글로벌 시대를 맞아 기업들이 경쟁력 강화를 위해 물류비용을 낮추는데 사활을 걸고 있다.
경쟁국보다 물류비가 차지하는 비중이 높은 우리 현실에서 이는 반드시 풀어야 할 선결과제이기에 팔레타이징 로봇을 이용한 로봇자동화 시스템에 대한 관심과 요구는 더욱 높아지고 있는 것이다.
또한 일부 대기업이 독점하고 있던 제조용 로봇 및 물류자동화 시스템 분야에서 중소규모의 SI 업체들의 활약도 눈에 띄고 있어 눈길을 끈다. <편집자 주>
하물적재(荷物積載)의 완성, 팔레타이징 로봇
·팔레타이징 로봇이란?
‘팔레타이즈’란 ‘하물을 팔레트 위에 쌓아놓는다(荷物積載)’란 의미로 이러한 작업에 사용되는 로봇을 ‘팔레타이징 로봇’ 혹은 ‘팔레타이저’라고 부른다.
팔레타이징 로봇은 주로 사람이 작업하기 어려운 중량물의 반복적인 팔레타이징 작업이나 거꾸로 하물을 팔레트(Pallet) 위에서 컨베이어 등에 내려놓는 디팔레타이징(Depalletizing) 작업 등에 사용되고 있는데, 현재 로봇시장에는 가반중량 60~200kg 정도를 가진 SCARA 로봇과 흡사한 수평다관절 로봇 형태의 팔레타이징 로봇과 6축 수직다관절 로봇에서 두 축을 제외한 4축 수직다관절 로봇형태의 팔레타이징 로봇들이 주류를 이루고 있다.
또한 이 로봇들은 전자, 출판, 식음료, 화학, 제지, 요업 등 팔레트(Pallet)를 사용하고 있는 전 업종에 걸쳐있으며 주로 제품의 입출하용 로봇으로서 널리 이용되고 있다.
·팔레타이징 로봇의 필요성
산업현장에서 공정(process)과 공정사이 혹은 제품의 입/출하장 등에서 사람이 수작업으로 제품을 운반하여 지정된 장소까지 옮겨놓을 경우 작업자들의 안전이 문제가 됨은 물론이고, 작업자들의 작업시간과 핸들링 할 수 있는 제품의 무게에 한계를 가져오게 된다.
게다가 최근에는 3D 업종 기피현상으로 이러한 공정에 인력을 이용하기가 쉽지 않은 실정이다.
이에 따라 이러한 팔레타이징 공정에 로봇을 적용시키려는 움직임이 많아졌고, 현재는 대다수의 업체들이 중량물을 핸들링 하는 작업에 팔레타이징 로봇을 사용하고 있다.
특히, 작업 대상물을 잡아 일정한 장송에 원하는 방향으로 옮겨놓는 팔레타이징 작업에는 작업의 특성상 4자유도 또는 그 이상의 로봇이 필요한데, 직교 3축 로봇의 경우 작업대상물의 방향에 대한 변경없이 단순히 원하는 위치로 옮겨놓는 작업은 가능하겠지만 대부분의 팔레타이징 작업이 작업대상물을 정해진 각도만큼 회전하여 일정한 방향으로 놓기 때문에 이러한 공정의 팔레타이징 작업에는 부적합하다고 할 수 있다.
또한 직교로봇을 이용하여 팔레타이징 시스템을 구축할 경우 볼 스크루(Ball Screw)를 사용하여 직선운동을 하는 직교로봇 형태는 로봇의 특성상 최대속도에 한계가 있으므로 고속의 작업 사이클 타임을 얻기 어렵고 작업 영역에 비해 로봇의 부피가 커진다는 단점이 있다.
팔레타이징 로봇의 구성
일반적인 제조용 로봇과 달리 팔레타이징 로봇은 팔레타이징 전용으로 사용되는 경우가 대부분이기 때문에 전용 소프트웨어를 포함한 패키지로 구성되어 있다.
크게 로봇몸체와 컨트롤러, 핸드부로 나눌 수 있는데, 이들은 로봇에 전원을 공급하는 파워케이블, 서보모터의 인코더, 센서들과 신호를 주고받는 시그널 케이블로 연결되어 있다.
