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[제조업도 AI로봇 시대-①] 로봇 시스템은 중소기업에 적합한 솔루션…협동로봇·협동 애플리케이션으로 제조혁신 이뤄

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[무료등록-대박 경품] 솔리드웍스의 클라우드서비스로 확 달라진 제조 현업의 이야기가 찾아갑니다 (12.10)

헬로티 임근난 기자 |

 

로봇 시스템은 설치 변경 및 전환 배치가 쉽고 적은 비용으로도 구축하기에 용이하다. 또한, 빠른 ROI가 가능하고 다품종 소량생산을 목표로 하기 때문에 중소기업에 적합하다. 특히, 협동로봇과 협동 애플리케이션은 협소한 공간에서도 구축이 가능하고 다양한 모양과 크기의 제품을 적재할 수 있어 생산 공정의 자동화뿐만 아니라 물류 자동화에도 적용이 이루어지고 있다. 로봇 시스템의 성공적인 도입을 위한 고려사항으로는 어떤 게 있는지, 지난 9월 8일 열린 ‘4차 산업혁명과 로보틱스 컨퍼런스 2021’에서 온로봇 코리아 최민석 대표가 제시한 성공 팁을 정리했다.

 

 

최근 시장 환경이 중소기업의 공장자동화 또는 스마트공장 도입 욕구를 가속화하고 있다. 지난 7월 1일부터 50인 이하 사업장까지 주 52시간 근무제가 시행된 가운데, 고령화 사회로 진입에 따른 인구 구조 변화는 생산 가능인구의 감소를 가져와 인건비 상승과 인력 부족을 더욱 심화시키고 있으며, 3D업종에 일했던 외국인 근로자마저 더 이상 어려운 일을 하지 않으려고 하고 있다. 더구나 코로나 팬데믹은 외국인 근로자의 인력 수급을 더욱 어렵게 했다. 결국 자동화나 로봇 시스템을 고려하지 않던 기업들도 도입의 필요성을 인식하게 되었다.

 

자동화 시스템 vs. 로봇 시스템 차이점

 

사실 생산 공정의 자동화 기틀은 이미 마련되어 있었다. 자동화를 위한 통신 기술은 물론 많은 관련 제품과 솔루션들이 나왔고 정부의 스마트공장 지원사업 확대가 지속되고 있기 때문이다.

 

하지만, 중소기업으로선 한계가 있다. 로봇 시스템을 구축하고 싶어도 공장의 공간이 협소하고 자동화 전문인력 또한 부족한 상황이다. 그렇다고 공장을 뜯을 수도 없고 새로 지을 수도 없다. 투자 자본금의 제한도 걸림돌이다. 중소기업은 적은 비용을 투자해서 빠른 투자비 회수를 원하고 ROI에 대한 확신도 부족하기 때문에 대부분 제품 생산 자동화에만 머물렀다.

 

그러다 최근 생산 물류에서의 자동화도 가능해졌다. 중소기업에서 구축 가능한 물류 자동화 시스템이 나오게 된 것이다. 바로 협동로봇과 협동 애플리케이션이다. 4~5년 전부터 본격적으로 협동로봇과 협동 애플리케이션이 시장에 보급되면서 많은 회사들이 검토하고 사용하기 시작했다.

 

팔레타이징을 예로 들면, 작업자가 운반하던 최대 20kg 내외의 제품을 로봇과 그리퍼를 이용해서 간단히 적재할 수 있다. 또한, 협소한 공간에서도 구축이 가능하고 다양한 모양과 크기의 제품을 적재할 수 있다. 그 외 저렴한 투자비용과 빠른 설치 및 유지보수도 편리하다.

 

그러면, 자동화 시스템과 로봇 시스템의 차이는 뭘까. 자동화 시스템은 소품종 대량생산을 위해서 많이 사용된다. 그래서 생산부터 적재까지 컨베이어벨트 등을 이용한 인라인 생산방식을 도입한다. 반면, 로봇 시스템은 다품종 소량생산을 목적으로 한다. 중소기업의 경우 대량으로 생산하기보다는 고객의 요구에 의해서 그때그때 상품의 크기나 모양이 바뀔 수가 있기 때문에 다품종소량생산에 초점을 맞추고 있다. 로봇은 매일매일 가동되는 게 아니라 유휴시간을 갖다가 생산이 필요할 때만 운용된다.

 

또한, 자동화 시스템은 설치 변경 및 전환 배치가 어렵다. 라인을 한번 바꾸기 위해서는 전체를 손봐야 하고 공장 가동을 멈춰야 한다. 또 각 설비별 라인을 다 깔아야 하기 때문에 많은 시간과 비용이 발생한다. 반면, 로봇 시스템은 설치 변경 및 전환 배치가 쉽고 적은 비용으로도 구축하기에 좀 더 용이하다.

