Ⅰ. 용접로봇 총설
Ⅱ. 철골용접 로봇시스템
최근 생산력과 능률 향상, 품질 안정화 등을 목적으로 용접 시공의 자동화·로봇화 경향이 두드러지고 있다.
이에 본지에서는 전호(arc) 용접로봇의 과거와 현재, 미래에 대해 정리하였다. 또한 현대 건축철골 제작에서 비중이 커지고 있는 철골용접 로봇시스템에 대해 알아보고, 적철골제작의 현장에 요구되는 납기의 단기화에 대응하는 사항 및 효율성에 대해 살펴보도록 하겠다.
* 자료 : 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 김환태, 이순요
Ⅰ. 용접로봇 총설
1. 머리말
오늘날 ‘생산력과 능률 향상’, ‘품질 안정화’, ‘성력화와 성인화’를 목적으로 하여 용접 시공을 자동화와 로봇화하는 경향이 있다. 용접로봇으로서 여러 가지 형태의 로봇이 세간에서 활약하고 있으며, 해가 갈수록 증가하는 경향에 있다.
여기서는 그 중에서도 특히 ‘전호(arc) 용접로봇’에 대해 첫째, 지금까지의 전호 용접로봇의 변천, 둘째, 최신형 전호 용접로봇에 대해, 셋째, 주변 기기의 최신 경향, 넷째, 앞으로의 전개 등에 대해 정리하기로 한다.
2. 전호 용접로봇의 변천
1980년에 등장한 전호 용접로봇은 수동용의 용접 전원과 플레이백(playback) 형의 로봇을 한쪽 방향의 아날로그(analog) 지령으로 접속한 것이었다. 인력 부족을 해소하고 3K로부터 작업자를 자유롭게 하는 등의 효과를 올려 용접 업계에 커다란 공헌을 해왔다.
1990년에 들어와서 거품 경제와 함께 숙련 작업자의 부족이 심각해지고, 보다 고도의 용접 시공을 할 수 있는 로봇이 요구되기에 이르러 로봇과 용접기를 상호 실시간 통신으로 결합함으로써 보다 치밀한 시공 조건의 지시가 이룩되는 ‘용접 전원 내장 로봇’이 제품화되었다. 그 이후 로봇과 용접 전원의 통신결합은 업계의 표준이 되었다.
2000년에 들어와서는 국제경쟁이 격화되고 일본 내 용접산업의 공동화에 종지부를 찍기 위해 생산성 향상이나 용접품질 향상이 한층 더 절실히 요망되어 용접 제어를 모든 디지털 양(量)에서 행하는 풀 디지털 용접기(full digital welder)가 판매되었다.
그리고 탁월한 용접성능뿐만 아니라 용접 재현성이나 용접조건 제시시간 단축이 크게 평가되어 업계의 새로운 흐름이 되었다.
2004년에는 차세대를 담당하는 ‘용접로봇의 이상’을 추구하고, ‘용접기와 로봇의 새로운 관계’로서 고안된 ‘융합’이라는 개념에 따라 ‘로봇의 동작 제어’와 ‘용접 파형 제어’를 일원적으로 제어하는 용접 전원 융합로봇이 등장해 왔다.
이어서 용접 전원 융합형 로봇의 소개와 전호 용접로봇 주변의 최신 경향에 대해 설명한다.
3. 용접 전원 융합형 로봇에 대해
가. 하드(hard) 구성
로봇 컨트롤러(controller) 내에 용접 전원을 내장하고 있으며, 용접 전원은 로봇 메인(main) CPU와 용접 제어 카드로 직접 접속되어 종래에 비해 250배 빠른 고속 데이터 통신이 가능하게 되었다.
또한, 용접 전원은 1차 인버터(inverter) 주파수 100㎑(1초에 10만회, 즉 10㎲ 주기)의 초고속으로 출력 제어할 수 있다.
더욱이 DSP(Digital Signal Processor)에 의한 전자 반응기로 치밀한 용접 파형 제어를 풀 소프트웨어(full software)로 실현하고 있다. 또한 파워 모듈(power module)과 전자 제어 디바이스(device)가 발전되면서 하이 스펙(high spec.)의 구성을 실현할 수가 있었다.
