자동화의 대중화: 모든 제조사의 효율성 향상

자동화는 한때 대형 공장의 전유물이었지만, 이제 소규모 작업장도 혜택을 누릴 수 있습니다

작업장 자동화가 가속화되고 있습니다. 인더스트리 4.0, 숙련 제조 인력 지속 부족, 코로나 팬데믹이 복합적으로 작용한 결과입니다.

그 어느 때보다 다양한 맞춤형 로봇 및 자재 이송 옵션이 제공되면서 소규모 제조사도 더 많이 생산하면서 작업자를 더 부가가치 높은 업무로 전환할 수 있게 됐습니다. 개인 보호 장비(PPE) 수요 급증과 근로자 보호 필요성도 숍의 자동화 노력을 가속화했습니다.

팬데믹 동안 명확히 증폭된 자동화의 이점은 오하이오주 로레인 소재 앱솔루트 머신 툴스(Absolute Machine Tools) 최고 마케팅 책임자 코트니 오트너가 깔끔하게 요약했습니다. "코봇(협동 로봇)을 사용하면 작업 파트너가 생기고 사회적 거리를 걱정할 필요가 없습니다. 많은 숍이 격리로 근로자를 잃는데, 이는 인력 손실에도 숍을 계속 가동할 수 있게 합니다. 그리고 코봇으로도 무인 제조 능력이 더 일반화됐습니다. 금요일 밤에 작업을 설정하면 월요일 아침에 완료돼 생산 사이클에서 앞서 나갈 수 있습니다."

코봇의 진군

자동화 제조 주제에서 로봇은 가장 먼저 떠오르는 것입니다. 인간과 안전하게 협업하는 변종인 코봇은 설정 용이성, 유연성, 페이로드 면에서 지속적으로 개선되고 있습니다.

15년 전 보스턴 소재 유니버설 로봇(UR) 제품 출시 이래, 특히 다품종 소량 생산 환경에서 작업장의 주축이 됐습니다. 2019년 16kg 페이로드 버전(UR16) 출시로 UR은 로봇이 생산 워크플로에 들어갈 수 있는 경계를 계속 넓히고 있습니다.

2020년은 특히 바빴던 해라고 UR 북미 마케팅 책임자 조 캠벨은 말했습니다. 두 가지 테마가 부상했습니다: 팬데믹 주도 재편과 새로운 생산 모델 수용.

특히 소규모 숍은 제한된 공간을 효율적으로 활용해야 하는 압박 속에 작업자 사회적 거리 두기를 위해 코봇을 배치하고 있습니다. "세 대의 툴 클러스터가 있다면 하나나 두 대의 코봇을 배치해 작업자에게 숨통을 틔워줍니다."라고 그는 말했습니다.

또한 숍들은 코봇이 수익에 어떻게 도움이 되는지 새롭게 인식하고 있습니다. "숍들이 평일 위주 일정을 다르게 보기 시작했고, 제조 팀이 더 유연한 것에 열려 있음을 발견했습니다." 한 UR 고객은 주말 교대를 만들었고 많은 팀원이 새 기회를 반겼습니다. 다른 경우, 한 숙련 오퍼레이터가 머신 설정과 로딩을 하던 숍에서 로딩 기능을 코봇에 맡기고 오퍼레이터가 여러 머신을 감독하게 했습니다.

UR 장비는 설정 시간을 수시간 절약합니다. 터치스크린으로 바닥, 벽, 천장 장착 설정이 가능하지만 다른 로봇은 특정 방향 전용으로 특수 제작되는 경우가 많습니다. 사이클 타임도 단축되며, 특히 UR 코봇이 듀얼 그리퍼로 완제품 언로드와 신규 블랭크 로드를 동시에 수행하도록 구성할 수 있어 더욱 그렇습니다.

UR 유연성의 핵심은 서드파티 장비 및 소프트웨어와의 결합 능력입니다. 이는 UR+ 프로그램을 통해 접근 가능하며, 캠벨은 이를 UR의 "일종의 앱 스토어"라고 불렀습니다. UR 로봇의 기계적, 전기적, 소프트웨어 인터페이스가 공개돼 서드파티가 해당 사양에 맞춰 제품을 개발합니다. "더 중요하게, 그들이 우리에게 제출해 테스트와 검증을 받습니다. 우리가 플러그앤플레이라고 말하면 검증됐기 때문에 그런 것입니다."

