한국로봇산업진흥원(전담기관)과 한국생산기술연구원(지정 참여기관)은 지난해 제조로봇 선도보급 실증사업과 제조로봇 플러스 실증사업을 통해 뿌리산업(금속/플라스틱)과 바이오화학산업을 대상으로 제조로봇 보급을 추진했다.

제조로봇 선도보급 실증사업은 작업 환경이 열악한 뿌리공정의 로봇활용 표준공정 모델을 바탕으로 제조로봇 개발 및 실증을 통해 제조 로봇시장 확대 및 뿌리산업 제조 경쟁력 강화를 위해 추진되고 있다. 제조로봇 플러스 실증 사업은 플러스 공정 모델의 개발 및 실증을 기반으로 제조업뿐 아니라 전산업의 디지털 전환 및 신시장 창출을 촉진하겠다는 목표아래 추진되고 있다.

두 실증사업 모두 수요기업과 SI기업이 컨소시엄을 구성해 참여한다. 한국생산기술연구원은 제조로봇 실증사업이 노동력 부족, 열악한 작업 환경으로 어려움을 겪고 있는 제조 현장의 경쟁력을 제고할 것으로 기대하고 있다. 한국생산기술연구원이 추진한 '2023 제조로봇 실증 사업'의 주요 성과를 사례를 통해 소개한다.(편집자)

◆ 뿌리산업 제조로봇 선도보급 실증 사례(1) 동아정밀공업(수요기업)-건솔루션(공급기업)

(과제명)블로우 금형 노즐 정밀가공품의 3D 비전 활용 세팅 및 CNC 가공 공정 로봇 자동화(3D비전 기반 멀티/비정렬 세팅 머신텐딩 정밀가공공정)

◊ 참여 기업 개요

지난 1982년 설립된 동아정밀공업은 전량 수입에 의존하던 페트(PET)용기 생산용 금형 기술(ONE STAGE INJECTION & STRETCH RBLOW MOLD)을 국내 처음으로 국산화했다. '인젝센 블로우 시스템(INJECTION BLOW SYSTEM)'을 완비하고 있어 제작된 금형의 시험 사출 작업을 자체적으로 수행할 수 있으며, 철저한 품질보증시스템의 이행을 통해 고객의 신뢰를 쌓아왔다. 제13회 금형의 날 행사에서 대통령 표창을 수상했으며 부천 강소기업으로 선정되기도 했다. 주요 생산제품은 2-스테이지 프리폼(Freeform) 금형과 1-스테이지 스트레치 블로우 금형이다. 이들 제품은 페트병 생산에 필요한 금형이다.

공급기업인 건솔루션은 지난 2011년 창립 이후 제조 기술의 IT화와 융합 기술 구현에 노력해왔으며, 로봇시스템 및 스마트공장 솔루션을 전문적으로 제작, 판매하고 있다. 정밀가공 및 금형제작 등 제조 산업 분야 고객들을 대상으로 ICT 기반 시스템 구축을 적극 추진하고 있다. 그동안 다수의 제조로봇 선도보급 실증사업을 진행해왔다.

◊ 대상 공정의 문제점

동아정밀공업은 블로우 금형의 노즐 정밀 가공품을 만들기 위한 선반 가공 공정을 수작업으로 진행해왔다. 이에 따라 소재 세팅 시 작업자의 노하우, 촉각, 시각에 대한 의존도가 매우 높았다. 작업 현장에서 작업자에 대한 숙달 교육 및 이물질 인입 최소화 등 노력을 기울였으나 작업자의 피로도 증가, 초기세팅 불량 등 문제가 지속적으로 발생하고 생산성이 떨어졌다. 또한 부품의 생산단가가 자체 가공시 보다 높은 상황이 발생해 주로 외주에 의존해 생산을 진행했다. 결국 외주 비용 발생으로 수익성 저하가 지속적으로 발생했다. 게다가 다양한 거래처에서 발주하는 다양한 품목에 대응해야 하고, 짧은 생산 일정 때문에 납기 대응이 쉽지 않았다. 이를 개선하기 위해선 로봇자동화 시스템도입을 통해 생산성 개선, 다양한 품종에 대한 납기 대응, 불량 발생 원인 억제를 통한 수익성 개선의 필요성이 제기됐다.

▲ 적용 대상물과 작업

로봇 자동화 시스템 도입시 현장 작업자의 숙련도에 전적으로 의존하던 방식에서 벗어나 3D비전과 협동 로봇을 활용한 소재 위치 포지셔닝 및 소재 세팅 방식으로 작업 형태를 개선할 수 있다. 로봇 도입을 통해 외주 제작에 의존하던 기존의 가공품을 자체적으로 생산하면, 기존의 제작 단가에 비해 저렴하게 제품을 생산해 수익성을 개선할 수 있을 것으로 기대된다. 로봇시스템의 가동으로 가공 설비 시간의 확충을 통해 생산성을 제고하고, 제품에 대한 수급 예측으로 제품 납기에 대한 선제적 대응이 가능해질 것으로 예상된다. 또한 협동로봇이 위험 작업을 대신 수행하면서 안전사고의 발생 가능성을 줄이고, 기존 공정에 투입되었던 인원을 필수 공정에 재배치하여 현장 업무 효율을 제고할 수 있을 것으로 기대된다.

