수직 공작기계 자동화: 모든 숍을 위한 이상적인 순간

많은 숍이 작업 자동화를 원한다고 말하지만, 실제로 몇 개나 자동화했을까요?

2017년 8월호 Manufacturing Engineering의 리니어 팔레트 시스템 기사에서 한 업계 전문가는 방문하는 모든 숍이 자동화를 원한다고 말했습니다. 그런데 오쿠마 아메리카(Okuma America Inc., 샬럿, NC)의 제품 스페셜리스트 에롤 버렐(Errol Burrell)은 최근 전체 공작기계의 10%만 자동화되어 있다고 말했습니다. 그리고 메소드 머신 툴즈(Methods Machine Tools Inc., 서드버리, MA)의 전국 자동화 매니저 존 루시어(John Lucier)에 따르면, 로봇 산업 협회 보고서에 따르면 신규 기계의 3~4%만 로봇을 갖추고 있습니다.

따라서 리니어 팔레트 시스템, 단순 팔레트 체인저, 로봇 중 무엇을 말하든, 미국 가공 작업의 자동화에는 엄청난 미개척 기회가 있음이 분명합니다. 수평 머신이 수직 머신보다 더 자주 자동화되지만, 수직 머시닝 센터가 수평보다 더 널리 보급되어 있으므로 수직 머신 자동화에 가장 큰 미개척 잠재력이 있습니다. 그래서 고시거(Gosiger, 데이턴, OH) 자동화 부문 부사장 겸 총괄 매니저 그렉 페익스(Greg Feix)는 지난 2년 동안 수직 머신 자동화가 5~7배 증가했다고 말했습니다.

좋은 옛날 팔레트 체인저

수직이든 수평이든 가장 단순한 자동화 형태는 로터리 팔레트 체인저입니다. 작업자는 기계가 내부에서 동일한 배열로 작업하는 동안 외부 팔레트에 장착된 지그에 부품을 적재합니다. 첫 번째 부품 세트가 완료되면 팔레트가 회전하고 작업자는 완성된 부품을 하역합니다.

루시어는 이 수준의 투자가 공작기계 가치의 10%를 바이스 및 기타 지그에 유지하는 일반적인 관행에 부합하지만, 수직에서는 일반적으로 한 팔레트에 몇 개의 부품만 가공할 수 있으므로 작업자를 오랫동안 자유롭게 해주지 않는다고 말했습니다. 그래서 많은 사람들이 이러한 시스템에 대해 문의하지만, 실제로 구매하는 사람은 매우 적습니다.

수평의 경우 경제성이 약간 다릅니다. 가장 일반적인 접근 방식은 팔레트에 4~5면 툼스톤을 장착하여 한 번에 4, 8, 16개 이상의 부품을 가공하는 것입니다. 하지만 다양한 부품을 가공해야 한다면 각각 다른 워크홀딩이 필요하므로 여전히 비용이 많이 드는 접근 방식입니다.

두산 머신 툴즈 아메리카(Doosan Machine Tools America, 파인 브룩, NJ)의 영업 디렉터 앤디 맥나마라(Andy McNamara)는 2위치 로터리 팔레트 체인저보다 조금 더 많은 기능을 제공하는 또 다른 옵션이 점점 더 흔해지고 있다고 말했습니다. 인접한 멀티 팔레트 스테이션에서 팔레트를 들어 올려 기계로 이동하는 암이 있는 워크 체인저입니다. 팔레트 스테이션은 보통 4, 6, 8개 이상의 위치를 가진 로터리 드럼을 특징으로 하며, 이로와 로봇 이지(Erowa Robot Easy)가 좋은 예입니다.

"이것은 실제로 로봇은 아니지만, 고급 시스템에는 워크 스케줄링 시스템도 있어 리니어 팔레트 시스템의 역량에 더 가깝습니다." 맥나마라는 말했습니다. 두산은 5축 기계에서 이러한 시스템에 대한 많은 요청을 받았으며, 금형 및 다이 산업에서 3축 및 4축 기계로 전극과 금형을 야간에 가동하고 필요에 따라 부품 간 전환을 위해 관심을 보고 있다고 말했습니다.

