로봇 자동화로 스위스 프로덕션스에서 무인 2차 가공 실현

이 영상은 스위스 프로덕션스(Swiss Productions)와 로봇 도입으로 무인 가공을 실현한 과정을 보여줍니다. (영상 제공: Swiss Productions Inc.)

 

숍의 이상적인 생산 시나리오는 한 대의 장비로 부품을 완전 가공하는 것입니다. 캘리포니아 주 벤투라(Ventura)의 스위스 프로덕션스도 이를 수행할 가공 기술을 보유하고 있습니다. 하지만 일부 작업은 CNC 터닝 센터에서 1차 가공 후 밀링 머신에서 2차 가공이 필요하며, 이에 2차 공정 머신을 전담할 운영자가 필요합니다. 일반적으로 그렇습니다.

그러나 스위스 프로덕션스는 최근 콤팩트한 2차 가공용 CNC 밀 2대에 협동 로봇(코봇) 2대를 추가했습니다. 이 자동화로 머신들이 주간 장시간 무인 운전은 물론 야간 8시간 라이트아웃(lights-out) 가동이 가능해져 주 4일 근무제 기준 주당 64시간의 야간 무인 가공 시간을 확보했습니다.

코봇은 산업용 로봇에 필요한 펜스 없이 인간과 안전하게 협업할 수 있고, 직관적으로 프로그래밍 가능하며, 필요에 따라 다른 장비로 쉽게 재배치할 수 있다는 장점이 있습니다.

하지만 스위스 프로덕션스가 도입한 로봇은 이 모든 이점에 하나를 더했습니다. 기존 6축 로봇 대비 7번째 축이 있어 공작물 문 등 장애물을 피해 도달하거나 협소한 공간에서 작업하는 등 인간 팔 움직임에 가까운 추가 유연성을 제공합니다. 실제로 이 숍의 두 로봇은 머신 문을 닫고 사이클 스타트 버튼을 직접 눌러, 이전에는 단순히 머신 로드/언로드만 하던 인력이 더 가치 있는 업무를 수행할 수 있게 했습니다.

OB7의 안전 센서 덕분에 사람이 가까이 없을 때는 고속으로 작업하다가 사람이 접근하면 인체 안전 속도로 감속 또는 정지합니다. (사진 제공: Swiss Productions Inc.)

팔이 있는 자동화

1982년 12대의 스크류 머신으로 시작한 스위스 프로덕션스는 현재 50대 이상의 스크류 머신, 30대의 2차 가공 머신, 10대의 비디오 검사 스테이션을 갖춘 인상적인 성장을 이뤘습니다. 이 정밀 머신 숍은 직경 0.019인치(약 0.48mm)부터 2.5인치(약 63.5mm)까지 가공 가능하며, 의료, 전자, 항공우주, 자동차, 관개 산업 및 정부 기관용으로 월 200만 개 이상 부품을 생산하는 대량 생산 업체입니다.

50대 이상 스크류 머신, 30대 2차 가공 머신, 10대 비디오 검사 스테이션을 갖춘 정밀 머신 숍으로 직경 0.019인치~2.5인치 부품을 가공합니다.

스위스 프로덕션스는 2차 가공 밀링 머신을 수동으로 텐딩하는 것이 병목이 되어 고객 수요를 따라잡기 어렵다는 것을 알게 되었습니다. 2018년 부사장/총괄 매니저 티모 런스포드(Timo Lunceford)와 그의 삼촌이자 수석 부사장인 리처드 페트라시(Richard Petrash)는 회사의 두 대 하스(Haas) VF2 미니 밀 자동화를 위해 다양한 머신 텐딩 로봇 모델을 조사했습니다.

"프로덕티브 로보틱스(Productive Robotics)가 지역 업체이고 사용자 친화적인 로봇에 빠른 셋업을 제공해 선택했습니다." 런스포드 씨가 말합니다. "4개 로봇을 테스트했는데 계속 OB7로 돌아오게 되었습니다."

런스포드 씨의 이 로봇에 대한 평가는 설계와 사용 편의성에 뿌리를 둡니다. 초기 셋업 시 로봇이 머신까지 쉽게 굴러가 내장 캐스터와 레벨링 풋으로 고정됩니다. 코드 프로그래밍 대신 운영자가 로봇의 필요 동작을 '가르칩니다(teaching)', 이는 부품 복잡도에 따라 15~40분 소요됩니다. 운영자가 로봇 핸들(암 끝)을 잡으면 로봇이 부유 상태가 되어 쉽게 움직일 수 있습니다. 부품을 플레이트에서 집게 하려면 로봇을 부품 쪽으로 당겨 핸들 버튼을 눌러 그리퍼를 닫습니다. 이렇게 로봇이 '이 부품을 집으려는 의도'를 학습합니다. 다음으로 운영자가 로봇을 원하는 위치로 이동시킵니다. 위치가 맞으면 다른 버튼을 눌러 그리퍼를 열어 부품을 놓습니다.

