오늘날의 자동차 제조 분야에서 활용되는 로봇 공학

산업용 로봇은 광범위한 기능을 실행하면서 다른 형태의 자동화와 작업을 조정하는 최신 제조에 있어 필수적입니다. 실제로 1조 달러 규모의 자동차 산업은 광범위한 로봇 공학을 사용하고 로봇 공학과 연관된 기술을 고도화하는 수단을 갖춘 최초의 산업이었습니다. 그도 그럴 것이, 자동차는 수년간 ROI를 얻지 못할 수도 있는 설비 투자를 정당화할 수 있는 고도로 정교하고 거액의 투자가 필요한 품목이기 때문입니다. 이제 자동차 제조 센터의 대부분에서 로봇 공학을 이용합니다. 패키징, 반도체 생산 및 비교적 새로운 자동화 창고 분야가 로봇 공학 채택을 서둘러 자동차 산업과 경쟁하게 된 것은 고작 20여년 밖에 되지 않습니다.

그림 1: 자동차 산업은 다른 어떤 산업보다 로봇 공학 기술의 고도화를 이끈 원동력이었습니다. (이미지 출처: Getty Images)

로봇 자체와 보완적인 산업 자동화 장비 내에는 전기 모터, 유압 시스템, 유체 동력 시스템, 드라이브, 컨트롤, 네트워킹 하드웨어, 인간 기계 인터페이스(HMI), 소프트웨어 시스템, 감지, 피드백, 안전 부품이 포함되어 있습니다. 이러한 소자는 변화하는 실시간 조건에 손쉽게 적응할 수 있는 사전 프로그래밍된 루틴을 실행하여 효율성을 올립니다. 소비자 기호가 그 어느 때보다 빠르게 진화함에 따라 로봇 작업셀은 새로운 자동차 제품을 생산할 수 있는 재구성 가능성도 갖출 것으로 점점 더 예상됩니다.

자동화 및 로봇 공학에 사용되는 용어 설명

옥스퍼드 영어 사전에서는 로봇을 'machines capable of automatically carrying out complex series of movements, esp. programmable(특히 프로그래밍 가능한 복잡한 일련의 움직임을 자동으로 수행할 수 있는 기계)'라고 정의합니다. 혼란스러운 점은 이 정의가 세탁기부터 CNC 공작 기계에 이르는 모든 것을 설명할 수 있다는 것입니다. 심지어 로봇에 대한 ISO 8373 정의인 '자동 제어, 재프로그래밍 가능, 다목적 조작기, 3개 이상의 축에서 프로그래밍 가능'은 수직 리프트 스테이션이 있는 창고 컨베이어를 표현할 수 있습니다. 그러나 이러한 기계는 일반적으로 로봇으로 분류되지 않습니다.

기억해야 할 실질적인 차별화 요소는 적어도 산업계에서는 고정된 위치에서 단일 용도(매우 명확하게 정의됨)로 제작된 기계는 일반적으로 로봇으로 간주되지 않는다는 점입니다. 예를 들어, 일반적인 밀링 머신은 여러 복잡한 프로그램을 실행하여 다양한 파트를 가공할 수 있지만 스핀들에 실장된 회전식 블레이드를 사용하여 금속을 절단하도록 설계되었으며 전체 서비스 수명 동안 단일 위치에 단단히 고정된 상태로 유지될 가능성이 높습니다.

그림 2: 경우에 따라, 자동화 설계의 모양을 기반으로 하여 로봇과 기계를 구분합니다. 일부에서는 기계화된 인간 팔과 유사한 관절형 암을 로봇으로 분류하고 선형 슬라이드의 자동화된 데카르트 배열(소형 파트 조립 및 검사를 위한 CT4)을 기계로 분류합니다. (이미지 출처: IAI America Inc.)

