제조 혁신: 첨단 팔레트 시스템과 로봇공학

유연한 머시닝 셀의 범위와 요구사항이 증가하고 있다

숙련 노동자 부족 등의 이슈로 인해 자동화 제조 공정이 '있으면 좋은 것'에서 '필수'로 진화함에 따라, 유연한 제조 시스템(FMS) 구성은 새롭고 흥미로운 형태로 지속적으로 등장하고 있습니다.

분명히 코로나19 팬데믹은 제조업체가 팔레트 시스템에 로봇을 추가하는 것을 가속화했습니다. 하지만 그것이 최근 FMS가 취한 유일한 흥미로운 전환은 아닙니다.

"유연한 제조 시스템은 과거와는 매우 다른 의미를 가질 수 있습니다."라고 매사추세츠주 서드버리에 본사를 둔 Methods Machine Tools의 자동화 매니저 잭 스펜서(Zach Spencer)는 설명했습니다. "과거에는 모두가 팔레트 교환 시스템을 사용해 기계와의 최대 유연성을 달성했습니다. 이 팔레트 풀로 고객은 다양한 공작물 고정 장치를 다양한 팔레트에 장착하고 기계를 무인으로 가동할 수 있었습니다.

"오늘날 유연한 자동화는 여러 형태를 취할 수 있습니다. 이는 팔레타이즈된 기계부터 우리 Plus-K 및 Plus-K60 자동화 시스템처럼 로봇이 팔레트를 이동시키는 것, 부품 설정을 위한 유연한 비전 시스템처럼 더 복잡하면서도 여전히 사용하기 쉬운 시스템까지 다양합니다."

자동화를 처음 접하는 사람들에게 스펜서는 단순하게 시작하라고 조언합니다.

"우리는 일반적으로 자동화에 익숙해지기 위해 더 작고 덜 복잡한 시스템으로 시작할 것을 권장합니다. 큰 도약을 하기 전에 편안해지라는 것입니다. 우리에게 이 '작거나 스마트한' 시스템은 여러 대가 아닌 한 대의 기계를 텐딩하고, 다양한 유형의 공작물을 한꺼번에 처리하는 대신 한 번의 배치 런을 수행하는 것을 의미할 수 있습니다."

크고 작은 솔루션

팔레트 자동화 비즈니스가 Fastems의 '심장'인 만큼, 이 핀란드 회사는 새로운 자동화 트렌드의 최전선에 있습니다. 팬데믹은 FMS 설정에 부품을 로드 및 언로드하는 로봇의 추가를 가속화했다고 Fastems의 솔루션 영업 이사 미카 라이티넨(Mika Laitinen)은 말했습니다.

Fastems의 미국 중부 지역 매니저 크리스토퍼 레즈니(Christopher Rezny)는 다른 보조 작업들이 점점 더 동일한 시스템 내에 추가되고 있다고 덧붙였습니다. 예를 들어, 부품이 선삭되든 가공되든 세척되어야 합니다. 또한 부품은 검사되어야 합니다—개별적으로 또는 아마도 100개 런 이후에. 디버링과 자동 고정장치 로딩 작업도 수행될 수 있으며, AGV(무인 운반차) 시스템과의 연결로 자재가 작업장으로 계속 흐르게 됩니다.

원래 수평 머시닝 센터용으로 설계된 Fastems FPC(유연한 팔레트 컨테이너) 시스템은 최대 4대의 공작기계까지 확장해 서비스할 수 있습니다.

"최소한 핀란드에서는 처음으로, 이 엔진 블록이 스태커 크레인 없이 이 유형의 공작기계에서 AGV를 사용해 자동으로 로드 및 언로드될 것입니다." AGV는 가공 팔레트를 세척, 검사, 디버링, 마무리를 위해 위치에서 위치로 이동시킵니다. "우리는 또한 특정 최종 가공 작업을 수행하기 위한 서브 어셈블리 작업도 가지고 있습니다. 그리고 저장소도 있습니다. 따라서 우리는 기존 스태커 크레인 기반 FMS에서 가졌던 모든 요소를 가지고 있지만, 이제 구성요소 무게 때문에 모든 것이 한 레벨에 있습니다."

라이티넨은 계속해 이렇게 말했습니다. "가공 시간이 꽤 깁니다—몇 시간—따라서 팔레트 교체를 위해 더 느린 로딩/언로딩 차량을 사용하는 데 문제가 없습니다."

가동 시간과 로봇

팔레트 시스템이 선형이든 회전이든, 단일 또는 다중 기계 설정이든, FMS의 종류는 다양합니다.

