대부분의 로봇 관련 저서들은 로봇 엔지니어링에 대한 이해를 기반으로 하며, 이에 따라 초심자 또는 사용자들의 진입 장벽이 높다. 이에 엑트엔지니어링(주) 최영수 대표이사는 스카라 로봇에 대한 진입장벽을 낮추기 위해 『SCARA ROBOT 프로그램과 응용 사례』를 발간했다. 본지에서는 스카라 로봇 구매를 고려하는 사용자들에게 도움이 될 수 있는 내용을 발췌해 소개한다.
엑트엔지니어링이 스카라 로봇 초심자를 위한 구매 요령을 공개했다(사진. 로봇기술).
1. 스카라 로봇이란
최근 물건을 집어 다른 위치로 옮기는 픽 앤 플레이스 작업에 대한 로봇 활용이 증가하면서 스카라 로봇의 수요도 함께 증가하고 있다. 스카라 로봇은 ‘Selective Compliance Assembly Robot Arm’의 약자로, 수평 운동에 강한 구조적 특징을 보유하고 있다. 1번과 2번 축이 회전운동을 하고, 3번 축은 상하 운동, 또 다시 4번 축이 회전 운동을 함으로써 제품을 수평으로 이동시키거나, 조립하는 공정에 매우 좋은 해결책이 될 수 있다.
스카라 로봇은 1번과 2번 축이 동시에 회전 운동을 하면서 원하는 위치까지 이동하기 때문에 직교로봇 대비 약 3배가량 빠른 속도를 구현할 수 있다.
2. 스카라 로봇의 적용 분야
스카라 로봇은 회전축 2개의 동시 동작으로 △고속 동작이 가능하고 △수평다관절 형태의 로봇으로서 수평 방향의 유연성이 높다. 또한 △수직 방향의 강성이 높으며 △설치 면적이 작다는 장점이 있다.
주요 적용 사례를 살펴보면 1) 스마트폰 케이스 반송 2) 레토르트 식품 박스 포장 3) 제약품 박스 포장 4) 의료 제품 반송 5) 전자 디바이스 검사 공장 6) 식품 박스 포장 7) 식품 제조 8) 식품 운송 및 반송 9) 클린 대응 식품 제조 10) PCB 및 나사 조립 11) 자동차 부품 조립 12) 공작기계 부품 이·적재 등 많은 분야에 적용되고 있다.
다양한 어플리케이션에 적용되는 만큼 각 분야마다 제한들이 있고, 선정 기준이 있을 수 있으나, 다음은 일반적인 스카라 로봇 선정 시 검토사항에 대해 설명한다.
스카라 로봇과 비전을 연동한 픽 앤 플레이스 작업(사진. 로봇기술).
3. 스카라 로봇 선정 시 검토 사항
스카라 로봇의 선정에 있어 참고해야 하는 일반적인 고려 사항은 ▲제품의 무게와 관성 ▲설치 환경 ▲동작 범위 ▲연직 방향 스트로크 확인 ▲로봇과 로봇 컨트롤러의 거리 확인 등이 있다.
1) 제품 중량, 핸드(그리퍼) 사양 및 중량
스카라 로봇 선정에 있어 처음 검토되어야 하는 것은 ‘어떤 물건을 어떻게 다룰 것인가’이다. 이때 제품의 형상, 무게 등을 고려해서 핸드(그리퍼)를 설계해야 하는데, 로봇은 각 모델마다 허용 최대 무게와 관성치가 카탈로그에 표시되어 있기 때문에 이를 같이 검토해야 한다.
핸들링 속도를 빠르게 하기 위해서는 가볍고 관성이 적은 구조로 설계해야 하지만 이것은 보통 쉬운 일이 아니다. 대부분 기구 설계자들은 토크와 속도를 고려해 설계하지만, 속도에 따른 관성을 고려하지 않아 설계에 실패하는 경우를 종종 볼 수 있다.
