산업용 로봇을 이용한 절삭가공

로봇의 더욱 정확해지고 탄탄해지고 있지만 가격은 저렴해지고 있다. 로봇은 이미 여러 산업 분야에서 우수한 사용 가능성을 제공하고 절삭 분야에도 마찬가지이다. 이제 절삭 분야에서 필요한 것은 올바른 제품, 올바른 기술, 로봇을 투입하기에 적합한 과제를 찾는 것이다. 2년마다 독일에서 열리는 “로봇을 이용한 절삭”이란 행사에서 업계와 학계가 토론을 벌였다.

 

빅토리아 존넨베르크(Victoria Sonnenberg)

 

독일 다름슈타트 공과대학 PTW(생산 관리, 기술 및 공작 기계 연구소)는 멀지 않은 미래에 로봇이 가격 경쟁력을 갖추게 되면 절삭 분야에서 5축 공작기계보다 경쟁력을 갖추게 될 것이라고 하였다. PTW는 이 주제를 규명하기 위해, 2년마다 열리는 기술의 날 행사에서 “로봇으로 절삭하기”란 주제로 산학정보를 교환하고 있다. 또한 행사를 통해 새로운 접근법과 실무에 실현된 혁신적 솔루션을 소개하고 있다. PTW는 이번 오프닝 행사에서 로봇 기반의 절삭에 초점을 두는 연구과제를 간략하게 소개하였다. 이를 위한 연구 활동에 총 400대의 로봇이 제공되었다.

연구 활동 가운데 하나는 밀링 가공에 Kuka 로봇 KR300을 장착한 절삭 셀을 이용하여 진행되었다. 28kW 동기화 스핀들이 절삭 프로세스의 성능을 책임지고, 실시간 컨트롤이 구현되었으며 이를 통해 보상 방법을 적용하였다. 로봇으로 안쪽의 교차되는 보어 홀을 디버링하기 위해 테스트 필드에서 개발한 디버링 시연 로봇도 제공되었다. 현재 이 시연 로봇은 미래 세대를 교육하기 위한 학습에도 활용되고 있다. Bosch Rexroth의 자동화 라인에 통합되어 있는 교육 셀도 마찬가지이다. 이 교육 셀을 바탕으로 오류를 로봇에게 전달하는 상위 컨트롤러를 이용하여 프로그래머블 로직 컨트롤러를 학생들에게 교육하고 있다.

 

대형 구조물 가공을 위한 이동식 CNC 로봇

리니어 축과 이동식 플랫폼으로 확장 가능한 작업 공간

로봇 기술 센터에서 이제 막 완성된 새로운 프로젝트는 하이브리드 가공을 위해 ABB IRB 6660을 설치한 로봇 셀이다. 이 셀로 적층 오버레이 용접 프로세스를 실현하고 밀링 스핀들을 이용한 2차 가공이 가능하다. 작업 공간 당 로봇은 한 대일 경우의 투자 비용은 공작기계 투자비의 약 1/3 ~ 2/3에 불과하다. 이는 가장 중요한 구매 요소인 로봇에게 유리하게 작용한다. 또 다른 장점은 리니어 축과 이동식 플랫폼을 통해 작업 공간을 간단하게 확장할 수 있다는 점이다. 또한 하이브리드 가공을 실현하기 위해 사용하는 엔드 이펙터를 통해 유연성도 로봇에게 유리하게 작용한다. 생산이 더욱 에너지 효율적이 된다는 점도 중요하다. 따라서 근소한 체중을 움직이는 로봇의 에너지 효율적인 구조도 장점이 되고 있다. 하지만 공작기계에 비해 절대적 정확도와 반복 정확도가 떨어지는 것은 단점이다. 최근 몇 년 간 정확도 측면에서 일정 부분 성장을 기록하였지만 이 점이 로봇의 가장 큰 약점이다.

 

전체 시스템이 틀어짐으로 인해 경로 이탈이 잦다

로봇의 구성은 공작기계에 비해 기계 구조 전체 시스템이 많이 틀어진다. 로봇 시스템의 정렬 불량이 최대 50 정도 더 높으며, 이로 인해 경로 이탈이 자주 발생한다. 최근 PTW가 AiF-ZIM 프로젝트 Roinko와 산업용 로봇을 이용한 절삭 연구 그룹에서도 이 문제를 연구하고 이러한 효과를 줄이기 위해 적합한 솔루션을 찾고 있다. 이 시스템은 높은 틀어짐으로 인해 진동에 매우 취약하고 로봇 암으로 인해 기계 특성 측면에서 많이 좌우된다. 홈을 밀링할 경우 크게 두 가지 부작용이 눈에 띈다. 하나는 가공 위치의 정적 오류이다. 이 오류는 로봇의 뒤틀림으로 인해 발생한다. 이 뒤틀림은 뒤틀림 보정으로 줄일 수 있다. 두 번째 부작용은 동적 오류라고 하는 표면 주름이다. 이를 위해 까다로운 매개변수로 가공을 실행할 수 있도록 PTW에서 안정성 평가와 예측 기능을 사용한다.  

