스카라 로봇 응용 사례3 정대상 기자입력 2017-05-31 15:22:28

스카라 로봇은 픽 앤 플레이스에 최적화된 기구구조와 속도, 그리고 경제적인 비용으로 인해 다양한 산업현장에서 사용되고 있다. 현재 많은 로봇제조사들이 스카라 로봇을 제조하고 있으며, 도시바 기계(TOSHIBA MACHINE) 역시 그중 하나이다. 본지에서는 도시바 기계 로봇 부문의 국내 에이전트인 엑트엔지니어링(주) 최영수 대표이사의 도움을 받아 스카라 로봇의 응용 사례를 연재 형식으로 소개한다.

 

 

 

1. 원호 컨베이어 동기 기능

 

컨베이어의 형태는 일반적으로 직선이지만 원호 또는 반원 정도의 컨베이어에 동기를 해야 하는 경우도 있다. 이는 인덱스와는 다른 것으로, 인덱스의 경우 각도를 분할하고 정지된 상태에서 주어진 임무를 수행하는 방식이지만 원형 컨베이어는 정지하지 않고 연속적으로 작업을 수행 하는 것이다. 이러한 인덱스 타입 정지시간은 전체 제품 생산 시간에 있어 지연요소이기 때문에, 가능하다면 원형 컨베이어 형태의 동기를 수행하는 것이 효율적이다.


<그림1>은 원형 컨베이어의 동기만을 보여주기 위한 데모로서 1대의 스카라 로봇을 사용하고 있으나, 경우에 따라서 2대 이상의 로봇이 원형 컨베이어에 동기를 하는 경우도 있다. 만약에 제품의 공정이 6개 공정으로 구성된다면 제품의 투입과 추출을 하는 부분 각각의 공정에 대한 동기를 수행하게 된다. 이때 로봇 외에도 실린더 등 다양한 기능들이 조합되어 공정을 수행하게 되며, 여기에서 로봇이 필요한 경우 스카라 로봇의 원형 컨베이어 동기 기능을 사용해 기능을 구현할 수 있다.


이와 같은 원형 컨베이어의 경우는 제품 위치와 유무 판단에 있어 비전시스템(Vision System)을 사용하는 경우도 있으나 센서(Sensor)만으로 정해진 위치의 제품 유무를 파악할 수 있다. 제품이 감지되는 순간부터 일정 각도를 이동하고 나면, 로봇이 각도를 인식해서 작동 범위에 제품이 진입할 때 주어진 임무를 수행하게 하는 것이다.


여기서 고려해야 되는 부분은 중심점으로부터의 거리에 따라 각도가 변하는 양에 따른 제품의 위치 편차이다. 원형 컨베이어의 경우 직선 컨베이어와 달리 이 위치편차가 크게 발생되기 때문에 적용 방법에 따라 구현 가능성 유무를 고려해 로봇을 선정해야 한다.
이 기능의 가장 큰 차이점은 인덱스와 달리 정지된 위치에서 임무를 수행하는 것이 아니라 연속적으로 회전 중인 컨베이어 상에서 로봇이 임무를 수행할 수 있다는 점이다. 이는 현저한 생산성의 증가와 더불어 기구의 충격 등 기타 2차적인 문제의 요소를 줄일 수 있다.

 

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그림1. 원형 컨베이어 동기

 

2. 2개의 컨베이어 동기 기능

 

제품의 포장에 있어서 2개의 컨베이어에 동기를 해야 하는 경우가 있다. 이것은 분당 생산량이 많은 파우치 제품에서 사용하는 방법으로서, 1개의 컨베이어는 제품 공급 컨베이어 이고 다른 컨베이어는 박스를 이동시키는 컨베이어로 구성이 될 수 있다.


도시바기계의 로봇(이하 도시바 로봇)은 1개의 비전시스템으로 여러 대의 로봇을 동시에 연결해 작업을 배분할 수 있는 기능을 가지고 있으며, 우선순위가 높은 제품을 먼저 집어서 박스에 포장할 수 있는 기능도 가지고 있다. 이 기능의 구현을 위해 도시바 로봇의 제어기는 2개의 엔코더를 동시에 읽을 수 있고, 3개의 트리거(Trigger) 신호를 연결해 동기 시점을 연산 할 수 있는 하드웨어(Hardware)도 준비되어 있다.


<그림2>의 시스템 구성도를 살펴보면, 정렬된 제품을 이동시키는 컨베이어는 어태치 컨베이어(Attach Conveyor)를 사용할 수 있고, 제품이 정렬되는 위치에 박스를 위치시켜서 박스에 정해진 수량을 담는 소포장 공정도 구성할 수 있다. 이러한 소포장의 경우 1개의 박스에 여러 개의 제품이 포장되고, 여기에 많은 인력이 투입되는 경우 적합한 자동화 방법이다.


