성공적인 로봇구현을 위한 진공시스템

우리는 제품의 디자인 수명이 짧은 다양성과 고품질, 고성능 제품에 대한 수요가 증가하고 있는 세상에 살고 있다. 또한 지속적인 생산성 향상과높은 안전성, 환경에 대한 영향과 노동조건을 개선하려고 고군분투하고 있다. 성공적인 로봇구현을 위해서 생산 유연성을 개선하고 산출량은 늘리고 제품의 품질은높이며 제조비용을 낮추어야 한다.

생산환경에 대한 영향을 낮추는 것도 하나의 추세이다.이를 위한 로봇의 활용도는 점점 높아지고 있으며,로봇 암 끝부분에 있는 진공시스템 디자인이나 진공컴포넌트 선택은 성공적인 로봇설비를위한 중요한 요소가 되었다.로봇설비의 능력을 증대시키는 말단 작동부의 진공 솔루션을 알아보고, 진공 이젝터는작동 비용이 많이 들어간다는 오해를 풀어보고자 한다.

이중 경도를 지닌 폴리우레탄 컵

파이아브(Piab)는 지난 40여 년간 진공기술을 선도해 온글로벌 기업으로,이젝터를 기반으로 진공기술과 관련한다수의 혁신적 특허를 보유하고 있다.파이아브(Piab)는 패키징 및 자동차와 같은 마켓 세그먼트에서 활동하면서제품 취급을 위한로봇이 많이 사용되리라는것을 잘 알고있었다. 진공시스템을 사용하는 로봇을 성공적으로 구현하기 위한 어플리케이션은제조업과 유사하다. 여기에서 성공적인 로봇설비에 있어서 관련된 몇 가지 유용한 진공 가이드라인과 로봇의 말단 작동부를 위한 진공 시스템을 디자인하는 방법에 대한 지식을 공유하고자 한다.

로봇 설비에 있어서 중요한 기준

생산성 증가

로봇라인에서 진공을 이용하여생산속도를 높이기 위해서는 시스템의 공기를 빠르게 배출함으로써 로봇의 모션 속도를높일 수 있다.다공성제품취급으로인해 공기가 새는 경우 진공을 만족스럽게 유지할 수 있어야 한다. 가장 효과적인 시스템은 진공이 생성되는 지점이 진공패드와최대한 가까이 위치해야 한다. 진공으로 유지해야 할 불필요한 공간을 없애고, 제한적인 배관으로 성능저하 요인을 제거하면,말단 작동부를 위한 추가적인 진공 펌프가 필요하지 않다. 하지만 대부분은 펌프가 진공패드로부터 멀리 떨어져 있는 중앙 집중 방식의 진공 솔루션을 선호하는 경우가 많다.이는 무게를 줄이고, 진공제어관리를 단순화하여, 서비스를 위한 체인지 오버타임을 단축하고,콤포넌트공구 교체를 위한 시간을 단축하기 위함이다. 플랩밸브와 필터가 내장된 노즐카트리지 형태의 멀티스테이지이젝터 제조에 관한 새로운 특허기술이 중앙 집중 방식의 진공솔루션에 대한 단점을 보완하고 있다. 이 노즐 카트리지는 가벼운 물질로 만들어져서 로봇 최종 작용체의 붐 구조나 진공패드피팅에 바로 통합할 수 있다. 쉽고 빠르게 카트리지를 교체하거나 청소할 수 있고, 특별한 공구가 없어도 가능하다.

자동 공기절감기능을 탑재한 진공시스템에서, 펌프는 진공도를 유지하는 데에 최소한의 에너지만 소비한다.

싱글스테이지이젝터 대신 효과적인 멀티스테이지 진공이젝터를 선택하면 배기시간을 단축하고 사이클타임을 높일 수 있다. 로봇모션을 시작하는 신호는 일반적으로 30 ~ 50 -kPa [9 ~ 15 -inHg] 진공도이다. 최첨단 멀티스테이지 이젝터는 공기 소비량이 같을 경우싱글스테이지이젝터에 비해 동일한 진공도에 2배 정도 빠르게 도달할 수 있다.

진공 시스템의 생산성에 영향을 끼치는 중요한 요소는 진공패드인데, 그 품질과 재료 특성이 결정적이다. 다음의 특성을 지닌 진공패드를사용하면 생산성을 더욱 높일 수 있다.

* 교체주기가 긴 진공패드이어야 한다. 내구성과 마모 그리고내유성이 중요한 매개변수이기 때문이다.