 

그 외 차이점으로, 자동화 시스템은 상대적으로 ROI가 느리고 완전 무인화를 목표로 한다. 그에 반해 로봇 시스템은 빠른 ROI가 가능하고 일부 무인화를 목표로 한다. 따라서 자동화 시스템은 모든 기업에 적용이 가능하고 로봇 시스템은 중소기업에 적합하다고 할 수 있다.

 

 

그러면 로봇 시스템이 스마트공장을 어떻게 구현해 가는지 알아보겠다. 여기에는 단계별 적용이 필요하다.

1단계에서는 기존 시스템에 일부만 자동화를 해본다. 기본 설비를 그대로 이용하면서 자동화 또는 로봇 시스템을 접목해서 이게 자동화로써 가치가 있다고 확인되면 다음 단계로 넘어간다.

 

2단계는 ‘로봇 시스템+일부 무인화’이다. 사람이 하던 일을 로봇이 대신해서 일부 무인화를 완성하는 단계이다.

 

3단계는 로봇 인라인 시스템 및 단위 모니터링 시스템을 도입하여 생산 최적화를 구현한다. 이 단계는 완전 무인화가 이루어지는 단계이며, 로봇이 하루에 몇 번 사이클을 돌고 있는지 생산량은 어떻게 되는지, 제품 하나가 생산되기까지의 시간에 대한 모니터링 등을 할 수 있다.

 

마지막 4단계는 단위 모니터링 시스템을 넘어서서 생산관리와 ERP 시스템 구축으로 스마트공장을 구현해 볼 수 있다.

 

로봇 시스템 도입 시 고려할 사항

 

로봇 시스템을 도입할 때 가장 많이 하는 실수는 어떤 게 있는지 알아보겠다. 일반적으로 로봇 시스템을 구축하겠다는 도입 기업들은 ‘무엇을 할 것인지’에 대한 고려만 하고 ‘어떻게 할 것인지’에 대한 생각은 잘 안 한다. 예를 들어, 박스를 옮기는 공정을 자동화하겠다고 하여 막상 로봇 시스템을 도입해보면 박스의 재질이나 무게를 간과하여 실패하는 경우가 종종 있다. 다공이 있는 박스를 들 때는 구멍이 있기 때문에 상당히 강한 압력으로 빨아들여야 하는데, 이 부분을 고려하지 않은 결과이다.

 

그러면 어떤 방법이 있을까. 로봇 시스템은 인건비를 절약할 것이냐 생산성을 향상할 것이냐에 따라서 적용 목적이 달라진다. 만약 로봇 가동 속도를 높여서 생산성을 높여야 한다면 협동로봇보다는 산업용 로봇을 적용해야 할 수도 있다. 그렇지 않고 생산성 향상보다 품질 개선하면서 인건비 절약이 목적이라면 협동로봇이 더 적합하다.

 

또한, 환경도 분석해야 한다. 작업 종류가 단순 이송, 조립, 팔레타이징, 검사 등인지, 또는 클린룸, 유증기/수증기, 작업자 공존, 설치 공간 크기 등의 작업 환경도 검토해야 한다. 또 재질, 무게, 다품종소량/소품종대량, 사이클 타임 등 작업물의 종류와 작업량도 고려해야 하며 셀 방식으로 할 것인지 컨베이어 라인으로 할 것인지, 아니면 필요에 따라 생산 형태를 바꿔야 하는지 등도 충분히 검토해야 한다.

 

로봇 선택의 기준 역시 시장 점유율, 내구성, 기술 지원 등을 고려할 수 있는데, 고객들은 이것보다도 가격을 보고 선정한다. 그 외 그리퍼도 단순 전동 그리퍼를 선택할 것인지 스마트 그리퍼를 선택할 것인지 공압 그리퍼를 선택할 것인지 검토가 필요하다.

 

머신텐딩 사례를 보겠다. 머신 텐딩은 협동로봇을 구동한 자동화의 이상적인 작업 중 하나이다. 3.5kg의 작업물을 CNC를 이용하여 가공하는 공정에 로봇 시스템을 적용한다고 할 때, 3.5kg의 작업물을 들어 올리려면 기반하중 7kg 이상을 처리할 수 있는 협동로봇을 선택해야 하고 여기에 이동 가능한 로봇 설치용 베이스와 작업물을 집어서 옮길 수 있는 그리퍼를 설치해줘야 한다. 비용은 로봇 메이커에 따라 정도의 차이는 있지만, 전체를 설치하고 시운전까지 해주는 데 약 4,350만 원 정도면 가능하다. 이 정도 비용이라면 중소기업에서도 얼마든지 도입할 수 있다.

 

정말 가능한지 ROI를 분석해 보겠다. 시급이 2만 원이라고 가정해보면, 작업 인원 1명이 그 공정을 한다고 했을 때 하루에 8시간, 한 달 4주일을 일한다. 그러면 1인 작업자의 월급은 약 320만 원, 이것을 연봉으로 환산하면 3840만 원이다.