이 경우, 조금은 귀찮고 어려운 일이지만 설계 시 관성을 함께 검토하면 실패의 가능성을 현저히 낮출 수 있다. 통상적으로 관성이 적절하면, 토크는 처음 고려했던 것보다 여유 있는 것을 선택하게 되기 때문이다.
2) 설치 환경
로봇을 적용하는 장소에 따라 설치 환경이 문제가 되는 경우가 있다. 일반적으로 식품 제조, PCB 조립 환경은 다른 곳에 비해 기동 환경이 우수한 곳이 많지만, 예를 들어 두부 공장의 경우 습도가 높은 공정에 로봇을 적용해야 하는 경우도 있고, 반도체 공정에는 클린룸 환경에서 적용해야 하는 경우도 있다.
또한 공작기계의 제품을 로딩·언로딩을 하는 경우 절삭유가 분산되어 습도뿐만 아니라 도전성 슬러지가 로봇에 쌓여서 문제를 일으키는 경우도 있다. 로봇은 방진·방수·방폭 등의 등급으로도 제작이 가능하지만 이런 경우는 가격이 상당히 상승하기 때문에 가능하면 표준 로봇으로 사용가능한 방법을 고려해야 한다.
3) 동작 범위
로봇의 동작 범위는 형태에 따라서 달라지며, 통상적으로 암 길이에 의해 결정된다. 표준은 바닥 고정(Foot Mount) 형태로, 암 길이의 작업 가능 범위를 검토해서 결정하면 되는데 공간의 제약을 받거나 로봇 하부의 공간이 필요한 경우에는 천정고정형으로 선택할 수도 있다. 이것은 로봇의 공간을 최적화하고 다양한 제품의 생산을 위한 최적의 선택을 할 수 있도록 검토해야 한다.
4) 수직(Z축) 방향 스트로크
Z축 방향의 스트로크는 어떤 제품을 선택하는가에 많이 좌우된다. 깊이가 깊은 경우는 Z축이 긴 사양을 검토해서 결정하는 것도 한 방법이고, 다른 방법으로는 상대편의 박스 높이를 조절하는 기구 설계를 한다거나, 로봇의 베이스 높이를 조절하는 경우를 검토할 수 있다. 어느 방향이 효율적일지는 기구의 전체적인 설계, 동작 효율로 결정되기 때문에 이를 고려해 결정하면 된다.
5) 로봇 본체와 컨트롤러 간의 거리(로봇 케이블 길이)
로봇 제조사마다 표준 길이는 조금씩 다를 수 있으나 대체적으로 3~5m를 표준 길이로 하고 있으므로 이 길이에 맞도록 거리를 유지하는 것이 좋다. 로봇 케이블의 경우 서보 파워, 엔코더 및 핸드 I/O 케이블 등을 일체형으로 제작하고 외피가 튼튼한 구조로 되어 있어 길이가 연장되면 가격도 상승할 뿐만 아니라 노이즈 유입 등 문제를 야기하는 원인이 될 수 있으므로 표준 케이블로 사용하는 것이 좋다. 통상적으로 로봇 제조사에서는 케이블을 대략 20~30m까지 제작하고 있으므로 적절한 길이로 사용하면 된다.
한편 이밖에도 로봇의 선정은 현장의 조건에 따라 달라질 수 있으므로 처음 검토 단계에서 3D시뮬레이션을 해보거나 간섭 영역을 최대한 검토해보는 것도 중요하다.
로봇 프로그램툴들을 보면 최근 3D이미지를 읽어서 배열하고, 로봇을 동작시키는 기능을 갖춘 프로그램도 출시되고 있으므로 이런 프로그램을 이용한 시뮬레이션이 가능하다. 또한 3D CAD를 이용한 검증도 가능하므로 다양한 방법을 검토하는 것이 좋다.
