뿌리산업은 자동차ㆍ조선ㆍ전자 등 우리나라 주력 제조업의 근간을 이루는 기반 산업이다. 하지만 고위험 작업 환경, 낮은 임금체계, 종사자의 고령화 현상 등으로 인력 부족 현상이 심화되고 있다. 주력 제조업이 국제경쟁력을 잃지 않기 위해선 로봇자동화 시스템의 도입을 통해 뿌리산업의 경쟁력을 제고하는 게 절실하다는 목소리가 커지고 있다.

산업통상자원부는 지난 2019년 발표한 ‘제3차 지능형 로봇 기본계획’에서 근무 환경이 열악한 뿌리산업을 비롯해 섬유·식음료 등 3대 제조업을 중심으로 제조로봇 보급 확산 계획을 발표했다. 이 기본계획에 따라 산업통상자원부는 뿌리산업 등 3대 제조업을 중심으로 로봇 도입이 필요한 108개 공정을 우선 선별해 업종별·공정별 표준공정모델을 개발하고, 실증사업을 추진하고 있다.

뿌리분야의 경우 한국생산기술연구원이 총괄주관이 되어 표준 공정모델 개발과 제조로봇 선도보급 실증사업을 진행하고 있다. 뿌리산업의 제조로봇 선도보급 실증사업의 의미와 현황, 그리고 실증 사례에 대해 3회에 걸쳐 소개한다(편집자)

(기획 순서)

① 뿌리산업 제조로봇 선도보급 실증 사업 개요

② 뿌리산업 표준공정 모델과 실증 사례

③ 실증 사례

◇실증사례(SI기업 중심으로)

▲건솔루션(주)

SI기업인 건솔루션은 그동안 유니버설로봇(UR) 협동로봇, ABB 로봇, 두산 협동로봇, 뉴로메카 협동로봇 등을 이용해 비전기상측정, 머신텐딩을 통한 자동화 등 프로젝트를 수행했다.

비전 기상측정은 로봇에 비전측정카메라를 장착한 후 설비위에 설치해 가공이 완료되면 바로 측정을 해서 OK 또는 NG 판정후 재가공할 수 있도록 해주는 프로젝트다. 머신텐딩 자동화 프로젝트는 로봇을 이용한 로딩/언로딩 시스템을 구축하는 것이다. 건솔루션은 여기에 프로브(Probe)와 Gr박스를 접목해 다품종 소량생산에도 자동화가 가능하도록 시스템을 구축했다.

2020년 제조로봇 선도보급 실증사업 관련해 건솔루션은 뿌리업종 머신텐딩 부분에 참여해 제조기업의 머신텐딩 자동화 구축 프로젝트를 진행했다. 총 5개 세부주관기관을 맡아서 진행했으며, 표준공정모델을 만드는데 중점을 두고 프로젝트를 진행했다. 건솔루션이 진행한 실증사업의 수요기업은 총 5개 업체다. 대표적인 사례 2가지를 소개한다.

<동아정밀공업>

동아정밀공업은 국내 대표적인 블로우(Blow) 금형 및 페트(PET) 용기 생산업체로, 금형의 생산 및 페트 용기 사출라인을 보유하고 있다.

기존 공정의 경우 소재 공급부터 소재 로딩, 세팅, 세척, 언로딩 등이 모두 수작업으로 이뤄졌다. 하지만 이러한 작업은 작업자의 피로도 및 숙련도에 따라 균일한 품질을 보장하기가 어려운 문제점이 있었다.

▲ 기존 작업자의 소재 로딩/언로딩

건솔루션은 동아정밀공업의 머신텐딩 자동화 프로세스를 구축하기 위해 협동로봇을 설치해 소재 로딩/언로딩 자동화시스템을 구축했다. 자동화 프로세스의 도입으로 작업자의 피로도 및 숙련도에 의존하던 작업 방식이 개선되었으며, 무인 작업의 도입에 따라 야간에도 작업이 가능해졌다. 이를 통해 3D업종에 대한 일자리 기피 현상을 개선했다.

▲로봇 자동화를 이용한 로딩/언로딩

<신화정밀기계>

신화정밀기계는 반도체 장비부품 등 정밀가공부품을 주력으로 생산하는 기업이다. 신화정밀기계의 기존 공정은 소재 공급부터 소재로딩, 정밀세팅, 가공 후 세척, 소재 언로딩으로 이뤄져있으며, 건솔루션은 소재 로딩, 세팅, 소재 언로딩 부분에 머신텐딩 자동화를 진행했다.