DMG Mori에서는 LPP(선형 팔레트 풀)와 더 기본적인 RPS(회전 팔레트 시스템)가 다양한 구성에서 사용됩니다.

LPP의 경우, "작업장의 전형적인 최적 지점은 24~36개 팔레트와 2~3대 기계, 2개 로드 스테이션입니다."라고 캘리포니아주 데이비스에 있는 DMG MORI 제조 시설의 개발 총괄 매니저 존 맥도날드(John McDonald)는 말했습니다. "로드 스테이션으로 자재가 출입하고, 작업이 팔레트 풀 시스템에 대기 중이며, 기계는 밤낮으로 가동됩니다."

한편 RPS는 "단일 기계, 단일 팔레트 시스템"이라고 맥도날드는 계속했습니다. "일반적으로 5개 팔레트가 있으며, 최대 21개까지 확장됩니다. 이들은 다시 작업 대기용으로 훌륭합니다. 부품 믹스가 많지 않거나, 퀵 체인지 고정장치와 결합해 작업 설정을 변경할 수 있습니다."

궁극적으로, 주어진 작업장에 적합한 FMS는 무인 가동 시간을 최적화하는 것입니다. 하루에 더 많은 스핀들 시간을 확보하고, 직원이 다른 작업을 수행할 수 있도록 더 많은 '자리 비움' 시간을 확보하는 것이 전부라고 그는 말했습니다.

물론 FMS의 또 다른 임무는 더 많은 일을 수주하는 것입니다. "고객들이 문을 두드리며 '입찰할 일이 여기 있다, 저기 있다'고 말합니다. 대부분의 사람들이 마음에 두고 있는 것은 '이걸 정말 구현할 수 있을까?'입니다. 우리의 비공개 기술 투어와 교육 기반 이벤트는 이러한 고객들에게 이 도구들이 실제로 어떻게 협력해 무인 가동 시간을 달성하는지 보여줍니다."

2021년 출시된 DMG Mori의 LPS 4 소프트웨어는 회사의 자동화 시스템 관리 소프트웨어 4세대입니다. 이를 통해 제조업체는 ERP에 직접 연결해 일부 자재 관리 단계를 제거할 수 있습니다. 예를 들어, 고객이 워터 펌프를 생산하기 위해 6061 알루미늄 블록 500개를 주문하면, 맥도날드는 설명했습니다. "워터 펌프 작업을 생성하면, ERP 시스템이 팔레트 풀 시스템에 다음에 무엇을 생산할지 수요를 전달할 수 있습니다. 누군가가 ERP에서 LPS 4 소프트웨어로 데이터를 수동 입력하는 링크를 제거했으며, 이 두 가지를 연결해 루프를 닫았습니다. 모든 고객이 오늘 그 수준을 사용할 준비가 된 것은 아니지만, 더 생산적인 상점들은 그렇게 합니다."

자사의 FMS가 무엇을 할 수 있는지 보여주기 위해, DMG Mori는 자체 기계 공장에서 3대 기계가 있는 1미터 LPP를 운영한다고 맥도날드는 언급했습니다. "여기에는 부품 세척 스테이션, 로봇 로딩, 유압 고정장치, 자재 팔레트가 있습니다. 우리는 여기서 우리 기계를 만드는 주물을 가공합니다. 작업자가 주물을 자재 팔레트에 올립니다. 거의 모든 주물은 크레인으로 올려야 합니다. 사람이 들어 올리기엔 너무 무겁습니다. 지게차 팔레트처럼 보이는 팔레트에 크레인으로 올립니다. 부품을 거기에 올리면 팔레트 랙으로 들어갑니다. 자재 팔레트는 로봇 로드뿐만 아니라 고정장치 팔레트에도 들어갑니다. 그래서 로봇이 부품을 집어 고정장치에 올리고, 부품은 유압 공작물 고정으로 고정됩니다. 그리고 부품이 머시닝 센터로 들어갑니다.

"해당 작업이 끝나면 부품 세척으로 들어가며, 부품은 테이프 구멍에서 칩이나 그릿을 제거하기 위해 세척됩니다. 우리는 일부 고객이 이를 더 발전시켜 측정기와 레이저 마킹 셀을 통합한 것을 보았습니다. 또한 일부 고객은 중앙 집중식 공구 관리 시스템과 LPP를 결합해 사용합니다—즉, 공작물뿐만 아니라 기계 매거진의 공구도 자동으로 교체됩니다. 일반적으로 OEM이 이러한 종류의 셀을 구현하는 것을 봅니다."

Methods도 단순한 팔레트 교환 시스템에서 팔레트 관리 컨트롤을 갖춘 로봇 텐딩 솔루션으로의 진화를 지원한다고 스펜서는 말했습니다.

