[첨단 헬로티]

제조 현장에서는 노동력 인구의 감소에 따라 인재 부족이 큰 문제가 되고 있다. 또한, 높은 생산성을 유지하면서 노동 시간을 단축하는 작업방식 개혁에 대한 대응이 추진되고 있으며, 대기업뿐만 아니라 중소 규모의 사업소에서도 생력화․자동화에 대한 대응이 시급한 실정이다.

그러나 로봇에 의한 자동화 시스템의 도입에는 시스템 인테그레이터(SI)와 같은 전문 기술을 가진 기술자가 필요한 점, 로봇은 공작기계와 전혀 다른 조작, 프로그래밍 지식이 필요하고 로봇의 조작이 어려운 점, 가공 워크에 대응해 적절한 로봇 프로그램 작성, 티칭 작업이 필요하므로 많은 공수가 필요한 점, 안전 상 오퍼레이터와 로봇 공간의 분리가 필요하고 로봇의 가동 범위를 커버할 수 있는 큰 안전펜스가 필요해 넓은 설치 면적이 필요한 점 등, 중소기업에 있어 로봇 시스템은 간단히 도입할 수 있는 것은 아니며 보급을 방해하는 요인이 되고 있었다.

 

이러한 가공 현장에서 도입이 쉽고 다양한 대상 가공물에 유연하게 대응할 수 있으며, 누구나 쉽게 조작과 기동할 수 있는 로봇 시스템이 요구되고 있다. 또한, 가공물의 탈착과 같은 단순 작업의 자동화뿐만 아니라, 가공 공정의 서포트나 오퍼레이터 부하 경감 등과 같은 높은 수준의 생력화․자동화 기술까지도 강하게 요구되어 왔다.

이에 오쿠마에서는 가공 현장의 자동화 개혁과 작업방식 개혁을 지원, 중소 규모의 사업소에서도 도입하기 쉬운 공작기계와 로봇이 완전 융합된 차세대 로봇 시스템 ‘ARMROID’를 개발했다. 이하에 그 목적, 특징에 대해 소개한다.

차세대 로봇 시스템 ARMROID

‘ARMROID’는 콤팩트한 설치 면적으로, 가공물의 탈착뿐만 아니라 가공 중의 서포트 등 높은 수준의 자동화․생력화를 실현한다. 또한, 공작기계와 동일한 조작감으로 공작기계와 로봇이 부딪칠 걱정 없이 쉽게 조작할 수 있다. 혁신적인 로봇 조작계를 실현한 차세대 로봇 시스템이다.

공작기계를 조작하는 오퍼레이터에게도 로봇을 간단히 다룰 수 있는 환경을 준비하는 동시에, 기동 시나 세팅 교체 시 등에 시스템 인테그레이터를 필요로 하지 않는다. 로봇 시스템 도입의 장벽, 러닝 코스트를 내려, 지금까지 로봇을 사용한 자동화 시스템 도입에 참여할 수 없었던 중소 규모의 사업소도 자동화 시스템 구축을 가능하게 하고, 혁신적인 자동화와 제조 혁신을 실현하는 것이다.

그림 1은 오쿠마의 주력 CNC 선반인 ‘LB3000EXⅡ’와 완전 융합을 도모한 로봇 시스템 ‘ARMROID’이다. 상세한 것은 이하에 설명한다.

1. 빌트인 로봇에 의한 생산성 대폭 향상

‘ARMROID’의 최대 특징은 CNC 선반의 가공실 내(기기 내)에 로봇을 탑재한 것에 있다. 로봇이 기기 내에 있기 때문에 기존의 기기 외에 설치한 로봇으로는 불가능했던 가공 중의 기기 내 로봇 작업을 실현했다. 공작기계와 로봇이 협조 동작함으로써 지금까지 숙련작업자가 하고 있던 가공 서포트를 대행하는 동시에 오퍼레이터의 부하를 경감한다.

가공 서포트의 사례로서는 절삭수와 에어를 혼합시킨 믹싱 블로에 의한, 공구와 가공물에 대한 절삭칩 막힘의 억제가 있다. 로봇을 날붙이대의 반대측에 위치시켜 날붙이대와의 간섭을 피하면서 가공점을 향해 믹싱 블로를 가할 수 있다(그림 2). 가공점에서 발생하는 절삭분에 핀포인트로 믹싱 블로를 가함으로써 절삭칩의 흐름 방향을 제어하고, 절삭칩의 워크나 공구에 대한 막힘을 방지할 수 있다. 고정 노즐로는 불가능했던 가공 중의 블로 방향 변경도 가능하고, 절삭칩 막힘 제어에 효과가 높은 블로를 실현할 수 있다. 또한, 믹싱 블로에 의해 가공실 내를 정기적으로 청소해 절삭분의 축적을 방지함으로써 안정 가동을 실현한다.

