산업 로봇은 에너지를 더욱 절감하는 능력이 있다

최적의 작업 수행과 올바른 포지션, 최적화된 경로, 프로그래밍, 차단 컨셉트, 에너지 회수를 위한 경로에 이르기까지, 산업용 로봇은 자원을 보다 효율적으로 사용할 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있다. 시작은 로봇 밀도가 가장 높은 업계인 자동차 산업에서 시작된다.

빅토리아 존넨베르크(Victoria Sonnenberg)

Volkswagen팀이 에너지 효율적인 산업용 로봇을 위해 독창적인 소프트웨어를 개발하였다. 이 소프트웨어는 가장 에너지 효율적인 로봇 위치를 계산한다.

„인간과 마찬가지로 로봇도 올바른 위치에 정지하고 올바른 모션을 취한다면 많은 에너지를 아낄 수 있습니다.“(Dr. 디터 게클러, Volkswagen AG 디지털 공장 에너지 효율 팀장) 이 이야기의 본질은 간단하다. 에너지 효율적인 로봇에게는 새로운 세대, 비용이 많이 드는 새로운 하드웨어가 필요 없다. 의식적으로 위치와 동작을 변경하기만 해도 기존 모델에서 에너지 절감을 이끌어낼 수 있다.

디터 게클러는 우연히 로봇이 잘못된 위치에서 잘못된 동작을 한다면 에너지를 그만큼 더 소비할 수 있다는 생각을 자신의 팀과 함께 전개시켰다. 연구 팀은 헴니츠의 프라운호퍼 연구소에서 이 명제를 로봇에 적용해 보았다. 그 생각은 사실로 판명되었고, 오스트팔리아 대학 볼펜뷔텔과 공동으로 가장 에너지 효율적인 로봇 위치를 계산하는 소프트웨어를 개발하기 위한 근거가 되었다.

최적화된 소프트웨어로 최대 30%의 에너지를 절감할 수 있다

산업용 로봇은 보다 에너지 효율적으로 동작할 수 있도록 많은 조치들이 필요하다. 많은 제조사들이 에너지 모니터링을 하기 위해 자체 소프트웨어를 사용한다.

현재 테스트 및 최적화 단계에 있는 이 소프트웨어는 인체 공학과 마찬가지로 평균 10 ~ 15%의 에너지를 절감할 수 있다. 동시에 로봇의 정비를 줄여 그만큼 로봇 수명이 길어진다. 현재는 총 120개 공장의 약 30,000대 산업용 로봇이 이 소프트웨어를 이용하여 많은 에너지를 절약하고 있다. 사용하기가 간편한 이 소프트웨어는 아직은 완성품과는 거리가 있지만, 위치 최적화의 첫 단계에 와 있다. 이 팀은 더 많은 에너지를 절약하기 위해 로봇 경로의 최적화를 연구하고 있다. 로봇의 어떤 동작이 가장 에너지 효율적인지를 계산하는 것이다. 세 번째와 네 번째 단계에서는 이 소프트웨어로 로봇의 가속화와 속도를 최적화할 수 있을 것이다. 최대 30%의 에너지를 아낄 수 있는 이 최적화 소프트웨어는 내년에 완성될 예정이다.

공장 자동화 및 산업용 로봇 제조사인 Fanuc도 개념적 접근법과 설계적 접근법을 모아 에너지 효율성 주제를 여러 차원에서 실현하고 있다. 개념적 접근법이란 제어가 잘 안 되는 구동 컨셉트에 대한 대안으로 서보 드라이브를 개발한다는 의미이다. 설계적 접근법이란, 탄화규소를 사용하여 대형 스핀들 드라이브의 손실 전력을 줄이는 것이다. Fanuc에게 에너지 효율성이란 시스템 한계의 문제가 아니다. 어떤 차원에서든지 최신 기술이 효율성에 어떻게 영향을 끼치는지, 마찬가지로 로봇 차원에도 어떻게 영향을 끼치는지를 확인할 수 있다. 새로운 Fanuc 로봇의 제품 명세서 상단에는 사용하는 에너지를 보다 효율적으로 취급할 것에 대한 요구사항이 자리하고 있다. 모델 라인이 차별화될수록 특정 작업에 맞는 로봇을 선택하기가 더 수월해진다. 표준화된 드라이브 기술, 제어 기술, 컨트롤 기술이 지속 가능성에 대한 아이디어를 준수하는 데에 도움이 된다. 이를 위해 서보 기술의 새로운 개발은 로봇의 구동 기술에 직접적으로 흘러 들어간다.

Fanuc은 전력 손실 없이 적은 구동 에너지로 작업하기 위해 로봇에 무전류 홀딩 메커니즘을 사용한다. 중지 시간이 계속되면 로봇은 스탠바이 모드가 된다. 여기서 중요한 점은 자동 모드에서 1 초만 지나도 무전류 홀딩 메커니즘이 작동하는 것이다. 로봇 티칭 등 수동 모드의 경우에도 활성화까지의 시간을 설정할 수 있다. Fanuc의 지능적인 컨트롤 기술은 정전으로 로봇이 차단되었을 경우에도 로봇이 대기 위치로 이동한 그 지점에서 정확하게 다시 작업을 계속 이어간다.

