Bürkert의 용접 로봇 냉각 시스템

용접 로봇은 자동화된 생산 시스템에 설치되어 안정적으로 작동해야 한다. 이때 용접 캡을 적절하게 냉각하는 것이 매우 중요한데, 플러그&플레이 (Plug & Play) 냉각 시스템이 이 역할을 맡고 있어, 인더스트리 4.0 컨셉트에 연결하기 용이하다.

하르트무트 로타(Hartmuth Lotha): Bürkert Fluid Control Systems 자동화 시스템 필드 세그먼트 매니지먼트

감수: 버커트 코리아㈜ 장필은 대표이사

핵심 내용

  • 용접 건(Welding Gun) 냉각수 유량 제어와 모니터링을 위해 공압 장치와 컨트롤러, 냉각수 모듈 시스템이 사용된다.
  • 이 시스템은 추가 센서 장치 외에 프로피 넷(Profinet)을 통한 상위 컨트롤러와의 통신으로 인더스트리 4.0 환경에서 사용할 수 있는 기초가 된다.
  • 용접 건 냉각 제어를 통해 용접 품질과 공정 안전성을 높이고 비용과 에너지 절감을 달성할 수 있다.
  • 원격 진단 등 클라우드 어플리케이션을 갖추었다.

자동차 산업에서 사용하는 스폿 용접로봇(그림 1)은 개별 용접 건에 대한 냉각수 유량을 정확하게 모니터링하고 제어함으로써 차체 제작비용을 낮추고 에너지 효율을 높일 수 있다. 정상 모드, 부분 시스템 모드뿐 아니라 시스템 확장 시에도 유량 요건을 맞춰야만 최적의 냉각 조건을 유지하고 냉각수 사용을 줄일 수 있으며, 펌프 스테이션 성능을 최대한 활용하고 시스템을 실질적인 요건에 맞춰 계획할 수 있다. 시스템 내 압력 서지 및 최소 유량을 모니터링하고 제어함으로써 잦은 오류 경보를 유발하던 냉각수의 수격 작용(Water Hammering)을 막을 수 있다.

그림 2: 콤팩트한 용접 건 냉각 시스템 Master Jet System은 로봇 에너지 공급 플랫폼 바로 옆에 설치할 수 있다.

공간 효율적인 설치 가능

이미 수년 전에 Bürkert Fluid Control Systems은 용접 건 냉각을 위한 실질적인 솔루션 타입인 8821을 개발하였다. 콤팩트한 이 솔루션은 로봇의 에너지 공급 플랫폼 바로 옆에 설치할 수 있어(그림 2), 로봇의 용접 작업 범위를 크게 확장시켰다(그림 3). 기존 시스템은 냉장고 크기의 냉각 시스템으로 인해 작업 범위가 제한되고 멀리 떨어진 곳에 설치하는 경우가 많아, Bürkert의 시스템과 확연히 차이가 났다. 로봇 고정판에 냉각 시스템을 바로 설치하여 냉각수를 공급하는 호스도 상당히 짧아지고, 제어와 중단 모니터링이 훨씬 빨라졌다. 또한 제어 특성 및 모니터링 데이터는 필드버스를 통해 로봇 조작 장치나 PLC에서 설정하거나 시각화가 가능하여, 더 이상의 냉각 시스템 수동 조작 및 시각적 모니터링이 필요하지 않게 되었다.

그림 3: 콤팩트한 냉각 시스템으로 용접 시 로봇 작업 범위에 제약을 받지 않는다.

이 콤팩트한 시스템 유닛은 공압 모듈, 프로세스 컨트롤러가 통합된 제어 모듈(그림 4) 그리고 공간을 많이 차지하지 않게 겹쳐 설치하는 냉각수 모듈로 구성된다. 전체 측정 기술은 출고 시 이미 16mm 캡을 갖춘 통상적인 듀얼 회로 플라이어에 맞게 설정되어 접근이 용이하고, 제어 모듈에 통합되어 작동 시 설정할 것이 많지 않다. 또한 최대 한계와 규정 값이 저장되어 있어, 특수한 경우에만 컨트롤러에서 안내에 따라 다른 값을 수동으로 조정할 수 있다.

그림 4: 프로세스 제어기에는 제어 매개변수, 유량 센서에 대한 왜곡률과 허용 유량 한계 값이 설정되어 있다.

인더스트리 4.0 컨셉트의 기초가 되는 냉각 시스템

시스템에서 사용하는 유량 센서는 기준 조건인 유속 0.3 ~ 10m/s 내에서 측정값의 ±0.4% 반복 정확도로 작동한다. 유량 센서 외에 압력 및 온도 측정 센서도 내장되어 있으며, 컨트롤 모듈은 상위 로봇 컨트롤 유닛 또는 PLC와 직접 통신한다. 최신 버전의 용접 캡 냉각 시스템은 프로피 넷으로 통신이 가능하여 미래 지향적인 솔루션이다.