◊ 실증 사업 추진

▲ 로봇시스템의 레이아웃

이번 실증 사업에는 표준 공정모델인 ’3D비전 기반 멀티/비정렬 세팅 머신텐딩 정밀 가공공정‘이 활용됐다. 이 공정의 핵심은 공작기계(CNC, MCT)와 연동해 3D비전이 소재를 스캔한 후 가공물을 공작기계에 로딩/언로딩하는 공정을 6관절 산업용 로봇 및 협동 로봇으로 수행하는 것이다.

이번 실증 사업의 참여 기업들은 CNC머신과 연동해 3D비전으로 소재를 스캔한 후 가공물을 공작기계에 로딩/언로딩하는 공정을 협동로봇으로 수행하는 게 표준공정모델 공정의 핵심과 부합한다고 판단했다. 작업 순서는 소재 이송 및 투입(작업자) → 소재 위치 포지셔닝 및 픽킹(로봇 및 3D비전) → 소재 로딩 및 클램핑(로봇) → 소재 재검증 측정(Probe) → 절삭가공 → 가공품 측정(Probe) → 가공품 언로딩(로봇) → 소재 배출 적재(작업자) 등 순으로 진행됐다.

시스템 구성은 두산로보틱스의 25kg 가반하중 6축 협동 로봇 1대, 2핑거 전동 그리퍼, 트레이 이송 대차, 소재 적재 프레임, 안전장치, 관제시스템 등으로 이뤄졌다. 표준공정모델에서 정의한 작업물 5kg 이하의 그리핑을 위해 전동그리퍼 PCG-140-50 모델을 채택했으며, 표준공정모델에서 정의한 S/W 인터페이스의 로봇 머신텐딩 작업 지시를 위해 Gr-WPS를 도입했다.

▲ 로봇시스템 도입 현장

▲ 로봇시스템 도입 현장

◊ 검증 결과 및 기대 효과

현장 성능 검증 결과 6축 로봇, 전동 그리퍼, 정렬장치, 비전 등 각 장비가 적정하게 설치 및 동작하고 있는 것으로 확인됐다. 구체적인 검증 결과는 다음과 같다. ▶(소재 위치/로딩 공정) 로봇에 장착된 그리퍼와 3D비전이 소재 위치 포지셔닝 및 픽킹해 CNC 설비 내 척에 클램핑하는 작업 관련 장치 및 공정을 적정하게 수행함▶(언로딩/반전/로딩 공정) 로봇이 가공품을 CNC 설비에서 언로딩/반전 후 CNC 설비 내 척에 클램핑하는 작업을 적정하게 수행함 ▶(언로딩/배출공정) 2차 가공이 완료된 가공품을 로봇이 언로딩 후 적재대에 배출하는 과정을 적정하게 수행함.

2023년 11월 20일부터 11월 24일까지 로봇을 시험 운영한 결과 생산량은 1721개로 43.4% 개선돼 초기 목표 1700개 대비 KPI 목표를 달성했다. 불량률도 0.7%로 78.1% 개선되어 초기 목표 1.0% 대비 KPI 목표를 초과 달성했다. 실증 사업을 통해 생산성 향상, 불량률 감소 등 효과를 기대할수 있게 됐다. 또한 납기 준수, 근로환경 개선, 신규 고객 확보 등이 가능해질 전망이다.

◆ 뿌리산업 제조로봇 선도보급 실증 사례(2) 영화금속(수요기업)-워터웍스유진(공급기업)

(과제명) 중력 주조품 후가공 절단 공정 로봇 자동화 시스템(중력 주조품 후가공절단공정)

◊ 참여 기업 개요

수요기업인 영화금속은 1987년 창사 이래 30여년간 자동차 분야 및 기계 산업 분야 등에 활용되는 알루미늄 제품을 전문적으로 개발 및 생산해왔다. 주요 생산제품인 워터 모터 하우징(Water Motor Housing)은 반도체 제조 설비부품, 모터 회전과 동시 수냉 효과를 겸한 진공펌프 동력 제품에 활용된다. 공급기업인 워터웍스유진은 지난 1971년 수도꼭지 제조업으로 사업을 시작했으며, 지난 1994년 KIST와 공동으로 로봇연마시스템을 개발했다. 디버링(Deburring), 연마, 도금, 절단 등 다양한 제조공정에 로봇자동화를 성공적으로 도입했다. 이러한 다양한 경험을 바탕으로 뿌리산업공정 분야에 로봇자동화시스템을 공급하는 로봇 SI기업으로 자리잡고 있다.

