로봇 용접의 성장을 주도하는 신기술

용접 작업을 자동화하기에 적절한 시기입니까? 숙련된 용접공을 얼마나 오래 유지할 수 있을지 걱정되십니까? 처리량을 늘려야 하지만 사용 가능한 인력이 어떻게 되는지 모르십니까? 더 단단한 재료가 필요하십니까? 다양한 기술 발전으로 인해 용접 작업을 자동화하여 이러한 문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있고 놀라울 정도로 빠른 회수가 가능합니다.

3배 빨라짐

자동화 용접에는 "고정" 자동화 및 "유연한"(또는 로봇) 용접이라는 두 가지 광범위한 범주가 있습니다. 고정 자동화는 종종 애플리케이션에 따라 다르며 부품 형상과 용접이 매우 단순할 때 가장 좋습니다. 예를 들어 일반적으로 파이프 용접에 가장 적합한 솔루션입니다. 그러나 대부분의 산업 응용 분야와 복잡한 모든 분야에서 로봇 용접이 이상적이며 이 기사의 초점입니다.

Lincoln Electric Co.(Cleveland)의 내부 영업 관리자인 Jason Lange는 다음과 같이 설명합니다. “로봇의 주요 목적은 용접의 반복성을 돕는 것입니다. 두 번째는 용접공에 대한 남용을 줄이는 것입니다. 하루 종일 부품을 이동하고 다른 고정 장치 아래를 기어다니는 것은 사람에게 부담이 됩니다. 로봇은 인체 공학에 도움이 됩니다.”

용접공을 찾기가 점점 더 어려워지기 때문에 용접공을 쉽게 만드는 것이 두 배로 중요합니다. "전국에 걸쳐 많은 기술 학교가 그 격차를 해소하기 위해 용접 프로그램에 투자하고 있습니다."라고 Lang이 계속 말했습니다. “하지만 어느 날 퇴직하는 사람의 수가 새로 들어오는 사람을 초과하여 공백이 생깁니다. 로봇 용접은 그 공백을 메우는 데 도움이 됩니다.”

동시에 Miller Electric Mfg. Co.(위스콘신주 애플턴)의 레이저 그룹인 비즈니스 개발 관리자인 Erik Miller는 "로봇 시스템에 대한 투자 회수는 일반적으로 생각하는 것보다 훨씬 더 좋습니다."라고 설명했습니다. “로봇 시스템 한 대가 용접기 3명만큼 많은 부품을 만들 수 있습니다. 교대조당 2개의 급여를 절약할 수 있으며 평균 사전 엔지니어링 셀 비용은 $100,000~$120,000입니다. 약 1년 만에 비용을 지불합니다. 일반적으로 프로세스를 자동화하고 1년 이내에 투자 비용을 회수할 수 있다면 바로 수행할 수 있습니다. 2년차라면 진지하게 고민해봐야 할 부분이다.”

따라서 로봇 자동화는 처리량 증가에 큰 도움이 됩니다. 그러나 이 기사를 위해 인터뷰한 소식통은 이것이 숙련 노동을 대체할 수 없다고 강조했습니다. "그 로봇을 작동시키려면 여전히 양질의 용접 작업자가 필요합니다."라고 Lang은 말했습니다.

자동화해야 하는 또 다른 이유

ABB Robotics(Auburn Hills, MI)의 용접 및 절단 사업 라인 이사인 Erwin DiMalanta에 따르면 지난 10년 동안 작업 재료의 변화로 인해 용접이 개선되었으며 그 중 많은 부분이 레이저 용접과 같이 수동으로 적용할 수 없다고 합니다. . 그는 "채광 차량에서 자동차에 이르기까지 모든 제조업체는 비용과 무게를 줄이고 다양한 파워트레인 솔루션을 수용하기 위해 다양한 재료를 사용하고 있습니다."라고 말했습니다. “자동차 제조업체들은 야금학적 특성을 통해 더 강하고 가벼우며 내식성이 높으면서도 성형성과 용접성이 우수한 고강도 및 초고장력 강으로 전환했습니다. 이는 금속 구조가 설계, 형성 및 조립되는 방식을 크게 변화시키고 있습니다.” 제조업체는 부품의 형상을 절단하기 위해 기존의 스탬핑 다이를 사용했을 수 있지만 이제는 핫 스탬핑 공정과 자동화된 레이저 기술을 사용하여 부품을 형성하고 절단하고 있습니다.