시뮬레이션 소프트웨어를 통해 택트 타임과 소비 전력을 오프라인으로 최적화한다

시뮬레이션 소프트웨어 „Roboguide“를 이용하여 오프라인으로 택트 타임과 소비 전력을 최적화할 수 있다. 작은 노력으로 컴퓨터에서 여러 시나리오를 돌릴 수 있다. 에너지 모니터링이 에너지 절감 도구에 속한다. 기계에서뿐만 아니라 로봇에서도 축 별로 에너지 소비량을 확인할 수 있다. 또한 부품 당 에너지 소비가 얼마나 되는지도 확인할 수 있다. 서보 시스템(모터/제어 장치)의 직간접적인 에너지 소비량을 한계 내에서 매개변수화 할 수 있다.

Yaskawa는 Motoman 로봇 시스템의 시뮬레이션과 오프라인 프로그래밍을 위해 소프트웨어 Motosim을 개발하였다. 이 소프트웨어로 로봇 기반 시스템 계획 단계에서 비용을 초래하는 오류를 배제하고 자원을 보다 효율적으로 이용할 수 있다.

Yaskawa도 자사 산업용 로봇으로 최대 25%의 에너지 절감을 달성하였다. 최적화된 에너지 설계에서 지능적인 차단 컨셉트, 에너지 회수에 이루기까지 여러 개별 조치들이 핵심적인 역할을 한다. 조작 장치의 디자인과 어플리케이션, 제어 장치, 시스템 레이아웃도 로봇의 에너지 수요를 결정한다. 따라서 개별 매개변수가 다양하고, 그에 따라 수많은 절감 시작점을 제공한다. 시스템이 정상적으로 종료되는 경우, 주말과 같이 가동 중지되는 경우, 지능적인 차단 컨셉트만으로도 최대 15%의 에너지를 절감할 수 있다. Yaskawa는 구동 기술 공급자이고 따라서 로봇 동작으로부터 에너지 회수나 시뮬레이션을 위한 소프트웨어 도구 등 자체적인 기술적 자극을 이용할 수 있다.

Dr. 미하엘 클로스, Yaskawa Europe GmbH 오토모티브 로보틱스 분과 총괄 매니저

„로봇 제품에 조치를 취해서도 절감할 수 있습니다. 예를 들면 전자 기술적 설계를 통해서나 에너지 회수를 통해 가능합니다. 로봇의 동작 최적화나 중지하는 동안 차단 등, 로봇을 지능적으로 사용하는 경우 더욱 큰 절감 잠재력이 있습니다.“(Dr. 미하엘 클로스, Yaskawa Europe GmbH 오토모티브 로보틱스 분과 총괄 매니저)

더 큰 절감 잠재력을 제공하는 것은 로봇 설계이다. Yaskawa에 따르면 전형적인 차체 제작 라인에서 모든 로봇의 40% 를 한 사이즈 정도 작게 선택할 수 있다. 그럴 경우 에너지 수요가 8% 정도 절약된다고 한다. Yaskawa의 솔루션을 통해 로봇 밀도를 더 높이고 셀 당 택트 타임을 더 빠르게 할 수 있으며, 이를 통해 로봇을 더 작게 제작할 수 있다. 경량 로봇은 이런 효과를 더욱 강화한다. 로봇 크기를 작게 줄이는 것은 에너지 수요가 적어진다는 의미이며, 택트 타임이 더 빨라진다는 의미이기도 하다. 과잉 크기의 250kg 로봇을 응용 사례에 맞게 설계된 80kg 로봇으로 대체하면, 에너지는 25% 절감되고, 택트 타임은 20% 이득이라는 의미이다.

Yaskawa는 Automatica 박람회에서 선보인 예시 셀과 같이, 에너지 효율을 높이기 위해 과잉 제도 에너지를 이용할 수 있다. 발전 모드에서 드라이브를 지능적으로 전환함으로써 제동 에너지를 회수하여 저장할 수 있다. 그리고 저장한 에너지를 다시 공급 네트워크로 제공할 수 있다. 이를 위한 전제 조건은 모든 구성 요소들의 완벽한 상호 작용으로, Yaskawa는 자체적으로 생산하는 포괄적인 로봇 공학과 드라이브 기술 포트폴리오로 이를 제공한다.