<그림2>에 의하면 아래의 컨베이어에서는 제품이 무작위로 생산되어 배출되는 라인이고 상부의 컨베이어는 박스에 일정하게 담는 컨베이어에 해당된다. 하부의 컨베이어는 연속적인 흐름을 유지하는 상태에서 제품이 공급되고 있다.


상부의 포장 박스 또는 버킷(Bucket)에 일정량을 담아야 하는 경우에는 연속적인 흐름을 유지하는 상태에서 각각의 로봇이 정해진 수량을 포장하면서 동기를 유지하는 것이 가능하겠으나, 버킷을 탑재한 어태치 컨베이어를 사용하는 경우도 있다.


전체 생산 수량 측면에서, 연속적으로 흐름을 유지하는 것이 생산성 측면에서는 우수하겠지만, 장비의 전체 가격을 고려한다면 어태치 컨베이어를 사용하는 것이 유리하다. 일부 로봇 제조사에서 제공하는 연속 흐름 방식 제어의 경우 이를 위한 소프프웨어만 수천만 원을 호가하는 경우도 있기 때문이다. 이에 따라 사용자는 전체 사용 가능한 로봇의 대수와 단위 시간당 생산량, 제품의 종류를 고려해 공정을 구성해야 한다.

 

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그림2. 시스템 구성도

 

 

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그림3. 도시바기계 로봇 비전 시스템 연결 방식

 

비전 시스템의 인터페이스는 1대의 비전에 1대의 로봇을 연결하는 것이 아니라 1대의 비전에 다수의 로봇을 연결할 수 있는 시스템으로 구성되어 있다. 이 경우 비전에서 로봇 제어기와 프로토콜을 맞춰야 하는데, 비전이 다수의 오브젝트를 판별하고 도시바 로봇 제어기와 인터페이스 가능한 프로토콜 구성이 가능해야지만 사용할 수 있다.


아울러 로봇과 비전의 좌표계가 각기 다르기 때문에 비전 시스템에 좌표계를 매칭할 수 있는 기능이 포함되어야 여러 대의 로봇을 동시에 연결할 수 있다. 이는 전체 시스템 구성의 가격을 낮출 수 있고, 가성비가 우수한 시스템을 구성할 수 있는 방법이기도 하다.

 

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그림4. 제어 시스템 구성도

 

도시바 로봇의 경우, 제어 시스템의 구성은 로봇제어기에 2개의 채널을 연결할 수 있는 하드웨어가 준비되어 있기 때문에 동시에 2개의 컨베이어를 동기할 수 있고, 비전 시스템에서 보내온 영상 좌표 데이터를 1개의 컨베이어당 100개의 이미지 데이터로 동시에 동기할 수 있다. 비전 시스템의 견결 방식에서 비전이 이미지 좌표 데이터를 로봇 제어기에 보낼 때 동기 시작 신호인 트리거 신호는 매우 중요한데, 이것이 동기 위치의 기준 시간이 되기 때문이다. 이때 트리거 신호는 비전이 이미지를 촬영하면서 로봇 제어기에 보내줄 수도 있고, 로봇 제어기에서 트리거 신호를 비전 시스템에 전달해 비전 시스템에서 이미지를 촬영하고 로봇 제어기에 데이터를 보내는 방식을 사용할 수도 있다.


어느 방식을 사용해도 문제는 없으나 비전 시스템에서 트리거 신호를 보내는 경우는 컨베이어의 속도에 따라서 비전의 이미지 데이터 전송 속도를 결정하기 어렵다는 단점이 있다. 대부분의 컨베이어 동기 시스템은 컨베이어의 속도가 거의 일정한 상태이거나 변화될 속도를 미리 정하기 때문에 그에 따른 비전 촬영 주기를 결정하면 되지만 보다 유연한 시스템의 구현을 위해서는 제어기가 트리거 신호를 관리하는 것이 유리하다. 이러한 방식은 컨베이어의 속도 변화에도 항상 동일한 컨베이어 이동 거리마다 이미지를 촬영하고 데이터를 보낼 수 있도록 시스템을 구성하는 것이 가능하다. 즉, 컨베이어의 속도가 변하더라도 문제없이 일정 거리간격의 이미지 데이터를 동기할 수 있다.



3. 검사 장비 양불 판정

제품을 생산하고 나면 제품의 양불 판정은 자동화 과정에서 반드시 필요한 공정이다. 이 공정의 경우 사람으로만 진행할 수 있는 공정도 있지만, 대부분 로봇이 적용될 수 있는 공정이다.


최근의 추세를 살펴보면 인력관리의 어려움과 임금 상승, 균일한 숙련도 보증의 어려움 등으로 다양한 형태의 로봇을 이용한 검사 공정이 도입되고 있다.
로봇을 이용하는 경우에는 제품의 특성과 형태에 따라 로봇의 종류를 선택하게 되는데, 검사 공정의 대부분은 수평 이동에 의한 투입, 검사, 분류로 공정이 구성되기 때문에 스카라 로봇을 이용한 검사 공정이 가성비 측면에서도 월등하고, 동작의 신뢰성과 제품 변경 등에 대응하는 유연성 측면에서도 우수하다.


