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그 기업엔 무언가 특별한 것이 있다.

 

공작기계의 자동화 제안 (1) : 공작기계와 자동화

24회째를 맞이하는 전문 금형 전시회 「국제 금형 및 관련기기 전시회」가 3월 12일부터 16일까지 KINTEX 전시장에서 열렸다. 근로시간 단축, 최저임금 인상에 따라 금형업계 경쟁력 강화가 더욱 강조되는 상황에서 열린 전시회인 만큼 경쟁력 강화를 제안하는 장비·솔루션들이 대거 출품됐다. 금형가공기는 무인화를 지향하며 자동화 시스템을 적용하는 방안이 눈에 띄게 많았다. 고경면 제품 성형용 금형을 가공하는 초정밀 공작기계도 출품 비중이 높은 편이었다. 자동차의 라이트 렌즈 금형, 반사경 금형, 광학기기의 렌즈 금형 등 높은 표면 품질을 요구하는 금형가공용 기계들이 각축을 벌였다. 한편 국내 유명 공작기계 메이커들이 나란히 동급 신제품을 전시하고 나란히 타이어 금형 가공을 시연하는 진풍경도 연출했다.

글/ 신동완 기자

 

금형 가공장비의 자동화 제안

스마트란 단어에 묻혀 구식이 된 듯한 ‘자동화’가 크게 떴다. 스마트 제조에서 설비 자동화는 당연하다는 인식은 제조설비의 구체적 자동화 방안을 잊게 했다. 자동화는 당연하지만 어떻게 해야 하나를 잘 보여준 전시회였다.

금형제작은 부품, 제품을 양산하기까지 제조공정에서 가장 시간이 많이 걸리는 공정이다 금형이 완성품의 처음과 끝에 일관하여 영향을 줘 금형 가공의 완성도를 높여야 하기 때문이다. 성형품의 불량은 대부분 금형에서 비롯되고, 이 때문에 무수한 설계변경이 금형제작 현장을 괴롭힌다. 산업별로는 자동차, 항공, 정보통신기기, 가전, 기계 등의 산업에서 안 쓰이는 곳이 없는 것이 금형인데, 금형은 이들 산업의 신제품 개발과정부터 양산성을 담보하며 최종 완성품 품질의 책임까지 떠맡는다.

공정별로도 금형은 플라스틱 부품 가공현장, 주조·단조성형 현장이나 프레스 가공 같은 소성가공 프로세스에서 사실상 핵이다. 금형제작은 CAD 같은 설계 과정의 툴 등 중요하지 않은 요소가 없지만 전통적으로 기계가공이 제작의 중심에 자리를 차지해 왔고 현재도 크게 달라지지 않은 상황에서 기계장비 의존도가 높다.

금형제작은 완성품 제조업체가 자체 제작하거나 금형전문 기업에 외주를 낸다. 금형의 수급은 시장선점에 민감한 모바일기기나 가전 등 대기업이 수요할 경우라면 대기업은 기업 내에서 자체 제작하기도 한다. 중소기업 적합업종인 금형업이 유일하게 대기업에 허용하는 대목이 여기다. 이 대기업은 완성품의 발주기업으로서 금형을 성형업체에 제공하는 방식으로 금형 수급이 이루어지는데, 제품의 납기를 맞추는 데는 대부분 금형가공 시간이 열쇠를 쥐고 있다. 따라서 금형제작에서 기계설비는 늘 기능, 가격 등을 따지는 주목의 대상이었다.

이번 금형 전시회에서 금형가공 장비는 자동화 장치와 연결하거나 일체화하여 구성한 ‘금형가공의 자동화 시스템’이 많이 등장한 것이 특징이었다.   

  

금형업 경영환경 변화에 편승한 자동화 바람

이번 금형전시회의 장비자동화는 근로시간 단축, 최저임금 인상이라는 근로·경영환경 변화에 초점을 맞춰 설비를 출품한 거의 모든 업체가 자동화 컨셉을 들고 나왔다. 가능한 무인 자동화를 통해 변화한 근로·경영 조건을 해결하자는 제안이다. 환경·제도의 변화에 가장 크게 영향을 받는 뿌리산업에서 경쟁력을 유지할 조건으로 설비공급업체들은 자동화를 다시 불러냈다. 

선반이나 머시닝센터의 자동공구교환장치(ATC)는 공구 수납이 몇 개인지 살피는 시대에 이미 들어서서 장착을 당연시한지는 꽤 지났다. 이제는 공작물을 자동 교체하는 장치 차례였다. 지난해 SIMTOS(서울 국제공작기계전)에 서서히 등장한 공작물 자동투입장치(혹은 공작물 자동교환장치, AWC; Auto Workpiece Changer)가 이번 전시회에 대거 등장했다. 

