제조용 로봇은 작업의 역할에 따라 여러 형태로 공급되고 있으며, 여기에는 단순 직선반복 운동을 위한 단축로봇(리니어 액추에이터)부터 X, Y, Z의 직교좌표계 직선반복 운동을 위한 직교좌표로봇, 픽 앤 플레이스 작업을 위한 스카라 로봇 및 병렬링크로봇(델타로봇), 반도체·FPD 분야에 주로 활용되는 수평다관절 로봇, 그리고 4축 이상의 고자유도를 자랑하는 수직다관절 로봇까지, 다양한 로봇들이 포함되어 있다.
그중에서도 제조용 로봇의 꽃이라 불리는 수직다관절 로봇은 그 우수한 자유도 및 범용성으로 인해 단순 핸들링에서부터 용접, 팔레타이징, 조립, 검사 등 다방면에 활용되고 있으며, 최근에는 금속 가공 분야까지 애플리케이션이 확장되고 있다.
제조용 로봇 시장 발전의 동력 ‘금속 산업’
국제로봇연맹(IFR)이 발표한 ‘2016 월드 로보틱스(World Robotics 2016)’에서는 2017년부터 2019년까지 로봇 산업이 연평균 13% 이상 성장할 것이라고 전망했다. 동 기간 내 시장 규모는 1조~7조 원까지 확대될 것으로 나타났다.
한편 본 본고서에서는 2015년 로봇 판매량이 253,748대로 15% 증가했으며, 이는 사상 최고의 연간 판매량이라고 기록했다. 동 기간 로봇 시장 발전을 견인했던 자동차 산업이 5년 만에 소폭 증가하는데 그쳤음에도 이러한 성과가 가능했던 이유는 전자 산업(+41%)과 금속 산업(+39%)의 약진 덕분이다.
2015년 금속 및 기계류 산업에 대한 매출액은 3년 연속 최고치인 29,450대로, 전년 대비 39%가 증가했다. 이는 총 공급량의 12%에 달하는 수치이다.
그간 시장 규모가 상대적으로 낮았던 ‘금속 가공’ 분야의 경우 2012년 131억 원에서 2013년 641억 원(390% 증가)으로, 또 2014년에는 1,030억 원(60.7% 증가)으로 증가했다.
세계 연간 산업용 로봇 공급량 예측(World Robotics 2016)
2013~2015년도 업종별 제조용 로봇 연간 수급 전망(World Robotics 2016)
금속 절삭 가공 기술의 진화
금속의 절삭 가공에는 공작기계가 주로 활용된다. 과거에는 흔히 ‘보루방’이라고 불리는 탁상용 드릴머신과 평면·홈 절삭 및 절단 가공을 위한 밀링머신과 같은 수동식 공작기계들이 주로 사용되어 왔다.
이후 20세기에 접어들면서 수치 기반의 절삭가공을 지원하는 수치제어(NC, Numerical Control) 방식의 공작기계들이 등장하기 시작했으며, 여기서 한 발 더 나아가 공작기계들이 컴퓨터 수치제어(CNC, Computer Numerical Control) 방식으로 진화되면서 더욱 지능화되고, 고도화됐다. 최근에는 더욱 복잡하고, 정밀한 가공을 위해 공작기계의 다축화가 진행되고 있으며, 이제 금속 및 공작기계 관련 산업전시회에 5축 가공기가 출품되는 것은 특별한 일이 아니다. 범용밀링에서 NC/CNC밀링으로, 그리고 머시닝센터로, 고속·복합가공기로의 진화는 꾸준히 지속되고 있다.
공작기계의 조력자 ‘로봇’
공작기계에 사용되는 로봇 중 가장 범용으로 활용되는 것은 갠트리로봇이다.
갠트리 로더라고도 불리는 이 로봇은 문형(門形)의 구조물을 포함하는 이송 로봇으로서, 조립, 용접 등 다양한 공정에 활용되고 있으며, 금속 가공 분야에서도 워크피스를 공작기계에 로딩하고, 가공된 제품을 언로딩하는 역할에 적용되고 있다.
갠트리로봇은 단순작업용 로봇이라는 인식이 강하지만, 그럼에도 모션 제어 기술의 발전에 따라 점차 진보되고 있다. 일례로, 미쓰비시전기는 2014 오토메이션월드에서 자동차 엔진 생산라인 데모를 구축, 당시 갠트리 로봇에 의한 부품 반송을 시작으로 머시닝센터에 의한 절삭가공, 가공품의 최종 검사에 이르는 전공정을 시연한 바 있다. 이때 적용된 갠트리 로봇은 모션 컨트롤러와 MR-J4 서보 앰프를 조합해, 어드밴스드 S자 가감속 기능에 의한 원활한 가감속 설정 및 어드밴스드 제진제어에 의한 장치 본체의 자류 지동 억제가 가능해 정밀도 높은 갠트리 로봇의 반송 작업을 실현했다.
금속 절삭 가공 분야에서, 종래에 사용되어 왔던 갠트리 로봇이 단순 로딩/언로딩 작업을 목표로 사용되어 왔다면 6축 수직다관절 로봇은 보다 높은 수준의 자동화를 위해 적용되기 시작했다.
일반적으로 단순 로딩/언로딩 작업을 위해 수직다관절 로봇을 사용하는 것은 비용효율성이 낮다. 그러나 복잡한 환경 등으로 인해 로봇의 자유도가 필요한 상황, 또는 제품 반송에 이어 디버링, 폴리싱, 검사, 측정과 같은 후가공까지 고려한 상황 등에서 6축 다관절로봇의 활용성은 더욱 극대화된다.
