잡샵 자동화로 생산성 향상 및 비용 절감

단일 오퍼레이터가 때로 여러 로봇을 텐딩하고, 각 로봇이 여러 기계를 텐딩합니다—모든 게 합산됩니다!

요즘 금속 가공계 거의 모든 이에게서 '자동화'란 끊임없는 드론 소리가 들린다면, 잡샵 오너들만 '안 돼!' 혹은 '잠깐!'이라고 외칠지도 모릅니다. 저량 다품종 부품을 어떻게 비용 효율적으로 자동화하냐고 묻습니다. 그런데 가능할 뿐 아니라 아마 필수적입니다.

자동화 통합업체 Acieta LLC(위스콘신주 워케샤, 아이오와주 카운실 블러프스 소재) 운영 부사장 스티브 알렉산더는 '미국이 제조업 세계 선도하지만 제조 시간당 인건비도 세계 최고 수준입니다. 잡샵들은 지역 타 공장들과 경쟁할 뿐 아니라 다른 나라들과도 경쟁합니다. 자동화로 비용 낮춰 더 잘 경쟁할 수 있습니다'라고 말했습니다.

그는 제조 용량 수요가 가용 노동 공급을 초과한다며 '잡샵들이 더 크고 확립된 기계 공장들과 점점 더 비싸지는 인재 확보 경쟁에서 어려울 수 있습니다'라고 덧붙였습니다. 하지만 로봇 한 대가 여러 기계를 텐딩할 수 있고, 경우에 따라 단일 오퍼레이터가 여러 로봇을 텐딩하며 각 로봇이 여러 기계를 텐딩합니다.

'이게 오퍼레이터들을 2차 작업(디버링, 조립, 품질 검사에 더 많은 시간) 수행하게 해줍니다'라고 알렉산더는 말했습니다. 단 두 예로, 위스콘신주 뉴버그 Central United가 단일 FANUC M-20iB 로봇으로 선반 2대 텐딩. 위스콘신주 뉴베를린 다른 Acieta 고객이 단일 FANUC R-2000iB 로봇으로 4대 기계 텐딩. '두 경우 모두 컨베이어나 큐 스테이션에 원자재 적재해 로봇이 잡게 하는 단일 오퍼레이터만 책임집니다.'

알렉산더는 자동화할 또 다른 강력한 이유로 인체공학을 들었습니다. '직장 부상은 어떤 규모 공장에도 우려입니다. 선반 척에 부품 장착하는 것처럼 단순한 게 하루 수백 번 반복되면 작업자 반복성 스트레스 부상으로 금방 이어집니다. 근로 손실과 클레임으로 이 부상들 기업들에 연간 수십억 달러 비용 발생합니다. 제대로 통합된 로봇이 반복 공정을 작업자에서 떼어내 직원 웰니스 개선합니다.'

옵션과 통합업체

좋습니다. 하지만 Methods Machine Tools Inc.(매사추세츠주 서드버리) 자동화 매니저 존 루시어 설명처럼 '더 많은 부품을 더 효율적으로 만들자'는 단순한 목표가 생산 작업 유형과 볼륨에 따라 매우 다른 접근으로 이어질 수 있습니다.

예컨대 중량급 잡샵이 주 2회 체인지오버 필요하다고 해봅시다. '적절한 계획으로 셀을 유인 교대에서 체인지오버해 다음 교대에서 꽤 괜찮은 무인 생산 가능합니다.' 이 맥락에서 로봇 필요 속도는 생산 부품 가공 사이클 타임에 크게 좌우됩니다. 사이클 타임 짧을수록 로봇 더 빨라야 하고 한 로봇이 여러 기계 지원하기 어렵습니다.

하지만 더 낮은 볼륨—로트 크기 1까지—잡샵들도 자동화 좋은 후보가 될 수 있습니다. 루시어 설명. 단 '가장 중요한 고려사항은 체인지오버 시간 단축, 심지어 셋업 시간 완전 제거입니다. 사람들이 사이클 타임과 적재/하역 시간에 매몰되지만, 볼륨이 너무 낮아 절반 시간이 체인지오버에 쓰이면, 사이클 타임 희생하더라도 체인지오버 시간 공략이 합리적일 수 있습니다.'

'제거' 한 방법은 자동화하는 겁니다. 오늘 로봇들로 자체 엔드오브암 툴링과 기계 내 워크홀딩 모두 변경 프로그래밍 가능합니다. 다른 접근은 생산 부품에 관계없이 캐러셀(또는 다른 스태커)에서 공통 팔레트 적재하는 겁니다. 로봇 툴링 변경이나 부품별 다른 적재/하역 동작 프로그래밍 필요 없앱니다.