심지어 이러한 정의도 모순되는 경우가 종종 있습니다. 예를 들어, CNC 공작 기계와 같은 자동화 기계는 밀링 머신 선반의 역할을 모두 수행하는 밀턴 센터와, 접촉 프로브 및 레이저 스캐너가 있는 파트에 대한 검사 및 측정 작업을 실행하는 많은 기계와 함께 점점 더 유연해지고 있습니다. 이러한 공작 기계는 적층 제조를 수행할 수 있는 장비를 갖추고 있을 수도 있습니다. 반면에 유연한 산업용 로봇은 대개 페인트 분무 또는 용접과 같은 특정 작업을 위해 설계된 특수 모델로 공급되며 생산 라인의 한 작업셀에서 전체 서비스 수명을 소비할 수도 있습니다.

중요한 것은, 오늘날 자동차 산업에서 로봇으로 분류되는 자동화 시스템은 실제로 매일매일 다를 수 있는 운송, 분류, 조립, 용접 및 도장 작업을 실행할 수 있는 높은 유연성(재구성 포함)을 보여줄 것으로 기대되는 경우가 많다는 것입니다. 이러한 산업용 로봇은 또한 설비의 새로운 영역으로 재배치할 수 있을 것으로 예상됩니다. 즉, 제조 시스템으로 재배치하거나 7축 선형 트랙에서 재구성하거나 지속적으로 이동하여 한 라인에서 작업셀 어레이를 서비스할 수 있습니다.

자동차 생산 현장을 위한 로봇 제품군

자동차 생산 현장의 로봇은 조인트 유형, 연결 장치, 자유도를 포함한 기계적 구조에 따라 광범위하게 분류됩니다.

직렬 매니퓰레이터 로봇에는 대부분의 산업용 로봇이 포함됩니다. 이 설계 제품군의 설계에는 선형 링크 체인과 함께 한쪽 끝에는 베이스가 있고 다른쪽 끝에는 엔드 이펙터가 있습니다. 또한 체인의 각 링크 사이에는 단일 조인트가 포함되어 있습니다. 여기에는 관절형 로봇, SCARA(선택적 컴플라이언스 관절형 로봇 암) 로봇, 협동 6축 로봇, 데카르트 로봇(본질적으로 선형 액추에이터로 구성됨) 및 원통형 로봇(흔하지 않음)이 포함됩니다.

그림 3: 협업 로봇은 자동 팔레트화의 이점을 제공하는 Tier-2 자동차 공급업체 시설에서 점점 더 보편화되고 있습니다. (이미지 출처: Dobot)

병렬 매니퓰레이터 로봇은 높은 강성과 작동 속도를 요구하는 응용 분야에 탁월합니다. 관절형 암(단일 연결선을 통해 3D 공간에 매달려 있음)과 달리 평행 매니퓰레이터는 일련의 연결에 의해 지지되거나 매달려 있습니다. 이에 대한 예에는 델타 로봇 및 스튜어트 로봇이 포함됩니다.

모바일 로봇은 공장과 창고 주변에서 자재 및 재고 품목을 이동하는 바퀴 달린 장치입니다. 이 로봇은 선반 또는 작업 현장에서 팔레트를 회수, 이동, 배치하는 자동 지게차 역할을 수행할 수 있습니다. 이에 대한 예에는 AGV(무인 운반 차량) 및 ARM(자율 이동 로봇)이 포함됩니다.

자동차 제조에 사용되는 전형적 로봇

자동차 제조 시설의 전형적 로봇 응용 분야에는 용접, 도장, 조립 및 (일반 자동차에 들어가는 30,000여 개의 파트 운반을 위한) 자재 관리 작업이 포함됩니다. 일부 로봇 하위 유형이 이러한 응용 분야에서 어떻게 사용되는지 고려해 보세요.

6축 관절형 암 로봇은 모든 조인트가 회전 조인트인 직렬 매니퓰레이터입니다. 가장 일반적인 구성은 작업 공간 내에서 모든 위치 및 방향으로 물건을 배치할 수 있는 자유도를 갖는 6축 로봇입니다. 이는 매우 유연한 로봇으로 여러 산업 공정에 적합합니다. 실제로 6축 관절형 암 로봇은 산업용 로봇을 생각할 때 대부분의 사람들이 상상하는 것입니다.

