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[기획]2023년 표준공정 모델 기반 제조로봇 실증사업(2)2회-뿌리(금속/플라스틱) 분야 표준공정모델
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승인 2023.02.10  10:58:53
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한국로봇산업진흥원(원장 손웅희)은 이달 8일 ‘2023년 제조로봇 선도보급 실증사업’ 지원 과제를 공고했다. 제조로봇 선도보급 실증사업은 기 개발된 표준공정모델의 실증보급을 통해 제조업체들의 디지털 전환을 가속화하고, 로봇산업의 경쟁력을 강화하는 데 목적을 두고 있다. 진흥원은 또한 항공, 선박, 바이오· 화학 분야를 대상으로 2023년 ‘제조로봇 플러스사업(R&D 연계형)’ 지원 과제를 공고했다. 제조로봇 플러스사업은 기 개발된 표준공정모델의 실증보급을 통해 제조업의 디지털 전환 및 신시장 창출을 촉진하는 데 목적을 두고 있다.

이에 한국생산기술연구원(원장 이낙규)은 2023년도 뿌리(금속/플라스틱) 분야 제조로봇 선도보급 실증사업과 바이오ㆍ화학분야 제조로봇 플러스 사업을 지원할 예정이다.

생산기술연구원은 금속/플라스틱 분야 4대 뿌리공정(용접, 주조, 가공, 표면처리)과 바이오ㆍ화학 분야 로봇 활용 표준공정모델 개발 및 컨설팅 지원을 통해 로봇 활용도가 높지 않고 제조 환경이 취약한 뿌리 및 바이오/화학 산업의 수작업 공정에 제조로봇 보급 및 확산을 도모하여 제조업 경쟁력을 강화한다는 계획이다. 생산기술연구원은 한국로봇산업진흥원의 ‘2023년 제조로봇 선도보급 실증사업’과 ‘제조로봇 플러스 사업’과 연계해 표준공정모델의 보급 확산을 추진할 계획이다.

2023년 제조로봇 실증사업과 제조로봇 플러스 사업에 선정된 컨소시엄은 2023년 4월 1일부터 11월까지 표준공정모델 실증을 위한 로봇시스템 도입을 추진하게 된다. 한국생산기술연구원은 뿌리분야와 바이오ㆍ화학 분야 수요 조사 및 공정 분석을 바탕으로 이미 뿌리(금속/플라스틱) 분야와 바이오ㆍ화학 분야 표준공정 모델을 개발 완료 했다. 이미 개발된 뿌리(금속/플라스틱) 분야와 바이오ㆍ화학 분야 표준공정 모델을 3회에 걸쳐 소개한다.

게재 순서

1회 뿌리(금속/플라스틱) 분야 표준공정모델(1)

2회 뿌리(금속/플라스틱) 분야 표준공정모델(2)

3회 바이오 및 화학 분야 표준공정 모델

◇[뿌리]3D 비전 기반 멀티/비정렬 세팅 머신텐딩 정밀가공 공정의 표준공정모델 개발 및 로봇 실증

<개요>

다축 다관절 로봇 기반의 머신텐딩 공정에 3D 비전을 활용해 투입 소재를 세팅하고 작업물의 가공 정보를 3D 비전으로 자동 측정하여 입력하는 공정이다.

기존 공정은 작업자 숙련도 및 조건에 따라 불량이 발생하고, 단순 반복 작업으로 작업자의 피로도가 누적된다. 반복 세팅 시간이 누적되어 생산성 저하의 원인이 되고 있다. 따라서 표준공정모델의 도입을 통해 반복 세팅으로 발생하는 로스 타임을 줄이면서 멀티 작업물을 세팅하여 설비 가동률을 제고하고 자동화 세팅으로 불량률을 줄여야 할 필요가 있다.

