고혼합 소량 생산 터닝을 위한 스마트 자동화: 효율성과 유연성 향상

자동화의 필요성

터닝 적용을 위한 자동화는 수십 년 전부터 존재해왔습니다. 바 피더, 갠트리 로더, 로봇 로더는 주류 자동화 장치입니다. 모두 중대량 적용에서 효과적인 도구입니다. 하지만 시장 압력에 지속적으로 적응하면서 CNC 제조업체들은 더 작은 배치, 더 다양한 부품 형태와 크기 처리로 내몰리고 있습니다. 이러한 진전은 새로운 과제를 안겨줍니다:

• 더 작은 배치 크기가 터닝 적용을 위한 최적의 자동화 선택에 어떤 영향을 미치는가?
• 다양한 부품 크기와 형태를 가공하기에 가장 적합한 자동화 유형은 무엇인가?
• 장비 투자를 최대한 활용하기 위한 모범 사례는 무엇인가?

잠시 뒤로 물러나 현장에서 자동화의 기본 목적을 살펴봅시다. 장비 가동률 증가? 생산 능력 향상? 제조 비용 절감? 인건비 절감?

대부분의 기계 공장 관리자들은 자동화의 진정한 이유, 즉 1순위 동기가 신뢰할 수 있는 자격을 갖춘 노동력 부족이라고 말할 것입니다. 비즈니스를 운영할 노동력이 없다면, 비즈니스는 더 작아지거나 문을 닫게 될 것입니다. 특히 고혼합 소량 제조에서 인력 요구사항 감소는 모든 자동화 프로젝트의 최전선에 있어야 합니다.

하지만 많은 기계 공장 관리자들은 인력을 줄이는 장비 투자를 꺼립니다. 이 결정의 이유는 인건비를 과소평가하고 장비 비용을 과대평가하는 경향 때문일 것입니다.

25만 달러 CNC 기계가 15달러/시간 작업자보다 분명히 더 비싸 보일 수 있습니다. 그러나 복리후생, 세금, 교육비를 더하면 작업자의 순비용은 약 21달러/시간입니다. 비즈니스 성장을 위한 노동력이 없다면 그 가치는 훨씬 더 높습니다. CNC 기계 비용을 15년으로 상각하고 금융 비용, 유지보수, 전력, 임대료를 더하면, CNC 기계는 연중무휴 24시간 운영 기준 시간당 약 3달러의 소유 비용이 듭니다. 인력 요구사항을 줄이는 투자는 초기 가격표가 높을 수 있지만, 보통 탁월한 수익률을 제공합니다.

고혼합 소량 생산(High Mix, Low Volume)

고혼합은 다양한 유형의 부품을 의미합니다: 바, 샤프트, 슬러그, 빌릿, 주조품, 단조품 등 다양한 특징을 가진 부품들입니다.

소량 생산은 작은 배치 수량을 나타냅니다. 하지만 '작다'의 정의는 누가 묻느냐에 따라 다릅니다. 배치의 조각 수에 초점을 맞추기보다는, 배치를 실행하는 데 얼마나 걸리는지, 또는 배치 시간 중 셋업이 차지하는 비율이 얼마인지 고려하는 것이 종종 더 좋습니다. 셋업 시간이 배치 실행 시간의 10% 이상이라면, 그 작업은 소량 제조의 영역에 속합니다.

이 정의가 중요한 이유는 고혼합 제조는 유연한 제조 장비에 의존하는 반면, 소량 제조는 짧은 셋업 시간을 가져야 하기 때문입니다. 제조가 고혼합이고 소량이라면, 최적의 장비 선택이 어려울 수 있습니다. 공장은 큰 그림을 보고 노동력의 비용과 가용성 대비 장비 비용을 신중히 고려해야 합니다. 이는 주어진 시설에 가장 적합한 선반과 자동화 유형을 더 나은 선택하는 데 도움이 될 것입니다.

고혼합 소량 생산을 위한 선반 옵션

고혼합 소량 제조를 위한 선반 선택 시 인력 감축 필요성을 과소평가하는 것이 공장들이 저지르는 가장 큰 실수입니다. 이들은 종종 기존 밀링 머신에 작업을 추가하는 편을 위해 밀링 기능을 포기합니다. 서브 스핀들, 퀵체인지 툴링 또는 척의 추가 비용이 이러한 기능을 불필요한 사치로 보이게 할 수 있습니다.

하지만 공장 관리자들은 인력을 줄이는 비싼 옵션을 구매한 것을 거의 후회하지 않습니다. 작업자 인력을 줄이는 기계 옵션은 거의 항상 높은 ROI를 가집니다. 퀵체인지 척 조, 퀵체인지 콜렛, 퀵체인지 툴링은 고혼합 소량 작업을 수행하는 모든 선반에 설치해야 합니다. 단일 기계에서 부품을 원샷으로 가공할 수 있는 유연성을 제공하는 옵션도 훌륭한 ROI를 가집니다.

