를 사용하고 지정된 속도 및 처리량을 달성할 수 있는 최적의 모션 시스템 솔루션을 가늠하고 선택하는 데에 도움이 된다. 또한 Motion Analyzer는 새 장비를 설계하고 개발하여 구현하는 데에 걸리는 시간을 단축한다.

Kliklok-Woodman의 기계 엔지니어인 Florin Bruda는 “Motion Analyzer를 사용해 초기 모터 크기를 결정하는 것은 정말 옳은 결정이었습니다. Flap Kicker의 모션은 특정 용기 및 해당 용기의 접는 부분에 따라 완전히 달라지기 때문입니다. 물리적 장비 상에서 각 옵션을 시험할 필요도 없었습니다. 엔드 유저의 특정 요구 사항을 반영해 가장 적합한 서보 모터 크기를 찾기 위해 다양한 서보 모터 크기를 신속하게 시험해 볼 수 있었습니다.”라고 말한다.
설계 엔지니어는 수년 간 3D 기계 설계 소프트웨어인 Dassault Systemes SolidWorks를 사용해 왔다. 엔지니어들은 로크웰 오토메이션이 Dassault Systemes와 전략적인 파트너십을 맺어 기계 제어 및 전기 설계 소프트웨어 패키지를 연계할 수 있음을 알고 기뻐했다. SolidWorks는 API (Application Programming Interface) 호출을 통해 Motion Analyzer를 통합하여 두 소프트웨어 패키지를 실시간으로 연결할 수 있다.
엔지니어는 Motion Analyzer 내의 서보 구동 Flap Kicker 모션 프로파일을 생성했고 생성된 모션 프로파일을 SolidWorks로 전송하여 장비의 모션을 시각화했다. SolidWorks는 프로파일을 이용하여 부하를 움직이는 데 필요한 토크 또는 힘을 계산했으며, Motion Analyzer는 프로파일을 이용하여 모터 및 드라이브 크기를 결정하고 선택했다.
SolidWorks와 Motion Analyzer의 통합을 통해 설계 엔지니어는 외부 공급 업체의 독점 소프트웨어를 구입할 필요 없이 신속하게 다양한 모터 옵션을 시뮬레이션할 수 있었고, 그 결과를 토대로 하여 각 적용 용도에 따른 최적의 솔루션을 선택할 수 있었다.
Kliklok-Woodman 엔지니어는 로크웰 오토메이션의 Allen-Bradley B310P MP 시리즈의 식품 등급(MP Series Food Grade) 서보 모터를 선택하여 작은 공간만으로도 식품 제조업체가 요구하는 고성능을 만족시켰다. 또한, 이 모터는 고압 부식 세정 환경을 견딜 수 있으며 공기압 실린더보다 훨씬 안정적이다.
CELOX는 다른 솔루션에 MPF 서보 모터를 통합하여 모션의 정확도, 정밀도 및 신뢰성을 구현했다. 이 솔루션에는 Allen-Bradley Kinetix 6000 다축 서보 드라이브(www.rockwellautomation.com/go/kinetix6000)가 포함되어 간단하게 속도를 조절하고 위치를 조정하며 제품 공정 변경에 신속하게 대응할 수 있다. Allen-Bradley PanelView Plus 1000 터치스크린 오퍼레이터 인터페이스를 통해 사용자는 상태 및 진단 등 장비 운용을 모니터링할 수 있다.
또한, 이 장비는 Allen-Bradley Control­Logix L61 (www.rockwellautomation.com/go/tjcontrollogix) PAC (Programmable Auto-mation Controller)를 사용한다.
Allen-Bradley Control­Logix L61 PAC는 모션 및 장비 제어와 단일 프로그래밍 환경을 위한 통합 플랫폼이다. 이러한 통합 플랫폼을 통해 엔드 유저는 유지보수를 위해 확보해야 할 수리용 부품의 수를 줄일 수 있다.

 

 

더 이상의 시행착오는 없다
디지털 모델링 및 장비 설계 프로토타입을 통해 기계, 전기 및 제어 엔지니어는 설계 단계부터 조기 협업이 가능하다. Kliklok-Woodman은 전기 및 기계 설계를 한 단계로 결합하여 새 CELOX 장비 설계 단계를 단축했다. Bruda는 Motion Analyzer를 이용하여 모터 크기를 결정했고, 이와 동시에 기계 엔지니어는 기어박스 크기 결정 등의 작업을 완료할 수 있었다.
Kliklok-Woodman은 적절한 모터 크기를 결정하기 위해 수동 계산과 시행착오 방법을 사용한 경우에 비해 설계 시간이 약 1/3 정도 단축되었다고 추산했다. 설계 시간 단축은 납기 단축과 같은 효과를 냈다. 또한 Motion Analyzer를 사용하자 서로 다른 모터 크기를 시험해 보기 위해 새 Flap Kicker를 설계할 경우에 필요했던 자재비용이 절감됐다.
“우리는 20년 넘게 로크웰 오토메이션의 고객이었으며 여전히 로크웰의 혁신적인 기술을 이용하여 큰 이익을 보고 있습니다. 어떠한 주요 자동화 장비 공급 업체도 모터 크기 결정에 필요한 기능을 제공하는 우수한 소프트웨어를 내놓지 못했습니다. Motion Analyzer 소프트웨어를 이용하면 외부 공급 업체의 독점 소프트웨어를 구입할 필요 없이 특정 고객의 요구에 따른 맞춤형 모터를 설계할 수 있습니다.”라고 Bruda는 말했다.
모든 산업 분야에서 엔지니어들은 Motion Analyzer 소프트웨어를 이용하여 가능해진 기계 및 제어 엔지니어링 간의 협업을 통해 실제 장비를 구입하거나 설치하지 않고도 새 장비 개념의 유효성을 검증할 수 있게 되어 새 장비의 설계, 개발 및 구현에 소요되는 총비용을 낮출 수 있다.