"우리가 개발하고 배치한 매우 성공적인 시스템 중 하나는 RoboDrill Plus-K 시스템입니다."라고 스펜서는 설명했습니다. "이 시스템은 FANUC RoboDrill에 FANUC 로봇을 텐딩에 활용합니다. 로봇 측면에서는 한 번에 최대 60개 공작물을 시스템에 저장할 수 있습니다. 이 시스템에는 기계 컨트롤 내에 임베디드된 팔레트 관리 기능이 있어 작업자가 부품을 저장할 수 있는 다양한 60개 스테이션에 특정 프로그램 번호를 설정할 수 있습니다. 이 유연한 시스템은 기계에서 확장 공구도 허용하는데, 이는 60개의 다양한 작업 스테이션에서 다양한 유형의 부품을 작업할 때 엄청나게 도움이 됩니다."

그리고 다품종 소량 생산도 배제되지 않는다고 스펜서는 덧붙였습니다. 그런 경우, "우리는 일반적으로 더 견고한 솔루션을 권장합니다. 모든 자동화 또는 공작기계 판매에서 우리는 고객에게 그들의 작업장에 대한 ROI 계산을 보여주어 장비 판매 승인을 돕습니다. 우리는 고객을 위해 18~20개월 ROI를 맞추기 위해 최선을 다합니다." 회사의 Plus-K 시스템은 다품종/소량 작업에 맞춤화되어 있다고 그는 덧붙였습니다.

"우리는 유연한 시스템으로 의료 산업에서 큰 성공을 거두었습니다. 주요 이유 중 하나는 의료 산업이 다품종 유형의 애플리케이션을 필요로 하기 때문이라고 생각합니다. 제 말은 그들이 일반적으로 한 번에 최대 10개 부품 정도의 소량 배치를 실행한 후 다른 유형의 부품을 만들어야 한다는 것입니다. 이는 한 부품 번호에서 다음 부품 번호로 변경하기 극도로 쉬운 더 유연한 솔루션에 완벽하게 부합합니다."

이력 추적 요구사항에 대해 그는 계속했습니다. "우리는 셀 컨트롤러를 제공해 고객이 시스템을 통해 부품의 추적성을 지원할 수 있게 합니다. 셀 컨트롤러는 장비 가동 시간, 알람 상태 및 이력, 기계 사용량을 모니터링할 수 있습니다. 이러한 시스템은 일반적으로 QR 코드, 바코드 또는 RFID 스캔 기능을 갖추고 있어 작업자가 생산 실행 시 부품을 셀 안팎으로 스캔할 수 있습니다. 이 정보는 일반적으로 셀 로컬 데이터베이스에 저장되며, 고객의 서버로 복사할 수 있습니다."

레이저의 관점

레이저 절단과 용접이 방정식에 들어가면, FMS는 약간 다른 정의를 갖게 된다고 미네소타주 브루클린 파크에 본사를 둔 Prima Power Laserdyne의 북미 영업 매니저 도미닉 리카드(Dominic Rickard)는 말했습니다.

"3D 레이저 가공을 위한 유연한 제조 시스템은 레이저 용접, 레이저 드릴링, 3D 레이저 절단 등 다양한 레이저 공정을 지원할 수 있는 시스템을 제공하는 것을 의미합니다."라고 리카드는 설명했습니다. "시스템은 제조 요구사항을 지원하고 비즈니스의 미래 요구사항에 적응할 수 있어야 합니다."

그 적응성에는 다음 지원이 포함됩니다:

--현재 저용량, 미래에 고용량

--연강, 스테인리스강, 알루미늄부터 특수 소재까지 다양한 소재. 전자 및 프로그래밍 방식 제어를 통해 한 보조 가스에서 다른 보조 가스로 전환하는 것이 중요합니다.

--한 제조 공정에서 다른 공정으로의 빠른 변경—용접에서 절단으로, 드릴링으로, 그 반대도 가능. 예를 들어 그는 "LASERDYNE 시스템은 3D 레이저 절단에서 3D 용접으로 1~2분 만에 전환할 수 있습니다."라고 말했습니다.

또한 그는 레이저 기반 FMS가 제조/운영 모니터링 시스템에 실시간 매개변수 및 공정 정보를 제공해야 하며, 그 정보가 향후 참조와 분석을 위해 기록되고 저장되어야 한다고 조언했습니다.

"우리의 관점에서 시스템이나 기계의 크기는 유연성과 무관합니다."라고 리카드는 말했습니다. "시스템 크기는 고객이 레이저 가공할 부품에 의해 결정됩니다. LASERDYNE 시스템은 소형 또는 대형 시스템 구매 여부에 관계없이 제조 유연성을 지원하도록 설계되었습니다."

