일본 시바우라기계(舊도시바기계)는 사출기와 압출기, 공작기계, 나노 가공기, 로봇, 제어기, IIoT 등 폭 넓은 제조 기술 영역에서 높은 수준의 기술경쟁력을 확보하고 있다. 그중 시바우라기계의 사출기는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 제품을 성형할 수 있을 정도로 기술 수준이 높다. 본지에서는 시바우라기계의 국내 공식 파트너사인 엑트엔지니어링(주)의 도움을 받아 사출기에 대한 이해도가 높은 로봇 기업이 직접 구현한 사출성형 로봇 자동화 사례를 소개한다.
2018 도시바기계그룹 솔루션페어에서 시바우라기계의 다관절 로봇 TVL-500이 두 대의 산조세이키 수직사출기를 핸들링하고 있다. / 사진. 로봇기술
1. 종합 기계 메이커가 만드는 로봇
1938년 시바우라공작기계라는 사명으로 설립한 일본 시바우라기계는 1961년부터 2020년까지 도시바기계라는 이름으로 전 세계에 더 많이 알려졌다. 이 회사는 산업용 로봇을 비롯해 사출기, 압출기, 공작기계, 다이캐스팅 장비, 나노 가공기와 같은 종합적인 기계 장비류 제조에서부터 서보모터, FA제어기, IIoT 등 기초기술과 첨단 제조 시스템 분야까지, 하드웨어와 소프트웨어 역량을 모두 갖춘 종합 엔지니어링 메이커이다.
시바우라기계가 처음 산업용 로봇을 만들었던 배경은 자사 기계 제조에 직접 자동화 공정을 적용하기 위해서였다. 층고 4m 높이의 초대형 공작기계까지 만들어내는 회사였기에, 초기에는 중량물을 핸들링할 수 있는 가반하중 70㎏의 스카라 로봇을 만들어 공작기계 핸들링용으로 사용했다. 이후 사출기, 다이캐스팅 등으로 시장이 확장되면서 점차 적합한 산업용 로봇으로 라인업이 확장됐는데, 대부분 시바우라기계 내부에서 직접 사용하는 용도로 활용됐다. 이후 2000년대 초반부터 산업용 로봇에 대한 수요가 급격히 증가하면서 시바우라기계의 산업용 로봇에 대한 고객들의 수요가 발생함에 따라 본격적으로 산업용 로봇을 사업화했다.
2. 사출성형 스페셜리스트가 만드는 로봇
유압식과 전동식 사출기 및 사출기 제어 시스템까지 보유하고 있는 시바우라기계는 사출기를 잘 이해하는 기업으로도 유명하다. 지난 2018년 5월에 열렸던 도시바기계그룹 솔루션페어에서는 전기자동차나 항공기 등 경량화에 적합하지만 가공 난이도가 높기로 유명한 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)을 사출할 수 있는 경량화 사출 성형 기술 등을 자사 사출기로 시연한 바 있다. 이 밖에도 액상 실리콘, 열경화성 소재, 도광판 전용, 샌드위치 성형, 다색 성형 등을 위한 여러 특수 사출기도 제품화해 제작하고 있다.
공작기계나 다이캐스팅과 마찬가지로 사출기 또한 직접 설계, 제작하기 때문에 시바우라기계는 사출성형 사용자들의 시선에 맞춘 산업용 로봇을 만들기 시작했다. 일반적인 취출로봇 구조에 적합한 직교로봇 제어기에서부터 사출기 인서트나 픽 앤 플레이스를 위한 스카라 로봇, 게이트 커팅이나 사상 등 후 가공을 위한 다관절 로봇 등의 라입업이 등장하기 시작했다. 특히 시바우라기계의 직교로봇 제어기는 1990년대에 출시됐는데, 당시 상당히 앞선 기술로 평가받았다. 윈도우 환경에서 구동할 수 있으며 프로그램이 가벼우면서도 완성도가 높다.
시바우라기계 사출기로 성형한 CFRP 제품들 / 사진. 로봇기술
3. 사출성형에 적합한 스카라 로봇과 다관절 로봇
시바우라기계의 사출 자동화에서 가장 많이 사용되는 로봇은 6축 다관절 로봇과 스카라 로봇이다. 범퍼류와 같은 일부 대형 제품을 제외하면 일반적으로 사출성형 제품들의 무게는 가벼운 편이기 때문에 경량의 무게를 고속으로 정밀하게 핸들링할 수 있는 능력에 방점을 뒀다. 여기에 적합하게 개발된 스카라 로봇이 THL시리즈이다. 5~10㎏의 가반하중에 대응할 수 있고, 암 리치는 300~1,200㎜까지 100㎜ 간격으로 라인업이 구성돼 있어 컨베이어에 사출물을 올리거나 박스에 물건을 적재하는 여러 형태의 취출 작업에 대응할 수 있다.
다관절 로봇의 경우에는 TVL시리즈가 사출성형 자동화에 적합하다. 500/700㎜의 암 리치를 보유하고 있으며 ±0.01㎜의 반복정밀도와 0.3초대의 사이클 타임을 구현한 로봇으로, 사출물 핸들링에 최적화돼 있다.
4. 인서트 사출성형 자동화 사례
사출기는 크게 수직형과 수평형 타입으로 구분된다. 수평형의 경우 일반적으로 사출기와 취출 작업을 하는 로봇이 일체형으로 구성된다. 그러나 사출기에 직접 탑재할 수 있는 공간이 마련되는 수평사출기와 달리 수직사출기는 대부분 단일 제품군으로 납품되기 때문에 작업자가 기계 옆에서 대기하다가 사출이 완료되면 직접 금형에서 제품을 꺼낸다.
