컨베이어의 형태는 일반적으로 직선이지만, 원호 또는 반원 정도의 컨베이어에 동기를 해야 하는 경우도 있다. 이것은 인덱스와는 구별이 되는 것인데, 인덱스의 경우는 각도를 분할하고 정지된 상태에서 주어진 임무를 수행하는 방식이지만, 원형 컨베이어는 정지하지 않고 연속적으로 작업을 수행하는 것이다. 이것은 인덱스 타입의 경우, 정지해야 하는 시간이 전체 제품 생산 시간에 지연요소이므로, 가능하다면 원형 컨베이어 형태의 동기를 수행하는 것이 효율적이다.
그림 1의 경우는 원형 컨베이어의 동기만을 보여주는 데모이므로 1대의 스카라 로봇을 사용하고 있으나, 경우에 따라서 2대 이상의 로봇이 원형 컨베이어에 동기를 하는 경우도 있다. 만약에 제품의 공정이 6개 공정으로 구성된다면 제품의 투입과 추출을 하는 부분과 각각의 공정을 동기를 해가면서 수행하게 된다.
▲ 그림 1 원형 컨베이어의 동기 기능을 보여주는 데모
이때 모든 공정에 스카라 로봇이 필요한 것이 아니라, 경우에 따라서 실린더 등 다양한 기능으로 공정을 수행하게 된다. 여기에 로봇이 필요한 경우에 스카라 로봇이 원형 컨베이어 동기 기능을 사용해서 구현할 수 있다. 이러한 원형 컨베이어의 경우는 제품 위치와 유무 판단에 있어서 비전 시스템을 사용하는 경우도 있으나, 센서만으로 정해진 위치의 제품 유무와 제품이 감지되는 순간부터 일정 각도를 이동하고 나면 로봇에서 각도를 인식해서 작동 범위에 제품이 진입하면 주어진 임무를 수행하게 할 수 있다.
여기서 고려해야 하는 것은 원형 컨베이어이므로 중심점으로부터의 거리에 따라서 각도가 변하는 양에 따른 제품의 위치 편차가 크게 발생한다는 것이다. 이것은 직선 컨베이어와 가장 큰 차이점이므로 적용 방법에 따라서 구현 가능성 유무를 고려해서 로봇을 선정해야 한다.
이 기능의 가장 큰 차이점은 인덱스와 다르게 정지된 위치에서 임무를 수행하는 것이 아니라 연속적으로 회전 중에 로봇이 주어진 임무를 수행할 수 있다는 것이다. 이것은 직선 컨베이어의 경우도 정지된 위치에서 작업을 수행하는 것에 비해서 연속적으로 흐름 상태를 유지하면서 작업하는 것이 생산성에도 현저하게 차이가 나고 기구의 충격 등 다른 2차적인 문제의 요소를 줄일 수 있다.
2개의 컨베이어 동기 기능
제품의 포장에 있어서 2개의 컨베이어에 동기를 해야 하는 경우가 있다. 이것은 파우치 제품이 분당 생산량이 많은 제품에서 사용하는 방법으로서, 1개의 컨베이어는 제품 공급 컨베이어이고 다른 컨베이어는 박스를 이동시키는 컨베이어로 구성이 될 수 있다.
도시바 로봇은 1개의 비전 시스템으로 여러 대의 로봇이 동시에 연결해서 작업을 배분하고 작업할 수 있는 기능을 가지고 있으며 우선순위가 높은 제품을 먼저 집어서 박스에 포장할 수 있는 기능도 가지고 있다. 이 기능의 구현을 위해서 로봇 제어기는 2개의 엔코더를 동시에 읽을 수 있는 기능을 가지고 있으며 3개의 Trigger 신호를 연결해서 동기 시점을 연산 할 수 있는 하드웨어가 준비되어 있다.
그림 2의 시스템 구성도에서 정렬된 제품의 이동하는 컨베이어는 Attach Conveyor를 사용할 수도 있고 제품이 정렬되는 위치에 박스를 위치시켜서 박스에 정해진 수량을 담는 소포장 공정으로 할 수 있다. 이런 소포장의 경우는 파우치 수량이 1개의 박스에 여러 개의 제품이 포장되고 이것의 생산 수량이 많은 인력이 투입되는 경우에 자동화에 적합한 방법이다.
▲ 그림 2 시스템 구성도
그림 2의 시스템 구성도에 의하면 아래의 컨베이어에서는 제품이 무작위로 생산되어서 배출되는 라인이고, 상부의 컨베이어는 박스에 일정하게 담는 컨베이어에 해당한다. 하부의 컨베이어는 연속적인 흐름을 유지하는 상태에서 제품이 공급되고 있고 상부의 포장 박스 또는 Bucket에 일정량을 담아야 하는 경우에는 연속적인 흐름을 유지하는 상태에서 각각의 로봇이 정해진 수량을 포장하면서 동기를 유지하는 것이 가능하겠으나, Bucket을 탑재한 Attach Conveyor를 사용하는 경우도 있다.