Prima Power Laserdyne의 최신 추가는 LASERDYNE 811 시스템으로, 여러 면에서 유연한 제조 철학을 지원한다고 리카드는 설명했습니다.

"첫째, 동일한 시스템이 고품종 저용량 제조업체나 수년간 단일 부품을 제작하기 위해 시스템을 주문한 제조업체 모두를 지원합니다. 둘째, 고객은 시스템 설치 시 또는 향후 언제든지 자동화를 통합할 수 있습니다. 시스템은 모듈식이고 조정 가능합니다. 셋째, 시스템은 독립형 장비가 될 수도 있고 제조 셀의 필수적인 부분이 될 수도 있습니다."

이 시스템은 한 고객—자동차, 식품 가공, 가정용품 시장의 하청업체—에게 큰 도움이 되었다고 그는 말했습니다. 그 고객은 다양한 3D 금속 부품과 여러 원통형 부품에 대해 가공 능력을 확장하고 부품 간 시간을 단축하고자 했습니다. 또한 부품 고정장치 교체 시간을 줄이고 싶었습니다.

"우리는 투포지션 인덱스 테이블[턴테이블]이 있는 LASERDYNE 811을 제공해 3D 부품을 레이저 절단했습니다. 또한 작업자가 턴테이블에서 부품 고정장치를 쉽게 교체할 수 있는 공통 고정장치 인터페이스를 제공했습니다. 원통형 부품을 지원하기 위해 동일한 부품 고정장치 인터페이스를 사용하는 로터리 테이블을 제공해 고객이 로터리 테이블을 쉽게 추가 및 제거할 수 있게 했습니다. 로터리 테이블 추가는 부품 고정장치 추가 및 제거와 동일합니다.

"결과는 고객이 고 SKU 믹스로 레이저 가공하고 부품 간 사이클 타임을 단축할 수 있게 되어, 전체 비용을 절감하고 공장 처리량을 늘리고, 최종 사용자에게 부품 리드 타임을 단축하고, 품질 저하 없이 경쟁력을 유지할 수 있게 되었습니다."

리카드는 FMS의 진화가 자사 성공에 얼마나 중요했는지 설명했습니다.

"필연적으로 Prima Power Laserdyne은 3D 레이저 가공의 초기 개척자였습니다. 성공하기 위해 우리는 유연한 제조 시스템을 제공해야 했습니다. 사업 초기에는 단일 용도 기계를 판매하기 매우 어려웠습니다. 고객들은 시스템이 유연해야 한다고 주장했습니다. FMS는 우리 DNA의 핵심 부분이라 할 수 있습니다.

"수년간 시스템의 레이저 소스는 CO2 레이저로 시작해 Nd:YAG 시스템을 거쳐 현재 파이버 레이저 시스템으로 마이그레이션했습니다. 레이저 소스가 바뀔 때마다 더 많은 소재를 레이저 가공할 수 있게 되었습니다. 시간이 지남에 따라 우리는 광학 레이저 체인 끝의 노즐을 변경해 용접, 드릴링, 절단을 지원하도록 시스템을 설계하고 개선했습니다."

또 다른 변화는 회사가 시스템에 SPC와 MTConnect를 도입한 것입니다. "SPC로 제조업체는 모든 공정 및 기계 매개변수를 분석이나 기록 보관을 위해 기록할 수 있습니다. MTConnect로 제조업체는 매개변수를 실시간 스트리밍해 실시간 공정 모니터링을 제공할 수 있습니다. 마지막으로 시스템은 펄스 단위 레이저 제어를 포함해 기계의 모든 측면에 대한 실시간 제어를 가집니다. 실시간 제어는 컨트롤러가 7개 이상의 축을 지원하고 LASERDYNE 시스템과의 자동화 통합을 단순화하게 합니다."

궁극적으로 그는 결론지었습니다. "일반 제조 부문과 계약 제조업체가 FMS를 정의하고 필요로 하는 선두에 있습니다. 이 고객 그룹은 제조 공정을 적응시킬 능력이 필요합니다.

일반적으로 이 그룹은 다양한 제품과 고객을 지원합니다. 생계와 성공은 시장에서 사용 가능한 작업에 얼마나 빠르고 효율적으로 적응할 수 있는지에 달려 있습니다. 모든 시장 부문은 호황과 불황의 사이클이 있습니다. 한 시장 부문이 침체기라면, 제조업체가 성장하는 시장 부문에 적응하는 속도가 사업 성장과 폐업의 차이를 의미할 수 있습니다."