효율적 자동화 시스템 구축을 위한 산업용 로봇의 종류와 특징

FESTO

일반적인 상상 속에서의 로봇은 거대한 몸체로써 반복적인 작업을 정확하게 수행하기 위한 기계이다. 그런 이미지는 오늘날 로봇 세계에 있어서 일부에 불과하다. 로봇은 이제 2~7개의 축으로 다양한 크기와 구성으로 제공되며, 단순하거나 복잡한 작업 그리고 심지어 수술도 할 수 있다.
로봇은 공장 자동화와 프로세스 자동화를 위해 그리고 거의 모든 애플리케이션과 예산에 적합한 솔루션이다. 또한 툴링 또는 페이로드의 이동을 자동화하거나 생산 작업을 더 좋거나 더 빠르게 수행하여 생산성을 높일 수 있는 곳이면 어디에서나 생산성을 높일 수 있다. 로봇의 페이로드는 1g의 컴퓨터 칩에서 1톤 이상의 기관차 바퀴에 이르기까지 무엇이든 될 수 있다.

로봇의 그리퍼(gripper)에서 엔드 이펙터(end-effector)에 이르기까지 간단하거나 복잡한 작업을 수행하기위한 방대한 툴들이 있다. 이제 로봇은 식품 분야, 클린 룸 및 창고를 포함한 모든 제조 또는 처리 환경에 통합하기가 그 어느 때보다 쉬워졌다. 이처럼 다양한 옵션을 고려할 때 기능과 비용 측면에서 회사의 요구에 가장 적합한 로봇 유형을 아는 것이 그 어느 때 보다 중요하다.
관절식, 직교로봇, SCARA, 델타 및 코봇과 같은 주요 로봇 유형에는 각각 장점과 단점이 있기 때문이다. 이러한 장점과 단점을 이해하는 것은 로봇에 대한 초기 투자를 위한 필수사항이다.

1. 로봇 공학, 반세기의 진화
반세기 동안 로봇은 디지털 전의 자동화 시대로 정의되는 인더스트리 3.0의 중심이었다. 세계가 디지털 자동화 시대인 인더스트리4.0으로 전환함에 따라 인더스트리 3.0은 예전 보다 중요하지는 않을 것이다. 로봇은 1970년대 도입된 이래로 산업 환경을 변화시켜 왔으며 생산성, 유연성 및 신뢰성의 비약적인 도약을 보여 왔다. 물체의 움직임과 관련된 거의 모든 반복적인 동작(용접 또는 용접되는 판금과 같은 툴링)은 로봇에 의해 더 빠르고 정밀하고 반복적으로 수행될 수 있었다.

초기에 대형 6축 다관절 로봇 용접은 자동차와 트럭 본체를 위한 대중적인 상상 속에 고정되어 있었다. 다관절 로봇은 자동화에 대한 더 광범위한 요구를 해결하기 위해 더 많은 엔드 이펙터(엔드 오브 암 툴링)의 개발뿐만 아니라 로봇 자체에 대한 많은 개선을 통해 중공업 전체와 그 밖의 분야로 확산되었다. 관절형 로봇은 의료, 식음료, 제강, 창고 등 다양한 분야에서 사용되며, 반복적이거나 환경적으로 또는 인체 공학적으로 까다로운 작업이 있는 모든 분야에서 더 빠르고 안정적이며 더 비용 효율적이다. 로봇은 심지어 다른 로봇을 조립하고 있다.

2. 로봇 공학의 새로운 개념
처음에 로봇 혁명은 자동차 제조업체와 같은 주요 제조업체에 큰 규모의 경제성을 제공했지만 대부분의 중소기업에는 그렇지 않다. 직교로봇 로봇(선형), SCARA 및 델타 로봇의 개발은 가장 널리 사용되는 로봇과 최신 상업 혁신, 협업 로봇을 명명하여 거의 모든 규모의 비즈니스에서 자동화에 액세스할 수 있도록 했다. 본문에서는 전기로 구동되는 로봇에 초점을 맞추고 있지만, 공압은 이제 특정 작업을 실행하기 위해 로봇에 통합되고 있다.