점차 다품종 소량생산 시스템으로 변해감에 따라 팔레타이징 로봇에 있어서도 핸들링 할 작업 대상물이 다양화되고 있는데, 이들을 핸들링하기 위하여 여러 종류의 전용 핸드들도 표준화되어 골라 쓸 수 있는 환경이 되었다.
·4축이 기본, 팔레타이징 로봇의 몸체
팔레타이징 로봇은 대부분 4개의 자유도를 가지고 있다. 이는 X, Y, Z 공간상을 움직이기 위한 3개의 축으로 구성되는 포지셔닝부와 Z방향의 하나의 회전축으로 구성되는 오리엔테이팅부로 구성되는데, 대개의 경우는 작업물이 수평면에 대해 기울어짐이 없도록 팔레타이징을 하므로 추가의 회전축이 오리엔테이팅부에 필요치 않다.
그리고 이 팔레타이징 로봇은 보통 대형 중량물을 핸들링 하여 이/적재하므로 작업의 특성상 고정밀도의 위치결정(Positioning)에 대한 요구도는 다른 로봇들보다 상대적으로 낮은 편이고, 이들에게 있어 가장 중요한 성능은 작업영역의 크기와 시간당 반송능력이라 할 수 있다.
즉, 시간당 얼마나 넓고 높은 위치로 얼마만큼 많이 작업 대상물을 운반해 쌓아놓을 수 있느냐가 중요한 것이다.
팔레타이징 로봇의 반송능력을 측정하기 위한 국제표준 관련규격은 현재 없는 상태이므로 보통 로봇 메이커에서는 저마다 적당한 경로를 만들어 반송능력을 표현하고 있다. 
·팔레타이징 로봇 컨트롤러
일반적인 로봇 컨트롤러와 크게 다르지 않은 특성을 갖는 컨트롤러이지만, 로봇이 팔레타이징 공정에 사용되고 있기 때문에 그 공정에 맞는 고유의 기능들을 부가적으로 가지고 있기는 하다.
우선 팔레타이징 작업은 지정된 장소에 작업대상물이 놓이게 되면 이를 로봇이 잡아서 팔레트 위의 지정된 장소로 쌓는 작업이므로 항상 동일한 작업 대상물을 핸들링하게 되며, 작업 대상물은 팔레트 위에서 일정한 패턴을 가지고 쌓이게 된다.
따라서 로봇 작업자가 일일이 티칭해야 하는 번거로움을 덜기 위하여 로봇 컨트롤러 안에 팔레타이징과 관련된 응용 SW가 제공되기도 하고, 별도로 컨트롤러에 연결 가능한 컴퓨터에 팔레타이징 그 응용 SW를 제공한다.
또한 팔레타이징 로봇은 고중량의 작업대상물을 핸들링하기 때문에 ‘안전기능’이 더욱 중요하다.
이를 위해 서보모터의 과부하를 막기 위한 과부하 검출기능, 작업 대상물의 갑작스런 낙하를 방지하기 위한 로봇핸드의 압력저하 검출기능, 그리고 로봇의 과동작으로 인한 위험을 방지하기 위한 오버런 검출기능 및 마이크로컴퓨터에 의한 이상감지 기능 등이 부가되어 있다.
마지막으로 팔레타이징 로봇 컨트롤러는 입력전원으로 주로 소형 컨트롤러가 단상(Single Phase)의 입력전원을 사용하는데 반해 3상 전원을 사용한다.
수백 와트를 사용하는 소형 로봇의 경우 파워를 공급해야 하는 양이 많지 않기 때문에 단상의 전원만으로도 충분히 파워를공급할 수 있으나, 팔레타이징 로봇은 서보에서 모터쪽으로 공급해야 하는 파워량이 커지기 때문에 3상 전원을 이용하는 것이 대용량의 파워를 공급해주는 측면에서 더 유리하다고 할 수 있다.
·팔레타이징 로봇 핸드부
팔레타이징 로봇의 가반하중은 핸드부의 중량을 포함한 경우가 대부분이며, 핸드부만 해도 상당한 무게가 나가기 때문에 로봇 사용자들은 이를 잘 고려하여 로봇을 선정하고 사용해야 한다.
① 서보핸드(Servo Hand) 타입 : 서보모터 액추에이터를 사용한다.