UR 생태계의 288개 주변기기에는 파트 매거진, 비전 시스템, 센서, 마운트 옵션, 로봇 커버, 앱이 포함됩니다. 예를 들어 하이어보틱스(Hirebotics)의 비콘(Beacon)으로 운영자가 클라우드에서 코봇을 모니터링할 수 있습니다. "생산 통계를 보고 즉석에서 조정할 수 있습니다."라고 캠벨은 말했습니다.

3월 UR+ 프로그램은 애플리케이션 키트를 포함하도록 확장됐습니다. 그리퍼 등 구성요소와 소프트웨어를 결합해 "특정 애플리케이션 문제를 해결"합니다. 로보티크(Robotiq) 키트에는 오비탈 샌더, 마운트 하드웨어, 진공 호스, 가구나 캐비닛 같은 제품의 샌딩 프로토콜을 프로그래밍하는 소프트웨어가 포함됩니다. "복잡한 윤곽을 며칠이 아닌 몇 분 만에 프로그래밍할 수 있습니다."라고 캠벨은 말했습니다. 한편 UR의 액티내브(ActiNav) 키트는 부품을 빈에서 꺼내 다양한 머신에 정확한 방향으로 로드하는 유연한 머신 로딩 키트입니다. "새 부품을 1시간 이내에 시스템에 도입할 수 있습니다."

숍의 자동화 채택을 이끄는 또 다른 열쇠는 가상 교육 옵션입니다. UR은 최근 UR 아카데미를 통한 온라인 운영자 교육 10만 명 돌파 이정표를 세웠습니다. UR 아카데미는 UR 코봇 프로그래밍과 배치 무료 교육 모듈을 제공합니다.

"세 명의 수석 머시니스트를 일주일 가까이 현장 외 교육에 보내면 생산이 망가집니다."라고 캠벨은 말했습니다. 소규모 숍은 "90% 교육을 온라인으로 할 수 있는 능력에 정말 매력을 느낍니다."

미래를 위한 빠른 로딩

팬데믹의 자동화 압박 외에도 미국으로의 생산 리쇼어링이 작업장용 로봇 및 로딩 장비의 또 다른 주요 동력입니다.

"역사적으로 로봇 도입에 느렸던 제조사와 작업장이 그 어느 때보다 로봇을 수용하기 시작했습니다."라고 아시에타(Acieta LLC) 위스콘신주 워케샤 제품 관리자이자 기계 엔지니어인 제이크 코닝은 말했습니다. "알려진 것이 알려지지 않은 것보다 많기 때문에 관심과 주문이 팬데믹 시작 이후 증가했습니다. 사회적 거리 두기, 아픈 직원, 생산 능력에 영향을 주는 셧다운 등 상황에서도 머신을 계속 가동하고 부품을 계속 생산하는 로봇의 이점을 봅니다."

또한 글로벌 공급망 교란으로 "팬데믹이 미국으로 엄청난 양의 온쇼어링을 가져올 것임을 봅니다. 자동화를 수용하지 않으면 팬데믹 전보다 훨씬 더 심각한 노동력 부족에 직면할 것입니다. 궁극적으로 팬데믹이 우리나라에 가한 비극에도 불구하고, 미국 제조사들은 이미 로봇 기술을 더 편안하게 수용하고 있으며 경쟁력 향상, 근로자 직무 만족도와 충성도 제고, 미국 소비자에게 더 경쟁력 있는 가격 제공 등 이점을 보고 있습니다."

아시에타는 특히 다품종 소량 루틴에 적합한 다양한 솔루션을 제공한다고 코닝은 설명했습니다.

"패스트로드(FastLOAD) CX1000과 CR2000 시스템은 최초 로봇 사용자가 쉽게 사용할 수 있도록 의도됐습니다."라고 그는 말했습니다. "CR2000의 터치스크린 인터페이스로 다양한 부품 크기로 로봇을 매우 쉽게 운용할 수 있습니다. 작업자는 부품 파라미터만 입력하면 시스템이 자동으로 프로그램을 조정해 새 부품을 가동합니다. 로봇 그리퍼와 부품 고정장치는 다양한 부품 크기에 유연하게 대응해 많은 부품을 같은 시스템에서 가동할 수 있습니다."