대개 공작기계에 자동화 시스템을 적용하기는 로봇이나 팔렛타이저, 컨베이어 등을 장착하여 손쉽게 완성하는 것으로 생각한다. 필요할 때 구입하여 연결시키면 될 것이라는…. 그러나 구체적으로 어떻게 구성할지 상황에 준하는 레퍼런스를 목격하기는 쉽지않다. 더구나 자동화 시스템을 최적으로 구성하기 위해서는 이를 받아들이는 공작기계의 최적 기계구성이 필요하다. 자동화 장비의 접근성을 향상시킨 공작기계여야 한다는 의미다.

한편으로는 공장의 공간도 확보해야 하기 때문에 레이아웃이 달라지는 등 고려해야 할 것이 많다. 금형가공기의 자동화 시스템 적용은 필요할 때 즉각 구성할 수 있기 때문에 장비구입 시의 논외 대상이 더 이상 아니라는 점을 이번 전시회에서 보여줬다. 기계들은 공작물 자동교환장치를 쉽게 연결할 수 있도록 측면에 사이드 도어(대부분 슬라이딩 도어)를 내거나 기계 정면 도어를 로봇이 스스로 여닫고 공작물을 착탈하는 기술을 보여주기도 했다.

금형가공기의 자동화 시스템 연결이 필요할 때 쉽게 할 수 있는 선택이 아니라는 점은 공작물의 수납장치에서도 나타났다. 워크의 수납장치는 장비구조에 최적화하여 설계하고 다양한 사이즈와 수량에 대응하도록 했다.

 

 

공작기계 출품업체들의 자동화 제안 보기

 

■ 두산공작기계

두산공작기계의 자동화 출품 사례는 동시 5축가공기 DVF 5000에 공작물 자동교환장치(AWC; Auto Workpiece Changer)를 장착한 시스템이었다. 또 이번 금형전에도 지난해 SIMTOS에서도 선보였던 Lynx 2100G 장비의 베어링 가공공정 자동화가 전시됐으며 갠트리로더와 연결된 자동화 시스템을 보여줬다. 다목적 문형 머시닝센터 DBM 2540은 자동교환식 헤드어태치먼트를 적용하여 전시했다.

DVF 5000와 AWC 결합은 기계 자체가 많은 기능을 통합한 프리미엄급인데다 작업 능률을 올리고 무인화를 지향하는 자동화 컨셉이어서 공작기계가 어디까지 기능을 확장할지 예측을 불허하는 시스템 구성이었다. DVF 시리즈는 두산공작기계가 다양하고 복잡한 형상을 가공하기 위해 개발한 동시 5축 수직형 머시닝센터로 터닝가공까지 가능한 로터리 테이블을 갖추고 있다. 밀링과 터닝의 복합, 가공 시 간섭의 최소화, 사용자 편의성의 극대화 등 기능이 많은데다 공작물을 교환하는 자동화 시스템까지 갖춰 선보였다.

공작기계의 자동화는 사용자의 편의성과 작업능률 향상에서 시작한다. 하지만 이미 공구자동교환장치(ATC)에서 보듯이 이 편의성은 막대한 파급력을 갖는다. 가공 정밀성, 생산성, 나아가면 무인화에 이르게 될 것을 예측하게 한다. 이런 의미에서 DVF 시리즈는 우선 기계 사용자의 편의성이 돋보인다. DVF 시리즈는 접근이 용이하도록 도어의 개방 폭을 최대화(900mm)하고 자동화를 위한 사이드도어를 표준으로 적용했다. 사이드도어는 좌우 슬라이딩 도어 형태다. DVF 시리즈의 자동화는 AWC와 함께 APC(Auto Pallet Changer)도 구성한다.

이번 전시회에서 AWC와 결합하여 자동차 타이어 금형가공을 시연한 DVF 시리즈(DVF 5000)는 터치스크린 제어판이 있는 통합형 팔렛 셋업 스테이션을 적용했다. 즉 이 AWC는 단순한 공작물 수납·이송장치가 아니라 가공장비와 동일하고 실제적인 가공 프로그램을 제공하고 있다. 터치스크린 제어 패널에는 공작물의 스케쥴링 정보를 확인할 수 있다.

AWC와 기계는 서로 최적화한 구조로 디자인 되어 있다. 기계는 자동화 장비의 접근성을 보장하고 AWC는 기계 구조에 최적화하여 디자인한 것이다. 전시한 DVF 5000+AWC는 4~24개 공작물을 수납할 수 있으며, 150×150~500×500mm의 팔렛 크기와 40~250kg 중량의 공작물에 대응하는 자동화 시스템이다. 다양한 사이즈와 다양한 수량의 공작물에 대응하는 시스템이었다.

