콤팩트한 산업용 로봇을 사용하여 모든 공장의 생산성 향상

주요 제조업체에서는 생산 라인의 효율성과 처리량을 강화하여 소규모 작업의 비용 이점을 극대화하기 위해 오래전부터 전용 산업용 로봇을 사용하고 있습니다. 하지만 산업용 로봇은 더 이상 대규모 생산 라인의 전유물이 아닙니다. 이제 더 작은 범용 로봇을 2제곱피트의 소규모 작업 영역에서 활용하여 광범위한 작업에서 생산성을 높일 수 있습니다.

이 기사에서는 소규모 작업에서 협업 로봇을 대규모로 배치하는 것에 망설이게 되는 이유와, 그러한 생각이 바뀌게 된 이유를 알아봅니다. 그다음 KUKA Robotics Corp.의 조작기 암 형태의 로봇을 예를 들어 소개하고 이러한 로봇을 대규모와 소규모 시설 모두에서 응용할 수 있는 방법을 보여줍니다.

로봇 공동 작업자의 증가

역사적으로 산업용 로봇은 다양한 요인으로 인해 대규모 작업에서 제한되었습니다. 주요 요인은 투자 수익률(ROI) 실현의 어려움이었습니다. 초기 산업용 로봇은 상당한 설계 노력이 필요하고 고유한 작업에 맞게 맞춤 설정이 필요했습니다. 따라서, 한정된 범위의 작업만 처리할 수 있었습니다. 결과 비용과 경직성으로 인해 로봇은 수동 방식보다 효율성과 처리량을 크게 개선하고 대용량 생산 라인에서 활용하기 위해 구현을 정당화할 수 있어야 했습니다. 중소 규모 시설에서는 이러한 조건을 거의 충족할 수 없습니다.

이점을 극대화하기 위해 대규모 작업을 위한 대부분의 산업용 로못은 크고 빠른 경향이 있으며 인간의 능력을 능가하는 속도로 재료를 처리할 수 있습니다(그림 1). 로봇은 작동 중 작업자와 부딪힐 경우 작업자에게 부상을 입히거나 사망까지 이르게 할 수 있습니다. 작업자의 안전을 위해 대규모 산업용 로봇의 경우 사람이 작업 공간으로 진입하면 중지되도록 인터로크가 있는 케이지 또는 기타 장애물로 분리해야 합니다.

그림 1: 기존 산업용 로봇은 크고 빠르게 작동하므로 작업자의 안전을 위해 보호 케이지가 필요합니다. (이미지 출처: KUKA Robotics Corp.)

KUKA Robotics의 AGILUS KR 3 R540과 같은 콤팩트 로봇 조작기 암의 도입으로 산업 시설 관리자의 선택 옵션이 더욱 다양해졌습니다(그림 2). 이러한 장치는 상대적으로 합리적인 비용에 우수한 운영 유연성을 자랑하는 일반 기성 플랫폼을 제공합니다. 로봇 암의 끝에 실장되는 그리퍼 또는 공구와 같은 적절한 엔드 이펙터 부착물과 함께 사용하면 이러한 일반 플랫폼은 로봇 시스템 구축용 활동 범위를 크게 확장하여 적절한 ROI를 창출합니다. 또한, 초기 응용 제품이 만료될 경우 다른 엔드 이펙터 메커니즘에 로봇 암을 재사용하거나 다양한 동작에 맞춰 신속하게 프로그래밍할 수 있으므로 원금 회수 가능성이 커집니다.

그림 2: KUKA Robotics의 AGILUS KR 3 R540과 같은 조작기 암은 중소 규모 운영 환경에서 산업용 로봇의 ROI를 높여줍니다. (이미지 출처: KUKA Robotics Corp.)