             이를 위해 PTW는 로봇의 구조적 특성을 바탕으로 밀링 프로세스 힘과 연결한 가공 프로세스를 로봇 시스템으로 유도하였다. 동적 평가 시에는 로봇의 구조를 더욱 면밀하게 고려하고 이를 위해 로봇의 TCP(Tool Center Point)에서 주파수 응답을 모델 분석을 이용하여 기록하였다. 또한 모든 축 위치와 TCP에 가해지는 힘에 대해 이 위치에서의 밀림 또는 시스템 뒤틀림을 측정할 수 있는 뒤틀림 모델을 만들었다. 이어서 절삭 프로세스에서 불안정성을 초래할 수 있는 일반적인 두 가지 효과를 연구하고 이에 적합한 모델을 구현하였다. 이 모델을 이용하여 불안정성을 예측할 수 있는지 여부를 도출할 수 있었다. 이를 위해 시험 시퀀스를 구성하고 결과를 해석하였다. 시험 결과 위치 커플링의 안정성 예측을 이용하여 가공 방향이 특정 위치에서 적합한지 아니면 그렇지 않은지를 정량적으로 측정하는 것이 가능하다. 하지만 더욱 정밀하게 검증하기 위해서는 연구 작업이 계속해서 필요하다고 한다.

             공구가 원래 계획한 경로에서 밀리고 밀링 경로가 마지막에 밀링 힘이 약해졌다가 원래 위치로 되돌아가는 정적 오류에 대해서 PTW는 온라인 보상을 실현하였다. 온라인 보상의 장점은 힘이 직접 측정되기 때문에 프로세스 힘이 얼마나 될 것인지 알기 위해 사전에 경로를 계획할 필요가 없다는 점이다. 하지만 프로세스 힘 측정과 로봇 반응 사이의 시간적 오차를 초래할 수 있다는 점이 단점이다. 뒤틀림 보상 모듈을 통해 PTW는 현재 밀림을 1.1mm에서 0.5mm 아래로 낮출 수 있었다. 이는 피드 속도 25mm/s, 밀링 커터 직경 16mm일 때에 60% 개선에 해당한다.

 

에어버스 A320 수직 꼬리 날개를 가공하는 ProsihP-II 시스템

로봇 시스템이 적층 가공과 피시니를 합쳤다

BMBF 후원 연구 프로젝트 Progen (프로젝트 기간: 2014년 8월 ~ 2017년 7월)의 프로젝트 파트너인 항공기 회사 Airbus도 절삭 로봇을 함께 연구하였다. Progen의 범위 내에서 새로운 유형의 하이브리드 고성능 제조 방법 개발에 초점을 맞추었다. 이를 위해 에너지 효율적인 레이저 기반 오버레이 용접법을 사용하였다. 로봇 시스템은 적층 가공과 절삭 피니싱을 하나의 고성능 프로세스로 결합하였다. 이때 재료를 더하는 적층 가공과 재료를 제하는 절삭 가공을 결합하는 것이 제일 큰 과제였다. 프로젝트 파트너들(Adam Opel AG, 프라운호퍼 IWS, robot machining GmbH도 포함됨)은 새로운 유형의 와이어 재료로 다이오드 레이저 분사 소스를 개발하였다. 적층 가공 후 무접촉 부품 표면 측정이 피니싱을 위한 입력 데이터를 제공하였다. 새로운 이 프로세스 체인은 항공 부품을 만들고 성형 공구를 정비하기 위해 시제품으로 사용되었다. 한 로봇 셀에서 전체 프로세스를 이행하여 연속 생산에서 높은 생산성을 기대할 수 있었다.

 

로봇 기반 하이브리드 고성능 프로세스

이 연구 프로젝트의 목적은 적층 가공과 절삭 가공 원리를 조합하여 로봇 기반 하이브리드 고성능 프로세스를 개발하는 것이었다. 프로젝트 파트너들과 함께 생산성을 높이고 생산에 따른 부품 디자인에서의 한계를 넘어서기 위해, 로봇 시스템을 통해 적층법과 절삭법을 지능적으로 연결했다. 레이저 와이어 오버레이 용접을 밀링 가공과 연삭 가공을 디지털화 프로세스에서 시각적 센서를 통해 연결하였다.