 

 

■ 현대위아

현대위아의 공작기계 자동화 시스템은 2개 모델의 선반과 결합한 로봇 자동화 시스템이었다. 생산성 향상에 초점을 맞춘 고속가공용 8인치 고성능 선반 KL2300A는 공작기계와 로봇이 일체형으로 구성된 자동화 시스템 사례를 보여줬다. 역시 워크의 자동교환을 목적으로 한 이 시스템은 무엇보다 공작기계와 로봇이 일체형으로 구성됐다는 점이 특징이다. 머시닝센터와는 달리 기계 측면에 도어를 낼 수 없는 선반은 공작물 교환을 기계 정면의 도어를 통해 할 수밖에 없는데, 현대위아는 갠트리 주행 로봇을 공작기계에 일체화시킨 것이다. 기계의 갠트리에 로봇을 달아 워크 수납공간과 이동하며 공작물을 정면 도어를 통해 자동으로 교환하도록 했다. 

현대위아는 또 이번 전시회에 신제품으로 선보인 중절삭 가공용 터닝센터 HD2600에 저가형 수직 다관절 로봇을 적용해 공작물을 교환하는 자동화 시스템도 출품했다. 특히 이 소형, 경제형 로봇은 별도의 컨트롤러 없이 팬던트로 작업경로 등을 입력하여 로봇을 운전했다.

 

 

■ 화천기계

화천기계 역시 신제품 5축 머시닝센터 D2-5AX에 AWC를 연결한 자동화 시스템과 SMART Ua STEEL에 AWC를 연결한 자동화 컨셉을 선보였다. 화천은 이번 전시회 출품 장비의 특징을 ‘5축 자동화 솔루션’과 ‘스마트머신’이라고 강조할 만큼 자동화 장치와 가공 소프트웨어 솔루션에 주목하기를 바랐다.

이번 전시회에 AWC를 적용하여 출품한 D2-5AX뿐만 아니라 난삭재 가공에 특화한 5축 머시닝센터 M4-5AX도 자동화 시스템과 연결성을 중시하여 설계했다는 소개다. 화천의 5축 자동화 솔루션은 최근 항공·우주·방산·자동차 업계의 호평을 받고 있는 화천의 5축 머시닝센터와 다양한 사양의 자체 제작한 AWC가 대표적이다.    

자동화가 용이한 부품가공용 중형 5축 머시닝센터 D2-5AX는 사이클타임을 최소화하기 위한 가감속 이송시스템, 로봇 및 AWC(Auto Work Changer) 접근이 용이한 구조로 설계하여 대량생산에 효과를 내도록 했다. 이 장비는 설계부터 로봇 및 AWC 적용이 용이한 구조로 설계됐다. AWC 연결은 우측이나 전방에 가능하다. 칩 컨베이어 설치 방향도 좌측, 또는 후방을 선택하도록 했으며, 천정은 자동 개폐할 수 있어 크레인 사용도 용이한 구조다. 

전시회에서 D2-5AX와 연결한 AWC는 기계 측면 도어를 통해 공작물을 자동으로 교환하는 시연을 했으며, 공작물은 20개를 수납했다.  

SMART Ua STEEL도 AWC를 연결하여 전시됐다. 신발 금형가공을 시연한 이 기계는 AWC를 이용한 무인 연속가공 기능을 보여줬다. 이 기계에 적용한 AWC는 최대 이송 가능 중량이 80kg, 최대 공작물 높이 250mm, 최대 팔렛 보유수 15개, 팔렛 크기 400×500mm이다.

 

공작기계+협동로봇의 진가…협동로봇 덕을 본 절삭공정의 자동화

이번 금형전의 설비 자동화 구성은 공작기계+협동로봇 구성이 압권이었다. 뿌리기업들의 자동화·첨단화 지원사업과 스마트공장 보급사업에도 지원 솔루션이 명시되어 있는 로봇의 적용 방안이 이번 전시회에는 비교적 많아 뿌리산업인 금형산업 종사자가 관심을 가질만한 전시회였지만 협동로봇의 적용 사례는 손에 꼽을 정도였다. 협동로봇의 가반중량 한계, 대부분의 금형이 상당한 무게가 나간다는 실정 때문인 것으로 풀이된다.