콤팩트한 산업용 로봇 암의 다른 주요 특징은 소규모 작업 영역에 맞춰 기존 생산 환경에 통합할 수 있다는 점입니다. 대규모 제조 시설의 대형 로봇과 달리 콤팩트 로봇은 인력을 대체하는 대신 작업자와의 협업에 활용될 수도 있습니다. 그런 콤팩트 협업 로봇(코봇)은 정상적으로 움직이는 경로상에서 사람을 안전하게 보호하기 위한 보호 케이지나 기타 장벽 없이 작업자와 긴밀하게 협업할 수 있도록 고안되었습니다. 콤팩트 로봇 암은 기존 산업용 로봇보다 규모가 작고 느리게 움직이며, 접촉이 있을 경우 로봇이 정지하여 부상의 가능성을 최소화할 수 있습니다. 또한, 충돌을 완전히 방지하기 위해 근접 센서가 내장된 경우도 있습니다.

중소 규모의 작업을 대상으로 하는 콤팩트한 산업용 로봇 암을 생산하는 벤더가 점점 더 많아지고 있습니다. 대표적인 예로 세 가지 버전으로 제공되는 KUKA Robotics AGILUS 제품군이 있습니다. 앞서 언급한 AGILUS KR 3 R540이 가장 작은 제품입니다. 이 제품은 2제곱피트 실장 면적 내에서 작동하며 최대 3kg의 부하를 처리할 수 있어 다양한 조립 및 소재 취급 응용 분야에 적합합니다. AGILUS KR 6 R900-2는 최대 6kg, AGILUS KR 10 R1100-2는 최대 10kg을 처리합니다. 이 세 개 버전은 모두 전체적인 형태와 동작이 동일하고 키트로 제공되며, 로봇 활동 제어, 모니터링 및 프로그래밍을 위한 컨트롤러 장치와 핸드헬드 오퍼레이터 장치로 구성됩니다.

AGILUS 장치의 기계적 설계는 일반적인 로봇 암의 유연성에 대한 통찰력을 제공합니다(그림 3).

그림 3: 6개 동작 축은 콤팩트한 산업용 로봇 암의 유연한 실장과 범위를 제공합니다. (이미지 출처: KUKA Robotics Corp.)

다수의 로봇 암과 마찬가지로 AGILUS 장치는 6개의 운동 축 즉, 회전 베이스(A1), 베이스 암(A2), 링크 암(A3), 회전할 수 있는 인라인 손목(A4), 굽힐 수 있는 인라인 손몬ㄱ(A5), 엔드 이펙터 장치를 연결하는 회전 실장 플랜지(A6)가 있습니다. 그림 4(a)와 같이 A2 ~ A5 축이 함께 작동하여 수직 작동 프로파일 내의 임의의 위치에 손목의 중심을 배치하며, 회전 베이스는 암 주변의 거의 모든 위치에서 이 수직 프로파일을 지향할 수 있습니다(그림 4(b)). 그림과 같이 엔드 이펙터 부착물의 질량 중심이 이 위치에서 오프셋될 수 있습니다. 암은 작동을 방해하지 않으면서 바닥, 벤치, 카트, 벽 또는 천장 등 원하는 위치에 실장할 수 있습니다.

그림 4: 로봇 암은 로봇 위치(b) 주변의 거의 모든 방향의 세로 영역(a)에 손목의 중심을 배치할 수 있습니다. (이미지 출처: KUKA Robotics Corp., Digi-Key Electronics가 수정함)

과거에는 이러한 모든 축을 사용하여 로봇의 움직임을 제어하려면 정교한 프로그래밍 기술이 필요했지만 현재는 간소화되었습니다. 로봇 암은 일반적으로 컨트롤러 컴퓨터 및 사용자 인터페이스 태블릿과 함께 제공되어 사용자가 방향 버튼으로 간단하게 로봇을 움직여 원하는 "중간 지점"으로 이동할 수 있도록 합니다. 일련의 중간 지점을 로깅하여 로봇이 자동으로 따를 수 있는 전체 동작 시퀀스를 정의합니다. 또한, 일부 로봇 시스템에서는 방향 버튼을 사용하지 않고 로봇 암을 원하는 중간 지점에 수동으로 배치할 수 있습니다.

두 접근 방법 모두 예를 통해 로봇에 실행할 동작을 "교육"합니다. 그러면 명령에 따라 동작을 반복할 수 있습니다. 사용자가 코딩 대신 교육할 수 있으므로 작업을 위한 초기 로봇 설정이 간소화될 뿐 아니라 필요에 따라 동작을 손쉽게 조정할 수 있습니다. 제어 태블릿을 사용하면 생산 활동 중에 필요에 따라 동작을 구체적으로 수정할 수 있습니다.

