최근 일본 국내 공장에서는 인력 부족과 경쟁력 확보를 목적으로 비용 절감을 실현하기 위해 생산 라인의 통폐합이 추진되고 있다. 더불어 로봇·IoT 기술의 발전으로 급속한 무인화·자동화가 진행되어 생산 능력이 향상되고 있다. 한편 원자재 가격 상승과 인건비 상승에 대응할 필요도 있어 낭비를 배제한 효율적인 생산을 실현하기 위해 측정 오차를 최대한 줄이는 것이 요구되고 있다.

 

이 글에서는 안리츠 주식회사가 생산 능력을 향상시키고 또한 측정 오차의 최소화를 실현하기 위해 대응하고 있는 중량 선별기에 대해 소개한다. 이 글에서는 ‘계량’이라는 용어를 ‘질량 계측’의 의미로 사용한다.

 

중량 선별기의 개요

 

1. 사용 용도

중량 선별기(그림 1)는 주로 식품·약품용 제조 라인에서 생산되는 상품의 질량을 전수 측정하여 질량의 과부족에 따른 불량품을 후단의 선별 수단에 의해 라인 밖으로 배제하는 검사장치이다. 도입 목적은 상품의 중량·결품 체크에 의한 선별, 충진 손실 최소화를 위한 충진기에 대한 측정값 피드백 제어 외에도, 측정값 경향을 기반으로 한 라인의 이상 감시 등에도 이용되고 있다. 원료의 유효 이용과 포장재 손실 방지, 품질 향상 등 다양한 요구에 대응하고 있으며 제조 라인에 없어서는 안 되는 검사장치이다.

 

 

2. 구조

중량 선별기의 측정부는 그림 2와 같이 저울부, 컨베이어부(도약부, 계량부, 선별부)로 구성된다. 또한 선별부가 검사장치와 분리된 구성인 경우도 있다. 저울부는 계량부 하부에 배치되어 측정부를 구성한다. 검사 대상품을 반송하면서 질량 측정을 함으로써 처리 능력을 향상시키는 것이 중량 선별기의 특징이다. 한편, 측정부에 대해 검사 대상 1개만 하중을 가해야 하기 때문에 처리 능력이 높은 경우에는 도약부를 배치하여 검사 대상품의 반송 간격을 조정할 필요가 있다. 또한 측정부의 가감속은 검사 대상품의 거동에 영향을 미치므로 등속으로 측정부에 투입하는 것이 중요하다.

 

 

3. 측정 원리

장치의 동작 원리를 그림 3을 이용해 설명한다. 전단 장치에서 반송되는 검사 대상품은 도약부에 의해 반송되고, 도약부와 계량부 사이에 배치되어 있는 측정용 센서에 의해 검지된다. 이어서 검사 대상품은 계량부에 반송되어 질량이 측정된다. 일반적으로 계량부에 검사 대상품이 이동해 오는 경우, 컨베이어 간의 이동 진동으로 인해 저울의 측정값인 질량 신호는 그림 3과 같이 변동하며 안정될 때까지 일정 시간이 필요하다. 이 시간을 측정용 센서 신호를 기준으로 설정하고, 안정된 시간을 감안해 질량을 측정한다. 이 측정 결과와 미리 설정된 상하한값에 근거해 정량품인지의 여부를 판정하며, 불량품인 경우는 후단에 연결된 선별 수단으로 배제한다.

 

 

중량 선별기에 대한 새로운 요구

 

앞에서 설명한 바와 같이 인력 부족에 따른 제조 라인의 통합 등으로 제조 라인의 생산 능력 향상이 요구되고 있다. 예를 들어 개별 포장 과자나 의약품 제조 라인에 사용되는 최신 포장기의 능력은 800개/min을 초과하고 있으며, 주변장치도 포장기의 고능력에 대응하는 것이 요구되고 있다.

 

더불어 원자재 가격 상승에 대응해 손실 저감 대응도 요구되고 있다. 그림 4에 나타낸 바와 같이 중량 선별기의 측정 정도를 향상시키면 상하한값 설정을 보다 넓게 설정할 수 있다. 이로 인해 정량품으로 판정되는 범위가 확대되어 수율 개선에 기여할 수 있게 된다.

 

 

고속 고정도 측정 요구에 대한 대응

 

고속 고정도 측정이라는 새로운 과제를 해결하기 위해 안리츠 주식회사가 실시하고 있는 중량 선별기의 각 요소에 대한 대응을 예를 소개한다.

 

1. 저울부

고속 고정도 측정에 대응하려면 포스 밸런스식 저울의 응답성을 향상시켜야 한다. 디지털 필터 계수의 최적화와 검사 대상품이나 컨베이어 크기, 벨트 속도 등의 조건에 따른 창 함수의 자동 선택으로 높은 계량 정도를 실현하고 있다. 또한 포스 밸런스식 저울은 검사 대상품 하중에 의해 발생하는 변위를 상쇄하도록 포스 코일에 흐르는 전류를 제어하며, 그 전류값을 이용해 질량 측정을 한다. 이 피드백 제어는 검사 대상품이나 반송 조건, 탑재하는 계량부 등에 따라 파라미터를 변경해 고정도의 계량을 실현할 수 있다. 이 제어를 디지털 회로로 실시함으로써 다양한 조건에 맞춘 설정이 가능하고, 최적의 제어를 실현해 고속 고정도 측정을 실현하고 있다(그림 5).