기존 6축 로봇 대비 OB7의 7번째 축은 장애물을 피해 도달하고 협소한 작업장에서 작동하는 추가 유연성을 제공합니다. 보가트(Bogart) 씨에 따르면 7번째 축이 로봇을 인간 팔처럼 움직이게 해 로봇 시장에서 독보적이라고 합니다.

로봇은 스위스 프로덕션스 운영자들에 의해 미니 밀에 도달해 완제품을 잡고 옆으로 이동한 후, 부품을 고정하던 콜렛을 에어 블로우로 청소합니다. 빠른 선회 반경으로 머신 문을 닫고 문이 단단히 닫혔는지 확인한 후 180도 반대편에 있는 사이클 스타트 버튼을 누릅니다.

프로덕티브 로보틱스 사장 잭 보가트(Zac Bogart)는 로봇 프로그래밍을 모르는 운영자를 타겟으로 했다고 말합니다. "OB7 개발을 '사람이 다른 사람에게 일하는 법을 설명할 수 있다면, 로봇에게도 가능한 한 비슷한 방식으로 일을 시킬 수 있지 않을까?'라는 생각으로 접근했습니다."

프로덕티브 로보틱스는 로봇이 인간 뇌처럼 작동하도록 노력합니다. "로봇을 만들 때 7개 관절 각각이 자기 자신에 대해 학습하는 과정을 거칩니다." 보가트 씨가 설명합니다. 기어, 베어링, 모터 등 내부 사양을 학습해 정밀하고 부드럽게 움직일 수 있게 합니다. 관절당 약 15~20분 소요됩니다.

프로덕티브 로보틱스와 스위스 프로덕션스는 협력하며 긴밀한 관계를 맺게 되었습니다. 런스포드 씨는 프로덕티브 로보틱스가 다른 투자 희망 기업들과 인터뷰할 때 자신의 숍을 런칭 패드로 활용하도록 허용합니다. 기업들이 스위스 프로덕션스를 방문해 로봇이 숍 역량에 어떻게 통합되었는지 직접 확인합니다.

"프로덕티브 로보틱스와의 비즈니스/업무 관계와 제때 서비스 제공은 최고 수준입니다." 런스포드 씨가 설명합니다. "우리가 요청, 필요, 제안한 모든 것을 구현해주었습니다."

인간을 중요한 업무로 해방하다

로봇이 투입되면 인간은 작업에서 대부분 배제되지만, 로봇이 갖지 못한 지능이 필요한 업무로 인간이 해방됩니다.

"사람들은 로봇이 인간을 대체한다고 봅니다." 런스포드 씨가 말합니다. "하지만 그렇지 않습니다. 로봇은 일상에서 지루하고 수동적인 작업을 제거해 로봇이 수행하게 하고, 그 사람은 로봇이 할 수 없는 일을 하게 합니다. 로봇은 생각하거나 설계할 수 없습니다. 단지 출입 동작과 버튼 누르기만 할 뿐입니다."

런스포드 씨와 스위스 프로덕션스 팀은 OB7 로봇 도입 후 이를 직접 체험했습니다. 자동화로 인력 채용이나 해고 없이 머신 용량을 늘릴 수 있었습니다. 첫 로봇 구매 시 툴링 부서에 4대 머신만 있었는데 지금은 10대이며 그중 2대가 로봇과 연동됩니다.

스위스 프로덕션스는 하스 VF2 미니 밀 2대에 OB7 2대를 운영 중입니다. 한 미니 밀은 6,000개 오더, 다른 하나는 2,400개 오더를 가공합니다. 숍은 보통 로봇용 그리퍼를 직접 가공합니다. Production Machining은 앱솔루트 머신 툴즈(Absolute Machine Tools) 오픈 하우스에서 OB7을 알게 되었습니다. 이 회사는 로봇을 유통·서비스하며 현재 CNC 머시닝 센터용 공식 OB7 인티그레이터 중 하나입니다.

이 운영자들은 이제 선반을 돌리면서 OB7 스테이션 유지보수와 부품 검사도 병행합니다. 로봇당 한 명씩 배정되어 로봇 테이블에서 완제품을 수시간마다 꺼내 검사하며 로봇은 계속 로딩 작업을 수행합니다. 이 로봇들로 운영자는 한 사람이 세 가지 일을 하게 되어 효율이 크게 높아졌습니다.

로봇이 펜스 없이 작동하지만 인간 근처에서 안전합니다. 따라서 로봇을 멈출 이유가 없습니다. "산업용 로봇은 사람 옆에서 안전하게 작동하는 데 필요한 힘 감지 기능이 없지만, 협동 로봇은 물체나 사람과 부딪히면 멈출 수 있는 힘 감지 기능이 있습니다." 보가트 씨가 말합니다. "OB7은 예상치 못한 충돌을 감지하면 자동으로 정지하므로 안전합니다."