제어 프로그래밍을 간소화한 이러한 유형의 로봇 암은 수행할 작업에 적합한 엔드 이펙터 메커니즘을 위한 위치 조작자 역할을 하여 산업 자동화 솔루션을 위한 규정 기반을 제공합니다. 이러한 엔드 이펙터 메커니즘의 범위는 픽업, 위치 지정 및 배치 작업을 위한 간단한 그리퍼부터 기계 공구(예: 스크루드라이버, 드릴)와 복합 시스템(예: 납땜 인두, 페인트 스프레이)까지 다양합니다. 대상 응용 제품은 종합 솔루션을 구축하는 데 필요한 엔드 이펙터 및 시스템 통합 노력을 보여줍니다.

다수의 일반 작업에 맞게 고안된 엔드 이펙터 메커니즘은 로봇 암 벤더 및 타사 시스템 통합 업체에서 구매할 수 있습니다. 예를 들어, 물체를 집어서 조작하려면 조, 2개 ~ 3개의 핑거, 마그네틱 또는 진공 픽업 메커니즘을 갖춘 그리퍼를 다양한 벤더로부터 구매할 수 있습니다. 또한, 제조 및 조립 응용 분야를 위한 드릴, 스크루드라이버, 그라인더, 블레이드 등도 있습니다.

로봇 암 벤더로부터 완전한 응용 솔루션을 직접 구매할 수도 있습니다. 예를 들어, KUKA Robotics는 리벳, 페인트 스프레이, 아크 또는 스폿 용접 및 초소형 나사 패스닝 응용 분야를 위한 "기성" 계열 시스템을 제공합니다(그림 5). 이러한 시스템에는 로봇 암과 함께 사전 구성된 자동화 패키지로 제공되는 엔드 이펙터 시스템 부품, 컨트롤러 부품 및 시스템 소프트웨어가 포함됩니다.

한 예로, 페인팅 패키지는 기계 및 설비 엔지니어링 회사인 Dürr Group과 협력하여 개발되었으며 AGILUS KR 10을 기반으로 합니다. 이 패키지에는 분무기, 펌프, 고압 및 저압용 컬러 체인저, 1개 또는 2개의 부품, 물 또는 용제 기반 페인트 응용 제품이 포함됩니다. Dürr EcoAUC 제어 장치는 페인팅 공정을 조절하고, KUKA KR C4 컨트롤러는 로봇 암 동작을 처리합니다.

그림 5: Dürr Group 및 KUKA Robotics의 이 페인팅 시스템처럼 일반 응용 분야를 위한 완성형 시스템 솔루션인 콤팩트한 산업용 로봇을 이제 "기성" 제품으로 구매할 수 있습니다. (이미지 출처: Dürr AG)

하지만 그런 사전 구성된 시스템에 국한되지 않고 작업에 따라 콤팩트 로봇 기술을 응용할 수 있습니다. 로봇 암의 유연한 설치 및 동작, 손쉬운 프로그래밍, 다목적의 엔드 이펙터 부착 플랜지로 인해 응용 분야에 맞게 다양하게 맞춤 설정할 수 있습니다. 핵심은 기존 생산 공정에서 로봇이 작업자를 지원하거나 대체할 수 있는 반복 작업을 식별하는 것입니다.

예를 들어 Siemens는 고정자 부품용 전기 모터 생산 공정에서 소형 로봇 암을 사용하고 있습니다. 고정자는 허용 오차 범위 내에서 기계 가공이 필요한 알루미늄 지지판과 펀칭된 자기 박강판으로 제작됩니다. 이 로봇 암은 캐리어에서 가공 소재를 가져와서 가공을 위해 자동 선반에 배치하고 완성된 제작품을 제거하여 분사기로 청소한 후 측정 스테이션에 배치하여 허용 오차 범위를 점검하는 반복 작업을 실시합니다.