공압 핸드를 가지는 팔레타이징 로봇이 여러 가지 사이즈의 작업 대상물을 핸들링 할 경우에는 모델 체인지를 할 때마다 매번 핸드를 교체하여 사용해야 하지만 서보 핸드를 사용할 경우에는 핸드의 핑거 간격을 쉽게 제어할 수 있으므로 로봇의 핸드 교체 없이 여러 가지 크기를 가진 작업 대상물의 핸들링 작업에 쉽게 대응할 수 있다.
이 경우 로봇은 핸드를 포함하여 5축의 서보모터를 가지게 되는데 로봇제어기에 부가축을 넣어 하는 것이 관리가 쉽고 간단하지만 가격이 비싸, 일반적으로 PLC의 위치결정 유닛을 많이 이용한다.
② 그리퍼 타입 : 주로 공압용 실린더를 액추에이터로 사용한다.
한쪽 핑거는 고정되어 있고, 다른 한쪽의 핑거만 핸드의 개폐를 위하여 좌우로 움직이기 때문에 정형화되어 있고, 고정된 크기를 가진 박스들의 핸들링용으로 많이 사용된다.
③ 포크 타입 : 역시 액추에이터로 공압용 실린더를 사용한다.
핑거가 포크 형태로 되어 있어 작업 대상물을 좌우나 혹은 상하에서 아무런 손상없이 들 수 있으므로 시멘트 등과 같은 주머니 타입의 박스를 핸들링 하는데 적합하다.
④ 진공타입 : 공압을 이용하여 진공을 발생시켜 진공패드를 사용하여 작업 대상물을 잡는다.
패드를 사용하기 때문에 작업 대상물의 포면은 항상 매끄러운 상태를 유지해야 하며, 진공발생기를 통하여 발생시킬 수 있는 진공압력의 한계가 정해져있기 때문에 작업 대상물의 무게를 고려해야 한다.
주로 캔 박스류의 핸들링이 요구되는 식음료업계에서 많이 사용되고 있다.
자동물류 정보시스템과 팔레타이징 로봇
물류 부문의 경쟁력은 단일 기업뿐만 아니라 산업, 국가의 경쟁력을 좌우할 만큼 중요한 요소인데, 이는 정보기술의 발달을 통해 전통적인 물류관리에 일대 혁신이 진행되었고, 물류 시스템의 경쟁력에 큰 요소로 자리잡게 되었다.
즉, 물류관리 또는 물류시스템 개선을 위해 지금까지는 주로 하드웨어 중심의 사회 간접 자본 시설의 확충에 초점이 맞추어져 왔으나 물류정보의 흐름의 효율적, 체계적인 관리를 가능하게 하는 물류 정보시스템에 대한 관심이 높아지고 있는 것이다.
이러한 분위기와 함께 제조용 로봇을 이용한 자동물류시스템의 설계개념과 성능산정방법 등을 이용한 자동물류센터가 고려되고 있다.
이 로봇 장착개념들을 고려하여 적정한 로봇의 장착방법, 동작속도 및 로봇장착 장비의 속도를 선정해야 하고, 장착되는 로봇의 동력원과 로봇자체의 컨트롤 개념을 정할 필요가 있다.
식품업계의 로봇 도입 사례
식품업계에 있어서 로봇을 성공적으로 도입하기 위해서는 식품산업의 특성을 이해하고 산재한 문제를 해결해야 한다.
다음 내용에서는 이전 공작기계지에 소개되었던 ‘초콜릿 제조라인의 로봇도입 사례’를 다시 한 번 소개하도록 하겠다.
·식품업계 로봇화의 포인트
식품은 모든 사람이 살아가기 위해서일상생활에서 반드시 필요한 것이고, 또한 직접 인간의 입에 들어가는 것이기 때문에 안전성에 관해서는 의약품과 마찬가지로 매우 중요하다.
작업자는 청결을 위해 라텍스제의 장갑을 착용하고 작업하지만, 시간과 함께 오염이나 파손되는 경우도 있고, 식품 그 자체는 수제품의 분위기를 내기 위해 부정형(不定形)인 경우가 많아 자동화의 어려움도 있다.
또, 이런 제품의 라인업 사이클은 짧아서 다품종소량 생산일 경우가 많고, 신선해야 한다는 점에서 전자제품과 같이 재고를 많이 안고 생산하는 방식은 적용될 수 없다는 특징 외에도 다음과 같은 특징을 갖는다.
