하이브리드 조립 시스템의 계획과 분업

수동으로 이루어진 작업 과정에 로봇을 투입하고 통합하려면 다양한 요건을 고려해야 한다. 독일 중형 기업 4.0 역량 센터가 ISL 그룹과 함께 한 프로젝트를 연구하였다.

 

마이너 뮐러(Rainer Müller) 교수: 연구 이사, 공학 박사, 산업 공학 박사 린하르트 회라우프(Leenhard Hörauf): 조립 시스템 기술 및 시스템 플래닝 그룹 책임자,

율리안 코흐(Julian Koch): ZeMA(Mechatronik und Automatisierungstechnik gGmbH) 센터 조립 시스템 기술 및 시스템 계획 연구 그룹 연구원

 

국제적으로 활동하는 제조 기업들은 짧은 라이프 사이클, 진행 중인 글로벌화, 개별화 제품의 수요 증가 등의 문제에 직면해 있다. 특히 고임금 국가인 독일에서도 경쟁력을 계속 유지하기 위해 유연성, 대응 능력, 생산 효율성에 대한 요건들이 많다. 대부분의 중견 기업들은 이렇게 변화하는 여건들과 높아가는 비용 압박에 시달리고 있다.

ISL Group GmbH는 산업 분야와 시스템 물류 분야에서 서비스를 제공하는 중형 서비스 공급자이다. ISL Automotive의 공장 가운데 하나가 독일 남서부 자를루이에 있는데, 이 곳에서는 자동차 제조사를 위한 윈드쉴드를 1차 조립한다. 이를 위해 윈드쉴드를 여러 차례 들어 올려 회전하고 운전하는 작업이 반복되어 직원들의 신체적 부담이 상당히 컸다. 이에 로봇 시스템을 도입하면, 작업자와 로봇 간의 능력에 맞는 분업으로 생산 시퀀스를 효율적으로 형성할 수 있을 뿐만 아니라 직원들의 신체적 부담을 인간 공학적으로 완화할 수 있다.

             기존 생산 환경에서 로봇 시스템 등의 자동화 솔루션을 사용하기 위해서는, 제품, 프로세스, 작업 수단이라는 3가지 요소와 이들의 상호 작용을 상세히 조사해야 한다. 제품을 상세히 고찰하기 위해 기존의 데이터(기술 도면 등)와 실제 제품을 활용하였다. 제품 분석으로부터 프로세스에 대한 기본적인 요건이 나타난다. 부품 목록은 어떤 부품을 조립할지를 제시한다. 장착 순서를 바탕으로 어떤 시퀀스로 부품을 조립할지 결정하고, 이어지는 관련 기계와 시스템을 이용하는 기존 프로세스 절차는 현장에서 이루어진다. 비디오 분석을 통해 프로세스 순서와 시간을 산출하고, 전체 계획 프로세스에서 고려하는 기존 스프레드(최소 및 최대 사양 변종)을 포함하여 택트 타임을 기록한다. 이 과정에서 프로세스 실행을 위해 작업자들이 사용하는 작업 수단을 조사하고, 이번 경우에는 각각의 작업 수단이 어떤 능력을 제공하는지가 특히 중요하다(그림 2).

그림 2: 능력을 기반으로 하는 하이브리드 조립 시스템 계획 방식

능력 기반 분업

지금까지 수동으로 하던 작업을 로봇 시스템으로 옮기기 위해, 수집한 실제 분석 정보를 활용하였다. 이를 위해 우선 윈드쉴드 일차 조립을 위한 프로세스 시퀀스를 고려하였으며, 이 시퀀스는 실질적으로 다음 단계로 구분된다. 즉 운반 받침대에서 드러내어 작업 테이블에 두기, 표면 세척, 앞면과 뒷면 회전, 사양 변종에 따라 모듈 조립(예, Pick-by-Light 위의 카메라 또는 센서, 그림 3 참조). 운반 받침대에 윈드쉴드 놓기. 이때 유리판이 운반 상태에서 종류 별로 랙에 준비되고 운반을 위해 고객 최종 조립 시퀀스로 맞춰져야 한다는 점을 고려해야 한다. 앞서 언급한 하위 프로세스는 지금까지 수동으로 작업자들이 실시했다.

그림 3: PickbyLight 시스템을 통해 조립해야 할 모듈 가져 오기

이 프로세스를 분배하기 위해서는 먼저 인간과 로봇의 기본적인 능력을 고려해야 한다. 무게가 약 13g인 유리판을 다루는 작업은 적절한 핸들링 도구를 갖고 있는 로봇이 적합하지만 인간은 이 프로세스가 인간 공학적으로 매우 힘든 작업이다. 감각이 필요한 프로세스는 경제적으로 자동화하기가 어려워 수작업이 유리하다. 이런 프로세스는 울퉁불퉁한 유리판 표면 세척과 전자 구성 요소 조립 등이 있다.