* 급속한 가속과 감속으로 인한 전단력을 다룰 수 있는 진공패드이어야 한다. 진공패드와 표면 사이의 마찰력이 중요하기 때문이다.

* 다양한 유형의 표면을 다룰 수 있고 교체가 쉬운 진공패드이어야 한다. 피팅 디자인과 립의 경도가 중요하기 때문이다.

부드럽고 뛰어난 마찰력과 유연한 립 그리고 안정적인 바디를 지닌 폴리우레탄 진공패드는 많은 응용사례에서 생산성을 높일 수 있다. 내구성 있는 부드러운 립이 탁월한 씰링성능을 제공하고 안정적인 바디가 대상을 탄탄하게 움켜쥔다. 폴리우레탄은 고무보다 우수한 내마모성과 내열저항을 지니고 있다. 하중지지 능력도 뛰어나고 탄성 메모리도 탁월하다.

유연성 증대

뛰어난 재료 마찰력과 진공패드의 미끄러짐 방지는 높은 전단력에 저항하기 위해 필요하다.

진공시스템을 갖춘 로봇의 생산유연성이란 다양한 형태의 제품을 처리하고, 공구 교체시간을 최소화하여 쉽게 적응할 수 있어야 한다. 유연성 증대를 위한 핵심적인 진공 시스템의 특징은 독립적인 진공패드 또는 컵 섹터이다. 하나의 진공패드 또는 한 그룹의 진공패드가대상의 제품을 놓치더라도 시스템에는 영향을 끼치지 않는다. 스마트 패턴이 여러가지 다양한 구성으로 작동할 수 있다. 팔레타이징 및 디팔레타이징은 스마트 패턴의 진공패드 섹터가 필요한 로봇 응용분야이다.

모듈구조의 진공펌프 디자인도 로봇설비의 유연성을 높일 수 있다. 모듈구조는 필요에 따라 진공흡입용량을 쉽게 늘리거나 줄일 수 있다. 침투성이 변하는 카드보드 자재를 취급하는 것이 한 예이다. 여러 형태의 표면을 가진제품을 취급할 수 있는 기능성 진공패드를사용한다면 공구교체 빈도수를 줄이고 유연성을 높인다.

안전성과 제품 품질

진공시스템을 사용하는 로봇 어플리케이션에서 안전성과 품질개선은이송되는 부품을 떨어뜨리지 않는 것과 취급부품이 손상되지 않는 것을 의미한다.안전성과 품질개선에 대해 몇 가지 중요한 쟁점은 다음과 같다.

  1. 이젝터 노즐은 안정적인 시스템을 위한진공성능을유지하기 위해서 낮고 불안정한 공급 압력을 고려하여 설계해야 한다. 현장에서 불규칙한 압축공기로 인한 압력변동은 일반적인 사례이다. 압축기 용량은 피크 수요에 맞추어 크기가 결정되는 것은 아니다. 표준 라인 압력은 5 ~ 6bar [70 ~ 90psi]이나, 일시적으로 3 ~ 3.5bar [40 ~ 50 psi]로 떨어지는 경우도 흔히 있다. 5 내지 5bar [70 ~ 90psi]에 맞추어 설계된 이젝터는 압력이 4 bar [60 psi] 이하로 떨어지면 많은 용량을 잃게 되고, 결과적으로진공패드가이송하는 제품을 떨어뜨릴 수 있다.
  2. 진공펌프는 컨트롤 밸브로 가는 전력이 끊어지더라도 진공을 유지해야 한다. 밀봉되는 시스템에서(강판 취급 시) 진공펌프는 체크밸브를 갖추어야 한다. 압축공기 공급이 중단되면 시스템은 통제가 가능한 시간까지 진공을 유지해야 한다.
  3. 유분이 묻어 있는 표면에서 마찰력이 높은 진공패드를 사용해야 한다. 이는 높은 전단력에 저항하는 로봇 어플리케이션에서 중요하다. 적절한 재료와 미끄러짐 방지 디자인이 결정적 요소이다.
  4. 올바른 디자인의 진공패드미끄러짐 방지/풋 패턴 역시 자동차산업에서 사용하는 알루미늄시트와 같은 얇은 제품에 대한 손상위험을 없애는 데에 중요하다.
  5. 표면이 약한제품의흠집을예방하기 위해서는진공패드에 폴리우레탄과 같은 내마모성 재료를 사용한다.
  6. 로봇동작 신호를 감지하는 진공은 최대한 진공패드 가까이에서 측정해야 한다. 진공감지 위치가 멀리 떨어진 경우 잘못된 진공도를전달할수있다. 또한 긴 진공호스, 벤드, 피팅, 진공 필터는 압력을 떨어뜨릴 수 있다. 이 때문에 신호가 너무 빨리 울릴수 있고, 로봇모션이 시작될 경우진공패드에서 리프팅 능력이 충분하지 않을 수 있다.
  7. 진공펌프에 유량관통형소음기를 사용해야 한다. 유량관통형소음기는 입자흐름을 막지않으며 진공성능과 시스템안전을 위태롭게 하는 것을 막는다. 필터타입 소음기는 정기적으로 유지보수를 해야 하는데, 막히면 진공성능이 저하되기 때문이다.

