오늘날 로봇은 자동차 제조 공정, 전자 제품 생산 등 다양한 산업에서 활용되고 있으며, 점점 더 쓰임이 확대되고 있다. 제한된 자원을 가진 생산 현장에서는 로봇에게 이동성을 요구한다. 산업용 로봇의 이동성을 확보하기 위한 미쓰비시일렉트릭의 제안을 살펴본다.
산업용 로봇에 이동성을 부여할 때 가장 논리적인 옵션은 일곱 번째 축을 추가하는 방법이다. 7축을 통하여 로봇을 다른 스테이션으로 이동시켜 작업 영역을 확장하는 것이 바로 리니어 셔틀 시스템이다.
리니어 7축을 추가함으로써 더 먼 지점까지 범위를 확장하여 동일한 작업을 수행할 수 있다. 또 정적인 로봇을 사용할 때보다 더 먼 거리에서 여러 워크 스테이션으로 부품을 전송할 수 있다. 즉 7번째 축의 추가를 통하여 하나의 로봇으로 더 많은 기계, 프로세스를 처리하여 효율성을 높이고 자본 비용을 절감할 수 있다.
적재 능력
리니어 액추에이터를 사용하여 산업용 로봇을 위치로 움직이는 아이디어는 간단하지만, 실행을 위해서는 확인해야 할 요소가 있다. 부하 용량·속도와 가속도·정밀도 및 정확도, 듀티 사이클·수명 요구 사항 등이 그것이다.
필요한 부하 용량에 대한 검토는 무거운 산업용 로봇에 이동성을 부여하기 위해 가장 먼저 진행해야 할 사안이다. 이는 부하 세부 사항이 액추에이터 선정에도 직접적인 영향을 미치기 때문이다. 로봇 부하에는 동적/정적의 두 가지 요소가 있는데, 가장 적합한 액추에이터를 선택하기 전에 이들 요소를 먼저 이해해야 한다.
먼저 정적 하중은 로봇이 제자리에서 작업을 수행할 때 발생하는 것으로, 무게 중심과 하중, 모두가 중요하다. 예를 들어 물건을 로봇 본체에 가깝게 올리거나 연장된 길이가 필요한지, 로봇의 베이스가 하중을 지탱할 수 있을 만큼 충분한 힘을 갖는지, 로봇 팔이 페이로드에 도달하고, 움직임에도 영향을 받지 않는 견고성과 고정성을 갖는지를 검토해야만 한다.
산업용 로봇에 이동성을 추가하는 과정에서는 정적 부하에 더해 향후 사용 확장성까지 고려해야 한다. 현재의 애플리케이션을 넘어 앞으로 로봇을 어떻게 사용될 수 있는지를 생각하고, 필요 시 더 높은 부하를 수용하기 위한 사전 계획을 수립해야 하는 것이다. 이때 여러 대의 로봇을 동일한 레일에 장착할 수 있다는 점도 잊지 말아야 하며, 포괄적인 검토를 통해 필요 하중 용량을 결정할 수 있게 된다.
동적 부하 측면에서는 로봇이 선형 경로를 따라 이동할 때 발생하는 다양한 요인들을 함께 고려해야 한다. 설계 시 자문해야 할 질문들은 다음과 같다.
● 로봇의 크기는 어느 정도인가?
● 다른 스테이션으로 공작물을 운반해야 하는가?
● 얼마나 빠르게 로봇을 움직여야 하는가?
● 다음 작업 영역으로 이동할 때 로봇이 어떻게 배치되는가?
정확한 크기의 안전 마진도 하중 계산에 고려해야 하는 중요 요소이다. 제동 장치는 로봇이 최대 속도, 최대 하중에서 충돌하여도 레일을 이탈하지 않을 수 있을 만큼의 크기를 지녀야 한다. 동적 부하의 세부 사항이 결정되면, 이러한 요구 사항을 충족하는 액추에이터를 선택할 수 있다.
예를 들어 동적 축 하중 용량이 780~5510 N까지의 100mm에서 6m까지의 스트로크 길이를 갖는 전통적 액추에이터는 과도한 무게 때문에 느린 주행 이라는 한계를 지닌다. 하지만 새로운 액추에이터는 최대 5m/s의 속도를 낼 수 있으며, 경량 및 헤비 듀티 액추에이터를 광범위한 로봇 애플리케이션에 적용할 수 있다.
하중과 관련하여 로봇을 설치할 수 있는 현장도 살펴야 한다. 이때 고려해야 할 사항은 다음과 같다.
● 로봇과 레일의 무게와 하중을 감당할 수 있을 정도로 견고한 콘크리트 바닥을 갖고 있는가?
● 로봇 설치가 가능한 지점은 몇 개인가?
● 콘크리트 추가 옵션이 있는가?