- 부정형인 제품이 많다.
- 핸들링에 적합하지 않은 경도와 점도를 가진 제품이 많다.
- 품질검사(이물질검사, 포장 핀홀 검사 등)를 실시할 필요가 있다.
- 제품처리시간이 짧으면서 난이도가 높다.
- 하나의 제품코스트가 타 분야에 비해서 싸다 
·식품생산 공정의 해석
식품업계에서의 로봇화를 계획할 경우, 라인공정분석을 충분히 실시하는 것이 매우 중요하다.
초콜릿생산라인의 로봇화를 추진했을 때의 예를 참고로 공정분석을 실시해보면 다음과 같다.
- 몰드 성형 공정 : 사람수 3명, 기계 충진기, 성형기
- 트레이 쌓기 공정 : 사람수 12명, 기계 트레이 카트닝기
- 외장 포장공정 : 사람수 3명, 기계 카트닝기, 외장 셀로판기
- 박스 쌓기 공정 : 사람수 3명, 기계
분석결과에서 나타난 바에 의하면, 트레이 쌓기 공정에서의 작업자수가 가장 많으며, 따라서 이 공정을 로봇화하는 것이 가장 효과가 크다는 것을 알 수 있다.
·로봇화의 문제점
트레이 쌓기 공정을 로봇화 하는 데 있어서의 과제는 몰드성형 공정보다 제품을 반송시키는 양(600개/분)이 많다는 점과 몰드성형 후의 제품은 정렬되어 있지 않다는 점, 제품과 트레이 형상이 모두 다르다는 점이었다.
이러한 문제점을 토대로 로봇자동화 시스템 사양을 고려하면 다음과 같은 조건이 필수적이다.
- 생산능력(600개/분) 이상의 능력을 가진 시스템
- 다품종에 대응 가능한 시스템
- 제품이 정렬되어 있지 않은 것을 기본으로 설계된 시스템
- 삽입 위치도 용이하게 변경 가능한 시스템
- 신규제품에 대응 가능한 시스템
·구체적 대응책
① 고속화 : 고속화를 실시하는 데 있어 상위공정의 성형기로부터는 고속이면서도 연속적으로 제품이 흘러나오기 때문에 그것을 로봇이 처리 가능한 양으로 나눌 필요가 있다.
나누는 방법은 고속·연속이 요구되므로 기계식이 아니라 컨베이어 등을 조합하여 분기를 되풀이하여 나누던지, 로봇을 복수대 설치하여 병렬처리 한다.
또한, 최근에는 제품의 크기가 비교적 작은 경우에 있어 패러렐 링크 기구 로봇도 사용되는데, 이 타입은 고속으로 움직일 수는 있지만 가반하중이 작아서 멀티그립화(Multi Grip)화가 어렵다는 단점이 있어 일반적으로 로봇을 복수대 설치하는 경우가 많다.
그리고 작업자는 다른 작업자가 어느 것을 선택하여 작업하였는지, 어느 것을 남겨놓고 있는지를 판단하여 작업을수행하게 되는데, 로봇의 경우에서도 이와 같은 배려가 필요하다.
로봇화의 경우 상류측 로봇의 능력을 높게 하고, 하류측의 로봇은 능력에 여유를 갖게 하는 노력이 필요하다.
② 다품종 대응 : 식품업계에 있어서 신제품의 개발속도가 눈부실 정도다. 다양한 품종만큼 빠르게 대응할 수 있어야 하는데, 이때 별도의 프로그램 기술자 업이 조작이 가능케 하는 것이 중요하다.
특히, 조작시스템에 있어서는 PC의 보급과 함께 아이콘 등으로 표시하는 조작성 향상이 요구된다.
③ 랜덤 픽킹 : 식품제조에 있어서 로봇을 많이 사용하고 있는 분야는 초콜릿이라든가 과자를 상자로 포장하는 과정이다.
초콜릿을 예로 들고 있는 본 내용에서는 초콜릿을 구워 굳힌 뒤 냉각 컨베이어 위에서 움직이는 제품을 로봇이 집어서 박스 포장을 설명할 수 있는데, 냉각 컨베이어는 벨트로 되어 있어 매시 컨베이어의 냉각효율을 높이고 있다.
