KUKA, 머시닝 솔루션으로 로봇을 가공 공정에 사용할 수 있게 되었다

최근 몇 년간 로봇 기반 머시닝 솔루션을 위한 시스템 기술이 비약적으로 발전하였다. 그로 인해 가공 공정에 사용할 수 있는 로봇의 사용 가능성은 더욱 커졌다.

요제핀 슈미트(Josephin Schmidt)

요즘 모든 산업분야에서 목격되는 트렌드는 경량화이다. 경량화는 무엇보다 자동차 산업과 우주항공 분야에서 수요가 크다. 원료를 줄이고, 에너지를 절감하여 비용을 낮추고자 하는 이 모든 것이, 로봇 기반 경량 소재 솔루션을 실현해야 할 이유이다. KUKA의 로봇 머시닝 영역에서는 고객별 솔루션과 로봇 기반 머시닝 프로세스용 표준 셀을 선택적으로 구성 요소를 연결하거나 다른 프로세스와 연결하여 기획하고 실현하고 있다. KUKA는 이 전부터 스마트하고, 견고하고 경제적인 솔루션을 만들기 위해 응용 중심의 기술개발과 연구에 투자해 왔다. 최근 몇 년간 KUKA Industries는 다양한 유형의 구성품을 연속적으로 머시닝하기 위한 기술을 개발해왔다. 대학 및 협력사와의 가공 테스트와 여러 고객 프로젝트에서 얻은 노하우는 결국 “MAI ZPR – 정밀 로봇 가공을 통한 CFRP 절삭“ 프로젝트에 녹아 들었다.

CFRP 부스터 하우징을 위한 KUKA 시스템 엔지니어링

CFRP로 제작한 풀 스케일(Full Scale). 새로운 부스터 예상 모습.
KUKA는 아리안 6의 고체 모터 하우징 프로토타입을 제작하기 위해 시스템 엔지니어링을 제공하였다.

프로젝트 “Koffer(비용을 최적화한 섬유강화 플라스틱 고체 로켓 모터)”에서 얻은 노하우를 MAI ZPR에 적용하였다. KUKA Industries는 MAI ZPR에서 새로운 CFRP 부스터 하우징의 최초 기술 시제품을 제작하기 위해 시스템 엔지니어링을 개발 제공하였다. 이 설비는 독일 아우크스부르크의 독일 항공우주 센터의 경량제조 기술센터 DLR ZLP에 있다. 이 설비는 얼마 전부터 로봇 기반 절삭 프로세스에서 사용하는 전통적인 NC(수치 제어장치)로 구동되었다. 이 제어장치 외에 로봇 기반 권선 공정 자체도 새로운 기술인데, 궤도를 따라 비행하는 것은 우주발사체가 없으면 불가능한 일이다. 경쟁력 있는 운반 시스템을 제작하려면 비용을 절감해야 한다.

아리안 6 CFRP 부스터 하우징의 로봇 기반 권선

여기에서 새로운 기술과 자동화 솔루션이 결정적인 역할을 한다. MT Aerospace AG와 DLR ZLP는 아리안 6의 개발 목적을 달성하기 위해 복합 소재 가공을 위한 프로세스를 연구하고 있다. 현재의 부스터인 금속 고체 모터 하우징을 CFRP로 더 작게 만드는 것이 목표이다. 이는 섬유의 건식 권선과 안착을 통해 달성될 것으로 본다. KUKA Industries는 프로젝트를 위한 시스템 엔지니어링을 실현하였다. 이미 KUKA가 개발하고 납품하여 아우크스부르크의 DLR ZLP에서 연구 플랫폼으로 사용하고 있는 다기능 로봇셀에 보완적인 시스템 기술이 내장되어 있다. „권선을 위한 전체 시스템은 리니어 유닛에 달린 로봇, 실 공급장치를 포함하는 특수한 로봇 엔드 이펙터 그리고 해당 권선핀을 위한 회전 장치로 이루어집니다. 이 시스템은 전통적인 NC로 컨트롤됩니다. 선행하는 프로세스 프로그래밍과 로봇 프로그래밍을 위해서는 CAD/CAM 소프트웨어를 사용합니다.“ (토비아스 마레쉬, KUKA Industries  로봇 머시닝 프로젝트 엔지니어) 하드웨어와 소프트웨어를 전체 시스템에 통합한 이후 건식 권선 기술로 직경 3.5m, 길이 6m의 CFRP 부스터 최초 기술 시제품을 제작할 수 있었다.

2014년 10월에 KUKA는 연구 프로젝트 MAI ZPR을 시작하였고 운영을 맡았다. 이 프로젝트는 BMBF (독일연방 교육연구부)가 후원하고 최고 클러스터 이니셔티브 MAI Carbon에 속해있다. 파트너인  DLR ZLP, Tebis Technische Informationssysteme AG, Hufschmied Zerspanungssysteme GmbH, BCT Steuerungs- und DV-Systeme GmbH와 함께 CFRP 로봇 기반 절삭 솔루션과 GFRP 및 알루미늄과 같은 경량 재료의 절삭 솔루션을 연구한다. 하나로 묶인 통합 자동차 및 항공우주 파트너를 통해 개발은 응용 중심으로 이루어진다.