Methods PlusK 시스템은 이 개념을 더 나아가 툴홀더도 캐러셀에서 적재합니다. FANUC RoboDrill 시리즈 기계 지원 설계로 PlusK 캐러셀은 5링, 각 12스테이션, 총 60스테이션. 각 스테이션이 부품 팔레트나 툴홀더 보유 가능하고 로봇이 부품 로봇드릴 작업대에, 공구는 기계 내장 21공구 터렛에 적재합니다.

하지만 루시어 지적처럼 30~40가지 완전히 다른 부품 생산 자동화 원하면 21공구론 부족할 수 있습니다. 'Lang Technovation 같은 공급업체들에서 초소형 5축 바이스들로 부품들 흔히 적재합니다'라고 루시어 설명. '캐러셀에서 부품과 공구 보통 믹스매치합니다. 어떤 작업이 이전 작업과 다른 5개 공구 필요하면. 로봇으로 필요할 때마다 각 공구 적재하거나, 작업자가 작업 셋업하듯 한 번에 5개 공구 모두 터렛에 적재할 수 있습니다.'

이런 고려사항들로 머리가 아프기 시작하면 이해됩니다. 최근 몇 년 자동화 구현이 훨씬 쉬워졌지만, 여전히 충분히 어려워 대부분 잡샵은 Acieta, Methods 같은 통합업체 활용이 현명합니다. 루시어 관점에서 로봇 프로그래밍은 쉬운 부분. 자동 워크홀딩 대응, 작업 구역 칩 제거, 부품을 로봇에 어떻게 최적으로 제시할지가 더 큰 도전. 전문가 조언이 진짜 값진 곳입니다.

레거시 기계 자동화

그게 어떻게 일어날 수 있는지 예시입니다. 2017년 중반 Gary Kuzmin, All Axis Machining(텍사스주 댈러스) 오너는 잡샵 좌절 교과서 사례였습니다. 가용 인력이 지원 못 할 잠재 작업 더 많고, OEM이 그런 다재다함으로 경제적 자동화 못 할 고급 독일 5축 머시닝 센터, EDM 등 기술로 가득한 공장. 해법은 Universal Robots(UR)(미시간주 앤아버) 협동 로봇 투자였습니다.

잡샵 오너답게 Kuzmin 최우선 요건은 작업 '완전한 유연성' 유지였습니다. '이틀 사흘 부품 만들고 다른 걸로 넘어갑니다. 한 달에 한 기계서 30~40가지 다른 부품 만들 수 있습니다.' 그래서 셋업과 체인지오버 쉬운 로봇 필요. 원자재에서 완제품 얇은 벽 부품으로 변화 적응할 포스컨트롤 그리퍼 같은 기능도 필요.

UR이 모든 조건 충족. 로봇들 휴대용 팬던트 프로그래밍 인터페이스 가짐. 작업자와 안전하게 나란히 작동—작업자 접촉 시 자동 정지(그래서 협동 로봇, '코봇'). 훈련 쉽고 위압적이지 않음.

Kuzmin 설명대로 UR 솔루션 유연성 핵심 이유는 서드파티가 UR 로봇과 작동하는 소프트웨어, 비전 시스템, 엔드이펙터, 기타 액세서리 개발 허용한 개방형 아키텍처. UR이 원스톱 온라인 쇼룸 UR+ 제공해 통합 노력 촉진.

그럼에도 Kuzmin은 로봇으로 샌딩이나 디버링 수행 프로그래밍 기성 솔루션 없단 사실 발견. 인간에게, 특히 고령 작업자들에게 힘든 두 기능 자동화 원했기에. 그래서 All Axis가 UR 무료 소프트웨어 개발 키트로 CAD 모델 기반 부품 곡률 따라가게 자체 루틴 생성.

이 플러그인들이 코봇 자체 티칭 팬던트 통해 애플리케이션 제어 통합. 'Universal Robots가 우리 같은 공장에 이 솔루션 제공 환상적 일 했습니다'라고 Kuzmin. '독점 환경에 갇히지 않습니다. 대신 커뮤니케이션 확장 쉬운 쿡북 줍니다'라고 하며 All Axis가 TCP/IP, 이더넷, Modbus, Profinet 등 프로토콜로 코봇과 기계 연결한다고 덧붙였습니다.

'또 다른 이점: UR 코봇 구매에 모든 게 포함돼 특수 라이선스 계약 비용 안 듭니다'라고 Kuzmin. 'UR 웹사이트 개발자 가입하고 필요한 요소들 다운로드합니다.'

다른 예로 All Axis가 코봇을 기계 간 최대한 빠르게 이동시키고 싶었습니다. 과제는 다음 기계로 코봇 재정향하고 콘크리트 구멍 뚫지 않고 고정하는 시스템 만들기. 해법: 에폭시로 콘크리트에 리셉터클 부착하고 인덱싱 핀 장착.