"금형 및 다이 분야의 고급 수직 머신에서는 다양한 버전의 자동 워크 체인저와 로터리 팔레트 시스템을 많이 볼 수 있습니다." 그는 말했습니다. "잡 숍에서는 일체형 또는 애드온 팔레트 체인저가 가장 자주 보입니다."

관절 로봇을 통합하는 것이 수직 머신에 가장 달콤한 솔루션으로 보입니다. 루시어는 수직이 이런 방식으로 자동화하기에 훨씬 더 쉬운 플랫폼이라고까지 말했습니다.

"메소드에서는 수평보다 수직이 더 높은 비율로 자동화되는 것을 봅니다. 도어 자동화와 로봇 통합은 두 기계 유형 모두 동일합니다. 차이는 관련 툴링 비용 대비 이점을 고려할 때 나타납니다."

논의한 바와 같이, 수평의 가장 인기 있는 용도는 툼스톤에 부품을 가공하는 것입니다. 로봇을 사용하여 툼스톤이 장착된 팔레트를 기계에 적재하고, 레일 위의 로봇을 사용하여 여러 기계를 적재할 수도 있습니다. 하지만 이 접근 방식에는 상당한 로봇이 필요하며, 여전히 작업자가 각 툼스톤에 부품을 고정해야 합니다.

툼스톤에 부품을 적재하는 것을 자동화하려면 각 바이스는 유압 또는 공압으로 파이핑되어야 하며, 다양한 부품에는 다양한 그런 지그가 필요하므로 이 접근 방식의 높은 비용이 더욱 증폭됩니다. 많은 경우 루시어와 페익스가 주장하는 더 나은 접근 방식은 더 작은 로봇을 사용하여 더 저렴한 수직 기계의 자동 바이스에 개별 부품을 적재하는 것입니다.

"완전한 인피드, 아웃피드, 엔드 이펙터가 장착된 로봇을 포함하여 10만 달러 미만에서 이러한 자동화를 시작할 수 있습니다." 루시어는 말했습니다. "로봇 자체가 10만 달러인 팔레트 시스템과 비교해 보세요. 레일, 선반, 제어 등은 말할 것도 없습니다."

메소드에서 가장 인기 있는 셀에는 기계에 두 개의 바이스(Op 10 및 Op 20)가 있고 로봇이 두 바이스를 모두 서비스합니다. "그 두 바이스를 트러니언 테이블에 장착하여 단일 축으로 위아래로 회전시켜 각 그립에서 부품의 세 면을 가공하는 경우가 더 많습니다." 루시어는 설명했습니다. "로봇이 부품을 뒤집고, 회전시키고, 두 번째 바이스에 넣어 나머지 세 면을 가공합니다. 이렇게 하면 두 번의 작업으로 부품을 완성할 수 있고 로봇이 뒤집기와 재배치를 수행합니다."

'중간 원숭이(Monkey in the Middle)'

로봇의 본질적 유연성은 여러 기계를 서비스할 수 있게 합니다. 예를 들어, 메소드, 두산, 오쿠마 모두 세 대의 기계가 정사각형의 세 면을 형성하고, 네 번째 면이 인피드/아웃피드 스테이션이며, 로봇이 루시어의 표현을 빌리자면 '중간 원숭이' 역할을 하는 시스템을 현장에 배치했습니다. "세 대를 넘어가면 로봇 주위에 모든 것을 배치할 수 없으므로 레일 위의 로봇으로 전환하며, 레일을 연장하여 원하는 수의 기계를 서비스할 수 있습니다."