절삭 공정에 직접 투입되는 로봇들
최근 소프트웨어의 발전과 더불어 공작기계의 보조 역할을 하던 수직다관절 로봇이 직접 절삭 가공 작업을 수행하는 경우도 증가하고 있다. 공작기계를 피해 조심스럽게 워크피스를 넣고, 완성된 작업물을 빼내는 수준에 불과했던 수직다관절 로봇들이 유연성과 확장성을 강점으로 내세워 직접 가공 영역까지 뛰어드는 것이다. 실제로 수직다관절 로봇을 이용한 절삭 가공은 다품종 가공에 대한 비용 절감 효과가 뛰어난 것으로 알려져 있다.
체코의 완성차 메이커 ‘스코다(Skoda)’에 자동차 루프 레일 및 루프 랙을 공급하는 ‘ACL 오토모티브(ACL Automotive)’는 한 라인에서 단 하나만의 제품을 생산해오던 종래의 방식을 벗어나 기존 공장에서는 불가능했던 두 가지 버전의 생산 능력 및 생산량이 동시에 필요했다. 그러나 종래의 4축 가공 시스템의 경우 큰 비용의 지출이 예상되어 스토브리의 TX200 로봇 두 대를 이용해 알루미늄 프로파일을 처리하는 애플리케이션을 꾸몄다. 이 두 로봇은 두 개의 밀링 스핀들을 가진 동일한 툴 헤드를 장착하고 있다. 13㎜ 커터로 거친 밀링 작업을 수행한 다음, 6㎜ 밀링 커터로 툴 체인지 후 마무리 작업을 수행하는 방식이다.
한편 국내에서도 최근 로봇을 이용한 절삭 가공 애플리케이션이 증가하고 있다. 지난 2017년 6월 말, 국내 완성차 메이커는 기존에 사용하던 로봇 시스템을 개조해 자동차 프레스 금형에 홀 또는 탭을 내는 애플리케이션으로 개조했다. 업계 관계자는 “기존 야스카와전기 로봇 시스템에 델켐의 파워밀 소프트웨어를 접목하는 개조 작업을 진행했다”고 귀띔했다.
소프트웨어의 발전이 견인한 로봇 절삭 가공
기존에 로봇 제조사들이 로봇을 이용한 절삭가공에 상용 소프트웨어를 사용하는 이유는 로봇을 움직이는 언어와 CNC 머시닝센터를 가동하는 언어가 다르기 때문이다. 즉, 로봇을 프로그래밍하는 방식으로는 절삭가공과 같은 3차원 입체 가공에 대한 티칭포인트를 잡기 힘들다. 이에 3차원 정보를 로봇의 모션으로 연결해주는 소프트웨어의 요구가 증가했다. 일각에서는 자동화 수치제어(CNC) 로봇가공기술이라고 부르기도 한다.
한 소프트웨어 관계자는 “약 2011년 경, 일부 업체에서 공작물의 크기 대비 가공 원가를 낮추기 위해 로봇을 사용하고자 하는 움직임이 있었다”며 “당시 국내는 6축 다관절 로봇을 동기화해 제어하는 CAM 소프트웨어가 활성화되지 않은 상황이었고, 반면 해외에서는 이미 로봇을 이용한 밀링, 절단가공 시장이 형성되어 있는 상황이었기에 선진 소프트웨어들이 국내 시장에 도입되기 시작했다.”고 설명했다.
일반적으로 수직다관절 로봇은 좌표계를 일일이 점으로 찍고, 이를 기억시켜 모션으로 구현하는 티칭 방식을 사용한다. 이러한 티칭 방식으로는 복잡한 절삭 가공에 있어 효율을 낼 수 없고, 또한 G코드를 이용해 프로그램을 짜는 공작기계와 달리 로봇은 메이커별로 고유의 언어를 채용하고 있다. 이에 따라 일반적인 3D CAD 시뮬레이션을 로봇의 모션으로 구현시키기 위해서는 이를 연결해주는, 일종의 ‘통역’ 역할을 하는 소프트웨어가 필요하다.
델켐의 파워밀 인터페이스
델켐 파워밀 로봇을 예로 들면, 이 소프트웨어는 툴 패스 연산 -> 3~8축까지의 로봇 선택 -> 로봇 위치 보정 -> 툴 패스 시뮬레이션 -> 해당 툴 패스를 로봇 컨트롤러 기계어로 변환하는 과정을 통해 5축 NC기계를 프로그래밍하는 것처럼 8축 로봇까지 손쉽게 프로그래밍할 수 있다.
한편 KUKA.CNC 등 로봇 제조사가 자체적으로 이러한 기능의 소프트웨어를 공급하는 사례도 있다.
이와 같은 소프트웨어의 발전은 CNC 머시닝센터 대비 활동성이 우수하고, 가격 측면의 강점이 있는 다관절 로봇을 가공기로 활용할 수 있게 해준다. 수직다관절 로봇을 이용한 절삭 가공의 경우, 우선 워크스테이션의 물리적 제약을 벗어나 대형의 부품을 쉽게 제조할 수 있고, 주행대차 등 부가축 운영을 통해 이동 작업에도 용이하며, 아울러 작업자가 필요 없으므로 극한의 작업환경 하에서도 가공할 수 있다. 소프트웨어의 발전은 이와 같은 새로운 가공 작업 형태를 실현하게 한다.
