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[기획] 2022년 표준공정모델 중심 제조로봇 실증사업(1)뿌리업종 표준공정모델(1)
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승인 2022.02.23  15:13:20
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뿌리업종 등 제조업의 표준공정모델 실증 보급 사업이 지난해에 이어 올해도 본격 추진된다.

한국생산기술연구원은 올해 18억원의 예산을 투자해 ‘2022년 제조로봇 선도보급 실증사업’을 뿌리(금속/플라스틱 분야) 업종을 중심으로 진행한다. 이미 개발된 표준공정모델(2021년 6개) 별 최대 5개 이내의 과제를 선정해 지원할 계획이다.

연구원은 또한 올해 12억1000만원의 예산을 투입해 ‘2022년 제조로봇 플러스 실증사업(R&D 연계형)’을 바이오 및 화학업종을 중심으로 진행한다. 이미 개발된 표준 공정모델(2021년 3개) 별 최대 5개 이내의 과제를 선정해 지원한다는 계획이다.

이들 사업은 이미 개발되어 있는 표준공정모델의 실증 보급을 통해 뿌리업종과 바이오·화학업종의 경쟁력 강화와 제조로봇 신시장 확대를 위해 추진하는 것이다.

고강도·고위험 작업의 대체, 인력난 해소 등 제조 환경개선을 위해 로봇 활용 확산이 필요한 뿌리업종과 바이오 및 화학업종에 로봇의 도입을 확대하겠다는 목표다. 이들 사업은 한국로봇산업진흥원이 전담기관이며 한국생산기술연구원이 관리기관이다.

지원 과제에 참여하려는 기업들은 주관기관(수요기업)과 참여기관(공급기관)이 컨소시엄을 구성해 참여해야 한다. 지원과제는 4월 중 최종 확정되며, 오는 11월말까지 과제가 본격 추진된다.

이번 실증 사업(지원과제)은 뿌리업종 표준공정모델 6개와 바이오 및 화학업종 표준공정모델 3개를 대상으로 이뤄진다. 로봇신문은 2022년 제조로봇 실증사업의 대상인 총 9개 표준공정모델에 대해 3회에 걸쳐 소개한다.(편집자)

게재 순서

1회 뿌리업종 표준공정모델(1)

2회 뿌리업종 표준공정모델(2)

3회 바이오 및 화학 업종 표준공정 모델

올해 제조로봇 실증보급 사업 지원과제는 ▲금속/자동차 부품-주조 후처리 공정 ▲플라스틱 사출성형 부품 로딩/언로딩 및 검사 공정 ▲특수목적기계분야 아크용접 대상 용접품질 검사공정 ▲금속/자동차 부품-저항용접공정 대상 용접 품질 검사공정 ▲금속/자동차 부품-2D 비전 기반 머신텐딩 정밀가공 공정 ▲금속/플라스틱 부품-도금랙 로딩/언로딩 공정 등 6종을 중심으로 이뤄진다. 각 공정에 대해 살펴본다.

◇ 금속/자동차 부품-주조 후처리 공정

<개요>

금속/자동차 부품의 주조 후처리 공정은 다른 뿌리산업과 마찬가지로 고위험 작업 환경과 인력 부족에 노출되어 있다. 일반적으로 ‘다이캐스팅(Die casting)’으로 불리는 공정이 핵심을 이룬다.

다이캐스팅이란 용융금속을 금형에 고속, 고압으로 주입해 짧은 사이클 타임(cycle time)에 대량 생산이 가능한 공법이다. 복잡하고 얇은 두께의 제품 생산이 용이하다. 고속·고압으로 사출된 다이캐스팅 제품은 102~103m/s의 빠른 응고속도로 인해 미세한 결정립이 형성되어 강도가 우수하다는 장점을 지니고 있다.

이 공정을 로봇으로 자동화해 작업 환경을 개선하고 생산성을 높이겠다는 것이다. 이 분야의 표준 공정모델은 자동차 부품 등 중소형 주조품의 트리밍, 디버링 공정의 자동화를 염두에 두고 마련됐다.

<현재 공정의 문제점>

기존의 자동차 부품용 주조 트리밍, 디버링 공정은 주조품 취출, 타발(트리밍), 사상(디버링) 등 공정 구조를 갖고 있다.

▲ 자동차 발전기 부품 생산 전체 공정 흐름도
▲수동 트리밍, 디버링 공정

기존 다이캐스팅 공정은 노동 환경과 생산성 및 품질 측면에서 문제점을 안고 있었다. 작업 환경 측면에선 작업자가 망치로 런너 부분에 충격을 가하는 방식으로 수동 타발(트리밍) 함으로써 작업자 근골격계 질환이 발생했다. 수작업 과정에서 알루미늄 미세 분진 등에 작업자가 직접 노출되었으며 2kg 상당의 소재 부품 적재 팔레트 적재, 이동 등의 반복 사상(디버링) 작업에 의한 피로도 증가, 부적절한 자세 및 과도한 힘의 사용으로 인한 작업자 노동 환경 저하 등 문제점이 노출되었다.