당연히 어떤 기계도 로봇을 기다리게 하고 싶지 않으므로, 핵심 요소는 부품 사이클 타임입니다. 루시어의 경험 법칙은 부품 사이클 타임이 30~40초면 로봇 1대가 기계 1대를 서비스할 수 있다는 것입니다. 60초면 로봇 1대가 기계 2대, 90초면 기계 3대 등입니다. 같은 규칙이 레일 위의 로봇에도 적용됩니다. 루시어는 6분 사이클 타임의 5축 의료 부품의 일반적인 예를 들며, "레일 위의 로봇이 파나소닉 로보드릴(FANUC Robodrill) 5~6대를 매우 훌륭하게 서비스할 수 있습니다."라고 말했습니다.

빠른 체인지오버, 로봇 통합

수직 머신 툴링의 상대적으로 낮은 비용 외에도, 변경이 쉽습니다. 루시어의 표현을 빌리면, "수직에서 부품 유형 간 전환은 일반적으로 바이스 조만 교체하면 됩니다. 인서트 교체에 이어 두 번째로, 수직 머신 작업자는 바이스 조 교체 방법을 알고 있습니다. 왜냐하면 항상 그렇게 하기 때문입니다."

더 빠르고 아마도 더 비용 효율적인 접근 방식은 슈웅크(Schunk), 3R, 이로와(Erowa)가 제공하는 제로 포인트 클램핑 시스템을 사용하는 것입니다. 이 시스템으로 작업자는 기계 외부에서 새로운 바이스를 설정하고 위치를 재영점(zero)하지 않고도 몇 초 만에 교체할 수 있습니다.

"이 바이스는 팔레트 체인저에서 팔레트를 교체하는 것만큼 빠르게 교체할 수 있습니다. 다만 수동으로 해야 합니다." 루시어는 말했습니다.

수동 워크홀딩 전환을 없앨 수도 있습니다. 고시거의 페익스는 슈웅크와 ATI가 자동 엔드 이펙터 툴링 퀵체인지 유닛을 만든다고 말했습니다. 고시거는 로봇이 부품 지그를 기계에 적재한 다음 엔드 이펙터 툴링을 교체하고, 가공 공정을 위한 부품을 적재하는 맞춤형 자동화를 설치했습니다.

두산의 자동화 프로젝트 매니저 잭 카딘(Jack Cardin)도 동의했습니다. "크기 변경이 그리퍼 핑거 교체에는 너무 크거나, ID에서 OD로 전환하는 경우, 로봇 손목에서 전체 핸드를 교체하는 것이 더 낫습니다." 그는 말했습니다. "우리는 슈웅크에서 온 네 가지를 선택할 수 있습니다."

루시어는 최근 몇 년간 가장 큰 개선을 이룬 것이 이 '주변' 기술이라며, "자동화를 더 유연하게 만들고, 따라서 더 쉽게 선택할 수 있게 만들었습니다."라고 말했습니다.

완전히 새로운 작업을 위해 로봇을 설정하는 데 숙련된 작업자 기준 약 30분이 걸린다고 루시어는 말했습니다. 반복 작업이고 로봇 프로그램을 저장해두었다면 설정은 약 15분만 걸립니다. 따라서 일반적인 작업이 하루 이상 실행되는 것을 고려하면, 체인지오버 시간은 무시할 만한 수준에 접근합니다.

로봇이 각 부품 교체마다 기계 안팎으로 움직이는 시스템의 비절삭 시간이 일반적인 팔레트 체인저 배치(팔레트에 여러 부품)보다 높다는 것은 인정합니다. 하지만 로봇 자동화의 유연성은 사용자가 최소한의 툴링 비용으로 다품종 소량 작업을 자동화할 수 있게 합니다.

어떤 면에서는 자동화를 고려할 때 로봇 자체가 이해하기 가장 쉬운 부분입니다. 루시어는 인피드/아웃피드 시스템 엔지니어링이 자신의 시간의 대부분을 차지한다고 말했습니다. 메소드는 파나소닉과 독점 파트너십을 맺고 있으며, 유명하게 노란 로봇을 사용합니다. 루시어의 표현을 빌리면, "로봇은 노랗습니다. 작업에 적합한 크기를 고르면 그만입니다." 더 어려운 문제는 부품을 로봇에 컨베이어 시스템, 빈, 서랍, 또는 다른 옵션으로 제시해야 하는지 여부입니다.

