로봇기술 매거진 월간 로봇뉴스 - 로봇기술

전문기업들이 말하는 조립용 중·소형 수직다관절 로봇
좁은 공간에서 보다 빠르게, 정확하게, 자유롭게!

조립 라인에서의 로봇 적용은 이미 오래전부터 진행되어 왔다. 그중 중·소형 로봇은 주요 시장의 제품들의 컴포넌트화 등의 이유로 조립 라인에서 더욱 그 가치를 인정받고 있다. 국내에서도 이러한 중·소형 조립용 로봇을 공급하는 전문기업들이 있다. 그들은 고속 평면 조립에 적합한 스카라 로봇에서부터 6축 수직다관절 로봇까지, 다방면의 조립 작업에 수행되는 로봇을 공급하고 있으며, 특히 수직다관절 로봇의 경우, 기술적으로 상당한 진보를 이룩하고 있다. 이에 이 분야에서 최고의 품질을 자랑하는 4개 기업을 찾아 그들이 보유한 조립용 6축 수직다관절 로봇에 대한 기술력을 들어보았다.

직교좌표에서 양팔로봇까지, 조립 작업에도 로봇이 ‘뜬다’

로봇이 수행하는 조립 작업은 상당히 다양하다. 그래서 그만큼 형태와 역할 역시 다양성을 지닌다.
통상적으로 조립은 작업의 형태상 평면 조립과 입체 조립으로 분류할 수 있으며, 작업을 수행하는 방식에 따라 기계적 조립을 비롯해 납땜 등 전기적 조립, 용접과 같은 화학적 조립, 물리적 조립 등으로 나뉠 수 있다.
시장적인 측면에서는 기존에 큰 시장을 형성하고 있던 자동차 분야와 스마트폰 열풍과 함께 부상하고 있는 IT 및 전자 분야가 조립용 로봇이 주목할 시장이라 할 수 있다.

전자부품, 소형 정밀 부품 등의 조립에 사용되는 카테시안 로봇 및 스카라 로봇 등은 평면 조립에 적합한 형태로, 비교적 단순한 조립 작업에 많이 활용된다(보다 자세한 사항은 18p Chapter2 참고). 한편 모듈화가 진행되는 자동차 부품 조립 및 모듈 단위를 하나의 차체로 조립하는 작업에는 자유도가 높은 다관절 로봇을 주로 활용하고 있으며, 최근에는 새로운 조립 패러다임을 위해 양팔로봇 및 7축 로봇 등이 개발되고 있는 추세이다.

중·소형 수직다관절 로봇, 고유의 영역을 구축하다

본 지면에서는 다양한 형태의 조립용 로봇 중 다관절 로봇, 그 중에서도 중·소형 수직다관절 로봇을 집중적으로 다룰 예정이다.
중·소형 수직다관절 로봇은 수평다관절 타입의 로봇에 비해 작업 속도 및 가격적인 측면에서 약점을 안고 있지만 고자유도를 기반으로 한 다양한 작업 수행이 가능해 입체적 조립을 필요로 하는 분야에서 고유의 영역을 구축하고 있다.

로봇에 요구되는 기능이 검사에서부터 조립하는 과정까지 다양화되면서, 시장은 이제 로봇 하나가 이 모든 과정에 대응될 수 있기를 요구하고 있고, 수직다관절 로봇은 이러한 수요에 대응하기가 수평다관절 로봇보다 용이하다.
시장적인 측면에서도 IT·전자 분야의 급성장을 차치하고서라도, 자동차 분야 역시 부품의 모듈화, 전장화가 진행됨에 따라 자동차 부품 조립용 수직다관절 로봇의 수요가 상당하다. 핵심 엔진이나 센서 등 자동차 내 전자제품의 비중이 높아진 요즘 같은 경우, 기존의 차체 조립용 대형 수직다관절 로봇은 로봇 자체의 부피가 커 상대적으로 중·소형 수직다관절 로봇의 조립 적용 비중이 증가한 것이다. 한 로봇메이커 관계자는 “현대모비스와 같이 완성차 제작 업체가 아닌 부품을 조립 생산하는 라인에는 중·소형 수직다관절 로봇의 비중이 높다”라고 말했다.

최근 유진로봇이 현대모비스에 28억 원 규모의 통합형 SMK ECU 조립라인설비 공급 계약을 체결해 화제가 된 바 있다.
ECU(Electronic Control Unit)는 차량에 탑재되는 컴퓨터로, 유진로봇이 계약을 체결한 SMK ECU는 자동차 스마트키에 적용되는 ECU를 조립 및 검사하는 자동화 설비이다. 모든 ECU 라인에 수직다관절 로봇이 적용되지는 않겠지만, ECU를 비롯해 모터, ABS(Anti-lock Brake System) 조립 등 자동차 산업에서의 중·소형 수직다관절 로봇이 조립 작업을 수행하는 경우는 무수히 많으며, 스위스 로봇메이커 스토브리의 한국지사 김문석 부장은 “스토브리 한국지사의 매출 비중이 높은 분야가 ABS 및 ECU를 비롯해 자동차 모듈 컴포넌트 분야이다”라고 밝히기도 했다.

