국내 산업용 로봇 보급은 주로 자동차ㆍ전기전자 분야에 편중되어 있어, 제조산업 전 분야로 보급을 확산해야 할 필요성이 증가하고 있다. 정부는 지난 2019년 제3차 지능형 로봇 기본계획을 발표하면서 근무환경이 열악한 뿌리산업과 섬유·식음료 등 로봇활용이 미흡한 3대 제조업 중심으로 로봇 보급을 확산한다는 계획을 발표했다. 이를 위해 3대 제조업중 우선적으로 로봇도입이 필요한 108개 공정을 선별해, 작년부터 6개 정부 출연 연구기관과 업종별·공정별 표준공정모델 개발을 시작했다. 2019년 14개를 시작으로 올해 23개를 개발 중에 있고 2023년까지 순차적으로 개발을 완료할 계획이다.

표준공정모델의 적용대상이 되는 공정은 단순반복 업무, 안전사고 노출업무, 근골격계 질환유발 업무 등 주로 작업자들이 기피하는 공정으로서 로봇을 활용하는 경우 공정시간을 단축해 생산성을 높이고, 노동강도를 감소시키거나 근로환경을 개선하는 효과가 있을 것으로 기대된다.

본지는 6대 정부출연 연구기관에서 어떤 표준공정모델을 개발하였고 향후 무엇을 개발할 것인지 6회에 걸쳐 시리즈로 소개한다. [편집자 주]

< 기획순서 >

①한국자동차연구원
②한국식품연구원
③전자부품연구원
④한국기계연구원
⑤한국생산기술연구원
⑥한국섬유기계융합연구원

기계분야 중소제조 뿌리산업은 대표적인 3D 산업으로 인력난 및 열악한 작업환경 개선이 시급히 필요한 분야이다.

로봇 활용 공정 모델을 개발해 모듈화 공용화 구현, 작업환경 개선, 생산성 증대 및 불량률 감소를 통한 경쟁력 향상, 협동 로봇 수요 선제 대응, 애로기술 지원으로 SI 기업 경쟁력 향상 등의 목적을 거둘 수 있다.

특히 조립 시장의 폭발적 성장, 다이캐스팅 주조 시장 확대, 자동차용 단조품 시장 성장 등 관련 분야 시장이 지속적으로 성장하고 있어 경쟁력 있는 로봇 SI 기업 육성으로 선제 대응이 필요하다.

▲연차별 로드맵

한국기계연구원은 기계분야에서 오는 2023년까지 협동 로봇 활용 공정 모델 8개, 제조 로봇 활용 공정 모델 8개 등 16개 공정에 대한 로봇 활용 솔루션 모델을 개발해 수요 기업 발굴 및 연계 사업을 통한 보급을 확산할 계획이다.

한국기계연구원은 조립용 그리퍼 및 조립 제어 알고리즘, 로봇 동역학 시뮬레이터, 산업용 로봇 게인 튜닝 기술, 핸들링 로봇의 진동 억제 제어 기술, 안전 (협동) 로봇 설계 / 제어 기술, 로봇활용 공정 시뮬레이션과 같은 기술 역량을 보유하고 있고 로봇 공정기술지원 등의 경험을 갖고 있다.

로봇 활용 공정 모델 사업 관련해 기계연구원은 기체여과기, 공기조화장치 전장, 자동차 엔진용 신품부품, 자동차 외판 등 총 4개 제조공정에서 연차별로 각 4개 공정을 선정해 개발할 계획이다.

로봇 활용 업종 및 공정은 시장성, 도입 시급성 등 고려해 기체 여과기 제조공정(협동 로봇 특화 제조공정)의 볼팅 조립, 제품 기능 검사 등, 시스템 에어컨 전장 제조공정(협동 로봇 특화 제조공정)의 PCB 볼팅 및 커넥터 조립, 투입 등, 자동차 엔진용 신품부품 제조공정(뿌리산업:주조)의 취출, 냉각 및 트리밍 작업 등, 자동차 외판 제조 공정(뿌리산업:단조)의 이송 및 프레스, 블랭킹 작업 등이다.

