공작기계로서의 산업용 로봇

산업용 로봇은 고객의 개별적인 제조산업에 매우 유연한 잠재력을 제공한다. 물론 기술적 요건을 극복해야 하지만, 산업용 로봇에 대한 선정 작업도 선행해야 한다

Sc 사샤 라인코버(Sascha Reinkober): 프라운호퍼 IPA 연구소 제조 기술부장, 2014년부터 PTZ 워크숍(공작 기계로서의 산업용 로봇) 호스트 역

Eng. 마리오 에핑(Mario Epping): 프라운호퍼 IPK 연구원

최신 5축 머시닝센터에서 밀링 작업을 수행하면 속도가 빨라지고 택트타임도 짧아진다. 하지만 이러한 특성은 높은 장비 구입비용을 전제로 해야 하고, 결과적으로 높은 생산비용으로 이어진다. 이럴 경우 기술적 잠재력이 별로 필요 없는, 절삭량이 많고 평균 정도의 정밀도가 요구되는 구성품에서는 필요 이상으로 비용이 높아질 수 있다. 그 동안 연구기관들과 기업들은 공작기계에서 가공용 로봇을 효율적으로 활용하는 방안을 연구해 왔다. 산업용 로봇은 적은 비용으로 가공 요건을 유연하게 충족하는 잠재력을 제공하고, 공작 시스템을 최대의 성능에, 최대의 가치를 창출하는 등 생산 효율을 높이는데 기여해왔다.

로봇 가이드 슬라이드 연삭 – 기존 방법의 성능 증대를 위해 새로운 역동성 모델링

공구 스핀들을 하나만 장착한 ‚비교적 저렴한 산업용 로봇‘은 5축 머시닝센터에 비해 구성품 당 단위 생산 비용을 약 50% 정도 낮출 수 있다[참고문헌 1]. 장비 구매 비용뿐만 아니라 공간 활용에서도 공작기계보다 훨씬 우수하다. 산업용 로봇은 또한 핸들링 작업과 용접 작업 그리고 연마[2], 디버링, 밀링과 같은 다른 가공작업을 수행할 가능성도 제공한다. 이미 산업용 로봇이 이런 목적으로 사용되고 있다. 산업용 로봇은 이런 유연성 덕분에 제조 현장에서 매력적인 다목적 생산 장비로 자리 잡아가고 있다.

산업용 로봇의 점진적인 개발과 개선은 정밀성, 역동성, 하중과 관련된 산업계의 요건을 기준으로 한다. 로봇의 판매 대수가 해마다 꾸준히 증가하고 있다. 2012년부터 설치되는 시스템 개수도 매해 20,000 대 이상씩 꾸준히 증가하고 있다[3]. 산업용 로봇의 주요 적용분야는 주로 핸들링과 용접 분야이다. 하지만 절삭에 사용되는 산업용 로봇은 현재 5%에 지나지 않는다[4]. 사용자들은 절삭분야에서 산업용 로봇의 활용 비율이 낮은 이유로 절삭 강도와 정밀성이 부정확하고 조작 방법이 사용자 친화적이지 않기 때문이라고 지적하였다[5].

프라운호퍼 IPK 연구소와 베를린 공과대학 공작기계 및 공장 가동 연구소는 최신 기술을 선보이고, 향후의 기술 개발을 위한 요건을 파악하고, 기존 표준 시스템의 성능을 설명하기 위해, 매년 한 차례씩 PTZ(베를린 생산 기술 센터) 행사를 개최하고 있다. 2014년에 PTZ에서 처음으로 열린 행사 „공작 기계로서 산업용 로봇“ 워크숍에서 연구자, 사용자, 로봇 제조사, 시스템 하우스 그리고 전문가들이 로봇 가이드식 가공 방법과 관련된 새로운 내용을 세 블록으로 나누어 발표했으며, 올해 행사에서는 새로운 유형의 로봇 컨셉트, 하이브리드 공정 그리고 금속과 플라스틱 분야의 산업적 변형을 주제로 다루었다.

프라운호퍼 IPK 연구소는 2007년부터 로봇 가이드식 가공 방법을 집중적으로 연구하고 있다. 2009년에 Innonet 프로젝트 Robinstone에서는 Posta 사암과 Carrara 대리석을 로봇 가이드식 가공방법을 선보였다. 사실 PTZ의 로비에 있는 전시되어 있는 조형물도 이 프로젝트의 산물이라 할 수 있다. 워크숍 중에 로봇에 의해 안내되는 가공의 성공적인 사례를 발표하고, 챔퍼링, 플라스틱 가공, 니켈 베이스 가공 방법을 비디오로 상영하였다.

연구 결과는 기존 시스템의 취약점을 찾아낸다

어댑티브 연마 가공, 최고의 정밀도와 마모 보상은 힘 토크 제어에 의해 달성된다.

