‘용접로봇=자동차산업’이라는 등식이 적용될 정도로 자동차산업의 시작과 함께 그 발전을 함께 해온 용접로봇. 이처럼 국내 자동차산업 발전의 1등 공신이라 할 수 있는 용접로봇이 관련 산업에 대한 투자가 주춤해짐과 함께 새로운 시장을 찾게 되어 지금은 건축철골, 교량, 건설기계, 금속가공기계, 철도차량, 산업차량 등의 후판분야 등 다양한 곳에서의 활약을 시작했다.
본 내용에서는 용접로봇의 특징 및 다양한 활용, 그리고 국내외 시장에 대해 살펴보도록 하겠다.
<편집자 주>
자동차산업 발전의 1등 공신 ‘용접로봇’
·용접로봇, 어떻게 선택할까
용접로봇은 말 그대로 용접작업을 위해 만들어진 로봇으로 자동차 양산라인에서 용접의 속도와 정확도, 제품의 품질유지를 위해 사용되기 시작했다.
주로 6축 수직다관절 형태로 이루어져 있으며 스폿용접용과 아크용접용 등을 통해 용접용 소프트웨어를 적용하는 용접전문 로봇이 있을 정도로 시장의 수요가 높은 편이지만, 범용로봇으로도 대응이 가능하다.
따라서 용접로봇을 선정하기 위해서는 사용자가 요구하는 작업에 적절한 성능과 그에 따른 타당한 가격, 설치 후 유지비 정도, 로봇자체의 내구성 정도를 파악해야 한다.
용접별로 구분하면 아크용접의 경우에는 박판용접인지, 후판용접인지를 고려해 용접기를 선정해야 하고, 적용가스 및 제품형상, 용접 속도 그리고 로봇의 동작범위 등 따져봐야 하며, 서보토치인지, 일반토치인지를 기능으로 구분할 필요가 있다.
또한 스폿용접의 경우에는 용접건의 크기 및 무게, 그리고 로봇의 동작범위 등의 검토가 필요하다.
이외에도 제조회사의 신뢰도는 물론, 설치 후 만일의 사태에 대비해 제품보증 기간, AS 현황, 회사의 기술력 등을 고려해야 한다.
<표1> 고능률 로봇 용접방법의 특징
·용접로봇, 투자대비 높은 생산성이 매력
- 용접능률의 향상에 의한 택 타임 단축과 로봇대수감소에 의한 설비금액 삭감에 의해 투자효과를 높인다.
- 로봇적용률을 100%에 달하도록 하여 공간절감을 도모한다.
- 오프라인 교시 시스템을 이용해 사전에 교시를 실시해 설비교환 후 단시간에 생산성을 올린다.
- 야간운전이나 자동반송 장치 등에 의해 로봇을 풀로 활용할 수 있도록 한다.
용접능률 향상기술과 ‘용접로봇’과의 만남
·용접능률 향상을 위한 기술
용접속도의 향상 혹은 용착속도의 향상은 후판 구조부재의 용접과 생산성의 향상에 직결되며, 단납기 대응에도 유효한 수단이 된다.
또, 시스템 당 생산량의 증가는 도입하는 라인감소와 공장스페이스의 절감에 기여해 투자 효과를 높이기도 한다.
이러한 효과를 위해 <표 １>에 나타내는 고능률 로봇용접 방법들이 개발되어 실용화되고 있다.
① 고용착 용접
고용착 용접 방법은 종래 Ø1.2mm의 와이어의 경우 약 300A로, Ø1.6mm의 경우 약 380A로 용접하고 있던 것을, Ø1.2mm 와이어를 이용해 400~450A로 용접하는 방법으로 세경와이어를 사용해 대전류로 용접하는 것이다.
이는 속도를 약 1.5배에 향상시키고 있다.
② 더블 와이어 용접
더블 와이어 용접법은 2개의 와이어를 이용해 선행극에 대전류의 아크를 발생시키고, 후행극에는 선행극의 용융지안에 필러 와이어를 삽입하는 방법으로, 가열전류를 흘러 용해 속도를 증가시키기 위해 노력하고 있다.