▲작업자에 의한 소재 로딩, 세팅

신화정밀기계의 자동화 프로젝트는 정밀세팅 부분에 중점을 두고 진행됐다. 정밀한 제품으로 작업자들의 세팅 시간이 많이 달랐는데 이 부분에 오토클램프를 도입해 프로세스를 개선했다. 협동로봇에 의한 자동화 공정 적용으로 가공설비 유휴시간 감소와 생산성 향상, 균일한 품질이 보장되어 불량률이 감소되었다.

▲협동로봇 적용

건솔루션은 앞으로 스마트팩토리시스템(Smart Factory System)과 제조로봇 선도보급 실증사업, 그리고 여러 R&D사업 등을 통해 중소 제조기업 생산시스템을 개선, 생산시스템의 단납기와 불량 발생, 낮은 가동률과 비효율적인 작업배치 등 고질적인 문제점을 효과적으로 개선했다. 특히 IT기술을 기반으로 제조기술의 새로운 창을 열어나간다는 계획이다.

▲코보시스

코보시스는 지난 2018년 6월 설립된 SI 벤처기업이다. 협동로봇 중심의 SW 통합기술을 바탕으로 부품 핸들링, 조립, 이적재 등 다양한 제조 분야에서 20여대의 로봇 설치 경험을 갖고 있다. 최근에는 카페 및 식음료 등 서비스 분야까지 협동로봇의 응용 범위를 확대하고 있다.

뿌리산업 제조로봇 선도보급 실증사업과 관련해선 공작기계 머신텐딩 분야에서 협동로봇기반 표준공정 프로젝트를 실행 중이다. 수요자가 로봇을 보다 쉽고 빠르게 설치할 수 있도록 로봇 통합시 필요한 하드웨어 및 소프트웨어 구성품을 패키징하고 통합 테스트를 실시해 안정적으로 보급이 이뤄질수 있도록 시스템을 구성하고 있다. 수요기업에서 비교적 합리적인 가격으로 로봇자동화 시스템을 도입할 수 있도록 지원한다는 계획이다.

이번 뿌리산업 실증사업과 관련해선 프로텍이노션(주)의 머신텐딩 공정을 자동화했다. 프로텍이노션은 초정밀 가공과 함께 비생산적 요소인 공구 세팅시간, 공작물의 좌표계 설정 시간, 가공 후 치수 검사를 위한 측정시간, 가공 불량으로 인한 재가공 시간 등의 요소를 제거 또는 최소화 시킬 수 있는 시스템의 구축과 생산성 향상을 위한 안전한 무인 가공 기술을 보유하고 있다.

▲ 수작업 공정

▲ 로봇 자동화 공정

이번 실증사업에선 소재 입고와 투입, 제품 측정 및 판별 프로세스에 협동로봇을 활용해 표준화된 시스템 도입을 목표로 하고 있다. ▷생산설비에 원소재 로딩/언로딩 자동화 ▷가공 완성품의 측정을 위한 측정기로의 제품 로딩/언로딩 자동화 ▷측정 이후 불량선별 자동화 등 표준화된 머신텐딩을 구축했다. 또한 이 시스템을 제어할 생산설비와 로봇 간의 통신모듈 표준 설치 기준을 정립했다. 가공 소재를 비전 인식을 통해 별도의 작업자 셋업 없이 현장에서 제품 변경을 할 수 있도록 구성해 생산성 향상, 작업환경 및 불량률 개선을 꾀했다.

코보시스는 향후 로봇교시 대신 비전기술을 이용해 부품 소재파악, 수량 카운트, 위치지정이 가능하고 간단한 사용자 인터페이스를 통해 로봇을 설치할 수 있는 방안을 추진할 계획이다. 코보시스는 머신텐딩 분야에서 다양한 경험을 바탕으로 지능형 로봇통합 패키지를 제품화하고, 이를 기반으로 플라스틱 성형, 포장 및 팔레타이징 분야로 확대 적용한다는 비전을 갖고 있다.

