잡샵 자동화? 물론이지!

한 명의 작업자가 때때로 여러 대의 로봇을 돌볼 수 있으며 각 로봇은 여러 대의 기계를 돌보고 있습니다. 이 모든 것이 합산됩니다!

"자동화"가 요즘 금속 가공 분야의 거의 모든 사람에게서 듣는 끊임없는 드론이라면 작업장 주인만이 "아니오!"라고 외치는 유일한 사람일 수 있습니다. 또는 적어도 "잠깐!" 그들은 어떻게 저용량, 고혼합 부품을 비용 효율적으로 자동화할 수 있는지 묻습니다. 그러나 그것은 실행 가능할 뿐만 아니라 아마도 필요할 것입니다.

위스콘신주 Waukesha와 아이오와주 Council Bluffs에 위치를 두고 있는 자동화 통합업체인 Acieta LLC의 운영 담당 부사장인 Steve Alexander는 다음과 같이 말했습니다. 인건비. 잡샵은 비즈니스를 위해 다른 지역 상점과 경쟁할 뿐만 아니라 다른 국가와도 경쟁합니다. 자동화를 통해 비용을 절감하여 더 나은 경쟁을 할 수 있습니다.”

그는 제조 능력에 대한 수요가 가용 노동 공급을 초과하고 있으며 "작업장은 점점 더 비싼 인재를 확보하기 위해 더 크고 확고한 기계 공장과 경쟁하기 어려울 수 있습니다"라고 덧붙였습니다. 그러나 로봇은 여러 대의 기계를 돌볼 수 있으며 경우에 따라 한 명의 작업자가 여러 대의 로봇을 돌볼 수 있으며 각 로봇은 여러 대의 기계를 돌볼 수 있습니다.

Alexander는 이렇게 말했습니다. 위스콘신 주 뉴버그에 있는 Central United는 FANUC M-20iB 로봇 한 대를 사용하여 두 대의 선반을 관리하는 두 가지 예를 들 수 있습니다. 위스콘신 주 뉴베를린에 있는 또 다른 Acieta 고객은 FANUC R-2000iB 로봇 한 대를 사용하여 4대의 기계를 돌보고 있습니다. "두 경우 모두 로봇이 잡을 수 있도록 가공되지 않은 부품을 컨베이어나 대기열 스테이션에 로드하는 책임이 있는 작업자는 단 한 명뿐입니다."

Alexander는 자동화해야 하는 또 다른 강력한 이유인 인체 공학을 추가했습니다. “작업장 부상은 모든 규모의 매장에서 우려되는 사항입니다. 부품을 선반 척에 로드하는 것과 같이 간단한 작업이 하루에 수백 번 반복되는 경우 작업자에게 반복적인 스트레스 부상으로 빠르게 변할 수 있습니다. 손실된 시간과 청구 사이에 이러한 부상으로 인해 기업은 매년 수십억 달러의 비용을 지출합니다. 적절하게 통합된 로봇은 작업자의 반복적인 프로세스를 제거하여 직원의 건강을 개선할 수 있습니다.”

옵션 및 통합자

여태까지는 그런대로 잘됐다. 그러나 매사추세츠주 서드베리에 있는 Methods Machine Tools Inc.의 자동화 관리자인 John Lucier는 "더 많은 부품을 더 효율적으로 만드는 것"이라는 단순한 목표가 생산되는 작업의 유형과 관련된 양에 따라 매우 다른 접근 방식으로 이어질 수 있다고 설명했습니다. .

예를 들어, 중간 규모의 작업장이 일주일에 두 번 전환해야 한다고 가정해 보겠습니다. "적절한 계획을 세우면 유인 교대 근무 시 셀을 교체할 수 있으므로 다음 교대 근무 시 상당한 양의 무인 생산이 가능합니다." 그리고 이러한 맥락에서 로봇에 필요한 속도는 생산된 부품의 가공 사이클 시간에 크게 좌우됩니다. 주기 시간이 짧을수록 로봇은 더 빨라야 하고 한 로봇이 여러 기계를 지원할 수 있는 가능성은 줄어듭니다.