한편 수지 재질의 부품을 조립하는 것은 딱딱한 금속제품의 조립보다 더욱 높은 로봇 기술력을 요구한다. 말랑말랑한 수지를 조립하기 위해 로봇은 단순반복적인 작업을 뛰어넘어 감각을 지녀야만 하기 때문이다. 그래서 자동차 에어컨공조기와 같은 수지 제품의 조립에는 수직다관절 로봇이 더욱 적합하다.

셀 단위 공정에서 활약하는 조립용 로봇

중·소형 수직다관절 로봇이 사용되는 조립 라인은 대개 셀 단위로 구성된다. 앞서 언급했던 ECU 및 ABS 라인 역시 셀이 상당히 좁다는 것이 관계자의 설명이다. 이처럼 좁은 셀에서는 높은 공간활용도 및 생산속도와 정도를 충족하는 것이 중요하다.
아울러 이러한 기조는 비단 자동차 부품 조립 셀만의 이야기가 아니다. 최근 스마트폰 및 태블릿 PC의 급격한 확장으로 시장이 넓어진 IT 기기 분야의 경우 라이프 사이클이 짧다보니 3개월에서 최대 1년 정도 사이에 생산 제품이 바뀌어 자동화 라인 구축이 어렵다. 그래서 커스터머들은 다품종 소량생산에 대응할 수 있도록 셀 하나에 A라는 제품을 만들다가 B라는 제품으로 바뀔 때도 빠르게 대응할 수 있는 로봇을 필요로 한다.

또한 휴대폰은 LCD나 부품, 볼트, 플라스틱 커버 등을 조립하고 체결하는 작업을 수행해야 하는데 이 때문에 IT 제품 조립 분야에서도 소형 로봇들이 주를 이룬다.
한편 이러한 맥락에서 조립용 중·소형 수직다관절 로봇을 제작하는 로봇메이커들은 기존과 동일한 퍼포먼스를 구현하면서도 보다 콤팩트하게 로봇을 개발하고 있다.

국내에서는 유수 로봇메이커들이 조립 공정에 소형 다관절 로봇을 공급해왔다. 하지만 그 중에서도 소형 로봇 전문이라 일컬어지며 이 분야의 품질 차별화를 선도하는 기업들이 몇 있다. 그중 일본계 로봇메이커 한국덴소판매주식회사(이하 덴소)와 한국미쓰비시전기오토메이션(이하 미쓰비시), 유럽계 로봇메이커 스토브리한국지점(이하 스토브리) 등이 오래 전부터 조립용 스카라 타입 및 중·소형 수직다관절 로봇을 공급해왔고, 최근에는 일본 세이코 엡손의 한국지사인 한국엡손주식회사(이하 엡손)가 스카라 타입 및 중·소형 수직다관절 로봇을 공급하고 있다.

전문가들이 말하는 중·소형 수직다관절 로봇

스토브리 한국지점 - 김문석 부장
스토브리는 여러 가지 조립 분야 중에서도 특히 자동차 부품 조립 셀에 강점을 지니고 있다. 스토브리의 김문석 부장은 “다양한 조립 분야에 동사의 로봇이 적용되지만 주력으로 적용되는 부분이 자동차 부품 조립 분야”라며 “다양한 ABS 및 ECU 라인을 비롯해 모터, 엔진 조립 셀에 스토브리의 로봇이 적용된다”고 말했다.
실제로 동사는 유수 전시회를 통해 자동차 엔진 조립 로봇을 시연하며 스토브리 로봇 특유의 고속, 고정밀 로봇의 장점을 부각시킨 바 있다.

100여 년의 역사가 말해주듯 스토브리 로봇은 중·소형 수직다관절 로봇 분야에서 견고한 아성을 쌓고 있다. 로봇의 성능적인 측면에 있어 김문석 부장은 “로봇이란 노하우가 쌓여야 되는 분야이며, 오랜 기간 개발을 거듭해온 스토브리의 로봇은 동급 페이로드대비 탑 클래스의 속도와 정도를 보여준다”며 “유럽 굴지의 부품 기업의 생산 라인에 적용되는 레퍼런스만 보더라도 스토브리 로봇의 경쟁력을 알 수 있다”고 말했다.

