[기획] 2023년 표준공정 모델 기반 제조로봇 실증사업(1)

 

한국로봇산업진흥원(원장 손웅희)은 이달 8일 ‘2023년 제조로봇 선도보급 실증사업’ 지원 과제를 공고했다. 제조로봇 선도보급 실증사업은 기 개발된 표준공정모델의 실증보급을 통해 제조업체들의 디지털 전환을 가속화하고, 로봇산업의 경쟁력을 강화하는 데 목적으로 두고 있다. 진흥원은 또한 항공, 선박, 바이오· 화학 분야를 대상으로 2023년 ‘제조로봇 플러스사업(R&D 연계형)’ 지원 과제를 공고했다. 제조로봇 플러스산업은 기 개발된 표준공정모델의 실증보급을 통해 제조업의 디지털 전환 및 신시장 창출을 촉진하는 데 목적을 두고 있다.

 

이에 한국생산기술연구원(원장 이낙규)은 2023년도 뿌리(금속/플라스틱) 분야 제조로봇 선도보급 실증사업과 바이오ㆍ화학분야 제조로봇 플러스 산업을 지원할 예정이다.

 

생산기술연구원은 금속/플라스틱 분야 4대 뿌리공정(용접, 주조, 가공, 표면처리)과 바이오ㆍ화학 분야 로봇 활용 표준공정모델 개발 및 컨설팅 지원을 통해 로봇 활용도가 높지 않고 제조 환경이 취약한 뿌리 및 바이오/화학 산업의 수작업 공정에 제조로봇 보급 및 확산을 도모하여 제조업 경쟁력을 강화한다는 계획이다. 생기원은 한국로봇산업진흥원의 ‘2023년 제조로봇 선도보급 실증사업’과 ‘제조로봇 플러스 사업’과 연계해 표준공정모델의 보급 확산을 추진할 계획이다.

 

2023년 제조로봇 실증사업과 제조로봇 플러스 사업에 선정된 컨소시엄은 2023년 4월 1일부터 11월까지 표준공정모델 실증을 위한 로봇시스템 도입을 추진하게 된다. 한국생산기술연구원은 뿌리분야와 바이오ㆍ화학 분야 수요 조사 및 공정 분석을 바탕으로 이미 뿌리(금속/플라스틱) 분야와 바이오ㆍ화학 분야 표준공정 모델을 개발 완료 했다. 이미 개발된 뿌리(금속/플라스틱) 분야와 바이오ㆍ화학 분야 표준공정 모델을 3회에 걸쳐 소개한다.

 

게재 순서

1회 뿌리(금속/플라스틱) 분야 표준공정모델(1)

2회 뿌리(금속/플라스틱) 분야 표준공정모델(2)

3회 바이오 및 화학 분야 표준공정 모델

 

◇[뿌리]자동차용 신제품 제조_용접 공정-이송/적재를 위한 표준공정모델 개발 및 로봇 실증

 

<개요>

 

▲용접물의 로딩/언로딩용 로봇 및 그리퍼

 

자동차용 부품 제조에서 용접 전의 피용접물과 용접이 완료된 용접품을 이송 및 적재하는 공정은 전체 용접 생산라인의 자동화를 위해 필수적인 부분이다. 하지만 자동화의 비율이 낮아 용접 생산성의 병목으로 작용할 가능성이 아주 높다.

 

특히 이송/적재를 담당하는 작업자의 피로도 누적 및 집중도 저하는 용접품질의 저하, 용접불량의 증가, 품질편차 발생 등의 원인이 되고 있다. 원자재 공급부터 용접 완료품의 취출까지 다수의 작업자가 직접 모든 공정을 수작업으로 진행하고 있어 상당한 피로 누적과 단순 반복적인 작업 수행으로 근골격계 질환을 유발할 가능성도 존재한다. 게다가 용접 생산 현장의 열악한 환경, 급여, 근무 조건 등으로 인해 생산 라인에서 근무할 인력 확보가 갈수록 어려워지고 있다.

 

용접물 이송 및 적재 공정의 자동화는 용접 전의 대상물인 용접물의 용접 장비 또는 포지셔너로의 로딩과 언로딩, 용접 후의 용접품의 로딩, 언로딩, 그리고 적재하는 공정이다. 용접물 이적 및 적재 공정은 용접 생산성과 밀접한 관계에 있다.

