Airbus, 항공기 동체 제작 자동화 어셈블리

프리미엄 비행기 구조물 납품업체가 수동 어셈블리 단계를 지능적으로 네트워킹하였다. 현대화된 방식으로 동체 일부를 제조하는데 그 수가 매월 50대 이상이다.

조세핀 델라 로비어(Josephin Della Rovere): Kuka 커뮤니케이션 매니저

Premium Aerotec은 크고 복잡한 비행기 동체를 디자인하고 생산하는 특화된 기업이다. 이곳에서 생산하는 것은 항공기 동체와 구조부품 외에 독일 아우크스부르크 공장에서 제작하는 Airbus 320 시리즈 섹션 19 동체가 포함되어 있다. Premium Aerotec은 2017년 5월에 수동 어셈블리를 지능형 자동화 솔루션으로 네트워크화 하였다. 동체 일부가 Kuka의 생산 시스템을 거치면서 리벳으로 접합되고 조립되며 매월 최대 50여 대의 동체가 생산된다.

2035년까지 28,000개 이상의 비행기 동체 제작

Premium Aerotec의 스트링어, 클립, 테두리 캐리어를 항공기 동체의 외피와 연결하는 공정은 로봇 기반의 리벳팅 셀에서 전자동으로 이루어진다

동체 직경이 3 ~ 4m인 비행기 수요는 늘 있었다. 현재 운항중인 민항기의 1/3이 통로가 하나인 표준동체 비행기이다. 통로가 양쪽에 있는 트윈동체에 비해 이 모델은 표준동체 비행기로 통한다. 이 모델은 현재 2035년까지 28,000대 이상의 주문이 밀려 있는 상태인데, 저가 항공사들의 성장과 개발도상국들의 주문이 밀려들고 있기 때문이다. 이러한 수요를 위해 Airbus에 납품하는 Premium Aerotec은 제조비용을 낮추고 생산개수를 늘릴 필요가 있었다. Premium Aerotec의 Airbua 섹션 19를 제조하는 아우크스부르크 공장에는 Kuka가 항공우주 분야를 위해 특별히 개발한 시스템이 배치되어 있다. „연간 최대 575개의 동체를 제작하려면 자동화를 통해서만 가능합니다. 이를 위해 현대화된 동체 제작시설과 A320 시리즈 섹션 19를 위한 길이방향의 접합 어셈블리를 설치하였습니다.“(공학박사 라이너 베버, 아우크스부르크 공장개발 어셈블리 프로젝트매니저)

현재 아우크스부르크 공장은 세계에서 가장 최신식 비행기 조립라인을 갖추고 있다고 Premium Aerotec 아우크스부르크 공장장인 울리히 아머스도르퍼가 설명하였다. 그 핵심부는 3 대의 로봇과 3 대의 전자동 보링 리벳팅 장치를 갖춘 80m 길이의 시스템이다. Kuka는 협력업체인 미국의 Gemcor와 협력하여 이 시스템을 제작하였다. Kuka의 로봇공학 및 자동화 전문가 팀이 시스템 통합의 역할을 하며, Premium Aerotec와 다른 파트너사와 함께 2년 넘게 이 프로젝트에 매달렸다. Kuka는 개발과 진행을 도맡아, 모든 하청업체들과 조율하여 모든 구성요소와 시스템 부품을 제작 조달하고, 컨트롤 시스템을 통합하여, 납기에 맞춰 시스템을 설치하고 작동 개시하도록 관리한다.

섹션19의 특수 형태로 인해 조립이 까다롭다

첫 번째 자동 영역에서 나온 부품은 다음 단계의 수동 스테이션으로 전달된다. 여기에서 동체 중간 조립이 이루어지는데, 부품은 RFID 칩 덕분에 제조 프로세스에서 연속적으로 추적할 수 있다.

섹션19 제조는 2017년 5월부터 새로운 조립라인에서 진행하고 있다. 항공기 동체에서 섹션 19는 캐빈 끝부분과 마지막 세그먼트, 즉 보조 파워 유닛 사이에 위치하는 곳으로 일반적인 동체와 달리, 원추형으로 뒤쪽으로 갈수록 좁아지는 형태로, 높은 압력에 잘 견뎌야 하기 때문에 개별 세그먼트 조립이 매우 까다로운 곳이다.

