| 기술 분야 | 로봇 기술, 생산 기술 |
| 기술적 키워드 | 생산성 향상, 에너지 절약, 소형화, 고품질, 자동화, 고속화, 고효율, 효율성, 공간 절약, 비용 절감, 환경 부하 감소, 유지 보수 개선, 로봇 |
2024년 12월 6일
2030년까지 지속 가능하고 더 나은 세상을 만들기 위한 국제 목표인 SDGs를 달성하기 위해서는 제조업 역시 에너지 절약과 탄소 중립을 위한 조치를 취해야 하며, 공장의 에너지 소비를 줄이는 것은 반드시 달성해야 할 중요한 항목입니다
제조 공장에서 "도장 공정"은 가장 많은 에너지를 소비하는 공정 중 하나이며, 도장 부스는 그 에너지 소비의 80%를 차지합니다 특히, 자동차 부품 등 높은 디자인 수준이 요구되는 크고 복잡한 형상의 수지 부품의 도장 공정에서는 고품질 확보를 위해 '추가 도장'과 '불량품 재도장'이 불가피합니다 이는 도장 부스의 공조를 위한 에너지 소비를 증가시키며, 공장 전체의 에너지 소비를 증가시키는 요인이 됩니다 이 때문에 도장 공정에서는 1회 도장으로 얻을 수 있는 고품질 도장과 더불어 도장 부스의 소형화, 도장 시간의 단축이 요구됩니다
이러한 문제를 해결하기 위해 당사는 그림 1과 같은 독특한 코팅 시스템을 제안했습니다 2장에서는 기존 연속 컨베이어 시스템에서 바카라 온라인의 독창적인 셀 생산 시스템으로 변경하여 도장 부스 크기를 줄이고 에너지 소비를 줄이고 도장 효율성과 품질을 향상시키는 방법에 대해 설명합니다 자세한 내용은 2023년 10월 발행된 기술 보고서를 참조하세요※1를 살펴보시기 바랍니다
이번 3장에서는 이 개념의 효과를 더욱 강화하는 "협동 페인팅"을 소개합니다 "콜라보레이션 페인팅"은 당사가 개발한 기술로, 탄소중립 실현에 기여하고 생산성을 더욱 향상시킬 것입니다
그림 1 우리의 독특한 코팅 시스템 제안
※1 공개된 기술보고서가 무엇인가요?
기술보고서 2023 No7
"전체 도장 공정에서 에너지 절약 및 생산 시간 단축에 기여하는 도장 시스템 - 도장용 작업 공급 장치 및 포지셔너인 MOTOFEEDER TILT 개발"
저희 회사는 1980년대부터 도장 로봇을 제조, 판매해 왔으며 도장 공정 전체의 에너지 소비 절감 문제를 해결하기 위해 공작물 공급 및 이송 장치와 포지셔너(제품명: MOTOFEEDER TILT)를 개발하여 2020년에 출시하였습니다
그림 2는 MOTOFEEDER TILT를 사용하는 시스템의 예를 보여줍니다 기존의 연속 컨베이어 이송 시스템에 비해 부스 크기와 택트 타임을 줄여 에너지를 대폭 절감하고, 작업물 자세 제어를 통해 고품질 도장을 실현합니다
또한 그림 3과 같이 MOTOFEEDER TILT에 도장 로봇(도장 건을 움직이는 로봇)을 장착하고 도장 로봇의 컨트롤러에 의해 작동되는 회전, 틸팅, 회전축이 작업물의 로딩 및 언로드와 페인팅 중 작업물의 자세를 제어하면 부스 면적을 더욱 줄이고 에너지 소비를 줄일 수 있습니다
이러한 제안을 통해 우리는 다음 개념을 기반으로 문제를 해결하는 것을 목표로 합니다
그림 2 MOTOFEEDER TILT를 이용한 셀 페인팅 시스템의 예
그림 3 도장 로봇이 장착된 MOTOFEEDER TILT
가공물의 각도를 입체적으로 변화시킴으로써 최적의 도장자세를 얻을 수 있으며, 중력방향으로 불어넣음으로써 균일한 코팅면 및 코팅효율을 향상시킬 수 있습니다
운송 중 공작물 자세의 자유도를 높이고, 간섭 회피 영역 등 도장 이외의 목적으로 필요한 영역을 줄이며, 막대한 양의 공조 에너지를 절감합니다
작업물 자세 제어로 에어 컷(위치 변경) 시간이 단축되어 기존 도장 방식(컨베이어 방식)에 비해 부스 사용 시간이 단축됩니다 또한, 고품질, 고효율 도장을 실현하여 불량품 수를 줄이고 재도장 시간을 단축합니다