DiMalanta는 "또 다른 예는 더 많은 응용 분야에서 알루미늄으로 전환하는 것입니다. “차에 따라 지금은 차체의 90% 이상이 알루미늄일 수도 있다. 전도성이 높기 때문에 알루미늄 스폿 용접에는 더 많은 전류가 필요하며 전류는 열과 동의어입니다. 그러나 우리는 더 얇은 게이지 재료를 사용할 것입니다. 일부 차량의 경우 재료 두께가 약 1mm입니다. 그렇다면 반대 방향으로 가고 있는 이러한 추세를 어떻게 처리합니까?”

그 해답은 아크 용접의 전자 및 기계 제어를 위한 향상된 기술과 레이저 용접의 사용 증가입니다. 아크 용접의 경우 DiMalanta는 "전원이 이제 극도로 발전되고 전자적으로 제어됩니다. 맞춤형 파형을 사용하여 용접 풀로의 재료 증착을 신중하게 제어합니다.” Miller는 이러한 특수 파형이 "부품의 열 입력을 제어하여 왜곡을 줄이고 용접의 외관을 개선할 수 있습니다"라고 덧붙였습니다.

그는 또한 Panasonic의 Active Wire라는 기계적 방법을 지적했습니다. “이는 양방향 와이어 피드로 와이어가 앞쪽으로 공급되어 단락을 생성한 다음 웅덩이에서 반전되어 120Hz에서 이 재봉틀 유형 동작을 반복합니다. 이것은 열 입력을 줄이고 또한 스패터를 크게 줄입니다. 또한 모든 용접에서 아크 스트라이크의 일관성을 향상시킵니다. 알루미늄 용접 및 얇은 판금 용접에 매우 인기가 있습니다."

구성 요소가 가벼울수록 강도를 유지하면서 복잡한 구조를 허용하도록 재료가 더 고급화되어야 한다고 DiMalanta는 말했습니다. "로봇과 고급 소프트웨어 시스템은 이러한 재료를 처리하는 프로세스를 로봇의 경로와 연결하는 데 도움이 됩니다."

강력한 옵션의 레이저 용접

다양한 재료(이종 재료 포함)를 용접할 수 있는 번개처럼 빠른 기능을 갖춘 레이저는 아마도 수십 년 동안 용접 분야에서 가장 큰 일이 될 것입니다. 그리고 Trumpf Inc.(Hoffman Estates, IL)의 수석 첨단 기술 엔지니어인 Masoud Harooni는 "최근 몇 년간 레이저 용접 분야에서 가장 큰 소식은 레이저 가격 하락입니다.

"레이저 용접 시스템은 제어하기가 더 쉽습니다."라고 Harooni는 계속 말했습니다. “당신은 하나의 힘과 하나의 속도를 선택합니다. 조정되면 전체 부품을 약간의 스패터로 처리합니다. 아크 용접에서는 아크를 유지해야 하며 용접 매개변수는 토치와 공작물 사이의 거리 변화에 민감합니다. [공작물]의 다른 부분은 더 많은 전류를 필요로 하거나 더 적은 전류를 필요로 하며 이로 인해 공정 안정성이 떨어집니다. 현대 아크 용접 시스템의 피드백 루프가 매우 우수하지만 이러한 시스템은 실제로 완벽하게 조정되지 않습니다. 레이저 용접 부품은 종종 연마해야 하는 아크 용접 부품보다 후처리가 훨씬 적습니다. 또한 스패터를 처리하고 아크 용접 시스템에서 노즐을 청소해야 하는 문제가 있습니다.”