CR2000 체인지오버는 몇 분 만에 가능하며, CX1000, CR2000, DR2000 시스템은 작업자가 부품을 로딩/언로딩하는 동안 로봇이 계속 가동되도록 설계됐습니다. "이를 통해 충분한 투입 부품이 있는 한 휴식, 점심, 교대 시간 외에도 머신이 논스톱으로 작동할 수 있습니다."

바퀴가 달린 CX1000은 현장에서 쉽게 이동 가능합니다. 다중 퀵체인지 고정장치 카트 옵션도 제공되며 화낙의 CRX-10iA/L 로봇을 사용합니다. "매우 사용하기 쉬운 터치스크린 인터페이스에 드래그 앤 드롭 프로그래밍 아이콘이 있습니다."라고 코닝은 말했습니다. "도전이 더 복잡하거나 대규모면 비전, 엔드오암 툴 체인저, 유연한 고정장치 같은 기술로 다품종 소량 부품 가동용 맞춤 솔루션도 설계 가능합니다."

아시에타의 머신 텐딩 셀도 인기라고 코닝은 말했습니다. "다양한 부품과 작동하도록 설계된 표준 로봇 시스템입니다. 사전 엔지니어링된 표준 제품이라 기존 맞춤 시스템보다 훨씬 저렴하고 최소 1주일 만에 납품 가능합니다. 세 시스템 모두 여러 공작기계를 동시에 텐딩할 수 있습니다. 또한 CX1000과 CR2000 시스템은 협동 로봇을 활용해 안전 펜스가 필요 없어 공간 활용을 극대화합니다."

처음 자동화하는 작업장에는 협동 CX1000이 좋은 출발점이라고 코닝은 말했습니다. 반복 작업에서 근로자를 해방시켜 "로봇 시스템 프로그래밍이나 유지보수 방법을 배울 수 있게 합니다. 이전에 한 대 머신을 텐딩하던 오퍼레이터가 이제 여러 머신의 로봇 시스템을 관리할 수 있습니다."

필수 문제 해결

가공과 작업장의 고유 니즈에 대한 깊은 이해로 메소즈 머신 툴스(Methods Machine Tools Inc.) 매사추세츠주 서드버리는 더 많은 비즈니스를 유치하면서 더 숙련된 인력을 만드는 방향으로 제조사 자동화를 돕습니다.

"더 좋은 머시니스트가 필요합니다."라고 메소즈 화낙 자동화 매니저 존 루시어는 단언했습니다. "로봇이 그걸 돕습니다. 로봇이 숍에 더 많은 일을 가져와 더 많은 머시니스트를 일하게 합니다." 잘 훈련된 머시니스트는 머신 로딩/언로딩을 하지 않습니다. "그는 설정을 하고, 공구를 선택하고, 프로그램을 작성합니다."

다른 공급업체처럼 메소즈도 팬데믹 관련 자동화 급증을 봤다고 그는 말했습니다. 특히 인공호흡기 부품 생산 관련이었습니다.

팬데믹 전 루시어는 자동화를 처음 고려하는 소량 생산 숍을 많이 방문했다고 회상했습니다. 일주일에 2~3회 셀을 교체해 약 5,000개 부품을 생산하는 중량 생산 작업이 흔해지고 있으며, 메소즈는 그런 환경을 위한 컨베이어 기반 잡숍 셀 프로(Job Shop Cell Pro) 라인을 제공합니다. 조절 가능한 레인 디바이더로 소형과 대형 부품 간 빠른 체인지오버가 가능합니다. 또 다른 인기 옵션은 20~40개 부품용 구멍이 뚫린 강철 또는 알루미늄 플레이트가 있는 서랍 시리즈입니다.