             전통적인 중소기업인 Mabi 역시 이번 행사에서 자사 연구 사례를 간단히 소개하였다. Mabi는 판재 가공을 취급하면서 크로스컷 기계와 파이프 가공 기계 영역에서 틈새 시장을 찾아냈다. Mabi는 설치와 큰 어셈블리 조립을 대부분 수작업으로 이루어진다. Mabi는 2012년에 이 프로세스를 자동화하는 데에 몰두하였다. 인더스트리 4.0 범위에서 항공 분야의 자동화 공습이라 할 수 있는 „CFRP 대형 구조물의 안전한 고생산성 정밀 절삭 (ProsihP II)“의 프로젝트 파트너가 되었다. 동기는 섬유 강화 복잡 재료로 이루어진 날개 구조물과 동체 구조물 같은 초대형 구조물을 유연하고 저렴한 시스템 컨셉트로 제조하기 위한 것이었다. 여기에는 로봇을 이동식 플랫폼에 장착해보자는 아이디어가 있었다. Miab는 이 구조물의 정확도를 위해 수많은 실험을 진행했다. 로봇에 센서 장치를 통합하는 것에서 컨트롤러에 보상 방법을 적용하는 것과 센서에 의해 안내되는 카메라 시스템이나 레이저 트래커까지 실험을 거쳤다. 이 프로젝트의 목적은 특수 프로세스에 맞추어 개별적으로 재단된 특수 기계에서 보편적으로 사용할 수 있는 이동식 로봇으로 가는 것이다. 이에 다양한 분야의 전문가들이 로봇을 통해 CFRP 대형 부품을 움직이면서 정밀하게 가공하는 방법을 개발하였다. 현재까지는 대형 구조물 가공에 무겁고 비싼 특수 갠트리 기계가 표준이었다. CFRP(특수 탄소 섬유 강화 플라스틱) 재질의 부품은 프로세스 모니터링으로는 돌이킬 수 없는 재료 손상과 값비싼 비용을 초래하는 가공 오류를 막지 못하기 때문에 ProsihP II 프로젝트 참여 직원들은 지난 3년 동안 다음과 같은 개발 목표에 매달렸다.

■ 모든 부품 형상과 부품 치수에 맞게 조정되는 이동식 로봇으로 구성되는 모듈 시스템을 위한 기초.

■ CFRP 대형 부품을 빠르게 가공하기 위해 여러 대의 로봇을 동시에 사용할 수 있는 조합 방법.

■ 교체 가능한 엔드 이펙터를 장착한 이동식 로봇 유닛을 다른 생산 프로세스에 사용할 수 있는 변환 능력.

■ 정확한 경로 가이드를 통해 새로운 응용 영역을 여는 고정밀 로봇 개발.

■ 오류 리스크가 높아지는 상황에서 손상이 나타나기 전에 프로세스를 제 시간에 다시 안전한 범위로 가져오는 프로세스 모니터링.

유연한 기계 컨셉트와 가공 시스템을 배치하여 바람직한 자유도가 가능한 산업용 로봇을 위한 이동식 플랫폼을 개발하였다. 여기에 우수한 가공 결과를 위한 전제 조건은 정적, 동적 안정성이다. 프라운호퍼 생산 기술과 응용재료 연구소(IFAM)의 자동화 팀은 프로젝트 파트너인 Airbus, Mabi, Siemens, VW과 협력하여 제조사와 상관없이 선택 가능하고 교체할 수 있는 고중량 로봇을 위한 이동식 캐리어 차량을 제작하였다.

 

절대적 정확도와 경로 정확도 최적화

이 프로젝트의 목적은 항공 산업에서 제시하는 수십 분의 1 밀리미터의 공차를 달성하는 것이다. 따라서 개발 시에 절대적 정확도와 경로 정확도를 최적화하고 시스템의 강성을 높이는 것이 중요하다. 로봇 회전 축에 추가의 측정 시스템을 장착하여 반대 방향으로 시동할 경우 프로세스 힘과 개별 축의 역기능을 현저히 줄였다. 또한 직접적인 측정 시스템을 통합하여 운동 전달을 가상으로 강화하였다. 따라서 첫 번째 로봇 축에 접선 방향 힘이 작용할 때에 TCP의 밀링이 50%까지 낮아질 수 있다. 마찰 효과와 같은 또 다른 최적화 단계를 통해 경로 거동을 개선하고, 원형의 개선과 반대 방향으로 원형 이동 시에 높은 반복 정확도를 달성하였다. ISO 230-4:2005에 따른 양방향 원형 오차를 50%까지 줄인 점은 최적화가 성공했음을 의미한다.

 

MM INFO

산업용 로봇을 이용한 절삭

장점:

■ 작업 공간 당 투자 비용 낮음

■ 작업 공간 확장 가능

■ 엔드 이펙터/ 프로세스 조합 측면의 유연성

■ 에너지 효율적인 기계 구조

■ 공간이 많이 필요하지 않음

 

단점:

■ 공작기계에 비해 절대적 정확성과 반복 정확성 떨어짐

■ 공작기계에 비해 기계 구조의 정렬 불량 높음

■ 진동에 취약한 시스템

■ 방향에 좌우되는 거동