로봇, 매장 직원의 협업, 시너지 및 안전 극대화

효율적인 제조에는 작업장 직원, 장비 및 소프트웨어의 조정된 시스템이 필요합니다. 제조업체가 로봇이 제공하는 신뢰성, 반복성 및 유연성을 인식함에 따라 이러한 시스템에는 점점 더 로봇 기술이 포함됩니다. 국제로봇연맹(International Federation of Robotics)에 따르면 전 세계적으로 사용되는 산업용 로봇의 수는 2019년까지 약 260만대로 증가하여 2015년보다 약 100만대가 증가할 것이라고 합니다. 산업용 로봇의 약 70%가 자동차, 전기/전자 및 금속에 사용됩니다. 및 기계 산업.

안전은 모든 제조 작업에서 가장 먼저 고려되는 사항입니다. 산업용 로봇을 안전하게 사용하려면 전통적으로 작업 현장 직원과 로봇 사이에 일정한 거리를 유지하고 작업자 부상을 방지하기 위해 로봇 주위에 가드와 케이지를 배치해야 했습니다. 점점 더 다양한 로봇, 소프트웨어 및 구현 전략은 인간과 로봇 간의 보다 긴밀하고 생산적인 상호 작용을 목표로 합니다.

이러한 관계의 제어는 작업자가 잠재적으로 위험한 영역으로 이동할 때 센서가 제어하는 ​​로봇 움직임의 중단에서부터 인간 작업자와 나란히 안전하게 작동하도록 설계된 협동로봇이라고도 하는 완전한 "협업" 로봇의 적용에 이르기까지 다양합니다. 다양한 협업 모드를 통해 제조업체는 로봇 시스템과 매장 직원의 모든 기능을 활용할 수 있습니다.

둔하고 위험하고 더러운

현재 미국의 숙련 노동자 부족은 협동 로봇에 대한 수요의 많은 부분을 차지합니다. 베테랑 매장 직원의 퇴직과 제조 인력에 진입하는 젊은 직원의 부족으로 인해 매장 소유주는 인력 부족에 시달리고 있습니다.

이러한 기술 격차를 해결하기 위해 제조업체는 반복적이거나 위험한 작업에 로봇을 사용하고 더 많은 생각과 기술이 필요한 작업으로 작업자를 이동시킵니다. 완전 협동 로봇 제조업체인 Universal Robots USA Inc.(미시건주 앤아버)의 서부 지역 영업 관리자인 Craig Tomita는 "사람들이 재배치되는 것을 목격하고 있습니다."라고 말했습니다.

Tomita는 협동 로봇의 구현이 인간 규모의 영역에서 작동하고 기존 산업용 로봇에 필요한 보호 장치가 필요하지 않기 때문에 상대적으로 간단하다고 말했습니다. 작업장을 재배치할 필요가 없으며 공간 활용도는 변하지 않습니다. 그는 "현재 인간 작업자가 작업을 하고 있는 곳에 협동로봇을 배치하기만 하면 된다"고 말하면서 협동 로봇은 안전하지만 시스템의 모든 잠재적 위험을 파악하고 이를 완화할 방법을 찾는 위험 평가가 중요하다고 덧붙였습니다.

사용 용이성은 완전 협동 로봇의 핵심 속성입니다. 소형 협동 로봇의 기능은 소형 기존 로봇과 동등하지만 협업 교육 및 프로그래밍 요구 사항은 최소입니다. Tomita는 "UR 시스템의 프로그래밍 용이성은 게임 체인저입니다."라고 말했습니다. “예를 들어 로봇을 더 큰 제조 시스템에 통합해야 하는 경우 Universal의 장치는 휴대용 터치 스크린을 사용하여 프로그래밍하고 실행할 수 있습니다. 필요한 경우 고급 사용자가 Python과 유사한 스크립팅 언어를 사용하여 로봇을 프로그래밍할 수도 있습니다.”