도시바 로봇의 스카라 로봇은 Ethernet, Serial Port가 표준으로 탑재되어 있고 EtherCAT, CC-link, Profi-Bus 등 다양한 Field Bus를 제공함으로서 검사 공정의 데이터 인터페이스를 원활하게 할 수 있다.
검사 공정은 비전 시스템을 채용하는 경우가 많으나 센서류를 이용하는 경우도 적지 않다. 비전을 사용하는 경우는 치수, 외관상태, 부품 삽입 여부, 이물질 검사 등이 주를 이루고, 센서는 보다 정밀하고 신뢰성 있는 치수의 측정이나 제품의 형상 파악, 경우에 따라서는 방수 등 제품의 기능을 테스트하는데 사용된다.


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그림5. 시스템 구성도

 

4. 스카라 로봇 PC Control

 

IoT의 발달과 4차 산업 혁명, 스마트 공장 등의 개념이 도입되면서 제조공정의 모든 데이터를 상위에 수집해서 분석하고, 유연한 생산 시스템으로의 탈바꿈을 통해 다품종 소량생산을 도모하는 방향으로 제조 현장이 변화되고 있다.


특히 기존에는 어려웠던, 공정 내 모든 데이터를 수집해 빅데이터를 기반으로 분석하는 데에 많은 기업들이 역량을 집중하고 있는데, 여기에서 중요한 것은 “네트워크를 통해 어떻게 원하는 데이터를 실시간으로 보내줄 것인가”이다. 최근에는 인터넷의 발달로 보다 많은 데이터를 더 빠르게, 더 저렴하게 주고받을 수 있는 기술이 하루가 다르게 발달되고 있다. 이러한 오늘날의 상황은 곧 제조업의 종단에서 산업역군으로서 역할을 하고 있는 로봇 분야에서는 “로봇이 데이터를 어떻게 상위로 전달할 수 있을 것인가”에 대한 이슈로 이어졌다.


도시바 로봇은 PC에서 제어할 수 있는 라이브러리를 제공함으로써 사용자 입장에서 수월하게 프로그램 구현이 가능하도록 지원하고 있고, 단순한 데이터의 송·수신뿐 아니라 제어 기능도 구현할 수 있도록 라이브러리를 제공하고 있으며, PLC에서도 자유롭게 제어하고, 데이터를 주고받을 수 있도록 통신 프로토콜을 공개하고 있다. 이와 관련해 도시바 로봇 국내 공급사인 엑트엔지니어링은 “통신 프로토콜과 관련된 내용에 대해 궁금한 사항은 이메일(acting@acteng.co.kr) 등을 통해 적극적으로 대응하고 있는 상황이다”라고 전하기도 했다.


통신 프로토콜과 라이브러리를 이용하는 것은 기본적인 매뉴팩처링 셀을 구현하는데 많은 도움이 된다. 공정 상 하나의 셀은 제조장비, 부품 핸들링 로봇, 제어기로 구성되는데, 통상적으로 제조장비 또는 조립장비는 PLC를 사용하는 경우가 많고 로봇은 자체 제어기를 사용하기 때문에 상호 간의 인터페이스는 데이터를 보내는 기능 외에도 서로의 상태를 인지하거나, 작업의 지시완료, 인터록(Interlock) 등에 매우 중요하다. 가장 일반적으로 사용되는 것은 Digital I/O Interface이지만 보다 많은 데이터의 송·수신을 위해서 통신으로 변화되는 추이를 보이고 있다. 여기서 최근 장비의 PC 제어가 증가하면서 유연한 생산시스템 구축을 위해 PC와의 데이터 통신에 의한 인터페이스가 더욱 중요해지고 있다.

 

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그림6. 시스템 구성도

 

통신의 세부 기능에 대해서 일일이 열거할 수는 없으나 가장 간단한 형태의 인터페이스는 Field Bus로 정해진 변수를 이용한 값을 전달하는 것이다. 이것은 PLC에서 여러 대의 PLC를 연결하거나, PLC가 다른 장치를 연결할 때 적용하는 방식을 확장해 사용하는 경우가 많은데, 정해진 몇 개의 변수를 주고받는 형태라면 문제가 없으나 유연성 확보에는 제한을 받을 가능성이 높다.


최근에는 확장성과 유연성을 고려한 PC제어용 라이브러리를 제공함으로써 상위 제어 장치에서 제어를 같이 할 수 있고, 워하는 데이터를 가공해 송·수신하는 기능으로 확대되고 있다.

 

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그림7. 통신 라이브러리 개념도

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그림8. DLL을 사용한 개발 개념

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그림9. Sample Code

 

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정대상 기자
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