상부의 박스 또는 Bucket이 간헐적으로 움직이게 되면 전체 생산 수량에 비해서 연속적으로 흐름을 유지하는 경우에 비해서 생산성은 약간 손해를 볼 수 있으나 장비의 전체 가격을 고려하면 Attach Conveyor의 경우가 유리할 수도 있다. 이것은 전체 사용 가능한 로봇의 대수, 단위 시간당 생산량, 제품의 종류를 고려해서 방식을 선정해야 한다. 일부 로봇 제조사에서 제공하는 연속 흐름 방식의 제어는 이것만을 위한 소프트웨어만도 수천만 원을 하는 경우도 있다.
그리고 비전 시스템의 인터페이스는 1대의 비전에 1대의 로봇을 연결하는 것이 아니라, 1대의 비전에 다수의 로봇을 연결할 수 있는 시스템으로 구성되어 있다. 이 경우에 비전에서 로봇 제어기와 프로토콜을 맞추어야 하는데 비전이 다수의 오브젝트(Object)를 판별하고 도시바 로봇 제어기와 인터페이스 가능한 프로토콜 구성이 가능해야 사용할 수 있다.
더불어서 비전 시스템이 가지고 있는 좌표계와 로봇이 가지고 있는 좌표계가 다르기 때문에 좌표계를 맞출 수 있는 기능을 비전 시스템이 가지고 있어야 여러 대의 로봇을 동시에 연결할 수 있다. 이것은 전체 시스템 구성의 가격을 낮출 수 있고 가성비 높은 시스템을 구성할 수 있는 이유이기도 하다.
제어 시스템의 구성은 로봇 제어기에 2개의 채널을 연결할 수 있는 하드웨어가 준비되어 있기 때문에 동시에 2개의 컨베이어를 동기할 수 있고 비전 시스템에서 보내온 영상 좌표 데이터를 1개의 컨베이어당 100개의 이미지 데이터를 동시에 동기할 수 있다. 비전 시스템의 연결 방식에서 비전이 이미지 좌표 데이터를 로봇 제어기에 보낼 때 동기 시작 신호인 Trigger 신호는 매우 중요한데, 이것이 동기 위치의 기준 시간이 되기 때문이다.
▲ 그림 3 도시바 로봇 비전 시스템 연결 방식
▲ 그림 4 제어 시스템 구성도
이때 Trigger 신호는 비전이 이미지를 촬영하면서 로봇 제어기에 보내 줄 수도 있고 로봇 제어기에서 Trigger 신호를 비전 시스템에 보내어 비전 시스템에서 이미지를 촬영하고 로봇 제어기에 데이터를 보내는 방식을 사용할 수 있다. 어느 방식을 사용해도 문제는 없으나 비전 시스템에서 Trigger 신호를 보내는 경우는 컨베이어의 속도에 따라서 비전의 이미지 데이터 전송 속도를 결정하기 어렵다는 단점이 있다.
대부분 컨베이어 동기 시스템은 컨베이어의 속도가 거의 일정한 상태이거나 변화될 속도를 미리 정하기 때문에 그에 따른 비전 촬영 주기를 결정하면 되지만, 좀 더 유연한 시스템의 구현을 위해서는 제어기가 Trigger 신호를 관리 하는 게 유리하다. 이것은 컨베이어의 속도 변화에도 항상 같은 컨베이어 이동 거리마다 이미지를 촬영하고 데이터를 보낼 수 있도록 시스템 구성이 가능하다. 그래서 컨베이어의 속도가 변하더라도 문제없이 일정 거리 간격의 이미지 데이터 동기를 할 수 있다.
검사 장비 양불 판정
제품을 생산하고 나면, 제품의 양불 판정은 자동화 과정에서 반드시 필요한 공정이다. 이 공정은 사람만이 할 수 있는 공정이나, 대부분 경우는 로봇도 할 수 있는 일이다. 최근 추세는 인력관리의 어려움과 임금 상승, 균일한 숙련도 보증의 어려움 등으로 다양한 형태의 로봇을 이용한 검사 공정을 도입하고 있다.
로봇을 이용하는 경우에 제품의 특성과 형태에 따라서 로봇의 종류를 선택하게 되는데, 검사 공정의 대부분은 수평 이동에 의한 투입, 검사, 분류로 공정이 구성되기 때문에 스카라를 이용한 검사 공정이 가성비에서도 월등하고 동작의 신뢰성과 제품 변경 등에 대응하는 유연성에서도 다른 종류의 로봇보다 우수함으로, 대체로 스카라 로봇을 이용하는 경우가 많다.