시뮬레이션과 실제 기계 간의 오차를 줄임으로써 위치 수정 작업을 대폭 줄이고 장비 시동 및 조정 시간을 단축할 수 있습니다 또한, 고정된 방향(중력방향)으로 도포함으로써 부스 벽면 및 로봇에 묻은 먼지를 줄여 청소시간을 단축할 수 있습니다
그림 4는 공작물 측 자세 제어를 가능하게 하는 "MOTOFEEDER TILT 개념"을 구현하는 셀 코팅 시스템의 예를 보여줍니다
그림 4 자세 제어를 이용한 세포 페인팅 시스템의 예
그림 4(a)는 MOTOFEEDER TILT를 이용한 공작물 자세 제어 방법을 보여줍니다 도장시 공작물을 이송하므로 Loss Time이 거의 없습니다 그러나 MOTOFEEDER TILT의 장비 구성이 늘어납니다
그림 4(b)는 MOTOFEEDER TILT를 사용하지 않고 이송 로봇(작업물을 이동시키는 로봇)으로 도장 개념을 구현하는 자세 제어 방법을 보여줍니다 이송로봇에 의해 자세제어가 되기 때문에 ①보다 자세제어가 수월하지만, 작품이송되는 동안에는 도장을 할 수 없게 되므로 ①보다 로스타임이 길어진다
자세한 내용은 사용 가능한 기술 보고서를 참조하세요※1를 참조하세요
페인트를 원자화하고 스프레이하는 페인팅 기계(페인팅 건)를 사용하는 페인팅 시스템에는 다음과 같은 몇 가지 문제가 있으며 이는 기존 페인팅 로봇으로는 해결할 수 없습니다
① 코팅 건의 작동 속도에 반비례하여 코팅 품질 및 코팅 효율이 감소합니다
②코팅방향과 코팅거리에 따라 영향을 받는 코팅품질과 코팅효율
이러한 문제를 해결하려면 코팅 방향이 중력 방향이 되고 공작물의 코팅 표면에 수직이 되도록 자세를 제어해야 하며, 코팅 건의 이동 속도를 늦추면서 전체 생산 택트 타임을 늘리는 모순적인 문제를 해결해야 합니다
그림 5 협력 도장 작업 이미지
우리는 위의 문제를 해결하는 방법으로 "협동 페인팅"을 제안합니다
그림 5에서 볼 수 있듯이 "협동 페인팅"은 페인팅 로봇의 움직임에 반대 방향으로 작업물을 이동시켜 페인팅 건과 작업물 사이의 상대 속도와 코팅 궤적을 유지하면서 페인팅하는 우리의 독특한 제어 방법입니다
그림 6은 협동 페인팅을 위한 두 가지 제어 방법을 보여줍니다 그림 6(a)는 도장건의 속도를 절반으로 줄여 기류 난류를 줄이고, 작업물을 도장건 반대 방향으로 이동시켜 도장건과 작업물 사이의 상대 속도를 유지함으로써 택트타임의 변화 없이 도장품질을 향상시키는 방법을 보여준다 또한, 그림 6(b)는 도장건의 속도는 동일하되, 모순된 움직임을 갖는 공작물도 동일한 속도로 설정하는 방법을 보여주며, 도장건과 공작물의 예상 속도를 증가시켜 품질 변화 없이 전체 생산의 택트타임을 늘릴 수 있다
이때 중요한 것은 중력방향으로 페인트를 뿌리는 것입니다
그림 6 협력 코팅 중 건 속도 및 코팅 효율
또한 로봇에는 상대 좌표계(특정 좌표계 원점에서 임의의 XYZ 방향으로 구성된 좌표계)로 변환하는 기능이 있으므로 페인팅 작업은 페인팅 로봇과 이송 로봇의 공통 좌표계 내에서 생성될 수 있으며 로봇을 보정하면 둘 다 공통 좌표계를 사용하여 작동할 수 있습니다 결과적으로 로봇 설치에 어긋남이 발생하더라도 별도의 수정 없이 동일한 명령, 동일한 궤적을 적용할 수 있어 생산 준비 시간을 대폭 단축할 수 있다
이 "협동 그림"은 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다
협동 페인팅은 표면에 수직이고 중력 방향으로 페인팅할 수 있기 때문에 페인팅 품질을 향상시킵니다 또한, 고정된 방향으로 도포되기 때문에 페인트 미스트와 얼룩의 확산을 줄여줍니다 또한, 이송 로봇과 도장 로봇이 좌표계를 공유하고 있기 때문에 도장건과 공작물의 위치 관계의 재현성이 향상되어 도장 품질이 안정됩니다 정전도장에서는 이러한 위치정밀도 향상으로 근접벨의 능력이 극대화되어 균일한 두께로 도장이 가능하며, 매끄러운 도장을 통해 도료의 색상과 질감이 향상됩니다
