E-모빌리티를 위한 Jenoptik 싱글 로트 튜브 레이저

 

E-모빌리티 메가 트렌드는 차체 부품 생산을 위한 새로운 솔루션을 요구한다. 벤딩과 하이드로 포밍 튜브 그리고 튜브 프레임은 전기 자동차 디자인에 있어서 결정적인 요소이며, 이 부품들의 처리는 제조 설비 공급자들에게도 새로운 도전이 되고 있다. 싱글 프레임 생산도 안전 트래킹 요건으로 인해 도전의 하나이다. 싱글 프레임 생산은 모든 프레임 튜브가 싱글 배치(또는 로트 크기 하나)로 처리된 후 하나의 프레임에 결합된다. 절단해야 하는 다양한 튜브는 전통적인 레이저 커팅 시스템을 사용할 경우 많은 양의 고정 장치(Fixture)가 필요하다. 서로 다른 크기, 형태의 튜브 절단 작업을 처리하기 위해서는 높은 유연성을 가진 레이저 가공 솔루션이 중요하다.

 

필자: 안드레아스 드레거(ANDREAS DRAEGER)

 

이 글은 현재 조건에서 튜브를 처리하기 위한 로봇 기반 솔루션을 설명하고, 최첨단 로봇을 기반으로 3D 레이저 커팅 시스템을 사용하여 고정장치 없이 높은 유연성과 정확도에 도달하기 위한 단계들을 보여준다.

 

전기 자동차를 위한 관 형태의 프레임

여기에서 조명하는 연구 사례는 신형 전기 자동차를 위한 관 형태의 프레임 생산을 의미한다. 이 프레임의 기능은 전기 모터와 구성 요소들을 지지하고 진동으로부터 단절시킨다. 이는 프레임에 제시되는 까다로운 요구사항들이다. 프레임은 최대 750Nm가 되는 전기 모터의 높은 토크를 보상하고 내연 기관에 비해 약 150kg 정도 더 나가는 무게를 수용해야 하기 때문이다. 게다가 이 프레임은 전기 자동차 충돌 구조물의 일부이다.

 

이 프레임은 3 ~ 10개의 싱글 튜브로 구성된다. 튜브는 구부러진 후 3D 레이저로 절단하고 전체 프레임에 접합된다. 이관 형태의 프레임은 안전과 추적성에서 싱글 배치로 제작되는데, 이는 하나의 프레임을 위해 필요한 개별 튜브들이 순차적으로 하나의 배치 크기로 제작된 후 최종 프레임에 용접 결합된다는 의미이다. 이 프로세스는 추적성에 더하여 자동차 제조사들에게는 부분적으로 가공된 튜브의 추적성을 중간 저장할 필요가 없다는 장점이 있다.

 

유연성을 높이기 위해, 하나의 생산 라인에서 무작위 제품 시퀀스로 고정 장치를 변경할 필요 없이 여러 타입의 다른 프레임을 생산하여, 변화하는 요건에 맞추어 생산을 매우 신속하게 조정할 수 있다.

 

이러한 유연한 싱글 배치 생산은 생산 설비에 까다로운 요건을 제시한다. 구체적인 요건과 레이저 처리 셀에 중점을 둔 구현은 아래에서 논의한다.

 

이번 연구 사례에서 약 100만 개별 튜브로 구성되는 연간 대략 120,000개 프레임에 이르는 총 생산 용량이 필요하다. 파이프 길이는 30cm ~ 160cm로 다양하다. 절단해야 하는 윤곽에 필요한 위치 정확도는 +/- 0.4mm이며 형상 공차는 +/- 0.2mm이다. 또한 상위의 벤딩 공정으로, 특히 튜브의 개별 배치 생산에 의한 생산 공차는 보상되어야 한다.

 

새로운 컨셉트 구현

그림 2: 컨셉트 발전

전통적인 레이저 처리 방법을 사용하면 싱글 배치 생산을 위해 4개의 갠트리 레이저 시스템이 필요하다. 셋업 시간과 물류 비용 그리고 필요한 추가 공간으로 인해 이 방법은 사용할 수 없다. 따라서 전통적인 갠트리 레이저 시스템(그림 2 참조)을 대체하고 유연한 레이저 시스템을 위한 새로운 컨셉트를 개발해야 했다. 기존의 빔-인-모션(beam-in-motion, BIM) 컨셉트를 기본으로, 레이저 빔이 레이저 커팅 로봇의 암 내부로 가이드 되는 것을 의미한다. 운반 섬유가 없어 가벼운 레이저 커팅 헤드가 가능하고 커팅 로봇의 정확하고 고도로 역동적인 동작이 가능하다. 레이저 딜리버리 섬유 케이블의 정의되지 않은 움직임이 없고, 콘넥터로 체결된 커팅 헤드에 크고 무거운 섬유 케이블이 없기 때문에 복잡하게 구부러진 파이프로의 접근성이 개선된다.

 

복잡한 레이저 커팅 고정 장치 대신, 핸들링 로봇을 적용하였다. 따라서 두 가지 작업 단계 ‘내부 재료 운반’과 ‘빔-인-모션(beam-in-motion, BIM)커팅 로봇을 위해 공작물 제공’을 하나의 기능 유닛에 조합하였다. 최종 구성 요소인 이미지 프로세싱 유닛은 새로운 생산 요건을 충족하기 위해 소개되었다. 이 이미지 프로세싱 솔루션은 유입되는 벤트 튜브의 생산 편차를 측정하고 공차를 보상할 수 있어야 한다.

