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| 기술 분야 | 로봇 기술 |
| 기술 키워드 | 자동차, 자동화, 에너지 절약, 고품질화, 고효율화, 비용 절감, 생산성 향상, 로봇 |
2023년 10월 3일
그림 1 MOTOFEEDER TILT
그림 2 도장 로봇을 탑재한 MOTOFEEDER TILT
SDGs 달성을 위해 제조업에서도 에너지 절약과 탄소 중립에 대한 노력이 요구되고 있습니다.
자동차 공장에서는 일반적으로 '도장 공정'이 가장 에너지 소비가 크고, 주요 요인은 도장 부스의 에어컨 에너지 소비입니다. 그 때문에, 도장 부스의 축소화, 도장 시간의 단축화가 요구되고 있습니다. 그 중에서도 높은 의장성이 요구되는 자동차 범퍼 등의 수지 부품은 대형이고 다면적인 형상이 되어, 이러한 부품의 도장은 로봇 단체만으로는 어렵고, 사람에 의한 추가 도장을 위해 도장 부스의 에리어 확대가 필요하게 되거나, 불량품의 재도장으로, 부스 가동 시간의 장시간화가 되는 것이 요인 에너지
당사는 1980년대부터 도장 로봇의 제조·판매를 실시해, 도장 공정의 에너지 절약화 실현을 위해 워크 반송 장치 겸 포지셔너(제품명: MOTOFEEDER TILT, 그림 1)를 개발해 2020년에 시장 투입했습니다. 본 제품은 그림 2와 같이 도장 로봇을 탑재하여 사용하여 도장 로봇의 컨트롤러로 동작하는 선회·경동·회전축으로 워크의 반출입과 도장시의 워크 자세를 제어합니다. 그림 3에 나타낸 바와 같이, 경동·회전축 동작에 의해 로봇이 도장하기 쉬운 자세에 워크를 위치결정함으로써 다양한 효과를 가져, 도장 공정의 에너지 절약을 실현함과 동시에, 불량품의 감소를 기대할 수 있습니다.
그림 3 MOTOFEEDER TILT의 동작 축
그림 4 기존 방식과 MOTOFEEDER TILT
사용한 셀 방식의 도장 라인
그림 5 경동·회전축을 이용한 워크 반송
페인트 부스 축소는 에어컨 비용 절감에 큰 영향을 미칠 것으로 예상됩니다. MOTOFEEDER TILT의 도장 방식은 기존의 컨베이어를 이용한 도장 방식과 비교하여 도장 부스 면적을 축소할 수 있습니다. 기존 방식과 MOTOFEEDER TILT 방식의 도장 부스 사이즈를 그림 4에 나타냅니다.
종래의 도장 공정은 공작물을 컨베이어로 운반하고 로봇으로 도장하는 연속 컨베이어 이송 방식이었습니다. 이 경우, 워크가 고정되어 있기 때문에, 모든 도장면에 도달할 수 있도록 복수의 대형 도장 로봇으로 도장이 행해지고 있습니다. 또, 도장중에 워크가 이동하는 거리를 확보하거나, 인접하는 워크에의 도료 부착을 피하거나 하는 것이 필요하므로, 부스 에리어를 크게 잡아야 합니다.
MOTOFEEDER TILT에 의한 셀 생산의 경우, 도장측에는 항상 워크가 하나가 되어 도장되어 있지 않은 워크에의 도료 부착을 신경쓸 필요가 없기 때문에, 인접하는 로봇의 간격을 좁게 할 수 있습니다. 또, 워크의 자세를 경동·회전축으로 제어하므로, 종래와 같은 워크를 중형 도장 로봇으로 도장할 수 있고, 워크 교체 시에는 경동축을 이용하여 워크를 안쪽으로 경사시키면서 선회시킴으로써 부스의 대폭적인 축소를 실현합니다.
그림 5와 같이 페인트 로봇을 본체 상단에 장착하면 로봇 수를 줄여 부스 영역을 줄일 수 있습니다.