 

 

2. 계량부

앞에서 말한 피드백 제어 파라미터로 컨베이어별 최적 조정이 가능하지만, 포스 밸런스식 저울의 포스 코일은 상하 방향으로만 제어할 수 있다. 더욱 응답성을 향상시키기 위해서는 비틀림 방향과 같이 제어할 수 없는 방향의 진동을 저감할 필요가 있으며, 저울에 편하중이 걸리지 않도록 계량부의 무게중심 위치를 저울 중심에 가깝게 설계하고 있다(그림 6). 또한 무게중심 위치 이외에도 계량부가 경량인 것도 응답성 향상에 효과적이며, 기존 기종 대비 최대 22%의 경량화를 실현하고 있다.

 

 

3. 기타 진동

진동은 저울의 정확한 계량에 큰 장애가 된다. 검사 대상품이 도약부에서 계량부로 이동할 때, 자세 흐트러짐에 따른 측정 타이밍 어긋남이나 검사 대상품이 튀는 것에 의한 진동은 안정 계량을 방해한다. 이러한 영향은 특히 반송 속도가 빠를수록 현저하게 나타난다. 이를 개선하기 위해서는 롤러 간 거리를 최대한 가깝게 하는 것이 중요하다. 이동 부분의 롤러 지름을 φ5mm로 소경화함으로써 1000개/min의 초고속 계량에서도 컨베이어 간 이동 시의 반송 자세가 안정되어 고정도의 측정을 실현하고 있다(그림 7). 더불어 안정성이 떨어지는 키가 큰 검사 대상품도 고정도의 측정이 가능하다.

 

 

생산 라인에서는 바닥을 통해 전달되는 주변장치의 진동이나, 거치대를 통해 전달되는 장치 상의 도약/선별부 등의 진동이 있으며 완전히 없앨 수는 없다. 따라서 저울을 장착하는 저울대 좌부를 독립시킨 구조로 하여 진동원에서 저울로 전파되는 진동량을 저감했다. 또한 저울대 좌부를 트러스 구조로 하여 X, Y, Z 방향 모두의 강성을 높이고 필터 감쇠 효과를 향상시켰다. 그림 8에 응답 해석 결과를 나타냈다. 고유 진동수는 기존 기종 대비 1.75배 향상되었고, 저울대 좌부의 변위도 42% 저감되었다.

 

 

4. 기능

검사 대상품 투입 간격이 설정 시보다 짧은 경우, 순간적으로 중량 선별기의 선별 능력을 초과해 측정부에 공급되는 경우가 있다. 이 경우 정확한 질량 측정이 불가능하기 때문에 측정 불능으로 판단해 공급 간격이 짧은 2개의 검사 대상품을 모두 에러로 판단하고 제조 라인 밖으로 배제한다. 이로 인해 수율이 악화되므로 일정 간격으로 검사 대상품을 투입하는 것이 중요하다.

 

기존에는 컨베이어 벨트 속도를 올려 검사 대상품 간격에 여유를 두어 대응하고 있었는데, 벨트 속도가 올라가면 반송 자세가 흐트러지거나 질량 측정 시간이 단축되어 측정 정도가 희생되었다. 그러나 현재는 검사 대상품 간격이 짧아진 경우에 질량 측정 시간을 단축함으로써 2개의 검사 대상품을 불량품으로 판단하지 않고 질량 측정을 할 수 있게 됐다. 이를 통해 측정 정도를 확보하면서 에러에 의한 배출을 저감해 수율 향상에 기여하고 있다(그림 9).

 

 

5. 선별 수단

앞에서 고속 고정도 요구에 대응하기 위한 각 요소를 소개했는데, 중량 선별기는 질량을 측정해 제조 라인 밖으로 선별하는 검사장치이다. 고속 측정에서는 검사 대상품의 컨베이어 간 이동 시에 자세 흐트러짐이나 검사 대상품 간격의 흐트러짐이 발생한다(그림 10).

 

 

측정 원리에서 설명한 바와 같이 측정용 센서를 기준으로 선별하므로 선별부에 도달할 때까지 시간에 편차가 발생한 경우에 올바른 선별이 불가능하다. 따라서 선별부에 선별 타이밍 보정용 센서를 설치해 검사 대상품을 검지하고, 선별 타이밍 보정용 센서와 선별 가동부까지의 거리를 바탕으로 남은 시간을 산출한다(그림 11). 산출한 시간으로 선별 동작까지 남은 시간을 갱신함으로써 반송 흐트러짐으로 발생하는 선별 불량을 저감하고 확실하게 제조 라인 밖으로 배제하는 것을 실현하고 있다.

 

 

맺음말

 

이 글에서는 중량 선별기의 기본 구조, 동작 원리부터 최신 시장 요구와 이에 대한 안리츠 주식회사의 고속 고정도 측정에 대한 대응을 소개했다. 안리츠 주식회사는 식품·의약품 생산 라인의 검사장치 개발에 대응하여 과제를 해결함으로써 사회의 안전·안심에 기여하고자 한다.