현재 자동차를 비롯해 많은 제조 현장에서 로봇이 활약하고 있으며, 인력절감화나 효율화, 제조 제품의 품질 향상 등 여러 가지 효과를 발휘하고 있다. 그러나 로봇이 적용되고 있는 용도를 살펴보면, 아크 용접이나 스폿 용접과 같은 용접 용도, 제품을 들어 운반하는 반송 용도, 나사를 조이거나 하는 조립 용도, 도장 용도 등이 대부분을 차지하고 있으며, 절삭이나 연마에 사용되는 가공 용도에는 로봇 출하 대수의 몇 퍼센트 정도밖에 적용되지 않고 있다.

 

가공 용도의 로봇 활용에서 가장 많은 사례가 버 제거이다. 비교적 소형의 로봇 암 끝에, 소형 스핀들 모터 및 연삭숫돌 툴이나 초강철 바 등을 장착해, 금속가공품의 가공 단면 버 등을 제거하는 작업이다.

 

그러나 최근 로봇의 반복 정도(교시된 동작을 반복했을 때, 각 교시 포인트의 정도 오차) 및 절대 정도(지정된 공간 좌표상의 위치에 동작할 때의 정도) 등의 향상과 여러 가지 소프트웨어 개발에 의해, 절삭가공이나 연마가공 그리고 연삭가공에 적용한 로봇 가공 시스템의 도입이 확대되고 있다.

 

로봇에 의한 절삭가공 시스템에 대해서는 NC 공작기계의 대체로부터, 최근에는 가공 제품의 편차를 계측해 제품 형상에 맞춰 가공하는 등 단순한 대체가 아니라, 로봇만이 할 수 있는 절삭가공도 생기고 있다.

 

로봇으로 절삭가공을 하는 장점·단점

 

우선 절삭가공의 로봇 시스템에 대해서 설명한다. 현재 절삭가공의 대부분은 NC 공작기계나 전용 장치가 채용되고 있다. 그중에서 로봇으로 절삭가공 하는 장점은 다음과 같은 것이 있다(그림 1). 이 장점은 연삭가공에서도 동일하다.

 

 

· 1대의 로봇 주위에 여러 개의 가공 테이블을 설치해 다품종 가공을 연속적으로 할 수 있다.

· 가공 작업뿐만 아니라, 워크의 세트, 취출 등 다른 작업을 겸할 수 있고 자동화가 가능.

· 여러 대의 로봇을 설치해서 동시 가공하면 가공 시간의 단축이 가능.

· 길고 큰 제품의 가공 등 기존에는 전용기가 필요했던 가공에 대해서도 로봇에 주행축을 조합하면 대응 가능.

· 로봇에 계측장치를 설치, 제품 형상을 측정해 제품 형상에 맞춘 가공이 가능.

· 주변기기를 자유롭게 조합해 장치를 구축할 수 있기 때문에 설치 공간이나 작업자의 동선에 맞춘 레이아웃이 가능.

· NC 가공장치와 비교해 비교적 장치의 가격이 저렴하다.

 

대신에 로봇 가공의 단점도 존재한다.

 

· NC 공작기계 등과 비교해 가공 정도가 떨어진다.

· 가공 프로그램을 작성하기 위한 오프라인 티칭 소프트웨어가 한정되어 있으며, NC 가공기를 제어하는 G 코드 등에 대응할 수 있는 로봇도 한정된다.

 

많은 장점이 있는 한편, 가공 정도면 등의 점에서는 NC 가공기에 비해 떨어지는 면이 존재한다. 그렇기 때문에 로봇 가공 시스템이 적용되는 피가공물은 ‘크고, 길고, 정도 요구가 낮은’ 요건에 채용되는 경우가 많다.

 

 

절삭가공에 의한 로봇 기종에 따른 가공 정도 차이

 

실제로는 절삭가공 로봇의 채용 예의 경우, 일본에 비해 유럽의 도입 사례가 많다. 그 이유는 확실하게 알 수 없지만, 항공기 부품의 트리밍 가공에 채용되는 외에 수지가공, 주물가공 등의 사례가 많이 존재한다. 또한, 유럽의 로봇 메이커인 Staubli(스토브리)나 KUKA(쿠카)에는 가공 용도에 최적인 고정도이고 고강성인 로봇이 존재한다(그림 2). 이와 같은 고정도·고강성 로봇을 조합하면 절삭가공에서 ±0.1mm 이하의 정도 가공도 가능하다.

