재료 가공에 대한 새로운 관점

유리필터장치와 소결유리필터를 로봇과 레이저 기반 시스템으로 제작한다. 유리 콤포넌트의 전체 핸들링, 가공, 용융, 마킹을 단 하나의 시스템으로 처리할 수 있다.

슈테판 쿨란트: Robu Glasfilter-Geräte GmbH 이사
공학박사 한스 P. 프리체: Gerd Trommer TRG 편집 에디터

유리필터장치와 소결유리필터는 화학, 약학, 식료품 생산, 식료품 검사, 센서 기술, 크로마토그래피, 핵의학 분야 등의 연구실에서 장치법과 분석법에 반드시 필요한 요건이다. 유리필터장치와 소결유리필터를 제조하려면 상당히 높은 수준의 재료 노하우와 공정상 노하우 그리고 기술상 노하우가 필요하지만 이런 부분에 상당한 어려움이 따른다. Robu사의 경우에도 유리전문 기술자의 부족으로 유리필터 생산을 자동화하는 본질적인 프로젝트가 절실했다. 결국 Robu사는 전자동, 다기능 제조, 가공 시스템의 설계 및 구현을 Trebbin GmbH에 주문하였다. 

로봇 기반 자동화가 경쟁력을 보장한다

특수기계 제조사들은 로봇을 기반으로 하는 자동화 사업에 초점을 맞추고 있다. Trebbin사는 로보틱스 분야의 ABB Automation GmbH와, 레이저 분야의 Feha Lasertec GmbH을 파트너로 결정하였다. 성공적인 로봇 어플리케이션은 어떤 일을 할 수 있을까? 기본적으로 일반적인 산업 로봇은 가상의 작업 지점 TCP(Tool Center Point)에서 지정된 작업 공간을 빠르고, 정밀하고, 반복적으로 동작한다. 로봇에 의해 안내되는 그리퍼나 공구, 이들을 지원하는 센서 장치와 숙련된 소프트웨어, 지능적인 컨트롤 그리고 프로그래밍이나 구성을 통해 로봇을 자동화에 필요한 가장 효율적이고 다재다능한 기계로 만들고 있다. 이런 방식으로 산업 로봇은 제조업에서 많은 응용 영역을 정복하고 높은 생산성과 품질 그리고 지속 가능성을 유지하고 있다. 용접, 리벳팅, 조립, 점검, 혹은 모든 유형의 제품 분류와 포장 분야 등이 더욱 그러한데, 산업 로봇은 도장하고, 접착제를 도포하며, 주물 부품의 버를 제거하고, 기계를 조작하고, 단조하고, 절단하고, 절삭하고, 연마하고, 표면을 가공하고, 공작물이나 공구를 핸들링하고, 심지어는 서로 팀을 이루어 작업할 수도 있다. 이러한 로봇들의 콜라보레이션은 새로운 어플리케이션을 가능하게 한다. 

로봇 기반 자동화는 개별화가 작아도 이익을 창출한다

Robu사는 전자동 로봇, 레이저 기반 핸들링, 용융 및 마킹 시스템으로 연구소용 고품질 붕규산 유리 제품을 제작한다
Robu사는 전자동 로봇, 레이저 기반 핸들링, 용융 및 마킹 시스템으로 연구소용 고품질 붕규산 유리 제품을 제작한다

다음 예시는 Robu사의 유리필터 엘리먼트 Vitra Por의 제작 과정이다. 협동(협업)로봇을 기반으로 하는 자동화는 대량 생산뿐만 아니라, 중간 정도 심지어 최소 크기로 고품질 제품을 제작할 때 이익에 초점을 두고 있다. 소개한 시스템의 핵심을 이루는 것은 IRB 140 타입의 ABB 6축 로봇 2개와 Feha SM1000E 타입의 CO2-레이저이다. 작업 사이클당 마주보는 두 로봇이 각각 하나의 Vitra-Por 소결 유리 필터 디스크나 유리관을 두 개의 로봇셀 트레이에서 잡는다. 이어서 로봇은 자신의 그리퍼를 정확하게 평행 정렬한 후 정해진 깊이에 필터 디스크를 유리관에 삽입한다. 이 단계가 완료되면 그리퍼가 회전을 하고, 필터 타입, 튜브 크기 그리고 필터 디스크 위치에 따라 하나의 로봇이 두 개의 유리 콤포넌트 (튜브와 필터 디스크)를 연속 회전하는 콤비 그리퍼를 이용하여 레이저 초점에 맞추거나 두 로봇이 멀티 무브 모드 중 동기화 모드로 작업한다. 이어 레이저가 필터 디스크를 정밀하게 파이프에 융합하고 열처리를 위해 국지적으로 가열하는데 국지적 열처리는 회전축과 직각으로 밀착하는 폼롤러를 이용한다. 이때 로봇은 성형 시 발생하는 힘을 견뎌야 하며, 동시에 유리 공예가처럼 섬세함이 있어야 한다. 융합과 성형 후에 로봇은 유리관을 경사진 회전 위치로 교대로 옮기고, 레이저로 양쪽 튜브 날카로운 끝부분을 매끄럽게 다듬는데 이는 비드가 생기지 않도록 다듬는 것이다. 이어서 로봇 하나가 완전히 접합된 유리 필터를 레이저 마킹에 필요한 위치로 안내하고 마킹 작업 후 유리 필터는 트레이로 복귀한다.   