나. 융합에 의한 신기능
로봇 메인 CPU에 의해 용접 전원 로봇을 제어하는 ‘융합’에 의한 신기능 중의 하나인 ‘리프트 업(lift up) 기능’이 있어 용접을 시작할 때와 용접을 끝마칠 때에 효과를 발휘한다.
용접을 시작할 때는 송급 되는 용접 와이어가 작업물에 접촉하는 순간에 로봇 팔을 리프트 업 시켜 강제적으로 공간 간격을 만들어 확실히 양호한 전호 점화를 실현한다.
용접을 끝마칠 때에도 로봇 팔을 리프트 업 시켜 와이어가 용융 풀(pool)에 접촉한 채로 끝나는 일은 없고, 로봇 시스템의 생산성에 커다란 효과를 발휘한다.
이는 로봇 메인 CPU가 용접 상태를 인식하고 있으며, 용접 상황에 따라 로봇을 임의로 동작시킬 수 있는 ‘융합’에 의한 커다란 특징이 있음을 나타낸다.
다. 용접 성능
저(低)전류 단락 이행영역은 SP-MAG 용접법과 2차 스위칭 제어에 의해 스패터(spatter) 발생량을 대폭적으로 감소시키고 있다.
와이어의 단락 개시와 종료 직전을 정확히 순간 검지하여 출력 저하시킴으로써 와이어 통전 가능 지름이 가늘어진 곳에 과대한 전류를 흐르게 하여 ‘퓨즈(fuse) 효과’가 발생하는 스패터 발생량을 종래에 비해 약 1/5~1/10에 이르기까지 대폭적으로 감소시킬 수 있다.
중(中)전류 그로블(grovel) 이행영역으로부터 고 전류 스플레이(splay) 이행영역에서는 종래의 Dip-Pulse 용접법으로부터 Hyper Dip-Pulse 용접법으로 진화하고, 스패터 발생량은 종래에 비해 약 1/4까지 감소시키고, 언더컷(under cut)에 대해서도 효과를 발휘하여 양호한 용접 비드(bead)를 실현하고 있다.
라. 모니터링 기능
최근의 로봇을 조작하는 교시기(敎示器) 화면은 보기 쉬운 컬러 대화면 표시로 되어온 것도 특징이라고 생각된다.
이 특징을 살려서 TAWERS에서는 용접의 ‘모니터링 기능’을 탑재하고 있다.
교시기 화면 내에 용접 전류, 용접 전압, 단락 주파수, 펄스(pulse) 주파수, 와이어 송급량, 와이어 송급 모터 전류 등 수많은 용접 정보를 각 교시점의 포인트와 맞추어 그래프로 표시하고, 종료된 용접 상황을 눈으로 확인하는 것이 가능하게 되었다.
용접 정보를 데이터 파일한 이 파일은 CSV 형식으로 LAN이나 PC 카드에 의해 이들의 정보를 추출하고, 표 계산 소프트웨어에 따라 여러 가지 데이터 처리가 가능하다.
가령 가로축을 시간, 세로축을 용접회수로 하여 시간별 생산수량 추이를 가시화할 수 있어 로봇 교체 전후에서의 용접 안정도 변화를 확인할 수가 있다. 또한, 전 용접 시공조건을 간단히 남길 수 있으므로 생산관리나 품질관리의 데이터베이스로서 활용할 수도 있다.
마. 케이블 내장 로봇
시장에서는 생산성 향상과 고품위 용접, 그리고 높은 신뢰성을 강하게 요구하고 있다. 이러한 와중에 복잡한 형상의 작업물 용접에 대해서는 토치(torch) 케이블의 간섭문제가 과제가 되는 경우가 있다.
최근에는 토치 케이블 내장의 전호 용접로봇이 등장하여 토치 케이블의 작업물이나 치구와의 간섭과 복수대의 동시 용접 시의 간섭을 회피하고, 작업물로 보다 쉽게 접근할 수 있다.
용접 적용 작업물의 확대를 실현함으로써 고품위 용접의 적용범위를 확대시킬 수 있도록 되어 있다.