 

특히 KUKA는 가반 중량이나 암 길이별로 많은 기종이 라인업되어 있으며, 더욱이 ‘KUKA.CNC’라는 옵션도 있다. 이것은 일반적인 NC 공작기계의 가공 데이터에 이용되는 데이터 형식인 G 코드의 가공에 대응하는 기종이다. 이러한 절삭가공 용도를 겨냥한 상품의 라인업이나 옵션 기능으로부터도 유럽의 도입 사례가 많은 것을 알 수 있다.

 

한편, 일본의 경우 현재 시판되고 있는 로봇에는 앞에서 소개한 유럽제의 고정도·고강성 로봇과 동등한 성능을 가진 것은 없다. 기존 일본 로봇의 주된 사용 용도는 ‘용접, 핸들링’이 많았으며, 둘 다 로봇 암이 동작할 때 가공물에 접촉하면서 동작하기보다는 고속으로 움직이는 것이 요구됐던 역사적인 배경에 기인한 것으로 추정되며, 결과적으로 가공 용도의 로봇 활용이 확대되지 못했다고 생각된다. 그렇기 때문에 앞에서 소개한 유럽제 로봇과 비교해 로봇 단체의 궤적 정도는 좋지만, 제품에 접촉하면서 움직이는 절삭가공 용도로는 로봇 암에 절삭저항과 같은 외력이 가해져 암의 휨 등이 발생하고 가공 정도가 떨어진다. 그러나 일본 로봇 메이커도 고정도·고강성 로봇의 수요 확대를 겨냥해 로봇 개발을 추진하고 있다.

 

 

야스카와전기에서는 2019년부터 고정도·고강성 로봇의 개발을 시작했다. 기존 기종인 MOTOMAN-GP250(250kg 가반)을 베이스로 개발한 MOTOMAN-GG250이다. 유럽 메이커의 기법과는 달리, 기존 로봇을 베이스로 개발해 코스트를 억제한 고정도·고강성 로봇의 발매를 목표로 하고 있다. 아직 시판되지 않았지만, 2019년 후반에 개최된 로봇 관련 전시회에서 개발 중인 로봇을 이용해 절삭가공 및 FSW(마찰 교반 접합)의 데모 전시를 했으며, 실제 가공 모습을 많은 관람객에게 시연해 호평을 받았다(그림 3).

 

야스카와전기 MOTOMAN-GG250은 가까운 시일 내에 시판을 예정하고 있다. 한편, 화낙에서는 가반 중량이 60kg으로 중형 로봇으로 분류되는데, 고정도·고강성의 로봇 FANUC Robot M-800iA를 이미 시판하고 있으며, 앞으로 더욱 가반 중량이 큰 로봇의 개발이 기대된다. 다른 일본 로봇 메이커에서도 동일한 움직임이 나올 것으로 기대하고 있다.

 

그러나 일본 로봇의 과제는 이외에도 존재한다. 가공 데이터량의 문제이다. NC 공작기계와 같이 형상을 절삭 조형할 때에는 몇 십만 포인트의 가공 데이터를 입력할 필요가 있는데, 일본 로봇은 그러한 데이터량을 가정해 제어장치가 설계되어 있지 않다. 그렇기 때문에 현재로서는 한 번에 가공 데이터를 기억시킬 수 없기 때문에 가공 데이터를 미리 분할해 작성, PC 내에 보존해 두고 가공 순서에 따라 순서대로 가공 데이터를 바꿔 넣는 시스템을 구축해 대응하고 있다. 이러한 부분에 대해서도 앞으로 개발이 진행되기를 바란다.

 

절삭가공의 도입 사례와 기술

 

절삭가공을 로봇으로 하기 위해서는 앞에서 말했듯이, 요구 정도를 만족시키는 정도·강성을 가진 로봇의 선정 및 로봇용으로 개발된 주축 모터(스핀들 모터) 및 로봇과 주축 모터를 최적으로 제어하는 소프트웨어가 필요하다. 트라이엔지니어링에서는 주축 모터를 협력 메이커와 공동 개발하는 동시에, 로봇 제어반에서 주축 모터를 직접 제어하는 소프트웨어를 개발해 ‘로봇 머시닝 시스템’으로 2015년부터 판매하고 있다.