'로봇 이동이나 서비스 필요하면 핀 풀고 잠금 해제해 필요대로 로봇 이동'이라고 Kuzmin. '재배치하고 핀 잠그면 모든 게 여전히 인덱싱됩니다. 프레젠테이션 트레이도 로봇 스탠드에 부착해 로봇 축 상대 위치 절대 안 변하게 했습니다.'

불과 몇 달 만에 Kuzmin 팀이 코봇 통합(이제 7대) 너무 능숙해지고 자동화 혜택에 너무 흥분해 All Axis Robotics란 별도 회사 만들었습니다. Kuzmin 말대로 새 기계 자동화에 OEM과 약 15만 달러 쓰는 건 상대적으로 쉽지만, 레거시 기계 자동화에 엄청난 잠재력 보고 그게 그들 포커스입니다.

자동화가 All Axis Machining 수익에 어떻게 도왔는지 예 하나: 보통 6개월 걸리던 작업이 로봇 써서 2.5개월 만에 끝남. '경이적이었습니다. ROI 약 7~8개월'이라고 Kuzmin.

아마 가장 인상적 혁신으로 All Axis가 UR 로봇에 기성 현미경과 카메라, AI와 딥러닝 결합해 부품 버, 롤드 에지, 누락 하드웨어 같은 이상 징후 감지 시스템 만들었습니다.

중요한데, Kuzmin 설명대로 많은 버는 확대경 없인 식별 불가, 인간 눈은 20~30분 그런 검사하면 피로. 하지만 자동화도 어렵습니다.

'버는 눈송이 같아서 둘 다 똑같지 않습니다'라고 Kuzmin. '우리 시스템 Aurora는 AI로 버 모양 스스로 학습. 버 더 많이 볼수록 더 잘 감지. 시스템이 버 식별, 분류, 버 때문에 거부한 부품 정렬. 검사와 버 위치 기록해 작업자들이 효율적으로 부품 수정해 넘기게 합니다.'

All Axis가 2018년 Aurora 출시. Kuzmin 말대로 단일 최대 반응: '우리 이런 거 수년째 찾았어!' 향후 릴리스에 헬리코일(나사 인서트) 및 하드웨어 부품 삽입 기능 포함 예정.

산업용 로봇 반격!

논의했듯 UR 코봇들은 다양한 기계·액세서리와 쉬운 셋업·통합. 하지만 FANUC, KUKA Robotics 같은 산업용 로봇 공급업체들이 휴대용 티칭 팬던트 같은 직관적 기능 주목해 자체 버전 내놨습니다.

Methods 루시어 인정: '한때 협동 로봇이 프로그래밍 더 쉬웠단 건 절대적 사실이었습니다. 하지만 산업용 로봇 셋업이 이제 협동 로봇 셋업과 정말 다를 바 없습니다.' '잡아당기기' 셋업 기능도 전통 로봇에 있지만, 루시어 말로는 부품 단순히 테이블이나 블록에 놓는 경우에 제일 적합.

'CMM에 부품 적재 로봇 가르치기엔 완벽합니다. 기계가 부품 대략 어디 있는지 알면 에지 찾아 측정 진행하면 되니까요'라고 그는 말했습니다. '하지만 척이나 바이스에 적재하면 프로그래밍 팬던트로 가르칠 때 더 제어권 있습니다.'

산업용 로봇용 다양한 액세서리도 있습니다. 예: 루시어 말로는 퀵체인지와 포스컨트롤 그리퍼가 코봇 전유물 아님. 'Schunk가 서보 모터 쓰는 포스 센싱 그리퍼 라인 있어 공압 벗어나 스위치 더 쉽습니다. 전기로 정말 세밀하게 다이얼인 가능.'

산업용 로봇 쪽도 로봇 기계 간 빠른 재배치 솔루션들 있음. FANUC 경우 로봇 카메라가 '새' 기계 위 3개 데칼 스캔해 자동 재정향.

하지만 몇 달 시도해도 그런 능력 유용한 상황 못 찾았다고 루시어. '로봇 기계 간 이동엔 로봇 이동 이상 필요. 바꿔야 할 것들 생각: 엔드오브암 툴링, 인피드, 아웃피드…' 더 나은 솔루션: 각 기계별 전용 로봇, 또는 듀얼 엔드이펙터로 부품 유형 간 개입 없이 전환하며 여러 기계 서비스하는 로봇.

통합업체 Acieta, Methods가 레거시 기계에 전통 로봇 추가 가능하고 로봇 가격도 코봇과 비슷. 현재 제공품 고려 시 코봇 최대 장점은 펜스 공간·비용 없이 인간 근처 작동 능력.