그러나 1개의 로트 크기라도 더 적은 양의 상점도 자동화의 좋은 후보가 될 수 있다고 Lucier는 설명합니다. "가장 중요한 고려 사항은 전환 시간을 줄이거나 설정 시간을 완전히 없애는 것입니다. 사람들은 주기 시간과 로드/언로드 시간에 사로잡혀 있지만 볼륨이 너무 낮아서 시간의 절반을 교체하는 데 사용하는 경우 주기 시간을 희생하더라도 전환 시간을 공격하는 것이 합리적일 수 있습니다.”

설정을 "제거"하는 한 가지 방법은 설정을 자동화하는 것이며, 오늘날의 로봇은 자체 End-of-Arm 툴링과 기계의 워크홀딩을 모두 변경하도록 프로그래밍할 수 있습니다. 또 다른 접근 방식은 생산되는 부품에 관계없이 캐러셀(또는 다른 유형의 스태커)에서 일반 팔레트를 로드하는 것입니다. 따라서 로봇 툴링을 변경하거나 다른 부품에 대해 서로 다른 로드/언로드 동작을 프로그래밍할 필요가 없습니다.

Methods PlusK 시스템은 이 개념을 한 단계 더 발전시켜 캐러셀에서 도구 홀더를 로드합니다. FANUC의 RoboDrill 시리즈 기계를 지원하도록 설계된 PlusK의 회전 목마에는 총 60개의 스테이션에 대해 각각 12개의 스테이션이 있는 5개의 링이 있습니다. 각 스테이션은 부품 팔레트 또는 툴 홀더를 수용할 수 있으며 로봇은 두 부품을 RoboDrill의 작업 테이블에 로드하고 도구를 기계의 통합 21개 툴 터렛에 로드할 수 있습니다.

그러나 Lucier가 지적했듯이 완전히 다른 30개 또는 40개의 부품 생산을 자동화하려면 21개의 도구로는 충분하지 않을 수 있습니다. "우리는 일반적으로 Lang Technovation과 같은 공급업체의 작은 5축 바이스에 부품을 로드합니다."라고 Lucier는 설명합니다. “그리고 우리는 일반적으로 회전 목마에서 부품과 도구를 혼합하고 일치시킵니다. 한 작업에 이전 작업에 사용된 도구와 다른 다섯 가지 도구가 필요하다고 가정해 보겠습니다. 로봇을 사용하여 필요에 따라 각 도구를 로드하거나 작업자가 작업을 설정하는 것처럼 한 번에 5개의 도구를 모두 터렛에 로드할 수 있습니다.”

이러한 고려 사항으로 인해 머리가 아프기 시작하면 이해할 수 있습니다. 최근 몇 년 동안 자동화를 구현하는 것이 훨씬 쉬워졌지만 대부분의 작업장이 Acieta 및 Methods와 같은 통합업체를 활용하는 것이 현명할 만큼 여전히 어렵기 때문입니다. Lucier의 관점에서 로봇 프로그래밍은 쉬운 부분입니다. 자동 워크홀딩 처리, 작업 영역에서 칩 제거, 로봇에 부품을 가장 잘 전달하는 방법과 같은 것이 더 큰 과제입니다. 바로 전문가의 조언이 도움이 되는 부분입니다.

레거시 머신 자동화

이것이 어떻게 일어날 수 있는지에 대한 예입니다. 2017년 중반까지 텍사스주 댈러스에 있는 All Axis Machining의 소유주인 Gary Kuzmin은 취업 실패의 교과서적인 예였습니다. 그는 가용 인력이 지원할 수 있는 것보다 더 많은 잠재적인 작업을 하고 있었고 고급 독일 5축 머시닝 센터, EDM 및 기타 기술로 가득 찬 공장에는 OEM이 경제적으로 자동화할 수 없는 종류의 다재다능함이 있었습니다. 묶다. 그의 솔루션은 미시간주 앤아버에 있는 Universal Robots(UR)의 협동 로봇에 투자하는 것이었습니다.