<표준공정모델>

▲ 3D 비전 기반 멀티/비정렬 세팅 머신텐딩 정밀가공 공정 전체 흐름도

3D 비전 기반 멀티/비정렬 세팅 머신텐딩 정밀가공 공정은 단일 작업물 공정을 멀티 작업물 공정으로 전환하는 것을 의미한다. 적재된 소재를 협동로봇을 통해 설비에 로딩/언로딩하고, 3D 비전으로 소재의 유/무, 소재 크기, 베드 내 소재 위치점을 자동으로 파악해 워크 좌표계 및 측정 프로브 포스트(probe post)를 생성한다. 작업자가 수작업으로 작업물 가공 정보를 입력하는 것을 3D 비전 측정을 통해 자동으로 입력하고, 그 정보를 다시 프로브로 검증 및 보정해 세팅 자동화를 실현한다.

대부분 협동 로봇 제조기업들은 가반중량 5~15kg 내외인 협동로봇을 생산하고 있다. 협동로봇은 로봇 제어기에 그리퍼와의 신호 입출력을 위한 인터페이스를 제공하고 있으며, 기본적으로 그리퍼의 온/오프 기능을 제공한다. 전동 그리퍼를 사용하면 벌어지는 양과 오므라지는 양을 제어할 수 있다.

협동로봇을 피더(Feeder)라는 장치 위에 거치해 사용하는데, 이 같은 형태는 협동로봇을 이동시켜 사용할 수 있음을 의미한다. 협동 로봇의 이동으로 로봇 한 대로 다른 설비에도 이동해 적용할 수 있다.

공정 구조는 ▷협동로봇이 소재 베드에 안착 ▷소재 체결 방법에 따라 소재 셋팅 ▷가공 데이터 설비 전송 ▷3D 비전을 통한 소재 인식 ▷워크 좌표계 생성 및 측정 프로브 포스트 생성 ▷프로브 검사(소재 사이즈 검증 및 재설정, 워크 좌표계 재설정) ▷절삭가공 시작 ▷가공 완료 후 언로딩 등 순서로 이뤄져 있다.

표준공정모델 시스템은 6축 다관절 로봇(가반 하중 5~25kg), 그리퍼(3.3kg), 3D비전, 3D 프로브, 제어반 등으로 구성돼 있다.

▲ 표준공정모델 도입 솔루션
▲ 로봇 1기를 이용한 공정 설계도

<로봇 도입 기대효과>

표준공정모델 적용에 따라 기존 작업 인력을 대체해 생산성 증가, 비용 절감, 작업자 환경개선 등 효과를 기대할 수 있다. 정량적으로는 월 생산량 56% 증가, 월 노무비 67% 절감 효과를 볼 수 있다. 정성적으로는 ▷현장 작업 인력의 피로도 감소로 인한 생산성 향상, 근로 환경 개선 ▷현장 작업 인력의 위험 환경 노출 최소화 및 산업 재해율 감소 ▷멀티/비정렬 세팅 실현으로 로스 시간 감소 및 생산성 향상 ▷공정 필수인원의 타 공정 재배치 및 인건비 감소 등 생산원가 절감 등을 기대할 수 있다.

◇[뿌리] 사출공정 후가공 자동화 공정의 표준공정모델 개발 및 로봇 실증

<개요>

자동차의 볼밸브 생산라인 인서트 사출공정은 수작업으로 인서트를 금형에 삽입하고, 사출 성형해 추출하는 공정을 의미한다. 기존 공정에서는 인서트 삽입, 제품 언로딩, 품질 검사 등을 작업자가 대부분 수행하기 때문에 생산성이 떨어지고 품질 저하 문제가 발생했다. 작업자의 피로도와 집중도 저하에 따른 안전사고 위험이 심각한 상황이다. 디버링 수작업에 의존한 기존의 공정은 인건비 공수 및 안전 사고, 사이클 타임 누적 손실 등의 원인이 되고 있다. 따라서 로봇자동화 시스템을 도입함으로서 작업상의 오류로 인한 생산제품의 품질 불량을 개선하고, 생산성을 제고할 필요가 있다.

<표준공정모델>

표준공정모델은 디버링 시스템에 로봇 자동화 시스템을 도입해 생산성, 품질성, 안전성을 확보하려는데 목적이 있다.