„Yaskawa의 Motoman 로봇은 생산 과정에서 통제된 방식으로 로봇을 끄기 위해 다양한 방법과 프로토콜을 지원합니다. 우리는 수년 전부터 기존 로봇 설비에 추가 장착하는 등, 에너지 재생을 위한 솔루션을 제공합니다. 에너지 재생은 로봇의 중간 회로 또는 전력망으로 직접 이루어집니다.“ (클로스) 투입 위치와 동작 패턴에 따라 특정 로봇의 에너지 수요가 완전히 다를 수 있기 때문에, Yaskawa는 고객들에게 가장 좋은 방법을 선택할 수 있도록 지원한다. Yaskawa는 Motoman 로봇 시스템 계획을 위해 3D 시뮬레이션을 이용하는 오프라인 프로그래밍 시스템인 소프트웨어 패키지 Motosim을 개발하였다. 로봇 기반 시스템과 프로세스의 가상 시뮬레이션은 계획 단계에서 해당 시스템의 작동 개시, 운전 시에도 결정적인 장점을 제공한다. 특히 비용을 초래하는 오류를 배제하고 자원을 보다 효율적으로 사용할 수 있다. 시스템 레이아웃, 로봇 경로 그리고 경우에 따라 사용하는 로봇 유형을 적절하게 조정함으로써 Motosim으로 최적의 택트 타임을 제공할 수 있다.

에너지 소비를 확인하고, 최적화한 후 이어서 제어한다

Kuka Roboter는 EU 프로젝트 Areus의 미래의 에너지 효율적인 자동차 생산을 위한 연구 파트너 가운데 하나이다.

Kuka Systems GmbH도 에너지 효율과 자원 절약이 갈수록 결정 과정에 중요하게 작용한다는 것을 의식하고 있다. Kuka로서는 생산 공정의 지속 가능성이 핵심적으로 작용한다. 이는 비단 최근의 일이 아니다. 성숙한 도구와 모델로 플랜트의 에너지 소비를 계획 단계에서 확인하고, 최적화하여 제어할 수 있다. 투명성 증대를 위한 핵심 도구는 Kuka 에너지 효율성 계산 툴이다. 이 툴은 각 시스템에서 전기 에너지, 압축 공기, 냉각수 소비 및 홀 인프라(조명, 공기 조화, 히터)의 소비량을 산출하고, CO2 방출과 운영비를 계획 단계부터 계산하여, 소비 최적화된 대안 버전과 비교하는 소프트웨어이다.

Kuka Systems가 개발한 시스템이 이론상 자원을 아낄 뿐만 아니라, 실제로도 지속 가능한 생산에 기여하기 위해, 에너지 소비를 지속적으로 점검한다. Kuka Systems는 이를 위해 이미 해법을 갖고 있다. 자체 컨트롤 표준 „miKuka“로 계획 단계에서 운전 중에도 에너지 소비를 기록할 수 있다. 시각화 표준 „miView“와 조합하여 필요할 경우 전력 추이를 보고 아카이브 저장할 수 있다. „miKuka“ 와 „miView“를 이용하여 로봇이 휴식 모드로 들어가면, 최대 90%의 에너지를 아낄 수 있다. 또 다른 도구로는 택트 당 에너지 소비를 묘사할 수 있다. 이 도구는 로봇 컨트롤 조작기, 이른바 스마트 패드에서 바로 돌아간다. 이 도구는 표시등을 통해 현재 에너지 소비가 계획한 값과 일치하는지를 보여준다. 곡선과 피크를 통해 시스템이 많은 에너지를 필요할 때와 적은 에너지를 필요로 할 때를 쉽게 알 수 있어, 시의 적절하게 반응하고 대응할 수 있다.

Dürr(듀어)도 지속 가능성에 대한 잠재력은 시스템과 응용 사례의 전체적인 그림에서만 고려할 수 있다는 것을 Dürr의 통일적인 컨셉트 Eco Paintshop에서 보여주었다. 이 컨셉트에서 코팅 프로세스에서 지속 가능성에 긍정적인 영향을 끼치는 모든 시스템과 제품이 하나로 묶었다. 자원 효율성은 이 맥락에서 무엇보다 높은 도료도포 효율과 낮은 분사 손실, 물 소비 최소화 그리고 그로 인한 오폐수량 감소를 통한 자재 효율성을 의미한다. 뿐만 아니라 Dürr는 프로세스 조정과 역량 조정 측면의 유연성을 통한 효율성과 공정 효율성, 에너지 효율성, 공간 효율성을 고려한다. Dürr는 코팅 공정에서 에너지 소비와 오염 물질 방출을 현저하게 낮추었다. 에너지 67%, 물 71%, CO2 방출 73%, 오폐수는 63%가 줄어들었다. 긁어서 제거할 수 있는 특수 컬러 시스템 Ecosupply P 사례는, 특히 상용차 제조사와 플라스틱 코팅 업체에서 사용하는 100여 가지 컬러를 도장 로봇으로 효율적으로 도포할 수 있다는 것을 보여준다. 압축 공기로 구동되는 이 로봇들은 도장 주문에 따라 짧은 시간 안에 잔여 염료를 염료 호스에서 거의 완전히 밀어내 도료와 세제 소비를 확연하게 줄일 수 있다.

많은 조치들이 에너지 효율적인 산업용 로봇으로 이어진다.

빅토리아 존넨베르크(Victoria Sonnenberg), 로봇 공학 부문 에디터