생산성 및 품질 측면에서도 문제가 있다. △ 작업자의 단순 작업에 의한 제품 찍힘 및 잦은 사상 누락으로 재사상(Rework) 비용 증대 △ 작업자가 동일한 자세로 일일 수천여개의 반복 작업을 실시함에 따라 작업자의 피로도 누적에 따른 간헐적 트리밍(타발) 공정 불량, 사상(디버링) 공정 누락 등의 문제 발생 △ 신규 작업자의 작업 난이 공정 기피현상으로 안정적인 품질 확보 어려움 발생 △ 기존 작업인원의 비숙련도 및 잦은 퇴사로 인한 품질 비용 증대 △ 수동으로 작업자가 망치를 이용해서 제거하는 방식은 제조원가 및 생산성 저하 △수동 공정으로 인한 사상 대기품 과다 적재로 인한 재고 비용 및 제품 리드타임 증가 등 문제가 발생했다.

이 같은 문제를 개선 하기 위해 다이캐스팅 소재 취출 공정에서 사상(디버링) 공정이 공정간에 이동하지 않고, 제품 취출부터 자동 사상까지 일괄 자동화 라인 시스템을 구축할 필요성이 있다.

<로봇 활용 표준공정 모델>

이 공정의 로봇자동화 시스템은 △다이캐스팅후 제품 취출(로봇) △다관절 로봇 러프 트리밍 △ 정밀 트리밍 금형에 제품 안착(로봇) △정밀 트리밍 후 로봇이 제품 픽업 △로봇이 디버링 적재대기 안착 △로봇의 디버링 작업 △디버링 후 컨베이어로 이동(로봇) 등으로 이뤄진다.

▲ 표준공정 모델 개선 방향
▲ 시스템의 구성

여기에 투입되는 산업용 로봇의 가반하중은 80kg이며, 3kg 이상의 그리퍼, 가공기, 로딩/언로딩장치, 투입/취출장치, 반전/정렬장치, 제어기, 안전펜스, 냉각수조, 디버링 장치 등이 요구된다.

표준공정 모델 적용에 따라 작업자 노동환경 개선, 재사상(Rework) 비용 감소, 제조원가 절감 및 생산성 향상, 재고 비용 절감 및 제품 리드타임 감소 등 효과를 기대할 수 있다.

◇ 플라스틱 사출성형 부품 로딩/언로딩 및 검사 공정

<개요>

자동차 볼밸브 생산공정 등에서 이뤄지는 플라스틱 사출 성형 부품의 로딩/언로딩 및 검사 공정은 수작업으로 인서트를 금형에 삽입한 후 사출성형하여 추출하는 방식으로 이뤄지고 있다. 하지만 사출물에 대한 품질 불량과 안전사고가 빈번해 수작업 사출 공정 자동화 시스템을 표준공정 모델로 개발해 해당 공정에 적용하는 것이다. 유사 공정의 수평 전개를 통한 생산성, 품질성, 안전성 및 기업과 근로자의 상생과 협력을 도모하겠다는 목적이다.

<현재 공정의 문제점>

▲ 자동차 부품(볼벨브) 생산 전체 공정 흐름도
▲ 자동차 부품(핸들클럭) 생산 전체 공정 흐름도

수동 작업에 따른 작업자 재해 발생, 제품 제조 생산성 및 품질 문제 발생 등 문제점이 거론되고 있다. 먼저 작업자가 동일한 자세로 일일 수천여개의 반복 작업을 실시함에 따라 작업자의 피로도 누적에 따른 간헐적 공정누락, 재품 부족, 작업자에 의한 환경 조건 변경에 따른 여러 문제가 발생하며 특히 작업자의 건강 악화에 따른 기업 손실이 발생하고 있다.

생산성 및 품질 측면에선 △제품 안착 적재 및 인서트 삽입 및 추출 등 모든 작업을 작업자가 대부분 하기 때문에 생산성이 떨어지고 △수작업에 따른 제품 누락, 품질 불량에 따른 제조 원가 상승의 원인 및 경쟁력 악화 △제품 품질 확보를 위해 수작업으로 육안검사 및 간이 지그를 통한 제품 품질 측정에 따른 인건비 공수 증가와 사이클 타임 누적 손실 발생 등 문제점이 생기고 있다.

이 같은 문제를 개선 하기 위해선 협동로봇을 이용해 공정을 자동화한다. 협소 공간 등을 활용해 로딩, 언로딩, 인서트 삽입, 추출, 검사, 포장까지 완전 무인화 함으로서 기업 경쟁력 확보가 필요하고, 작업자 전환 배치를 통해 노동 강도를 완화할 필요성이 제기되고 있다.

