발열 시스템으로 로봇 정밀도를 높이고 생산성을 높일 수 있다.

절삭 작업에 로봇을 사용하면 몇 가지 장점이 있다. 많은 이들이 이를 인식하고 공작기계 대신 로봇을 대안으로 사용하고 있다. 하지만 가공 과정에서 열 드리프트로 인해 돌발적인 정지 상태에 돌입할 수 있다. 이런 상황이 곧 바뀌게 될 것이다.

공학박사 에크하르트 울만(Eckart Uhlmann) 교수: 프라운호퍼 생산 시스템 및 설계 기술(IPK) 연구소장,

공학박사 줄리안 폴테(Julian Polte): 제조 기술 부서장,

크리스티안 몽케(Christian Mohnke): 동 연구소 연구원.

핵심 내용

  • 절삭 가공은 가장 일반적인 제조법에 속한다. 이러한 절삭 작업에 로봇이 자리를 잡아가고 있다.
  • 로봇은 공작기계보다 유연하고 저렴하지만 열 드리프트가 영향으로 정밀도에 영향이 있어, 지속적인 재보정이 필요하다.
  • 하지만 이러한 문제를 로봇에 대한 적절한 온도 제어 조치(정확하게 냉각 대신 가열)를 통해 해결할 수 있다.

기계 가공 분야에서 수직 관절 팔 로봇의 사용이 보편적으로 늘어나고 있으며, 이 주제를 많은 출판물[2, 5]에서 다루고 있다. 기계 가공 분야에서 산업용 로봇의 장점은 기존 공작기계에 비해 구입 비용이 상당히 낮고 유연성과 작업 속도는 높다는 점이다[7]. 가공 과정에 로봇을 사용할 경우 품질을 결정하는 것은 정확도이다. 하지만 열 드리프트로 인해 로봇의 구조적 변형이 일어나 품질에 악영향을 주는 것으로 나타났다[2]. 이는 사용 유형에 관계없이 고정밀 가공 프로세스뿐만 아니라 핸들링 및 조립과 관련이 있다. 다양한 연구를 통해 6축 산업용 로봇의 정확도에 대한 열적 영향이 큰 것으로 나타났다 이러한 맥락에서 Δ APt = 0.10mm~ Δ APt = 1.78mm의 드리프트가 기록되었다[3, 6].

현재 이러한 열 드리프트의 현상은 해당 시스템을 정지하고 복잡하게 교정 조치를 취하지 않고 보상하는 절차나 방법은 없다. 따라서 열 드리프트의 영향을 보상하려면 시스템을 정지하고 복잡한 교정 조치를 취해야 한다. 현재 연구 기관에서 개발한 보상 조치나 건설적인 조치가 몇 가지 있지만 직접적인 실무에 적용된 사례는 아직 없다 [1, 4]. 이에 대응하고자 프라운호퍼 IPK 연구소와 Winkler AG는 조절 발열체를 이용하여 열에 의한 변위를 감소시키는 시스템을 개발하였다. 열 드리프트에 대한 최신 기술에 따르면 영향을 받는 축을 냉각하는 것보다 가열하는 방식에서 좋은 결과가 나왔다 [4, 6].

이는 전체 로봇 시스템을 균형 잡힌 온도 수준, 즉 안정된 상태로 유지할 수 있다. 발열체는 각 축의 형상에 맞게 조정하고 재료를 안정된 상태에 가까운 온도로 가열한다. 이후 모터와 기어에 입력되는 열을 시스템이 일정한 수준으로 유지하는 시점에서 발열체를 끈다. 이후 로봇 시스템은 한 번만 보정하면 된다. 발열체는 고성능 표면 발열 매트 시스템으로, 새로운 재료와 발열 와이어를 기반으로 생산 환경에서 적합한 저항성 커버 재료와 적응된 형상을 갖추고 있다.