제조 절차의 첫 단계에서 섹션은 일부 셸(스킨 영역)이 연결된다. 이를 위해 지지요소(스트링어)와 연결앵글(클립)이 스킨영역에 설치된다. 스킨영역은 작업자가 수동 스테이션에서 삽입하고, 여기에 식별을 위한 RFID 칩이 설치하여, 핸들링 로봇과 리벳팅 시스템이 어느 구성품인지를 확인하고 각 스테이션에서 적합한 공구로 교체하고, 각 구성품은 연속적으로 전체 제조 프로세스 중에 추적된다. 또한 어셈블리 스테이션에서 발생하는 프로세스 정보는 구성품 별로 수집되어, 추가의 정보가 보완된 후 데이터 뱅크에 저장된다. 이런 방식으로 리벳팅 프로세스에서 수동 검사와 기록을 최소화하고 자동화된 문서로 대체한다.

제조 프로세스는 효과적으로 모니터링할 수 있다. 프로세스 또는 품질 관련 값이 지정된 공차를 벗어나면 해당 기계는 정지된다. „우리는 시스템 진행을 시각화하고 생산 절차를 최적화하기 위해 성능 데이터를 이용합니다.“(토마스 포크트, 셸 조립 책임자) 생산과정에서 병목현상을 감지하고 유지보수를 지원할 수 있다. 이는 인더스트리 4.0의 의미에서 투명한 생산을 가능하게 한다. Premium Aerotec의 목표는 처음부터 각 구성요소에 그러한 칩을 부착하는 수준에 이르는 것이고, 생산과정과 사용기간 중에 구성요소를 추적할 수 있다.

무게감소를 통해 제조비용과 조립비용을 낮춘다

스트링어 및 클립과 같은 부품 정렬과 부분 셸 고정은 수동으로 이루어지며, 보링, 카운터 싱킹, 리벳 장착은 완전 자동으로 이루어진다. 로봇이 부품 핸들링을 맡고 어셈블리를 자동 리벳팅 장치로 공급한다.

부분 셸에 칩을 장착하고 어셈블리를 구성품 캐리어에 놓으면 자동화 처리가 시작된다. 핸들링 로봇이 리니어 축에 구성품 캐리어를 받아 이를 필요한 전달 스테이션으로 전달한다. 이 스테이션의 양쪽에는 리벳 스테이션이 위치한다. 예전에는 구성품 캐리어로 강 재질의 모듈 팔레트를 사용하여 그 위에 고정되는 두 개의 부분 셸과 합쳐 무게가 1,000kg이 넘었다. 관절 암 로봇이 계획된 택트타임에 이동하기에 너무 무거웠다. Kuka는 Premium Aerotec과 함께 알루미늄 프로파일을 사용하여 경량화 솔루션을 개발하였고, 로봇의 그리퍼인 경량 구조물과 부분 셸을 합쳐 약 400kg에 불과하였다. 총 3대의 Kuka KR 1000 Titan 산업용 로봇이 빠르고 정확하게 이동할 수 있어 생산비용과 조립비용을 확연히 낮추었다.

구성품 캐리어 개발과 동시에 로봇이 부분 셸을 얼마나 빠르고 정확하게 구성품 캐리어에 배치할 수 있는지를 측정하였다. 결과는 전체 시스템의 강성을 확인하였고, 이는 중요한 정보이다. 자동화된 셀에서 리벳팅 사이클을 시작하기 전에 포지셔닝 사이클이 종료되어야 하기 때문이다.