<로봇 활용 표준공정 모델>

▲ 수평 사출 자동화 생산공정 표준모델 도입 솔루션
▲ 수직 사출 자동화 생산공정 표준모델 도입 솔루션
▲ 수평사출 로봇자동화 시스템의 구성

이 공정의 로봇자동화 시스템은 크게 수평 사출 로봇 자동화 공정과 수직 사출 로봇 자동화 공정으로 구성되어 있으며, 구체적으로 사출품 부품 로딩장치, 다관절 협동 로봇, 그리퍼, 원심도 측정 시스템, 비전검사시스템, 트레이/박스 공급 시스템, 커넥터 통전측정 시스템, 벨트 컨베이어 및 정렬장치, 사출 성형기 등으로 구성된다. 협동 로봇 사양은 20kg 미만, 6kg미만으로 각각 1대씩 투입한다. 20kg 이하의 그리퍼, 사출기, 비전시스템, 이물질 제거장치, 제어기 등 주변장치를 포함한다.

표준공정 모델의 적용을 통해 작업 환경 개선, 원가경쟁력 확보, 고객 품질 만족 개선 등 성과를 기대할 수 있다.

◇ 특수목적기계분야 아크용접 대상 용접품질 검사공정

<개요>

용접구조물의 품질을 확인하는 품질 검사 공정은 용접물의 건전성을 대변하는 매우 중요한 공정이다. 용접 품질검사 공정은 작업자의 육안에 의존하고 있으며, 작업자의 감성적 요인이 가미되어 정량적 평가에 어려움이 있다. 로봇 기반 아크 용접품질 검사 공정 매뉴얼은 작업자에 의한 감성적 요인을 배제하고, 용접 품질의 일정한 관리를 위해 로봇을 도입해 자동화를 하는 데 목적이 있다.

아크용접 시 품질 검사가 무엇보다 중요하다. 현재 용접구조물의 제작과 관련해 제품의 품질을 유지하기 위해서 여러 단계의 시험 및 검사가 행해지고 있다. 아크 용접품질 검사에서는 외관검사(VT)를 인간의 육안에 의한 감성적인 검사가 아닌 정량적 검사가 필요한 상황이다. 로봇 기반 아크 용접품질 검사 공정이란, 기존의 사람에 의존한 비파괴 검사 공정을 6축 산업용 로봇 및 협동 로봇에 비파괴 검사 장치를 부착해 검사하는 공정을 의미한다. 이번 표준공정 모델에선 레이저 비전 센서를 로봇에 부착하여 정량적 외관 검사를 수행했다.

<현재 공정의 문제>

현재 공정은 판넬 공급부터 완제품의 출하까지 다수의 작업자가 직접 모든 공정을 진행하고 있어 상당한 피로 누적과 단순 반복적인 작업 수행으로 인한 근골격계 질환을 유발하고 있다. 또한 용접 시 작업자가 수동으로 용접 및 검사를 수행하고 부주의로 인한 화상 및 자상 등의 안전사고 발생 우려가 크다.

▲ 자동차 의장 모듈 생산 전체 공정 흐름도

용접사의 피로도 누적 및 집중도 저하로 인한 용접 접합부 결함 불량이 다수 발생하고 있어 부족한 작업량과 생산성 저하 및 공정 불량률이 증가하고 있다. 작업자가 육안으로 용접상태 등을 검사하기 때문에 작업자가 검사를 누락하게 되면 대량의 불량품으로 인한 결함 및 사고발생을 유발할 수 있다. 따라서 검사 작업자의 감성적 요인이 배제된 로봇기반 아크용접 품질 검사 공정의 개발로 불량을 조기에 발견할 수 있는 시스템이 필요하다.

<로봇 활용 표준공정 모델>

아크 용접품질 검사 공정의 로봇자동화시스템은 산업용 및 협동 로봇, 용접품질 검사용 센서, 제어반 등으로 구성된다. 로봇은 아크용접용 로봇과 용접 품질 검사용 로봇으로 이뤄지며, 레이저 비전센서, 제어기, 용접전원시스템, 용접 부가장치, 근접 센서, 용접 지그장치, 안전펜스 등 주변장치를 필요로 한다.

▲ 아크 용접품질 검사 표준 모델 도입 솔루션

이를 통해 제조현장 근무환경 개선내용 등 효과를 기대할 수 있다. 레이저 비전 센서 기반의 용접품질검사 로봇 자동화 모델의 적용을 통해 기존 작업자의 육안 검사의 한계 극복이 가능하다. 용접 생산 공정과 용접품질 검사공정이 분리되어 동시에 수행되기 때문에 용접 생산성 향상이 가능하다. 또한 로봇에 의해 용접이 진행됨에 따라 생산시간이 일정하게 유지되고 시간당 생산 수량 파악이 가능해져 생산량 관리에 유리하다. 로봇 도입을 통해 수동용접으로 인해 발생되는 용접부의 결함 등을 방지해 균일한 품질을 가지는 제품의 생산이 가능하고 생산 제품의 불량률 감소가 가능하다.

장길수  ksjang@irobotnews.com

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