그림 2: Kuka KR60 HA 타입 로봇의 축 1, 2, 3에 부착된 발열 매트

개별 발열체의 면적 출력은 PA = 0.16W/m2 및 PA = 0.30W/m2이다. 발열 영역 AH = 1.05m2는 12V ≤ U ≤ 60V의 전압으로 작동하는 14개의 개별 매트에 분산되어 있다. 발열 출력 및 개별 발열 매트의 설정을 제어하기 위해 시스템에는 적외선 인터페이스를 통해 매개변수화할 수 있는 통합 컨트롤러가 있다.

연구에 사용한 Kuka의 KR 60 HA 로봇의 드리프트는 최대 이동 속도 Vf = 1.2m/s, 프로세스 시간 t = 4h에서 최대 Δ APt = 1.4mm가 된다.

가열과 이에 결부된 드리프트를 실질적으로 고려하기 위해 테스트 구조에서 단순화된 밀링 공정을 검사한다. 밀링 부품의 연속 생산과 이에 관련된 실제 온도에 따른 오류를 루프에서 시뮬레이션하였다. 시간 경과에 따른 오류는 그래프 1에 나와 있다.

그래프 1: 샘플 가공에 대해 시험으로 산출된 드리프트

샘플 가공의 경우 최대 드리프트는 Δ APt, max= 0.28mm이다. 이 값은 시간 t = 600분 후에 도달한다. 실제 가공의 경우 드리프트가 현저히 낮지만 안정된 상태가 될 때까지 가열 단계는 계속된다.

실제 가공의 경우 발열 시스템을 사용하여 t = 20분 만에 안정된 상태를 얻을 수 있다. 이를 위해 가공 이동 루프 외에 추가로 로봇 시스템에 발열 매트를 사용할 수 있다. 결과는 그래프 2에 나와 있다.

그래프 2: 발열 매트를 이용한 샘플 가공에 대해 시험으로 산출된 열 드리프트

이에 따라 안정된 상태에 이르는 시간은 t = 600분에서 t = 20분으로, 즉 1/30로 단축될 수 있다. 발열 시스템은 t = 11분 동안 활성화된 후 꺼진다. 이후 시스템에 남아있는 잔류 열 때문에 오버슈트가 발생하지만, 시스템은 잠시 냉각된 후 안정 상태에 접어든다. 실제 프로세스와 이동 시퀀스의 경우 발열 시스템을 사용하여 시간 t = 20분 후에 열적으로 안정된 상태를 얻을 수 있다.

테스트를 사용하여 발열 시스템을 사용하지 않는 가공 공정을 시뮬레이션하였다. 로봇 시스템은 냉간 상태에서 첫 번째 구성 요소를 처리한 다음 t = 10h의 시간 동안 프로그래밍된 루프에서 가열된다. 이후 다른 구성 요소를 안정된 상태에서 제조한다. 또한 두 구성 요소를 측정하고 드리프트를 관찰한다.

그림 3의 기하학적 모양과 구멍은 전체 밀링 패턴이 드리프트 방향으로 이동을 보여준다. 형태의 왜곡은 측정으로 인식하거나 기록할 수 없다.

그림 3: 선택한 형상 밀링 시 시점 t = 0분(회색), t = 600분(녹색)에서 열에 의한 오류, (a = 원, b = 사각형, c = 보링 구멍)

발열 시스템의 성능을 평가하기 위해 위의 테스트를 다시 수행한다. 대조 구성 요소는 시간 t = 0분에 제조한다. 이후 발열 시스템을 t = 11분 동안 사용하고 t = 20분 후 정상 상태에 도달할 때까지 기다린다. 다른 구성 요소는 안정된 상태에서 제조한다.

발열 시스템을 통한 드리프트와 정상 작동 중에 발생하는 오류를 비교하면 발열 시스템의 드리프트가 정상적인 가열의 드리프트와 비슷하다는 것을 알 수 있다. 발열 매트를 사용하면 t = 20분에서 Δ APt = 0.234mm의 열에 의한 오류가 생성된다.

작동 중 가열되는 버전과 자가 발열 드리프트로 달성된 오류의 편차는 극히 작았으며 Δ AP = 0.04mm이다. 레이저 추적기의 경우 투자 비용이 최대 120,000유로(원화로 1억 5천7백만 원)이나 그에 비해 표면 발열 매트 시스템의 투자비는 약 5,000유로(6백5십만 원)에 불과하다.