올해 주요 개발 내용은 협동로봇 공정 관련하여 볼팅조립 공정 (기체여과기(FFU) 제조공정)과 뿌리 공정 관련해서 이송 및 프레스 공정(자동차 외판 제조공정)이다.

▲벨마우스 조립 공정

첫번째 협동로봇 볼팅조립 공정 (기체여과기(FFU) 제조공정)에서의 기존 수작업 공정 및 애로사항으로는 벨마우스 장착, 안전망 장착, 벨마우스 및 안전망 볼팅 작업 등이다.

벨마우스 장착 작업에서는 벨마우스 조립위치를 파악하고 벨마우스 공급장치 개선안 도출하는 것이다. 안전망 장착 작업에서는 안전망 조립 위치 파악과 가작업시 안전망 위치가 틀어지는 문제를 해결하는 것이 필요하다. 벨마우스 및 안전망 볼팅 작업에서는 가체결 후 본체결시 토크 관리 방안, 체결 실패 후 재시도 문제를 해결하는 것이 필요하다.

이에 연구원은 로봇활용 공정모델 설계, 볼팅 작업 솔루션 개발, 파지 및 볼팅용 복합 그리퍼 설계 등의 개발을 해야 했다.

로봇활용 공정모델 설계 부문에서는 협동 로봇 3대를 활용해 가접 및 본 조립 볼팅 체결, 벨마우스를 투입하고 벨마우스, 안전망 공급장치, 파지 그리퍼를 개발할 예정이다. 볼팅 작업 솔루션 개발 부문에서는 영상 정보기반 작업물 체결 위치 검출 기술 개발, 로봇의 작업 및 궤적 생성/제어 기술, 로봇 활용 볼팅 솔루션 테스트 베드 구축 및 검증을 하게 된다.

파지 및 볼팅용 복합 그리퍼 설계에서는 파지 대상 부품 형상 분석을 통한 파지 방법 도출, 사양 및 부품 선정 / 구조 설계 및 해석 등의 솔루션을 개발하고 있다.

▲프레스 투입인출 공정

두번째 뿌리 공정 관련해서 이송 및 프레스 공정(자동차 외판 제조공정)을 개발하고 있다.

이송 및 프레스 공정은 프레스기에서 소재를 투입 인출하는 작업이다. 이런 작업은 작업자에게 매우 위험하다. 또 소재가 자유로이 적재된 형태로 되어 있어 실제로 로봇을 도입하는 경우에는 이 소재의 자세나 정보들을 파악해서 투입할 수 있도록 하는 기술이 필요하다.

기존 수작업 공정 및 애로사항으로는 코일 브랭킹 소재 위치 정렬, 공정간 제품 반전 그리퍼, 프레스 작업 등을 들 수 있다.

코일 브랭킹 소재 위치 정렬 작업에서는 스크랩 양 최소화 및 양품 생산 방안, 블랜킹 소재 위치 정렬 방안이 필요했다.

공정간 제품 반전 그리퍼 작업에서는 프레스 공정 사이의 제품 상하 위치 반전 구조 설계와 그리퍼 경량화 문제가 있다.

프레스 작업에서는 프레스와 로봇 연동 제어가 필요하다.

이러한 문제를 해결하기 위한 주요 개발 내용으로는 프레스 투입 인출 공정 솔루션 개발 관련해 3D 비전 기반 소재 위치 검출 기술, 프레스 등 전용기와 로봇 간 연동제어, 다관절 로봇 1대와 비전시스템, 소재 파지 그리퍼 등이다.

공정 최적화 그리퍼 설계 및 그리핑 알고리즘 관련해서 반전, 틸팅 등 공정 최적화 그리퍼 개발, 카본 소재 적용 등 그리퍼 경량화 설계, Plug & Play 모듈화 등을 개발하고 있다

공통 주요개발 내용으로는 공정 분석 및 시뮬레이션(공정시뮬레이션 동영상, 로봇 설치 레이아웃 및 간섭 검토, 시간당 생산량 및 로봇 모션 분석/ 검토), 자동화 시스템 설계(로봇 및 장비의 배치, 2D 도면화), 로봇활용 공정모델 매뉴얼 제작, 수요 제조기업 등을 대상으로 8건 이상의 로봇 도입 컨설팅 지원 등이다.