아마도 더 중요한 것은 레이저 용접이 열 손상 없이 더 깊은 용접을 달성할 수 있다는 것입니다. 심지어 아크 용접으로 균열이나 다공성에 취약한 알루미늄 및 마그네슘과 같은 재료에서도 마찬가지입니다. Harooni는 레이저가 제곱센티미터당 108와트의 전력 밀도에 도달할 수 있기 때문이라고 설명했습니다. 이것은 공작물의 금속을 기화시켜 생성된 깊은 중공 영역인 열쇠 구멍을 생성합니다. 레이저 빔이 부품을 따라 이동함에 따라 용융 웅덩이로 둘러싸인 이 작은 열쇠 구멍을 유지하면서 뒤에 있는 재료가 응고됩니다.

"부품에 극심한 열을 가하지 않고도 강력하고 깊은 용접을 얻을 수 있습니다."라고 그는 말했습니다. “아크 용접에는 전력 밀도가 없으므로 더 깊은 용접을 달성하는 유일한 방법은 열 입력을 증가시키는 것입니다. 열 입력이 적고 변형이 적은 용접 부품의 기계적 특성은 열 입력이 높은 부품보다 훨씬 우수합니다."

Miller는 "레이저 용접의 초기 영향은 대량 및 [기술적 이점]으로 인해 자동차 용접에 있었습니다. 판금 제조업체는 레이저 용접도 고려해야 합니다. 실제 이점은 저항 스폿 용접을 대체할 수 있다는 점이며, 이는 중소 규모 제조에서 어려울 수 있습니다. 부품의 상단과 하단 모두에 접근이 필요하기 때문에 고정이 어려울 수 있지만 레이저 용접은 상단 접근만 필요하므로 자동화가 더 쉽습니다. 간단한 고정 광학 장치와 함께 레이저 용접을 위해 더 낮은 페이로드 로봇을 사용할 수도 있습니다.”

두 개의 전극이 있는 대형 도구를 운반하는 강력한 팔이 있는 대형 페이로드 로봇과 비교할 때 제조업체는 이제 더 안전한 8kg 로봇을 사용하고 여기에 프로세스 헤드를 장착하고 저항 스폿 용접을 비교적 쉽게 자동화할 수 있습니다.

"레이저 용접이 유용한 판금의 다른 영역은 상자 제조입니다."라고 그는 말했습니다. "외관이 필요하고 나중에 금속 마감이 거의 또는 전혀 필요하지 않은 외부 코너 용접은 우리가 많은 관심을 보았던 영역입니다."

Miller에 따르면 레이저는 접근이 제한된 부품에 좋은 솔루션을 제공합니다. 레이저는 용접을 하기 위해 가시선만 필요하지만, 아크 용접 애플리케이션에서는 로봇이 부품 안팎으로 부피가 큰 토치를 움직여야 하므로 매우 어려울 수 있습니다. “레이저 용접에서 우리는 종종 공작물에서 500mm 떨어져 있습니다. 광선총을 쏘는 것과 같습니다. 레이저는 또한 훨씬 더 빠른 처리 속도와 부품에 더 낮은 전체 열 입력을 제공하여 왜곡을 줄입니다. 자동 용접을 위한 완벽한 도구입니다.”

Harooni는 레이저 용접의 단점은 "구성 요소 사이에 간격이 거의 없는지 확인하거나 레이저 용접과 와이어 보조를 결합한 융합 라인을 사용해야 한다는 것입니다. 격차를 커버할 수 있습니다. 그러나 레이저 용접은 훨씬 빠르기 때문에 고정 장치에 추가로 투자할 가치가 있습니다. 예를 들어 로봇 아크 용접으로 하루에 50개의 부품을 만드는 경우 로봇 레이저 용접으로 하루에 같은 부품을 300개, 500개 또는 수천 개를 생산할 수 있습니다."

용접 자동화 시작

용접 자동화에 뛰어드는 것이 그 어느 때보다 쉬워졌습니다. 첫째, 주요 플레이어는 PC에서 다음 작업을 높은 수준으로 프로그래밍하고 해당 프로그램을 로봇에 전송하고 용접을 시작하는 오프라인 설정 소프트웨어를 제공합니다. ABB는 가상 현실 기술을 사용하여 사용자가 로봇 용접 장비와 "협업"할 수도 있습니다.