▲ 그림 5 로봇 이용한 검사 공정 구조
도시바 스카라 로봇의 경우는 Ethernet, Serial Port가 표준으로 탑재되어 있고 EtherCAT, CC-Link, Profibus 등 다양한 필드버스를 제공함으로써 검사 공정의 데이터 인터페이스를 원활하게 할 수 있다. 검사 공정은 비전 시스템을 채용하는 경우가 많으나 센서류를 이용하는 경우도 적지 않다.
비전으로 사용하는 경우는 치수, 외관 상태, 부품 삽입 여부, 이물질 검사 등이 주를 이루고 센서를 사용하는 경우에 더 정밀하고 신뢰성 있는 치수의 측정이거나 제품의 형상을 파악하거나, 때에 따라서는 방수 등 제품의 기능을 테스트하는 경우도 있다.
스카라 로봇 PC 제어
IoT 발달과 4차 산업혁명, 스마트공장 등의 개념이 도입되면서 제조공정의 모든 데이터를 상위에 수집해서 분석하고 생산시스템도 유연한 생산시스템으로 탈바꿈해서 다품종 소량 생산이 가능한 시스템으로 변화하고 있다. 또한, 이전에 어려웠던 가능한 모든 데이터를 수집해서 빅데이터를 분석하는 것에 많은 역량을 투입하고 있다.
▲ 그림 6 PC 제어에 의한 생산시스템 구성도
여기에서 중요한 것은 네트워크를 통해서 어떻게 원하는 데이터를 실시간으로 보내줄 수 있느냐 하는 것이다. 인터넷의 발달로 더 많은 데이터를 더 빠르게 더 싸게 주고받을 수 있는 기술은 하루가 다르게 발달하고 있으므로 제조업의 종단에 있는 산업 일꾼으로서의 로봇이 데이터를 어떻게 보내줄 수 있느냐 하는 것이 이슈로 대두되고 있다.
도시바 로봇은 PC에서 제어할 수 있는 라이브러리를 제공함으로써 사용자 입장에서 수월하게 프로그램 구현할 수 있도록 지원하고 있고 단순한 데이터의 송수신뿐 아니라, 제어 기능도 구현할 수 있게 라이브러리를 제공하고 있다. 이뿐만 아니라 PLC에서도 자유롭게 제어하고 데이터를 주고받을 수 있도록 통신 프로토콜을 공개하고 있다. 통신 프로토콜의 내용을 이메일(acting@acteng.co.kr)로 요청하면 적극적으로 대응하고 있다.
통신 프로토콜과 라이브러리를 이용하는 것은 기본적인 매뉴팩처링 셀(Manufacturing Cell)을 구현하는 데 많은 도움이 되고 있다. 공정상 한 개의 Cell은 제조 장비, 부품 핸들링 로봇, 제어기로 구성되는데 보통의 경우는 제조 장비 또는 조립 장비는 PLC를 사용하는 경우가 많고 로봇은 자체 제어기를 가지고 있으므로 서로 간의 인터페이스는 데이터를 보내는 기능 이외에도 서로의 상태를 인지하게 하거나 작업의 지시 완료, 인터록(Interlock) 등에 매우 중요하다.
▲ 그림 7 통신 라이브러리 개념도
가장 일반적으로 사용되는 것은 디지털 I/O 인터페이스이지만, 보다 많은 데이터의 송수신을 위해서 통신으로 변화되는 추이를 보이고 있다. 여기서 최근 장비의 PC 제어가 증가하면서 유연한 생산시스템의 구축을 위해서 PC와의 데이터 통신에 의한 인터페이스가 더욱 중요해지고 있다.
통신의 세부 기능에 대해서 일일이 열거할 수는 없으나, 가장 간단한 형태의 인터페이스는 필드버스를 이용한 정해진 변수를 이용한 값을 전달하는 것이다. 이것은 PLC에서 여러 대의 PLC를 연결하거나 PLC가 다른 장치를 연결할 때 사용하는 방식을 확장해서 사용하는 통신의 종류를 사용하는 경우가 많은데, 정해진 몇 개의 변수를 주고받는 형태라면 문제가 없으나 유연성 확보에는 제한을 받을 가능성이 높다. 최근의 추세는 확장성과 유연성을 고려한 PC 제어용 라이브러리를 제공함으로써 상위 제어 장치에서 제어를 같이할 수 있고 원하는 데이터를 가공 송수신하는 기능으로 확대되고 있다.
▲ 그림 8 DLL을 사용한 개발 개념
▲ 그림 9 샘플 코드
최영수 대표이사 엑트엔지니어링(주)