협동로봇은 통합 비용이 진입 장벽이었던 소규모 상점에서 쉽게 사용할 수 있습니다. 토미타는 “빙산처럼 보면 로봇 부분이 수면 위를 들여다보고 있다”고 말했다. “통합 과정은 아래와 같습니다. 그 빙산을 통째로 가져가면 정말 비싸집니다. 협동로봇의 가격은 표준 산업용 로봇과 거의 비슷하지만 통합 비용은 훨씬 저렴합니다.”라고 그는 말했습니다.

로봇을 활용하면 인건비 절감에도 도움이 될 수 있다고 Tomita는 말했습니다.

잠재적인 응용 프로그램은 활짝 열려 있습니다. Tomita는 "협동 로봇의 응용 분야의 수와 종류는 아직 생각하지 못했습니다."라고 말했습니다. “사람들은 로봇이 저기 우리 뒤에 있고 사람들이 여기 있고 두 사람은 절대 만나지 못할 것이라고 생각하는 데 너무 익숙해져 있습니다. 변화하고 있습니다.”

Universal Robots는 최대 3.3kg(7.26lb)의 가반하중을 처리하고 작업 반경이 500mm(19.7인치)인 UR3 장치에서 10kg(22- lb) 가반하중 및 작업 반경 1300mm(51.2″)

일반적인 Universal 로봇 고객은 청소, 냉각 및 기타 응용 분야에서 CO2를 사용하는 제품을 개발하는 CleanLogix LLC(Santa Clarita, CA)입니다. CleanLogix의 David Jackson 사장은 “우리는 절단 영역에 스프레이를 보낼 수 있고 공정에서 절단 도구를 냉각하기 위한 매우 깨끗하고 친환경적인 수단을 제공할 수 있습니다.”라고 말했습니다. 그는 단일 로봇이 다른 작업을 수행할 수 있다고 언급했습니다. 예를 들어, 머시닝 센터에 부품을 배치한 다음 냉각수를 제공하기 위해 엔드 이펙터 툴링을 변경합니다. “따라서 멀티태스킹 로봇과 완전한 친환경적 린 솔루션이 있습니다. 우리는 이러한 소형 폼 팩터 로봇에 대해 매우 흥분하고 있습니다.”

인간과 안전하게 작업할 수 있는 협동 로봇의 능력은 시너지를 극대화하기 위해 작업을 조직화할 수 있게 합니다. 예를 들어 로봇은 일련의 구성 요소를 조립할 수 있고 인간 작업자는 손재주와 인지 지각이 필요한 작은 와이어를 삽입할 수 있습니다. 로봇은 포장, 팔레타이징, 조립 및 픽앤플레이스 작업을 포함하여 반복, 신뢰성 및 정확성이 필요한 작업에 이상적입니다.

반복성과 정확도는 별개이지만 로봇 성능과 관련된 측정입니다. 반복성은 시간이 지남에 따라 주어진 위치로 돌아가는 로봇의 능력을 측정한 것입니다. 다양한 협동 로봇의 반복성은 약 ±0.02~±0.1mm(0.0008~0.004″) 이하의 범위에 있습니다.

반면 정확도는 로봇이 원하는 위치나 경로에 얼마나 가깝게 이동할 수 있는지를 측정하는 것으로 위치 정확도와 경로 정확도로 분류할 수 있다. 구멍을 뚫는 동안 로봇이 특정 위치로 이동하고 멈추는 드릴링과 같은 작업에는 위치 정확도가 필요합니다. 로봇이 점 사이를 이동하는 동안 프로세스가 발생하는 레이저 절단 또는 페인팅과 같은 프로세스에는 경로 정확도가 필요합니다.

