자체 통합 시스템 활용으로 정밀 제조 실현: 바나매틱의 코봇 도입 사례

자체 해결 능력의 중요성

자신의 비즈니스를 가장 잘 아는 사람은 그곳에서 일하는 사람들입니다. 소유주, 관리자, 작업자들은 정밀 가공 부품 제조라는 급변하는 세계에서 생계를 유지하려는 모든 회사를 구성하는 수많은 장단점을 매일 다룹니다.

공장이 새로운 더 나은 제조 방식으로 전환하도록 돕기 위해 대기하고 있는 많은 불안한 제3자들이 있지만, 때로는 최고의 답이 공장 내부에 있을 수 있습니다. 이것이 오하이오 주 델포스에 위치한 바나매틱(Vanamatic Company)의 핵심 철학입니다.

바나매틱은 3대째 가업을 잇는 90명 직원의 정밀 가공 부품 제조업체로, 회사의 자립성과 문제 해결 능력을 자랑합니다. 경영진은 내부에서 먼저 답을 찾고, 직원들을 문제/해결 과정에 참여시킨 후, 외부 자원을 활용해 남은 공백을 메웁니다.

수년간 이러한 '적은 것으로 더 많이 하기' 접근법을 통해, 내부 인재를 먼저 활용하는 데 초점을 맞춘 환경에서는 답이 더 쉽게 나오고 직원의 참여라는 추가 이점도 얻을 수 있음을 보여주었습니다. 1954년 창립 이래 회사가 수많은 위기를 극복할 수 있게 한 성공 공식입니다.

협동로봇(코봇) 도입으로 자동화 확대

회사의 최신 주요 시스템 통합 움직임은 협동로봇(코봇)을 사용하여 여러 작업을 자동화하는 것입니다. 코봇은 독립적으로 작동하거나 인간 작업자와 협력하여 사이드킥 역할을 할 수 있습니다. 코봇은 비교적 최근의 발전으로, 특히 바나매틱처럼 혼잡한 현장에서 로봇을 훨씬 더 실용적인 도구로 만듭니다.

좋은 시작(A Good Beginning)

수년간 플랜트 매니저 아담 윌츠이(Adam Wiltsie)는 공장 전반에 걸쳐 인력 절감과 공정 개선을 설계하고 개발해왔습니다. 그러한 장치 중 하나는 부품 세척 및 적재 캐러셀의 조합으로 시작되었습니다.

이는 생산 중인 부품에 필요한 적절한 게이지를 갖춘 기계 전용 게이징 스테이션으로 진화했습니다. 공장의 중앙 ERP 시스템과 연결되어 작업자에게 실시간 상태 정보와 셋업, 측정, 작업 실행 정보를 손끝에서 제공합니다. 이 장치들은 내부에서 설계, 제작, 통합되었습니다.

윌츠이 씨는 또한 선반과 밀링 머신의 로딩/언로딩을 위한 픽앤플레이스 자동화를 주도했습니다. 기본적으로 이 장치들은 작업자가 수행하는 단조로운 작업을 덜어주기 위해 설계된 기계적 셔틀 로더/언로더였습니다. 이들은 유연성이 거의 없는 고정 자동화였습니다.

로봇은 바나매틱에게 논리적인 다음 단계였습니다. 무역 전시회에서 코봇(사람 옆에서 안전하게 작업할 수 있는 근접 감지 기능이 있는 로봇) 시연을 본 후, 윌츠이 씨는 기술이 자사의 필요를 따라잡았음을 깨달았습니다. 안전 울타리 없이 작업자 옆에서 작동하는 6축 관절형 암이 완벽했습니다. 그리고 리치 린드만(Rich Lindeman)의 조립 스테이션이 시작하기에 완벽한 장소였습니다.

첫 번째 코봇 '에델(Ethel)' 도입

바나매틱의 첫 번째 코봇은 에델(Ethel)이었습니다. 50년 만근을 최근 축하한 그녀의 핸들러 린드만 씨가 이름을 지었습니다. 린드만 씨와 에델이 짝을 이룬 조립 작업에서, 아마도 린드만 씨는 자신을 루실 볼로, 코봇을 그녀의 든든한 친구 에델 머츠로 보았을지 모릅니다. 초콜릿 사탕 컨베이어 벨트에서 일하는 것처럼 말입니다.

린드만 씨가 수행했을 조립 작업은 144개 부품이 담긴 팔레트에서 시작하는 8단계 프로세스입니다. 부품을 집어들고, 게이지에서 중요한 길이 측정값을 확인하고, 부품 끝에 작은 O-링을 조립하고, 내경을 불어내고, 스페이서를 나사산 위로 밀어 육각 부분에 밀착시키고, 조립을 검증하고, 출하용 포장에 넣습니다.

