섬세한 감각으로 부품을 공급하는 장비

사출 성형 부품은 크기가 매우 작거나 양이 많아 수동으로 장착하는 것이 불가능하거나 비경제적인 경우가 대부분이다. 이에 로봇이 생산성을 담당하는 한 사례가 있다.

로만 크라머(Roman Kramer): Reiter HG Geiger Kunststofftechnik GmbH 대리인

오늘날 전기 전자 산업은 성능을 개선하는 것 외에 공간을 절약하거나 눈에 띄지 않게 디자인하는 추세이다. 이를 위해서 가능한 작은 치수가 필요하게 되었고, 그에 따라 구성 요소를 소형화하는 것이 문제로 대두되었다. 작업자들 입장에서도 극히 작은 부품을 취급하는 것이 매우 신경 쓰이고 힘든 일이지만, 이런 과제를 만족스럽게 처리하기에는 종래의 로봇 시스템도 충분히 섬세하지 못하다는 데 문제가 있다.

로봇이 아주 작은 구성품을 취급하다

파츠피더로부터 핀이 공급되고 있다. 진동에 의해 접촉 핀을 줄을 세워 분리하고, 미세한 핀이 채널 안으로 이동한다.

사출 성형 및 공구 엔지니어링 전문업체인 Reiter HG Geiger Kunststofftechnik은 한 기계 엔지니어링 전문업체와 협력하여 고정밀 부품 장착 자동화 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 최대 직경이 0.6mm에 불과한 접촉 핀을 안정적으로 분리하여, 수 마이크로미터의 공차로 정밀하게 공급할 수 있다. 작업자의 부담을 완화시키고, 동시에 미세한 정밀 부품을 분실할 위험도 현저히 줄어들었다. Reiter는 오래 전부터 의료 기술 분야에서 인서트 사출되는 콘택트 등 다루기 어려운 열 가소성 부품을 생산하고 있다. 이를 위해 2개의 분사 네스트가 있는 교체 슬라이더에 각각 4개의 금속 구성 요소를 장착해야 한다. 하지만 작업자는 부품 크기가 매우 작아 상당한 집중력을 필요했다. 터닝 및 코팅된 부품의 길이는 1.65mm이고 직경은 0.4mm에 불과하기 때문이다. 헤드 피스에서 이 부품은 0.6mm를 커버한다. 이 미세한 부품을 수작업으로 여유 공간이 0.01mm가 되지 않는 공구 홈에 삽입하면서, 항상 동일한 제품 품질을 유지하지가 어렵다. „게다가 이 작업은 전체적으로 매우 단조롭습니다. 그로 인해 집중력을 장시간 유지하기가 쉽지 않습니다.“(한스 콜브, Geiger 그룹 프로세스 엔지니어) 또 다른 단점은 수작업으로 인해 코팅이 쉽게 손상되는 것인데, 그럴 경우 해당 부품을 사용할 수 없게 된다.

진공, 진동 그리고 개별 코드

Reiter는 생산 시스템 전문업체와 함께 매우 작은 치수의 접촉 핀을 정밀하게 삽입할 수 있는 특수 로봇 시스템을 개발하였다.

Reiter는 필요한 생산 개수가 지속적으로 증가함에 따라 이 프로세스를 부분적으로 자동화하기로 결정하였다. 그런데 일반적인 자동화임에도 불구하고 적합한 솔루션을 찾는 것은 그리 쉽지가 않았다. Kolb의 설명이다. „우리는 여러 업체에 우리의 요구 사항을 제시하였습니다. 그런데 대부분 자신들의 현재 기술로는 소근육 핸들링이 어렵다고 하였습니다. 여러 업체가 생산 과정을 살펴보고는 거절했습니다.“ 마지막으로 남은 Geiger마저 해결책이 더 이상 없다고 생각하던 참에, 시스템들 가운데 하나로 기본 기술을 테스트해보았다. 테스트는 성공적이었다. 그에 따라 구체적인 시스템을 설계에 들어갈 수 있었다고 콜브는 기억한다.