워크홀딩도 주요 고려사항이라고 루시어는 덧붙였습니다. 자동 바이스는 비교적 간단한 솔루션입니다. "스윙 클램프 같은 복잡한 것일 필요 없습니다. 공압이나 유압으로 열고 닫는 좋은 척이나 바이스면 되고, 직접 조를 만듭니다. 약 50개 런을 하는 많은 숍이 하는 것과 다르지 않습니다."

더 낮은 볼륨, 심지어 로트 사이즈 1까지도 메소즈는 플러스-K(Plus-K)와 플러스-K 60 로봇 로터리 보관 회전대 시스템을 제공합니다. "로봇을 부품 전용으로 만들지 않습니다. 로봇은 작은 바이스나 팔레트 등 일반 워크홀딩을 머신 안팎으로 가져오도록 설정됩니다. 로봇은 워크홀딩 전면의 공통 특징을 잡도록 사전 프로그래밍돼 있습니다." 부품은 수동 바이스에 로드되고 로봇은 팔레트 로딩 시스템처럼 작동하도록 사전 프로그래밍돼 있으며 최종 사용자 프로그래밍이 필요 없습니다. 이 시스템은 로보드릴의 표준 공구 제공을 21개에서 선택 사양 161개로 확장합니다.

이런 솔루션으로 작업장은 일반적으로 12~18개월 이내 ROI를 봅니다. "우리의 목표는 2~3교대 가동을 설득하는 것입니다. 로봇 셀을 가져와 인피드 시스템에 부품을 채우고 오후 5시에 퇴근해 2~6시간 가동 시간을 확보하는 것입니다. 계획한 작업의 80%를 자동화 시스템이 처리한다면 꽤 잘하는 겁니다."

메소즈 솔루션의 바탕에는 작업장과의 오랜 연계와 작업장 운영 방식에 대한 지식이 있습니다. 루시어는 자신도 머시니스트 출신입니다. 예를 들어 그는 숍이 직접 강철이나 알루미늄 그리퍼를 가공할 수 있음을 자주 상기시킵니다. 로봇에 미리 탑재된 프로그램을 조정하는 것이 CNC 프로그래밍보다 쉬울 수 있습니다. 회사의 자동화 통합 그룹은 쿨런트, 칩, 공구 회전, 공구 수명, 디버링 등 공작기계 관련 문제에 정통합니다.

"공작기계에 로봇을 올리려면 그걸 전문으로 하는 로봇 통합업체가 필요합니다."라고 루시어는 결론지었습니다. "로봇의 이점을 정당화하는 것이 어렵지 않아야 합니다."

니즈 평가, 속도 추가

작업장의 자동화 니즈 이해는 생산성 향상을 위한 필요 볼륨에 대한 철저한 평가로 시작됩니다.

고객 의뢰 시 앱솔루트의 오트너는 "시스템 레이아웃을 하고, 컨베이어 시스템, 로봇, 원자재 핸들링, 완제품 핸들링 등 자동화 모범 사례를 결정한 후 CAD로 설계해 모든 조각이 평면도에 맞는지 확인하며 예산 내에서 작업합니다."라고 말했습니다.

코봇부터 부품 핸들링, 모니터링까지 다양한 표준 자동화 장비 제공 외에 앱솔루트는 "턴키 패키지를 제공합니다."라고 오트너는 말했습니다. "우리가 최선이라 느끼는 솔루션을 소싱하고 해당 공급업체와 협력해 성공을 보장합니다."

앱솔루트의 올바른 장비 소싱 경험은 분명히 결실을 맺는다고 그녀는 말했습니다. "OB7 코봇을 사용하는 한 고객은 교대당 20% 효율 향상과 훨씬 적은 스크랩을 얻습니다. 이 특정 런에서 납기를 2주 단축해 머신이나 셀을 추가 작업에 활용해 더 높은 ROI를 냈습니다. 반복 작업을 덜 하니 산재 보상 청구가 줄고, 근로자 병가도 줄여 비용을 크게 절감합니다."

다른 숍들이 발견했듯, 다른 작업에 투입 가능한 운영자 증가는 "전체 프로세스에 더 기여할 시간이 생김을 의미합니다. 품질 검사 같은 일에 더 관여하게 되고, 단순히 버튼만 누르는 게 아니라 프로세스 관리에 더 관여하게 되며, 지루함과 피로도 줄어듭니다."

