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2024년 11월 11일
세계 각국에서는 탄소 중립의 일환으로 EV, PHEV 등 자동차의 전기화가 급속히 진행되고 있습니다 특히, 전동화 분야에서 배터리는 자동차 성능에 영향을 미치는 중요한 부품으로, 충전 횟수가 적고 항속거리가 길어지면서 고용량화 추세가 눈에 띈다 이에 따라 배터리의 무게가 증가하고, 이를 운반하기 위해 생산 과정에서 사용하는 장비도 대형화되어 에너지 소비가 증가하고 설치 공간도 늘어나게 되었습니다
이러한 문제를 해결하기 위해 당사는 중량물 운반용 로봇을 개발하고 있으며 ROBOT TECHNOLOGY JAPAN 2024(이하 RTJ2024로 약칭)에서 i3-메카트로닉스 개념을 기반으로 한 차세대 제조※1을 대표하는 메인 솔루션 '배터리 조립 및 운반 시연'을 소개했습니다
이 기사에서는 이번 운송 시연에 사용된 MOTOMAN-ME1000을 소개합니다 이는 중량물 운송에 특화되어 있으며 "에너지 절약", "경량" 및 "공간 절약" 기능을 갖추고 있습니다 MOTOMAN-ME1000은 업계 최초로 SCARA 구조의 무거운 중량(1톤 탑재량)을 운반할 수 있는 로봇으로, 타사보다 먼저 개발되었습니다
※1 우리의 목표는3-메카트로닉스 개념을 기반으로 한 차세대 제조란 무엇입니까
바카라 하는 곳3 No.8 i3-바카라 하는 곳chatronics를3-메카트로닉스를 활용한 스마트제조 실현 ~2023 국제로봇박람회 출품~''
배터리 용량이 증가함에 따라 EV 배터리의 무게는 500kg 이상으로 증가하고 있습니다 이에 따라 자동차 제조 공정에서는 배터리 제조 라인과 배터리 조립 라인에서 중량물을 이송하는 것이 필요하게 되었습니다 이 공정의 자동화 필요성이 높아지면서 가변적이고 가변적인 생산량을 처리할 수 있는 대형 로봇이 운송에 활용될 것으로 기대되며, 수직 다관절 대형 로봇이 상용화될 전망이다
그러나 대형 수직 관절형 로봇의 도입과 관련하여 다음과 같은 문제가 제기될 수 있습니다
수직 다관절 로봇은 운반되는 물체와 자신의 팔의 중력 부하 중 상당 부분을 모터 토크로 지탱해야 하며, 페이로드가 높을수록 더 많은 에너지가 소비됩니다
대형 로봇의 본체 질량이 크기 때문에 설치 중에 공장의 기둥과 바닥에 보강 작업이 필요할 수 있습니다
대형 수직 다관절 로봇을 설치할 때 설치 및 작동 공간 확보도 문제이며 경우에 따라 레이아웃 변경이 필요할 수 있습니다
이러한 문제를 해결하기 위해 우리는 에너지 절약형, 경량, 공간 절약형 SCARA 로봇 MOTOMAN-ME1000을 개발했습니다 다음편에서는 이 로봇의 특징을 소개하겠습니다
그림 1 MOTOMAN-ME1000의 외관
그림 1은 MOTOMAN-ME1000의 모습을 보여줍니다 다양한 작업을 처리하기 위해서는 로봇이 다관절로 이루어져야 하는데, 중량물용 대형 6축 수직 다관절 로봇은 단순 운반 작업에는 불필요하고 설치 및 작동에 많은 무게와 공간이 필요합니다 배터리 등의 운반은 주로 선형적인 움직임이 필요하며, 기본적으로 4축 로봇이 이를 처리할 수 있습니다 이로 인해 이 로봇의 기본 구조는 SCARA형으로 손 부분을 포함해 가반하중이 1톤에 이른다 이 로봇의 특징은 아래에 설명되어 있습니다
표 1 1000kg의 작업물 이송 시 전력 소비 비교
＊1: GP225 전력 소비를 100으로 설정했을 때의 비율
＊2: GP225가 여러 번 운송되었다고 가정
＊3: 지정된 작업 및 조건에 따른 참조 값
표 1은 탑재량 225kg의 수직 다관절 로봇과 MOTOMAN-ME1000을 사용하여 1000kg의 공작물을 운반할 때의 전력 소비를 비교한 것입니다 MOTOMAN-ME1000은 무거운 물건을 운반하기 위해 작은 모터 용량이 필요하며, 표 1과 같이 전력 소비를 약 26% 크게 줄일 수 있습니다 전기 요금 및 CO2배출량도 약 74% 감소하여 탄소 중립에 기여할 수 있습니다
SCARA형 로봇 자체는 컴팩트한 구조를 가지고 있으며, 동일한 페이로드 클래스의 수직 다관절 로봇에 비해 질량을 약 40% 줄일 수 있으며, 무게는 3250kg으로 가볍습니다 이는 설치 중 공장 빔과 바닥에 가해지는 하중을 줄여줍니다