첫 번째 장애물은 접촉 핀을 목적에 맞게 잡을 수 있도록 접촉 핀을 먼저 분리하는 작업이다. 이를 위해 원주 방향으로 홈이 있는 진동 공급 팬을 사용하였다. 핀들은 공급장치에서 진동에 의해 홈 안쪽으로 이동하고 다시 위쪽으로 이동하면서 한 줄로 늘어서게 된다. 홈 끝 부분은 진공패드가 기다리고 있으며, 이 석션은 해당 줄에서 가장 앞에 있는 접촉 핀을 수용한 후 자유롭게 공급한다. 로봇 암은 접촉 핀의 코팅이 손상시키지 않도록 이를 준비된 교체 슬라이더로 옮긴다. 실제 장착 시 핀을 정밀하게 공구 구멍에 삽입해야 하는 문제가 또 생겼다. 이를 위해 사출 성형기의 경우와 유사하게 슬라이더가 우선 짧은 리프팅 실린더를 이용하여 로봇 셀 안에서 중심 결정된 후 미끄러지지 않도록 클램핑한다. 또한 각 캐리어는 개별적으로 코딩되어 시스템에 의해 식별된다. „이러한 기능은 모든 공구 슬라이더와 구멍이 정확하게 0.001mm 범위에서 동일하게 제조될 수 없기 때문에 필요합니다.“(콜브) 로봇은 해당 구멍을 찾을 수 있도록, 각 슬라이더에 대해 특수하게 티칭한다. 이를 통해 핀은 즉각 올바르게 배치하고 삽입한다.

자율 기능이 복잡한 프로세스를 단순화한다

전체 소요 시간은 슬라이더 하나 당 모두 4개의 접촉 핀에 대해 수 초에 불과하다. 완전하게 갖춰진 교체 슬라이더는 육안 검사 후 사출 성형기 안으로 들어가고 인서트 사출 성형이 시작되는 반면, 선행하는 슬라이더에서는 완성된 부품을 취출하고 검사한다. 이후 캐리어는 다시 로봇 셀 안으로 들어가고 새로 부품을 갖추게 되어 연속적인 순환이 생성된다. 시스템은 시간적으로 차이가 나도록 이 과제를 추가로 기계 다른 편에서 제 2의 사출 성형 작업 위치에 대해 수행한다.

복잡한 모든 프로세스는 시스템에서 사전 프로그래밍 되어 있고 자율적으로 진행되기 때문에, 작업자가 새로운 로봇 동료와의 협업이 매우 수월하다. 센서, 액추에이터, 컨트롤러와 같은 모든 콤포넌트는 프로피버스를 통해 통신하고, 로봇이 특정 모션 단계를 따르도록 한다. 프로세스 자체는 슬라이더의 삽입 또는 빠짐에 의해 직접 통제된다. 초록색 라이트는 슬라이더 한 쪽에 부품 로딩이 완료되었다는 것을 보여준다. 작업자는 슬라이딩 도어를 통해 슬라이더를 로봇의 안전 하우징에서 꺼내고 빈 슬라이더를 삽입한다. 그 사이 로봇 암은 다른 쪽에서 다른 슬라이더를 통해 열려 있는 작은 문에서 충돌 위험이나 부상 위험이 발생하지 않도록 한다. 만약 초록색 라이트를 통한 승인이 없는 상태에서 접근하면 로봇이 즉각 정지상태로 들어가며, 도어를 닫아야 작업이 계속 진행된다. 공급 팬에 핀을 보충하기 위해 큰 프론트 도어를 열어도 정지하게 된다. 면적이 1,000 mm × 800 mm × 2000 mm인 매우 콤팩트한 이 시스템에는 컨트롤 패널도 있으나, 이 패널은 현재 작동 데이터를 판독하는 것 외에는 일상 작업에서 거의 사용하지 않는다.

인간 공학은 높이고 자재 손실은 낮추고

Reiter의 힐폴트슈타인 공장에서 로딩 로봇은 1년 남짓 가동을 하면서 안전한 것으로 입증되었다. „처리량이 수동 로딩으로 작업하던 때와 비슷한 수준입니다. 그러나 중요한 것은 직원들을 위한 인간 공학적 부담이 훨씬 줄어들었습니다. 매우 작은 인서트 부품을 어렵게 다루지 않아도 되기 때문입니다.“(콜브) 다른 긍정적인 효과로 로딩 품질의 향상되어 오류가 감소되었다. 이러한 긍정적인 결과로 인해 콜브는 이 시스템의 사용 스펙트럼을 확장할 것을 진지하게 생각하고 있다. 시스템은 준비가 되어 있다. 이 시스템의 구상 단계에서 이미 추가적인 슬라이더 공급 장치 2개에 대한 자리를 제공할 수 있도록 넉넉하게 설계를 하였기 때문이다.