산업용 로봇의 고기능화를 위한 최신 제어장치 동향
하루가 다르게 변해가는 기술 발전 속도만큼이나 소비자들이 원하는 로봇 시스템의 수준도 날이 갈수록 높아진다. 본 지면에서는 각 대표 로봇 업체별 제어기를 살펴보고 이러한 소비자들의 요구를 어떻게 충족시키고 있는가 살펴보도록 한다.
1. 서언 2. 소형화 등 섬세한 니즈에 대응하는 Fujikoshi 제어장치 3. 신형 로봇 성능을 모두 실현하는 Yaskawa 제어장치 4. 시스템 전체효율화를 목표로 하는 Mitsubishi 제어장치 5. 결언 6. 전문가 제언
1. 서언
산업용 로봇 시스템에 대한 사용자 요구수준이 날마다 높아지고 있다. 최근에는 신뢰성, 유연성, 속도 및 비용 면에서 우수한 로봇을 사용하는 시스템, 그리고 생각할 수 있는 모든 요구조건을 만족할 수 있는 성능을 확보할 수 있게 되었다.
여기에는 로봇이 고기능을 구현할 수 있도록 제어장치의 성능과 현장 적용성이 향상되어야 하며, 또한 소형경량화가 필수조건이 되었다. 특히 자동차 용접공정에는 로봇 제조업체들이 경쟁적으로 사용자요구에 보다 더 만족하는 시스템을 제공하기 위해 연구를 거듭하고 있다.
2. 소형화 등 섬세한 니즈에 대응하는 Fujikoshi 제어장치
Fujikoshi사가 2006년에 개발한 신형 로봇 제어장치 ‘AX-20’은 기존 모델과 비교하여 설치면적을 약 10~15% 줄이고, 높이를 1180mm로부터 890mm로 낮추었고, 제어장치 1대로 2대의 로봇을 동시에 제어할 수 있다. 또한 시각센서와 엔드 이펙터(End Effecter) 제어기능을 갖춤으로써 소형화, 고정밀화 및 고기능화를 달성하였다.
용접이나 프레스작업의 경우 단위공정시간이 길어지는 요소를 제한함으로써 로봇이 기여할 수 있는 여지가 많아지게 되었다. 로봇 암(Arm)의 성능을 향상시키기 위하여 암을 빠르게 움직여 하나하나의 작업과 이동효율을 높일 수 있다.
용접 건을 서보모터로 제어할 수 있도록 개선함으로써 자동차 조립공정의 아크용접과 스폿용접의 정밀도를 높여 작업효율을 높일 수 있다. 더욱이 서보모터 제어를 통하여 용접시의 가압, 시간 및 용접점수 등을 세밀하게 관리할 수 있게 되었다.
‘AX시리즈’는 윈도즈를 채용한 PC 베이스의 제어장치와 시판하고 있는 컴퓨터 시뮬레이션 도구를 사용하여 고정밀도로 동작을 검증할 수 있다. 또한 소프트웨어 PLC를 사용하여 주변장치의 프로그램도 가능하게 되었다. 국제안전규격을 만족하기 위해 비상정지 2중 안전회로를 표준으로 구비하고 있으며, 제어성능은 궤적정밀도를 50% 향상시켰고, 서보건의 용접 동작시간을 30% 축소하였다.
3. 신형 로봇 성능을 모두 실현하는 Yaskawa 제어장치
로봇시스템은 일반적으로 라인의 단축, 공정 수의 축소 등 사용자의 니즈를 만족하는 것을 기본개념으로 한다. 자동차 산업에 적용하는 용접공정에서도 생산성과 품질의 향상이 필요하기 때문에 모든 기술을 개선하여 ‘짧은 공정’ 이라는 개념을 제안하고 있다.
Yaskawa Electric사가 좀 더 자유도를 높인 고밀도 로봇 라인으로 시장에 선보인 VS50은 짧은 공정을 목표로 개발된 세계최초의 7축 스폿용접 로봇이다. 자사가 개발한 소형 중공모터를 엔드 이팩터 부분의 용접건(Gun)에 탑재함으로써 경량인데 불구하고 건에 필요한 600kg의 가압능력을 갖추게 되어 가반중량 50kg의 소형 로봇에서도 스폿용접작업을 수행할 수 있다.
로봇의 다축 소형화로 자유도를 높임으로써 고밀도 배치가 가능하게 되었다. 여기에는 제어기술과 제어성능의 향상이 중요한 요인이다. 신형 로봇 컨트롤러 ‘DX100’은 종래 제어장치와 비교할 때 고성능화, 조작성 및 소형 슬림화를 달성하였다. 또한 컨트롤러 한 대로 최대 72축 또는 로봇 8대를 동시 제어할 수 있다.
로봇 기종이나 작업을 고려한 동작제어를 실시함은 물론, 수리 또는 교환할 때 정확한 원점위치복원을 축 당 약 2분 이내로 재설정하는 ‘제로잉(Zeroing)’ 기능을 갖춤으로써 정비작업 정밀도를 달성하였다.
로봇 안전영역을 안전인증 취득 소프트웨어로 수행하기 때문에 종래보다 안전구간의 범위를 적게 할 수 있다. 또 소프트웨어가 로봇들 간의 간섭을 항상 감시하고 있기 때문에 프로그램 에러에 의한 충돌을 방지할 수 있다.