협업을 결정하는 애플리케이션

일반적으로 작업장 직원과 로봇의 병행 활동은 일반적으로 1m/sec(39.4ips) 부근의 느린 속도로 작은 페이로드를 처리하는 협동 로봇으로 이루어집니다. 그러나 ABB Inc.(캐리, 노스캐롤라이나주)의 로보틱스 및 모션 사업부의 조립 및 테스트 비즈니스 라인 매니저인 Nicolas De Keijser는 로봇이 운반하는 하중이나 로봇이 이동하는 속도만으로는 안전한 협업 작업을 보장할 수 없다고 말했습니다. . 매우 가볍지만 위험한 페이로드는 면도날이나 피하 주사바늘일 수 있습니다. 느리게 움직이지만 무거운 페이로드는 작업 현장 직원에게 짓눌린 위험을 초래할 수 있습니다. 유사하게, 중간 크기의 페이로드를 적당한 속도로 이동할 때 그리퍼 오류가 발생하면 페이로드가 상점 전체에 튕겨 나갈 수 있습니다.

로봇 시스템은 응용 프로그램과 관련하여 협력적일 뿐입니다. De Keijser는 "작업이 위험한 경우 로봇이 아무리 협력적이라도 로봇 근처에 있고 싶지 않습니다."라고 말하면서 모든 애플리케이션에서 완전한 솔루션 안전성 평가가 필요하다고 덧붙였습니다. "표준을 읽으면 항상 우리가 협동 로봇이 아니라 협동 작업에 대해 이야기하고 있다고 지시합니다."

ABB는 작업자와 로봇의 안전한 공존을 위해 두 가지 접근 방식을 취합니다. 소형 부품 조립과 같은 진정한 협업 응용 프로그램은 일반적으로 회사의 테이블 장착형 이중 암 YuMi 로봇으로 수행할 수 있습니다. 38kg(84lb) 로봇의 도달 범위는 599mm(24")이고 탑재하중은 팔당 500kg(1.1lb)입니다. 매장 직원과 함께 안전하게 작업하면서 인간 규모의 면적을 차지합니다.

반면에 ABB는 신중한 프로그래밍과 안전 모니터링 소프트웨어를 결합한 이중화 시스템을 통해 대형 표준 산업용 로봇의 안전한 작동을 촉진합니다. 로봇이 안전한 작동 범위를 위해 프로그래밍된 후 ABB의 SafeMove2 안전 인증 로봇 모니터링 소프트웨어는 안전 속도 제한, 정지 모니터링 및 축 범위, 위치 및 방향 감시를 비롯한 로봇 활동을 모니터링하여 이중 안전 보호 기능을 제공합니다. De Keijser에 따르면 소프트웨어는 로봇 컨트롤러에 통합되어 설정 시간을 절약하고 생산성을 높이는 동시에 총 투자 비용을 낮출 수 있습니다.

Yaskawa Motoman의 Kinetiq Teach 시스템은 ISO 표준 10218-1 및 10218-2에 설명된 인간/로봇 상호 작용의 손 안내 모드의 예입니다.

내장 적응 제어

또 다른 형태의 로봇 협업은 장인의 기술과 경험을 위험한 지역에서 작동하는 로봇의 능력과 결합합니다. 용접은 일반적으로 사용자 친화적인 작업이 아닙니다. Motoman Robotics Division(Miamisburg, OH) Yaskawa America Inc.의 열 사업 개발 이사인 Zane Michael에 따르면, “오늘날 시장에서 협업이라는 단어는 로봇과 작업자 영역이 겹치는 것을 의미합니다. 그들은 긴밀하게 협력하고 있습니다. 그런 의미에서 협업이라는 단어가 용접 환경에 적용되는 것을 본 적이 없습니다.”