로봇이 단계적으로 유리를 필요한 위치로 회전시킨다

구상 단계 후 시스템 개발자는 오프라인 프로그래밍시뮬레이션 소프트웨어 Robot Studio를 이용하여 시스템의 다양한 절차를 시뮬레이션하고 있을 수 있는 애로사항을 분석한
구상 단계 후 시스템 개발자는 오프라인 프로그래밍시뮬레이션 소프트웨어 Robot Studio를 이용하여 시스템의 다양한 절차를 시뮬레이션하고 있을 수 있는 애로사항을 분석한

로봇과 함께 CO2-레이저도 중요한 역할을 한다. Feha SM1000E는 두 가지 모드로 작업한다. 에너지 출력이 높을 때에는 필터 디스크를 붕규산 유리관에 융합하고 열처리를 위해 유리를 가열한다. 마킹 시에는 에너지를 보다 적게 투입하여 Feha가 개발한 마이크로 절삭법으로 작업하는데 마이크로 절삭법으로는 부분 이미지를 투영하여 자유롭게 형상화할 수 있는 기호를 마킹할 수 있다. 이를 위해 로봇이 유리를 단계적으로 필요한 위치로 회전시킨다. 컨트롤 소프트웨어를 통해 작업자는 다양한 그라비어 이미지를 위한 다양한 레이저빔 운동을 실현한다. 빔 가이드와 빔 쉐이핑을 위해 Feha가 개발 제작한 광학 요소들이 제품을 정확하게 식별하고 추적할 수 있도록 정확하게 배치 명칭을 인쇄한다.

Robu사로서는 로봇 기반 자동화로 공정을 전환한 것이 효과가 있었다. 유연하게 프로그래밍할 수 있고 수많은 공작물별 그리퍼와 폼롤러를 통해 로봇-레이저 시스템으로 다양한 형상, 두께, 튜브 외경과 내경, 필터 크기와 길이를 지닌 유리를 제작할 수 있게 되었다. 열적 공정과 로봇별 공정은 각 필터 타입에 맞추어 개별적으로 조정할 수 있다. 또한 Robu사는 모든 공정 단계를 매개변수화할 수 있고, 전체 공정을 필요 시 원하는 모듈식으로 편성하고 새로운 제품에 맞추어 조정할 수 있다.

Trebbin 이사 게르하르트 트레빈에게 유리 가공을 위해 회전하는 12축 로봇 기반 공정을 개발하는 것은 큰 도전 과제였다. 컨셉트 개발 후에는 실현 가능성, 있을 수 있는 충돌 리스크, 위치 도달 가능성을 점검하는 것이 문제였다. 또 물체 운동 경로의 최적화와 두 로봇의 작업 영역 최적화를 통해 가능한 큰 자유도를 달성하는 것이었다. 트레빈은 ABB의 오프라인 프로그래밍/시뮬레이션 소프트웨어 Robot Studio를 사용하였다. 이 소프트웨어의 심장부는 모든 기능을 포함하여 실제 로봇 컨트롤 IRC5를 정확하게 복사한 통합 버추얼 컨트롤러(Virtual Controller, VC)이다. 3D-CAD 라이브러리로부터 기록되는 로봇과 기타 기계 및 장치 모델들과 함께 실제에 가까운 가상 로봇셀이 작성된다. 