한국생산기술연구원(원장 이낙규)은 표준공정 모델을 만들기 위해 사출자동화 디버링 시스템에 관한 공정분석을 실시했다. 이를 위해 전기자동차 배터리 전도체_부스바 생산공정과 볼밸브 사출 자동화 시스템 공정을 분석했다. 전기자동차 배터리 전도체_부스바 생산공정은 ▷소재 공급 ▷ 클립 조립-사출기 로딩-성형 ▷ 버(burr) 제거-품질검사-전류흐름검사-제품포장-출하 등으로 구성돼 있다.

전기차 버스바 사출 생산라인 표준공정모델시스템은 협동로봇, 그리퍼, 부쉬 피더기, 사출기, 검사장치, 디버링 장치, 컨베이어, 안전장치 등 장비로 이뤄져 있다.

▲ 전기 자동차 부스바 생산 전체 공정 흐름도

볼밸브 사출 자동화 시스템은 ▷인서트 트레이 적재-사출공정 입고-인서트 정렬(작업자) ▷인서트 사출기 삽입(작업자)-사출성형-제품 취출-쿨링 후 제품 버(burr) 제거(작업자) ▷품질검사-트레이 적재-제품 이송-완제품 적재-팔렛트 이송 ▷박스 적재 등으로 구성돼 있다.

▲ 자동차 배터리 버스바 자동화 생산 공정 표준모델 도입 솔루션

자동차 볼밸브 사출 생산라인 표준공정모델 시스템은 협동로봇, 트레이 공급기, 디버링툴, 그리퍼, 안정장치 등으로 이뤄져 있다.

▲ 사출자동화 시스템 전체 생산공정 흐름도
▲ 수평 사출 자동화 생산 공정 표준모델 도입 솔루션

<로봇 도입 기대 효과>

표준공정 모델 적용에 따른 기대 효과를 정량적인 측면에서 살펴보면, 전기차 버스바 사출 생산라인 자동화 공정의 경우 생산량이 기존 시간당 15개에서 시간당 20개로 증가했고, 불량률도 기존 6%에서 2%로 줄었다. 자동차 볼밸브 생산라인 자동화 공정의 경우 생산성이 시간당 48개에서 시간당 72개로 개선되고 불량률은 기존 6.17%에서 3%로 줄었다. 정성적인 측면에선 작업 환경 개선, 생산 제품 개선, 노동자 만족도 향상, 원가 경쟁력 확보, 고객 품질만족 등 효과를 기대하고 있다.

◇[뿌리]플라스틱용기_도장 공정_검사/포장의 표준공정모델 개발 및 로봇 실증

<개요>

플라스틱 용기 도장(표면처리) 작업은 대표적인 노동집약적 공정이다. 플라스틱 용기 사출부품의 수요 증가로 도장 공정에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있지만 공정에서 발생하는 유해 화학물질 때문에 대표적인 3D 기피 업종으로 인식되고 있다.

일용직 근로자가 대부분으로, 업무에 대한 작업 지시와 교육이 반복적으로 이뤄지면서 업무의 효율이 떨어지고 있다. 코로나 19 감염병의 대유행 이후 인력난은 심화되고 있다.

▲ 플라스틱 용기 도장 공정 흐름도

플라스틱 용기 사출 부품은 품질 확보가 중요하다. 하지만 현실적으로 작업자를 통한 품질검사에는 한계가 있다. 현재 품질 검사업무를 수행하기 위해 수작업(육안) 중심의 검사를 진행하고 있는게 일반적인 현실이다.

작업자의 반복적인 검사로 인해 생산성이 감소하고 작업자의 피로도가 누적되면서 휴먼에러(Human Error)가 발생, 품질의 신뢰성에 영향을 주고 있다. 또한 생산 설비의 상당 부분에서 디지털화된 정보의 부재로 제품 생산 정보, 품질 및 불량 정보 등을 활용 및 개선하는 데 어려움이 따른다. 이 같은 문제를 해결하기 위해 품질검사 로봇을 도입할 필요가 있다. 플라스틱 용기 자동 도장 이후 컨베이어 벨트를 통해 건조로에 나온 제품을 육안으로 검사하고 포장용기에 언로딩 하는 공정을 자동화함으로써 업무의 효율을 높여야 한다.