국내의 경우 전기차 시장이 확대되면서 전기차 부품 제조에 적용되는 수직사출기의 수요가 대폭 증가함에 따라 수직사출기의 인서트 작업이나 취출 작업에 산업용 로봇을 적용하는 사례가 점차 증가하고 있다. 사출성형 공장의 고령화가 심해지고 외국인 인력을 구하는 것마저도 어려울 정도로 인력난이 심해짐에 따라 사출 사이클마다 인서트 부품을 삽입하고, 성형 완료된 제품을 금형에서 꺼내는 단순 반복 작업에 대한 자동화의 필요성이 높아졌기 때문이다.
직접 수직사출기를 제조하는 시바우라기계에서는 이와 관련해 다양한 로봇 자동화 사례를 확보하고 있다.
그림1은 수직사출기와 THL시리즈 스카라 로봇 두 대를 활용해 인서트 및 핸들링 작업을 자동화한 사례이다. 파츠피더에서 인서트 부품이 투입되면 한 대의 로봇이 얼라인 장치에서 인서트 부품을 정렬하고 턴테이블에 옮겨 놓는다. 턴테이블이 정렬된 인서트 부품을 전달하면 또 다른 스카라 로봇은 정렬된 인서트 부품을 금형에 삽입하고, 성형이 완료된 제품을 금형에서 꺼내 적재하는 역할을 수행한다. 그림1의 사례에서는 녹색 박스에 제품을 적재하는 방식으로 진행하고 있지만 해당 영역에 컨베이어가 위치할 수도 있다. 만약 게이트 커팅이나 사상 등 후 가공까지 자동화가 필요할 경우에는 게이트 커팅 장비나 그라인더 장비를 추가로 구비하고 두 번째 스카라 로봇을 다관절 로봇으로 치환하면 된다.
그림1. 스카라 로봇을 이용한 인서트 사출성형 자동화 / 자료. 엑트엔지니어링
그림2의 사례는 이전 작업 공정에서 컨베이어를 통해 투입된 인서트 부품을 다관절 로봇으로 정렬해 인서트 삽입하는 작업이다. 파츠피더와 달리 무작위로 컨베이어에 투입되는 인서트 부품을 올바로 정렬하기 위해서 비전을 활용했으며, 여러 방향으로 눕혀진 부품을 핸들링할 수 있도록 손목 관절을 움직일 수 있는 다관절 로봇을 적용했다.
그림2. 다관절 로봇을 이용한 인서트 사출성형 자동화 / 자료. 엑트엔지니어링
5. 사출성형 자동화 구축 적기
사출성형 공정에 로봇을 투입했을 때 가장 먼저 얻을 수 있는 효과는 불량률의 절감이다. 사람이 직접 매 사이클마다 인서트 부품을 삽입할 때에는 작업 집중도에 따라 인서트 삽입 위치가 틀어지는 등의 변수가 생길 수 있으며, 작업 시간이 진행될수록 이 같은 변수는 더욱 커지게 된다. 반면 똑같은 작업을 반복하는 부분은 산업용 로봇이 가장 충실하게 수행할 수 있는 분야이기 때문에 균일한 품질을 확보할 수 있다. 이 같은 불량률의 절감은 곧 생산성의 향상과 직결된다.
두 번째로 인력난이 심각해지는 사출성형 현장에서 가성비가 좋은 자동화 솔루션이 될 수 있다는 점이다. 최저임금 인상과 노동시간 단축에 더해 젊은 인력들의 사출공장 기피 현상까지 더해지면서 지금은 인력을 구하는 것 자체가 쉽지 않은 상황이다. 이때 산업용 로봇은 좋은 대안이 될 수 있다. 특히 매해 최저임금이 올라가는 것과 달리 산업용 로봇 가격은 지속적으로 낮아지는 추세에 있기 때문에 경쟁력 있는 가격에 로봇 자동화 시스템 구축이 가능하다.
6. 수직사출기 자동화시 고려해야 할 점
수직사출기 로봇 자동화에서 가장 먼저 고려해야 할 부분은 금형이 장착되는 턴테이블의 반경이다. 이 반경을 기준으로 적합한 로봇의 암 리치를 고려해야 원활한 자동화가 가능하다.
또한 인서트 부품의 형상에 따라 2D비전과 3D비전 중 적합한 것을 선택해야 한다. 예를 들어 인서트 부품이 컨베이어 상에 무작위로 투입되는 공정에서는 겹치는 상황 등을 고려해 3D비전을 적용해야 하며, 3D비전의 부족한 해상도를 보완하기 위해 별도의 얼라인 장치로 인서트를 정렬하는 공정을 추가하는 것도 한 방법이다.
사출기와 로봇 간에 신호를 주고 받을 수 있는 통신 기능도 중요하다. 사출기를 직접 제조하는 시바우라기계의 경우 자사 사출기 전 기종에 Euromap 67 로봇 인터페이스가 표준으로 제공돼 로봇과 기계 제어 간에 신호를 전송해 사용자들에게 개방형 생산 시스템을 보장하고, 새로운 로봇의 추가도 손쉽게 가능하게 한다. 사출기-로봇 자동화에 대한 시바우라기계 엔지니어들의 높은 이해도는 수직사출기 및 수평사출기를 이용한 사출성형 자동화에 최적화된 로봇 공급을 가능하게 한다.
필자
엑트엔지니어링(주) 최영수 대표이사