필수 옵션: 서브 스핀들(The 'Must-Have' Subspindle)

거의 모든 터닝 부품은 두 번의 작업이 필요합니다. 선반을 자동화할 때, 서브 스핀들은 종종 간과되거나 오해되는 특히 유익한 옵션입니다. 선반이 바 작업만 하고 서브 스핀들이 파팅 너브(parting nub) 제거만 허용하더라도, 서브 스핀들은 작업자가 부품을 재적재하거나 손으로 너브를 갈아내는 것에 비해 기계 수명 동안 스스로 비용을 회수합니다.

척킹 적용을 자동화하는 것은 서브 스핀들이 진정한 배당금을 지불하는 곳입니다. 서브 스핀들이 없으면, 일반적인 로봇이나 갠트리 로더는 한 번에 단일 작업만 완료할 수 있습니다. 첫 번째 작업이 완료되면, 작업자는 두 번째 작업을 위해 척 조를 셋업하고, 부품을 뒤집고, 다시 인피드에 적재해야 합니다.

서브 스핀들 추가를 결정할 때 다음 질문들을 고려해야 합니다:

• 만들 모든 부품이 완성된 면을 아래로 하여 인피드에 놓이는가?
• 부품이 첫 번째 작업에서 두 번째 작업으로 클로킹(clocking)이 필요하며, 인피드가 클로킹을 안정적으로 유지할 수 있는가?

이 질문들 중 하나라도 아니오라면, 서브 스핀들이 없으면 두 번째 작업은 수동 적재가 필요하여 인력과 제조 비용이 증가합니다.

바 피드, 갠트리, 또는 로봇 로더

일반적으로 기계에 계획된 작업 유형이 선택할 자동화 유형을 결정합니다. 고혼합은 다양한 크기와 형태의 부품에 대한 유연성을 필요로 합니다. 소량은 작은 배치를 처리하기 위한 짧은 셋업 시간을 요구합니다. 불행히도 고혼합 소량 적용에 대한 명확한 자동화 결정은 없습니다. 최적의 선택은 보통 자동화가 지원해야 하는 부품 혼합 범위에 의해 결정됩니다.

바 피더(Bar Feeders)

바 피더는 선반을 위한 가장 인기 있는 자동화 선택입니다. 단순하고 신뢰할 수 있으며 저렴합니다. 바 피더의 주요 제한사항은 부품 크기로, 최대 직경 약 4.75인치입니다. 고혼합 소량 적용에서는 매거진 스타일, 서보 구동, 쇼트 로드 바 피더가 일반적으로 가장 넓은 범위의 바 크기와 가장 짧은 셋업 시간을 제공합니다. 바 피더의 제한사항 내에 주로 해당하는 작업이라면, 이기기 힘든 선택입니다.

갠트리 로더(Gantry Loaders)

갠트리 로더는 또 다른 검증된 선반 자동화 기술입니다. 갠트리 로더는 종종 선반 제조사로부터 통합 솔루션으로 직접 제공되므로, 복잡한 자동화 장비를 복잡한 CNC 선반과 결합하는 걱정이 적습니다. 기능면에서 갠트리 로더는 로봇 로더와 매우 유사하게 작동합니다: 인피드에서 부품을 집어 선반 척에 적재하고, 작업이 완료되면 척에서 부품을 꺼내 아웃피드에 배치합니다. 갠트리 로더는 일반적으로 효율성 향상을 위해 듀얼 그리퍼로 구성됩니다. 듀얼 그리퍼를 사용하면 로봇이 방금 완료된 부품을 언로드하면서 다음 가공할 부품을 다른 그리퍼로 잡을 수 있습니다.

갠트리 로더는 일반적으로 샤프트나 척 작업물을 가동하도록 구성할 수 있습니다. 유사한 부품 간 셋업 시간은 비교적 짧을 수 있지만, 2인치 x 15인치 샤프트에서 6인치 직경 퍽으로 변경하는 것은 꽤 길어질 수 있습니다. 갠트리 로더의 또 다른 제한사항은 일부 부품 크기와 형태를 전혀 처리하지 못할 수 있다는 것입니다. 갠트리 로더는 종종 원자재와 완성 부품이 서로 위에 쌓여야 하는 퍽에 대해 스태킹 로더를 사용합니다.

로봇 로더(Robot Loaders)

불과 몇 년 전만 해도 로봇 로더는 완전 맞춤형 시스템으로만 제공되었습니다. 이들은 고비용 시스템으로, 대량 적용을 대상으로 하며 일반적으로 고혼합 소량의 요구사항에 잘 맞지 않았습니다. 오늘날, 여러 새로운 기술 개발로 로봇 로더가 고혼합 소량 적용을 위한 매력적인 선반 자동화 옵션이 되었습니다.