기타 자동화 자산

스위스 프로덕션스는 2차 가공 머신에 라이트아웃 가공을 도입해 리드타임을 크게 단축하며 자동화 투자를 잘 활용했습니다. 로봇이 텐딩하는 미니 밀의 일반 배치 크기는 한 머신에 6,000개, 다른 머신에 2,400개 오더입니다. "사람이 2,400개 오더를 돌리면 8주 걸렸을 겁니다." 런스포드 씨가 설명합니다. "로봇으로 라이트아웃 가동하니 그 시간을 절반으로 줄였습니다."

로봇 프로그래밍이 불필요한 것도 시간 절약입니다. OB7은 심플한 부품 기준 15~20분이면 셋업되니 매 셋업마다 그만큼 시간을 아낍니다. "연 30~40회 셋업하면 엄청난 시간 절약입니다." 그가 말합니다.

단순 플러그앤플레이 시스템과 머신 CNC에 숫자를 입력할 필요 없는 점도 추가 시간 절약 요인입니다.

스위스 프로덕션스에서 가동 중인 두 OB7을 엿보세요. (영상 제공: Swiss Productions Inc.)

 

이전 후 로봇 확대

두 OB7 로봇 도입으로 큰 성공을 거둔 스위스 프로덕션스는 2022년 가을 워싱턴 주 리버티 레이크(Liberty Lake)의 더 큰 시설로 이전 후 로봇을 추가 구매할 계획입니다.

런스포드 씨에 따르면 37명 직원 전원이 이전하는 건 아닙니다. 사실 14명만 이전할 예정입니다. 약 10명 채용 예정이지만, 숍은 혁신적이어야 하고 더 많은 로봇을 통합해야 합니다. 새 위치에서 하스 미니 밀들이 서로 마주 보게 배치될 예정이라 한 로봇으로 두 머신을 동시에 운영하는 로봇을 구매할 계획입니다.

한편 프로덕티브 로보틱스는 사용자가 더 쉽고 빠르게 구현할 수 있도록 로봇을 더 똑똑하게 만드는 기술 발전을 지속할 것입니다. 보가트 씨는 업계 전반이 로봇뿐만 아니라 더 스마트한 기술을 요구하고 있다고 말합니다.

범용 로봇에 용접이나 검사 등 특정 작업을 위한 액세서리를 서드파티가 만드는 트렌드도 암시했습니다.

프로덕티브 로보틱스 | 805-244-9300 | productiverobotics.com

스위스 프로덕션스 | 805-654-8525 | swissproductions.com

OB7의 7번째 축과 디지털 프린터

대부분의 작업에 최적화된 로봇 설계를 목표로 프로덕티브 로보틱스는 7번째 축(7번째 관절)을 가진 OB7을 만들었습니다. 이 7번째 축이 인간 팔처럼 장애물을 피해 도달하게 하는 특징입니다. 7번째 축 없이는 불가능한 움직임이라고 잭 보가트 사장은 말합니다.

"7번째 축은 팔씨름할 때 쓰는 동작, 위팔의 움직임입니다." 보가트 씨가 설명합니다. "이 움직임이 머신 숍에 로봇을 작업 구역 한가운데가 아닌 다른 곳에 배치할 수 있는 유연성을 줘 훨씬 사용자 친화적입니다."

프로덕티브 로보틱스의 OB7은 비교적 신제품이지만, 기술은 1980년대 보가트 씨가 영화 특수 효과 사업에서 로봇을 개발하던 때부터 진화했습니다. 당시 카메라 운영자가 직접 프로그래밍 가능한 로봇 제어 카메라 시스템을 설계했고, 이는 '프로그래밍 불필요' 시스템을 만들게 했습니다.

"당시에는 조이스틱으로 모델 비행기처럼 날렸죠." 그가 설명합니다. "컴퓨터가 이 모든 움직임을 학습해 필름에 재현했습니다."

약 8년 전 로봇에만 집중하는 새 회사를 시작해 프로덕티브 로보틱스가 탄생했고, 2017년 현재 OB7이 나왔습니다. 이번에는 컴퓨터가 더 정교해져 로봇 제작이 덜 까다롭고 더 보람차게 되었습니다.

보가트 씨의 로봇 기술 이해도는 그가 소유한 다른 회사인 고급 디지털 프린팅 시스템 제조사에서 배운 유사 기술에서 옵니다. 그에 따르면 디지털 프린터와 로봇은 달라 보이지만 둘 다 컴퓨터로 많은 요소를 제어한다는 공통점이 있습니다.

"기술은 쭉 진화해왔고, 그게 공통 분모입니다." 그가 설명합니다.