<표준공정모델>

도장 공정은 휘발성 용제를 사용하기 때문에 인화성 물질 사용에 따른 방폭/방진 설계가 필수적이다. 또한 생산품의 변화에 따른 티칭 용이성, 시스템 고기능화 대응 능력, 유지보수(Maintenance)의 용이성 등이 충족되어야 한다. 특히 도장 제품은 다양한 기후와 환경조건 속에 오랜기간 사용되기 때문에 높은 수준의 품질과 기술이 요구된다.

플라스틱 용기 표면처리를 위한 도장 공정은 플라스틱 용기를 비롯해 다양한 형태의 물체에 도장 재료를 칠하여 녹이나 부식으로부터 소재를 보호하고, 도료를 혼합해 다양한 색채로 외관을 수려하게 만들어 상품성을 높이는 기술이다. 다양한 사출 성형 제품을 대상으로 분무기(spray gun)를 사용하여 압축공기 또는 압송에 의해 도료를 피도면에 분무하는 공정이다. 플라스틱, 음료 등 다양한 용기의 표면에 도장을 입힌 제품은 비전 시스템을 통해 품질을 검사한다. 이 기술은 향후 플라스틱 용기뿐만 아니라 차체 소재, 금속 소재 등의 표면처리 기술에도 적용 가능할 것으로 예상된다.

플라스틱 용기 도장 공정은 ▷컨베이어 벨트를 통해 작업자에게 제품 이동 및 언로딩 ▷작업자 육안검사를 통해 양품 및 불량품 판별 ▷양품 제품은 양품 바스켓으로 이동 ▷불량 제품은 불량 바스켓으로 이동하는 공정으로 구성돼 있다.

▲ 로봇과 비전을 이용한 공정설계도

이 같은 문제 해결을 위해선 도장라인 제품 취출 로봇과 인공지능 기반 비전 검사 설비를 통한 공정 자동화 실현이 필요하다. 다수의 인력이 투입되는 공정을 로봇으로 대체해 기업의 운영 효율을 극대화하고, 운영비용을 절감할 필요가 있다. 표준공정모델의 시스템은 6축 이재 로봇(가반하중 80kg), 3축 협동로봇(가반하중 1.5kg), 그리퍼(파지력 15kg), 로봇 베이스, PLC, 비전시스템 등으로 이뤄져 있다.

표준공정모델 적용시 컨베이어 벨트의 속도가 빠르고 제품이 작아 언로딩 작업을 수행하기 위해 작업속도가 빠르고 정확해야 한다. 또한 제품 검사시 동일한 환경을 유지할 수 있도록 검사 환경을 구성해야 한다. 조명 및 카메라의 이동으로 검사 조건이 달라지면 검사에 실패할 수 있다.

<로봇 도입 기대 효과>

한국생산기술연구원이 이번 표준공정모델을 적용한 사업장의 경우 표면처리 공정에 평균 10~15명의 작업자가 근무해왔다. 이 기업의 경우 표준공정모델의 도입에 따라 월 생산량과 시간당 생산량이 각각 12%씩 개선 효과가 기대된다.

또한 투입 인원도 현재 12명에서 2명으로 줄일 수 있고, 기존 인력을 타 공정이나 신제품 개발 공정에 투입할 수 있어 인력 활용의 유연성이 높아지는 부대적인 효과도 있다. 로봇 도입 투자비용 예상 회수기간도 2개월 정도로 짧은 것으로 나타났다. 정성적인 측면에선 ▷작업자 근골격계 질환 및 시력저하 위험으로부터 보다 안전한 근무환경 제공 ▷기존 인력 재배치를 통한 인건비 절감 등을 기대할 수 있게 됐다.