 

 

현재 일본 로봇 메이커인 야스카와전기, 화낙, 다이헨 외에 Staubli, KUKA에 대응해, 주축 모터 사이즈도 2.6kw(BT30, 정격 회전수 10,000rpm, 2.5Nm)를 중심으로 1.3kw(BT30, 정격 회전수 12,000rpm, 정격 토크 1.0Nm)에서 25.0kw(BT50, 정격 회전수 1,850rpm, 정격 토크 128.0Nm)까지 총 6종류를 라인업하고 있으며, 대형 로봇에 의한 중절삭에서 소형 로봇에 의한 경절삭까지 다양한 유저의 요망에 대응하고 있다(그림 4).

 

또한, 로봇에 최적인 절삭공구 개발도 절삭공구 메이커와 추진하고 있다. 로봇에서 가공 시의 절삭저항은 가공 정도 저하의 요인이 되기 때문에 절삭저항이 적고 채터링이나 진동에 강한 것이 요구된다. 절삭공구 메이커에서는 어려운 과제가 많이 있다고 하지만, 앞으로의 로봇에 의한 절삭가공 시장 확대를 예상해 적극적으로 검토해주기 바란다.

 

 

트라이엔지니어링은 이와타툴과 공동으로 포켓 가공용 복합 엔드밀(그림 5)을 전시회에 참고 출품해 알루미늄재의 데모 가공을 했다. 또한, 오에스지와는 로봇 전용 CFRP 가공용 엔드밀 개발 등을 추진하고 있다. 그 외에도 후지코시에서도 적극적인 대응 의사를 묻고 있다.

 

라인업 확충이나 인지도 향상과 함께 도입 실적도 해마다 증가하고 있으며, 주요 납품 사례는 이하와 같다.

 

· 자동차 부품용 알루미늄 압출재의 트리밍·구멍 뚫기 가공

· 자동차 주조 부품의 1차가공

· 건설기계 프레임용 고장력 파이프재의 절단가공

· 철제 용접 부품의 용접부 여육 제거 밀링

· 대형 주물 주조용 주형가공

· 항공기 부품용 CFRP재의 구멍 뚫기 가공

 

그 외에 수지 재료나 CFRP, 경도가 높은 금속가공 등의 테스트 가공 의뢰도 많아 앞으로 도입 사례가 증가할 것으로 생각한다.

 

또한, 이 중에서 용접 부품의 용접부 여육 제거 밀링에서는 용접 시의 열영향에 의해 제품에 변형이 생기기 때문에 모재의 절삭 제거를 피하기 위해 절삭가공 전에 가공부의 제품 정도를 측정, 여육 제거의 가공패스를 제품 형상에 맞춰 변경하면 변형이 생긴 제품이라도 모재를 절삭하지 않고 적절한 절삭가공을 실현할 수 있었다. 이 기술은 NC 가공장치에서는 그다지 볼 수 없는 기능으로, 로봇이 아니면 할 수 없는 기능이라고 생각된다.

 

측정 및 절삭패스 변경 기술은 CFRP 등의 제품에서 볼 수 있는 이형 후의 형상 변화에 따른 트리밍 가공에서도 반드시 필요한 기술이다.

 

연마가공 로봇

 

연마가공은 주로 작업자에 의한 작업이 일반적으로, 주로 그라인더를 사용하고 샌딩페이퍼나 연마제를 사용해 제품 표면을 균일하게 하는 작업을 한다. 그러나 그라인더는 진동을 동반하는 작업이며, 또한 균일한 평면으로 가공하기 위해서는 제품 형상에 따라 최적의 압착력을 유지하면서 적절한 동작이 요구된다. 또한, 고정도의 가공에는 숙련공의 기술이 요구되며, 더구나 진동이나 절삭칩에 의한 분진 환경 하의 작업이라는 어려움이 있다.

 

한때 각 로봇 메이커에서 변형 센서를 이용한 연마가공 로봇의 제안이 있었지만, 앞에서 말했듯이 연마가공을 하는 툴은 진동을 동반하기 때문에 그 진동에 의해 변형 센서가 정확하게 동작하지 않는 등의 문제가 있어 보급이 추진되지 않았다. 그래서 트라이엔지니어링에서는 다른 방법을 이용한 연마가공 로봇을 개발했다.