 

▲아크 용접의 이송 및 적재 공정 모델의 개요

▲저항 용접의 이송 및 적재 공정 모델의 개요

 

용접의 경우, 용접물의 로딩/언로딩 시에 용접물의 위치와 자세, 그리고 취부(용접이 수행되기 전에 용접이 될 물체를 적합한 형태로 고정하는 것)에 대한 정밀한 제어가 필요하다. 하지만 용접을 수행하는 용접 공정의 자동화보다 이송 및 적재 공정의 자동화가 상대적으로 낮은 상황이다. 또한 고중량 및 비대칭 형상의 용접물은 로봇을 통한 이송 및 적재가 거의 불가능하다. 이 경우에는 용접물을 고정한 상태에서 용접 로봇이 갠트리나 레일 등을 타고 이동해 용접을 수행하는 것이 일반적이다. 반면에 로봇의 가반하중 허용 범위 중량의 용접물의 경우에는 로봇을 통한 이송 및 적재 공정 자동화가 효율적이다.

 

따라서 로봇 자동화가 어렵고 자동화 비율이 상대적으로 낮은 용접물 이송 및 적재 공정의 로봇 자동화를 위한 표준공정 모델의 개발과 해당 공정의 로봇 자동화 촉진이 시급하다.

 

<표준공정모델>

 

금속 및 자동차 산업 분야의 용접(저항용접, 아크용접) 공정에서 용접품의 이송/로딩/언로딩/적재에 들어가는 시간 단축, 생산성 향상 및 용접품질 불량 감소를 꾀하기위해선 로봇 기반 용접품 이송 및 적재 공정 자동화 시스템 기술 개발이 필요하다. 용접 전의 피용접물의 로딩/세팅/언로딩, 용접, 그리고 용접이 완료된 용접품의 다음 공정으로의 로딩/세팅/언로딩 등의 과정에 다관절 로봇을 투입함으로써 ▷ 용접품의 이적재/포장의 자동화 ▷ 전체 용접 라인의 자동화율 증가 ▷용접 제조의 생산성 향상 및 생산비 절감 등을 실현할 수 있다.

 

한국생산기술연구원(원장 이낙규)은 용접물의 이송 및 적재 공정 자동화를 희망하는 기업을 대상으로 수요조사를 실시하고 아크 용접 및 저항 용접의 이적재 모델을 선정해 시뮬레이션을 통한 표준공정모델을 개발했다. 공정 분석은 유압 실린더의 아크 용접물 이송/적재 공정과 자동차 시트 쿠션 와이어 프레임의 저항 용접물 이송/적재 공정을 대상으로 이뤄졌다.

 

▲자동차 시트 쿠션 와이어 프레임의 저항 용접 생산 전체 공정 흐름도

 

유압 기기 제조업에서의 아크 용접물 이송 및 적재 공정 모델은 용접물의 이송 및 적재용 로봇 1기, 용접용 로봇 1기 등 총 2기의 로봇으로 용접물의 이적재와 용접을 수행하는 모델이다. 이적재용 로봇은 용접을 할 물체를 적치대에서 용접용 포지셔너로 순차적으로 이송하여 취부하는 역할과 용접이 완료된 제품을 포지셔너에서 적치대로 이송 및 적재를 하는 역할을 수행한다. 용접용 로봇은 포지셔너에 이송된 물체를 용접하는 역할을 포지셔너와의 연계를 통해 수행한다.

 

자동차 시트 쿠션 와이어 프레임의 저항 용접물 이송/적재 공정 모델은 용접물의 이송 및 적재용 로봇 1기, 용접용 로봇 1기 등 총 2기의 로봇으로 용접물의 이적재와 용접을 수행한다. 이적재용 로봇이 한쪽의 고정기구(jig)에서 용접 완료품을 언로딩하여 완료품 적치대에 이송하고, 용접을 수행할 물체를 적치대에서 고정기구로 로딩하는 순차적인 작업을 하고 있는 동안, 용접용 로봇은 또 다른 쪽의 고정기구 상의 용접물을 용접하는 방식으로 구성돼 있다.

 

▲아크 용접물 이송/적재 표준공정모델

 

아크 용접물 이송/적재 표준공정모델은 원자재 입고(작업자) → 용접물 로딩(로봇) → 용접(로봇) → 용접품 언로딩(로봇) → 용접품 적재(로봇) →검사/취출(작업자) 등의 과정을 거친다. 개발 시스템은 산업용 로봇 2기(가반하중 50kg이하), 그리퍼, 로봇 베이스, 로딩용 팔레트, 언로딩 장치, 아크 용접기, 용접용 포지셔너 및 고정기구, 계측기기, 제어기, 안전설비 등으로 구성된다.

