모션제어의 추억

2019년 여름, 미국 퍼듀대학교에 QTC 라는 장비가 있었다. 5축으로 움직이며 150 ℃ 히팅부에서 나오는 소재를 감아 원하는 3차원 형상을 만드는 개발 장비였다. 결국 상용화에는 이르지 못했지만, 모션 제어를 하며 겪은 것 중 가장 많이 배운 일이었다.

장비가 하는 일

소재는 토우(tow) 라 부르는 납작한 섬유 테이프다. 히팅부를 지나며 물러진 상태로 나오고, 이것을 헤드가 지그에 감는다. 감긴 형상이 굳으면 부품이 된다. 히팅 온도는 150 ℃ 안팎을 지켜야 했다. 낮으면 감기지 않고 높으면 소재가 상한다. 온도와 모션이 함께 맞아야 형상이 나오는 장비였다.

공정은 네 덩어리로 이어진다 — QTC → 로딩·언로딩 로봇 → 사출 → 커팅. 장비 하나가 아니라 셀 전체가 한 호흡으로 돌아가야 했다.

B&R CNC 와 G·M 코드

제어기는 B&R 이었고, 모션은 CNC 기능으로 돌렸다. 작업자가 수동으로 티칭하면 G 코드 파일이 자동 생성되고, 그 파일을 열어 손으로 다듬는 방식이었다.

티칭과 파일 수정까지는 금방 되었다. 문제는 그다음이었다. 자동으로 돌리면 알람이 났다. 세팅을 처음부터 다시 잡고서야 새벽에 겨우 자동 동작을 확인했다. CNC 기능 자체도 B&R 의 인증을 받아야 쓸 수 있어서, 그 절차부터 밟아야 했다.

M 코드는 IO 하나하나에 대응시켰다. 그립, 회전, 푸시, 커팅, 크릴 브레이크, 로딩 로봇 호출까지 전부 번호를 받았다. 여기서 생산 시간을 줄일 여지를 찾았다. 동기 M 코드는 동작이 끝날 때까지 기다리지만, 비동기 M 코드는 걸어 놓고 다음 스텝으로 넘어간다. 기다려도 되는 것과 아닌 것을 갈라 놓자 사이클이 눈에 띄게 짧아졌다.

다섯 축이 부딪힌 것들

기계는 대개 계산대로 움직이지 않는다. 현장에서 나온 문제들이다.

문제	조치
R 축이 180° 이상 돌지 않고 연속 생산 시 좌표가 꼬임	시작 시 헤드를 강제 회전시켜 R 축 좌표를 보정한 뒤 G 코드를 시작
가감속 프로파일 미최적화	구간별로 다시 잡음
감을 때 토우가 밀림	헤드 위치에 따라 푸시가 토우를 잡도록 타이밍 조정
토우가 헤드 안으로 빨려 들어감	크릴 브레이크 가운데가 뜨는 것이 원인. 고무 패드를 덧붙임
커팅 후 토우가 구부러져 다음 사이클에서 그리퍼가 놓침	티칭 수정

R 축 문제가 특히 오래 걸렸다. 해결책이 둘 있었는데 하나는 사용자가 G 코드를 나눠 넣어야 해서 불편했고, 다른 하나는 생산 시간이 늘었다. 어느 쪽도 공짜가 아니었다. 결국 시간을 조금 내주고 사용자 편의를 택했다.

제어만 하는 게 아니다

히터도 우리 몫이었다. 에어 히터 네 개가 각 24 Ω 안팎, IR 램프가 0.6~0.9 Ω. 저항을 하나씩 재고 온도 센서를 1:1 로 대조했다. SCR 을 갈고, 히터에는 열전도 컴파운드를 발라 다시 조립했다.

제어기 OS 를 다시 깔고 파티션과 메모리를 재할당한 날도 있었다. IO 모듈 통신이 안 잡혀 버스 컨트롤러를 통째로 교체하기도 했다. 개발 장비의 현장이란 대개 이렇다. 코드만 붙들고 있을 수 있는 날은 많지 않다.

마지막 며칠

6월 말에는 항공기 제조사 시연회가 있었다. 그 준비를 하면서 학생들에게 QTC 운전 교육도 했다. 화면을 함께 고치고, 티칭부터 G·M 코드 수정까지 직접 해 보게 했다. 필요하다는 기능은 그 자리에서 넣었다.

마지막 주에는 안전을 손봤다. 데드맨 스위치를 배선하고, 수동·자동 모드 릴레이가 서로 배타적으로 동작하도록 만들었다. 매뉴얼 모드에서는 CNC 가 한 스텝씩만 돌고, 조그는 데드맨 스위치가 눌린 상태에서만 먹는다. 사람이 장비 곁에 서 있는 한, 이런 것이 가장 중요하다.