이 기술은 프로피 넷 덕분에 TCP/IP 개방성뿐만 아니라 표준 이더넷을 기반으로 미래에도 사용할 수 있는 아키텍처를 형성하고, 인더스트리 4.0 컨셉트에 대한 기초가 된다. 예를 들어 프로세스 데이터가 로컬 컨트롤 유닛에서 가공될 뿐만 아니라, 이 프로세스 데이터가 원격 진단과 최적화를 위해 클라우드 어플리케이션에 제공되어 시스템 가용성이 높아진다. 이 시스템은 프로피 넷 인터페이스뿐만 아니라 추가 센서장치로 해당 신호가 제공되어 사용자는 인더스트리 4.0 컨셉트로 사용할 수 있다.

인코딩된 단자로 간단한 시운전 가능

용접 건 냉각 시스템은 설치가 간단하며, 연결 단자가 코딩되어 있고 호스들이 컬러로 구분되어 있어, 공압 및 냉각수 유닛의 작동 개시가 수월하며, 장치 고정을 위한 바닥 앵커도 필요 없다. 시운전은 공압 유닛 입력 측에 있는 공기 공급 라인의 차단 코크를 열고 압축 공기 연결부를 점검하면 된다. 공압 시스템이 기밀성을 유지하고 충분한 압력이 공급되면(입력 압력 측정), 냉각수 유닛의 작동을 개시할 수 있다.

작동 중 4가지 시스템 모드:

모든 구성 요소는 시운전 모드에서 “보조 에너지 차단” 상태이다. 프로세스 입력 값은 프로피 넷을 통해 제공된다.

로봇 컨트롤 유닛 또는 PLC의 “System Run” 신호를 통해 용접 캡 냉각 프로세스가 구동된다. 컨트롤 모듈의 컨트롤러가 사전 설정된 규정 값을 제어한다.

상부 한계 값이 아닌 하부 한계 값을 초과하는 경우, 신호(물 흐름 정상)가 생성된다. 즉 LED가 정상적인 냉각 모드를 보여준다.

수동 및 정비 모드일 경우 현장에서 직접 조정할 수 있다.

냉각수 유량제어의 중요성

일단 작동되면 냉각 시스템의 장점이 최대한 발휘된다. 민감한 유량 센서 및 프로세스 조절기를 상위 로봇 컨트롤러 또는 PLC에 직접 연결하여 냉각수 흐름을 제어하고 실질적인 요건에 맞출 수 있다. 용접 캡은 처음부터 충분히 냉각되어 캡이 잘 달라붙지 않는다. 또한 시스템은 다양한 냉각 라인의 냉각수 저항 제어를 통해 보상하거나, 보상이 부적절한 경우 즉각 오류를 감지한다. 공장 측 설정은 냉각수 회로를 통일하고, 이로 인해 서비스 작업이 훨씬 수월해진다. 그뿐만 아니라 냉각수 흐름이 제어되어 변경되거나 확장 이후에도 수동으로 조정할 필요가 없다. 냉각수 유량은 반복적으로 재현할 수 있고 오류는 빠르게 감지된다. 결과적으로 용접 품질과 공정 안정성이 개선된다. 추가로 필요에 따른 제어가 에너지 소비를 낮추기 때문에 운영 비용도 절감된다. 또한 충분한 여유 용량을 확보하기 위해 과도하게 큰 용량의 펌프를 선정할 필요가 없다. 이를 통해 용접 어플리케이션의 냉각수 회로 제어는 이익이 되고 프로피 넷 인터페이스도 한몫을 한다. 제공되는 센서 신호 덕분에 새로운 인더스트리 4.0 솔루션으로 부족함이 없다.

MM TIP

용접 캡의 냉각이 중요하다

스폿 용접 시 높은 전류로 인한 열 부하를 로봇 용접 건 또는 용접 건의 최전방 부품인 용접 캡을 냉각하여 적절히 배출해야 한다. 스폿 용접에 사용하는 캡은 처음부터 마모 부품으로 설계되었지만, 열이 원활하게 배출되지 않으면 마모가 심해지고 교체 주기가 짧아진다. 이로 인해 추가적인 비용 및 잦은 정비로 인한 생산 중단이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 스폿 용접 로봇의 용접 캡에는 소재와 디자인에 따라 캡마다 분당 4 ~ 8리터의 냉각수가 흐른다. 냉각수는 일반 작동 모드에서 온도가 20 ~ 40°C, 최대 약 8bar의 압력이 부가된다. 유량을 지속적으로 모니터링하고 체크해야만 작동 중 냉각 성능이 제대로 유지된다.

용접 캡은 냉각에도 불구하고 마모되기 때문에 냉각수가 누출될 수 있다. 이를 제때 감지하지 못하면 흘러나온 냉각수가 시스템을 정지시키거나 다른 민감한 시스템 구성 요소를 손상시킬 수 있다. 또한 분출되거나 바닥에 떨어진 뜨거운 냉각수로 인해 작업자가 위험에 처할 수 있다. 따라서 캡 손실을 빠르게 감지하고 언제든지 냉각수 흐름을 중단하거나 차단할 수 있어야 한다.