한편 그는 “4~5년 전 방수3세대 로봇을 개발하기도 해 지금은 자동차 디버링이나 세정 분야까지 영역을 확장하는 중에 있다”며 “최근에는 하드웨어의 새로운 개발 뿐만 아니라 기존 하드웨어의 소프트웨어의 버전 업에도 지속적인 개발을 하고 있다"”고 밝혔다.

한국덴소판매주식회사 - 이해돈 과장
덴소의 이해돈 과장에 의하면 덴소는 자동차 종합 부품 메이커가 모체인 기업으로, 1960년대 경 생산 자동화를 위해 로봇을 자체적으로 개발, 이후 어느 정도 손익분기점을 넘어 로봇을 시판하기 시작했다고 한다. 즉, 시작부터 자동차 부품 제작을 위해 로봇을 개발했기에 누구보다 유저의 목소리에 가깝다는 것이 덴소 측의 설명이다.
특히 덴소는 최근 신제품 매니퓰레이터 VS 시리즈(VS-050/VS-060/VS-068/VS-087)와 로봇 컨트롤러 RC8을 공개하면서 더욱 강력한 경쟁력으로 국내 시장에 어필하고 있다.

기존 VS-G 제품군들이 싱글암이었던 반면 새롭게 확장된 VS 시리즈는 더블암을 채택했다.
언뜻 육안상으로는 싱글암이 더블암보다 슬림해 보이지만 실제적인 넓이는 신형 VS 시리즈가 채택한 더블암이 더욱 슬림하다. 아울러 강성까지 더욱 높였다.
덴소가 공개한 자료를 살펴보면 CNC 머신 핸들링 시뮬레이션 시 기존 VS-6577G가 5분 10초의 사이클 타임을 보인 반면 신제품 VS-068은 3분 40초의 사이클 타임을 보여 무려 33%의 차이를 보였다. 또한 외형 역시 기존 273㎜의 폭보다 좁아진 235㎜(VS-050의 경우 189㎜)로 훨씬 슬림해졌다.

컨트롤러 역시 마찬가지이다. 외형적으로도 상당한 수준까지 부피를 줄이는데 성공한 덴소의 새로운 컨트롤러 RC8은 이미 국내에서도 세미나를 통해 소개된 바 있다.
이해돈 과장은 “덴소는 유럽의 보쉬렉스로스와 미국의 델파이와 함께 세계 3대 종합부품 메이커”라며 “이 3대 메이커의 제품이 세계 유수 자동차 메이커로 공급되고 있다”고 밝혔다. 덴소의 부품이 세계 자동차 부품 분야에서 인정받는다는 것은 곧 이를 제작하는 덴소 조립용 로봇의 경쟁력이 뛰어나다는 말과도 일맥상통한다.
특히 덴소 내부에는 무려 16,000여 대의 덴소 로봇이 적용되고 있으며, 관계자는 단일 회사가 단일 제품을 사용하는 세계 1위의 기업이라고 소개했다. 

한편 덴소의 매출 비중은 아직 자동차 산업 분야가 많은 비중을 차지하고 있다. 하지만 얼마 전부터 IT 및 전자 분야에 대한 시장 역시 꾸준히 준비하고 있다.
최근 한파가 불고 있는 자동차 산업 분야에 대한 대안으로 국내 유수 휴대폰 메이커와의 교류 및 내부적인 개발 등을 진행하고 있는 상태이며, 조립을 포함한 다방면에서 활약하고 있다.

한국미쓰비시전기오토메이션 - 정순영 대리
올해 8월 경부터 신제품 F 시리즈를 출시한 미쓰비시는 내년 쯤 기존모델의 생산을 중단, 신형으로의 완전한 교체를 계획하고 있다.
미쓰비시는 로봇에 의한 셀 생산의 실용화를 목표로 하고 있는 만큼 이번 신제품은 조립 셀 생산에 적합한, 뛰어난 성능을 지니고 있다.
이번에 선보인 중·소형 수직다관절 로봇 신제품은 RV-F 시리즈로, 기존 모델대비 로봇의 속도가 40% 이상 빨라진 점을 비롯한 대폭적인 성능향상이 눈에 띈다.
미쓰비시의 정순영 대리는 “로봇 관절이 완전히 접히는 플립 형태로 되어 있어 로봇 관절 반경이 베이스 근처까지 확대됐다”고 밝혔다.

기존 로봇의 경우 로봇 관절이 접히지 못해 베이스 근처의 불필요한 공간이 발생, 이로 인해 조립 셀의 사이즈가 커져야 한다는 단점이 존재했는데 미쓰비시의 신제품은 로봇 활동 반경이 증가해 작업 셀의 사이즈가 작아지고, 이로 인해 비용 및 공간의 절약을 기대할 수 있다.
±270°까지 회전이 가능한 RV-F 시리즈는 기존 210~220°의 회전 반경을 가지던 로봇보다 동작 반경이 넓어 사용하지 못했던 뒷공간 및 좌우 측면까지 활용할 수 있게 되어 부품을 배치할 수 있다는 장점이 있다.
정순영 대리는 “미쓰비시의 로봇은 전기전자 및 부품 조립, 가공 등에 주로 활용되며 스마트 기기에도 많이 사용되고 있다”고 밝혔다.