 

따라서 로봇 시스템을 도입했을 경우 투자비 회수 소요 시간은 약 13개월 18일이면 ROI가 나온다. 로봇 시스템 사용 연한이 약 5년이라면 1년 2개월이 지나고부터 3년 10개월 이상은 모두 이익을 가져갈 수 있다.

 

 

로봇 시스템으로 가능한 애플리케이션 사례

 

다음은 로봇 시스템으로 가능한 애플리케이션 사례를 온로봇 제품을 예로 들어보겠다. 먼저, 센딩 작업의 사례이다. 온로봇 샌더에는 플러그 앤 플레이 샌딩 툴, 다양한 표준 샌딩 및 연마 디스크, 사용 간편한 소프트웨어 및 선택적 자동 Grit Changer와 포스 토크 센서 등 필요한 모든 기능을 갖추고 있어 즉시 사용할 수 있다.

 

또한, 다양한 기하학적 구조의 부품과 자재에 유연하기 때문에 보다 높은 일관성과 마감 품질 및 낮은 스크랩 비율을 제공한다. 표준 3M 클린 샌드페이퍼 디스크의 사용으로 작업장의 먼지 발생을 줄이고 수동 샌더의 진동으로부터 작업자의 부상 위험도를 감소시킬 수 있다.

 

특히, 이 센더는 추가 교육 없이 기본 로봇 지식으로 간단한 표면 처리에 대한 프로그래밍을 완료할 수 있다. 샌딩 툴의 소프트웨어는 로봇의 티치 펜던트에 자동으로 통합되지만 툴의 ‘위치 저장’ 단추를 수동으로 조작하면 티치 펜던트를 사용하지 않고도 보다 간편하게 웨이포인트를 설정할 수 있다.

 

또 하나의 사례로 스크류 드라이빙 작업이다. 온로봇의 지능형 스크류 드라이버는 개봉 즉시 필요한 모든 기능과 함께 설치 및 프로그래밍의 속도를 향상시킬 수 있다. 모든 선도적 로봇 암에 스크류 드라이버를 간단히 장착하고 적합한 비트를 설치한 후 나사 길이 및 토크를 직접 로봇의 사용자 인터페이스에 입력할 수 있다. 정확한 토크 제어 및 임베디드 축으로 추가 통합에 필요한 시간과 비용이 절약되며 일관되고 정확한 나사 삽입이 가능하다. 다양한 유형 또는 크기의 나사로 전환하는 데 소요되는 다운타임을 감소시켜 ROI를 향상시킨다.

 

또한, M1.6~M6 크기와 최장 50mm 길이의 다양한 나사를 취급할 수 있으며, 0.15Nm~5Nm의 정확한 토크 제어가 가능하다. 기존 툴들보다 다목적성이 높고 지능적인 온로봇 스크류 드라이버는 나사의 조임 과정에서 나사의 피킹 여부, 올바른 길이인지 또는 적절히 삽입되었는지 여부를 감지할 수 있다.

 

그 외에도 최장 35mm 길이의 나사를 사용하는 협업 애플리케이션에 적합하도록 보호 기능이 포함되어 있으며, 이는 동작 중일 때 스크류 드라이버 내부로 완전히 리트렉션 된다. 나사가 해당 축을 따라 과도한 포스에 노출된 경우 안전 정지가 자동으로 활성화되며 문제가 있음을 나타내는 경고등이 켜진다.

 

 

다음은 팔레타이징(포장박스 이송) 사례이다. 온로봇의 VGP20은 판지 상자 등의 물체를 적재하는 데 적합한 전기 진공 그리퍼이다. 최대 20kg(44.1lbs)의 유효 하중을 취급할 수 있으며 공압식 그리퍼의 비용, 복잡성 및 유지보수가 전혀 필요하지 않다. 또한, 부피가 크고 모양이 불규칙한 적출 가방 및 얇고 다공성의 재활용 판지를 비롯한 판지 상자의 물체를 적재하는 데 적합하다. 이를 통해 적출인은 폐기물을 줄이고 비용을 절감할 수 있다.

 

마지막으로 비전 시스템 사례이다. 온로봇 아이즈(Eyes)는 유연하고 적응력이 좋은 2.5D 비전 시스템이다. 이 시스템을 사용하면 어떤 로봇 암이라도 높은 안전성으로 비정형적 응용 분야를 쉽게 분류하고 선택하고 배치할 수 있다. 아이즈(Eyes)는 로봇 손목 또는 외부에 장착할 수 있으며 사용자의 응용 분야에 맞게 위치를 조절할 수 있다.

 

또한, OnRobot Quick Changer를 통해 로봇 인터페이스 및 그리퍼와 매끄럽게 통합할 수 있다. 배치 속도가 빠르므로 새 제품 또는 프로세스를 전환하는 데 필요한 다운시간을 최소화할 수 있다. 뿐만 아니라 원-픽처 보정 및 부품 인식에 시간이 거의 걸리지 않으며 프로그래밍은 사용이 간편하고 빠르다.

 




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