산업용 로봇 픽앤플레이스 4가지 기법 비교 연구: 조립 공정 최적화

2024년 5월 20일

조립을 위한 산업용 로봇 픽앤플레이스 4가지 기법 비교 분석

• 작성자: Brian McMorris
• 주제: 3D 빈 피킹
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2024년 5월 심플 솔루션 뉴스레터

오늘날 산업 현장에서 자동화는 인력 수요와 비용을 절감하고, 거의 모든 시장 분야와 애플리케이션에서 제조 생산성과 효율성을 높이는 데 중추적인 역할을 합니다. 엔지니어의 무기고에 있는 수많은 자동화 기법 중 산업용 로봇 픽앤플레이스 작업은 제조 및 물류 공정에서 자동화할 수 있는 핵심 기술로, 인력 수요를 줄여줍니다. 이 작업은 물체나 부품을 한 위치에서 다른 위치로 이동시키는 것으로, 정밀도와 속도가 요구되는 경우가 많습니다. 이번 비교에서는 네 가지 주요 픽앤플레이스 기법인 플렉시블 피더, 4D 빈 피킹, 진동 피더 볼, 컨베이어 라인 트래킹을 심층적으로 다룹니다.

1. 플렉시블 피더

플렉시블 피더는 공압, 진동, 로봇 시스템 등 다양한 메커니즘을 활용해 부품을 머신 비전 시스템에 제시하여 로봇 픽앤플레이스 작업을 수행합니다. 이 피더는 다양한 모양과 크기의 부품에 적응할 수 있어 다양한 제품 라인을 갖춘 제조 환경에서 다재다능합니다. 플렉시블 피더의 주요 장점 중 하나는 복잡한 형상의 불규칙한 모양의 물체와 부품을 다룰 수 있다는 점입니다. 하지만 부품 크기가 피드 플레이트 폭의 1/3을 넘을 수 없으며, 이는 머신 비전에 의한 싱귤레이션과 위치 결정을 위한 공간 확보 때문입니다. 일반적으로 부품의 최장 치수는 1mm~100mm, 무게는 개당 1kg(2.2lbs) 미만이어야 합니다.

크기 제한 외에도 플렉시블 피더는 다른 잠재적 한계가 있습니다. 정밀한 방향이 필요한 복잡한 부품을 다룰 때 다른 부품 피킹 기법에 비해 느릴 수 있습니다. 또한 플렉시블 피더의 초기 설정과 캘리브레이션은 시간이 많이 걸리며 로봇 및 비전 전문 지식을 갖춘 숙련된 인력이 필요할 수 있습니다. 부품은 단단해야 하며 부드럽거나 고무 같은 재질은 머신 진동이나 진동에 반응하지 않아 싱귤레이션이 불가능합니다.

성공적인 플렉시블 피더 적용의 열쇠 중 하나는 머신 비전 시스템의 적절한 선택, 캘리브레이션, 통합입니다. 이 시스템은 픽업할 부품을 식별, 검증, 위치 결정하여 부품 좌표와 회전 정보를 로봇 컨트롤러로 전송합니다. 이와 함께 적절한 조명 선택(탑라이트 또는 백라이트), 피드 플레이트 설계 선정, 벌크 피딩 옵션을 통한 무인 운전 시간 연장 등이 중요합니다. 이후 로봇이 부품 위치로 이동해 적절한 그리퍼로 픽업하도록 프로그래밍합니다. 픽업된 부품은 추가 가공이나 조립을 위해 커스텀 고정구 또는 네스트에 배치됩니다. 전체 작업으로 분당 10~30개 부품의 피킹, 방향 조정, 배치가 가능합니다.

2. 4D 빈 피킹

4D 빈 피킹은 인공지능(AI)과 통합 로봇을 포함한 고급 비전 시스템을 사용하여 빈이나 컨테이너에서 물체를 3차원(폭 X, 길이 Y, 높이 Z)뿐만 아니라 조도 강도까지 식별하고 픽업합니다. 이 기법은 깊은 빈에서도 벌크 자재와 무작위 및 중첩된 부품 방향을 처리하는 데 매우 효율적입니다. 비전 센서와 정교한 알고리즘을 활용해 조명이 매우 가변적인 복잡한 환경에서도 물체를 정확하게 위치시키고 파악할 수 있습니다.

4D 빈 피킹의 주요 과제는 실시간으로 대량의 시각 데이터를 처리하는 데 따른 연산 복잡성입니다. 여기에 AI(부품 방향과 조명 가능성의 대량 학습)와 애플리케이션 서버의 고급 수학 처리 칩이 중요한 역할을 합니다. 다양한 조명 조건에서 신뢰할 수 있는 물체 인식과 실시간 그랩 플래닝 알고리즘 생성에는 상당한 컴퓨팅 리소스와 전문 지식이 필요합니다. 4D 빈 피킹 시스템에서 비용은 카메라가 아닌 고성능 GPU 연산에 있습니다.

4D 빈 피킹은 중간 정도의 공급 속도에 적합한 기법입니다. 이 방식은 플렉스 피더로 효과가 적거나 불가능한 불규칙하거나 큰 부품 문제를 해결할 수 있습니다. 긴 부품이 클래식한 '집게 줍기' 방식으로 서로 겹쳐 있어도 비전이 최적의 픽업 후보를 식별하고 로봇을 적절한 자세로 유도해 분당 10~30개의 빠른 속도로 부품을 픽업하고 배치합니다.

