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깊은 인상을 심어주는 정밀도

- Stefan Hensel

시장의 충족시키기 어려운 생산성에 대한 요구에 발맞춰 나가기 위해, 인쇄기는 점점 더 빠른 속도를 달성할 것을 요구 받고 있다. 불행하게도 속도가 높아질수록 사용자는 불균형적으로 높은 진동의 증가에 직면하게 된다. 이러한 외란을 보상하고 - 가장 빠른 인쇄기도 결함 없는 품질로 인쇄할 수 있도록 하기 위해 – B&R은 일련의 고급 제어 기능을 개발해왔다.

플렉소그래픽 인쇄기가 달성할 수 있는 품질 수준은 인쇄기가 가압 실린더 상의 웹(web)을 인쇄 실린더 상의 판과 얼마나 잘 동기화시킬 수 있는지에 크게 좌우된다. 닙(nip)에서의 고도로 정밀한 위치 선정이 긴요하다. “종래의 프레스 인쇄기는 상대적으로 견고한 시스템이기 때문에 모터의 인코더 신호는 인쇄 프로세스를 제어하는 데 충분합니다.” B&R의 모션 제어 펌웨어 개발 팀장인 Engelbert Grünbacher 박사는 설명한다.

오늘날 대다수의 인쇄 기계는 가벼운 재질을 이용하는 합리화된 기계 설계를 특징으로 한다. 이들 시스템의 결과적인 탄력성은 모터 위치가 운전 중에 닙(nip)에서의 목표 위치와 완벽하게 정렬되지 않는다는 것을 의미한다. 외란과 진동 또한 이미지 품질에 더 큰 영향을 미친다.

이러한 외란 발생원을 완화시키기 위해, B&R의 서보 드라이브는 새로운 고정밀도 모션 제어를 제공한다. “이러한 솔루션에는 세 가지의 핵심 기술, 즉 가상 센싱, 모델 기반 제어 및 예측 외란 제거가 포함됩니다.” Grünbacher 박사는 설명한다. 이러한 기능들은 각각 상호 독립적으로 구현되고 설정될 수 있다. B&R의 최신 서보 드라브인 ACOPOS P3은 고정밀도 모션 제어에 완벽하게 적합하다. 이 기계의 빠른 50μs 샘플링 시간은 이러한 고급 제어 기능이 효과적으로 실행됨을 보장한다.

공정이 동적이고 위치 결정이 긴요한 경우에, 사용자는 예외적인 속도와 정밀도를 갖춘 모션 제어 솔루션이 필요하다. 빠른 50 μs의 샘플링 시간을 갖춘 B&R’s ACOPOS P3 서보 드라이브는 고정밀도 모션 제어와 같은 고급 제어 기능에 안성맞춤이다.

printing cylinder DE
플렉소그래픽 인쇄기가 달성할 수 있는 품질 수준은 인쇄기가 가압 실린더 상의 웹(web)을 인쇄 실린더 상의 판과 얼마나 잘 동기화시킬 수 있는지에 크게 좌우된다.

능동형 외란 제거

인쇄판은 인쇄 실린더의 주변 전체를 커버하지 않기 때문에, 결과적인 간극에 의해 고정 위치 외란이 발생하고 이것은 지연 오류를 일으킨다. 인쇄 프로필 자체도 일정량의 외란 토크를 발생시킨다. “드라이브 파라미터를 미세 조정하면 이러한 지연 오류를 최소화할 수 있지만 외란을 완전히 방지할 수는 없을 것입니다.” Grünbacher 박사는 말한다.

B&R의 모든 ACOPOS P3 및 ACOPOSmulti 서보 드라이브는 반복적 제어라 불리는 기능을 제공하는데, 이것은 정기적 혹은 고정 위치 외란을 제거하기 위한 적응형 예측 제어 방식이다. 드라이브는 외란을 측정하고 분석한 후에 보상을 위해 모터 토크를 조정한다.

이러한 보상은 자동적으로 이루어져, 지루한 파라미터 튜닝이나 수학적 모형 없이 지연 오류를 최소화한다. 최종적 결과는 보다 안정된 속도와 향상된 인쇄 품질이다.