일례로 두 가지 방식으로 동일한 워크를 동일한 조건(동일한 속도, 궤적)으로 도장을 하여 필요한 부스 면적을 비교한 것을 그림 6에 나타냅니다. MOTOFEEDER TILT를 사용하면 공조 에너지에 직결되는 부스 면적의 축소(약 35%)가 가능합니다.
또한 일정한 방향으로 도포하게 되므로, 도료 미스트 억제 효과에 의해 다운플로우 풍속을 낮출 수 있어, 추가적인 공조비용 절감에도 이어집니다.
그림 6 공정당 부스 면적 비교
종래의 연속 컨베이어 반송 방식에서는 워크측의 자세는 고정이기 때문에, 자동차 범퍼나 그릴 등의 대형 외장 부품은 모든 도장면에 도달할 수 있도록 복수의 대형 도장 로봇으로 도장이 행해지고 있습니다.
그림 7은 MOTOFEEDER TILT의 상단에 탑재된 로봇에 의한 도장의 모습을 보여줍니다. MOTOFEEDER TILT에서는, 워크측의 자세를 당사 독자적인 로봇 제어 기술에 의해 경동 방향·회전 방향으로 제어할 수 있기 때문에, 긴 리치의 대형 도장 로봇이나 복수대의 도장 로봇이 필요 없게 되어, 중소형 도장 로봇 1대에서도 대형 부품의 도장이 가능하게 되어, 로봇의 사이즈 다운이나 대수 삭감을 할 수 있어 소비 전력을 삭감할 수 있습니다.
그림 7 MOTOFEEDER TILT의 상부에 탑재된 로봇에 의한 도장
MOTOFEEDER TILT를 사용하는 경우, 경동·회전축에 의해 워크의 도장면을 항상 로봇 정면에 배치할 수 있어 도포 방향이 항상 일정하게 되어, 아래로부터의 부상이나 로봇 자신을 향한 도장이 없어집니다. 이것에 의해 부스 내에 퇴적한 도료가 벗겨져 워크에 부착하는 등 불량품 발생의 리스크의 저감이나 청소 작업 시간의 단축으로 연결되어, 생산 준비에 걸리는 부스 가동이나 인건비 등 비용 절감을 실현할 수 있습니다.
도장으로 인한 먼지를 줄이는 설치 예가 그림 8에 나와 있습니다. 도포 방향이 일정하기 때문에, 항상 배기 덕트의 흡기구를 향해 도장을 실시할 수 있어 로봇 자신이나 부스내에의 도료의 부착을 방지합니다.
그림 8 도장에 의한 얼룩을 삭감하는 설치 예
경동축, 회전축에 의해 워크의 자세를 제어하면서 도장을 실시함으로써, 도장 로봇 단체에서는 도달하기 어려운 부위에도 도장면에 면직하고 세밀하게 도포할 수 있어 품질이 향상됩니다. 기존의 워크가 고정된 상태에서의 도장 자세를 그림 9에 나타냅니다. 로봇 암의 동작만으로는 워크에 대해 면직 자세를 취할 수 없기 때문에, 도료의 도달하기 어려운 부위에는 다량으로 분사하는 것으로 대응합니다. 이에 대해 그림 10에서 보듯이 MOTOFEEDER TILT의 회전·경동축을 이용한 도장에서는 워크에 대해 면직 자세를 취함으로써 도장 불균일, 도료의 과잉 퇴적이 감소하고, 보정 도장, 재도장 작업 시간이 감소합니다. 이는 인원, 장비, 지역(특히 에어컨)에 드는 비용을 줄일 수 있습니다.
