플라스틱으로 만드는 자동차, 로봇으로 만드는 플라스틱
KUKA 어플리케이션이 적용된 자동차 플라스틱 부품 생산 공정
고유가, 환경 문제 등으로 에너지 효율에 대한 일반의 관심이 그 어느 때보다 두드러지는 요즘. 기술 집약 산업이라 불리는 자동차 산업계 역시 이러한 추세에 발 맞춰 에너지 효율과 관련된 기술 및 소재 개발에 열을 올리고 있다. 이러한 노력 중에 하나가 기존 소재에서 좀 더 가벼우면서도 두께를 줄일 수 있는 플라스틱 소재로의 대체를 들 수 있다. 하지만 플라스틱 소재가 갖고 있는 몇몇 단점들은 기존 공정에 적합하지 않아 공정 효율성을 떨어뜨리곤 했다. 본 지면에서는 이러한 문제점을 극복하고 공정 효율성을 높여 자동차 내 플라스틱 소재의 활용도를 넓힌 KUKA社의 로봇 어플리케이션 사례들을 소개하고자 한다.
자동차 범퍼
사출성형기에서의 플라스틱 범퍼 언로딩, 로봇으로 깔끔하게
▶ 생산 중 발생하는 플라스틱 범퍼의 표면 손상, 어떻게 해결할까 _ 플라스틱 가공, 고성능 세라믹, 특수 화학 및 안료화학 업체인 Dynamit Nobel社는 DaimlerChrysler의 S 클래스에 쓰이는 범퍼를 생산하고 있다. 하지만 이 회사에서 쓰이던 기존의 리니어 장치는 플라스틱 범퍼 표면에 긁힘을 발생시킴으로써 완벽한 도장을 방해하는 요소로 작용했다. 이에 Dynamit Nobel社는 범퍼 및 용접 부품의 핸들링의 자동화 솔루션으로써 범퍼 표면의 손상을 방지 할 수 있는 로봇을 선택하고, 기존 리니어 장치를 점차 다관절 로봇으로 대체할 계획을 세웠다.
▶ 품질, 생산성, 설비상 기회비용까지 고려한다면 해답은 로봇 _ 사출성형기에서 범퍼를 꺼내 스테이션으로 전달하는 역할을 로봇에 맡기기로 결정한 Dynamit Nobel社는 이 작업에 쓰일 로봇으로 KUKA社의 현수식 로봇인 KR 150 L110을 채용했다. 앞서 언급된 스테이션은 스프루(Sprue)의 제거, 중간 버퍼, 그리고 냉각 시 첫 번째 수축 구간으로써 사용된다. 생산된 범퍼가 이 스테이션에 체류하는 동안 KR 150 L110은 5,830g 중량의 완성된 범퍼를 고주파 용접 시스템(진동으로 발생하는 고온을 이용해 범퍼를 측면 및 내부 부품과 용접하는 역할을 하는 시스템)에서 픽업하여 컨베이어 벨트에 내려놓는 역할을 한다. 범퍼는 이 컨베이어를 통해 셀 밖으로 운반된다.
이후 로봇은 인입 컨베이어 시스템에서 범퍼의 우측 및 좌측면을 위한 각각 하나의 측면 및 내부 용접부품을 픽업하여 고주파 용접 시스템에 넣는 일을 한다. 이어 로봇은 스프루가 제거된 범퍼를 픽업하여 마찬가지로 이 시스템에 넣는다. 이러한 공정이 진행되는 동안 KR 150 L110은 사출성형기에서 다시 범퍼를 픽업하여 전달 스테이션에 내려놓는다.
이 핸들링 작업을 위해 로봇은 다양한 진공 회로가 내장된 공압 그리퍼를 사용한다. 또한 표준 E12 인터페이스를 통해서 사출성형기의 컨트롤러 및 주변장치와 통신하는 로봇 컨트롤러는 내장된 진공 모니터링 시스템을 통해 모든 회로에 적절한 진공압이 공급되는지를 점검한다. 이러한 적절한 진공압 제어와 공급은 핸들링 작업시 발생했던 긁힘을 최소화하는데 도움이 되었다.
본 솔루션을 통해 Dynamit Nobel社는 품질과 유지보수비용 절감과 더불어 언로딩 시간을 크게 단축시켰다. 이러한 생산 사이클 단축을 통해 회사측은 생산성을 크게 증가시키고 인건비 또한 절감하는 효과까지 거뒀다.
또한 리니어 장치의 경우 특수 설계를 통해서만 달성할 수 있는 높은 가반하중을 로봇은 기본적으로 제공하며, 나아가 다관절 로봇은 별도의 보조 도구 없이 금형에서 수축하는 사출성형품을 머신에서 제거하기 위한 충분한 힘을 갖고 있다. 이는 설비비용 측면에서도 큰 메리트가 있음을 의미한다.