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“고정밀도 모션 제어는 현대의 고속 인쇄 프레스 상의 완벽한 인쇄 품질을 얻기 위한 관건입니다.” Engelbert Grünbacher 박사, B&R의 모션 제어 펌웨어 개발 팀장

목표 위치 가상 측정

정기적 외란을 제거하기 위해서는 높은 해상도로 목표 위치를 결정할 수 있어야 한다. 탄성 기계적 시스템에서 여기에는 추가적인 센서가 요구되었다. 그러나 가상 센싱을 이용하면 새로운 가능성이 존재한다.

가상 센싱에는 측정하기 더 어려운 다른 변수들의 값을 계산하기 위해 시스템의 용이하게 측정 가능한 변수들과 모델을 이용하는 것이 관련된다. “직접 구동 인쇄 실린더의 거동을 개략적으로 계산하기 위해 단순 2질량 시스템을 사용하는 것이 가능합니다.” Grünbacher 박사는 설명한다. “모터와 인쇄 실린더는 축에 의해 결합되어 있고, 축은 계산을 위해 유연하고 질량이 없는 것으로 가정합니다. 축에는 회전 각도에 비례하는 토크가 발생합니다.

모터의 속도와 위치는 측정이 용이하고 모터 토크는 알려져 있습니다. 우리가 측정하기 어려운 부하의 속도와 위치를 계산하기 위해 이러한 값들을 이용한다면, 가상 부하 위치 센서를 갖추게 되는 것입니다.”

고도로 동적인 드라이브 제어

가상 센서를 사용하면, 실제로 측정하지 않고도 목표 위치를 결정하고 정기적이거나 고정 위치의 외란을 제거하기 위해 그 결과를 이용하는 것이 가능하다. 이것은 준정상(準定常) 프로세스에만 적용된다. 인쇄 업계에서는 흔히 구동 시스템에 고도로 동적 요건이 적용된다. “바로 이것이 모델 기반의 제어가 역할을 하는 곳입니다.” Grünbacher 박사는 언급한다.

탄성 시스템에 대한 고도로 동적인 제어 솔루션은 모델 기반의 피드포워드와 피드백 요소들로 구성된다. 이러한 요소들은 적용 영역에 따라서 개별적으로 혹은 조합되어 이용될 수 있다. 모델 기반의 제어 루프는 표준적인 캐스케이드 제어 구조에 통합된다.

model predictive control
모델 기반 제어 루프의 피드포워드와 피드백 요소들은 표준적 캐스케이드 제어 구조에 통합된다.

모델 기반 피드백 컨트롤러에는 가상 센서와 상태 컨트롤러가 포함된다. 상태 컨트롤러는 모터 위치, 모터 속도, 부하 위치 및 부하 속도로 구성되는 전체 시스템의 상태를 설명하고, 비틀림 진동을 검출하고 능동적으로 억제하는 것을 가능하게 한다. 이렇게 되면 탄성 시스템의 진동 경향이 크게 감소된다. “인쇄 품질에 대한 외란 토크의 좋지 않은 영향이 최소화됩니다.” Grünbacher 박사는 말한다.

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모델 예측 제어는 탄성 시스템의 진동 경향을 현저히 감소시킨다.

진동 방지

진동은 실린더 표면 상의 외란뿐만 아니라 위치 설정 값에 대한 빠른 변동에 의해서도 비롯될 수 있다. 모델 예측 제어는 여기에서도 현저한 개선을 가져올 수 있다. 수학적 모델을 기반으로 목표 위치가 오버슈팅 없이 위치 설정 값을 따르도록 모터 토크가 조절된다. 뛰어난 동적 성능과 함께 바람직한 거동이 달성된다. B&R의 ACOPOS P3 및 ACOPOSmulti 서보 드라이브에서 이용 가능한 고정밀도 모션 제어 기능의 넓은 범위는 성능을 극대화하기 위한 모든 툴을 제공하며 탄성 기계적 시스템의 경우에도 그러하다. 이것은 인쇄기의 경우 최적의 인쇄 품질과 높은 생산성을 의미한다.

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