바나매틱의 플랜트 매니저 윌츠이 씨에 따르면, "린드만 씨는 이 작업을 문제없이 수행해왔고 한동안 성공적으로 해왔습니다. 한 번 수행하는 문제가 아니라, 이 조립의 주문 수량인 50만 번을 수행하는 것이 문제입니다."라고 말합니다. "연료 분사 시스템용 라인 레디 부품이라 완벽해야 합니다. 저도 40살인데 직접 조립해보니 수천 개만 해도 아프고 품질도 완벽하지 않았습니다. 린드만 씨를 폄하하는 게 아니라, 이 특정 주문의 조립은 인간을 위한 일이 아니었고, 제가 알게 된 바로는 비인간적인 일이었습니다."

에델은 유니버설 로봇(Universal Robots)이 만든 UR3 모델입니다. UR이 만드는 가장 작은 코봇으로, 인간과 거의 동등한 동작 범위를 가집니다. 페이로드는 6.6파운드(약 3kg), 반경 도달 거리는 19.7인치(약 50cm), 설치 면적은 5.9제곱인치입니다. 그러나 바나매틱의 연료 분사기 조립 적용에서는 로봇이 시작에 불과했습니다.

작업 공간 설계와 포카요케 적용

인간 작업자를 위한 작업 공간 배치에서 인체공학은 중요한 고려사항입니다. 작업이 활동 구역으로 들어오는 위치, 이 조립 작업의 측정 게이지 같은 보조 장비 배치, O-링과 스페이서가 조립 활동과 관련하여 어디에 놓이는지, 가공 부품의 방향, 아웃바운드 포장 위치 등이 포함됩니다.

인체공학이 린드만 씨에게 중요하지만, 에델에게는 절대적으로 중요합니다. 그녀는 똑똑하지만 미세한 동작 변경 결정을 내리고 프로그래밍을 넘어 적응하는 지능은 부족합니다. 향후 비전 시스템으로 해결될 예정입니다. meanwhile, 들어오는 트레이에 '포카요케(실수 방지)'를 사용하는 것은 에델의 프로그램이 매번 올바른 위치에서 올바르게 시작되도록 보장하는 간단하고 신뢰할 수 있는 수단입니다.

바나매틱 엔지니어들은 공장 레이아웃, 기계 시뮬레이션, 회사 내 영역의 그래픽 및 가상 표현 등 제조 공정의 다양한 측면을 설명하기 위해 CAD 모델링을 사용합니다. 이러한 기술은 린드만 씨와 에델의 작업 공간 준비에 적용되었습니다. 엔지니어들은 그것을 보고, 실행하고, 무엇이든 만들거나 사기 전에 '가정(what-if)' 테스트를 할 수 있습니다.

"코봇용 프로그래밍 도구는 광범위하고 사용 편의성을 위해 잘 설계되어 있습니다." 윌츠이 씨가 말합니다. "우리는 셀의 작업 환경을 설계하고 구축하는 우리의 잘 다듬어진 내부 능력을 가져왔습니다. 연료 분사기 부품을 조립하는 데 필요한 8개 작업을 포함하는 시스템에 코봇을 통합하는 우리의 내부 설계 및 구축 능력은 회사에 상당한 투자 비용을 절약했습니다. 또 다른 장점은 내부 설계 및 구축 능력으로 시간이 지남에 따라 쉽게 변경하고 개선할 수 있다는 것입니다."

오늘날 린드만 씨의 조립 작업은 린드만 씨의 2단계(팔레트 적재와 완제품 포장)와 에델의 6단계(그 사이의 작업)로 구성됩니다. 그들은 훌륭한 관계를 유지하고 있습니다.

두 번째 코봇 '록시(Roxy)' 도입

바나매틱에서 에델 설치가 성공한 지 1년도 안 되어 두 번째 코봇, 역시 UR3가 도착했습니다. 그녀의 핸들러 진 딕맨(Gene Dickman)이 록시(Roxy)라는 이름을 지었습니다. 그녀의 임무는 에델보다 더 간단했습니다. 기본적으로 오미턴(Omni-Turn) 선반을 관리하며, 블랭크를 적재하고 완성된 터닝 부품을 언로드합니다.

이 작업에서 록시의 강점은 유연성입니다. 오미턴은 저용량, 고품종 부품을 가공합니다. 프로그램과 엔드이펙터(그리퍼)를 빠르게 변경하는 능력이 그녀의 성공 열쇠입니다.