그림 4: 고성능 바코드 판독기는 1D 및 2D 바코드를 신속하고 확실하게 해독합니다. 일부는 전자 및 자동차 파트는 물론 하위 조립 소자의 파트 피킹을 지원하기 위해 로봇 엔드 이펙터에 실장됩니다. (이미지 출처: Omron Automation and Safety)

실제로, 대형 6축 로봇은 자동차 프레임 용접 및 본체 패널의 스폿 용접에서 흔히 사용됩니다. 수동 접근 방식과 달리 로봇은 멈추지 않고 3D 공간에서 용접 경로를 정밀하게 추적하는 동시에 환경 조건에 따라 용접 비드의 변화하는 파라미터를 수용할 수 있습니다.

그림 5: 이 6축 로봇은 산업용 로봇을 상상할 때 대부분의 사람들이 그리는 것입니다. (이미지 출처: Kuka)

다른 곳에서는 6축 관절형 암 로봇이 7축 시스템을 타고 자동차 패널 본체에 프라이밍, 도장, 클리어 코팅 및 기타 밀봉 공정을 실행합니다. 이러한 공정은 외부 환경의 입자에 의해 오염되지 않도록 효과적으로 유지되는, 잘 격리된 스프레이 부스에서 실행되기 때문에 이러한 배열은 부분적으로 매우 신뢰할 수 있는 완벽하게 일관된 결과를 제공합니다. 6축 로봇은 또한 프로그래밍 방식으로 최적화된 스프레이 경로를 따라가며 과도한 스프레이와 페인트 및 실러 낭비를 최소화하면서 완벽한 마감을 제공합니다. 또한 자동차 공장의 직원이 일부 스프레이 도포 재료와 관련된 유해한 증기에 노출되지 않도록 합니다.

그림 6: SIMATIC Robot Integrator 앱은 다양한 공급업체의 로봇과 다양한 응용 제품의 형상 및 실장 요구 사항의 파라미터를 수용하여 자동화된 설정으로 로봇의 통합을 단순화합니다. 이러한 설치를 완료하는 것은 통합 I/O 및 유연한 설계 적용을 위한 다양한 통신 옵션이 있는 확장 가능한 고성능 SIMATIC S7 컨트롤러입니다. (이미지 출처: Siemens)

SCARA(선택적 준수 관절형 로봇 암) 로봇은 단일 운동 평면에서 X-Y 위치 지정을 위해 수직 방향으로 실행되는 평행한 회전 축을 가진 두 개의 회전 조인트가 있습니다. 세 번째 선형 축은 Z(위 및 아래) 방향으로의 움직임을 허용합니다. SCARA는 동등한 데카르트 로봇보다 더 빠른 움직임을 제공하면서도 제한된 공간에서 탁월한 성능을 발휘하는 상대적으로 저렴한 옵션입니다. SCARA 로봇이 기후 통제, 모바일 장치 연결, 오디오/시각 요소, 엔터테인먼트 및 내비게이션을 포함하여 자동차 전자 및 전기 시스템 생산에 사용되는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 여기서 SCARA는 이러한 시스템을 생산하기 위해 정밀한 자재 관리 및 조립 작업을 실행하는 데 가장 일반적으로 사용됩니다.

데카르트 로봇은 X, Y, Z 방향으로 움직임을 실행하도록 적층된 최소 3개의 선형 축을 가집니다. 실제로, Tier-2 자동차 공급업체에서 사용하는 일부 데카르트 로봇은 최종 제품의 품질 및 일관성을 확인하기 위해 CNC 공작 기계, 3D 프린터 및 CMM(좌표 측정 기계)의 형태를 취합니다. 이러한 기계 수를 센다면 데카르트 로봇은 업계에서 가장 일반적인 산업용 로봇 형태입니다. 하지만 앞에서 언급한 것처럼 데카르트 기계는 예를 들어 조립, 픽 앤 플레이스, 팔레타이징에서 도구가 아닌 공작물 조작과 관련된 작업에 사용되는 경우에만 로봇이라고 불립니다.

