선제적 자동화: 수요 전에 로봇 가공 셀 구축

이 로봇 가공 셀은 자동차 연료 시스템용 튜브를 생산합니다. 테네시 주 Cookeville의 Custom Tool에서 워크홀딩, 파트 디스펜서, 안전 스캐너, 부품 수집기를 포함한 이 셀의 구성을 확인하세요.

언젠가 좋은 용도로 쓰일 거라 알고 장비를 구매했지만, 당시에는 그냥 눈여겨보던 것 외에 살 이유가 없었던 경험이 있으신가요? 그런 질문에 예라고 답할 수 있는 공작기계 업체를 방문할 기회가 있었고, 그 업체는 투자에 전혀 후회하지 않습니다. 사실 한 대량 가공 작업의 처리량이 증가했고, 자동화 팀은 향후 많은 자동화 머신 텐딩 프로젝트에 유리할 새로운 기술을 습득했습니다.

2018년, Custom Tool Inc.(테네시 주 Cookeville) 경영진은 팀원들에게 생소한 기술에 대해 호기심을 가졌습니다. 이 업체는 자동 용접 셀을 보유하는 등 자동화에 낯설지 않았지만, 머신-텐딩 로봇의 자기 통합 경험은 없었습니다. 따라서 향후 자동화가 유리할 수 있는 작업을 위해 로봇 통합에 대해 배우려는 단독 의도로, 팀은 로봇 팔을 구매하고 프로그래밍 방법, 엔드-이펙터 구성 요소 추가, 공작기계와의 인터페이스 방법을 익히는 데 시간을 들였습니다.

팀의 예측은 현명할 뿐만 아니라 시기적절하기도 했습니다. 로봇 투자 직후, 공작기계 업체는 팀이 자동화의 이득을 볼 것이라 믿는 주문을 받았습니다. 경영진의 비전은 이 자동화 프로젝트가 효율성을 넘어 수행하며, 더 많은 일관성, 시간 절약, 처리량 증가, 공작기계 현장에서 인간의 두뇌가 필요한 다른 공작기계에 오퍼레이터를 배치할 수 있는 능력을 제공할 때 결국 검증되었습니다.

운이었을까, 운명이었을까?

이 이야기의 세부 사항이 너무 잘 맞아떨어져서 업체가 '운이 좋다'고 말할 수도 있습니다. 하지만 '자신만의 운을 만든다'는 말이 여기 울려 퍼집니다. Custom Tool 부사장 Bob Young과 그의 형이자 회사 사장인 Gillen Young은 자동화 기회를 주시하고 있습니다. 따라서 내가 곧 할 이 이야기가 운이었다고 말하는 것은 무리입니다. 하지만 팀의 로봇 자기 통합 여정에서 몇 가지 장애물이 기다리고 있었음에도, 별들이 업체를 위해 정렬되었다고 결론지을 수 있습니다.

이 로봇 가공 셀은 FANUC M-10 6축 로봇이 Hardinge Bridgeport V480 VMC를 텐딩하는 구성입니다. 자동화가 인간 상호작용의 대부분 요소를 제거하지만, 일부 오퍼레이터 모니터링은 필요합니다. 이 설정은 Custom Tool 공작기계 현장에서 다른 필수 작업을 위해 오퍼레이터를 자유롭게 합니다.

Custom Tool은 2018년 이전 로봇을 자기 통합한 적은 없지만, 주로 항공우주, 방위, 의료, 자동차 시장을 지원하는 이 회사는 2008년 기존 CNC 터닝 센터에 바 피더를 추가하면서 자동화를 시작했습니다. 그 이후 많은 기계에서 무인 가공을 굳게 믿어왔습니다. 또한 여러 부품의 야간 가공 측정 루틴과 자체 생산 로그 계획 전략을 위한 데이터 수집(사이드바 참조)도 자동화했습니다. 업체 작업의 대부분이 직경 2인치 이하 부품을 포함하지만, 때로는 고객 니즈를 충족하기 위해 영역을 확장하기도 합니다. 예를 들어, 특정 고객 수리 작업을 완료하기 위해 한 번 구매한 로봇 용접 셀도 보유하고 있습니다.

Custom Tool 자동화 팀은 부품 주문 사양이 빠르게 변경될 수 있으므로 유연해야 합니다. 로봇 기계 셀은 원래 5.5mm 홀 한쪽 면 27인치 튜브를 생산했지만, 고객이 34인치 튜브로 주문을 수정했습니다. 또한 이미 제조를 시작한 후 구멍에 버가 없어야 한다고 통보받았습니다.