이 적용에서 바나매틱은 내부 엔지니어링을 활용하여 더블 그리퍼를 설계하고 통합했습니다. 그래서 록시는 부품을 로드하고 언로드하기 위해 기계에 한 번만 진입하면 됩니다. 로봇의 작은 설치 면적과 가벼운 무게(24.3파운드, 약 11kg)는 오미턴 전면에 쉽게 장착할 수 있게 합니다. 바나매틱 엔지니어들은 기계와 록시를 통합하는 맞춤형 마운팅 브라켓을 도면화하고 제작했습니다. 또한 로봇과 기계가 통신할 수 있는 인터페이스 소프트웨어를 작성했습니다.

실행하며 배우기(Learning by Doing)

교육은 누적됩니다. 일반적으로 사람들은 이전 수업에서 구축된 기반 위에 새로운 것을 배우며 배웁니다.

바나매틱의 세 번째 코봇 설치인 로키(Rocky)도 마찬가지입니다. 로키는 록시 통합 후 약 196일 만에 현장에 투입되었고, 이 기계들과 필요한 보조 장비 통합의 학습 곡선이 빨라지면서 프로젝트 간 간격이 단축되었습니다.

로키는 그의 핸들러 폴 마이링(Paul Meiring)이 이름을 지은 또 다른 UR3 모델입니다. "첫 두 코봇 적용에서 배운 것을 로키 가동에 적용했습니다." 윌츠이 씨가 말합니다.

로키의 과제는 또 다른 머신 텐딩 작업(이번에는 VMC)이었는데, 록시의 것보다 더 복잡했습니다. 다른 두 적용과 마찬가지로 바나매틱 엔지니어들은 들어오는/나가는 부품 컨베이어의 방향을 포함한 작업의 가상 모델을 만들었습니다.

이 로딩 작업에서 코봇은 기계의 도어 개폐를 없애기 위해 기계의 작업 구역 내부에 배치되어야 했습니다. 기계 내부 공간이 좁기 때문에 로키는 거꾸로 장착되어 내부에서 설계/제작한 브라켓으로 기계 칼럼에 부착되었습니다. 부품 블랭크는 가드 외부의 컨베이어에 적재되어 로키에게 전달됩니다.

로키는 컨베이어의 고정된 위치에서 부품 블랭크를 집어들고, 작업물을 워크홀더의 두 번째 클램핑 스테이션으로 이동시키는 추가 임무도 수행합니다. 코봇과 기계 CNC 간의 타이밍은 로봇과 기계 간의 통신을 사용하여 바나매틱이 프로그래밍했습니다.

부품 가공 후, 로키는 나가는 컨베이어로 방출하기 전에 각 부품을 공정 내 코그넥스(Cognex) 게이지로 검증합니다. 코봇은 불량 부품을 별도 빈에 언로드하도록 프로그래밍되어 있으며, 3회 연속 불량 발생 시 알람을 울립니다.

"이 설치는 우리의 VMC 로딩에서 한 단계 진전된 것입니다." 윌츠이 씨가 말합니다. "이전에 VMC에 통합했던 셔틀 로더와 비교할 때, 우리가 지금 누리는 코봇 시스템의 유연성은 미래 비즈니스 성장에 대한 약속을 나타냅니다."

뜻밖의 지원군: 산업재해보상국(BWC)

바나매틱 경영진이 현장 통합 계획을 진행하면서, 많은 사람들이 고려하지 않을 아군을 발견했습니다. 대부분의 회사처럼 바나매틱도 산업재해보상국(Bureau of Workman's Compensation, BWC)과 거래합니다. 때로는 BWC의 규제 집행 역할 때문에 그 거래가 덜 우호적일 수 있습니다.

그러나 바나매틱의 코봇 설치 프로젝트에서 BWC에서 동지를 찾았습니다. 오하이오 주에서 BWC는 기업이 단순하고 복잡한 수단을 통해 잠재적 산재 청구를 줄이도록 돕기 위한 보조금을 제공합니다.

바나매틱은 자동화 노력에 대한 보조금을 신청하여 수여받았으며, 이는 코봇 구매 및 설치 비용에 크게 기여했습니다. 이러한 보조금이 모든 주에서 제공되지는 않을 수 있지만, 물어보는 데 해가 될 것은 없습니다.

공장이 자동화를 이용한 시스템 통합, 통신, 더 나은 워크플로 기술을 검토하든, 현장 정당화는 작업자 대체에 관한 것이 아닙니다. 오히려 작업자 업무 향상에 관한 것입니다. 윌츠이 씨와 오하이오 BWC는 업계 전반의 채용 문제가 때로는 사람에 관한 것보다 우리가 하라고 요청받는 일자리에 관한 것일 수 있다는 점에 동의하는 것 같습니다.