산업용 로봇이 정해진 가공을 실행하는 과정에는 로봇의 시스템 특성과 가공 조건에 의해 크게 좌우된다. 프라운호퍼 IPK 연구소는 로봇 시스템을 포괄적으로 분석하여, 다양한 산업용 로봇의 정적, 동적, 열적인 거동에 대한 광범위한 지식을 제공한다. 결과적으로 시스템으로 달성할 수 있는 정확도를 산정할 수 있고, 연구 결과는 기존 시스템의 취약점을 가감 없이 보여준다. 프라운호퍼 IPK 연구소는 이러한 결과를 바탕으로 툴과 공구를 개발하는 데에 이용하고 있다. 이들 접근법 중에 하나가 로봇을 컨트롤하고 토크 센서를 이용하는 것이다. 프라운호퍼 연구원들은 Kuka가 제공하는 표준 인터페이스가 자체 프로그래밍하는 인터페이스를 이용하여 공정 중에 수많은 로봇 시스템의 속도와 위치를 힘을 바탕으로 제어할 수 있었다. 이러한 사실을 프라운호퍼 IPA 연구소 제조 기술부장인 사샤 라인코버가 테스트 필드 중 실제 시연을 통 구성품을 해 진행하였다. 한 참가자가 임의로 가공 테이블에 구성품을 올려놓았는데, 로봇은 외부 윤곽을 스스로 찾아 기록된 경로를 통해, 구성품을 자동 경로로 옮겨 놓았다.

밀링 키네마틱스는 절삭 요건을 충족해야 한다

프라운호퍼 IPK 연구소에서 개발한 보조 공구는 성능을 개선하는 데에는 도움이 되지만, 산업용 로봇에게 가공할 수 있는 자격을 부여하는 것은 불가능하다. 산업용 로봇은 특히 풍력 발전소의 로터 블레이드나 항공기 하우징 부품과 같은 대형 구조물 가공에서 포털 밀링 머신이나 수동 프로세스를 대체할 수 있다[6]. 프라운호퍼 IPK 연구소, IFAM, LBF는 이 응용 분야를 채택한 후 „Flexmatik 4.1“이라는 이름으로 새로운 밀링 키네마틱스를 개발하였다. Flexmatik 4.1은 절삭과 관련한 복잡한 요건을 충족하고 현재의 산업용 로봇과 크게 차별화될 것이다. 이를 위해 다이렉트 드라이브, 토폴로지 최적화된 구조물, 온도 보상 장치, 적응형 진동 제어 장치, 혁신적인 센서 장치 그리고 G-코드 기반 컨트롤 시스템을 사용한다. Flexmatik 4.1은 대형 구조물을 가공하기 위해 자체적으로 개발한 리니어 축에 이동 가능하도록 설치했다. 첫 구성품부터 정확도 ± 0.1에 도달하는 로봇 키네마틱스를 제작하는 것을 목표이다. 프라운호퍼 IPK 연구소는 워크숍 중에 프로젝트의 현 상태를 보여주었다.

베를린 공과대학 IWF의 게렛 크리스티안센은 강연에서 정교한 공정을 통한 탄소강화플라스틱 절삭 작업에서 로봇의 성능을 어떻게 향상시킬 수 있는지를 보여주었다. 게렛 크리스티안센에 따르면, 초음파가 중첩되는 가공은 칩 분절이 향상되고 절삭이 용이해진다. 베를린 공과대학 IWF 연구자들은 Weber Ultrasonics 프로젝트 파트너와 함께 이러한 하이브리드 공정을 이행하기 위해 회전하는 고주파 초음파 액추에이터 시스템을 개발하여 공구 마운트에 통합하였다. 결과적으로 듀로플라스틱 탄소강화 플라스틱 가공에서 구성품 품질을 더욱 개선할 수 있었다.

새로운 연구 단초를 위한 이 워크숍 플랫폼은 매년 열린다

산업용 로봇을 바탕으로 디지털 방식으로 통합한 프로세스 체인 – 수리 공정을 유연하게 그리고 고객 별로 자동화할 수 있다

매년 선택된 업계 대표가 로봇 가이드식 가공을 주제에 발전된 자신들의 결과를 발표하였다. 연구에서 얻은 새로운 접근법들이 이 워크숍의 중요한 구성 요소가 되었다. robot-machining GmbH의 베른트 루카스는 Loewe 프로젝트 Rowin을 발표하였다. robot-machining에게 이번 프로젝트의 목적은 대형 공구를 정밀 가공하기 위한 로봇셀을 만드는 것이고, 응용 사례는 자동차 사출 성형 공구이다. 치수가 2.5 m × 1.1 m × 1 m이고 무게가 약 20t인 이 공구는 단조로운 육체 노동과 수작업으로 수리하는데 시간과 비용이 많이 들었다. 베른트 루카스는 강연에서 기술적으로 현실화가 가능하다고 설명하였다. 전통적인 가공법에 비해 시간과 비용이 약 35% 감소할 것으로 예측하였다.