이 방법은 고용착 용접의 1.5배 정도까지 용접성능을 향상시킬 수 있지만, 대전류임에도 불구하고 용착발생이 어렵다는 특징이 있다.
③ 탠덤 아크 용접
탠덤 아크 용접법은 선행과 후행 전극에 각각 독립하여 전류를 흘려, 아크를 발생시키는 용접 방법이다.
내장하는 토치를 사용하는 것으로 로봇에게 탑재할 수 있도록 하는 이 방법은 용착속도가 전술의 고용착 용접의 2배, 기존 방법에 비하면 3~4배 향상시키므로 매우 능률적이라 할 수 있다.
그러나 양극의 아크간섭이 있어 스팩터의 증가를 회피하는 용접조건의 선택에 주의가 필요하다는 단점이 있다.
일반적으로 후판 용접에서는 고가의 포지셔너(positioner)나 로봇이 이용하므로 시스템의 설비금액이 비싸지지만, 탠덤 용접법을 사용하면 설비가 반으로 끝나 투자효과는 높은 편이다.
④ 철골주대조립 2아크 용접
철골주대조립을 위한 2아크 용접법은 1대의 포지셔너와 철골기둥을 회전시키면서, 2대의 로봇으로 동시에 용접하는 방법이며, 로봇사이의 속도 동기 방법과 용접시공사기술방법의 개발에 의해 개선 폭이 다른 2개의 이음새를 동시에 용접한다.
이 방법은, 택 타임을 낮출 수 있어 단납기 수주생산의 큰 무기가 된다.
·로봇적용률과 품질 향상
용접로봇 적용률과 품질향상은 수동 용접작업에 비해 포지셔닝 장치의 설비비용 삭감과 공간 활용에 유리하다는 장점으로 용접로봇 시장을 넓혀왔다.
① 툴 체인지
여러 종류의 용접토치를 자동 교환하는 장치를 ‘툴 체인저’라고 하는데, 이 장치를 이용해 적용에 맞은 토치로 교환해 복잡한 형상을 가지는 워크의 용접적용률을 향상시키고 있다.
② 레이저 센서
절단 정도, 휨 정도, 첨부정도 등의 오차로 개선에 틈이 생겨 용접결함이 생길 수 있기에 이를 대비하기 위해 레이저 센서를 이용하고 있다.
③ 로봇·포지셔너의 협조제어
로봇·포지셔너의 협조제어는 곡선부와 직선부 모두의 이음새를 하향자세를 유지하면서 용접할 수 있어 비드형상 및 용입의 신뢰성을 현격히 향상시켰다.
이 같은 협조시스템을 윙해서 포지셔너는 대형 워크를 고속으로 회전시킬 필요가 있어 제어성능 향상과 대용량 서보모터를 이용하고 있다.
교시작업 능률화 및 주변기기 발전… 용접로봇 발전도 가져와
·교시작업의 능률화
로봇을 사용하는데 있어서 교시작업은 필수이지만, 이 작업의 능률화가 없으면 소량다품종인 대형구조물의 용접로봇은 현재와 같이 보급되지 못했다고 해도 과언이 아니다.
이 교시작업의 능률화에 가장 큰 공헌을 한 것은 ‘오프라인 교시시스템’이다.
① 건축철골의 오프라인 자동교시 시스템
건축철골은 각 대상마다 다른 설계이기 때문에 현물 그리고 교시작업을 하는데 있어서 교시시간 비율이 높아 로봇도입 효과를 얻을 수 있다.
특히, 철골구조물은 판 두께나 사이즈는 다르지만 상사형을 하고 있어 치수입력만으로 로봇의 궤적이나 용접조건을 작성하는 자동프로그래밍이 가능하고, 능률적이다.
② 교량의 오프라인 자동교시 시스템
교량구조물도 철골과 같이 대상마다 설계가 다르다.
교량의 자동프로그래밍은 설계 시에 얻을 수 있던 CAD 데이터로부터 용접선을 추출해 로봇의 궤적을 자동적으로 작성하는 소프트웨어로 행해진다.
③ 금속가공기계의 오프라인 교시 시스템
대형프레스 기계 등의 금속가공기계 프레임은 소량다품종이다.