로봇에는 1-7개의 축이 있으며 각축은 자유도를 제공한다. 2축 직교 갠트리는 일반적으로 X-Y 또는 Y-Z축으로 구성된다. 3축 로봇은 3개의 자유도를 가지며 X-Y-Z 축을 통해 기능을 수행한다. 이 작은 로봇은 형태가 단단하고 자체적으로 기울이거나 회전할 수 없지만 회전하거나 회전할 수 있거나 작은 페이로드의 모양에 적응할 수 있는 툴이 있을 수 있다.
4축 및 5축 로봇은 회전 및 기울일 수 있는 추가적인 유연성이 있다. 6축 다관절 로봇은 6개의 자유도를 가지고 있어 어떤 방향으로든 물체를 이동하거나 어떤 방향으로든 회전할 수 있는 유연성을 제공한다. 후자의 유형은 애플리케이션에 개체의 복잡한 조작이 필요할 때 선택된다.

일곱 번째 축은 한축에서 확장된 거리를 가능하게 한다. 즉, 6축 다관절 로봇의 변위를 허용하다. 7축 로봇도 마찬가지로 완전 자유롭다. 일곱 번째 축은 좁은 공간에서 도구를 조작하기 위해 추가 방향을 허용할 수 있다. 예를 들어, 창개구부를 통해 엔드 이펙터를 삽입하고 180도 뒤로 회전시켜 캐빈 내부에서 차체 프레임을 용접할 수 있다. 7축 로봇은 잠재적인 공간 절약을 위해 다른 다관절 로봇보다 공작물에 더 가깝게 작동할 수 있다.

3. 다관절 로봇의 장점과 한계
6축 및 7축 다 관절 로봇은 6 자유도를 허용하는 뛰어난 유연성을 반영한다. 프로그래밍이 쉽고 자체 컨트롤러와 함께 제공되며 사용자 친화적인 티치 펜던트를 통해 이동 순서 및 I/O 활성화를 프로그래밍 할 수 있다. 대부분의 애플리케이션에서 로봇을 활성화하려면 프로그래밍에 대한 기본 지식만 있으면 된다.
하드웨어 측면에서 산업용 관절 로봇은 상대적으로 작거나 거대할 수 있다(1 톤 이상의 기관차 바퀴 세트와 같은 하중을 처리할 수 있음). 특정 모델의 경우 3미터가 넘는 상당한 도달 범위를 가질 수 있다. 이 범위의 크기 덕분에 다 관절 로봇은 재료 또는 완제품의 제조 또는 이동과 관련된 수많은 산업 및 응용 분야에 적합하다.

관절형 로봇은 또한 유틸리티를 제한하거나 비용을 높일 수 있는 문제가 있다. 소형 다관절 로봇은 설치가 쉽다. 베이스는 프레임이나 바닥에만 볼트로 고정하면 된다. 그러나 거기에 맞게만 들어 올리거나 도달할 수가 있다. 작업에 더 큰 로봇이 필요한 경우 구조물이 부하 오프셋으로 인한 무게와 토크를 처리할 수 있는지 확인하기 위해 바닥에 대한 안정성을 알 필요가 있다. 다 관절 로봇은 도달 범위와 탑재 하중이 동시에 증가한다. 도달 범위가 길수록 관리할 수 있는 페이로드가 커지고 더 많은 공간과 엔지니어링이 필요할수록 더 많은 비용이 든다. 애플리케이션이 긴 거리에 걸쳐 작은 부하를 처리하거나 짧은 거리에 걸쳐 무거운 부하를 처리하는 경우 관절형 로봇이 가장 비용 효율적인 솔루션이 아닐 수 있다.