 

우선 압착력에 대해서는 동사의 코어 기술인 서보 모터에 의한 압력 제어를 이용했다. 서보 모터의 전류 제어에 의해 서보 모터로부터 출력되는 토크를 제어하는 것이다. 또한, 그라인더 등 가압 제어 대상물의 자중에 대한 가압력에 미치는 영향에도 주목했다. 서보 모터의 토크값으로 제어하려고 하면, 그라인더 중량 이하의 가압력 제어가 곤란하기 때문에 그라인더 등 가압 제어 대상물의 중량 영향을 없애기 위한 밸런스 장치를 개발했다. 이것은 가압 방향에 따라 밸런스압을 변화시키는 기능을 가지고 있으며, 항상 서보 모터에서 발생시키는 토크≒제품에 가하는 가압력이 되도록 제어하고 있다(그림 6).

 

 

이렇게 해서 진동의 발생이 걱정되는 연마가공 툴로 최적 가압력 제어가 가능한 시스템을 탑재한 ‘로봇 폴리싱 시스템’을 완성시켜 판매하고 있다.

 

샌딩페이퍼 등을 사용한 거친 연마가공에서는 알루미늄 다이캐스트 제품의 표면에 있는 미세 크랙 제거나 압연재의 흑피 제거 등에 적용되어 호평을 받고 있다.

 

한편, 보다 정밀한 가공인 연마제(슬러리)를 이용한 경면 연마가공에서는 균일한 가압력 제어만으로는 어렵고, 연마패드나 연마제에 대한 지식과 적정한 제품의 제안도 중요하다. 이러한 과제에는 실리콘 웨이퍼나 반도체 디바이스용 연마 등에 대한 많은 노하우를 가지고 있으며 연마제를 제조 판매한 납입 실적이 많은 후지미인코포레이티드와 3차곡면의 경면 연마가공 기술 개발을 협업해 자동차의 본넷을 사용한 3차곡면의 도장면 경면 연마 테스트에서 양호한 결과를 얻었다(그림 7).

 

 

앞으로 자동차 내외장 부품의 경면 연마에 의한 부가가치 향상의 제안이나 실버 도장에 의한 금속 질감 제안, 또한 자동차 이외의 분야에서는 주택설비에 채용되는 인공대리석(아크릴수지)의 성형 시에 발생하는 성형 변형의 제거 등을 제안해 갈 계획이다.

 

또한, 최근 로봇 메이커에서 기종 라인업이 증가하고 있는 협동로봇에 대해서도 적용 전망이 가능하며, 2019년의 전시회에 참고 출품했다. 협동로봇은 안전팬스가 불필요한 협동 모드로 동작시킨 경우, 보통의 로봇보다 동작 속도를 늦출 필요가 있고 피킹 작업 등에 협동로봇을 적용할 때, 사람에 의한 작업보다 극단적으로 느려지기 때문에 실용면에서 성립성이 어려워 도입 확대가 지연되고 있었지만, 연마가공에서는 애초에 연마가공 툴의 움직임이 느리기 때문에 협동 모드에서도 느려지지 않는다. 또한, 작업자에 의한 작업의 대체 수요가 많기 때문에 협동 로봇을 도입하고 싶다는 요망이 많으므로 연마가공과 협동 로봇의 친화성은 높다. 단, 협동 로봇은 본래 뭔가 물체에 부딪쳤을 때 신속하게 정지하는 것이 대전제인 로봇이다.

 

 

그러나 연마가공할 때에는 연마가공 툴을 통해 워크와 접촉하고, 더구나 가압에 대한 부하가 로봇에 걸리기 때문에 개발 당초에는 고생했지만 로봇 메이커와 협의하면서 개발을 추진해 적용 목표를 세울 수 있었다(그림 8).

 

연삭가공 로봇

 

연삭가공 로봇에 대해서는 동사에서도 아직 개발 중으로, 일부 유저의 요망에 대응하면서 테스트 트라이얼을 하고 있다. 그러나 연삭가공의 요구가 많고, 특히 대형 제품이나 길이가 긴 제품에서는 실용화에 대한 스피드업이 요구되고 있다.