4. 시스템 전체효율화를 목표로 하는 Mitsubishi 제어장치
Mitsubishi Electric사는 2006년 가공라인 전체의 최적화를 지향하는 제어장치 ‘iQ 플랫폼’을 선보였다. iQ 플랫폼은 로봇이나 NC 등의 서보모터를 제어하는 가공기계의 모든 모션 컨트롤러의 중앙연산처리장치(CPU)를 직접 버스에 연결하는 것이 가능한 시퀀서 제어장치이다.
이 제어장치의 최대 장점은 신호제어의 속도를 높이는 것이다. iQ 플랫폼을 사용한 로봇의 경우, 직접 시퀀서 CPU와 로봇 컨트롤러가 연결되기 때문에 입출력 통신시간이 대폭 삭감된다. 한 공정의 움직임을 보면 입출력 통신시간의 축소로 사이클 타임속도가 최대 20% 증가한다. 또한 공정 전체의 프로그램 처리시간으로 비교하면 통신 데이터양이 비약적으로 증가하기 때문에 연산처리나 조건 분기처리에 걸리는 시간이 대폭 단축된다.
한편, 투명한(Transparent) 확인기능에 의해 사용자의 조작성을 향상시킬 수도 있다. 이 기능은 가공기계를 일원적으로 관리 및 조작할 수 있는 유저 인터페이스 프로그래머블 표시기의 USB 인터페이스와 컴퓨터를 접속하여 로봇 제어장치의 프로그램이나 파라미터 편집을 직접적으로 수행할 수 있는 능력이다.
iQ 플랫폼에 여러 대의 로봇 제어장치를 연결하면, 각 로봇 컨트롤러의 상황을 파악할 수 있을 뿐 아니라 협조 프로그램도 일괄적으로 수행한다. 또 로봇 이외의 부가 축을 로봇과 동기화하여 최대 8축까지 제어할 수 있다.
iQ 플랫폼에는 각축 서보모터와 암(arm)의 상황을 실시간으로 연산하여, 최적의 모터출력과 암의 동작속도를 제어하는 최적 가감속 기능과 최적 오버라이드(Override) 기능을 구비하고 있다.
이 iQ 플랫폼을 서보모터의 고정자 제조공정에 적용한 경우, 종래 공정과 비교하여 전체 사이클 타임을 약 13% 줄일 수 있었다.
5. 결언
2005년경부터 완성차 제조업체의 니즈가 생산성향상으로 바뀌었다. 따라서 로봇 시스템도 작업효율화 외에 철저한 작업이력관리, 작업공간을 줄이는 과제에 대응할 필요가 있다.
향후 자동차 산업은 투자의욕의 감소 또는 생산현장의 효율화에 대해 철저히 재점검하여야 한다. 이에 따라 로봇도 용접과 프레스작업은 물론 엔진조립에의 이용 또는 사람과 공존하는 라인에 채용할 여지가 많아지고, 새로운 용도에 대해 어떤 기능을 추가하는 것이 좋은지에 대한 과제를 해결하여야 한다.
6. 전문가 제언
로봇 산업은 지식집약산업으로 고부가가치를 창출할 수 있는 산업이며, 궁극적으로 로봇 산업은 원천기술의 발전 없이는 성장할 수 없는 미래지향형 산업이다. 꾸준한 원천기술에 대한 투자가 이루어져야 하며, 막대한 연구자금이 필요한 로봇기술의 속성상 위험부담의 차원에서 전략적으로 정부차원의 연구개발 지원이 절실한 분야중 하나이다.
일본 Hitachi사는 공장에서 생산 물류의 고효율화를 실현하는 지능형 로지스틱 지원 로봇시스템(Lapi)을 개발하였고, Mitsubishi사는 Kyoto대학과 공동으로 생산기종변환 신속화와 장시간 연속 작업이 가능한 차세대 셀 생산을 실현하는 로봇 지능화 기술을 개발하였다.
정부는 로봇 기업의 고비용 연구개발 및 생산구조를 개선함으로써 로봇 산업의 활성화를 촉진하기 위해 2010년까지 3년간 78억 원의 국가자금을 지원하여 대학 연구소 등 12개 기관이 공동으로 참여하는 차세대 로봇 공통 플랫폼 개발 사업을 추진하고 있다. 그동안 기업별로 독자적으로 개발해오던 로봇 플랫폼이 공통 플랫폼에 로봇 기업의 독창적 기술만 추가함으로써 개발비용을 50% 이상 축소할 수 있을 것이다.
2009년3월 국내 지식경제부와 교육과학기술부는 로봇 산업 5개년 계획을 발표하였다. 이 계획에는 2013년 로봇 3대 강국으로 도약하고 2018년 로봇기술을 선도하는 비전과 발전전략을 담고 있다. 향후 5년간 1조원을 투자하여 2013년까지 국내 로봇시장을 4조 원 규모로 성장시키고, 세계시장 점유율을 13%까지 확대해 나가게 된다.
최근 한국전자통신연구원(ETRI)과 일본의 산업기술총합연구소(AIST)는 양국에서 독자적으로 개발한 로봇 응용소프트에어의 호환성을 확보하고 로봇 소프트웨어 국제표준을 채택하기 위하여 로봇 소프트웨어 협력 양해각서를 교환하였다. 이를 계기로 우리 기업이 타국 기업에 비해 경쟁우위에 서서 일본 로봇 소프트웨어 시장에 진출할 수 있는 발판을 마련하고 일본 로봇 기술을 도입하여 국내 기술력 향상에 기여할 것으로 기대한다.
한국과학기술정보연구원 전문연구위원 나덕주 (djra15@ reseat.re.kr)