◊대상 공정의 문제점

중력 주조품 후가공 절단 공정은 고숙련 작업자의 암묵지 기반 수작업에 의존함으로서 공정 시간이 증가하고, 제조 공정의 병목현상을 야기하고 전체 작업효율을 저하시킨다. 작업자의 숙련도 차이에 따라, 그리고 당일 작업자의 컨디션 및 피로도 누적 정도에 따라 후가공 품질의 편차가 발생해 추가 작업 요구, 불량률 증가 등 문제가 발생했다.

▲ 적용 대상물과 작업 후

또한 고중량/중대형 제품 취급에 따라 작업자의 동일 자세 반복에 의한 피로도 누적과 근골격계 부담, 공정 중 발생하는 파편·용탕액적·흄·비산 먼지 등 노출에 의한 안전사고 위험도 상존했다. 고숙련 인력의 노령화, 청년층의 3D 업종 기피, 외국인 채용 제한에 따른 인력 수급의 어려움 등도 생산 현장의 어려움을 가중시켰다.

◊실증 사업 추진

▲ 로봇 시스템 레이아웃

이번 실증사업에는 중력 주조품 후가공 절단 공정에 관한 표준공정 모델이 적용됐다. 이 표준 모델의 핵심은 로봇과 절단툴을 이용해 주조품을 절단한 후 사상하는 단순 반복 공정이다. 절단, 연마, 로딩/언로딩 공정에 로봇을 도입하면 작업자 보호와 품질 및 생산성 향상을 기대할 수 있다.

실증 사업에는 표준공정에서 요구하는 로봇절단 공정에 로봇을 이용한 세척, 연마, 디버링, 검사 등 공정을 추가했다. 작업 순서는 주조품 공급(파레트타입) → 제품 센터링 및 툴교체(센터링 유니트) → 절단(로봇) → 제품 센터링 및 툴교체(센터링 유니트) → SUS튜브 절단(로봇) → 연마(로봇) → 세척(로봇) → 디버링(로봇) → 절단면 검사(로봇) → 주조품 배출(컨베이어) 및 적재 순으로 이뤄졌다.

실증사업에 적용된 로봇자동화 시스템은 현대로보틱스의 가반중량 220kg의 6축 로봇, 1핸드 타입 로봇그리퍼, 센터링 유니트(제품 지그), 절단기, 벨트 연마기, 세척 유니트(수세통), 디버링 원형사상기, 측정 유니트(계측실린더), 제품 배출장치, 시스템 제어반, 안전장치 등으로 구성됐다. 이번 실증 사업을 통해 영화금속은 중력 주조품 후가공 절단 공정 중 절단/가공 및 검사작업에 로봇시스템을 도입해 절단, 연마, 세척, 디버링, 절단면 검사작업을 자동화했다.

▲ 로봇시스템 도입 현장

▲ 로봇시스템 도입 현장

◊ 검증 결과 및 기대효과

지난 12월 현장 성능 검증을 실시한 결과 로봇, 제품공급장치, 절단기 등 각 장비가 적정하게 설치 및 동작되었음을 확인했다.

구체적인 검증 성과는 다음과 같다. ▶(제품공급 공정) 작업자가 제품을 공급장치에 적재한 후 로봇이 파지 가능한 위치로 이송하는 작업 관련 장치 및 공정을 적정하게 수행함 ▶(센터링 및 툴교체 공정) 로봇이 제품을 파지하여 센터링 유니트에 옮겨놓고 그리퍼 교체 후 다시 제품을 파지하는 작업을 적정하게 수행함 ▶(절단 공정) 제품을 절단기로 로딩한 후 탕구를 절단하는 작업을 적정하게 수행함 ▶(센터링 및 툴교체 공정) 센터링 유니트로 제품을 옮긴 후 그리퍼를 교체하고 제품을 파지하는 작업을 적정하게 수행함 ▶(절단 공정) 제품을 원형절단기로 로딩하여 SUS튜브를 절단하는 작업 관련 장치 및 공정을 적정하게 수행함 ▶(연마 공정) SUS튜브를 절단한 후 밸트연마기로 제품을 옮겨 SUS튜브 절단면을 연마하는 작업 관련 장치 및 공정을 적정하게 수행함 ▶(세척 공정) 연마 완료 후 세척기로 세척하는 작업 관련 장치 및 공정을 적정하게 수행함 ▶(디버링 공정) 디버링기로 옮겨 금형 커팅라인 디버링 사상하는 작업 관련 장치 및 공정을 적정하게 수행함 ▶(검사 공정) 로봇이 측정유니트에 로딩하여 검사하는 작업 관련 장치 및 공정을 적정하게 수행함 ▶(배출 및 적재 공정) 로봇이 컨베이어에 제품을 배출하는 작업 관련 장치 및 공정을 적정하게 수행함.

이번 실증 사업에 대해 KPI 근거자료를 확인한 결과 로봇을 시험 운영한 작년 9월 16일부터 10월 11일까지 생산량은 120개/일 로 20% 개선되어 생산량 향상 효과를 거둔 것으로 나타났다. 또한 불량률이 0%로 100% 개선되어 불량률이 크게 개선되는 효과를 보였다. 원가절감 측면에선 투입 비용을 줄여 원가를 큰 폭으로 절감한 것으로 나타났다.