DiMalanta는 "말 그대로 로봇의 목을 잡고 목줄에 묶인 개처럼 지시할 수 있습니다."라고 설명했습니다. "이것은 티치 펜던트를 사용하는 것보다 훨씬 더 직관적일 수 있습니다."
둘째, 이러한 시스템은 한 부품에서 다음 부품으로의 위치 변경에 자동으로 적응하고 용접 품질을 모니터링하는 메커니즘을 가질 수 있습니다.

Miller Electric의 제품 전문가인 David Schaefer는 다음과 같이 설명합니다. “연결 위치 변경을 처리하는 여러 센서 유형이 있습니다. 하나는 단순히 터치 감지이고 다른 하나는 아크를 통한 솔기 추적입니다. 터치 감지를 사용할 때 로봇은 내려와 아크 용접 와이어를 사용하여 부품을 조사할 수 있습니다. 프로그램된 위치와 실제 위치 간의 델타를 확인하여 기본적으로 자체적으로 다시 프로그램합니다.

"스루-더-아크 솔기 추적에서 필렛 용접 또는 랩 용접과 같이 조인트를 가로질러 직조할 때 재료가 충분히 두꺼운 경우 암페어의 변화를 감지하고 조인트에 있을 때와 빠져 있을 때를 결정합니다. 접합한 다음 용접하는 동안 해당 용접을 따라갑니다.”라고 Schaefer는 말했습니다. "와이어 유형 감지 대신 레이저 광학을 사용할 수도 있지만 기본 아이디어는 동일합니다."

Lincoln Electric의 Lang은 "또 다른 방법은 부품의 2D 또는 3D 사진을 찍는 카메라를 사용하는 것입니다. 부품의 물리적 위치에 따라 프로그램을 오프셋하고 조인트를 오프셋할 수 있습니다. 최신 카메라는 몇 년 전만 해도 카메라가 그랬던 것처럼 부품의 눈부심에 영향을 받지 않습니다. 그들은 더 많은 색상을 보고 부품의 정의를 읽을 수 있어 부품에서 그림자와 반사를 구별할 수 있습니다." Harooni는 "오늘날의 광학 장치는 또한 파괴적인 테스트 없이 실시간으로 용접 품질을 확인할 수 있는 기능을 제공합니다."라고 덧붙였습니다.

셋째, 로봇은 모두 일종의 충돌 감지 기능을 제공합니다. Miller Electric의 Miller는 이것이 로봇 팔 자체에서 가장 중요한 개선을 나타낸다고 말했습니다. “이전에는 고객이 알려진 토치의 X-Y-Z 위치를 기반으로 자신의 프로그램을 만들었습니다. 로봇이 교대조의 절반을 용접하고 작업자가 클램프를 열어 두었다고 가정해 보겠습니다. 로봇이 클램프에 부딪혀 토치를 구부릴 수 있습니다. 그러면 토치의 끝이 구부러지고 해당 위치가 변경되었기 때문에 해당 프로그램의 모든 용접이 정렬되지 않게 됩니다. 오늘날 로봇은 고속에서도 물체에 부딪히면 결과적인 전류 스파이크를 장애물로 읽습니다. 이로 인해 로봇이 즉시 플렉스 서보 모드로 전환되어 각 축에 대해 지정된 특정 거리 동안 브레이크 적용이 지연됩니다. 로봇은 사실상 '절뚝거린다'. 이를 통해 로봇은 운동량을 분산시켜 도구 손상을 최소화할 수 있습니다. 즉, 토치를 구부리지 않고도 고속 충돌이 가능합니다.”