그림 7 패스 피치 비교
그림 8 가감속 시간과 택트타임 비교
협동 도장에서는 (상대 속도를 유지하면서) 페인트 건의 지상 속도를 줄임으로써 페인트 도막 두께가 더 넓고 매끄러워지고(그림 7(b)) 코팅 효율이 향상되므로 그림 7(a)와 같이 패스 피치를 확장할 수 있습니다 또한, 그림 8과 같이 지정 속도에 도달하기까지의 가감속 시간이 절반으로 단축(상대 속도 제어의 절반 속도로 가속하면 충분), 그림 9와 같이 오버 스프레이가 감소됩니다 위와 같은 특징을 통해 도장 공정의 택트 타임을 단축하고 도료 소비(운영 비용)를 줄일 수 있습니다
그림 9 오버스프레이 비교
그림 10 손목 움직임과 페인팅 영역 비교
도장 로봇과 이송 로봇은 동일한 좌표계를 공유하기 때문에 실제 라인 설치 등에 오류가 있어도 도장 궤적을 일치시킬 수 있습니다 이는 품질을 향상시키고 작업량을 크게 줄일 뿐만 아니라 위치 수정 등 조정 작업을 없애 생산 준비 시간을 크게 단축합니다
또한 공동 도장은 작업물의 자세를 제어하기 때문에 그림 10과 같이 기존 도장 방법에 비해 로봇의 손목 움직임이 절반으로 줄어들고 도료가 도포되는 영역이 좁아져 유지 관리 공수를 줄일 수 있습니다 또한 도장 장비 호스, 광섬유 케이블, 저압 케이블 등의 수명을 연장할 수 있으며 유지 관리 비용을 절감할 수 있습니다
페인트 건의 속도가 약 800mm/s를 초과하면 페인트 품질이 저하됩니다 협력 도장의 유효성을 검증하기 위해 상대속도 1200 mm/s 조건에서 도장 품질이 저하되는 두 가지 패턴을 검증하였다 동일한 형상의 공작물을 페인팅하고 동일한 위치의 공작물에 도포된 페인트의 도막 두께를 측정했습니다(그림 11(a))
●도장 조건: 상대 속도 1200mm/s, 1왕복 운동, 일정한 도료 토출량
●확인 패턴
① 공작물 + 도장 상호작용(협력 도장) : 도장면 800mm/s, 공작물면 400mm/s
② 도장면에서만 작동하고 공작물을 고정합니다(기존 도장): 도장면 1200mm/s, 공작물면 0mm/s
그림 11(b)는 필름 두께 측정 결과를 보여줍니다 기존 코팅(②)과 비교하여 협동 코팅(①)은 도막 두께를 증가시켜 협동 코팅이 코팅 효율을 향상시키는 것을 나타냅니다 이번 검증을 통해 기존에는 불가능했던 상대속도 1200mm/s에서도 코팅 두께를 균일하게 향상시킬 수 있으며, 현재 많이 이뤄지고 있는 단일 로봇에 의한 도장에 비해 택트타임(takt time)을 단축할 수 있다는 사실이 확인됐다
기존 코팅 속도의 한계를 뛰어넘는 속도로 코팅을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 기류 난류를 억제하여 코팅 효율성, 품질 및 택트 타임을 향상시킵니다
그림 11 동일한 조건에서의 필름 두께 측정 결과
이런 식으로 도장 건과 작업물의 움직임을 강조하는 '협동 도장''은 공장에서 가장 많은 에너지를 소비하는 공정 중 하나인 '도장 공정'에서 상당한 에너지 절약과 고품질 도장을 달성할 수 있습니다
당사에서 개발한 여러 로봇을 활용한 협업 도장 시스템은 MOTOFEEDER TILT 개념의 효율성을 더욱 높여 높은 수준의 디자인이 필요한 도장 공정에서도 고품질 도장을 실현하고 택트 타임을 단축하며 도장 부스 크기를 줄입니다 이는 탄소 중립을 달성하기 위한 노력의 주요 이슈인 도장 공정의 에너지 소비를 줄이는 데 크게 기여할 것입니다
현재 우리는 "협동 페인팅"을 지원할 수 있는 새로운 MOTOFEEDER TILT를 개발 중이며 코팅 시스템 라인업을 더욱 풍부하게 할 것입니다
코팅 품질 향상, 생산 택타임 단축 등 고객 요구에 맞는 시스템을 제안하여 탄소 중립 실현에 지속적으로 기여하겠습니다