토비아스 마레쉬는 절삭 작업에 로봇을 사용해야 할 동기를 다음과 같이 설명한다. „로봇은 작업 반경이 매우 크다는 장점이 있습니다.“ 가공 작업에 일반적으로 사용하는 산업 로봇은 작업 반경이 약 60 ~ 120m3이다. 로봇을 리니어 유닛에 설치하면, 작업 반경을 임의로 더욱 확장할 수 있다. „이런 특성 덕분에 길이 25m, 높이 3m의 제품을 가공하는 데 사용하는 시스템을 이미 실현하고 있습니다.“(토비아스 마레쉬) 다른 한편으로 로봇은 매우 높은 유연성을 가지고 있다. 즉 구성품 핸들링과 같은 공정과 품질 점검도 같은 로봇으로 할 수 있다. „큰 작업 반경과 높은 유연성이 문제라면, 당사는 전통적인 공작기계에 대한 훌륭한 대안을 제공하고 있습니다.“

MAI ZPR의 기술 개발을 통해 CNC 기계에 비해 로봇의 단점을 단계적으로 줄여나갈 계획이다. 전체 시스템의 절대적 정확성을 개선하기 위해 KUKA는 정밀 트랙 보정 기술을 개발하였다. 로봇의 제한된 강성은 앞으로 공정힘의 모델 기반 보정을 통해 조정될 것이다. „절삭 분야에 속한 많은 잠재적 사용자들에게 로봇은 여전히 잘 알려지지 않은 존재입니다. 측정 센서를 이용한 제품의 영점 측정과 같은 CNC 분야의 표준과 연결하거나 전통적인 컴퓨터 지원 수치 제어장치와 연결하여, 로봇을 사용하는 것에 대한 심리적 거부감을 계속해서 줄여야 합니다.“

고객별 시스템 솔루션 및 모듈러 표준셀

우리는 연구 프로젝트와 기술 프로젝트로부터 구축된 노하우와 개발 기술에서 출발하여 머시닝 셀 형태의 최적의 솔루션과 고객을 위한 토털 시스템을 구현할 수 있습니다. KUKA에는 MAI ZPR 개발 기술이 녹아 있는 테스트와 어플리케이션 셀이 있으며, 오늘날 이 테스트 및 어플리케이션 셀을 기반으로 개발을 더욱 넓혀가고 있습니다. 앞으로도 이 테스트 및 어플리케이션 셀은 고객의 가공 테스트에 더욱 강화되어 사용될 예정입니다. “ (토비아스 마레쉬)

위로 접히는 머신 테이블 덕분에 작업자를 위한 인간 공학적 로딩 및 언로딩과 로봇 기반 절삭에 있어서 최적의 구성품 배치가 가능하다. 이것이 KUKA 틸팅 시스템을 장착한 모듈러 표준셀의 특징이다.

KUKA Industries의 로봇 머시닝 분야는 고객별 솔루션을 연구해 왔다는 것을 확인할 수 있다. 우주 항공 분야의 고객을 위한 특수 로봇 기반 머시닝 셀을 만들었다. 이 셀에서 특히 눈 여겨 볼 점은 내장된 범용 클램핑 장치를 통해 200가지가 넘는 다양한 섬유강화 소재 제품을 안전하고 정확하게 클램핑할 수 있다는 점이다. „가공을 위해 추가적인 구성품 장치는 필요하지 않습니다. 고객은 특정 장치를 쓰지 않아도 되며 설치 공간도 크게 줄일 수 있습니다. 당사는 자체적인 주철 최종 가공에도 CNC 기계 외에 로봇을 사용합니다. 이 로봇은 공작 기계에서 로딩과 언로딩, 버 제거, 링, 보링, 레드 인서트 조립 작업을 수행합니다.“ (토비아스 마레쉬) KUKA는 고객별 시스템 솔루션 외에 표준화된 머시닝 셀도 제작한다. 이른바 KUKA 틸팅 시스템으로 불리는 머신 테이블은 신기술이다. 머신 테이블은 머시닝 작업 시 수직 상태를 유지하고, 제품 로딩 및 언로딩을 위해서는 90°로 바깥쪽으로 접혀 로봇 기반 절삭을 하기에 최적의 위치에 자리하게 된다. 또한 칩과 절삭된 부분 대부분이 아래쪽 칩 트레이로 떨어지고, 제품에 남아 있지 않게 된다. 또한 셀 장착은 아래로 접히는 머신 테이블을 통해 작업자를 위해 인간 공학적 위치에서 이루어진다. „이 셀을 고객의 자재 흐름 내에 통합하여 완전한 솔루션으로 구현합니다.“(토비아스 마레쉬)

모듈러 표준셀은 모듈을 기반으로 하며, 고객의 필요에 따라 서로 조합할 수 있다. 하나 내지 두 개의 로봇을 장착한 상태에서 최대 세 개의 틸팅 시스템을 셀에 통합할 수 있다. 방탄 알루미늄 소재의 슬라이딩 게이트를 통해 교대로 장착과 가공이 가능하다. 위험한 섬유 분진이 발생하면 진공 장치를 통해 주변 가공 영역의 오염이 최소화된다. 이 과정에서 슬라이딩 게이트와 진공 장치가 결정적인 역할을 한다. 로봇 기반 솔루션이 얼마나 경제적인가 하는 것과 근본적으로 얼마나 가능한가에 대한 문제를 사전에 밝힐 수 있다. ”우리는 먼저 고객과 함께 가공 테스트를 실시합니다. 이를 통해 구체적인 요건에 맞는 최적의 셀을 도출해 내고, 고객을 위해 그 다음 단계에서 이를 실현하고 있습니다.“(토비아스 마레쉬)

로봇은 공작기계에 대한 유연한 대안이 될 수 있다.

빅토리아 존넨베르트(Victoria Sonnenberg), 로보틱스 부문 에디터