오쿠마의 접근 방식은 자동화된 지그를 쉽게 통합할 수 있도록 6포트 유압 및 공압 매니폴드가 있는 수직 기계를 제공하는 동시에, 모리스(Morris), 고시거, 하트비히(Hartwig) 같은 파트너에 의존하여 최종 사용자의 자동화 솔루션을 돕는 것입니다. 오쿠마는 또한 미국 노스캐롤라이나 샬럿에 있는 본사에 신속 배치 팀을 두고 있어, 일본에서 들어오는 기계를 자동 도어, 레이저, 프로브로 수정하여 자동화 통합을 가능하게 합니다.

"우리의 모든 기계는 애니버스(Anybus) 시스템과 함께 키팅될 수도 있어, 파나소닉, 이로와 등 다양한 자동화 시스템과 통신할 수 있습니다." 오쿠마의 버렐이 덧붙였습니다. 애니버스 제품은 산업 장치가 무선이든 케이블이든 모든 필드버스나 산업용 이더넷과 통신할 수 있게 합니다. 애니버스 제품은 HMS 인더스트리얼 네트웍스(HMS Industrial Networks Inc., 시카고)에서 만듭니다.

"우리는 이러한 시스템에 특정 벤더를 고집하지 않습니다." 그는 말했습니다. "많은 사람들이 워크홀딩과 로보틱스에서 패권을 다투고 있으며, 우리도 기계에서 패권을 다투는 많은 회사들과 경쟁하고 있습니다."

두산의 접근 방식은 세 가지입니다: 현장 통합업체가 자사 기계에 자동화를 설치하는 데 필요한 모든 로봇 인터페이스를 제공합니다. 또한 뉴저지 본사에서 맞춤형 자동화 솔루션을 엔지니어링합니다. 셋째, 두셀(DooCells)이라는 표준 사전 구축 시스템을 제공하여 "잡 숍이 자동화에 진입할 수 있는 비용 효율적인 방법을 제공합니다." 맥나마라는 말했습니다.

각 두셀에는 로봇 1대와 최대 3대의 머시닝 센터 또는 선반이 모든 조합으로 포함됩니다. 인피드/아웃피드 스테이션은 부품의 높이와 직경에 따라 3~5개의 서랍이 있는 서랍 유닛입니다.

"서랍은 양방향으로 열리므로, 작업자는 한 쪽에서 원자재를 적재하거나 완제품을 하역하는 동안 로봇은 반대쪽에서 부품을 처리합니다." 카딘이 설명했습니다.

맥나마라는 "많은 고객이 서두르고 있으며, 이전에 사용했던 저위험 솔루션을 추구하고 그냥 끝내려 합니다."라고 덧붙였습니다. 두셀 같은 간단하고 표준적인 솔루션이 그 접근 방식에 잘 맞습니다.]

양동이와 따뜻한 물

수직 머시닝 센터와 선반 같은 기계 유형을 혼합할 수 있는 능력 외에도, 개별 부품을 적재하는 관절 로봇을 사용하면 세척과 디버링 같은 다른 작업을 자동화할 수 있는 유연성이 생깁니다.

"2만 달러짜리 세척 시스템은 잊으세요." 메소드의 루시어는 말했습니다. "양동이와 따뜻한 물만 주세요. 로봇이 당신을 위해 놀라운 일을 할 수 있습니다. 부품을 세척하는 저렴한 방법입니다. 다음 단계: 불어내기. 고객들이 로봇을 사용하는 법을 배우는 데 세척 및 건조 사이클을 프로그래밍하는 것보다 더 많은 것을 배우는 것은 없습니다."