인간과 로봇의 능력 외에 경제적인 시스템 형성을 위해서는 대기 시간을 최소화하고 가동률을 높이기 위해 프로세스를 동시화하는 데에도 유의해야 한다. 또한 고객이 요구하는 택트 타임을 준수하는 것도 중요하다. 이 두 요건은 아래 그림 2에 묘사된 바와 같이 차트를 이용하여 조사하고 시각화할 수 있다. 일반적으로 개별적인 활동을 분류하고 하나의 프로세스에 포함시키는 방법이 한 가지만 있는 것은 아니며, 여러 가지 해결 방법이 생긴다. 따라서 조립 시스템의 기술적 구성에 좌우되는 각각의 해결 방법은 상호 비교하여 개별적으로 평가해야 한다.

 

조립 시스템 구성 방법

앞서 개진한 인간과 로봇 사이의 프로세스 분배를 해결하기 위해서는, 로봇 스테이션에 수동 작업장을 조합한 하이브리드 조립 시스템이 적합하다. 부분적으로 자동화된 시스템을 구체적으로 구성하는 것은 다음의 다양한 원리를 이용하여 이루어질 수 있다.

그림 4: 로봇 셀 및 7축을 통한 작업 공간 확장

로봇 셀: 그림 4 왼쪽에 보이는 것처럼, 셀은 로봇을 생산 환경에 통합하는 간단한 방법을 제공한다. 종류 별 유리판이 운반되기 때문에 구체적인 적용 사례에서 모든 변종을 하나의 생산 시스템에 나타내려면 여러 프레임이 필요하다. 이를 통해 익숙한 산업 로봇의 작업 공간(그림에서 빨간색으로 표시됨)이 부족한 것으로 나타났다. 따라서 인간과 로봇 사이의 작업을 적절하게 분배할 수 없고, 핸들링 작업을 유리판 회전이나 거치만 로봇이 부분적으로 맡을 수 있다. 작업의 동시화를 추가로 실현하기 위해서 작업장 두 곳이 제공된다. 이런 방식으로 인간뿐만 아니라 로봇도 각각 하나의 작업장에서 일할 수 있다.

제 7의 축을 통해 작업 공간 확장: 부족한 로봇 도달거리에 대한 해결 방안으로 제 7축을 만들 수 있다. 이 일곱 번째 축에 로봇을 설치하여 작업 공간을 확장한다(그림 4 우측 참조). 이 경우 모든 프레임에 도달할 수 있고, 핸들링 작업은 로봇에게 맡기고 인간과 로봇 간에 최적의 작업 부하를 달성할 수 있다. 하지만 제 7의 축을 사용하면 추가 비용이 발생할 뿐만 아니라 전체 시스템의 컨트롤이 더 복잡해진다.

인덱스 타입 조립 라인: 인덱스 타입 조립 라인도 생산 공장에서 인간과 로봇의 협력을 구현하기에 적합하다(그림 5 참조). 여기서 제품은 공작물 캐리어와 공급 및 복귀 라인으로 운반되고, 먼저 로봇이 들어서 프레임에 종류 별로 정리한다. 개별 택트를 이용하여 수동 프로세스를 간단히 분배하고, 예시에서는 한 명의 작업자가 두 택트를 담당하여 추가 인력에 대한 수요를 커버할 수 있다. 인간 공학적 측면을 개선하기 위해 유리판을 회전하는 공정은 택트 내에 간단한 장치를 통해 자동화할 수 있다. 이 컨셉트의 분업과 생산 개수 변동에 대한 대응 능력은 변종 다양성에 대한 높은 유연성으로 이 컨셉트가 선호되는 것으로 확인되었다.

             위의 컨셉트는 유리판 취급을 자동화된 작업 수단이 맡아 작업자의 부담을 덜어준다. 작업자는 로봇에게 적합하지 않은 숙련된 작업을 맡아 익숙한 작업 영역에서 계속해서 활동한다. 기계 제조사와 함께 상세 분석을 통해 이 컨셉트를 세부적으로 조정하고, 구체적으로 컨셉트를 구현한다.

그림 5: 인덱스 타입 조립 라인 구현.

중형 기업 4.0 역량 센터

 

독일 자브뤼켄의 중형 기업 4.0 역량 센터 제공 프로그램

역량 센터는 구현 프로젝트들 외에 여러 가지 무료 프로그램과 중소기업을 위한 공급자 중립적인 프로그램 생산 네트워킹, 인간-기술 상호작용, 디지털 사업 모델, 디지털 수공업 주제 분야에서 제공한다. 이 프로그램에는 정보 관리, 워크샵, 시연품을 이용한 테스트 방법이 있다.