SCARA형 로봇의 팔은 수평 회전축으로 인해 안정적인 수평 이동이 가능하여 매우 효율적인 수평 이동이 가능합니다 설치 공간은 09m x 11m로, 동일한 페이로드 클래스의 수직 다관절 로봇에 비해 약 40% 작습니다 또한, 암의 가동범위가 작기 때문에 선반 등 간섭을 피해야 하는 주변기기와의 근접유지가 가능합니다
이 ① ~ ③은 일반 스칼라 구조 외에 다음과 같은 바카라 양방 배팅적 특징을 가짐으로써 구현되었습니다
그림 2 MOTOMAN-ME1000의 축 구성
무거운 부품을 운반할 때 발생하는 작업물의 개체차와 운반 위치의 기울어짐에 대한 대처가 필요하지만, SCARA형 로봇은 일반적으로 수직, 수평 작동축만 있어서 기울기 보정이 불가능합니다 따라서 MOTOMAN-ME1000은 그림 2와 같이 4개의 기본축 외에 팔 끝부분의 손목 부분에 보정축을 장착하여 약 5도 각도의 보정이 가능하다 보정축은 공작물이나 손의 중력 모멘트를 받기 때문에 내장된 밸런서 메커니즘이 중력을 보정하여 구동 모터의 용량을 줄이고 에너지를 절약합니다
다단계로 배터리 쌓기, 프로세스 간 운반, AGV에 싣고 내리기, 차체 장착과 같은 응용 분야에는 무거운 물체를 크게 올리고 내리는 움직임이 필요합니다 MOTOMAN-ME1000은 가동부의 크기를 컴팩트하게 유지하면서 2m 스트로크를 유지하기 위해 암 끝부분에 상하 신축이 가능한 2단 수직축을 장착했습니다 그림 3은 작동 중인 2단 리프팅 메커니즘의 이미지를 보여줍니다 왼쪽 그림은 선단 워크와 수직축이 가장 낮은 위치, 워크 위치가 가장 낮은 0m일 때의 자세를 나타냅니다 중앙의 이미지는 팁 워크와 상하 샤프트가 중앙 위치에 있는 중간 위치를 보여줍니다 오른쪽 그림은 팁 가공물과 상하 샤프트가 모두 최고 위치로 이동한 자세를 보여줍니다 공작물은 2m의 가장 높은 위치에 있게 됩니다 이러한 기구를 가짐으로써, 높이 173m의 수직축부에서 2m의 팁 워크의 수직 스트로크를 확보할 수 있으며, 수직축부를 가장 낮은 위치에 컴팩트하게 수납할 수 있습니다
그림 3 2단 리프팅 메커니즘 수직 이동 이미지 다이어그램
그림 4 배터리 운송 데모
그림 4는 RTJ2024를 사용하여 수행된 배터리 이동 시연을 보여줍니다 MOTOMAN-ME1000은 이전 공정(모듈/커버 조립)에서 조립한 여러 종류의 배터리를 AMR로부터 공급받아 완제품 선반(작업대)에 보관합니다 소규모 생산라인에서도 중량물 운반 및 보관 자동화를 컴팩트하게 구축할 수 있음을 입증했습니다 많은 전력 소모가 예상되는 중량물 운반에 컴팩트하고 경제적인 시스템을 구축할 수 있습니다
대형 배터리는 적재 효율성을 높이기 위해 선반에 보관된 채 운송되는 경우가 많습니다 그림 5는 동급 최대 폭인 1700mm 폭의 배터리를 선반에 옮기기 위한 레이아웃 예를 보여준다
그림 5 선반으로 옮길 때의 레이아웃 예(측면에서 접근하는 예)
그림 6 차량에 설치된 레이아웃의 예(아래에서 접근하는 예)
자동차에 배터리를 장착하는 데에도 적용할 수 있습니다 그림 6은 해외 최대 승용차 중 하나의 차체에 아래에서 장착된 폭 1700mm 배터리의 레이아웃 예를 보여줍니다
각 목적에 따라 대상 장비에 가깝게 설치할 수 있어 컴팩트한 레이아웃이 가능합니다
그림 5와 6 모두 운반할 배터리가 오프셋되어 있다고 가정합니다 오프셋 그리핑(Offset Gripping)이란 운반하는 작업물(이 경우에는 배터리)의 무게 중심 위치를 말합니다
우리는 중량물 운송의 자동화 요구를 충족시키기 위한 솔루션으로 에너지 절약, 경량, 공간 절약, 경제성을 갖춘 가반하중 1t의 SCARA형 로봇인 MOTOMAN-ME1000을 새로 개발했습니다
MOTOMAN-ME1000은 EV 배터리 운반용으로 사용될 뿐만 아니라, 일반적인 중량물 운반용 솔루션으로도 사용될 수 있습니다 앞으로도 고객의 요구를 정확하게 파악하고, 로봇의 기능 향상, 응용 시스템 개선 등의 개발을 추진하여 문제 해결에 힘쓰겠습니다
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