● 표면이 수평면인가?
● 목표 설치 지역에서 기본 조정 기능을 활용해 레일 시스템을 수평으로 유지할 수 있는가?
이러한 요구를 충족하지 못한다면, 설치 일정 이전에 장착 표면을 평탄화하고, 강화하기 위한 조치가 필요하다.
속도·가속도
액추에이터를 로봇에 맞추려면 필요한 주행 속도와 가속 및 감속도를 알아야 한다. 이때 필요한 질문은 다음과 같다.
● 로봇을 신속하게 위치로 이동시켜 픽업 및 배치 모션 또는 어셈블리 작업을 완료한 다음 원래 위치로 되돌릴 수 있는가?
● 무거운 공작물을 다른 영역으로 옮길 것인가?
액추에이터를 선택하기 전에 이러한 세부 사항을 알아야만 한다. 왜냐하면 일부 신형 리니어 액추에이터는 5m/s 속도로 무거운 하중을 처리하도록 설계되었지만, 대부분의 리니어 액추에이터는 더 가볍고 느린 환경에서 동작하도록 설계됐기 때문이다.
정밀도와 정확도
응용 프로그램에서 요구되는 정밀도·정확도·반복도를 정의하는 것은 가장 중요한 작업이다. 직선 경로를 따라 로봇을 이동시켜 작업을 수행하는 경우, 동작은 신뢰할 수 있고 반복 가능해야 한다. 일례로 레일 하드웨어 선택은 애플리케이션의 정확성과 반복성 요구에 따라 달라지게 된다.
여러 로봇이 레일을 공유할 경우, 처짐을 방지하는 추가적인 지지 빔을 고려할 수 있다. 또한 레일 설계 시 로봇 교정을 위한 핀 위치 지정 핀을 포함시켜 보정의 기준점으로 삼아야 한다는 점을 명심해야 한다.
특히 매우 높은 수준의 위치 정밀도가 필요한 상황에서는 선형 인코더 추가는 물론, 드라이브 시스템도 고려할 수 있다. 정확도 면에서 보면, 볼 스크류 액추에이터가 가장 정확한 값을 달성하며, 그 다음으로 랙 앤 피니언 방식 시스템, 그리고 벨트 구동식 액추에이터의 순서로 정확도가 높다.
위치 정확도 측면에서 고려해야 할 또 다른 측면은 강성이다. 강성을 위해 선형 경로의 특정 부분을 따라 빔을 더할 수 있다. 예를 들면, 픽업이나 드롭 포인트와 같은 영역이 추가적인 빔을 통해 강성이 더해져야 하는 부분이다. 로봇의 주행 거리를 따라 일어날 수 있는 이벤트를 정의하고, 정확도를 향상시키기 위한 추가 조치를 하지 않는다면, 불필요하게 큰 액추에이터로 인한 비용 낭비, 혹은 작은 크기의 액추에이터로 문제가 발생할 수 있다.
듀티 사이클, 그리고 수명주기
애플리케이션의 듀티 사이클과 수명주기도 중요한 고려 사항이다. 로봇이 24시간 내내 쉼 없이 사용될 수 있는 반면, 어떤 애플리케이션에서는 몇 시간만 로봇을 사용할 수 있다. 또 어떤 환경에서는 로봇의 수명을 2년으로 설정한 반면, 어떤 환경에서는 10년의 로봇 운용을 생각할 수 있다.
이와 관련한 질문은 로봇과 선형 액추에이터의 유지보수와 윤활이다. 몇몇 액추에이터의 경우에는 주기적 윤활 없이 20,000km 이상의 주행이 가능한 반면, 다른 액추에이터는 더 정기적인 주의가 필요하다.
케이블의 선택도 중요한 요소이다. 대부분의 표준 케이블은 로봇과 같이 반복적인 굴곡 환경을 고려하지 않고 있다. 따라서 케이블로 인한 잦은 문제 발생, 케이블 교체를 발생시킬 수 있다. 따라서 로봇 환경에서는 유연성 뿐 아니라 굽힘 반경과 굴곡 주기에 대한 더 철저한 검토가 요구된다. 이외에도 케이블 트랙 마운팅 크기와 위치를 사전에 주의 깊게 계획하여 필요한 모든 케이블이 연결되고, 케이블의 움직임이 로봇의 움직임을 방해하지 않도록 해야 한다.
유지보수는 운영 환경에 따라 큰 차이가 있다. 예컨대 금속 부스러기나 톱밥이 많이 발생되는 환경에서는 액추에이터의 밀폐, 펠트 와이퍼와 같은 더 많은 보호 장치가 요구된다. 애플리케이션 환성에서 필요한 보호 수준에 대한 비용 지불은 유지보수에 대한 과도한 비용 지출을 막을 수 있게 한다.
