본 어플리케이션 노트는 기계 및 시뮬레이션 소프트웨어 (SolidWorks/COSMOSMotion)와 컨트롤 개발 환경 (NI LabVIEW 및 NI SoftMotion)을 통합함으로써 엔지니어들이 복잡한 전자기계 시스템의 장비 설계 시간을 단축할 수 있는 방법을 설명합니다.
장비 제조사들은 새로운 기술을 실행하고, 정밀 모션을 위해 기존의 기어, 캠, 라인 샤프트를 서보 액츄에이터로 교환하며, 진단을 위한 센서를 탑재하고, 검사를 위해 카메라를 사용합니다. 이에 따라 장비 제조사들은 기계적 부품에 비해 더 많은 장비 제어 기능을 탑재하고 있습니다.
기계 방식을 사용하였던 과거 엔지니어들은 작동을 위해 on/off 신호만이 필요한 캠 및 모터에 연결된 로커암(rocker arm)을 사용하여 간단한 push/pull 매커니즘을 실행하였습니다. 엔지니어들은 프로그램가능한 로직 컨트롤러 (PLC)로 본 시스템을 편리하게 컨트롤하며, 캠의 디자인에 따라 push/pull 매커니즘의 이동 거리를 판단할 수도 있었습니다. 오늘날의 장비는 동일 장비에서 여러 개의 제품 디자인 생산을 수용하기 위해서 유연적인 이동 거리를 필요로 합니다. 현재, 엔지니어들은 서보 액츄에이터 및 서보 컨트롤러를 사용하여 이러한 장비을 설계하며 소프트웨어 파라미터에 의해 이동 거리를 파악합니다.
과거의 기계 디자인이 이제는 전기기계적 디자인으로 바뀌게 되면서 설계 과정에도 복합성이 추가되었습니다. 과거에는 기계 엔지니어들이 완벽한 시스템을 설계하였으며, 컨트롤 엔지니어들은 장비를 움직이기 위해 간단한 on/off 컨트롤을 추가하였습니다. 그러나 이제는 기계 엔지니어들이 시스템의 일부분만을 설계하며, 컨트롤 엔지니어들이 시스템의 "두뇌", 즉 기계 디자인에서 없으면 큰 장애를 불러 일으킬만한 중대한 요소를 설계합니다. 효율적인 장비 디자인 구현을 위해서 엔지니어들은 프로토타입 단계로 이동하기 전에 통합된 기계 및 제어 디자인을 시뮬레이션해야 합니다. 이로써 디자인 초기 단계에서 trade off가 가능해지며, 현재 작동중인 전자기계 시스템을 시각화하는 동시에 설계 반복시마다 프로토타입을 생성하는 비용을 절감할 수 있습니다.
SolidWorks와 같은 기계 디자인 소프트웨어로, 기계 엔지니어들은 3D 시각화 기능이 있는 포인트 앤 클릭 인터페이스를 사용하여 장비의 부품 및 기구부를 설계합니다. SolidWorks 애드온인 COSMOSMotion으로 힘 및 마찰과 같은 매커니즘 역학을 고려하여 매커니즘 모션을 시뮬레이션할 수 있으며, 위치 및 운동 에너지와 같은 정보를 생성할 수 있습니다.
COSMOSMotion이 개방 루프 모션 시뮬레이션에 적합한 반면 일반적인 전자기기 시스템은 폐루프 컨트롤에 관여합니다. 폐루프 시뮬레이션을 위해 엔지니어들은 매커니즘의 다이나믹만을 시뮬레이션하는 것이 아니라 매커니즘에서 동작하는 컨트롤 알고리즘도 시뮬레이션할 수 있습니다. 기계적인 시뮬레이션은 마찰력, 힘, 중력과 같은 파라미터를 포함하는 반면 컨트롤 시뮬레이션은 PID와 같은 알고리즘을 포함합니다. NI LabVIEW는 650개 이상의 분석 및 컨트롤 알고리즘 뿐만 아니라 궤도 생성 및 스플라인 보간 등과 같은 함수를 갖춘 그래픽 개발 환경입니다. 엔지니어들은 일반적으로 LabVIEW를 사용하여 모션 컨트롤, 비전 및 아날로그/디지털 I/O를 포함한 복합 장비을 위한 컨트롤을 설계합니다. 시뮬레이션으로 컨트롤 알고리즘 디자인을 검증한 후에 엔지니어들은 장비에 있는 모든 프로그램가능한 자동화 컨트롤러로(ni.com/pac) 동일한 LabVIEW 프로그램을 배포할 수 있습니다.
