엔지니어링 학생, RoboDK로 먼지 없는 로봇 조각(인그레이빙) 구현

정말 먼지 없는 로봇 조각(인그레이빙)이 가능할까요? 독일 대학생이 RoboDK와 맞춤형 엔드 이펙터로 협동 로봇을 사용해 목재 가공 시 작업장에 우드칩이 날리지 않게 했습니다. 어떻게 했는지 소개합니다.

조각(인그레이빙)은 제조업에서 점점 인기 있는 작업입니다. 맞춤화가 많은 제품의 표준이 되면서, 조각은 제조사가 제품에 맞춤 로고와 디자인을 쉽게 추가해 가치를 높일 수 있게 해줍니다. 로봇 조각은 적은 추가 작업으로 제품 가치를 높이는 쉬운 방법입니다.

독일 함-립슈타트 응용과학대학교(Hamm-Lippstadt) 공학 학사 과정 학생 얀 고세돕(Jan Gosedopp)이 몇 년 전 개발한 프로젝트입니다. 협동 로봇과 RoboDK로 목재 조각(로봇 밀링)을 하는 시스템을 설계했는데, 특히 먼지와 우드칩 발생을 막는 특수 엔드 이펙터를 개발한 점이 흥미롭습니다.

얀 고세돕(Jan Gosedopp) 소개

이 프로젝트는 몇 년 전 얀 고세돕이 독일 함-립슈타트 응용과학대학교 공학 학사 과정의 일환으로 개발했습니다.

지금 이 프로젝트를 다루는 이유는 로봇 조각이 가까운 미래에 매우 인기를 끌 것으로 보이기 때문입니다. 예를 들어 유니버설 로봇(Universal Robots) 관계자가 최근 협동 로봇 애플리케이션 목록에 목재 조각을 추가할 계획이라고 언급했습니다.

고세돕의 프로젝트는 유니버설 로봇(UR10)을 프로그래밍하고 먼지를 제거하는 맞춤형 조각 엔드 이펙터를 개발하는 것이었습니다.

목재 조각의 전통적 방식

많은 가공 작업과 마찬가지로, 자율적 조각을 달성하는 전통적 방식은 전용 CNC 기계를 쓰는 것입니다.

이 기계들은 쉽게 구할 수 있고 시장에 많은 경쟁 옵션이 있습니다. 하지만 일반적으로 융통성이 없습니다. 각 모델은 보통 한 가지 특정 유형의 조각만 적합합니다. 다른 조각 공정으로 전환하려면 완전히 다른 기계를 사야 할 수도 있습니다.

CNC 조각기 프로그래밍

전통적 조각 방식의 과제 중 하나는 프로그래밍입니다. CNC 전문가 제임스 해밀턴(James Hamilton)은 "CNC 기계는 그 소프트웨어만큼만 좋다. 그리고 모든 소프트웨어가 동등하게 만들어지지 않는다."라고 말합니다. 소프트웨어가 기계 능력을 크게 제한할 수 있다고 설명합니다.

일부 CNC 소프트웨어는 2.5D 밀링만 가능합니다. 조각에서는 보통 소재 표면에 2차원 형상을 밀링하므로 이 정도면 충분합니다. 하지만 나중에 3차원 형상으로 발전하려 하면 제약이 됩니다.

고세돕은 회전 라우터나 밀링 툴로 목재에 얇은 홈을 파는 2.5D 회전 조각을 사용했습니다.

로봇 조각(인그레이빙)이란?

얀 고세돕이 택한 접근은 CNC 기계를 전혀 쓰지 않는 것이었습니다. 대신 로봇, 구체적으로 유니버설 로봇의 UR10을 선택했습니다.

CNC 기계와 비교해 로봇은 매우 유연합니다. 사실 단일 로봇으로 거의 모든 유형의 조각 공정... 그 외 작업도 가능합니다. 적절한 로봇 프로그래밍 소프트웨어만 있으면 로봇에 다른 툴을 장착하는 건 매우 쉽습니다.