넷째, 모든 주요 업체는 팔레트(또는 여러 개)에 필요한 모든 것이 포함된 사전 엔지니어링된 로봇 셀을 제공합니다. “작업 셀은 모든 안전 장치가 갖추어진 완전히 설계된 장치가 될 것입니다.”라고 Lange가 말했습니다. “일반적으로 울타리나 강철 벽, 일반적으로 안전 스캐너, 조명, 로봇이 이동할 수 있도록 하는 푸시 버튼, 키 인터록, 턴테이블이나 관람차와 같은 로봇 앞에 있는 일종의 위치 지정 장치를 볼 수 있습니다. 이 장치는 작업자가 반대쪽에 추가 부품을 로드하는 동안 부품을 작업 영역으로 가져옵니다. 또는 로봇이 처리할 고정 테이블만 있을 수 있습니다. 또한 용접 전원, 토치 및 필요한 경우 비트를 청소할 일부 리머가 있습니다. 전기와 가스 소스에 연결하기만 하면 됩니다.” 기성 솔루션 중 하나가 작동하지 않는 경우 맞춤형 턴키 솔루션을 사용할 수 있습니다.

그래서 무엇을 걱정해야 할까요?

Miller Electric의 Schaefer는 "잠재 고객과 용접 자동화에 대해 상담할 때 업스트림 제작을 살펴봅니다. "레이저와 CNC 장비를 사용하여 재료를 구부리고 제동하고 절단한다면 손으로 절단하거나 절단 톱을 사용하는 것보다 로봇 용접에서 훨씬 더 나은 성공을 거둘 것입니다. 부품을 손으로 용접할 때 용접공이 그에 따라 조정할 수 있지만 로봇은 그렇지 않기 때문에 그런 상점은 이제 문제를 해결할 수 있습니다.” Miller는 업스트림 프로세스가 먼저 정확해야 하기 때문에 용접은 일반적으로 시설에서 자동화되는 마지막 작업이라고 덧붙였습니다. “부품은 정확하게 절단한 다음 정확하게 구부려야 합니다. 그런 다음 용접할 수 있습니다.”라고 그가 말했습니다.

부품이 반복 가능하다는 것을 보장하는 것 외에도 Schaefer가 설명했듯이 간격을 제한하거나 제거하는 고정 장치가 필요합니다. “공기를 용접할 수 없습니다. 작업자는 일반적으로 전류를 줄이기 위해 와이어 돌출을 증가시켜 열과 침투를 줄인 다음 간격을 채우기 위해 짜기 시작하여 간격을 보고 그에 따라 반응할 수 있습니다. 로봇은 이것을 하지 않을 것입니다. 불타버릴 것입니다.”

반대로 Lang은 일부 고객이 업스트림 프로세스를 개선하여 가격을 반으로 줄일 수 있는 경우 부품을 고정하는 도구에 수천 또는 수십만 달러를 지출하고 있다고 말했습니다. 이는 다운스트림에 필요한 반복성을 제공하여 궁극적으로 툴링 비용을 낮추고 재작업 및 스크랩의 양을 줄입니다.
부품 품질 및 반복성 다음으로 가장 중요한 관심사는 "관련된 용접 프로세스를 알고 이해하는 것"입니다. 스스로 용접하고 자동화된 장치를 통해 용접합니다.”라고 Lange가 말했습니다.

그렇다면 자동 용접을 실행하려면 누구를 교육해야 할까요? 숙련된 용접공이거나 용접(몇 주가 소요됨)과 용접 자동화를 배우고자 하는 사람입니다.
Schaefer는 “시설에 올바른 문화가 필요합니다. 직업을 가진 사람들은 시설에 자동화가 들어오면서 위협을 느낄 수 있습니다. 저는 직원들에게 이점, 회사를 보다 효율적으로 만들고 성장 및 경쟁력을 높이고 궁극적으로 더 많은 사람을 고용하는 방법에 대해 매우 솔직하게 이야기할 것입니다."

마지막으로 배치 크기는 자동화를 위해 충분히 커야 합니다. Lang이 말했듯이 "오프라인 프로그래밍을 수행하고 로봇을 투입하고 빠른 설정을 수행하는 데 걸리는 시간은 배치 크기가 대략 하루 또는 하루 반 동안 실행되는 경우 확실히 좋은 수익을 창출합니다. 부품을 한 시간 내에 변경하는 경우 ROI에서 그다지 효과적이지 않을 수 있습니다."