다음 자동화 프로젝트는 2018년 1단계 자동차 회사의 공급업체로부터 자동차 연료 시스템용 스테인리스강 튜브 드릴링 주문을 받았을 때 나타났습니다. Bob Young과 자동화 팀(회사 제조 관리자가 주도, 2020 Production Machining 신흥 리더 Clay Adcock)은 그해 초 로봇 통합법을 배우기 위해 단독 구매한 로봇을 수직 머시닝 센터에 인터페이스하여 그들이 받은 대량 부품 주문에 완벽한 셀을 만들 수 있다고 결정했습니다. 팀은 미리 구매한 FANUC M-10 로봇과 짝을 이룰 Hardinge Bridgeport V480 APC VMC(팔레트 체인저 포함)를 주문했습니다. 로봇은 이 애플리케이션이 요구하는 일관성을 위해 공작물 로딩/언로딩에 적합할 것이라 판단했습니다.

이 자동화 셀 아이디어가 해결책처럼 보였지만, 셀의 안팎을 배우는 것은 빠르거나 쉬운 과정이 아니었습니다. 학습 곡선은 팀에게 이제 막 시작되었고, 시행착오가 뒤따랐습니다. 하지만 결과는 노력할 가치가 있었고, 경영진은 다른 방식으로 하지 않았을 것입니다.

자기 통합 프로세스와 과제

VMC가 납품되면, Custom Tool 자동화 팀은 FANUC 로봇과의 통합 프로세스를 파악하고 셀을 고객 부품 요구사항을 만족시키는 방식으로 가동하는 데 약 8개월이 걸렸습니다. 하지만 학습 기간 동안 회사는 여전히 직경 3/8인치 스테인리스강 튜브 한쪽에 5.5mm 구멍을 드릴링하는, 27인치와 34인치 길이, 연간 최대 250,000개 볼륨의 주문을 이행해야 했습니다.

시스템은 Custom Tool이 설계하고 제작한 '이쑤시개 디스펜서'로부터 정밀한 부품 프레젠테이션이 필요합니다. 빈에는 컨트롤이 빈 부족을 알 수 있는 센서가 있습니다.

따라서 그 기간 동안 오퍼레이터가 VMC를 수동으로 로드/언로드했는데, 일은 완수했지만 자동화가 나중에 입증한 것만큼 효율적이지는 않았습니다. 자기 통합 프로젝트가 완료되고 자동화 셀이 가동되자, 경영진은 일관성 향상과 20% 처리량 증가를 실현했습니다.

"우리는 많은 숫자 추적을 하는데, 빅 브라더 노릇을 하려는 게 아니라 그 관점에서 배우려는 것입니다."라고 Young은 설명합니다. "오퍼레이터가 이 기계들의 프론트 엔드에서 열심히 일하는 것을 높이 평가하지만, 그건 육체 노동입니다. 그들이 최선을 다해도 자동화 측면에서 얻은 일관성은 볼 수 없었습니다." 그는 자동화가 제공하는 새로 발견된 일관성을 '시계처럼 정확하다'고 묘사합니다.

오퍼레이터 Andy Paul이 로봇 가공 셀에서 나온 스테인리스강 튜브 홀을 디버링합니다. 이 부품은 자동차 연료 시스템에 사용됩니다.

시스템은 Young이 애정을 담아 '이쑤시개 디스펜서'라고 부른 것에서 정밀한 부품 프레젠테이션이 필요합니다. Custom Tool 팀이 설계하고 제작한 이 알루미늄 빈은 로봇이 쉽게 집어갈 수 있도록 튜브를 정렬합니다. 로봇은 VMC 가공 구역 밖 팔레트 위의 픽스처에 튜브를 로드하는 동안, VMC는 다른 팔레트의 픽스처된 튜브를 드릴링합니다.

기계 안 팔레트의 모든 튜브가 드릴링되면, 팔레트 체인저가 회전하여 완성된 부품을 기계 밖으로, 새 공작물을 기계 안으로 가져옵니다. 로봇은 각 완성된 부품을 픽스처에서 꺼내 제거하고 소재 빈에 놓는 동안 기계는 새로운 공작물 드릴링을 시작합니다. 거기서 각 완성된 부품은 검사와 디버링을 거쳐 포장 단계로 이동합니다.

로봇의 작업이 단순하게 들리지만, Young은 팀이 적절한 통합을 위해 몇 가지 큰 장애물을 발견했다고 말합니다: 픽스처링, 로봇에 대한 부품 프레젠테이션, 셀의 PLC 프로그래밍.

이 장애물들은 극복할 수 있었고 극복했지만, 미리 과제를 알면 도움이 될 수 있습니다. 그는 픽스처의 약간의 움직임만으로도 로봇이 부품을 제대로 잡지 못하게 될 수 있다고 말합니다. 또한 로봇을 위한 부품 프레젠테이션이 중요하지만, 로봇이 요구하는 만큼 정밀하게 하기는 쉽지 않다고 설명합니다. 프로세스의 모든 작은 세부 사항을 고려해야 합니다. 예를 들어, 로봇이 소재를 어떻게 가져가고 끝나면 어떻게 처리하는지.