다른 구직장 주인과 마찬가지로 Kuzmin의 최우선 요구 사항은 작업에서 "완벽한 유연성"을 유지하는 것이었습니다. “우리는 2박 3일 동안 한 부분을 만들고 다음으로 넘어갈 것입니다. 주어진 달에 한 기계에서 30~40개의 서로 다른 부품을 만들 수 있습니다.” 그래서 그는 쉽게 설정하고 교체할 수 있는 로봇이 필요했습니다. 그리고 로봇이 다양한 부품에 적응할 수 있도록 힘 제어 그리퍼와 같은 기능이 필요했고 원시 재고에서 완성된 더 얇은 벽 부품으로의 변화에 ​​적응할 수 있었습니다.

모든 면에서 UR이 제공됩니다. 로봇에는 휴대용 펜던트에 프로그래밍 인터페이스가 있습니다. 로봇은 작업자와 접촉하면 자동으로 멈추므로 인간과 나란히 안전하게 작동합니다(따라서 협동 로봇 또는 "코봇"이라는 용어). 훈련하기 쉽고 위협적이지 않습니다.

Kuzmin은 UR 솔루션의 유연성에 대한 주요 이유는 타사가 UR 로봇과 함께 작동하는 소프트웨어, 비전 시스템, 엔드 이펙터 및 기타 액세서리를 개발할 수 있는 개방형 아키텍처라고 설명했습니다. UR은 UR+라는 원스톱 온라인 쇼룸을 제공하여 통합 노력을 용이하게 합니다.

그럼에도 불구하고 Kuzmin은 로봇이 샌딩 또는 디버링을 수행하도록 프로그래밍할 준비가 된 솔루션이 없다는 것을 발견했습니다. 두 가지 기능은 인간, 특히 고령 근로자에게 힘들기 때문에 자동화하고 싶었습니다. 그래서 All Axis는 UR의 무료 소프트웨어 개발 키트를 사용하여 CAD 모델을 기반으로 부품의 곡률을 따르는 자체 루틴을 만들었습니다.

이 플러그인은 협동로봇의 자체 티치 펜던트를 통해 애플리케이션 제어를 통합합니다. Kuzmin은 "Universal Robots는 우리와 같은 매장에서 이 솔루션을 사용할 수 있도록 하는 환상적인 일을 해냈습니다. “우리는 독점 환경에 갇혀 있지 않습니다. 대신 통신을 확장할 수 있는 쉬운 방법이 포함된 요리책이 제공됩니다.”라고 덧붙이며 All Axis는 TCP/IP, 이더넷, Modbus 및 Profinet과 같은 프로토콜을 사용하여 협동로봇과 기계를 연결합니다.

Kuzmin은 "또 다른 이점은 특별 라이선스 계약을 지불할 필요가 없다는 것입니다. 이 모든 것은 UR 코봇 구매와 함께 제공됩니다."라고 말했습니다. "우리는 개발자가 되기 위해 UR 웹사이트에 등록하고 필요한 요소를 다운로드합니다."

또 다른 예에서 All Axis는 협동로봇을 가능한 한 빨리 기계에서 기계로 이동할 수 있는 기능을 원한다고 결정했습니다. 문제는 협동로봇의 방향을 다음 기계로 변경하고 콘크리트에 구멍을 뚫지 않고 바닥에 고정하는 시스템을 만드는 것이었습니다. 해결책은 리셉터클을 콘크리트에 에폭시로 고정하고 인덱싱 핀을 부착하는 것이었습니다.

Kuzmin은 "로봇을 이동하거나 수리해야 하는 경우 핀을 잠금 해제하고 당기고 필요에 따라 로봇을 움직이면 됩니다."라고 말했습니다. “로봇의 위치를 ​​조정하고 핀을 잠그면 모든 것이 여전히 인덱싱됩니다. 또한 프레젠테이션 트레이를 로봇 스탠드에 부착하여 로봇 축을 기준으로 한 위치가 변경되지 않도록 했습니다.”