이 솔루션은 투자 비용의 최대 97%를 절감할 수 있다. 발열 시스템을 사용하는 데 들어가는 전기 비용(KS)은 시간당 약 0.23유로(300원)이다. 실제 테스트에서는 가열에 t = 11분이 걸린다. 따라서 발열 당 발생한 비용(K)은 0.04(53원) 유로이다. 역으로 보면 레이저 추적기의 추가 비용(KM)인 115,000유로(1억 5천만 원)는 발열 시스템의 발열 주기(z) 2,875,000회에 해당함을 의미한다.

중소기업의 정상적인 5일 작업에서 로봇 시스템을 하루에 한 번 가열한다고 가정하면, 비용 K는 2,875,000일 즉, 7,877년 후에나 상쇄될 수 있다. 또한 긴 예열로 인해 t = 8시간의 근무일 동안 오류가 꾸준히 증가한다는 사실도 고려해야 한다. 이는 안정된 상태가 t = 10h이 지나야 도달하기 때문이다. 따라서 발열 시스템이 없으면, 공정 중에 예열을 위한 다운타임을 감안해야 한다. t = 8h 작업 일에 순수 교정 시간을 약 tS = 48분으로 가정하면 1년 동안 26일의 정지 시간(tS)을 고려해야 한다. 이에 비해 발열 시스템을 이용하면 연간 정지 시간 tS은 10일이면 충분하다. 이는 1년 동안 16일을 더 생산 활동에 이용할 수 있다. 이러한 결과는 솔루션의 경제적 잠재력이 크다는 것을 의미한다.

로봇을 의도적으로 가열하여 적정 온도에 도달하면 빠르고 정밀하게 생산에 투입할 수 있다. 이처럼 개발된 시스템은 로봇을 열적으로 안정된 상태로 만들고, 드리프트는 프로세스 시작 시에만 수정하면 된다. 이후 추가 수정은 없다. 이제 중소기업도 로봇 시스템을 정확하고 유연한 생산을 위해 사용할 수 있게 되었다. 이전에는 열 영향을 보상하기 위해 비교적 비싸고 복잡한 대안이 필요했지만 새로 개발된 시스템으로 인해 훨씬 저렴하고 작업은 수월해졌다.

참고 문헌

[1] Beyer, L.: Genauigkeitssteigerung vonIndustrierobotern. Forschungsberichteaus dem LaboratoriumFertigungstechnik.Hrsg.: Wulfsberg, J., Aachen:Shaker, 2005.

[2] Ehm, A.: MechanischeBearbeitungmitIndustrierobotern inder automobilenSerienproduktion.Darmstadt:PT/TVM. 2014.

[3] Gräser, R.-G.: Ein VerfahrenzurKompensationtemperaturinduzierterVerformungen an Industrierobotern.ForschungsberichteIWB. Hrsg.:Reinhart, G., München:Utz1999.

[4] Mohnke, C.; Reinkober, S.;Uhlmann, E.: Constructivemethods to reduce thermalinfluences on theaccuracy of industrialrobots. Procedia Manufacturing33 (2019), p. 19– 26.

[5] Puzik, A.: Genauigkeitssteigerungbei der spanendenBearbeitungmitIndustrieroboterndurchFehlerkompensationmit3D-Piezo-Ausgleichsaktorik.IPA-IAO Forschungund Praxis. Hrsg.: Westkämper,E., Heimsheim:Jost-Jetter, 2011.

[6] Reinkober, S.: Fräsbearbeitungvon NickelbasislegierungenmitIndustrierobotern.Berichteausdem ProduktionstechnischenZentrum Berlin.Hrsg.: Uhlmann, E., Stuttgart: FraunhoferVerlag, 2018.

[7] Uhlmann, E.; Reinkober, S.; Mohnke,C.: IndividuelleFertigungdurch denEinsatz von Industrierobotern. WtWerkstatt online 7/8 (2016) 106,p. 470 – 476.