루시어는 유휴 시간 제거에 너무 집착하지 말라고 경고했습니다. "기계를 적재하는지 확인합시다. 여분의 시간이 있다면 약간의 디버링이나 세척도 나쁘지 않지만, 그것에 집착할 이유는 없습니다. 로봇이 없으면 해마다 돈을 줘야 하는 작업자가 거기에 서 있을 것입니다. 로봇은 한 번 사면 다시 돈을 줄 필요가 없습니다."

투자 수익률

오쿠마의 버렐은 "자동화 기술에 투자하는 대부분의 사람들이 18~24개월 내 투자 수익률을 기대하며, 노동력 부족으로 인해 자동화 채택을 추진하지만, 로봇이 그 격차를 메울 수 있음을 깨닫습니다."라고 말했습니다.

루시어는 자동화 비용이 공작기계 비용과 대략 비슷할 때 자동화를 정당화하기 쉽다고 말했으며, 대부분의 경우 소형 자동화 셀이 1년 이내에 스스로 비용을 회수한다고 말했습니다.

"기본부터 시작하세요." 루시어는 말했습니다. "점심 30분. 15분 휴식 두 번. 8시간 근무에서 하루 1시간이 작업일을 12% 늘립니다. 공작기계에서 산출량을 10% 이상 늘릴 수 있는 다른 방법이 무엇입니까?"

그 위에, 그는 말했습니다, 작업자가 가능한 시간 동안에도 로봇이 하루 종일 일관되게 부품을 교체하므로 출력이 더 높을 것입니다.

"아침에 남자가 10초 만에 부품을 교체할 수 있다면, 오후 3시에도 여전히 10초 만에 교체할 것 같지는 않습니다. 작업자로는 대략 85% 실제 가동률을 예상할 수 있지만, 로봇은 공구 교체 때만 멈추면 되므로 최대 95%까지 낼 수 있습니다. 교대 후 몇 시간 동안 무인 가공이 가능하다는 가능성을 더하십시오."

인더스트리 4.0과 관련 개념이 얼마나 채택되었는지는 논쟁의 여지가 있습니다. 하지만 무엇이든 자동화 판매에 도움이 되고 있습니다. "사람들이 기계 가동 시간을 추적하는 시스템을 구현하는 것을 좋아합니다. 왜냐하면 그들이 수직 머시닝 센터의 실제 스핀들 가동률이 평균 약 40%에 불과하다는 것을 깨닫고 충격받기 때문입니다." 루시어는 말했습니다. "로봇 녀석 존 루시어가 로봇이 얼마나 절실히 필요한지 말하는 것이 아니라, 당신의 데이터가 말해줍니다."

버렐은 이제 10명 규모의 작은 숍에서도 자동화가 구현되는 것을 보며, 잡 숍조차 곧 '필수품'으로 고려할 것이라고 예측합니다. 그는 이러한 시스템이 비용은 감소하는 동시에 지능은 증가하고 있다고 덧붙이며, 수직 머신 자동화의 엄청난 성장을 기대한다고 말했습니다.

마지막으로, 고시거의 페익스가 전한 계약 잡 숍의 사례 연구입니다. 그 숍은 낮에는 소량 작업을 위해 수직 머시닝 센터를 사용하고 밤에는 대량 작업을 자동화하려 했습니다.

"그들은 30×16인치[762×406mm] 용량의 밀을 고려하고 있었고, 매일 자동화 워크홀딩을 빼내고 바이스로 교체하는 방법을 원했습니다. 우리는 더 큰 밀, 40×20인치[1016×508mm]를 구매하고, 자동화용 워크홀딩을 테이블 오른쪽에, 낮 작업용 바이스를 왼쪽에 배치하여 체인지오버할 필요가 없도록 제안했습니다. 수평에서는 절대 그렇게 하지 않을 것입니다."

하지만 이것이 이제 수직 머신에 쉽게 이용 가능한 유연한 자동화의 종류입니다.