그림 9 공작물이 고정된 상태에서의 도장 자세
(종래의 연속 컨베이어 이송 방식)
그림 10 회전·경동축을 이용한 도장 자세
(MOTOFEEDER TILT를 이용한 방식)
또한 MOTOFEEDER TILT를 사용하는 방식은 로봇과 각 장비의 설치 오차로 인한 페인트 품질에 미치는 영향을 줄일 수 있습니다. 종래의 연속 컨베이어 반송 방식과 MOTOFEEDER TILT를 이용한 방식 각각에 의한 설치시의 로봇과 워크의 위치 관계를 그림 11, 그림 12에 나타냅니다. 종래 방식에서는 로봇이나 각 기기를 개별적으로 플로어에 설치하기 때문에 설치 오차가 로봇과 워크의 상대 위치의 오차로 이어져 도장의 품질에 영향을 줍니다. MOTOFEEDER TILT를 이용한 방식에서는 MOTOFEEDER TILT에 로봇과 워크를 탑재하고, 로봇과 워크의 위치 관계에 정밀도를 부여하고 있기 때문에, 양쪽의 위치 관계는 일정하게 됩니다. 따라서 시뮬레이션과 실제 기계의 정밀도를 확보하고 동작 공유를 가능하게 하여 품질 확인 공수를 줄일 수 있습니다. 이 효과에 의해 MOTOFEEDER TILT는 설치 오차를 신경 쓸 필요가 없어지므로, 예를 들면, 숙련된 도장 기술자가 없는 해외 거점에도 국내 거점에서 품질 내보낸 동작 데이터를 공유하는 것으로 현지의 기동 시간을 단축할 수 있습니다.
그림 11 종래의 연속 컨베이어 반송 방식에서
로봇과 공작물의 위치 관계
그림 12 MOTOFEEDER TILT를 이용한 방식
로봇과 공작물의 위치 관계
연속 컨베이어 이송 방식의 경우, 로봇이 도장 가능한 동작 범위에 공작물이 들어가기까지의 대기 시간이나 로봇의 자세나 공작물과의 간섭 등으로 도장할 수 없기 때문에 대기 시간이 발생합니다.
MOTOFEEDER TILT의 2개의 암을 이용한 도장과 워크의 반입출을 그림 13에 나타냅니다. MOTOFEEDER TILT의 한쪽의 암에 얹은 워크를 도장중에, 반대측의 암에 워크의 반입출이 가능하고, 워크를 안쪽으로 경동시켜 대회전을 하는 것으로 워크의 탈락을 막으면서 선회 속도를 올릴 수 있으므로, 워크가 들어갈 때까지의 대기 시간을 단축할 수 있습니다. 워크 자세를 제어할 수 있기 때문에 워크와의 간섭에 의한 대기 시간 없이 도장할 수 있어 이러한 효과로 생산 시간을 단축할 수 있습니다.
그림 13 2개의 암을 이용한 도장 및 워크 반입/출출
또한 연속 컨베이어 반송 방식의 경우, 컨베이어 생산의 특성상, 반송되는 워크의 위치, 반송 속도에 따라서는 간섭이나 특이점(로봇이 제어상 동작 자세를 취할 수 없는 자세) 등의 제한에 의해, 도분을 필요로 하는 경우가 있습니다만, MOTOFEEDER TILT를 이용한 방식에서는 이러한 제한은 없기 때문에, 도분 불필요한 1패스에 의한 도장을 할 수 있어, 칠 불균일이 없는 균일한 막 두께를 실현할 수 있습니다.
컨베이어 생산에 도장이 필요한 예가 그림 14에 나와 있습니다. 워크가 고정된 상태에서는 워크의 면과 면 사이에 로봇 동작 자세의 특이점이 생기기 때문에 면마다(파란색 화살표와 빨간색 화살표)로 칠할 필요가 있습니다. MOTOFEEDER TILT를 이용한 1패스 도장의 예를 그림 15에 나타냅니다. MOTOFEEDER TILT로 워크의 자세를 바꾸기 위해 로봇 동작 자세의 제한은 없어져, 복수의 면을 연속 동작으로 도장하는 것이 가능해집니다.
그림 14 컨베이어 생산에 도포를 필요로 하는 예
(기존의 연속 컨베이어 이송 방식)
그림 15 도색 불필요한 1패스 도장
(MOTOFEEDER TILT를 이용한 방식)
종래의 연속 컨베이어 반송을 이용한 생산 시스템과 이번에 제안하는 MOTOFEEDER TILT를 이용한 생산 시스템을 자동차 수지 부품에 채용한 레이아웃 예(중칠, 상도 1, 상도 2, 클리어의 4 공정)를 그림 16, 도 17에 나타냅니다. 또한, 각각의 시스템에 있어서의 에너지 사용량을 시산한 결과를 표 1에 나타냅니다.