불과 몇 개월 만에 Kuzmin과 그의 팀은 협동로봇(현재 7개 보유)을 통합하는 데 능숙해졌으며 자동화의 이점에 매우 흥분하여 All Axis Robotics라는 별도의 회사를 만들었습니다. Kuzmin은 OEM과 함께 약 $150,000를 지출하여 새 기계를 자동화하는 것이 비교적 쉽다고 말했지만, 그는 OEM이 초점을 맞추고 있는 레거시 기계를 자동화할 수 있는 엄청난 잠재력을 보고 있습니다.

자동화가 All Axis Machining의 수익에 어떻게 도움이 되었는지 한 가지 예를 들면, 일반적으로 실행하는 데 6개월이 걸리던 작업이 로봇을 사용하여 2.5개월 만에 완료되었습니다. “환상적이었어요. ROI는 약 7~8개월이었습니다.”라고 Kuzmin은 말했습니다.

아마도 가장 인상적인 혁신으로 All Axis는 UR 로봇과 기성 현미경 및 카메라, 인공 지능(AI) 및 딥 러닝을 결합하여 버, 롤링된 모서리 또는 이상(예:누락된 하드웨어)가 있습니다.

Kuzmin이 설명했듯이 많은 burr는 확대하지 않고는 식별할 수 없으며 사람의 눈은 그러한 검사 20-30분 후에 피로해지기 때문에 중요합니다. 하지만 자동화하기도 어렵습니다.

Kuzmin은 "버는 눈송이와 같습니다. 둘 다 똑같지 않습니다."라고 말했습니다. “우리가 Aurora라고 부르는 우리 시스템은 AI를 사용하여 버가 어떻게 생겼는지 스스로 학습합니다. 버가 많을수록 더 잘 감지할 수 있습니다. 시스템은 버를 식별하고 분류하고 버로 인해 거부된 부품을 정렬합니다. 또한 검사와 버의 위치를 ​​기록하여 작업자가 부품을 효율적으로 수정하고 계속 이동할 수 있도록 합니다."

All Axis는 2018년에 Aurora를 도입했으며 Kuzmin에 따르면 가장 큰 반응은 "우리는 몇 년 동안 이런 것을 찾고 있었습니다!"였다고 합니다. 시스템의 향후 릴리스에는 나선형 인서트(일반적으로 헬리 코일이라고 함)와 하드웨어를 부품에 삽입하는 기능도 포함될 것입니다.

산업용 로봇의 반격!

논의된 바와 같이 UR 협동로봇은 설치가 쉽고 다양한 기계 및 액세서리와 통합됩니다. 그러나 FANUC 및 KUKA Robotics와 같은 산업용 로봇 공급업체는 직관적인 휴대용 티치 펜던트와 같은 기능에 주목하고 자체 버전을 출시했습니다.

Method의 Lucier는 “한때는 협동로봇이 프로그래밍하기 더 쉬운 경우가 절대적으로 많았습니다. 그러나 산업용 로봇을 설정하는 것은 더 이상 협동 로봇을 설정하는 것과 다르지 않습니다.” "잡아 끌어다 놓기" 설정 기능도 기존 로봇에서 사용할 수 있지만 Lucier는 이 기능이 단순히 테이블이나 블록에 대해 부품을 설정하려는 경우에 가장 적합하다고 말했습니다.

"기계가 부품의 대략적인 위치를 알아야 가장자리를 찾은 다음 계속해서 측정을 수행할 수 있기 때문에 로봇에게 CMM을 로드하도록 가르치는 것과 같은 작업에 적합합니다."라고 그는 말했습니다. "하지만 척이나 바이스에 로드하는 경우 프로그래밍 펜던트로 가르칠 때 더 많은 제어가 가능합니다."

산업용 로봇을 위한 다양한 액세서리도 있습니다. 예를 들어, Lucier는 퀵 체인지 및 포스 컨트롤 그리퍼가 협동로봇에만 있는 것은 아니라고 말했습니다. “Schunk는 서보 모터를 사용하는 힘 감지 그리퍼 라인을 보유하고 있어 전환하기 어려운 공압에서 벗어나 있습니다. 정말 전기를 켤 수 있습니다.”