제조 비용 절감 및 환경에 긍정적 영향

싱글스테이지 진공이젝터는 에너지 경제성이 떨어지고, 공기 소비가 관건이라면 사용하면 안 된다. 싱글스테이지 진공 이젝터는 동일한 작업 조건에 사용되는 최첨단 멀티스테이지진공 이젝터와 비교할 때 최대 300% 정도의 많은 압축 공기를 소비할 수 있다. 합리적인 사이클 타임(> 1초)을 지닌 모든 밀봉된 어플리케이션에는 자동 공기절감 시스템을 사용해야 한다. 이 진공펌프는 사전에 설정한 진공도에 도달하면 시스템이 차단되고,일정 수준 이하로 떨어지면 펌프가 다시 작동한다. 강판 취급 어플리케이션에서 압축공기의 90%를 자동 에너지절감시스템으로 절약할 수 있다.

많은 응용사례에서 중앙에 배치된 하나의 펌프를 여러 개의 작은 펌프로 대체하면 진공손실을줄일 수 있어, 에너지 소비가 절반으로 줄어든다.

다수의 작은 펌프가 진공패드 가까이에 있는 분산 방식의 진공시스템을 사용하면 생산성을 충족하기 위한 오버사이즈의 진공펌프를 사용할 필요가없다. 많은 응용사례에서분산 방식의 진공솔루션(완전한 분산 방식의 시스템은 진공패드 하나 당 하나의 진공펌프 사용)으로 교체하면 에너지 소비량을 대폭 줄일 수 있다. 대기와 시스템 내 진공도 간의 압력차이가 작기 때문에(<1 bar, [14.5 psi]), 길고 가는 호스, 벤드, 피팅, 밸브, 필터 등으로 인한 중앙 집중 방식의 진공시스템의 손실이 커져, 펌프 사이즈를 키워 보상해야 한다. 많은 사람들이 진공시스템을 설계할 때에 압축공기시스템을 설계할 때와 동일한 시스템 사고를 적용하는 실수를 한다. 차이점은 압축공기시스템은 높은 라인압력(5-6 bar [70-90 psi])으로 손실에 훨씬 덜 민감하다. 이는 전압과 유사하다. 가는 와이어로 장거리를 운반하는 경우에는 높은 “전압”을 사용하고 가능한 늦게 저전압으로 전환하여 손실을 최소화한다. 압축 공기가 이젝터에 의해 만들어진 진공흡입유량으로 전환되는 것은 시스템 내에서 최대한 “늦게” 이루어져야 한다.효과적인 멀티스테이지 진공 이젝터를 선택하면 소음을 낮출 수 있어보다 안락한 근로환경을 만들어준다. 압축공기에서 에너지를 효율적으로 사용하기 때문에 소음은 더욱 낮아진다. 그 차이는 최대 10 ~ 15dB(A)이며, 이는 작업자의 귀에 큰 의의가 있다.

자동 공기절감기능을 탑재한 진공시스템에서, 펌프는 진공도를 유지하는 데에 최소한의 에너지만 소비한다.

진공으로 자재를 취급하는 로봇설비 시스템은 설계하고 치수를 결정할 때에 명심해야 할 중요한 사항들이 있다. 파이아브(Piab)에 따르면 대부분의 로봇설치자들은 진공시스템을 최적화하는 데에 많은 시간을 할애하지 않는다. 하지만 생산성 향상이나 시스템 안전성 그리고 유연성 같은 것들이 진공시스템에 미치는영향은 생각하는 것보다 훨씬 많다. 기존의 이젝터 대신 멀티스테이지 저압이젝터로교체하고, 진공패드 디자인과 재료를 신중하게 선택하여, 분산화하는 간단한 조치만으로도 성공적인 로봇구현을 위한 조건은 크게 향상된다.

참고 문헌

(1) Antony Barber; “Pneumatic Handbook 8th Edition”, ISBN 1 85617 249-X, 1997.