4. 주변 기기
가. 비전 센서와 용접 프로세스 시뮬레이션
전호 용접로봇은 일반적으로 티칭 플레이백(teaching playback) 방식을 채용하고 있다. 그렇기 때문에 전호 용접 분야에서는 작업물의 설치 오차나 가공 정밀도에 의해 교시된 용접선이 빗나가면 용접 결함이 발생한다. 그래서 로봇의 시각(視覺)이 되는 하이브리드 레이저 센서(hybrid laser sensor)를 탑재한 전호 용접로봇 시스템이 개발되고 있다.
일본 국내에서의 용접 프로세스 시뮬레이션 기술은 아크 모델(arc model), 용적(溶滴) 이행 모델, 용융지(溶融池) 모델 등에 대해 각 분야의 전문가에 의해 눈부신 성과를 거두고 있다. 구미에서 이미 모델 통합이 이루어졌듯이 앞으로는 이들을 통합하여 많은 진전을 가져올 것으로 기대된다.
5. 맺음말
여기서 소개한 바와 같이 전호 용접로봇의 용접 성능이 향상되고 있으며, 그 이외에도 협조제어 성능이나 고속 성능 및 가동범위 등 머니퓰레이터(manipulator) 자신의 성능도 향상되고 있다.
또한, 시각 센서나 시뮬레이션 소프트웨어와 같은 주변 기기에 대해서도 충실하게 되어가고 있다.
이들에 의해 전호 용접로봇은 각별하게 진화되어 왔다고 생각된다.
그러나 고객의 만족도는 아직도 충분하지 못하며, 과제도 산적되어 있다.
앞으로는 위치적인 센싱(sensing) 기능의 고정밀도화와 고성능화에 부가해서 용접 현상, 용접 상황과 연계한 제어를 충실하게 함으로써 더욱 더 안정된 용접 품질을 제공하는 전호 용접로봇 시스템이 요망된다.
6. 전문가 제언
용접은 고열과 유해한 자외선 등을 발생하는 매우 어렵고 힘든 작업이며, 산업용 로봇의 수요가 높은 작업이다.
이 용접은 점 용접(spot welding)과 전호 용접(arc welding)으로 대별되고, 소수이기는 하나 레이저 용접(laser welding)과 가스 용접(gas welding)이 있다. 이 중에서 전호 용접용 로봇은 비교적 소형 로봇이 이용되는데, 용접부분을 수평으로 유지하기 위한 지지대 등 주변 설비가 많이 필요하다.
전호 용접작업은 수년에서 수십 년간의 훈련과 경험을 필요로 하는 전형적인 숙련 작업이었으나 전호 용접로봇이 등장한 후 불과 며칠 동안 장치의 조작교육만 받아도 실시 가능한 작업으로 변해왔다.
그러나 생산현장에서 용접 품질의 향상, 생산성의 향상, 불량의 최소화, 비용절감 등을 실현하기 위해서는 전호 용접의 원리나 로봇, 용접 전원 등 장치에 대한 이해가 반드시 필요하다.
일본에서 대기업의 일부는 로봇의 교시뿐만 아니라 용접 시공조건 설정도 오프라인에서 행하기 때문에 이미 이 기술을 용접로봇의 오프라인 티칭 시스템과 조합시켜 실용화하고 있다.
그러나 중소기업이 대기업을 지지하고 있는 일본에서는 오프라인 용도뿐만 아니라 용접로봇과의 조합에 의한 온라인의 조건설정 보조 툴(tool)로서의 유효성이 있다.
전호 용접로봇 사용 시에 유의해야 할 것은 티칭 작업이나 프로그램 작업에 의해 용접 품질이나 생산성이 크게 변화하기 때문에 용접을 잘 이해한 엔지니어가 작업을 수행할 필요가 있다는 점이다.
특히 엔지니어의 능력이 요구되는 것이 용접속도의 설정인데, 가령 용접속도를 60/분으로 할 것인가, 90/분으로 할 것인가에 따라 생산성은 1.5배나 다르다.
최근 들어 일본에서의 전호 용접용 로봇의 생산대수는 약 7000대로 예상되고 있다.
전호 용접기 자신은 그 10배 이상 판매되고 있는 것을 고려하면 전호 용접로봇의 잠재 시장은 매우 클 것으로 추정된다. 앞으로의 전호 용접의 응용방향을 주시함과 동시에 사용자의 요구에 잘 대응해 나가야 할 것이다.