자동차 루프캐리어
루프랙 마운팅(Mounting Roof Rack)용 개구, 레이저 커터 탑재 로봇으로 전자동으로 절단한다
▶ 루프 드립 몰딩(Roof Drip Molding)의 제조, 로봇에게 맡겨보자 _ 현재 레이저 로봇은 자동차의 내장 및 외장 분야, 예를 들어 필라 라이닝, 도어 모듈, 트렁크 라이닝, 커버 레일 등과 같은 플라스틱 커버링 부품 절단에 주로 사용되고 있다. 이는 레이저 로봇이 PP, PE, ABS-PC, 플랙시 글라스 또는 TPO 필름과 같은 거의 모든 플라스틱 커버링 부품을 우수한 절단 품질 및 빠른 공정 속도로 절단할 수 있기 때문이다.
Scherer Trier社는 이러한 장점을 주목하고 품질 및 속도 제고를 위해 루프 드립 몰딩의 제조에 있어서도 로봇 레이저 커터를 이용하여 절단작업을 수행하고자 했다.
▶ 특수한 디자인의 레이저 하우징으로 다양한 요구조건을 충족 _ 언급된 공정에는 테이프를 통한 몰드의 후속 접착이 동일한 사이클 타임 내에 자동으로 이뤄져야 한다는 조건이 따랐다. 이러한 목적과 조건에 맞는 커팅 로봇 선택과 관련하여 Scherer Trier社는 표준 산업용 로봇의 주축을 기반으로 하는 ROBOT-TECHNOLOGY社의 제품을 ROBOCUT K300에 사용하기로 결정했다.
CO₂레이저의 통합은 다관절 로봇의 표준 손목 축을 대체하는 후속 4차, 5차 축을 구비한 레이저 하우징을 통해 가능했다. 여기에 적용된 특수한 디자인의 레이저 하우징은 실제 현장에서 다양한 장점을 가져왔다.
예를 들면, 이러한 로봇 배열은 기존 축을 대체함으로써 로봇은 중량 평형 상태를 그대로 구현할 수 있고, 나아가 빠른 가속도 및 속도를 달성할 수 있었다. 또한 커팅 로봇의 4차, 5차 축은 무한 회전이 가능하도록 설계되어 부품 절단 후의 축 역회전으로 인한 시간 손실이 발생하지 않으며, 절단 중에 부품을 내려놓을 필요가 없다는 장점 또한 갖고 있다. 이를 통해 매우 짧은 사이클 타임의 구현과 지금까지 접근이 불가능했던 부품에 대한 접근도 가능하게 되었다.
축 밖의 영역에서는 인터페런스 컨투어(Interference Contour)의 방지를 위해 로봇에 내장된 프로세스 가스 공급장치가 탑재되었다. 헤드 축은 레이저 기술에 맞게 맞춤식으로 설계되어 빠른 재정향(Reorientation) 속도와 높은 정확도 구현이 가능해졌다. 또한 본 시스템 컨셉(System Concept)은 단 4개의 편향 미러만을 필요로 했는데, 이로 인해 마스터링이 간단하게 되었고 미러로 인한 출력 손실 또한 감소하는 효과를 누릴 수 있었다.
본 어플리케이션 구현에는 각 개별 공정 단계마다 다양한 기술이 사용되었다. 이를 하나씩 살펴보자면, 우선 리니어 핸들링을 통해 이뤄지는 Kraus-Maffei KM 1300-8100에서 12개의 2차 부품 및 4개의 루프 드립 몰딩의 제거를 들 수 있다. 이어 2차 부품은 메인터넌스 터널(Maintenance Tunnel) 위에 있는 스프루 벨트에 하적되고, 드립 레일 자체는 턴 테이블에 하적된다.
턴 테이블은 4개의 루프 드립 몰딩을 ROBOCUT K300에 공급하며, 루프랙 마운트를 위한 개구를 재빨리 절단한다. 정확하게 절단된 부품은 턴 테이블 및 리니어 유닛을 통해 불꽂 절삭(Flame Cutting) 스테이션으로 운반된다.
이어서 KUKA KR 45 다관절 로봇이 불꽂 절삭 스테이션에서 드립 레일(Drip Rail)을 제거하고 3M 테이프로 접착시킨다.
6축 로봇은 접착된 드립 레일을 중간 저장소에 내려놓고 다른 KUKA KR 45 다관절 로봇은 이 중간 저장소에서 루프 드립 몰딩을 픽업하여 핸들링 그립을 부착한다. 그리고 난 후 로봇은 완성품을 컨베이어에 내려놓는다.
자동차 엔진 커버
플라스틱 엔진 커버의 디버링, 로봇으로 가능해졌다
▶ 커팅과 천공, 함께 할 수는 없을까?_ 플라스틱 부품은 블로 성형 공정 후 정확한 커팅과 함께 천공 작업을 요하는 경우가 많다. 그동안 관련 업체에서는 이 작업을 위한 효율적 자동화 솔루션을 요구해왔음에도 불구하고 지금까지 이러한 어플리케이션에서는 커팅과 천공이 함께 구사되는 솔루션은 배제되어 왔다.