미쓰비시의 강점 중 하나는 동사가 생산하는 서보모터, PLC, 인버터 등의 구성 요소와 자유로운 인터페이스가 가능하다는 점이다. 이로 인해 설계, 검토, 설치 및 시운전에 이르기까지의 비용을 대폭적으로 절감할 수 있고, 아울러 뛰어난 성능을 구현할 수 있다는 것이 정순영 대리의 의견이다. 그녀는 “미쓰비시의 로봇에는 동사가 개발한 최신형 서보모터를 채용하고 있으며, 각 로봇마다 거기에 맞는 모터를 직접 개발해 사용하고 있다”고 밝혔다.
한편 미쓰비시는 자체 첨단종합연구소를 갖추고 있으며 고객이 구축하고 싶은 생산라인을 함께 해결하기 위해 개발하며, 이곳에서 개발된 시스템을 자사 생산라인에 투입, 실증과 검증을 한다.

아울러 작은 공간에서 로봇이 여러 작업을 수행하기를 원한다거나 인원의 최소화, 코스트 절감 등의 미션을 연구하고 개발하며, 각 제품의 부품에 대한 표준화까지 연구·적용한다.
정순영 대리는 “초기에는 단순히 사람과 사람 사이에 옮겨주는 직교 이송에서 출반한 로봇의 개념이 현재는 여러 복합적인 기능들이 추가되어 지금의 모습으로 발전한 것”이라며 “단순 이송 작업에 그치지 않고 로봇이 검사(비전) 및 조립 작업까지 수행하게 됐다”고 밝혔다.

한국엡손주식회사 - 전진한 사원
나가노현 스와시 소재의 세이코엡손주식회사는 국내에서 로봇 외의 분야에서 높은 브랜드 인지도를 지니고 있다. 하지만 로봇 업계 관계자들이라면 엡손의 소형 수직·수평다관절 로봇의 품질이 얼마나 뛰어난지 잘 알고 있을 것이다.
손목시계의 작은 부품을 고정도·고효율로 조립하기 위해 개발된 엡손의 소형 다관절 로봇은 고속 및 고정도, 콤팩트한 사이즈, 클린룸 타입 등을 강점으로 최근 국내 시장에서 마케팅을 하고 있다. 그중 엡손의 소형 수직다관절 로봇은 ProSix 시리즈라 불리며, 슬림한 듀얼암 타입에 첨단 궤적제어기술이 적용된 제품이다.

엡손 로봇의 장점은 고속, 고정도, 저진동을 실현해 조립 작업 시 다용도 단·중거리 이동이 빠르고, 엘보우 부분이 작아져 벽, 천장, 주변기기에 대한 간섭이 적다. 
엡손의 수직다관절 로봇은 가반하중 3kg, 암길이 600㎜의 콤팩트 사이즈 C3과 5kg, 786㎜의 표준 사양 S5, 5kg 975㎜의 롱암 타입 S5L로 구성되어 있으며, 각 모델들은 표준형과 클린형으로 나눠진다.
반복정도 ±0.02㎜를 자랑하는 동사의 수직다관절 로봇과, 사용 환경에 따른 타입별 컨트롤러 등은 엡손이 가진 장점 중의 하나이다.

전문 로봇메이커들의 고민이 곧 조립 셀의 혁명

조립 작업은 좁은 셀에서 작업이 진행되는 만큼 로봇메이커들 역시 공간활용도를 높이기 위한 개선을 끊임없이 해오고 있으며, 향후로도 로봇의 필수 요소인 정도와 속도를 향상시키면서 공간활용도까지 극대화시키는 방향으로 개발이 진행될 것으로 보인다. 이를 위해 로봇메이커들은 디자인의 변화를 통해 머니퓰레이터를 보다 슬림하게 제작하고, 회전반경을 더욱 극대화시키며, 주변기기의 콤팩트화까지 함께 진행할 것으로 예상된다.

또한 IT나 전자분야와 같이 라이프 사이클이 짧은 라인에서도 효율적인 라인 전환이 가능하도록 하기 위한 고민 역시 계속될 것으로 보이며, 전문 로봇메이커들의 이러한 노력이 지속될수록 특유의 노하우와 아이디어가 담긴 혁신적인 제품들이 조립 셀에 새로운 혁명을 가져올 것으로 기대된다.