◇[뿌리] 대형 차체 부품 갠트리형 후가공 공정의 표준공정모델 개발 및 로봇 실증

<개요>

가공품의 최종 품질을 결정하는 후가공 공정은 뿌리산업분야에서 가장 자동화가 이뤄지지 않은 분야다. 가공부위를 사상하는 작업은 작업자의 능률에 따라 편차가 크고, 고중량물 제품 작업시 휴먼에러의 발생도 우려된다. 작업자가 동일한 자세로 반복작업을 실시함에 따라 근골격계 질환 및 사상작업시 발생되는 분진으로 호흡기 질환이 발생할 수 있으며 고중량물 제품 이송시 낙하 사고 등 안전사고에도 노출되어 있다. 소재 가공, 사상 작업은 대표적인 3D업종으로 분류되어 작업자의 고령화가 빨라지고 있으며, 젊은 인력의 수급에 어려움을 격고 있다.

하지만 후가공(디버링, 사상, 피니싱) 공정은 가공시 분진처리, 힘제어, 복잡한 자유형상 등 여러 제한조건 때문에 로봇자동화시스템을 구축하는 게 힘들다. 또한 가공시 발생하는 가공부하는 강성이 약하고, 정밀도가 낮은 로봇의 모션제어를 더욱 어렵게 만든다.

이번 로봇보급 실증사업을 통해 개발된 대형 차체 부품 갠트리형 후가공 공정 모델은 대형 부품을 후가공 하기 위해 갠트리형 구조를 활용해 넓은 작업 영역을 확보하고, 작업 환경이 열악한 후가공 공정을 로봇을 활용해 자동화하는 데 목적이 있다.

<표준공정모델>

로봇 기반 후가공 공정은, 기존의 CNC 공작기계에서 수행하던 정밀 절삭 가공을 일반 6축 산업용 로봇에 가공 스핀들을 부착해 절삭가공 공정을 수행하는 것을 의미한다. 표준공정 모델은 2m 이상의 대형 차체 부품을 후가공 하기 위해 갠트리형 로봇시스템(로봇 6축+갠트리 2축)을 설계했고, 가공 과정에서 발생한 치수 오차를 보정하기 위해 비전 시스템을 적용, 로봇의 경로를 보정했다. 대차 부품 후가공(디버링) 공정은 ▷가공된 대차 부품 안착(크레인) ▷작업자가 가공된 면을 수작업 툴(tool)을 이용하여 사상 작업 ▷가공된 부위 작업 후 소재 반전하여 사상 작업 ▷완료된 부품 후처리공정으로 이동(크레인) 등 공정 흐름을 갖고 있다.

▲ 대차 부품 가공생산 전체 공정 흐름도

표준공정모델은 대형 부품 후가공(디버링) 공정을 자동화할 수 있는 시스템이다. 조립 과정에서 발생하는 공차(수 mm) 때문에 부품 마다 로봇 경로를 보정해줘야 하는데 이를 자동으로 대체할 수 있는 비전 시스템을 구성했다. 로봇이 작업 가능한 영역 부분만 로봇이 담당하고, 로봇이 작업하지 못하는 부분은 수작업으로 대처 가능하도록 시스템을 구성했다.

표준공정모델 시스템은 6축 수직 다관절 로봇, 그리퍼(디버링 툴), 진입/취출장치, 로봇주행 갠트리, 제어반 등으로 이뤄졌다.

▲ 표준공정모델 시스템 구성안

<로봇 도입 기대효과>

후가공 공정의 표준공정 모델 도입으로 가공품의 최종 품질이 개선되고 생산성이 제고되는 효과를 기대할 수 있다. 생산성의 불균일 문제가 해소되면서 생산성 계획 수립이 가능해질 것으로 보인다. 또한 대표적인 3D 업종인 후가공 공정의 작업 환경이 크게 개선된다. 작업 도중 발생하는 고중량물 낙하 사고로 인한 안전 사고를 시스템적으로 예방할 수 있으며 작업자 근골격계 질환도 예방할 수 있는 효과가 기대된다.

장길수  ksjang@irobotnews.com

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