덧붙여, 스카라 로봇이 직교로봇 등 타 로봇의 상단에서 동작을 해야 하는 경우에는 가동형 케이블을 사용해야 하기 때문에 로봇 선정 시에 케이블의 길이와 케이블의 종류에 대해서 신중히 검토해야 한다.
6) 사이클 타임
로봇의 종류에 따라 로봇 도입 시 그 역할이 달라질 수 있지만, 스카라 로봇은 대체로 빠른 동작이 요구되는 경우가 많다. 리니어 모터를 활용한 직교로봇을 스카라 로봇이 대체하는 사례가 많아진 것은 직교로봇의 유연성이 부족하고 단위시간당 생산량을 감당할 수 없기 때문이다. 직교로봇은 대체로 초당 2~3m의 속도로 사용되는데, 도시바기계 스카라 로봇 THL600 모델의 경우 최고 속도가 7m/sec 이상이고 유연성이 좋기 때문에 설계 실수 또는 대상 작업물의 변화에도 손쉽게 대응이 가능하다.
한편 도시바기계 THL600의 경우 사이클 타임은 0.45sec 정도이고, THP550A의 경우는 0.31sec 정도이다.
7) 필드버스 인터페이스
어떠한 경우에라도 로봇은 스스로 모든 작업을 감당하지 않고 상위제어기와의 인터페이스를 통해 다양한 작업을 하게 된다. 대체로 CC-Link(Mitsubishi 제품), Profibus(Simens 제품) 등 특정 회사의 제품과 연결되는 경우도 있고, 오픈 네트워크 시스템(Open Network System)인 Ethernet IP, EtherCAT 등을 사용하는 경우도 있다.
8) 필요한 I/O
상위제어기와 연결을 위해서 필요한 System I/O는 대체로 모든 로봇 제조사가 공급하고 있으나, 표준 범용 I/O는 제조사별로 많이 다르기 때문에 필요하다면 확장 I/O를 사용해야 한다. 로봇이 제품을 집거나, 놓거나, 외부에 로봇의 위치를 알려주기 위해서 내장된 범용 I/O를 사용하기도 한다.
도시바기계 스카라 로봇 THL500(사진. 로봇기술).
4. 내 공정에 적합한 제조사별 레퍼런스 확인
다양한 로봇 제조사들이 스카라 로봇을 판매하고 있지만, 각 제조사마다 강조하고자 하는 부분은 차이가 있다. 아울러 해당 제조사가 특히 강점을 보이는 분야의 응용 사례가 있을 수 있기 때문에 일반적으로 제조사들은 그간 판매된 시장에 대한 압축 정보를 제공하는 경우가 많다. 이에 따라 구매자는 해당 제조사가 어떠한 분야에서 강점을 보이는지 사전에 파악할 수 있다.
도시바기계의 경우, 5~20㎏, 팔 길이 180~1,200㎜까지 대략 50㎜ 또는 100㎜ 간격으로 수십 종의 라인업을 보유하고 있으며, 포장(식음료, 의료, 화장품 등), 제조(자동차 부품 조립, PCB 조립 등)를 비롯해 스마트폰 조립, 2차전지 생산, 디스플레이 제조 장비, 카메라모듈 검사장치 등의 분야에서 강점을 보이고 있다.
5. 카탈로그 확인 방법
처음 스카라 로봇을 도입하는 유저라면 카탈로그 상의 여러 용어들이 낯설 수 있다. 염두에 두어야 할 카탈로그 표기 항목은 다음과 같다.
제품을 취출하는 스카라 로봇(사진. 로봇기술)
1) Model
제품의 모델명에는 고객이 제품을 쉽게 선택할 수 있도록 중요 정보를 포함하는 경우가 많다. 도시바기계의 스카라 로봇은 시리즈명+암 길이+옵션으로 구성되어 있다. 예를 들어 모델명 THL600은 시리즈명이 THL이고 암 길이가 600㎜인 옵션이 없는 표준품이라는 의미이다. 만약 천장형이라면 THL600-T로 표기된다.