이러한 혜택을 얻는 건 놀랍게도 비용 효율적이라고 오트너는 덧붙였습니다. "프로덕티브 로보틱스(Productive Robotics) 코봇 라인은 기본 CNC 패키지 34,900달러부터 시작합니다. 기본 CNC 패키지에서 여러 코봇, 컨베이어, 인공정 게이징, 부품 프레젠테이션 방식을 사용하는 완전 통합 셀로 업그레이드할 수 있습니다."

모니터링으로 더 많은 산출

일리노이주 버논 힐스 소재 미쓰비시 일렉트릭 오토메이션(Mitsubishi Electric Automation Inc.)은 작업이 일정에 맞게 진행되고 더 많은 프로젝트를 무인으로 운영할 수 있게 돕기 위해 MTConnect 기반 통합 기계 분석(IMA)을 제공합니다. IMA 모바일 앱은 기계 모니터링에 쉽게 진입할 수 있는 진입점을 제공합니다.

IMA로 숍들은 "생산을 더 잘 이해할 수 있어 가용 머신과 근무 시간을 최대한 활용해 작업을 정확하게 스케줄링하고, 더 정확하게 더 많은 작업에 입찰할 수 있습니다."라고 미쓰비시 일렉트릭 오토메이션 IMA 모바일 서비스 제품 관리자 로버트 브로데키는 말했습니다.

필요한 하드웨어는 이더넷 케이블과 여러 머신 연결 시 허브/스위치뿐이며, 머신당 5~10분 만에 설정 가능하다고 그는 설명했습니다. "저렴한 비용으로, 특히 무인 또는 라이트아웃 생산 중 머신 고장으로 나중에 발견돼 생산 시간을 잃었을 때 며칠 내 ROI를 볼 수 있습니다. IMA 모바일 알림으로 머신이 절삭을 멈췄는지 10~15초 내에 알 수 있습니다. 어디에 있든 상관없이."

기계 모니터링은 처리량을 크게 개선한다고 그는 덧붙였습니다. "단순히 실행 상태만 봐도 많은 작업장이 가용 시간의 25~40%만 머신을 가동합니다. IMA 모바일로 현재 상태를 단순 모니터링해 어떤 이유로든 생산이 멈춘 머신에 즉시 대응함으로써 50% 이상으로 빠르게 올릴 수 있습니다. 이건 기계에서 직접 나온 실제 데이터로, 기계가 얼마나 절삭했는지, 유휴였는지, 꺼져 있었는지 추측할 필요가 없습니다." 가용 기계 시간은 더 적은 인력으로 더 많은 교대, 또는 무인 가동을 통해 예기치 않은 정지로 인한 생산 손실 없이 확장됩니다.

IMA 모바일로 운영자는 "앱이 작업 완료나 주의가 필요한 중단 시 알림을 주니 안심하고 부가가치 업무로 이동할 수 있습니다."

상대적으로 낮은 진입 비용으로 브로데키는 IMA가 사용자들이 "생산을 이해하고 개선하며, 더 단순하고 무인 가공 프로젝트를 시작하면서 기계가 계속 가동됨을 확신하게 해준다"고 말했습니다. MTConnect 표준을 기반으로 하므로 사용자가 더 심층적이고 커스터마이징 가능한 모니터링 시스템으로 이동하려 해도 머신을 다시 연결하는 비용을 낼 필요 없이 새 소프트웨어를 MTConnect 에이전트로 지정하면 기계 데이터에 빠르게 접근할 수 있습니다.

이런 진입 용이성이 코로나 시대의 자동화에 특히 중요했다고 그는 결론지었습니다. "회사들이 자동화를 더 원하지만 정확한 생산 데이터 없이는 어디를 어떻게 자동화할지 알기 어렵기 때문에 말이 됩니다. 팬데믹 초기에 우리와 이야기하던 많은 회사가 여전히 기계 모니터링에 대해 망설였습니다. 팬데믹이 길어지고 회사들이 자동화와 원격 근무 솔루션을 더 이상 피할 수 없음을 깨닫자 이런 프로젝트를 최우선 순위로 올렸습니다."