물론, 기존의 로봇과 동일하게 핸드를 이용한 워크 반전 및 탈착도 가능하다(그림 3). 암을 신장시켜 척에서 워크를 빼내고, 암 끝단을 180도 선회시켜 워크를 반전한다. 또한, 암은 기기 외에 설치된 워크 스토커에 액세스가 충분히 가능한 가동 범위를 확보하고 있으며, 기기 외의 워크 스토커와 워크를 주고받고 할 수 있다.

이외에도 보통 지름이 작고 긴 워크에서는 가공 채터링이 발생하기 쉬운데, 로봇의 끝단에 장착한 롤러를 워크에 밀착시켜 지지하는 것에 의해 채터링 발생을 억제하는 등 고품위, 안정 가공을 서포트한다. 이들은 능숙하게 움직이는 로봇의 ‘팔(ARM)’이기 때문에 가능한 높은 수준의 가공 서포트로, 이외에도 여러 가지 요구에 유연하게 대응할 수 있다. 앞에서 소개한 사례 이외의 가공 서포트에 대해서도 앞으로 기능 개발을 추진해 갈 예정이다.

2. 자동화 시스템의 공간절감화

‘LB3000EXⅡ ARMROID’는 로봇의 손끝에 장착하는 엔드 이펙터를 수납하기 위해 스토커를 기기 내에 설치하고 있다. 용도에 따라 로봇은 엔드 이펙터를 자동 교환하는 것이 가능하고, 스토커에는 3종류의 엔드 이펙터를 수납할 수 있다(그림 4).

엔드 이펙터 스토커를 기기 내의 가공에 영향을 미치지 않는 공간에 콤팩트하게 설치함으로써 공작기계의 설치 면적을 넓히지 않고 기기 내의 로봇 동작 범위를 충분히 확보할 수 있으며, 가공 서포트의 폭을 넓힐 수 있는 구성으로 했다.

로봇이나 엔드 이펙터 스토커를 기기 내에 설치함으로써 공작기계 본체의 크기를 넓히지 않고, 워크 스토커를 조작 도어 앞에 준비하는 것만으로 자동화 셀을 구축하는 것이 가능하다. 기존의 기기 외 설치 로봇 시스템은 공작기계 본체와 로봇 본체, 워크 스토커, 안전펜스를 포함한 넓은 공간이 필요했지만, 기존의 로봇 시스템에 비해 축소된 설치 면적으로 자동화 시스템을 실현하고 있다(그림 5).

3. 시스템 인테그레이터 불필요

로봇을 기기 내에 넣었기 때문에 공작기계의 설치와 워크 스토커의 세팅만 하면 자동화 시스템의 기동은 완료된다. 기존의 로봇 시스템 도입 시에 필요했던 시스템 인테그레이터(SI)와 같은 전문 기술을 가진 기술자가 불필요하며, 기동에 소요되는 비용과 시간을 대폭으로 절감하는 것이 가능하다.

또한, 세팅 교체도 전문 지식 없이 쉽게 대응할 수 있기 때문에 시스템 인테그레이터에 대한 업무 위탁이 불필요하고, 시간 단축과 러닝 코스트의 절감이 가능하다.

4. 단체기와 로봇 자동화 셀의 간단 전환

로봇을 사용하지 않는 경우, 그림 6과 같이 로봇을 주축 상부의 가공에 방해가 되지 않는 장소에 콤팩트하게 수납함으로써 오쿠마의 CNC 선반이 가진 넓은 가공 영역, 높은 가공 성능을 희생하지 않고 단체기로서 사용할 수 있게 했다.

그림 7과 같이 워크 스토커는 간단히 슬라이드할 수 있는 이동식 구조로 하고 있으며, 자동화 셀로서 사용할 때는 워크 스토커를 조작 도어 앞에 배치, 단체기로서 사용할 때는 작업에 방해가 되지 않는 퇴피 위치로 이동시킴으로써 단체기로서의 사용과 로봇 자동화 셀로서의 사용을 전환하는 것이 가능하다.

지금까지 어려웠던 단체기와 자동화 셀의 전환을 단시간에, 더구나 쉽게 할 수 있으며, 주간에는 로봇, 워크 스토커를 퇴피시키고 작업자에 의한 수동 탈착으로 소로트 부품을 가공하고, 야간에는 로봇의 자동 운전에 의한 양산가공을 하는 등 작업방식에 맞춰 유연하게 생산을 전환할 수 있다.