산업용 로봇은 또한 로봇을 기계에서 기계로 신속하게 재배치할 수 있는 솔루션을 제공합니다. FANUC의 경우 로봇의 카메라가 "새" 기계의 데칼 3개를 스캔하여 자동으로 방향을 조정합니다.

그러나 몇 달 간의 시도 끝에 Lucier는 그러한 기능이 유용한 상황을 찾을 수 없다고 말했습니다. “로봇을 기계에서 기계로 옮기는 것은 단순히 로봇을 움직이는 것 이상의 의미가 있습니다. 변경해야 할 모든 사항을 생각해 보십시오. 팔 끝 툴링, 인피드, 아웃피드..." 더 나은 솔루션은 각 기계에 자체 로봇이 있거나 로봇이 여러 기계에 서비스를 제공하는 것입니다. 이중 엔드 이펙터가 있어 개입 없이 부품 유형 간에 전환할 수 있습니다.

또한 Acieta 및 Methods와 같은 통합업체가 기존 로봇을 기존 기계에 추가할 수 있으며 로봇 가격은 협동로봇과 거의 동일합니다. 따라서 현재 제공되는 제품을 고려할 때 협동로봇의 가장 큰 장점은 울타리를 설치하는 공간과 비용 없이 인간 가까이에서 작동할 수 있다는 것입니다.

단점은 기존 산업용 로봇보다 느리고 더 가벼운 부품으로 제한된다는 것입니다. UR의 가장 큰 모델은 최대 10kg(24lb)의 부품을 처리합니다. 더 느린 로드/언로드 시간은 주기 시간이 긴 부품에서는 중요하지 않지만 주기 시간이 짧은 중대량 작업에서는 출력을 감소시킬 수 있습니다.

Axis Machining의 Kuzmin은 속도가 필요하지 않다고 생각합니다. “특히 주기 시간이 긴 부품의 경우 일관성과 신뢰성만 있으면 됩니다. 협동로봇이 부품을 안정적인 속도로 로드한 다음 기계가 작동하는 동안 다른 부품의 버를 제거하는 데 사용하는 것이 좋습니다. 그리고 속도가 필요하지 않다면 위험을 감수해야 합니까?”

Lucier와 Alexander는 로봇 바로 옆에서 일할 수 있다는 이점을 과장하지 않도록 주의합니다. 우선, Lucier는 사용자가 이미 가공 영역에서 작업자를 보호해야 한다고 지적했습니다. Alexander는 협동로봇이 날카로운 모서리가 있는 부품을 처리하는 경우(일반적으로 기계 가공의 경우와 같이) "어쨌든 작업자가 근접하여 작업하는 것은 협업이 불가능하거나 안전하지 않습니다."라고 덧붙였습니다.

Lucier와 Alexander는 "협업 기술"을 산업용 로봇과 결합하는 것이 유용한 절충안을 제공했다고 말했습니다. Alexander는 "최소한의 울타리가 있는 개방형 바닥을 원하는 제조업체의 경우 산업용 로봇은 영역 안전 스캐너를 사용하여 울타리가 없는 환경에서 작업할 수 있습니다."라고 설명했습니다. “그리고 그들은 속도 저하 없이 울타리가 없는 환경에서 일할 수 있습니다. 작업자가 첫 번째 안전 영역에 들어가면 로봇이 속도를 줄입니다. 작업자가 두 번째 안전 영역에 진입하면 로봇이 완전히 멈춥니다.”

반면에 Lucier는 이 접근 방식의 안전 영역이 3-4'이기 때문에 지게차나 다른 차량이 자주 지나갈 경우 로봇이 속도를 줄이는 경우가 많다고 말했습니다.