 

일반적인 연삭가공은 회전하고 있는 연삭숫돌을 가공물 표면에 대면서 가공하고 싶은 형상을 따라 이동해 가공을 한다. 그렇기 때문에 가공물에 대해 연삭숫돌의 위치를 일정하게 유지할 필요가 있다. 이 연삭숫돌의 위치 정도가 연삭 후의 정도에 크게 영향을 미친다.

 

로봇으로 연삭가공을 하는 경우, 회전하는 연삭숫돌을 가공물에 대고 누르면, 가공물에 대해 연삭숫돌이 반발하는 힘과 연삭숫돌에서 진동이 발생한다. 그 영향이 로봇 암에 가해지기 때문에 로봇 암에 휨 등이 발생하고, 대고 누른 위치를 유지하는 것이 어렵다. 앞에서 소개한 유럽제 고정도·고강성 로봇에 대해서도 정도차는 있지만, 마찬가지로 연삭 정도를 유지하는 것은 어렵다고 생각한다.

 

그렇기 때문에 로봇에 의한 연삭가공에서는 연마가공과 동일한 서보 가압 제어를 이용해 연삭숫돌 대는 작업을 일정하게 하는 제어를 조합하는 것이 필요하다고 생각된다. 그러나 연마가공에 대해 연삭숫돌을 회전시키는 스핀들 모터는 대형이기 때문에 서보 가압 제어도 대형인 것이 필요하고, 로봇도 대형 로봇이 된다.

 

로봇 연삭가공의 장점은 로봇 절삭가공과 동일하다고 생각할 수 있다. 예를 들면 강재 제조 메이커라면 전체 길이 15m 이상의 길이가 긴 조강재의 표면 연삭가공 등이 있다. 보통은 작업자에 의한 수작업 또는 전용기에 의한 가공이 필요하지만, 로봇에 주행축을 조합한 시스템을 구축해 1대의 로봇으로 가공도 가능하고, 일정 간격으로 로봇을 배치해 가공 시간의 단축도 생각할 수 있다. 전용기에 비교해 설비 도입 코스트를 줄이는 것이 가능하다. 트라이엔지니어링에서는 연삭숫돌 ø700mm를 가정해, 600kg 가반의 대형 로봇을 사용한 로봇 연삭가공 시스템의 구상을 하고 있다(그림 9).

 

 

반면, 고정도 연삭가공은 적합하지 않다. 가압 제어에 의해 연삭숫돌을 강압하기 때문에 평면 정도의 보증 등은 어렵다는 것을 인식해 둘 필요가 있다.

 

맺음말

 

이번에 로봇에 의한 ‘절삭’, ‘연마’, ‘연삭’ 가공에 대한 최신 동향과 활용 사례를 정리해 보았다.

 

절삭가공에서는 현재 아직 NC 가공기에 대해 가공 정도는 떨어지지만, 고정도·고강성 로봇의 적용이나 공구 메이커와의 로봇 전용 공구 개발 등으로 앞으로 점점 더 가공 정도의 향상을 기대할 수 있다. 또한, 가공물의 측정 결과 반영 가공패스 변경 기능 등은 로봇이 아니고는 할 수 없는 기능으로 NC 가공기의 대체나 연장선 상과는 다른 사용법이 예상된다.

 

연마가공에서는 최근 숙련공의 감소에 의한 연마 기술자 부족에 대한 해결책으로 기대가 크다고 생각한다. 숙련공이 하고 있는 치밀한 힘 조절을 로봇이 재현해 정밀한 연마가공을 한다. 그 영역에 이르기까지는 현재의 기술로는 달성할 수 없는 점도 많다고 생각되지만, 많은 도입 사례나 테스트 트라이얼을 경험하면서 기능 개발을 추진해 감으로써 미래에는 숙련공 로봇이라고 부를 수 있을 정도까지 성장시키고 싶다고 생각한다.

 

연삭가공의 도입 사례는 아직 적지만 수요는 충분하다고 생각하며, 금속가공 공장 등의 작업자 부담 저감이나 설비 투자 절감 요구에 대응하고 싶다. 현재는 몇 퍼센트 정도의 가공 용도 로봇 시장이지만, 앞으로 급속하게 확대될 것으로 확신하고 있다.