표면을 이동하는 한 블록의 간단한 예를 생각해 보십시오. 블록에 수평 방향으로 힘을 적용하면 블록과 표면간의 마찰력에 따라 일정 거리동안 블록이 움직입니다. 블록에 반복적으로 힘을 가하면 힘이 가해진 방향으로 블록이 계속해서 움직입니다. 이것을 선형 모터 스테이지 상에서 살펴보십시오. 블록에 힘을 적용하고 (자기력과 유사) COSMOSMotion에서 시스템의 다이나믹을 시뮬레이션하면 블록이 움직이는 위치에 대한 출력을 생성할 수 있습니다. 본 위치는 PID 알고리즘을 위한 프로세스 변수 역할을 하며, 기준점을 고려하여 PID 알고리즘은 다음에 적용될 힘을 계산합니다. 엔지니어들은 최종 시스템에서 알고리즘을 실행하는 서보 업데이트 속도에 따라 주어진 단계 시간동안 본 힘을 적용합니다. 엔지니어들은 이제 본 폐루프 컨트롤 시뮬레이션의 수백번의 반복을 실행하기 위하여 LabVIEW와 SolidWorks/COSMOSMotion간의 인터페이스가 필요합니다.
SolidWorks/COSMOSMotion을 위한 LabVIEW 인터페이스 VI(함수)는 두 개의 환경간 긴밀히 연결하는 인터페이스를 제공하므로 엔지니어들은 복합 전기기계 시스템을 위한 폐루프 컨트롤을 시뮬레이션할 수 있습니다. 인터페이스 VI는 LabVIEW와 SolidWorks/COSMOSMotion간 통신하기 위해 ActiveX를 통해 COSMOSMotion API를 인보크합니다. 본 인터페이스 VI 다운로드 방법을 아래에서 살펴보십시오.
SolidWorks/COSMOSMotion용 LabVIEW 인터페이스 VI에는 초기화, 시뮬레이션 실행, SolidWorks/COSMOSMotion와의 통신을 종료하기 위한 기본 함수가 있습니다. 또한 SolidWorks/COSMOSMotion에서 힘 및 중력과 같은 파라미터를 지정하고, 위치, 중력, 가속, 운동 에너지와 같은 파라미터를 위해 SolidWorks/COSMOSMotion으로부터 LabVIEW에서 값을 얻기 위한 고급 함수가 있습니다.
인터페이스 VI에는 또한 SolidWorks/COSMOSMotion에서 힘 및 중력과 같은 파라미터를 지정하고, 위치, 중력, 가속, 운동 에너지와 같은 파라미터를 위해 SolidWorks/COSMOSMotion으로부터 LabVIEW에서 값을 얻기 위한 고급 함수가 있습니다.
기계 및 컨트롤 개발 환경간의 폐루프 시뮬레이션은 디자인의 기계적 및 컨트롤 측면 모두를 위한 디자인 결정에 도움이 됩니다. 예를 들어, 엔지니어들이 주어진 로드가 원하는 속도로 이동될 수 없다는 것을 파악하였다면 ball-screw 스테이지를 선형 모터로 대체할 수 있습니다. 엔지니어들은 또한 시스템 및 컨트롤 알고리즘의 로드의 원인이 되는 기계적인 간섭을 확인하고자 합니다. 컨트롤 측면에서, 엔지니어들은 더 향상된 컨트롤을 위해 일반적인 PID 대신 속도 feed-forward가 있는 PID를 사용할 수 있습니다. 또한 비선형 또는 높은 오더 시스템을 컨트롤하기 위해서 PID를 퍼지 논리 또는 Model-Free Adaptive 컨트롤로 대체할 수도 있을 것입니다.
이와 같이 기계적 및 컨트롤의 측면에서 결정을 내리게 되면 엔지니어들은 장비 설계 프로세스를 더욱 원활히 진행할 수 있게 됩니다. 물리적인 프로토타입을 통해 필요한 반복이 줄어들게 되면서 엔지니어들은 더욱 낮은 가격 및 시장 출시 시간 단축을 꾀하게 되었습니다. 기계 및 컨트롤 디자인을 버추얼 프로토타입하면 엔지니어들은 실제 프로토타입 이전에 개념 증명(proofs of concept)을 개발할 수 있습니다. 또한 물리적 시스템에 대한 손상의 위험없이 컨트롤 알고리즘 로직을 확인할 수 있습니다. 시스템의 다이나믹이 정확하게 모델링되었음을 감안하면 엔지니어들은 고품질(high-fidelity) 시뮬레이션에 대하여 알고리즘을 미세 조정할 수 있습니다.
LabVIEW용 NI SoftMotion Development Module에는 경로 생성, 스플라인 보간, 및 향상된 모션 PID를 위한 함수가 있으므로 엔지니어들은 LabVIEW에서 완벽한 맞춤형 모션 컨트롤러를 시뮬레이션할 수 있습니다. LabVIEW의 NI SoftMotion 함수로 엔지니어들은 SolidWorks/COSMOSMotion에서 설계된 여러축 스테이지의 폐루프 시뮬레이션을 생성할 수도 있습니다.
LabVIEW와 같은 컨트롤 디자인 환경 및 SolidWorks/COSMOSMotion과 같은 기계 디자인 환경으로 폐루프 시뮬레이션을 진행하면 복합적인 전자기계 시스템을 위한 디자인 프로세스를 원활히 진행할 수 있습니다. 아래의 링크를 통해 SolidWorks/COSMOSMotion을 위한 LabVIEW 인터페이스 VI를 다운로드하십시오.