로봇 용접을 엄격하게 협업이라고 할 수는 없지만 숙련된 용접기와 로봇 간의 협업 형태는 일관된 성능을 지원합니다. 용접 로봇을 운영하는 것이 지나치게 어려운 것은 아닙니다. "로봇을 프로그래밍하고 실행하는 것은 쉽습니다."라고 Michael은 말했습니다. "Motoman에는 Kinetiq Teach라는 시스템이 있습니다. 이 시스템에서 토치를 잡고 로봇이 따라갈 경로를 따라 이동하고 해당 경로를 기록하기만 하면 준비가 완료됩니다." 그러나 그는 용접에 대한 지식 없이 용접 로봇을 실행하는 것은 언더컷이나 번스루와 같은 일시적인 용접 결함이 발생할 경우 "힘든 싸움"이라고 덧붙였습니다.

이러한 경우 숙련된 용접공이 로봇의 동작을 조정하여 문제를 해결할 수 있습니다. 레이저 또는 기타 센서를 사용하는 적응 제어 시스템은 기본 이음매 추적에 사용할 수 있지만 대부분의 용접 시스템은 이러한 시스템 없이 배송됩니다. Michael은 "인간 용접공은 내가 내장형 적응 제어라고 부르는 기능을 가지고 있습니다."라고 말했습니다.

운영 복잡성과 볼륨 기능에 따라 로봇 셀은 다양한 형태의 자동화 및 안전 시스템을 보유합니다. Motoman의 ArcWorld 단일 스테이션 C30 셀은 작은 부품의 소량, 단일 부품 처리를 위한 것입니다. 작업자가 셀의 포지셔너에 용접물을 로드할 수 있도록 셀 도어가 열리면 로봇은 비상 정지 모드에 있습니다. 작업자가 셀을 떠난 후 문이 내려오고 용접이 수행됩니다. 반면에 Motoman의 대용량 대형 부품 6000 시리즈 기계에는 관람차와 같은 부품 고정 장치를 인덱싱하고 셀 외부에서 로드할 수 있는 포지셔너가 있으며 여러 로봇이 내부에서 어셈블리를 용접합니다.

용접 회사는 다른 제조 부문과 유사한 인력 부족에 직면해 있습니다. 미국 노동부 통계에 따르면 미국 용접 협회(American Welding Society)는 2020년까지 미국에서 290,000명의 용접공 부족이 예상됩니다. Michael은 미래 지향적인 용접 공급업체가 직업 학교 및 직업 센터와 협력하여 용접공을 위한 커리큘럼을 만들고 있다고 말했습니다. 예를 들어, Motoman은 고등학생 및 성인 용접 교육을 위한 용접 STEM 프로그램과 매칭 커리큘럼을 만들었습니다.

로봇, IoT

클라우드 컴퓨팅과 사물 인터넷은 로봇, 사용자 및 로봇 제조업체 간의 협업을 촉진합니다. 로봇 공급업체인 FANUC America Corp.(Rochester Hills, MI)의 재료 결합 부문 총책임자인 Mark Scherler는 제조업체는 생산성을 문서화하기 위해 로봇 가동 시간을 정기적으로 모니터링합니다. 우리는 인터넷을 사용하여 로봇에서 데이터를 수집하고 제조업체가 가동 시간을 개선하는 데 도움을 주고 있습니다.”

FANUC는 표준 산업용 로봇뿐만 아니라 협업 로봇을 제공합니다. 로봇이 수집하는 데이터를 최대한 활용하기 위해 회사는 로봇의 기계적 작동 및 유지 관리 상태에 관한 중요한 정보를 감지하고 분석하는 ZDT(제로 다운타임) 진단 애플리케이션을 개발했습니다. 예를 들어, 제조업체 시설의 로봇에 설치된 ZDT는 특정 축에 문제가 있음을 나타낼 수 있는 토크 수준이 증가하는 로봇을 감지할 수 있습니다. 클라우드 기술을 통해 ZDT 애플리케이션은 분석을 위해 운영 정보를 FANUC 데이터 센터로 보냅니다. 치명적인 문제가 발생하면 로봇 사용자에게 지정된 스마트 장치로 알림이 전송됩니다.