로봇 기반 프로세스로 연속적인 핸들링, 용융 및 붕규산 필터의 개별적인 마킹이 가능하다
로봇 기반 프로세스로 연속적인 핸들링, 용융 및 붕규산 필터의 개별적인 마킹이 가능하다

유리 가공은 완벽하게 동시적으로 이루어져야 한다

두 로봇 상호 간에 그리고 레이저의 외부 축을 포함하여 동시적으로 완벽하게 움직이는 것이 이 어플리케이션의 본질이다. 유리관, 소결유리필터 그리고 모든 로봇 축들은 가공 중에 정확하게 동기화 축 위에 있어야 하고, 두 로봇의 무한 회전 그리퍼는 절대적 동일 속도로 회전해야 한다. 회전 속도에서 조금만 차이가 있어도 유리관에 정확하게 배치되지 못한 유리필터 디스크로 인한 오류가 나중에 사용 시에 나타나 유리관은 폐기해야 한다. 고객 클레임으로 이어지기 때문에 정밀함이 가장 우선시되어야 한다.    

용융 프로세스에는 고정밀 로봇이 필요하며 통제 불가능한 열응력을 방지하기 위해 유리관과 연소 지점 사이의 정확한 거리도 필요하다. 그럼에도 레이저 출력이 매우 높거나 또는 매우 낮다면, 로봇은 스스로 연소점과의 간격을 변경하고, 시스템을 다시 제어한다. 여기서 설명하는 모든 운동을 위한 자료를 제공하는 것은 ABB의 IRC5 소프트웨어와 가상 컨트롤러 기능이다. 이 기능은 단 하나의 컨트롤을 통해 최대 4개의 로봇과 36개의 외부 축을 활성화하고 이들의 운동을 동기화한다. 원리는 다음과 같다. 핸들링 장치(로봇 또는 공작물 포지셔너)가 공작물을 옮기고, 로봇은 이동되는 구성품에 대해 상대적으로 맞추면서 이를 가공한다. 이를 위해 가이드되는 구성품에 대해 상대적으로 개별 장치의 물체 좌표계를 정의하거나 공작물을 안내하는 기계의 물체 좌표계를 프로그래밍한다. Multi Move는 실현 가능성이 없거나 경제적이지 못한 것으로 간주했던 어플리케이션의 가능성을 열었다. 또한 Multi Move는 사용 공구를 줄이고 공구 고정 작업을 줄여, 로봇셀 구성이 훨씬 콤팩트하다. 또 다른 장점은 Robot Studio로 개발한 컨트롤 프로그램을 1:1로 실제 로봇 컨트롤에 적용할 수 있다는 점이다. 이는 작업 현장에서 준비 기간을 단축하여, 제품 교체를 신속히 처리할 수 있고 생산성을 높일 수 있다.

Curland Stephan Robu 이사장 슈테판 쿨란트는 유리필터엘리먼트 제작에 있어서 로봇레이저 기반 시스템의 장점을 확신했다.
Curland Stephan Robu 이사장 슈테판 쿨란트는 유리필터엘리먼트 제작에 있어서 로봇레이저 기반 시스템의 장점을 확신했다.

협업 로봇이 핵심적인 위치를 맡는다

핸들링 자체에서는 그리퍼가 매우 중요한 역할을 한다. 트레빈은 두 로봇을 위해 특수 3죠 그리퍼를 개발하였고, 이들 가운데 하나는 콤비 그리퍼로 유리관 안에 소결된 유리필터 디스크를 수용 배치하기 위해 중앙에 장착되는 추가의 석션 튜브를 갖고 있다. 

로봇 기반 자동화는 오늘날 높은 경제성, 경쟁력, 제조 안전 그리고 재현 가능하고 일정하게 유지되는 제품 품질이 중요한 열쇠이다. Robot Studio와 같이 비주얼라이제이션, 시뮬레이션, 프로그래밍과 간단한 조작에 적합한 소프트웨어는 프로그래밍 시간을 단축하고 시운전 공정을 줄인다. 협동 로봇은 갈수록 중요한 역할을 한다. 협력하여 작업하는 다기능 고성능 기계로서 제작과 조립에서 거의 아무 공정이든 모사할 수 있기 때문이다. 전통적인 기계 제작이나 특수 기계 제작 솔루션에 비해, 로봇은 투자비를 줄이고 시장 변화에 더욱 빠르게 반응할 수 있다.