코봇 로더(Cobot Loader)

협동로봇, 즉 코봇은 특별한 안전 조치가 필요 없고, 이동 가능하며, 비교적 프로그래밍이 쉽기 때문에 인기 있는 옵션이 되었습니다. 그러나 새 코봇을 개봉하여 생산적인 고혼합 소량 자동화 기계에 추가하는 것은 어려운 작업일 수 있습니다. 그리퍼 장착과 인피드/아웃피드, 도어 오프너, CNC 인터페이스 설계 및 구축은 사소한 작업이 아닙니다. 이론적으로 코봇 로더는 다양한 부품 형태와 크기를 처리할 수 있지만, 그 효과는 인피드, 아웃피드, 그리퍼가 어떻게 설계되었는지에 달려 있습니다. 셋업 시간은 이 동일한 요소들에 의존하지만, 자체 구축 시스템에서는 자동화 '제품'보다 훨씬 더 길 가능성이 높습니다.

로봇-인-어-박스 로더(Robot-in-a-Box Loader)

로봇-인-어-박스(RIB)는 시장에서 빠르게 견인력을 얻고 있는 새로운 자동화 범주입니다. RIB는 산업용 로봇과 통합 안전 시스템, 그리퍼, 유연한 인피드/아웃피드, 인기 있는 CNC 기계에 대한 표준 인터페이스를 결합합니다. RIB는 일반적으로 사전 프로그래밍되어 있으며, 작업자가 단 몇 시간 만에 배울 수 있는 간단한 사용자 인터페이스를 가집니다. RIB는 일반적으로 갠트리 로더 시스템보다 더 유연한 인피드/아웃피드 시스템을 가집니다. RIB는 종종 이동 가능하여 공장이 자동화를 작업에 가장 적합한 기계에 맞출 수 있게 합니다. 여러 RIB 공급업체들이 짧은 셋업 시간과 유연한 인피드/아웃피드 시스템을 엔지니어링 우선순위로 삼았습니다. 이로 인해 RIB는 일반적으로 고혼합 소량 환경에서 갠트리 로더보다 우위를 가집니다.

멀티그립(MultiGrip) 탑재 RIB

멀티그립(MultiGrip)은 고혼합 소량 자동화 시장을 위해 특별히 설계된 새로운 작업 고정 기술입니다. 이 작업 고정은 버사빌트 로보틱스(VersaBuilt Robotics)가 제조한 VBX-160이라는 RIB에서 사용할 수 있습니다. 처음에는 수직 밀링 머신을 위해 개발되었지만, 이 작업 고정 제품은 선반 적용으로도 확대되어 기존 로봇 그리퍼로는 제공할 수 없는 독특한 기능을 제공합니다. 기존 3-조 그리퍼의 문제점 중 하나는 다양한 형태를 집어올리는 데 항상 적합하지 않다는 것입니다. 둥근 퍽은 잘 처리하지만, 긴 샤프트나 클램핑할 둥근 표면이 없는 부품에는 적합하지 않을 수 있습니다.

멀티그립 로봇 그리퍼는 기존 그리퍼처럼 부품을 집어올리지 않습니다. 대신, 가공 가능한 멀티그립 조(jaws)를 집어올리고 이 조를 사용하여 부품을 잡습니다. 조는 샤프트, 퍽, 거의 무한한 다양한 기하학적 형태에 맞게 쉽게 가공할 수 있습니다. 그러면 로봇은 기존 로봇 로더처럼 기존 콜렛이나 척 조에 부품을 적재할 수 있습니다. 이 시스템은 본질적으로 로봇용 자동 공구 교환장치로, 셋업 시간을 단축합니다.

선택적으로, 선반은 멀티그립 중간 척 조로 구성할 수 있습니다. 이 구성에서 VBX-160은 조와 부품을 선반 척에 직접 적재하여 가공할 수 있습니다. 멀티그립은 로봇용 자동 공구 교환장치이자 선반용 자동 척 조 교환장치 역할을 합니다. VBX-160은 또 다른 셋업 단계를 제거하고 시스템이 단일 적재로 여러 부품 번호를 처리할 수 있게 합니다. 고혼합 소량 적용에서, 시스템은 교대 말미에 최대 4개의 서로 다른 부품 번호로 적재할 수 있으며, CNC에서 적절한 프로그램을 자동으로 선택하여 부품을 가공하므로, 작업자는 아침에 완성된 부품 적재물을 맞이하게 됩니다.

멀티그립 탑재 VBX-160은 직경 6인치, 길이 15인치까지의 샤프트와 직경 10인치, 높이 6인치까지의 퍽을 처리할 수 있습니다.

결론

전반적으로 CNC 제조 환경은 변화하고 있습니다. 고객들은 CNC 공장에 더 복잡한 부품을 짧은 납기와 작은 배치 크기로 요구합니다. 동시에 CNC 기계를 셋업하고 운영할 노동력을 찾기가 점점 어려워지고 있습니다. 툴링, 작업 고정, 자동화에 대한 올바른 투자는 공장이 고객의 니즈를 더 잘 충족하고, 구하기 힘든 노동력에 대한 의존도를 줄이며, 비즈니스의 성장과 수익성을 높일 수 있게 합니다.