설계상에서, 다 관절 로봇은 별도의 공간이 필요하다. 또한 특이점(singularity), 즉 접근할 수 없는 공간의 위치와 방향도 있다. 이러한 공간 제한은 로봇이 작업자가 있는 구역에서 종종 사용되기 때문에 더 복잡한 안전 예방 조치가 필요하다. 구역 스캐너 또는 안전 매트와 같은 고가의 장치가 필요한 경우가 많으며 안전 제한 속도(SLS, Safely-Limited Speed) 또는 안전 속도 모니터(SSM, Safe Speed Monitor)와 같은 고급 기능이 필요하다. 역 운동학(inverse kinematics)을 처리하기 위해 자체 컨트롤러가 필요하다는 사실(여러 모터 회전 위치를 공간에서 사용 가능한 직교로봇 좌표 및 방향으로 변환)도 하드웨어 관점에서 볼 때 두 배의 어려움을 나타낼 수 있다.
로봇은 생산 라인의 상위 레벨 PLC와 통신한다. 많은 픽 앤 플레이스 또는 패키징 애플리케이션과 같이 6축 로봇의 유연성이 필요하지 않은 경우 저렴한 비용의 로봇으로 작업을 수행할 수 있다.

4. 직교로봇 로봇의 장점과 한계
저비용 대안 중 하나는 직교 또는 리니어 로봇이다. 그 디자인은 선형 액추에이터의 어셈블리와 3D 애플리케이션을 위해 암 끝에 있는 회전 액추에이터로 구성된다. 이 로봇은 설치 및 유지 관리가 쉽다. 각축의 스트로크 및 크기는 애플리케이션에 맞게 사용자가 지정할 수 있다. 이동 범위와 페이로드는 서로 독립적이다.
선형축은 수행하는 기능에 추가로 적용되는 다양한 디자인으로 제공된다. 예를 들어, 톱니 형 벨트 액추에이터는 높은 속도를 허용하는 반면 볼 스크류 액추에이터는 이 유형의 픽업 속도가 분당 최대 분당 100으로써 높은 정밀도와 높은 이송력이 가능하다.

이러한 핸들링 시스템의 적응성은 다관절 로봇의 기능이 필요하지 않은 간단한 여러 응용 분야에 맞게 가격을 최적화한다. 여기에는 가볍거나 매우 무거운 부품 이송, 분류 또는 상자 적재, 장치 검사 등이 포함될 수 있다. 직교로봇 로봇의 또 다른 장점이자 차별화 요소는 뛰어난 공간 절약성이다. 직교로봇은 점유 공간에 대한 전체 액세스를 허용한다. 데드 스페이스 또는 특이점이 없다. 로봇의 작동 범위가 작은 작업 영역으로 제한되기 때문에 안전 요구 사항이 덜 엄격하고 비용이 적게 든다. 울타리, 도어 스위치 또는 라이트 커튼은 적절한 안전을 보장하기에 충분하다. 로봇 주변에는 작은 공간만이 필요하다.

직교로봇 프로그래밍에는 특정 모션 컨트롤러가 필요하지 않다. 액추에이터가 작업 공간 좌표계축을 따라 움직이기 때문에 공간에서 로봇 팔 끝 위치를 결정하는데 위치 보간이 필수가 아니다. 즉, 역 운동학의 계산이 필요하지 않다. 시스템 PLC는 종종 두 번째 컨트롤러를 추가하지 않고도 각축을 직접 제어하는 데 사용할 수 있다. 또한 직교로봇 로봇 설계는 쉽게 확장이 가능하며 서보 드라이브/모터 및 컨트롤러에서 슬라이드 및 그리퍼에 이르기까지 표준 카탈로그 컴포넌트로 완전히 구성되는 경우가 많다. 이는 경제성의 일부이며 교체 부품을 쉽게 구할 수 있고 신속하게 설치할 수 있다.