PLC에 대해 Young은 소프트웨어 구매와 작동 방식 이해도 큰 과제라고 설명합니다.

적절한 장비 선택

Young이 엔드-오브-암 툴링을 찾기 시작했을 때, 그와 그의 팀은 Schunk Inc.의 전동 구동 그리핑 시스템을 선택하기로 했습니다.

Custom Tool은 공압식 대신 Schunk Inc.의 전동 구동 그리핑 시스템을 사용합니다. 각 유형에 장단점이 있지만, Bob Young은 전동 버전이 업체에 더 현명한 선택이었다고 믿습니다.

공압식 대비. 각 유형에 장단점이 있지만, 그는 전동 버전이 Custom Tool에 더 현명한 선택이었다고 믿습니다. 전동 구동 시스템이 더 적은 액세서리를 필요로 한다는 사실이 매력적이었는데, 그의 목표는 구성을 가능한 한 단순하게 유지하는 것이었습니다. 예를 들어, 전동 그리핑이 된 FANUC M-10은 몇 개의 케이블만 있어 '깔끔하다'고 설명하는 반면, 공압 시스템은 에어라인이 필요해 구성을 복잡하게 만듭니다.

M-10은 소형 작업 셀을 위해 특별히 설계된 6축 로봇으로 최대 12kg을 들어 올릴 수 있습니다. Young은 포스 센서가 장착된 로봇을 구매했는데, 이는 적극 권장합니다. 포스 센서는 로봇이 엔드-이펙터에 가해지는 힘과 토크를 감지하게 하여 거의 인간 같은 촉각을 제공합니다. Young과 그의 팀에게 놀랍게도, 포스 센서는 설정하고 사용하기가 어렵지 않았습니다.

"포스 센서가 더 어려운 측면 중 하나일 거라고 생각했는데, 꽤 간단했습니다."라고 그는 말합니다. "우리가 작동하지 않을 거라고 생각하는 장벽을 때로는 넘어야 합니다."

로봇 구매와 주문 접수 후, 작업에 적합한 공작기계를 찾을 차례였습니다. Hardinge Bridgeport V480 APC VMC는 스핀들 가동률을 최대화하는 팔레트 체인징 시스템 때문에 Young에게 매력적이었습니다.

"기계 크기가 동력이 아니었습니다. 우리는 손바닥에 들어오는 부품을 주로 만들기 때문입니다."라고 Young은 설명합니다. "기계가 계속 사이클링, 인덱싱, 가공할 수 있는 능력이 동력이었습니다. 매우 예측 가능한 프로세스를 만들고 스케줄링과 계획에 훌륭합니다."

Keyence SZ-V 시리즈 영역 스캐너가 Custom Tool의 로봇 가공 셀 주변 27.56피트 보호 구역을 제공합니다. 나방이 영역을 날아다녀 로봇을 정지시킨 것으로 알려진 인상적인 감도를 제공합니다.

로봇/공작기계 셀이 통합되면, 로봇은 처음에 케이지에 갇혔습니다. 하지만 사용 편의성과 기계 접근성을 위한 더 나은 옵션이 있음을 깨닫고, 약 1년간 케이지 사용 후 자동화 팀은 Keyence SZ-V 시리즈 영역 스캐너에 대안으로 투자하기로 결정했습니다.

Young은 스캐너가 로봇을 끄고, 케이지 도어를 열고 닫는 데 걸리는 시간과 공간을 절약하고 일반적으로 가공 환경을 개선하기 때문에 그들의 최고의 구매 중 하나였다고 설명합니다.

또한 스캐너의 감도가 팀에 인상적입니다. 나방이 스캐너 존으로 날아들어 로봇이 어느 날 정지하는 것을 목격했을 때 Young은 놀랐습니다.

Young 형제는 공작기계에서 데이터 수집의 중요성도 이해합니다. 그래서 이 셀을 구현할 때 MT Connect를 인터페이스로 구현하여 생산 로그 계획 시스템에 정보를 공급했습니다.

자기 통합의 이점

로봇 셀 자기 통합에 드는 시간, 기술, 노동력 때문에, 왜 Custom Tool이 외부 통합업체 고용 대신 '어려운' 길을 선택했는지 의문을 가질 수 있습니다. Young은 내부 통합 전념을 미래 프로젝트에 대한 투자와 가공 인텔리전스 획득 방법으로 묘사합니다. 그는 팀이 향후 공작기계 현장 작업에 더 많은 로봇을 자기 통합할 수 있기를 바랄 뿐만 아니라, DIY 접근법이 기계와 로봇을 매우 익숙하게 만들고, 제어판 안의 것(M코드, 모든 구성 요소의 상호 작동 포함)을 이해하게 만들었다고 말합니다.