부드러운 제품에 상처를 내지 않기 위해서도 인간의 손과 같은 부드러운 로봇이 요구된다.
그러나 한편으로 냉각컨베이어가 도중에 멈출 경우, 제품을 집어 들기 위해서 위치결정장치를 부가할 수 없고, 제품의 종류도 변경되므로 되도록 움직이는 상태에서 집어 든 채로 박스포장을 수행하고자 한다.
일반적으로는 카메라로 제품의 위치를 인식함과 동시에 컨베이어에 엔코더를 부착하여 카메라의 정보를 트래킹 하는 방법이 최적이다.
특히, 식품산업에서는 다량의 생산량을 반출시키기 때문에 고속의 처리가 요구된다.
이런 것을 로봇시스템 구축으로 해결했을 때 종래 12명의 종업원이 하던 공정을 4명(이중 간접작업자 2명)으로 수행하는 것이 가능하게 된다.
④ 프로그램의 용이성 : 식품의 생산형태는 대개 한 해 동안 같은 품종을 생산하는 일이 적고, 계절에 따라서 품종이나 생산량이 크게 변동된다.
이를 염두에 두어 생산능력에 여유를 두는 것이 좋지만, 투자효과 측면에서 같은 시스템으로 다양한 품종에 대응하는 경우가 많다.
그 경우, 품종의 전환, 신기종에의 대응하는 로봇응용소프트웨어 개발 등에 있어 용이성이 요구되어진다.
일반적으로는 식품제조현장은 계약직 시간제 근로자가 많고 자동차나 전기기기 공장과 같이 전문기술자가 배치되어 있는 경우는 일부 대형 제조 메이커를 제외하고는 드물다.
로봇을 효율적으로 가동하기 위해서는 화상처리 등을 이용한 고도의 기술력을 사용하게 되는데, 한편으로는 조작성이나 프로그램개발 용이성이 요구되고 있다.
용이성은 식품제조에서 로봇화를 성공시키는 열쇠를 쥐고 있다.
지금까지는 대량으로 생산하고 싸게 소비자에게 공급해 왔지만, 소비자의 기호가 다양화 되고 있는 현재 상황에서는 보다 작은 생산 방식으로 판매점에서 소비자가 주문을 하고, 제조하는 시스템이 요구되고 있다.
식품업계에 있어서의 로봇화는 타 산업에 비해 뒤처져 있지만, 앞으로 이들의 니즈를 바탕으로 새로운 시스템이 제공될 수 있을 것이다.
------------------------------------------------------------------------------------
팔레타이징 로봇이란?
‘팔레타이즈’란 ‘하물을 팔레트 위에 쌓아놓는다(荷物積載)’란 의미로 이러한 작업에 사용되는 로봇을 ‘팔레타이징 로봇’ 혹은 ‘팔레타이저’라고 부른다.
주로 사람이 작업하기 어려운 중량물의 반복적인 팔레타이징 작업이나 거꾸로 하물을 팔레트(Pallet) 위에서 컨베이어 등에 내려놓는 디팔레타이징(Depalletizing) 작업 등에 사용되고 전자, 출판, 식음료, 화학, 제지, 요업 등 팔레트(Pallet)를 사용하고 있는 전 업종에 걸쳐있으며 주로 제품의 입출하용 로봇으로서 널리 이용되고 있다.
팔레타이징 공정에 로봇을 적용시키려는 움직임이 많아졌고, 현재는 대다수의 업체들이 중량물을 핸들링 하는
작업에 팔레타이징 로봇을 사용하고 있다.
팔레타이징 로봇의 핸드는 서보핸드, 그리퍼타입, 포크타입, 진공 타입 등 다양한 용도에 따라 진화하고 있다.
물류관리 또는 물류시스템 개선을 위해 지금까지는 주로 하드웨어 중심의 사회 간접 자본 시설의 확충에 초점이 맞추어져 왔으나 물류정보의 흐름의 효율적, 체계적인 관리를 가능하게 하는 물류 정보시스템에 대한 관심이 높아지고 있다.
------------------------------------------------------------------------------------------
* 자료참고 : 공작기계지, 팔레타이징 로봇의 특징과 응용(김진오), 산업기술연구지