이는 로봇이 프로그래밍 된 경로 동작만 정확하게 수행하고 동시에 이루어지는 다양한 수축 또는 팽창에 의한 변화에는 대응할 수 없었기 때문이다. 또한 회전식 툴은 유독한 성분의 증기와 다량의 분진, 오염물 등을 발생시키기도 한다. 이러한 문제점들 때문에 플라스틱 엔진 커버의 디버링에 있어서도 완전히 새로운 툴이 필요한 상황이었다.
▶ 고가의 스탬핑 프레스보다 우수한 유연성을 구현 _ KUKA社의 시스템 파트너인 Cosytronic社는 위에 제시된 문제에 대해 특허 출원된 플로트 마운팅 툴 유닛(Float Mounting Tool Unit)을 해법으로 제시했다. 이 툴 유닛은 직선형, 특정한 반경으로 내측 또는 외측으로 휘어진 커터 등 다양한 커터를 장착할 수 있다는 장점을 갖고 있다.
한편, 버르(Burr)가 발생하지 않도록 커팅하기 위해서는, 커터에 항상 동일한 커팅 압력과 올바른 절단 각도가 유지되어야 한다. 커팅 작업과 고정 구멍 천공을 동시에 수행하는 KUKA KR 125 로봇은 앞서 언급된 조건을 만족시킨다는 점에서 본 솔루션에 채택되었다.
이 솔루션은 엔진룸용 방음 부품을 제조하는 Illbruck社에서 최초로 사용되었다. 이 회사의 어플리케이션 사례를 살펴보자. 우선 블로 금형의 반전된 형상을 갖는 알루미늄 재질의 밀링 된 가공물 캐리어는 흡입컵(Suction Cup)을 이용해 플라스틱 부품을 고정한다. 이는 로봇에 의해 가해지는 힘을 완충해주는 역할도 겸한다. 이후 블로 금형은 수동으로 두 개의 가공물 캐리어에 하적된다. 이어 KR 125가 방음 부품을 가공하는 동안 오퍼레이터는 다른 금형에서 생산된 완성품을 새 부품으로 교체한다. 이러한 최적화된 공정 절차로 인해 로봇은 연속적으로 최단 시간 내에 커팅 및 드릴링 작업을 수행할 수 있다.
가공물이 고정된 후, 셀의 컨트롤러는 연결된 센서를 통해 고정에 쓰이는 진공 흡입컵이 작동하는지를 조회한다. 이어 로봇은 클램핑 장치에 의해 설정된 포인트에서 커팅을 시작한다. 또한 커터의 동작은 커팅할 컨투어에 맞게 조절된다. 여기서 KR 125는 컨트롤러를 통해 자체적으로 드릴링 밀링 유닛의 회전속도를 컨트롤 할 수 있다.
이 솔루션은 로봇 사용시 경제성과 효율성 외에도 고가의 스탬핑 프레스보다 우수한 유연성을 제공받을 수 있음을 보여준다.
차량용 플라스틱 부품 검사
까다로운 자동차 플라스틱 부품의 표면 점검, 이제는 로봇으로 간편하게
▶ 여러 조건을 필요로 했던 자동차 플라스틱 부품 표면 검사_한 자동차 제조사는 Rosenheim 대학에 ‘도장 및 비도장 플라스틱 부품의 표면 검사에 있어 광학 검사 요소의 복잡성 및 다양성을 극복한 전자동화’에 관한 연구 개발 용역을 발주했다. 기존의 표면점검은 최적 머신 생산 용량을 보장하기 위해 사출성형기의 비생산 시간에 이루어져야만 했었을 뿐 아니라, 인건비와 생산 사이클 등의 문제에서 비효율적이었기 때문이다.
▶ 품질검사에서 완전성 검사까지 한번에 해결_ 대학측은 카메라가 플로 마크, 싱크 마크, 긁힘, 광택 차이, 주형에서 제거 시 변형, 접합선의 마크, 연소 흔적, 과다 주입 등을 수동 광학 품질 검사에서와 같은 수준으로 인식하는 것을 우선적 목표로 했다. 또한 이를 위해 품질 관리 프로세스를 영상화하는 유사 어플리케이션이 적용되었다.
우선 로봇은 부품을 트레이에 내려놓는다. 그리고 부품을 픽업하여 모든 측정 표면이 CCD 카메라에 의해 측정될 수 있도록 부품을 비전 시스템 앞에 위치시킨다. 다음으로 로봇은 영상 처리 시스템에 의해 모든 표면이 검사될 수 있도록 6차 축에서 부품을 회전시킨다. 본 영상 처리 시스템은 색상차 또는 색상변화를 인식할 수 있으며 설정된 임계값을 근거로 부품에 대한 품질검사 합격 여부를 측정창에 표시했다. 동시에 표면 검사의 결과는 셀 밖에 있는 모니터로 출력되었다. 완전성 검사에 경우 시스템은 컨투어 또는 파절부와 같은 설정된 항목들의 상태를 점검한다. 이 검사에서 부품이 명암차 측정의 공차값을 초과하는 경우에는 불량으로 인식되어 방출되어진다.
본 시스템은 개발 즉시 자동차 양산 공정에 투입되었으며, 사측이 요구한 모든 사항을 충족시켰다.
쿠카로보틱스코리아 www.kukakorea.com