앞서 제안한 바와 같이 협동로봇에 가장 적합한 영역 중 하나는 CMM을 관리하는 것입니다. "CMM은 처음부터 본질적으로 안전합니다."라고 Lucier는 말했습니다. “움직이는 부품을 제외하고는 보호 장치가 없습니다. 그들은 빠르지 않습니다. 바로 옆에 서 있을 수 있습니다. 그리고 일반적으로 부품을 고정 장치에 넣지 않고 V-블록이나 이와 유사한 것에 대고 잡고 있을 수 있습니다. 협동로봇이 빛나는 것을 본 곳입니다.”

Alexander가 요약한 것처럼 두 전문가 모두 "대부분의 작업장 및 제조 애플리케이션에서 산업용 로봇이 협동로봇보다 훨씬 더 적합하다"는 데 동의합니다.

소프트웨어 고려 사항

캘리포니아주 La Mesa의 Shop Floor Automation 사장인 Greg Mercurio에 따르면 "소프트웨어는 작업장 자동화에서 가장 필수적인 구성요소입니다." 그는 직접 수치 제어(DNC) 소프트웨어(분산 수치 제어 소프트웨어 또는 "드립 피드" 소프트웨어라고도 함)는 "능률적인 기계 통신과 품질/스크랩 관리를 위한 개정 제어, 수천 개의 프로그램을 구성하는 수단을 허용합니다. .”

DNC 소프트웨어의 주요 기능은 기계에 직접 가공 프로그램을 전송하여 상대적으로 낮은 등급의 제어를 가진 기계가 복잡한 표면을 처리할 수 있도록 하는 것입니다.

Mercurio와 모든 전문가들은 어느 정도의 기계 모니터링이 "가동 시간과 기계 용량을 늘리는" 데 도움이 된다는 데 동의합니다. 머큐리오는 생산 데이터 관리 소프트웨어를 통해 기업이 종이를 사용하지 않아도 되며 “도구 침대 관리도 필수입니다. 가장 좋은 점은 이러한 솔루션이 모두 CAD/CAM, ERP, MES, CMMS 등과 통합될 수 있다는 것입니다.”

반면에 그는 소규모 상점이 소프트웨어에 수천 달러를 지출하기 전에 간단한 하드웨어 추가로 큰 이점을 얻을 수 있다고 지적했습니다. 예를 들어, 구형 장비에 USB 인터페이스에 RS232를 추가하면 드립 피딩 프로그램이 더 쉬워집니다.

“하드웨어는 사용, 설정 및 유지 관리가 쉽기 때문에 소규모 매장에서 시간이 가장 적게 소요되는 자동화
옵션입니다. 구형 RS232 기계는 공장에서 내장된 기능이 있는 최신 CNC 기계처럼 USB 드라이브를 사용할 수 있습니다. 또한 장비를 완전히 교체하지 않고도 작업 현장을 현대화할 수 있는 보다 저렴한 방법입니다. 또한 저렴한 메모리 업그레이드가 가능합니다.”라고 Mercurio가 덧붙였습니다.

Alexander는 로봇으로 돌아가서 로봇이 계속 작동하는 동안 PC에서 오프라인으로 로봇 프로그래밍을 가능하게 하는 로봇 OEM 및 타사에서 제공하는 수많은 소프트웨어 패키지가 있다고 말했습니다. "이 소프트웨어 패키지를 사용하면 CAD 파일을 로드한 다음 스타일러스나 마우스를 사용하여 로봇 경로를 자유롭게 '그릴' 수 있습니다."라고 Alexander가 설명했습니다. "그런 다음 소프트웨어는 그려진 경로를 로봇에 직접 로드할 수 있는 로봇 코드로 변환합니다."

작업장 주인 Kuzmin이 마지막 말을 하는 것은 적절합니다. “저는 생산성을 높이고 싶었습니다. 로봇을 추가해서 만들었습니다. 그리고 우리가 성취한 것에 매우 만족합니다. 이 일을 하는 동안 저는 이 기능을 모든 사람들이 사용할 수 있도록 해야 한다고 말했습니다. 그래야 우리나라 제조업의 경쟁력이 훨씬 더 높아지기 때문입니다."