동시에 FANUC는 문제를 해결하는 데 필요할 수 있는 부품의 가용성을 확인합니다. 또한 데이터는 주기 시간을 개선하고 에너지 소비를 줄이며 더 나은 유지 관리를 통해 로봇 수명을 연장하는 측면에서 로봇 시스템을 최적화하는 데 사용할 수 있습니다.

자동화 유연성

Morris Group(Charlotte, NC)의 Morris-South 사업부 동부 지역 영업 관리자이자 Okuma America Corp.의 THINC 파트너였던 Jeff Estes는 자동차 산업이 수십 년 동안 자동화 도입을 주도해 왔다고 말했습니다. 오늘날 소규모 제조업체는 자동화가 제공하는 신뢰성과 예측 가능성을 추구하는 동시에 한 생산 로트에서 다른 생산 로트로 빠르게 전환할 수 있는 유연성도 원합니다. 이를 위해 로봇 기술을 통해 상점은 프로그래밍 세부 사항과 엔드 이펙터를 신속하게 변경할 수 있습니다.

Estes는 공작 기계를 로봇으로 자동화하는 것은 단순히 부품을 싣고 내리는 것을 포함하지 않는다고 지적했습니다. "핵심은 출석률이 낮거나 없는 운영을 달성하는 방법입니다."라고 그는 말했습니다. 완전 자동화된 셀에서는 공작 기계, 로봇, 게이지, 비전 시스템 및 자재 취급 장비를 포함한 수많은 요소가 함께 모여 "인간의 상호 작용 없이 계속 실행하고 기본 결정을 내릴 수 있는 폐쇄 루프 작업, "라고 Estes는 말했습니다. 셀의 여러 요소는 개별 작업에 대한 정보를 생성하지만 "서로 작업을 시작하기 전까지는 정보의 조각일 뿐입니다." 통합자는 셀 요소를 선택 및 정렬하고 기능을 조정합니다.

일부 공작 기계 공급업체는 턴키 시스템을 제공하기 위해 사내 통합 기능을 유지합니다. Methods Machine Tools Inc.(매사추세츠주 서드버리)에는 미국에 30명 이상의 자동화 엔지니어와 설계, 제어, 전기/기계, 시스템 통합 및 현장 서비스/설치 직원이 있습니다. 공작 기계 제공업체 및 시스템 통합업체로서의 활동을 보완하기 위해 Methods는 최근 노스캐롤라이나 주 샬럿 시설에 자동화 및 통합 센터를 추가했습니다. 자동화 전문가 및 시스템 통합 엔지니어는 셀 정의 및 구축에서 유출 수행에 이르기까지 장비 및 기능에 관한 고객 컨설팅을 제공합니다. Methods Automation Manager인 John Lucier는 새로운 10,000ft2(929m2) 시설의 초점은 "고객을 위한 맞춤형 종합 솔루션을 제공하는 것"이라고 말했습니다.

전체적인 자동화

협동 로봇과 같은 기술은 제조업체가 자동화에 대해 생각하는 방식을 바꾸고 있습니다. Estes는 제조업체가 자동화 시스템에서 생성 및 수집한 데이터의 힘을 활용하도록 권장합니다.

데이터 분석은 제품 품질, 도구 관리, 자재 흐름 및 물류를 비롯한 생산의 다른 측면에 기여할 수 있습니다. Estes는 로봇 기술을 구현할 때 제조업체는 "더 총체적인 접근 방식"을 취해야 한다고 말했습니다. "기계를 싣고 내리는 일에서 사람을 구하는 대신 제조업체는 '이 로봇을 IOT 또는 인더스트리 4.0과 더 관련되게 만들기 위해 이 로봇으로 더 할 수 있는 일이 있습니까?'"라고 질문해야 합니다. 그는 "OEM 공급업체인 우리조차도 우리가 얼마나 더 많은 능력을 제공할 수 있는지 매일 배우고 있습니다."라고 말했습니다.

로봇을 협업하게 만드는 요소는 무엇입니까?