비록 협동로봇의 공작기계 적용 사례는 많지 않았지만, 저가, 중소기업형 협동로봇의 개발과 상용화 붐을 타고 공작기계의 자동화를 구성하는데 이 로봇의 역할은 막강했다. 현대위아, 마키노, 화낙이 공작기계와 협동로봇의 자동화를 구성하는 방안을 제시했다. 특히 모바일용 협동 로봇을 출품한 마키노는 협동로봇의 이동성뿐 아니라 이동에 자율주행 기능까지 보여주며 참관객들의 눈길을 끌었다. 협동로봇의 이동성 부여는 아주 최근에 나타난 트렌드인데, 지난해 열린 로보월드 전시회에서는 협동로봇+자율주행 기술이 대거 등장하기도 했다. 자율주행 로봇이 특별한 이유는 장해물을 스스로 피할 수 있다는 점으로, 로봇과 사람이 같은 장소에서 협업하기 알맞다는 협동로봇 최대 장점 중의 하나로 꼽히기 때문이다. 나아가면 로봇과 사람의 충돌이 따른 안전성 확보에도 의미를 둔다. 안전성 역시 협동로봇의 큰 장점이다.    

 

 

■ 마키노

마키노는 과거 중대형 공작물의 공정 이송에 미리 프로그램된 대형 로봇이 활약했던 것과는 달리 소형 협동로봇이 상황에 따라 동선을 바꾸는 기술을 전시했다. 공작기계+협동로봇+자율주행 기술의 조합이었다. 정해진 감지선을 따라 운행하는 AGV와는 달리 자율주행 로봇이 장해물을 피해 목적지를 왕래하며 기계의 도어를 스스로 열고 공작물을 착탈했다. 마키노는 국내 금형업계가 처한 최저임금, 근로시간 등 경영환경의 변화에 따라 무인 현장이 확대할 것에 대비한 자동화 컨셉이라고 소개했다. 비록 컨셉 자동화의 시연이라 해도 기계가공 현장에서 로봇의 자율주행은 큰 주목을 받았다.

특히 이번 전시회 때 공작기계에 적용한 소형 협동로봇은 프로그램과 운용의 용이성을 십분 발휘했다. 별도의 컨트롤러 없이 태블릿 PC만한 팬던트로 주행경로 등을 입력하여 로봇을 운전했다. 팬던트 화면에 표현된 아이콘을 통해 운전할 수 있는 쉬운 프로그램 방식이 금형산업과 같은 중소규모 업체에 제격임을 보여줬다. 공작기계와 연결한 협동로봇은 이미 협동로봇의 장점인 쉬운 프로그램, 그래픽 기반의 직관적 로봇의 운용기술 덕을 활용하고 있었다. 기계 오퍼레이터가 짧은 시간에 로봇 운용기술을 숙지하면 공작기계와 로봇을 동시에 운전하게 된다.

협동로봇은 절벽 같았던 가격, 프로그래밍의 문제를 해결하고 절삭이든 조립이든 표면처리 공정이든 공정 대응의 유연성을 보여주며 공작기계의 절삭공정 자동화에도 적용이 확대할 것임을 예고했다. 

 

■ 화낙

화낙은 테핑센터 ROBODRILL에 자사의 협동로봇 CR-7iA를 적용하여 동전극 가공 자동화 시스템을 선보였다. 이 기계는 로봇 자동화를 적용하기 앞서 전면에 서보 도어를 채택하여 소재 교환 시간을 단축시켰다. 서보 도어란 도어의 개폐를 실린더로 구동하지 않고 서보모터로 구동하는 기술을 말한다. 장비 로보드릴 또는 로봇 컨트롤러의 부가축 제어로 전면 도어를 서보모터로 구동하는 방식이다. 서보 도어는 실린더 구동에 비해 도어 개폐시간을 2~2.5초에서 0.8초로 대폭 단축시킨다. 도어의 개폐시간 단축은 가공 소재 교환시간을 단축시켜 실린더 방식의 도어 개폐 시간이면 공작물의 교환까지도 가능하다. 회당 2.4~3.4초면 소재교환을 마칠 수 있다는 것이다. 서보 도어는 기종의 제한이 있기는 하지만 기존 장비에도 설치가 가능하다. 

화낙은 로보드릴과 소형 협동로봇의 조합을 QSSR(Quick and Simple Startup of Robotization)이라 부르는데, 기계를 장시간 가동할 때나 부품의 다품종 소량생산에 적용하면 효과적이라고 소개했다. 이 자동화 장치의 구성은 협동로봇과 기계를 중심으로 이동식 로봇 테이블, 이동식 워크 테이블, 워크 스토커, 지그 등으로 구성된다. 협동로봇에는 비전, 샘플 프로그램, 접속용 설정이 탑재된다.