 

결과 매우 유연한 레이저 프로세싱 시스템

그림 3: JENOPTIK-VOTAN® BIM 레이저 가공 셀의 조감도(a)와 3D 이미지(b), 레이저 커팅 로봇(파란색), 핸들링 로봇(노란색)이 보임.

컨셉트 개발에 따라, 두 개의 프로세스 라인을 갖춘 레이저 셀이 만들어졌다. 각각의 프로세스 라인은 한 대의 레이저 커팅 로봇과 두 대의 핸들링 로봇으로 구성된다(그림 3). 레이저 셀 중앙에는 폐기물 컨베이어 벨트가 있으며, 이 벨트는 커팅 폐기물을 셀 밖으로 운반한다. 유입되는 재료는 레이저 안전 잠금 챔버를 거쳐 셀 한쪽에 있는 트레이에 공급된다. 다른 쪽에서는 처리된 재료가 다른 트레이에 놓인 후 출력 잠금 챔버를 거쳐 밖으로 운반된다. 레이저 빔 소스, 레이저 칠러, 컨트롤 캐비닛과 같은 다른 구성 요소들은 기계 위의 중간층에 배치된다. 이는 추가로 생산공간을 절약한다.

 

이 프로세스는 연속 흐름 원리에 따라 실행된다(그림 4 참조). 먼저 가공되지 않은 파이프를 담은 입력 트레이가 기계에 로드된다. 이미지 처리 유닛 1(IP 1)이 어느 트레이가 로드되었고, 어느 프로그램이 시작되어야 하는지 점검한다. 또한 파이프 위치의 현재 구성도 점검한다. 이미지 처리 유닛(IP2)는 튜브의 정확한 위치를 점검하고 편차를 오프셋으로 핸들링 로봇에 전달한다. 이로 인해 튜브는 항상 정확하게 파지된다. 미가공 튜브의 길이가 측정되고 최대 허용 길이를 초과하지 않도록 보장된다. 튜브가 최대 길이를 초과하면, 시스템 손상을 방지하기 위해 프로그램이 시작되지 않는다.

그림 4: 연속 흐름 공정.

이러한 점검이 이루어진 후, 핸들링 로봇 1(HR1)이 트레이에서 튜브를 꺼낸 후 이를 셀에 장착된 이미지 처리 유닛 3(IP3) 앞에 댄다. 이미지 처리 유닛 3은 핸들링 로봇의 그리퍼가 잡고 있는 튜브를 인식한다. 이미지는 저장되어 있는 기준 형태와 비교된다. 기준 형태와 차이가 나는 편차는 오프셋으로서 핸들링 로봇에 전송되고, 핸들링 로봇은 빔-인-모션(beam-in-motion, BIM) 레이저 커팅 로봇 앞에서 정확한 위치로 튜브를 잡는다. 현재 튜브 형태가 허용되는 오차 범위를 벗어나면, 이어지는 가공이 중단된다.

 

그 다음 단계에서 핸들링 로봇 1(HR1)이 튜브를 빔-인-모션(BIM) 레이저 커팅 로봇에게 제시하고, 튜브에서 첫 번째 윤곽 부분의 레이저 커팅이 시작된다. 이 공정이 완료되고 나면, 튜브는 이미지 처리 유닛으로부터 사전에 확인된 오프셋 값을 고려하여 핸들링 로봇 2(HR2)로 전달된다. 이후 빔-인-모션(BIM) 레이저 커팅 로봇이 두 번째 윤곽 부분을 커팅한다. 두 번째 제시 위치에서 커팅이 이루어지는 동안, 핸들링 로봇 1이 처리를 위해 그 다음 튜브를 취하고, 이미지 처리 유닛은 진단 단계를 실행한다. 그 결과 전체 시스템이 탁월한 품질과 효율성으로 대량의 가공 요건을 충족할 수 있다.

 

성공적인 레이저 커팅 후, 핸들링 로봇(HR2)이 완성된 튜브를 배출 트레이의 지정된 위치로 옮긴다. 트레이에 있는 다른 모든 튜브가 커팅되면, 레이저 안전 출력 잠금 챔버가 닫히고, 그 다음 프레임이 시스템에서 가공되는 동안 해당 트레이를 밖으로 운반할 수 있다.

 

요약

3가지 구성 요소(핸들링 로봇과 빔-인-모션(BIM) 레이저 커팅 로봇 그리고 지능형 이미지 처리 솔루션)을 사용함으로써, 관 형태의 프레임 싱글 배치 생산은 매우 유연한 시스템으로 고정 장치가 없는 레이저 프로세싱 솔루션으로 구성 되었다. 요구되는 위치 정확도 +/- 0.4mm와 형상 공사 +/-0.2mm는 반복 테스트로 입증되었다.

 

따라서 긴 시간 동안 고정장치를 설치하는 수고 없이, 관 형태의 프레임 제품을 변경할 수 있고, 벤딩 공정 중 피할 수 없는 생산 공차도 보상할 수 있다. 생산 프로세스가 허용 범위를 벗어나면, 레이저 시스템이 이러한 편차를 알리고 이어 가공을 막는다. 따라서 각각의 튜브에 대한 추가의 품질 점검이 제공되고, 이는 사이클 타임과 상관이 없다. 첫 번째 시스템이 생산을 위해 최종 고객에게 전달되었다. JENOPTIK의 새로운 빔-인-모션(beam-in-motion, BIM)레이저 커팅 시스템을 통해 자동차 산업은 e-모빌리티의 높은 유연성 요건을 성공적으로 대응할 수 있는 도구를 제공받게 된다.