Custom Tool의 일부 장비가 무인 가동하지만, Young은 이 로봇 가공 셀을 무인 가동하지 않기로 결정했습니다. 그 이유는 주문이 고객 소재로 실행되기 때문입니다. 따라서 무인 중 실수로 스크랩이 발생하면 고객 소재를 낭비할 위험이 있습니다.

대안으로, 회사가 로봇 통합업체와 협력하기로 선택했다면 여전히 학습 곡선이 있다고 Young은 설명합니다. 통합 고려사항에 경영진이 참여해야 할 뿐만 아니라 장비 학습의 고통과 과제도 있고, 통합이 서명되면 셀을 가동 유지하는 것은 업체의 일이 됩니다. 따라서 그들은 시간을 들여 자기 통합하여 모든 시스템을 속속들이 아는 데 에너지를 쏟는 것이 가치 있다고 판단했습니다. 이 옵션은 외부 통합업체 고용 비용을 절약합니다.

Custom Tool이 계속 성장하고 자본 장비에 투자함에 따라, Young은 로봇 인터페이스가 탑재된 공작기계만 구매하여 기회가 다시 오면 로봇 통합을 더 쉽게 만듭니다.

성장 대비

Custom Tool의 자동화 부문 성장에 대한 완전한 의지로, Young은 최근 로봇 인터페이스가 탑재된 기계 투자로 인해 비즈니스가 더 많은 이런 작업을 수주할 준비가 되었다고 느낍니다. "기계가 준비되어 있으면 로봇만 프로그래밍하고 자재 핸들링만 해결하면 됩니다."라고 Young은 말합니다. "우리는 이미 통합을 할 준비가 되어 있습니다." 그는 자신의 업체에서 다음에 어떤 작업이 올지 결코 모른다고 덧붙입니다.

자동화 마인드셋을 갖는다는 것은 회사가 모든 주문에 대해 자동화를 가능성으로 항상 검토한다는 것을 의미합니다. 사실 Young은 현재 보고 있는 작업 트렌드가 계속된다면, 12개월 후에는 또 다른 통합 프로젝트에 대해 이야기하게 될 것이라고 완전히 예상합니다.

자기 통합 셀이 이제 잘 정착되어, 회사는 오퍼레이터가 작업을 모니터링하는 가벼운 텐딩만으로 하루 14~16시간, 주 5일 가동할 수 있습니다. 팀이 하루 18~20시간 가동 목표에 도달할 수 있을까요? 그건 고객의 자재 가용성에 달려 있습니다.

Custom Tool Inc. | 931-432-6609 | customtoolinc.com

Harding Inc. | 800-843-8801 | hardinge.com

FANUC America | 800-477-6268 | fanucamerica.com

자동 데이터 수집 시스템, 20분마다 정보 수집

회사 사장 Gillen Young이 개발한 Custom Tool의 자동 데이터 수집 및 보고 시스템은 오픈소스 MTConnect 통신 프로토콜 에이전트가 있는 기계와 회사의 JobBoss ERP(전사적 자원 관리) 소프트웨어에서 데이터를 가져오기 위해 웹 기반 IIoT(산업용 사물인터넷) 플랫폼을 사용합니다. 플랫폼은 Telit의 Devicewise for Factory로, IIoT 모듈, 소프트웨어, 연결 서비스와 소프트웨어를 제공하는 회사입니다.

Gillen은 이 시스템의 이점이 다양한 컨트롤러와 인터페이스하고 데이터 수집을 위한 맞춤 프로그래밍이 필요하지 않다는 점이라고 말합니다. 기계에서 이전에 수동으로 수집하던 모든 데이터(부품 수, 기계 코드 등)와 ERP 데이터(작업 번호, 작업 설명, 주문 날짜, 주문 수량, 납기일 등)를 자동으로 20분마다 가져와 클라우드에 저장합니다. 데이터는 웹 대시보드로 접근 가능합니다. 리포트는 이전에 생산 로그 스프레드시트에서 사용 가능했던 것을 더 그래픽하게 보여주기 위해 생성될 수 있습니다.

이 시스템은 2018년 6월 초부터 돌고 있는 기계에 대해 20분마다 데이터를 수집하며 단 한 건도 빠뜨리지 않았습니다. 현재 3대 터닝 센터와 1대 밀이 연결되어 있습니다. 다른 1대 밀은 아직 MTConnect 에이전트 설치가 필요합니다. Gillen은 많은 좋은 기계 모니터링 제품이 있지만, 그의 기술적 배경이 업체가 가장 알고 싶어 하는 비즈니스 정보를 다루는 내부 솔루션을 탐구할 기회를 주었다고 말합니다. 그는 이 데이터 수집 역량이 특정 절삭 공구/인서트 유형에 절삭 시간을 연결하는 등 더 고급 분석으로 이어질 수도 있다고 느낍니다.