단점: 전통 산업용 로봇보다 느리고 가벼운 부품만 처리. UR 최대 모델 24lb(10kg) 처리. 느린 적재/하역 시간은 긴 사이클 타임 부품엔 유의미 안 하지만 짧아 중·대량 작업 출력 감소시킬 수 있음.

Axis Machining Kuzmin은 속도 필요 못 느낌. '일관성과 신뢰성—특히 긴 사이클 타임 부품에. 코봇이 신뢰성 있는 속도로 부품 적재하고 디버링 다른 부품에 쓰면 됩니다. 속도 필요 없으면 왜 리스크 감수?'

루시어와 알렉산더, 로봇 바로 옆에서 작업 가능 이점 과장 주의. 루시어 지적: 이미 가공 구역에서 작업자 차폐해야 함. 알렉산더 추가: 코봇이 날카로운 모서리 부품 다루면(가공서 흔함) '작업자가 근접 작업하는 건 협동적이지도 안전하지도 않습니다.'

둘 다 알렉산더 요약대로 '산업용 로봇에 협동 기술 결합이 유용한 타협안' 제시. '최소 펜스로 개방형 플로어 원하는 제조업체들 위해 산업용 로봇이 영역 안전 스캐너로 펜스리스 환경 작동 가능'이라고 알렉산더 설명. '오퍼레이터 1구역 진입 시 로봇 감속. 2구역 진입 시 완전 정지. 속도 희생 없이 펜스리스 환경 작동 가능.'

반면 루시어 말대로 이 접근법 안전 구역 3~4피트라 포크트럭 등 교통 빈번하면 로봇 자주 감속.

앞서 제안했듯 코봇 완벽한 영역 하나: CMM 텐딩. 'CMM은 본질적으로 안전합니다'라고 루시어 표현. '움직이는 부품 외엔 가드 없음. 빠르지 않음. 바로 옆 설 수 있음. 보통 고정구에 부품 넣지 않고 V블록 등에 대고 잡는 정도. 거기서 협동 로봇 빛납니다.'

두 전문가 동의, 알렉산더 요약대로 '대부분 잡샵과 제조 애플리케이션에서 산업용 로봇이 코봇보다 훨씬 더 적용 가능합니다.'

소프트웨어 고려사항

Shop Floor Automations(캘리포니아주 라메사) 사장 그렉 머큐리오에 따르면 '소프트웨어가 잡샵 자동화에서 가장 필수적 구성요소입니다.' 직접 수치 제어(DNC) 소프트웨어(분산 수치 제어 소프트웨어 또는 '드립 피드' 소프트웨어도 알려짐)가 '기계 통신 간소화, 품질/스크랩 관리용 리비전 컨트롤, 수천 개 프로그램 정리 수단 제공'한다고 말했습니다.

DNC 소프트웨어 주기능은 가공 프로그램을 기계로 직접 전송해 상대적 저급 컨트롤 기계도 복잡한 표면 처리하게 하는 것입니다.

머큐리오와 모든 전문가들 어느 정도 기계 모니터링 도움 된다 동의. '가동률과 기계 용량 증가 위해.' 머큐리오 추가: 생산 데이터 관리 소프트웨어로 기업들 페이퍼리스 가능. '공구 크립 관리도 필수. 가장 좋은 건 이 솔루션들 모두 CAD/CAM, ERP, MES, CMMS 등과 통합 가능.'"

반면 그는 소규모 공장들이 수천 달러 소프트웨어 쓰기 전 단순 하드웨어 추가로 큰 혜택 볼 수 있다 지적. 예: 구형 장비에 RS232-USB 인터페이스 추가하면 드립피딩 프로그램 더 쉬워짐.

'하드웨어 쓰기·설정·유지 쉬워 소규모 공장 최소 시간 소모 자동화 옵션. 구형 RS232 기계가 공장 출고 시 내장된 최신 CNC 기계처럼 USB 드라이브 사용 가능. 더 저렴한 메모리 업그레이드도 가능'이라고 머큐리오 추가.

로봇으로 돌아가, 알렉산더 말로는 로봇 OEM과 서드파티 제공 수많은 소프트웨어 패키지들로 로봇 계속 일하면서 PC에서 오프라인 프로그래밍 가능.

'이 소프트웨어 패키지들로 CAD 파일 로드하고 스타일러스나 마우스로 로봇 경로 '그리기' 자유 얻습니다'라고 알렉산더 설명. '소프트웨어가 그려진 경로 로봇 코드로 변환해 로봇에 직접 로드 가능.'

잡샵 오너 Kuzmin에게 마지막 말 맡깁니다: '생산성 개선 원했습니다. 로봇 추가로 했습니다. 우리가 이룬 거 매우 기쁩니다. 하면서 우리 모두에게 이걸 제공해야 한다고 말했어요. 그게 우리나라 제조를 훨씬 더 경쟁력 있게 만들 거니까요.'