 

▲저항 용접물 이송/적재 표준공정 모델

 

저항 용접물 이송/적재 표준공정 모델은 LH용접 완료품 언로딩/적재(로봇) & RH 용접(로봇) → LH 피용접물 로딩(로봇) & RH 용접(로봇) → LH 용접(로봇) & RH 용접 완료품 언로딩/적재(로봇) → LH 용접(로봇) & RH 피용접물 로딩(로봇) 등 과정을 거친다. 시스템은 산업용 로봇 2기(가반하중 50kg-이적재용, 80kg-용접용), 그리퍼, 로봇 베이스, 로딩용 팔레트, 저항 점 용접기, 용접용 포지셔너 및 고정기구, 팔레트 랙 도킹장치, 계측기기,안전설비 등으로 구성된다.

 

<로봇 도입 기대효과>

 

표준 공정 모델 도입에 따라 정량적 효과와 정성적 효과를 기대할 수 있다. 우선 정량적 측면에서 시간당 생산량이 38ea에서 약 45ea로 개선됐으며, 공정 불량률이 0.75%에서 0.25%로 감소한 것으로 나타났다. 현장 작업자도 기존의 4명에서 0.5명으로 줄어 기존 인력을 타 공정이나 신제품 개발공정에 투입할 수 있게 됐다.

정성적 측면에선 로봇 도입을 통한 용접 및 용접물 이적재 공정 시간 단축, 불량률 감소 및 인건비 절감을 통한 생산성 향상 및 제품 품질 안정화 효과를 거둘 수 있게 됐다. 또한 로봇에 의해 용접 생산이 진행됨에 따라 생산 시간이 일정하게 유지되고, 시간당 생산 수량 파악이 가능해지는 등 생산량 관리 측면에서 유리해졌다. 작업자에게 안전한 작업환경을 제공하고, 용접 생산의 유연성도 확보할 수 있게 됐다.

 

◇[뿌리]중력주조품 후가공 절단공정의 표준공정모델 개발 및 로봇 실증

 

<개요>

 

자동차, 중장비, 조선, 항공 등 다양한 산업 분야에서 사용되는 중력주조품은 공정 특성상 주조 방안에 의해 생성된 압탕, 탕구, 탕도 등 제품 외 불필요 부위가 반드시 생성되는데, 후가공(절단, 사상, 쇼트 등) 공정을 통해 이를 제거해야 한다. 중력주조품의 후가공 공정은 대표적인 수작업 기반 공정이다.

 

일반적으로 고중량·중대형 형상으로 취급이 어렵고, 제품에 따른 가공 부위가 복잡하고 상이해 자동화에 어려움이 따른다. 특히, 소재의 종류(주철, 주강, 비철)에 따라 후가공 시 발생하는 파편, 용탕 및 흄, 먼지 비산으로 작업자는 열약한 작업 환경에 항상 노출되어 있다.

 

▲주철계 중력주조품 제조 전체 공정 흐름도

 

현재 공정의 문제점으로는, 고숙련 작업자의 암묵지 기반 수작업에 의존함으로서 공정 시간이 증가하고, 제조 공정의 병목현상을 야기해 결과적으로 생산성을 악화시킨다.

 

작업자의 숙련도 차이에 따라, 또는 당일 작업자의 컨디션 및 피로도 누적 정도에 따라 후가공 품질의 편차 발생으로 추가 작업 요구, 불량률 증가 등 문제가 발생한다. 작업자의 안전사고 위험, 근골격계 부담 등 열악한 작업환경, 고숙련 인력수급의 어려움도 있다. 중력주조품 후가공 공정의 제조로봇 적용 및 자동화를 통한 생산성 향상, 품질 개선, 작업환경 개선 및 인력수급 어려움 해소 등이 필요하다.

 

<표준공정 모델>

 

한국생산기술연구원은 중력 주조산업 분야 대상으로 제조 로봇 적용 및 자동화 관련 수요조사를 실시했으며, 수요조사 건 중 로봇활용 필요성, 시급성, 적합성, 효과성, 활용성 등을 평가해 ‘중력주조품 후가공 절단 공정’을 표준공정모델로 선정했다. 공정 분석은 주철계 중력주조품 후가공 공정, 주강계 중력주조품 후가공 공정, 비철계 중력주조품 후가공 공정을 대상으로 진행했다. 표준공정 모델의 시스템은 6축 수직다관절 로봇, 그리퍼, 절단틀, 로봇베이스, 주조품 지그(jig) 및 포지셔너, 제어반 등으로 구성돼 있다.