▲ 영창로보테크

영창로보테크는 산업용 로봇 기반으로 자동화 시스템을 구축하고 있다. 국내 자동차 부품 제조업, 건설장비 제조업 등 다양한 분야에 로봇을 적용하고 있다. 그동안 가공 로봇 자동화 시스템, 열간단조 로봇 자동화 시스템, 후공정(디버링, 세척, 검사) 로봇 자동화 시스템, 철강산업 로봇 자동화 시스템(전기로측온시스템) 등 구축을 추진했다.

▲ 영창로보테크의 가공로봇자동화 시스템

영창로보테크는 뿌리산업 제조로봇 선도보급 실증사업을 통해 머신텐딩 분야 5개 기업 프로젝트를 진행했다. ▷(주)대립(상용차 휠 가공라인 로봇자동화 시스템) ▷코리아펀치(너클(Knuckle) 가공라인 로봇자동화 시스템) ▷DK-LOK(니플(Nipple) 가공라인 로봇자동화시스템 ▷(주)DKM(엔진밸브바디(Engine Valve Body) 가공라인 로봇 자동화 시스템) ▷(주)장인열처리(캠피스(CAMPIS) 가공라인 로봇자동화 시스템) 등이다. 영창로보테크는 각 기업 현장에 맞는 로봇 자동화 시스템을 컨설팅과 공정 연구를 통해 생산성 상승과 불량률 최소화를 구현할 수 있는 시스템을 구축했다.

<대립>

지난 1988년 설립된 대립은 자동차/전차/자주포/장갑차의 차체 부품과 궤도 차량 및 차륜형 차량의 휠을 주로 개발 및 공급하는 기업이다. 삼성중공업, 현대로템, 풍산, 한화디펜스 등 대기업의 주요 협력사 가운데 하나다. 추가로 차량용 도어(door) 관련 유리부, 차체부 등 꾸준한 기술개발 등을 추진하고 있다.

기존 공정의 경우 가공 소재 무게가 약 80kg의 고중량물 소재를 작업자가 크레인을 이용해 CNC 수직선반에 소재를 투입해 가공 완료가 되면 크레인으로 소재를 취출하여 에어블로워(Air Blower) 작업 후 파렛트에 적재한다. 이 공정에 작업자 2명을 투입했으나 생산원가가 높고 고중량물에 의한 안전사고에 노출이 되어 있다.

실증사업을 통해 작업자가 진입장치에 소재를 적재하면 로봇이 진입장치에 있는 소재를 파지해 가공기에 투입한 후 가공완료된 소재를 에어블로워 장치를 통해 절삭유 및 칩 등을 제거한 후 소재를 취출한다.

현대로보틱스 220kg급의 로봇을 적용해 시스템을 구축했다. 대립은 작업자를 2명에서 1명으로 줄여 생산원가를 절감하는 효과를 거뒀다. 수작업 생산대비 25% 생산성이 향상되었으며 불량률은 제로에 가깝게 감소됐다.

▲로봇 구축 현황

<코리아펀치>

지난 1987년 설립된 코리아펀치는 자동차 부품 가공과 가공기의 지그 등을 주로 개발 및 납품하는 기업이다. 현대모비스, 현대위아, 두산중공업, 쌍용자동차 등 대기업의 주요 협력사다. 가공기의 고정풀리 홈연삭기 개발 및 풀리가공 복합 연삭기 개발 등 자동차 부품 제조업의 확장을 모색하고 있다.

기존 공정의 경우 약 20kg의 중량물 소재를 작업자들이 직접 가공설비에 투입하며, 가공완료가 되면 소재를 취출해 에어블로워 작업 후 파렛트에 적재를 한다. 가공기의 계단을 왕복하면서 작업을 하고 있다. 가공기 1대당 작업자 1명으로 주/야 작업시 공정이 OP10, OP20 공정으로 나누어져 있어 작업자 4명을 투입하기 때문에 생산원가가 높고 중량물에 의한 안전사고에 노출되어 있다.

실증사업을 통해 작업자가 진입장치에 소재를 적재하면 로봇이 진입장치에 있는 소재를 파지하여 가공기에 투입한 후 가공 완료된 소재를 에어블로워 장치를 이용해 절삭유 및 칩 등을 제거한 후에 소재를 취출한다.

현대로보틱스의 220kg급 로봇을 적용해 시스템을 구축했으며 작업자가 주/야 4명에서 2명으로 줄어들어 생산원가를 절감하고, 수작업 생산대비 42% 생산성이 향상되었다. 또 수작업 생산시 2200PPM에서 1000PPM으로 50% 이상 불량률이 감소됐다.