2) Type
어떤 종류의 로봇인지를 나타낸다. 스카라 로봇은 수평다관절로봇으로 표기되어 있다.
3) No. of Controller Axis
제어축 수는 제품에 사용된 제어축이 몇 축인지를 의미하는데, 표준 스카라 로봇은 3개의 회전축과 1개의 직선축으로 이루어져 있기 때문에, 통상적으로는 4축이다.
4) Arm Length
암 길이는 스카라 로봇의 크기를 표현하는 것으로서, 통상적으로 ㎜ 단위로 표시되며, 2개축의 길이로 구성된다.
5) Working Envelop
작업 영역은 각 축의 최대 이동 각도 또는 거리를 나타낸다.
6) Maximum Speed
최대 속도는 각 축이 이송 가능한 최대 속도를 의미한다.
7) Standard Cycle Time(with 2㎏ Load)
표준 사이클 타임은 25㎜를 상승해서 300㎜를 이동하고 다시 25㎜를 내려가는 모션이 되돌아오기까지 소요되는 시간이다. 괄호의 내용은, 이 작업 시 2㎏의 부하로 테스트했다는 의미이다. 경우에 따라서는 회사마다 시험 환경이 다를 수 있으며, 통상적으로 시험 환경을 주석으로 표시하기 때문에 시간과 함께 시험 조건을 확인해야 한다.
8) Maximum Payload Mass
최대 가반 중량은 로봇이 핸들링할 수 있는 최대 무게이므로 로봇 선정 시 사이클 타임과 함께 중요하게 고려해야 할 사항이다.
9) Allowable Moment of Inertia
허용관성모멘트는 이 로봇이 허용할 수 있는 최대 관성모멘트로서, 로봇의 선정 시 가장 중요한 사항이다. 보통의 기구 설계자는 토크 검토는 많이 하지만, 어렵다는 이유로 관성 검토를 게을리 해 낭패를 보는 경우가 종종 있다. 다시 한 번 강조하지만, 원활한 로봇 선정을 위해서 가장 중요한 것은 이 관성을 검토하는 것이 가장 중요하다.
10) Positioning Repeatability
반복위치정밀도는 같은 위치에 반복적으로 이동할 때의 정밀도를 나타낸다.
11) Hand Wiring
로봇은 가동 범위가 넓기 때문에 공압 등을 구동하기 위한 전기 배선을 로봇 외부에 설치하는 것이 매우 부담스럽다. 이러한 이유로 배선을 용이하게 하기 위해 로봇 내부의 공압 구동부 가까운 곳에 Input/Output, 입력 8점/출력 8점을 준비해둔 것을 의미한다.
12) Hand Pneumatic Joints
11번과 같은 이유로 공압을 편하고, 안전하게 배관하기 위해 준비된 것을 의미한다.
13) Position Detection
로봇에 사용된 위치검출 장치의 타입을 의미한다. 로봇은 전원 재투입 시 원점 복귀를 하는 것은 문제가 있으므로, 절대치 위치검출기를 사용해야 한다.
14) Robot Controller Cable
로봇 제어선의 길이는 로봇 본체와 컨트롤러 사이의 전선 길이를 의미한다. 대체로 로봇 컨트롤러와 로봇 본체는 가까운 곳에 설치되기 때문에 공급되는 3.5m로도 충분하지만, 경우에 따라서는 더 긴 케이블이 필요할 수도 있기 때문에 주문 시 확정해서 주문해야 한다. 추후 케이블을 교환하는 것이 생각보다 어렵기 때문이다.
15) Power Capacity
소비 전력을 의미한다.
16) Mass
로봇 본체만의 중량을 의미한다.
* 참고서적
『SCARA ROBOT 프로그램과 응용 사례(새로움 출판)』
필자
엑트엔지니어링(주) 최영수 대표이사