자동차 산업에서 사용되는 또 다른 데카르트 로봇 변형은 자동 갠트리 크레인입니다. 이는 부분적으로 완성된 차량 조립체의 언더캐리지에 접근해야 하는 고정 및 결합 공정에 필수적인 요소입니다.

자동차 제조에 사용되는 새로운 로봇

원통형 로봇은 높이 및 암 확장을 위한 2개의 선형 좌표축과 베이스의 회전 조인트를 통해 3축 위치 지정을 제공하는 콤팩트한 경제적 로봇입니다. 이 로봇은 특히 자동차 하위 부품의 기계 관리, 패킹 및 팔레타이징에 매우 적합합니다.

앞에서 언급한 협동 6축 로봇(코봇)은 더 큰 산업 변형과 동일한 기본 연결 구조를 갖지만 각 조인트에 매우 콤팩트한 통합 모터 기반 구동기가 있습니다(일반적으로 기어 모터 또는 직접 구동 옵션의 형태임). 자동차 설정에서 이러한 로봇은 용접 브라켓, 마운트, 기하학적으로 복잡한 서브프레임을 담당합니다. 이점에는 높은 정밀도 및 반복성이 포함됩니다.

델타 로봇에는 베이스의 회전식 조인트를 통해 작동되는 3개의 암이 있습니다. 이는 현수 시설을 위해 종종 천장에 실장됩니다. 각 암의 끝에는 범용 조인트가 실장된 평행사변형이 있으며 이러한 평행사변형은 모두 엔드 이펙터에 연결됩니다. 이렇게 하면 베이스에 대해 회전하지 않는 엔드 이펙터와 함께 델타 로봇에 3도의 병진 자유도가 제공됩니다. 델타 로봇은 매우 높은 가속도를 달성할 수 있으므로 소형 자동차 패스너 및 전기 부품의 분류 및 기타 관리와 관련된 응용 분야에서 픽 앤 플레이스 작업에 매우 유용합니다.

스튜어트 플랫폼(헥사포드라고도 함)은 삼각형 베이스와 팔면체에 있는 6개의 선형 액추에이터로 연결된 삼각형 엔드 이펙터로 구성됩니다. 이는 매우 견고한 구조로 자유도 6을 부여합니다. 그러나 가동 범위는 구조의 크기와 비교할 때 상대적으로 제한적입니다. 스튜어트 플랫폼은 움직임 시뮬레이션, 모바일 정밀 가공, 크레인 움직임 보정, 정밀 물리학 및 광학 테스트 루틴의 고속 진동 보정에 사용됩니다(차량용 서스펜션 설계 포함).

AVG(무인 운반 차량)는 바닥에 그려진 라인, 바닥의 전선 또는 기타 안내 비콘으로 표시된 정해진 경로를 따릅니다. AGV는 일반적으로 어느 정도의 지능을 가지므로 서로 간의 충돌 및 인간과의 충돌을 피하기 위해 멈췄다가 시작했다가 합니다. AGV는 자동 생산 시설의 자재 운송 작업에 매우 적합합니다.

ARM(자율 이동 로봇)에는 고정 루트가 필요 없으며 AGV보다 더 정교한 결정을 내릴 수 있습니다. 자동차 제조업체의 거대한 창고에서 특히 유용한 ARM은 일반적으로 레이저 스캐너와 물체 인식 알고리즘을 사용하여 해당 환경을 감지하는 자유 탐색을 달성합니다. 잠재적인 충돌이 감지될 경우 AMR은 AGV처럼 멈추고 기다리는 대신 경로를 변경하고 장애물을 피해 이동할 수 있습니다. 이러한 적응성을 통해 ARM은 자동차 공장 하역장에서 더욱 생산적이고 유연할 수 있습니다

결론

자동차 산업은 지난 30년 동안 로봇 공학 분야에서 대대적인 혁신을 이끈 원동력이었으며 이러한 추세는 급성장하는 전기 자동차(EV) 시장과 함께 계속될 것입니다. 이 산업은 또한 모든 유형의 사용을 위해 로봇 설치를 향상시킬 수 있도록 새로운 AI 및 머신 비전 적응의 혜택을 받기 시작했습니다.