직교로봇 로봇의 한계는 유연성이 크지 않다. 세 축과 네 번째 회전축의 선형 이동을 쉽게 수용할 수 있다. 그러나 CNC와 같은 더 복잡한 동기화 작업을 수행하려면 모션 컨트롤러를 추가해야 한다. 직교로봇 로봇은 세정 환경에서는 거의 사용되지 않는다. 물 침투에 대한 충분한 보호를 제공하지 않기 때문이다. 설치시 정밀성과 철저함이 필요하다. 각축은 조심스럽게 정렬되어야하며 특히 대형 시스템에서 표면 평탄도가 적절해야 한다.

직교로봇 로봇은 각 애플리케이션에 대해 고유하게 구성된다. 제품 또는 패키징 형식 변경은 PLC를 통해 신속하게 수행할 수 있지만 애플리케이션을 보다 광범위하게 변경하려면 장치의 기계적 수정이 필요할 수 있다. 마지막으로 직교로봇 로봇은 별도의 모션 컨트롤러 없이 사용하는 경우 다른 로봇 유형보다 프로그래밍 시간이 더 많이 필요할 수 있다. 시퀀스 프로그래밍은 PLC에서 각축의 주소를 지정하고 개별적으로 시운전을 해야 한다.

5. SCARA 로봇의 장점과 한계
SCARA 로봇은 가벼운 애플리케이션을 위해 설계되고 최적화되어 있다.(SCARA 약어는 Selective Compliance Articulated Robot Arm의 약자이지만 일부는 Articulated 대신 Assembly를 사용하다.) 이들은 관절형 로봇의 간소화된 버전이다. 단순하고 작은 크기로 인해 조립 라인에 쉽게 통합할 수 있으며 높은 정확도로 매우 인상적인 사이클 시간을 달성할 수 있다. 그들은 공차가 엄격한 공간에 부품을 삽입하는 동시에 그러한 움직임에서 강성을 유지하는 것과 같은 기능에 매우 능숙하므로 많은 픽 앤 플레이스 애플리케이션과 작은 부품 처리에서 비용 효율적인 선택이 된다.(이러한 작업을 수행할 때 부품의 지속적인 공급을 유지하기위한 공급 시스템과 같은 액세서리가 있다.) 제조업체에서 제공하는 티치 펜던트를 사용하면 프로그래밍 및 시운전이 비교적 쉽고 빠르다.

그러나 저렴한 비용임으로 한계가 있다. SCARA 로봇은 전용 로봇 컨트롤러가 필요하며 평면 애플리케이션으로 제한된다. 일반적으로 3개의 축으로 제한된다. 3-4 자유도의 전체 기능을 사용할 수 있는 최적의 솔루션일 수 있지만 작업에 2개(예: 수평 및 수직 이동)만 필요한 경우 SCARA 로봇을 2축으로 축소할 수는 없다. 시스템은 비용 및 성능 측면에서 직교 갠트리 스타일 로봇보다 매력적이지 않다. 다관절 로봇과 마찬가지로 SCARA 로봇 풋 프린트는 작업 영역보다 더 확장되어 장치 내부 및 주변의 기능적 공간이 손실된다.

6. Delta 로봇의 장점과 한계
델타 로봇은 픽업 속도가 분당 최대 300인 속도로 유명하다. 장착 유형은 작업 영역 위에 배치하여 설치 공간 손실을 제한하다. 더 복잡한 분류 및 포장 애플리케이션에 무작위로 배치된 조각을 선택하기 위해 종종 비전시스템과 쌍을 이룬다. 관절형 및 SCARA 로봇과 마찬가지로 일반적으로 쉬운 프로그래밍을 위해 티치 펜던트가 제공된다.