▲로봇 구축 현황

<DK-LOK>

지난 1986년 설립된 디케이락(주)은 계장용 피팅 및 밸브(Fitting & Valve)류 전문 생산품목으로 단조, 가공 조립, 검사, 출하까지 일괄 진행하고 있다. 석유, 선박, 플랜트, 운송, 반도체 등 다양한 거래선을 확보해 놓고 있다.

기존 공정의 경우 NC선반에 작업자가 작은 니쁠 소재를 투입 취출하며, 짧은 가공시간에 여러대의 설비를 작업하므로 근골격계, 피부질환 등 안전사고에 노출되어 있다. 진입장치에서 소재를 파지하여 주행 캐리지를 이용해 로봇이 NC설비에 소재를 투입 취출하며 OP10공정 작업 후 연계 컨베이어를 통해 반대편 OP20공정으로 소재를 이송한다. 소재를 파지한 로봇은 주행 캐리지를 이용하여 설비에 투입 취출 후 가공완료된 소재는 적재대에 파렛타이징을 진행한다.

현대로보틱스 HH7과 이송 부가축을 이용해 가공기 상부에 로봇을 설치하고 고속으로 이송 작업을 할 수 있도록 구축했다. 기존 생산대비 생산성이 42% 향상되었으며 불량률이 40% 이상 감소됐다.

▲ 로봇 구축 현황

<DKM>

지난 2010년 설립된 디케이엠은 선박 엔진 및 정밀 기계 부품 및 유압 블록(Block)류를 가공, 조립하여 납품하는 업체다. 두산엔진, 현대엔진, 현대글로벌 서비스 등과 협력하고 있다. 지난 2017년 산업통상자원부에서 인정한 세계 일류 상품 인증서를 획득했다.

기존 공정의 경우 다품종 소량생산으로 제품(형태는 비슷하나 제품 크기가 다양함)이 바뀔 때마다 척, 공구 교환의 시간에 많은 인력이 소모된다. 작업자가 이동형 프레임에 소재를 적재해 로봇시스템에 장착시 로봇이 소재를 인지하여 가공기 로딩/언로딩을 진행하며 작업 완료시 작업자가 이동 프레임을 취출해 대기하고 있는 프레임을 투입한다.

DKM은 다품종 소량생산으로 제품의 기종 변경이 빈번하게 발생하고 있다. 구축 시스템은 4기종의 제품을 생산하고 있으며 각 기종별로 평균 44% 이상의 생산성 증가율을 나타냈다. 불량률은 수작업 대비 55% 이상 감소됐다.

▲로봇 구축 현황

<장인열처리>

지난 2010년 설립된 장인열처리는 자동차 부품, 중장비 부품, 항공/방위산업 분야 열처리 전문 업체다. 현대자동차, 기아자동차, 한국항공우주, 미국 보잉사 항공기, 영국 굿리치(Good Rich)사 등이 국내외 주요 협력사다.

기존 공정의 경우 CNC가공기에 작업자가 소재를 투입/취출하며 소재의 일정한 방향성이 중요하다. 작업시 소재의 지그 세팅이 까다롭고 신입직원 작업시 불량률이 많이 생겼다. 가공기 작업시간이 55sec/개 이므로 1명의 작업자가 여러대의 가공기를 조작, 직무기피가 심했다.

실증사업을 통해 기존 설비에 로봇라인을 추가해 수작업 구간을 로봇 자동화로 구축했다. 수작업 대비 싸이클타임이 기존 55sec/개에서 30sec/개로 약 50%의 생산율이 증가했으며 불량률은 45% 이상 감소했다. 이 사업 중간에 협약이 진행되어 현재 시스템 안정화 작업을 진행하고 있다.

▲ 로봇 구축 현황

한편 영창로보테크는 셀(cell) 단위 시스템 구축으로 고객사 설치시 짧은 시간에 완료하고 시스템을 가동할 수 있는 프로세스를 구축하고 있다. 영창로보테크는 고객에 맞는 산업용 로봇 기반 자동화 시스템을 구축하며, 개발 중인 셀 단위 시스템을 추가 개발해 국내외 박람회 참가 및 온라인을 통해 개발된 시스템, 프로젝트 실적 등을 홍보한다는 계획이다.