자동 보링/리벳팅 장치는 셀에 고정 장착된다. 여기서 스트링어, 클립 그리고 테두리 캐리어가 부분 셸의 외피에 연결된다. 보링, 카운터 싱킹, 리벳 장착은 전자동으로 이루어진다. 즉 기계 비전시스템이 더미 리벳을 이용하여 위치를 찾아 구멍을 뚫고 리벳을 박는다. 이때 부분 셸 당 최대 1,800개의 여러 길이와 직경의 리벳이 자동으로 공급된다. 이어서 구성품 캐리어는 구성품과 함께 셋업 스테이션으로 전달된다. 어셈블리가 수동으로 고정되고 오버헤드 크레인 트랙 시스템을 이용하여 그 다음 스테이션으로 전달되며, 해당 스테이션에서 또 다른 구성품 캐리어에 있는 부분 셸이 하프 섹션으로 일차 조립되고, 레일이 연결된 바닥형 컨베이어를 통해 최종 보링/리벳팅 센터로 운반된다. 그 곳에서 남아 있는 커넥터가 장착되고 하프 섹션이 완성에 이른다.

PLC(Programmable Logic Controler)의 중앙 컨트롤 시스템, I/O 스테이션 그리고 안전 모듈 Profi-Safe 버스 시스템 및 Profi-Net 버스 시스템을 통한 고장 안전 통신을 갖춘 스위치 캐비닛.

Kuka는 상위 기계 컨트롤시스템으로 Siemens Sinumerik 840D를 설치하였다. Kuka가 정의하고 구현한, Siemens 컨트롤시스템과 Kuka 로봇 컨트롤시스템 KRC4 간의 인터페이스를 통해 작업자는 모든 기계를 안전하게 운전할 수 있다. 이때 Kuka 핸들링 로봇이나 Kuka가 시스템에 연결한 미국 회사의 자동 리벳팅 장치와 같은 제3자의 기계는 문제가 되지 않는다. 모든 제조현장은 디지털로 네트워크화 되고, 전체 프로세스는 라인 마스터 PC로 제어한다. Kuka 자체의 컨트롤 표준인 miKuka로 정보를 수집하여 라인에서 시각화되고 고객시스템 (MES, SCADA, ERP)에 제공된다. 보링/리벳팅 프로세스를 위한 로봇의 동작은 완전히 Cenit Fastsuite를 바탕으로 오프라인 프로그래밍과 자체 개발한 PIK(프로세스별 구현 키트)를 이용하여 프로그래밍하였다.

부분 셸 제조설비의 가용성과 퍼포먼스를 최적화하다

Premium Aerotec은 Kuka 시스템을 사용하여 정비 시간, 러닝 타임, 물류 수고를 현저히 줄일 수 있었다. 조립이나 운반과 같은 힘든 수작업을 인간 공학적으로 설계하여 작업자에게 부담을 상당히 덜었으며, 이는 기술적으로 복잡한 새로운 작업 프로세스를 의미한다. 이 시스템으로 Kuka는 최고의 정확성과 생산성 그리고 매력적인 비용에 대한 요건을 충족하였다.

„Kuka는 지능형 자동화 솔루션의 선도적인 공급자라고 자신을 소개했습니다. Kuka의 솔루션 포트폴리오와 우리의 비행기 조립에 관한 전문 지식을 결합하여, 생산 가용성과 퍼포먼스를 최적화하고 항공분야에서 요구되는 높은 품질을 충족할 수 있었습니다.“(라이너 베버) 이번 프로젝트는 동체 조립과 섹션 조립의 혁신적인 재정렬을 위한 중요한 요소이다. 여기서 얻은 경험은 장기적으로 큰 가치가 있다. 또 다른 확장단계에서 하프 셸을 완전한 섹션으로 조립하기 위해 Kuka 자동화 솔루션을 이용한 컨셉트를 구현할 수 있기 때문이다.

MM INFO
통로가 하나인 여객기 동체

 

■ Airbus-A320은 캐빈 복도가 하나인 표준 동체 비행기이다.

■ 이 모델은 주로 중단거리에 운항된다.

■ A320은 전세계에서 2초에 한대씩 이륙하거나 착륙한다.

■ 이 모델은 현재 약 7,000여 대가 운항 중이며 이미 13,000대 이상이 주문을 받은 상태로, Airbus에서는 성공한 모델에 속한다.