사진은 터빈 블레이드를 예로 수퍼 합금/니켈 베이스 합금의 어댑티브 밀링 가공을 보여준다

Adam Opel AG도 유사한 적용 사례를 소개하였다. 이 업체는 산업용 로봇을 이용하여 자동차 프레스 공구의 공구 조정을 장기적으로 자동화하는 것이다. 이를 위해 BMBF가 후원한 Progen 프로젝트에서 산업용 로봇을 기반으로 조합한 부분 솔루션들을 개발하였다. 용착 용접, 밀링, 연삭 그리고 치수로 이루어지는 전체 프로세스 체인을 산업용 로봇으로 자동화하였다. 이 아이디어는 결국 Mercedes Benz나 Volkswagen 등 독일의 대형 자동차 메이커들로부터 응용사례의 잠재력을 인정받았다. 이 솔루션에 거는 기대가 크다. 전통적인 프로세스에 비해 시간, 비용, 면적 면에서 20 ~ 70%가 절감될 것으로 기대하고 있다. Adam Opel AG는 작업 결과를 발표하고 용접 및 밀링 가공의 첫 번째 결과를 소개하였다.

플라스틱 가공 분야에서는 Eugen Riexinger GmbH 마르쿠스 테오발트의 발표가 이어졌다. 바깥 지름이 600 ~ 3,800mm, 길이가 16m인 대형 플라스틱 파이프를 예로 들어 플라스틱 산업에서 로봇 가이드 가공 솔루션을 선보였다. 특히 대형 구조물을 자동으로 가공할 수 있는 자사 시스템의 모듈성과 유연성을 소개하였다. 정확도 요건이 ± 1 mm인 대형 구조물 세그먼트에 산업용 로봇을 사용하면 비용을 최대 75%까지 절감할 수 있다. 플라스틱 가공은 금속 가공에 비해 훨씬 적은 공정 힘이 가해진다는 점도 이 적용 영역의 장점이라고 설명하였다.

사례별 보조 장비로 로봇 성능을 높이다

대부분 시스템 하우스나 사용자들은 로봇 가이드 가공에 표준 산업용 로봇을 사용한다. 부분적으로 자동화 및 재 생산에 대한 요건이 복잡한 경우, 사례 별로 보조 장비를 추가한다. 그에 대한 전통적인 사례가 포지셔너, 레이저 측정 시스템 또는 공구 체인저이다. 이러한 기술 확장으로 산업용 로봇의 성능을 더욱 높일 수 있다. Preccon Robotics GmbH의 하르트무트 린드너와 teconsult GmbH의 요한 바르크프레데는 이번 워크숍에서 통합 측정 시스템을 선보였다. 로봇 셀에 영구 통합된 측정 시스템과 캘리브레이션 시스템을 사용하여 로봇 가이드 가공 공정을 지속적으로 모니터링하고 품질을 유지하고 있다. 이를 통해 프로그래밍 공정에 대한 비용과 수고를 현저히 줄었다. teconsult의 로봇 최적화 시스템인 Rosy와 조합하여 로봇 가이드 타이어 분쇄 공정을 이미 안정적으로 구현하고 있다.

로봇 제조사들은 연구자와 시스템 하우스, 사용자들의 폭넓은 설명들을 듣고, 가공 시장에 대해 어떤 입장을 취할 수 있을까? 라는 의문이 생겼다. 이 질문에 Stäubli의 우베 뮈트라트가 다음과 같이 설명하였다. Stäubli는 가공에 적합한 로봇 모델과 스핀들을 소개했을 뿐만 아니라, Stäubli 로봇으로 테스트한 실험과 산업적 구현을 통해 설명하였다. 이 포트폴리오는 특히 강, 석재, 주조 부품, 용접심, 목재 가공을 포함하며, 항공 우주, 선박 또는 자동차 영역의 많은 시장에 이용된다. 우베 뮈트라트는 터빈 휠 가공에서 탄소강화 플라스틱 구조 부품의 밀링 가공까지 응용 사례를 소개하였다.

다양한 분야와 관점을 대표하는 많은 강연자들은 로봇 가이드 가공이 하나의 연구 주제가 아니라는 점을 분명히 하였다. 제조 산업체들은 로봇 가이드 가공의 잠재력을 인지하고 자신들의 생산 현장에 적합한 산업용 로봇을 적극적으로 검토하고 채용해야 할 것이다.

단순히 비용만 생각하더라도 산업용 로봇이 공작기계 보다는 훨씬 이익이 될 수 있다.

빅토리아 존넨베르크(Victoria Sonnenberg), 절삭 부문 에디터

참고 문헌

[1] Rösch, O.: 산업용 로봇을 이용한 금속 재료 밀링 가공 시 정확도 증대. Herbert Utz Verlag, München, 2015, P. 148.

[2] Uhlmann, E.; Heitmüller, F.; Manthei, M.; Reinkober, S..: Applicability of industrial robots for machining and repair processes,

Procedia CIRP 11, 2013, P. 234–238.

[3] International Federation of Robotics: Presentation to IFR CEO Round Table. Automatica, München 2016, P. 4.

[4] VDMA: 로봇 공학 + 자동화; Roboter-Statistik. Deutschland 2011.

[5] Uhlmann, E.; Manthei, M, Reinkober, S.: 시장 및 트렌드 연구 – 공작 기계로서 산업용 로봇, Fraunhofer- IPK, 2016.

[6] Schenk, M: 미래가 있는 생산과 물류. Springer- Verlag, Heidelberg, 2015, P. 79.