 

▲ 로봇 1기를 이용한 공정 설계도

 

<로봇 도입 기대 효과>

 

표준공정 모델 적용에 따라 노동 생산성 향상, 생산 프로세스 개선 등 효과를 거둘 수 있을 것으로 기대된다. 특히 작업자의 근로 환경이 획기적으로 개선의 장점이 있다. 작업자가 불편한 자세로 단순 반복하던 작업을 자동화하여 근골격계 건강 문제를 개선할 수 있으며, 절단 공정 시 발생하는 파편, 용탕액적, 흄 발생, 비산 먼지로부터 작업자를 보호해 호흡기 질환, 화상 등 안전사고를 예방할 수 있다. 이 밖에 ▷ 작업자의 직무 기피 현상 방지 및 인력 수급 활성화 ▷ 고숙련 작업자 의존성 탈피 및 작업자에 따른 품질 편차 및 불량률 감소 ▷ 공정 병목현상을 완화 및 해결을 통한 작업효율 및 생산성 개선 효과를 꾀할 수 있을 것으로 보인다.

 

<인터뷰> 한국생산기술연구원 융합기술연구소 남경태 수석연구원

 

한국생산기술연구원에서 뿌리산업 제조로봇 선도보급 실증사업을 총괄하고 있는 남경태 수석연구원을 만나 실증사업의 현황과 향후 계획, 이 사업의 의미에 대해 들어봤다.

 

▲뿌리(금속/플라스틱) 표준공정모델 제조로봇 활용사업의 추진 배경에 대해 말씀해주십시요

 

이 사업은 금속/플라스틱 분야 4대 뿌리공정(용접, 주조, 가공, 표면처리)의 로봇활용 표준 공정모델 개발 및 전문가 컨설팅 지원을 통해 로봇 활용도가 낮고 제조환경이 취약한 뿌리산업의 수작업 공정에 제조로봇 보급 및 확산을 통해 뿌리 제조업 경쟁력을 강화하는데 목적이 있습니다.

 

▲뿌리(금속/플라스틱) 표준공정모델 제조로봇 활용사업의 올해 추진 계획은

 

2023년도 제조로봇 선도보급 실증사업을 통해 추진할 뿌리(금속/플라스틱) 표준공정모델은 아크/저항 용접_용접품 이적재 및 포장 공정, 중력 주조품 후가공 절단 공정, 3D 비전 기반 멀티/비정렬 세팅 머신텐딩 정밀가공 공정, 사출 성형 후가공 공정, 플라스틱용기_도장(검사/포장)공정, 대형 차체 부품 갠트리형 후가공 공정 등 총 6개 모델입니다.

 

▲뿌리(금속/플라스틱) 표준공정모델 제조로봇 활용 사업의 경제적·사회적 파급 효과는 무엇입니까?

 

뿌리산업은 주력 제조업 경쟁력의 근간을 형성하는 기반산업임에도 불구하고 고위험 작업환경, 낮은 임금체계 등으로 인해 인력난이 심각합니다. 로봇을 도입하면 뿌리산업 원가 경쟁력, 제품 품질경쟁력이 강화될 것입니다. 특히 뿌리분야 전문연구기관과 로봇SI기업이 함께 개발한 로봇 도입 표준공정모델은 유사 업종 제조기업들이 안정적이고 신뢰성 있는 로봇시스템을 구축하는데 도움을 줄 것입니다. 특히 저출산·고령화, 노동시간 단축·인건비 상승에 따른 생산인구 감소를 해결하고, 뿌리산업의 고위험 작업 환경에 노출되어 있는 작업자의 산업재해 발생 감소에도 기여할 것입니다.

 

▲향후 뿌리(금속/플라스틱) 표준공정 모델 제조로봇 활용 사업의 발전 방향은 무엇입니까?

 

첫째, 매년 뿌리(금속/플라스틱)업종 표준공정 모델 개발의 결과물과 실증사례의 대외 홍보를 통해, 이 사업에 참여하지 못한 유사 제조기업이 로봇을 도입할 수 있도록 컨설팅을 지원할 것입니다. 둘째, 아직도 작업의 난이도가 높아 수작업에 의존하는 난제 공정을 제조데이터, 네트워크, 인공지능, 디지털트윈 등 디지털 전환 기술을 융합한 표준공정모델을 개발해 이 사업이 지속적으로 확장 발전할 수 있도록 전략을 수립할 예정입니다.

 

▲이 사업을 추진하면서 국내 로봇산업계에 바라는 점이나 건의할 사항이 있다면?

 

이 사업은 국내 제조로봇의 보급 확대와 제조기업의 경쟁력 강화에 목표를 두고 있습니다. 최근 로봇을 도입을 희망하는 제조기업은 다양한 업종의 다양한 공정에서 급격하게 증가하고 있습니다. 하지만 폭발적인 수요를 충족할 국내 로봇기업과 로봇SI기업의 역량이 부족한 게 현실입니다. 앞으로 국내 로봇산업계가 힘을 모아 공급 역량 부족 문제를 해결하여 국내 제조 로봇 생태계가 잘 구축되었으면 하는 바램을 갖고 있습니다.

 

장길수 ksjang@irobotnews.com

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