이 때문에 교시작업의 능률화는 중요하고 앞의 철골이나 교량과 달리 막혀있는 형상의 워크이기 때문에 자동프로그래밍 소프트웨어 개발이 어려운 편이다.
때문에 미리 유형적인 교시를 실시해 소프트웨어 상에서 자동 변형시키는 방법을 주로 사용하며, 교시의 간이화 기능이 있는 오프라인 교시시스템을 이용해 매뉴얼 작업으로 실시하는 방법이 사용되고 있다.
④ 건설기계의 오프라인 교시 시스템
용접선과 토치각도를 지정하면 궤적을 생성할 수 있는 기능, 처리속도의 향상에 의한 작업, 3차원 CAD 설계의 보급에 의해 워크모델은 CAD 데이터의 변환만으로 오프라인 교시의 환경이 개선되어 왔다.
<그림1> 시스템구성
<그림2> 보강부분 외곽
·생산성의 향상
로봇의 가동률을 향상시키기 위해 로봇의 성능향상 뿐만이 아니라 준비수단, 주변기기, 관리 툴 등 로봇 외의 부분에서도 진보를 필요로 한다.
다음은 이러한 관점에서 개발되어 로봇의 보급에 공헌하고 있다.
① 야간 운전 촉진 툴
로봇의 연속운전을 저해하는 요인으로서 슬러그, 센싱 미스 등이 있는데, 이는 야간 연속운전이 확실히 실시될 수 있을 만큼 발전하지 못했지만 종래에 비하면 로봇 소프트웨어 기능 향상에 많이 기여하고 있다.
② 슬러그 잡기 시스템
철골과 같은 대형 대상물의 경우는 판 두께가 두껍기 때문에 용접 도중 로봇작업을 중단하고 슬러그 제거작업을 실시했기에, 로봇용접을 끝까지 속행하지 못하고 다음 날 아침 슬러그를 제거한 후 용접작업을 재개하는 비효율적인 면이 있었다.
그러나 로봇이 용접토치와 슬러그 자동 제거기능의 개발에 의해 로봇의 가동률이 큰 폭으로 향상되었다.
③ 철골 생산관리 정보 소프트웨어
로봇이 갖고 있는 정보를 네트워크로 PC에 불러들여 생산관리에 유효한 정보로 가공하는 소프트웨어가 개발되어 로봇운전의 상황, 용접완료 예측 등의 파악에 보다 정확하게 다가섰다.
이를 바탕으로 데이터로 품질관리를 철저히 해오고 있는 것 등이 공장 전체의 효율화에 기여하고 있다.
용접을 높은 품질로, 능률적으로 하기 위해 로봇의 역할은 크지만, 로봇을 활용하기 위해서는 용접재료와 전원을 포함한 용접기술, 센서기술, 오프라인 교시기술, 포지셔너 등의 주변장치, 생산관리정보 활용 소프트웨어의 진보가 필요하다.
또 이러한 기술을 선택하고 엔드유저에게 가장 적합한 시스템을 제공하는 엔지니어링 기술이 중요하다.
첨단산업 트렌드를 따르는 ‘디지털화한 용접 시스템’
화상메모리, 컴퓨터, CCD 카메라 및 용접전원으로 구성된 디지털화한 로봇용접 시스템은 <그림 1>과 같다.
이 시스템은 토치모션에 동기하고, 컴퓨터가 리얼타임에 주변기기를 제어하며, 컴퓨터 간의 통신은 10Mbps의 Ethernet를 이용하고, 리얼타임 통신으로 진행되는 이 시스템을 실시하기 위해서 컴퓨터의 리얼타임 OS로서 RTLinux를 이용하고 있다.
또, 토치 전방으로 CCD 카메라를 고정해 이것을 이용해 용해연못 표면을 촬영하는데, 아크용접의 빛은 매우 강하기 때문에 이 영향을 경감하기 위해서 CCD 카메라의 셔터가 열려 있는 1ms의 사이, 전류를 30A에 내린다.
로봇시스템은 근적외 영역에 있고, 아크용접 빛의 상대 강도가 내려 용해연못으로부터의 빛의 상대 강도가 증가한다는 특징을 이용해 950nm의 밴드 패스 필터도 이용하고 있다.