"협동 로봇"이라는 용어는 인간 작업자를 수용하기 위해 로봇 동작이 제어되는 모든 상황을 설명하는 데 자주 사용됩니다. 실제로 작업자와 로봇 간의 가능한 관계는 로봇과 애플리케이션에 따라 크게 다릅니다.

ISO 표준 10218-1 및 10218-2, "산업용 로봇 적용을 위한 안전 표준"이 2011년에 발행되었습니다. 여기에는 산업용 로봇의 안전한 설계, 보호 조치 및 적용에 대한 요구 사항이 나열되어 있습니다. 이 표준은 작업장 직원과 로봇 간의 안전 관련 상호 작용의 네 가지 모드를 정의합니다.

한 가지 모드는 안전 모니터링 정지를 수행하는 기능입니다. 센서는 로봇 주변의 미리 정해진 영역을 모니터링하고, 로봇은 그 영역에 사람이 들어오면 움직임을 멈춘다. 이 수준의 안전 모니터링은 사람의 개입이 최소화될 때 만족스럽지만 잦은 중단은 생산성을 감소시킬 수 있습니다. 두 번째 모드는 핸드 가이딩으로 작업자가 로봇 팔을 잡고 경로의 원하는 지점으로 이동하여 원하는 경로를 따르도록 가르치면서 티칭 펜던트로 지점을 기록합니다. 로봇의 힘 토크 센서는 작업자의 수동 안내를 인식합니다. 센서는 안전 시스템의 역할을 하지 않으며, 로봇은 티칭 모드 외부에서 인간과의 안전한 상호 작용을 보장하기 위해 다른 장치나 시스템이 제자리에 있어야 합니다.

속도 및 분리 모니터링 모드에서 비전 시스템은 로봇 주변의 지정된 안전 영역에서 사람을 감지합니다. 로봇과 사람 사이의 간격이 줄어들수록 로봇은 점차 느려집니다. 일정 거리에서 로봇의 움직임이 멈춥니다. 그런 다음 인간이 안전 영역을 벗어나면 로봇이 정상 속도로 작업을 재개합니다. 이 단계적 안전 모드는 작업자가 개입하더라도 생산성을 유지하는 데 도움이 됩니다.

네 번째 협업 모드는 로봇과 인간이 나란히 활동할 수 있게 하고 보호 가드와 케이지가 필요하지 않습니다. 설명된 로봇을 힘 및 힘 제한 로봇이라고 합니다. 센서가 작업자와 접촉하여 발생하는 비정상적인 힘을 로봇에 감지하면 로봇은 즉시 속도를 늦추거나 멈추거나 후진합니다. 설명된 이러한 로봇을 힘 및 힘 제한 로봇이라고 합니다. 센서가 작업자와 접촉하여 작동하는 것과 같이 로봇에 비정상적인 힘을 감지하면 로봇은 즉시 감속, 정지 또는 후진합니다. 이 로봇은 일반적으로 기존 산업용 로봇보다 작고 강력하지 않으며, 조임 부상을 방지하기 위해 둥근 모양과 밀폐된 조인트가 있습니다.

2016년에 ISO는 ISO 표준 10281-1 &2에 세부 사항과 설명을 추가한 기술 사양 ISO/TS 15066을 발행했습니다. TS 15066은 협동 로봇을 인간과 로봇이 수행할 수 있는 협업 작업 공간에서 인간과 직접 상호 작용하도록 설계된 로봇으로 정의합니다. 동시에 작업. 사양은 로봇이 인간에게 가할 수 있는 힘의 양을 자세히 설명하고 고통이나 부상을 일으키지 않습니다. 힘 수준은 인체의 특정 영역에 대한 충격 테스트를 통해 결정되었습니다. 그러나 절대적인 안전을 보장하기 위해서는 수행 중인 작업과 특정 애플리케이션과 관련된 부품 및 도구에 대한 위험 평가를 수행하는 것이 중요합니다.