그림 16 연속 컨베이어 이송을 이용한 생산 시스템(종래)
그림 17 MOTOFEEDER TILT를 이용한 생산 시스템
표 1 기존 시스템과 제안 시스템 간의 비교
| 항목 | 기존 시스템 | 제안 시스템 | 전통과의 비교 | |
|---|---|---|---|---|
| 100개 생산 시간 | 8350s | 6120s | 26% 단축 | |
| (색상 변경은 10개당 1회) | ||||
| 1개 생산 시간(색상 변경) | 83.5초 | 72.0s | 13.5초 단축 | |
| (도장+반송+색 변경) | ||||
| 1개 생산 시간(색상 변경 없음) | 83.5초 | 60.0s | 23.5초 단축 | |
| (도장+반송) | ||||
| 워크 반입/출력 시간 | 15.0s | 3.5초 | 11.5초 단축 | |
| 부스 면적 | 90.3m2 | 73.3m2 | 18.8% 감소 | |
| 부스 풍속 | 0.6m/s | 0.45m/s | 25% 감소 | |
| 부스 내 급기 풍량 | 3251m3/min | 1980m3/min | 39% 감소 | |
| 100개 생산 시 소비 전력량 | 1108kWh | 522kWh | 52% 감소 | |
생산 방식 변경으로 인해 '부스 축소'와 '생산 시간 단축', '공조 풍속 완화'를 통해 부스 내로의 급기 풍량을 줄일 수 있습니다. 이 효과에 의해 소비 전력량은 종래 시스템의 1108kWh에 대해, 본 시스템에서는 522kWh로 할 수 있어 종래 대비 52% 삭감이라고 하는 대폭적인 에너지 삭감 효과가 있습니다.
실제로는 본 시산에 덧붙여 부스 축소에 의한 이니셜 코스트의 저감이나, 셀 도장에 의해 최적 궤적을 사용할 수 있는 것에 의한 생산 및 생산 준비 시간의 단축, 변종 변량 생산에서는 연속 컨베이어와 달리 생산에 필요가 없는 부스의 가동을 정지하는 것에 의한 소비 전력의 삭감 등 토탈 코스트로서는 한층 더 삭감
본 제품을 사용하여 도장 효율을 향상시킬 수 있습니다. 전폭 1800mm 이상 있는 자동차용 수지 범퍼를 MOTOFEEDER TILT의 워크 탑재 위치에 장착, 당사 중형 도장 로봇(MPX2600)으로 도장하고 있는 화상을 그림 18, 그림 19에 나타냅니다(워크부는 화상 처리를 실시하고 있습니다). 상기와 같이 범퍼와 같은 대형이고 다면적인 형상을 가진 부품도 워크 자세를 제어하면서 도장할 수 있기 때문에 항상 도포면에 면직하고 중력 방향으로 도장할 수 있어 통상 30~40%의 도착 효율인 에어 스프레이를 이용하여 60%를 넘는 도착 효율을 실현할 수 있었습니다. 도장 효율의 향상은 최근 가격 상승하고 있는 도료 소비의 억제를 실현해, 미도착의 도료 회수라고 하는 메인터넌스 빈도에도 영향을 주기 때문에, 코스트 삭감, 에너지 절약화에 공헌합니다.
그림 18 실시예: 자동차용 범퍼(전면부)의 도장
그림 19 실시예: 자동차용 범퍼(측면부)의 도장
MOTOFEEDER TILT는 도장 부스를 줄이고 도장 시간을 줄여 생산 시 소비 전력을 줄이는 데 크게 기여할 수 있습니다. 이것이 평가되어 「영화 4년도 제42회 우수 에너지 절약 탈탄소 기기·시스템 표창」에서 「일본 기계 공업 연합회 회장상」을 수상하고 있습니다. 앞으로도 사회 전체가 목표로 하고 있는 탄소 중립 실현을 향해, 에너지 절약화를 실현하는 제조를 계속해 나갈 것입니다. 앞으로도 바카라 사이트가 생산하는 제품에 주목하십시오.
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