로봇의 컨트롤러는 장비의 다른 부분과 연동하여 추적을 위해 작업 소재의 바코드를 스캔하고, 다른 공정 스테이션 또는 홀딩 스테이션(작업자가 필요에 따라 조정하거나 교체하기 위해)으로 운반하기 위해 측정된 작업 소재를 캐리어로 이동합니다. 로봇 암의 안전 기능은 워크플로를 방해할 수 있는 보호 펜스나 기타 장벽 없이 작업자와 로봇이 동일한 작업 영역에서 작업할 수 있도록 해줍니다.

정밀성을 필요로 하고 반복 가능한 작업은 소규모 생산 라인의 로봇 처리에도 적합합니다. 예를 들어, ALNEA는 SMT 생산 라인에서 선택적 납땜을 위해 로봇 암을 설치했습니다. 대규모 웨이브 또는 리플로 납땜에서 발생하는 열에 의해 부품이 손상되는 경우 선택적 납땜이 필요합니다. SMT 장치를 손으로 납땜하려면 안정적인 손기술과 신중한 타이밍 조절로 납땜 브리지 및 열 손상을 방지해야 합니다.

ALNEA 응용 분야에서 로봇 암은 안정적인 손기술을 제공하고 엔드 이펙터 납땜 인두의 제어 시스템은 납땜 작업의 온도와 타이밍 모두가 설정된 파라미터 이내에 있는지 확인합니다(그림 6). 생산 라인의 첫 번째 장치에서는 작업자가 납땜 파라미터를 설정하고 로봇 암에 동작 시퀀스를 교육합니다. 그다음 작업자는 나머지 생산 공정 중에 로봇 납땜을 위한 PC 기판 및 부품 배치를 지원합니다. ALNEA는 선택적 납땜에 로봇을 사용하여 생산 시간을 50% 단축했습니다.

그림 6: 로봇 암은 pc 기판 생산의 선택적 납땜과 같은 응용 분야에 필요한 안정적인 손기술과 정밀 배치 기능을 제공합니다. (이미지 출처: KUKA Robotics Corp.)

전체 공정을 자동화하지 않더라도 경제적 혜택을 누릴 수 있습니다. 한 예로 BMW Group은 교대 근무 내내 지속하기 어려운 정밀한 작업을 작업자가 반복하는 동안 작업자의 부담을 줄여주기 위해 기존의 자동차용 강화 사이드 멤버 생산 워크플로에 로봇 암을 통합했습니다. 프레임을 자동화된 용접 스테이션에 삽입하기 전에 프레임을 따라 해당 지점에 대량의 금속 강화판을 배치하는 작업입니다. 하지만 반복적으로 수행되는 이 간단한 배치 작업에서 시간이 지날수록 오류가 증가하고 처리량이 감소했습니다.

BMW는 이 작업 중 작업자가 정확한 플레이트 수를 계산하여 로봇에 제공한 이후 플레이트를 적절히 배치하는 작업에 특별히 로봇 암을 삽입했습니다. 워크플로는 달리 변경할 필요가 없었습니다. 하지만 작업자의 정밀 배치 부분을 가정할 때 로봇은 피로에 따른 오류를 줄이고 전체 교대 기간 내내 지속적인 생산 처리량을 보장했습니다. 로봇의 안전 기능을 활용하면 작업 영역을 수정할 필요 없이 작업자와 로봇이 함께 작업할 수 있습니다.

결론

산업용 로봇은 비용, 복잡성, 안전 등으로 인해 전통적으로 대규모 산업 시설에서 주로 사용되었습니다. 하지만 간단한 위치 지정부터 복잡한 형태의 페인트 작업까지 반복 작업의 확산으로 콤팩트한 산업용 로봇의 경제성이 높아지고 있습니다.

적절한 공간 요구 사항, 간소화된 프로그래밍, 비용 절감, 물리적 장벽 없이 기존의 인간 중심 워크플로에 쉽고 안전하게 통합할 수 있는 능력을 통해 이러한 로봇은 작업자와 적절히 협업하여 중단 없는 작업을 보장할 수 있습니다. 이제 산업 자동화는 더 이상 충분한 자금력과 많은 수량의 대규모 작업에만 한정되지 않고, 소규모 공장에서도 로봇 암을 작업에 통합할 수 있습니다.