3. 진동 피더 볼

진동 피더 볼은 부품이 따라갈 트랙이 있는 정밀 제작된 볼에 진동을 이용해 부품을 방향 정렬하고 로봇에 공급해 픽앤플레이스 작업을 수행합니다. 이 볼은 진동력으로 쉽게 조작할 수 있는 중소형 부품에 특히 효과적입니다. 진동 피더 볼은 고속 작동과 피딩 과정에서 부품 방향을 유지하는 신뢰성으로 유명합니다. 포토센서와 에어 블라스트는 잘못 트래킹되는 부품을 감지해 트랙에서 '날려버리거나' 트랙의 전략적 개구부를 통해 배출합니다.

효율성에도 불구하고 진동 피더 볼은 과도한 진동으로 손상될 수 있는 섬세하거나 민감한 부품을 다룰 때 한계가 있습니다. 또한 다양한 부품 형상에 맞춘 피더 볼의 설계와 커스터마이징은 어려울 수 있으며 전문 엔지니어링과 장인 기술이 필요할 수 있습니다. 최종 제품의 빈번한 체인지오버로 조립에 다른 부품이 필요한 경우, 해당 부품용 고유한 피더 볼을 설계해야 하며 모든 볼을 교체하고 재캘리브레이션해야 합니다. 이는 비용과 시간이 많이 드는 작업으로, 진동 볼은 연간 수십만~수백만 개 부품의 고정 생산 제품에 가장 적합합니다. 진동 볼은 분당 60~200개의 속도로 피킹용 부품을 공급할 수 있으며, 이 속도는 대부분 로봇 암의 능력을 초과하므로 보통 전용 '하드 오토메이션'으로 픽업합니다.

4. 컨베이어 라인 트래킹

컨베이어 라인 트래킹은 이동하는 컨베이어 벨트의 움직임과 로봇의 움직임을 동기화해 생산 라인을 따라 이동하는 물체를 픽업하고 배치하는 기법입니다. 이 기법은 지속적인 작동과 빠른 처리량이 필수적인 대량 생산 환경에서 흔히 사용됩니다. 컨베이어 라인을 트래킹함으로써 로봇(주로 Fanuc, ABB 같은 회사의 '델타' 로봇 설계)은 부품이 사용 가능해지는 시점에 정확하게 위치를 잡아 픽업할 수 있습니다.

컨베이어 라인 트래킹의 주요 장점은 최소한의 다운타임으로 대량의 부품을 처리하는 확장성과 효율성입니다. 이 기법은 제과류, 포장 스낵 식품, 포장 의류 등 식품 포장에 널리 쓰입니다. 델타 로봇으로 분당 최대 120개까지 달성 가능합니다. 그러나 정밀한 부품 방향이 필요하거나 불규칙한 모양의 물체를 다루는 애플리케이션에는 적합하지 않을 수 있습니다. 일반적인 4축 델타는 단일 평면에서만 작동하며 'Z'축 또는 수직 움직임이 거의 없어 평평한 물체를 픽업해 포장 라인으로 이송하는 데 최적화되어 있습니다. 하지만 Fanuc M-1iA처럼 4축 델타에 3축 손목과 그리퍼를 추가한 하이브리드 모델도 있습니다.

요약

각 산업용 로봇 픽앤플레이스 기법은 애플리케이션의 구체적 요구사항에 따라 뚜렷한 장단점을 가집니다. 플렉시블 피더는 다재다능하지만 특정 작업에서 속도와 정밀도가 부족할 수 있습니다. 4D 빈 피킹은 벌크 자재 처리에 이상적이지만 상당한 컴퓨팅 리소스가 필요합니다. 진동 피더 볼은 고속 작동을 제공하지만 섬세한 부품에는 부적합할 수 있습니다. 컨베이어 라인 트래킹은 지속적 작동을 보장하지만 특정 애플리케이션에서는 정밀도가 떨어질 수 있습니다. 결국 제조업체는 자신의 니즈를 신중히 평가해 생산 목표와 제약 조건에 가장 부합하는 픽앤플레이스 기법을 선택해야 합니다.

Futura Automation은 조립 애플리케이션을 위한 각 피킹 및 배치 카테고리에서 부품 또는 완전한 솔루션을 제공합니다. Futura Automation은 Flexfactory 플렉시블 피더의 미국 대표이며, Fanuc과 Brooks Automation의 공식 로봇 딜러로 완전한 시스템을 공급합니다. 비전 컴포넌트로는 당사의 독자적인 Feedware CX 소프트웨어로 통합이 용이한 Cognex, Fanuc IR Vision, Keyence 비전 시스템을 기존 시스템에 통합해 제공합니다.

4D 빈 피킹으로는 빠른 속도와 오류 없는 비전 및 로봇 경로 처리가 가능한 Apera.ai와 협력합니다. 진동 피더 볼이 적합한 기법일 때는 Vibromatic이 좋은 공급원입니다. 라인 트래킹 애플리케이션에서는 다시 Futura Automation이 Apera.AI, Cognex, Keyence로 비전 문제를 해결하고 Fanuc으로 델타 로봇을 공급합니다. 귀사의 가장 까다로운 픽앤플레이스 문제를 Futura Automation에 문의하시면 훌륭한 솔루션을 제공해 드립니다. tech@futura-automation.com