로봇 조각 프로그래밍

프로그래밍으로 고세돕은 RoboDK를 선택했습니다. 이 선택은 전통적 CNC 기계에서 발생할 수 있는 많은 잠재적 프로그래밍 문제를 피하게 해주었습니다.

RoboDK의 전용 로봇 밀링 위자드 덕분에 그가 필요로 했던 2.5D 조각을 쉽게 달성할 수 있었고, 향후 필요하면 똑같은 설정으로 3D 밀링도 할 수 있습니다.

조각 경로 생성을 위해 SolidWorks와 무료 HSMXpress 애드온을 사용해 CAM 경로를 만들었습니다. 당시에는 올해 출시된 RoboDK의 SolidWorks 툴바가 없었기 때문에, 밀링 경로를 G-code 파일로 RoboDK에 임포트했습니다.

먼지 없는 조각을 위한 맞춤형 툴

얀 고세돕 프로젝트의 핵심 개발 중 하나는 로봇 조각용 맞춤형 엔드 이펙터였습니다.

이 툴의 흥미로운 특징은 작업 중 공작물에서 먼지와 우드칩을 제거하는 요소를 포함해 깨끗한 작업 환경을 가능하게 한다는 점입니다.

로봇 조각 툴의 중요 요소

학사 논문의 일환으로 그는 2가지 다른 엔드 이펙터 설계를 평가하고 작업 적합성을 기준으로 최선을 선택했습니다.

다음 카테고리로 두 설계를 평가했습니다.

1. UR3/UR10 호환성
2. 밀링 스핀들 클램핑 능력
3. 흡입(추출) 호환성
4. 정확한 센터링과 정렬
5. 로봇 플랜지와 밀링 스핀들 플러시(Flush)
6. 고정용 측면 나사산
7. 작은 툴 풋프린트
8. 낮은 제작 비용

두 설계는 꽤 유사했고 대부분의 카테고리에서 정확히 같은 평가를 받았습니다. 두 설계의 차이는 밀링 스핀들 부착 방식과 로봇 플랜지 위 툴 위치뿐이었습니다.

결국 그의 설계 선택을 결정한 두 요소는 낮은 제작 비용과 추가 고정을 위한 측면 나사산 추가였습니다.

안전성(Security)

이런 유형의 툴에 핵심 우려 사항은 안전성입니다. 사용된 로봇이 협동 로봇이라 자체 안전 기능이 있었습니다. 하지만 맞춤형 툴은 추가 안전 이슈를 야기할 수 있습니다.

고세돕은 두 가지 안전 측면에 집중했습니다.

1. 비산 물체 위험 — 우드칩과 먼지가 조각 작업에서 쉽게 튀어 사람에게 해를 줄 수 있습니다. 이를 막기 위해 툴 주위에 브러시를 둘러 날아가는 우드칩을 잡고, 진공 장치로 먼지를 흡입했습니다.
2. 밀링 스핀들 작업 공간에 사람 진입 위험 — 협동 로봇 자체는 일반적으로 안전하지만, 그 툴이 안전하다는 뜻은 아닙니다. 회전하는 조각 툴은 사람 손이 들어가면 다칠 수 있습니다. 툴 주변 브러시가 어느 정도 막아주지만, 고세돕은 추가 안전장치가 필요하다고 느껴 안전 유리판과 레이저 스캐너를 추가했습니다.

최종 설계

두 설계를 평가한 후 고세돕은 로봇 조각 엔드 이펙터의 최종 설계를 완성했습니다. 포함된 구성요소:

• 밀링 헤드 — 공작물 가공하는 툴의 '비즈니스 엔드'
• 로봇 암 — UR10 협동 로봇
• PC — RoboDK에서 프로그램을 생성해 로봇 프로그램으로 내보냄
• 컨트롤러 박스 — 신호 처리와 RoboDK가 생성한 로봇 프로그램 실행
• 진공 장치 — 먼지와 칩 추출 수행
• 안전 시스템 — 레이저 스캐너로 작업 공간 진입 감지 시 로봇 정지

최종적으로 고세돕은 다음 영상에서 보이는 목재 조각 애플리케이션을 달성했습니다.

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