CNC 가공: 로봇 제조 성공의 열쇠

요즘 로봇은 영화, 공항, 식품 생산, 로봇을 만드는 공장 등 곳곳에 있습니다. 로봇의 기능과 용도는 다양하며, 제조가 쉽고 저렴해지면서 산업 현장에서 점점 더 흔해지고 있습니다. 로봇 기술 수요가 늘고 제조사가 이에 발맞춰야 하는 상황에서 로봇 부품 제조의 주된 방식은 CNC 가공입니다. 기계 표준 부품, 로봇용 소재, CNC 가공이 로봇 제조에 중요한 이유를 알아보겠습니다.

CNC 가공, 로봇에 최적화된 이유

첫째, CNC 가공은 극도로 빠른 리드타임으로 부품을 생산합니다. 3D 모델만 준비되면 즉시 CNC 장비로 부품 가공을 시작할 수 있어 시제품 신속 반복과 특수 용도 맞춤형 로봇 부품의 빠른 납품이 가능합니다.

둘째, CNC 가공은 설계 사양대로 부품을 정밀 제작합니다. 이 제조 정밀도는 치수 정밀도가 고성능 로봇의 핵심인 로봇 분야에서 특히 중요합니다. 정밀 CNC 가공은 ±0.015mm의 엄격한 공차를 유지할 수 있으며, 이렇게 정교하게 만든 부품 덕분에 로봇은 정밀하고 반복 가능한 움직임을 구현합니다.

셋째, 표면 조도도 CNC 가공을 선택하는 이유입니다. 맞물리는 부품은 마찰이 낮아야 하는데, 정밀 CNC 가공으로 Ra 0.8μm 이하의 표면 조도를 구현할 수 있고 연마 등 후공정으로 더 낮출 수도 있습니다. 반면 다이캐스팅(후공정 전)은 통상 5μm 수준, 금속 3D 프린팅은 더 거친 표면이 나옵니다.

넷째, 로봇에 쓰이는 소재가 CNC 가공에 적합합니다. 로봇은 안정적으로 움직이고 물체를 들어 올려야 하므로 강하고 단단한 소재가 필요합니다. 이러한 특성은 특정 금속과 플라스틱 가공으로 가장 잘 구현됩니다(소재 섹션 참조). 또한 로봇은 주문 생산이나 소량 생산이 많은데, CNC 가공이 로봇 부품에 자연스러운 선택입니다.

CNC 가공으로 제작하는 로봇 부품 유형

기능이 다양해 여러 유형의 로봇이 진화했습니다. 대표적으로 관절 로봇(단일 암에 다중 관절), SCARA 로봇(두 평행 평면 간 물체 이송, 수직 강성 높음), 델타 로봇(관절이 하부에 있어 암이 가볍고 고속 이동), 갠트리/카르테시안 로봇(직교 리니어 액추에이터) 등이 있습니다. 각각 구성과 용도가 다르지만 일반적으로 로봇을 이루는 5대 핵심 구성요소(매니퓰레이터, 엔드 이펙터, 모터, 컨트롤러, 센서)는 동일합니다.

로봇 암

로봇 암은 형태와 기능이 다양해 여러 부품이 쓰입니다. 공통점은 물체를 이동시키거나 조작하는 능력입니다. 사람 팔처럼 어깨, 팔꿈치, 손목 관절이 회전하며 중간 부품의 움직임을 제어합니다.

로봇 암 구조 부품은 물체를 들거나 힘을 가할 수 있도록 강성과 강도가 있어야 합니다. 이를 충족하는 소재(강철, 알루미늄, 일부 플라스틱) 가공에 CNC가 적합합니다. 관절의 기어·베어링, 암 주변 하우징 같은 소형 부품도 CNC 가공 가능합니다.

로봇 엔드 이펙터

엔드 이펙터는 로봇 암 끝에 장착되는 부착물입니다. 완전히 새로운 로봇을 만들지 않고도 다양한 작업에 맞춰 기능을 커스터마이징할 수 있습니다. 그리퍼, 진공 흡착컵 등이 대표적입니다.

이들 엔드 이펙터는 통상 금속(주로 알루미늄)으로 CNC 가공된 부품을 포함합니다. 한 부품은 로봇 암 끝에 영구 고정되고, 실제 그리퍼나 흡착컵 등 엔드 이펙터가 이 조립체와 결합돼 로봇 암으로 제어됩니다.

이처럼 두 부품으로 분리된 구조 덕분에 다양한 엔드 이펙터를 쉽게 교체해 로봇을 여러 용도에 적응시킬 수 있습니다. 아래 이미지에서 하부 디스크는 로봇 암의 대응 부품에 볼트로 체결돼 흡착컵 작동용 호스를 로봇 에어 공급원에 연결합니다. 상·하부 디스크 모두 CNC 가공 부품입니다.

로봇 구동 모터

모든 로봇은 암과 관절 움직임을 구동할 모터가 필요합니다. 서보 모터가 로봇 작동을 동력화합니다.

모터 자체에도 많은 가동 부품이 있으며 다수가 CNC 가공됩니다. 일반적으로 모터는 동력 공급용 가공 하우징과 로봇 암 연결용 가공 브래킷을 가지며, 이러한 브래킷은 주로 CNC 가공됩니다. 로봇의 베어링과 샤프트도 보통 CNC 가공됩니다. 로봇 축은 CNC 선반에서 직경을 줄이거나 밀링 머신에서 특수 형상을 가공합니다.

모터 동력을 로봇 관절이나 다른 구성요소로 전달하는 기어는 밀링 머신, 방전 가공기(EDM), 기어 호빙 머신으로 CNC 가공할 수 있습니다.

컨트롤러

컨트롤러는 로봇의 두뇌로, 예상대로 정밀한 움직임을 제어합니다. 로봇의 컴퓨터로서 센서 입력을 받아 출력 제어 프로그램을 수정합니다. 전자 부품을 실장할 인쇄회로기판(PCB)이 필요합니다. 이 PCB는 전자 부품 실장 전 CNC 가공으로 원하는 크기와 형상으로 제작할 수 있습니다.

센서

앞서 언급한 대로 센서는 로봇 주변 정보를 수집해 컨트롤러에 피드백합니다. 센서에도 CNC 가공 가능한 PCB가 필요하며, 때로는 CNC 가공된 하우징에 장착되기도 합니다.