반면 델타 로봇의 페이로드 용량은 일반적으로 다른 로봇보다 훨씬 낮다. 서로 연결된 역 삼각대 설계(inverse tripod design)로 인해 다른 로봇 옵션보다 덜 견고하여 최대 적재 중량이 감소한다. 이러한 성능 제한은 이러한 높은 동적 특성에 대한 대가이다. 델타 로봇은 작업 범위가 매우 제한적이다. 그 디자인은 긴 이동을 허용하지 않는다. 직교로봇 및 SCARA 로봇과 마찬가지로 델타 로봇은 일반적으로 4개의 축으로 제한되며 다관절 로봇의 유연성을 제공할 수 없다. 복잡한 조립으로 인해 유지 보수 및 수리가 더 어렵다. 대형 기계의 상단 마운트로 사용하는 경우 추가된 무게를 견딜 수 있도록 기계 프레임을 보강해야 한다.

7. 협업 로봇의 장점과 한계
협업 로봇 또는 코봇은 안전한 인간-기계 상호 작용을 가능하게 한다. 작업자와 로봇 간의 직접적인 협업을 허용함으로써 자동화를 산업에 통합할 수 있는 방법에 대한 이해에 차원을 더하고 있다.
코봇은 관절 형, 직교로봇 형, SCARA 또는 델타 로봇 일 수 있지만 현재까지 대부분은 관절 형으로 분류된다. 4~35kg의 가반 하중이 제공되며 그에 따라 크기가 확장되고 가격도 책정된다. 최대 7개의 축이 있는 모델이 있다. 후자는 특히 인체 공학적으로 어려운 작업을 수행할 수 있으며 독립 생산 라인 로봇으로도 사용되고 있다.

코봇과 다른 로봇의 차이점은 보호 차폐, 안전 커튼 또는 기타 안전 기능이 없이 인간과 직접 상호 작용할 수 있는 내장 안전 기능이다. 고정된 외부 안전 장벽이 필요하지 않기 때문에 일부 코봇을 모바일 플랫폼에 장착하여 필요한 곳으로 이동할 수 있다. 애플리케이션의 안전 평가를 수행해야하며, 코봇 자체는 안전할 수 있지만 팔 끝에서 사용되는 툴이 날카롭다면 외부 안전 장벽이 필요할 수 있다.
코봇은 속도와 탑재 하중에 제한되어 있어, 값 비싼 안전 보호 장치가 필요하지 않은 기존 로봇을 찾는 사용자는 실망할 수 있다. 협동 로봇의 가장 큰 가치는 숙련된 직원이 업무의 사소한 측면에서 벗어나 높은 가치 측면에만 집중할 수 있다는 것이다.

예를 들어, 정교한 인간의 손길이 필요한 복잡한 장치 조립에서 코봇은 작업자를 지원하는 간단한 취급 또는 제조 작업을 수행할 수 있으며, 작업자는 자신의 기술이나 지식을 최대한 활용하는 작업 부분에만 집중할 수 있다. 이는 유효한 접근 방식이며 공동 작업을 통해 생산성이 향상되어 투자의 빠른 회수를 합리적으로 제공한다.

8. 선택시 고려 사항
로봇 공학에 대한 투자에 접근할 때 최종 선택을 하기 전에 애플리케이션의 모든 측면을 고려해야한다. 고려해야할 몇 가지 요소는 다음과 같다.

1) 이동 및 페이로드
이동 범위와 페이로드로써 적합한 옵션을 빨리 찾을 수 있으므로 첫 번째 기준이 되어야 한다. 기술적인 측면에서, 큰 무거운 하중은 경량 처리 기술에 대한 고려를 배제한다. 반면에 도달 거리가 길지만 페이로드 무게가 낮으면 저렴한 직교로봇 로봇으로 충분할 수 있다.