5. 로봇의 간단 조작

로봇에 대한 전문 기술을 가지고 있지 않은 일반 공작기계 오퍼레이터도 로봇을 사용할 수 있도록, 오쿠마의 신세대 CNC ‘OSP-P300A’로 기계 조작과 동일한 조작감으로 로봇 조작도 할 수 있게 했다. 기계와 로봇을 하나의 조작반에서 동일한 조작감으로 조작하는 것이 가능하다.

동작 프로그램에 대해서는 번거로운 프로그래밍이 필요 없는 로봇 간단 조작 툴 ‘ROID Navi’에 의해 가이던스에 따라 대화 형식으로 필요한 항목의 설정이나 동작 포인트를 간단히 설정하면(그림 8), 설정한 포인트를 기초로 로봇이 간섭을 회피하는 최적의 동작 경로를 자동 생성하도록 해 어려운 프로그래밍 및 티칭 작업을 최소화했다.

또한, 공작기계의 조작에서 사용하는 펄스 핸들로 로봇의 수동 조작이 가능하고, 워크 탈착 포인트 설정 등의 미세한 위치맞춤이 필요한 작업을 쉽게 하는 것이 가능하다(그림 9). 수동 조작, 자동 운전의 어느 쪽이나 리얼타임으로 기계의 간섭을 체크해 로봇의 충돌을 방지하고, 로봇 초심자라도 도입 첫날부터 안심하고 조작하는 것이 가능하다. 이러한 조작계를 실현함으로써 좁은 기기 내에서도 로봇이 부딪치지 않고 기계와 동일한 조작감으로 안심하고 로봇을 다룰 수 있게 했다.

6. 오쿠마 개발의 로봇

‘ARMROID’와 같이 기기 내에 탑재되는 로봇은 가공 중에도 로봇이 기기 내를 자유롭게 움직이며 돌아다니고 선반 본래의 기능과 공존할 수 있는 것을 대전제로, 기기 내에서 절삭칩이나 절삭수 등의 악영향에도 견딜 수 있는 신뢰성과 함께 공간이 한정된 기기 내에서 최적의 위치에 배치할 필요가 있었다. 이상과 같이 공작기계의 특성, 사용법을 숙지하고 있지 않으면 공작기계에 적합한 로봇을 만들 수 없다. 이와 같은 배경에서 로봇을 자체 개발했다.

개발한 로봇은 제어축 수는 4축, 최대 워크 가반중량은 5kg의 사양으로 했다(그림 10). 다관절 로봇은 범용적인 사용을 고려해 6축 전후가 일반적인데, ‘ARMROID’는 공작기계 내의 사용 용도를 전제로 하므로 반드시 6축을 필요로 하지는 않는다. 또한 콤팩트한 CNC 선반 내에 배치하기 때문에 로봇도 콤팩트할 필요가 있다. 또한, 도입 코스트를 억제하기 위해 필요 최소한의 축 수(4축)으로 했다. 최대 워크 가반중량에 대해서는 LB3000EXⅡ의 대상 워크 사이즈로부터 5kg으로 했다.

절삭칩이나 절삭수의 영향에 대해서는 지금까지의 공작기계 사용법을 철저하게 조사한 후에 충분한 평가를 하고 있으며, 장시간의 안정 가동을 실현할 수 있는 구조로 하고 있다. 특히 각 관절부에 대해서는 오쿠마가 공작기계 개발에서 축적한 주축이나 선회축 등에 이용한 기술을 유효하게 활용해 신뢰성을 확보하고 있다.

또한, 엔드 이펙터도 ‘ARMROID’에 최적화된 형상을 미리 준비함으로써 요구가 다른 각 유저에 대한 편리성을 높였다.

맺음말

지금까지 설명한 ‘ARMROID’는 로봇 도입의 장해였던 조작계에 혁신적인 변화를 가져오고, 또한 기존에 불가능했던 가공 중의 서포트에 의해 높은 수준의 자동화․생력화를 실현하는 로봇 시스템으로, 지금까지의 공작기계와 로봇의 존재방식을 근본적으로 바꾸는 것이라고 생각한다.

오쿠마가 공작기계 메이커로서 쌓아온 노하우를 활용, ‘ARMROID’가 가진 가능성을 최대한으로 발휘할 수 있도록 더욱 기능 개발을 추진할 예정이다.

앞으로도 진정한 자동화 시스템 실현에 대응, 작업방식 개혁의 지원과 제조 업계에 혁신을 가져오는 기능을 개발해 갈 것이다.

나가세 타카시, 오쿠마 제2상품개발부ROID프로젝트 주임