‘용접로봇’에 관한 로봇선진국 ‘일본’의 움직임
·일본의 ‘로봇용접연구위원회’
(사)일본용접협회 산하 전문위원회 중 하나인 ‘로봇용접연구위원회(www.jwes.or.jp, 이하 위원회)’는 1982년 설립되어 가와사키중공업, 다이헨 등 글로벌 로봇메이커가 함께 하고 있다.
2006년 2월에 ‘용접정보센터’를 개설한 이들은 용접에 관한 정보나 회원사를 위한 DB 등의 콘텐츠 확보에 노력하고 있는데, 특히 ‘일본용접협회 50년사’라는 자료가 큰 도움이 되고 있으며, 지난해는 위원회 설립 25주년을 맞아 기념세미나를 개최하기도 했는데, 용접로봇 활성화를 한층 더 높일 수 있는 계기를 마련했다고 평가하고 있다.
용접로봇과 관련한 다양한 활동을 하고 있는 위원회는 세미나 및 타 협회와의 제휴, 프로젝트 활동보고를 중심으로 한 심포지엄 등을 진행하는 본위원회, 간사회 활동 외에도 프로젝트 연구 활동을 하고 있다.
- 건축 철골 용접로봇 오퍼레이터 인증 추진 프로젝트
2002년 특례 조치 개시 이래, 인증취득자는 5연간에 300명(2006년 100명)에 이르렀다. 오퍼레이터의 15% 정도이지만 서서히 정착해오며, 특례 조치를 연장하며 좋은 반응을 얻고 있다.
- 후판 전용의 최적 로봇 용접 시공 기술개발 프로젝트
올해 테마의 평가와 차기 테마의 탐색을 실시한다.
<표2> 2007년 국내 용접로봇 시장
·일본국제용접전시회
지난 4월 9일부터 12일까지 4일간 아시아 최대 용접전문전인 「JIWS(Japan International Welding Show, www.weldingshow.jp)」가 개최되었다.
일본국제용접전시회는 Japan Welding Engineering Society와 Sanpo Publications Incorporated 공동 주관으로 1969년에 처음 개최되어 독일 Essen 용접전과 미국 AWS 용접전과 비교되는 전시회로서 금속 용접 및 절단가공분야에서 뜻 깊은 전문적인 전시회로 세계적인 주목을 받고 있다.
용접에 관한 모든 것을 소개하고 있는 이 전시회에서는 최근 레이저용접기, 용접자동화와 하이브리드 용접기가 대거 출품을 하여 ‘용접로봇’ 등 자동화에 대한 관심이 높아지고 있음을 보여주고 있다.
2, 3차 벤더의 자동화율이 낮은 한국… 용접로봇 시장은 아직 넓다
최근 전 세계적으로 국가적인 발전을 중요하게 고려함에 따라 국가마다 생산설비에 대한 투자가 지속적으로 증가하여 로봇자동화 시장에 대한 성장률이 매년 10~15% 정도 증가하고 있고, 인간의 오감에 의지해 행해지던 분야에도 각종 센서의 발달로 인해 점차적으로 로봇이 대체할 것으로 보인다.
2007년 국내 로봇시장을 나타낸 <표 2>에서도 볼 수 있듯이 아직까지 용접로봇의 생산 출하비율은 상당수에 이른다.
이는 “2005년부터 2007년까지 투자가 주춤했지만 2009년에는 다시 많이 늘어날 것으로 내다보고 있다”는 한 용접로봇 메이커의 말에서도 아직까지 국내 용접로봇 시장에 대한 기대는 높은 편임을 알 수 있다.
또한 2차, 3차 벤더나 다른 중소규모의 용접업체에서는 용접자동화율이 상당히 낮은 편이기에 이런 시장이 향후에 확대될 것으로 예상되고 있으며, 대량생산이 가능해지고 경쟁이 심화되면서 용접로봇의 가격이 계속 떨어지는 환경이 그 가능성을 높여주고 있다.
* 자료참고 : 일본 로봇용접연구위원회, 코베제강소 & 코베제강기술보(Vol. 54 No. 2)