2) 유연성
애플리케이션에 5~6개의 자유도가 필요한 경우 관절형 로봇이 유일한 솔루션 일 수 있다. 그러나 소형 부품 포지셔닝 및 로딩, 전자 부품 삽입, 박스 및 공작 기계 로딩과 같은 간단한 애플리케이션의 경우(두개 또는 세 개의 축으로 충분한 모든 애플리케이션) 애플리케이션에서 요구하는 것보다 더 많은 축에 비용을 지불해야할 까닭은 없다.

3) 속도
응용 프로그램에 최대 300/min의 델타 로봇과 같이 높은 픽 속도가 필요한가, 아니면 직교 또는 SCARA 로봇의 더 적은 픽 속도로 충분한가, 실제 사례는 다음과 같다.
  기계 제조업체는 유제품이 요구르트 용기를 상자에 적재할 수 있도록 거의 동일한 두개의 상자 적재/팔레타이징 기계를 제작했다. 각 머신은 다른 컨테이너 형식을 위해 설계되었다. 최초의 기계 복싱 플라스틱 통의 경우 높은 피킹률이 필요했기 때문에 최대 처리량을 위해 상단 장착 델타 로봇이 설치되었다. 단일 서브 컵의 두 번째 머신 복싱 4 팩(2x2)의 경우 더 낮은 피킹 속도로 충분했으며 머신 빌더는 2축 직교 갠트리를 박스 로더로 대체하여 최종 사용자의 비용을 줄일 수 있었다.

4) 공간과 크기
기계 및 생산 라인 설치 공간이 주요 문제이다. 바닥 공간은 비싸고 회사는 작업 현장 레이아웃을 최적화하기를 원한다. 직교로봇 및 델타 로봇은 일반적으로 덜 중요한 수직 공간만 손실되기 때문에 다른 기술에 비해 명확한 이점을 제공한다.

5) 엔지니어링 및 프로젝트개발
설계, 조립, 설치 및 시운전 시간과 비용은 특히 로봇을 더 큰 기계 또는 시스템에 통합하는 비교 비용에 고려되어야 한다. 로봇 수령 및 조립이 지연되면 전체 프로젝트가 지연될 수 있다. 엔지니어링 및 조달 위험을 최소화할 수 있는 온라인 및 소프트웨어 툴이 있다.
예를 들어 Festo는 엔지니어가 몇 개의 데이터 포인트를 입력하여 10분 이내에 2D 또는 3D 갠트리와 같은 애플리케이션 별 직교 핸들링 시스템을 설계하고 가격 및 CAD 문서를 받을 수 있는 온라인 핸들링 가이드를 만들었다. 무료로 즉시 제공되며 대부분의 경우 완제품이 사전 조립된 상태로 배송되고 평균 3-4 주 내에 사전 테스트를 거친다.

6) 유지 보수 가능성, 수리 가능성 및 가용성
예정되지 않은 다운 타임은 모든 생산 관리자의 악몽이다. 로봇은 유지 보수와 수리가 상대적으로 쉬워야 한다. 이는 보유하고 있는 사내 기술 노하우와 대규모의 로봇을 보유하고 있지 않은 기업에게 특히 중요한 문제이다. ‘누가 로봇을 고칠까, 얼마나 걸릴까, 모터 및 컨트롤러와 같은 중요한 교체 부품을 배송하기위한 리드 타임은 얼마일까’ 계획 단계에서 이러한 문제는 종종 미래의 위험에서 간과된다.

7) 표준화
회사 또는 산업 내 표준화는 비즈니스 현장에서 필요한 고려 사항이 될 수 있다.

결론
로봇 기술의 확산으로 기업이 자동화의 이점에 접근할 수 있게 되었다. 어느 것이 ‘최고’ 일까. 투자를 통해 생산성 향상을 달성하고 애플리케이션의 요구 사항을 충족하는 것뿐만 아니라 플랜트 안전, 공간 활용 그리고 비용 및 판매 후 지원과 같은 관련 문제의 관점에서도 ‘최적’이어야 한다.

자료 제공: FESTO(www.festo.com)