[케이스 연구] 진화하는 로봇 가공 기술.
대형 주조물의 절단 및 연삭 자동화
~로봇, 터치 프로브 및 능동형 순응력 제어로 중노동의 미래를 바꾸다~
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인터뷰 대상자: 아이치 산업(주)
본 인터뷰는 도쿄 시나가와에 위치한 아이치 산업 주식회사와 협력하여 진행되었습니다. (아래에서는 존칭을 생략합니다.)
이 회사는 생산품 수입 및 판매라는 주력 사업 외에도 기술 개발 및 지원을 통해 솔루션을 제시하는 데에도 탁월한 역량을 발휘합니다.
이 회사는 다양한 사업을 운영하고 있지만, 이 글에서는 로봇 시스템 통합을 담당하는 엔지니어링 본부(사가미하라 지사)를 소개합니다. 이 회사는 무역 회사로서 용접기, 공작기계, 금속 3D 프린터 등을 수입하지만, 첨단 제품과 로봇 기술을 결합한 자동화 솔루션을 제공하는 데 가장 큰 강점을 가지고 있습니다.
이 회사의 접근 방식을 잘 보여주는 한 가지 예는 미국 회사인 PushCorp에서 제조한 "능동형 순응력 제어 장치"를 활용하는 제안입니다. PushCorp 장치를 산업용 로봇에 장착하고 연마재, 절삭 공구, 밀링 머신 등을 부착하면 금속을 가공할 수 있습니다.
PushCorp 장치는 어떤 위치에서도 일정한 압력을 조절하고 유지할 수 있는 슬라이딩 메커니즘과 BT 생크가 기본으로 장착된 서보 스핀들로 구성됩니다.
슬라이딩 메커니즘에는 힘, 가속도 및 위치 센서가 통합되어 있습니다. 스핀들 끝단의 공구가 공작물 표면에 닿으면 이러한 센서에서 입력값을 받아 방향에 따른 하중 변화를 보정하여 일정한 압력을 유지합니다.
결과적으로 로봇 궤적의 정확도나 가공물의 외형 치수에 차이가 있더라도 PushCorp 장치는 유연하게 조정하여 가공을 완료할 수 있습니다 . 또한 이 장치는 높은 강성에도 불구하고 컴팩트한 크기를 자랑합니다.
하지만 PushCorp 장치를 최대한 활용하려면 로봇 티칭 및 주변 장비가 필요합니다 . 아이치 산교는 시스템 통합업체로서 통합 시스템 제공에 있어 검증된 실적을 보유한 엔지니어링 본부 시스템 제조 부서를 운영하고 있습니다.
학과 설계부 기계설계그룹의 리더인 타케모토 코타로는 다음과 같이 말합니다.
"저희는 고객의 요청과 가공 대상물의 특성에 맞춰 유연하게 대응해 왔습니다. 최근에는 대형 공작물 가공 및 위험 작업 자동화 프로젝트에 대한 관심이 높아지고 있습니다."
과제: 대형 주조물의 절단 및 연삭
최근 해당 회사는 대형 주조물의 절단 및 연삭 자동화에 대한 자문을 의뢰받았습니다.
각각의 주조물은 고유합니다. 가공물의 모양과 위치가 모두 다르기 때문에 정렬은 숙련된 작업자의 예리한 눈과 직관에 의존했습니다.
이 작업은 노동자들에게 다음과 같은 상당한 부담을 안겨주었습니다.
- 작업자가 절단 기계를 직접 다루기 때문에 위험도가 높습니다 .
- 인간의 실수 로 인한 품질 불일치
- 크고 무거운 공작물을 가공하는 데 시간이 많이 소요됨
- 연장된 공구 교체 및 교육 시간
- 다품종 소량 생산을 실현할 수 없음
숙련 노동자 수가 감소함에 따라 기존 방식을 유지하는 것은 더 이상 지속 가능하지 않습니다.
터치 프로브와 능동형 컴플라이언스 힘 제어를 활용하는 혁신적인 로봇 가공 시스템으로 문제를 해결합니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 도입된 솔루션은 PushCorp의 능동형 컴플라이언스 힘 제어 장치와 Metrol의 무선 3D 터치 프로브인 "RC-K3X"를 결합한 로봇 가공 시스템입니다.
1. 블루투스 연결부에 부착된 터치 프로브를 PushCorp 장치에 장착합니다.
절삭 대상물은 무겁고 공장 내에서 오버헤드 크레인으로 운반되기 때문에 고정밀 위치 지정이 어렵습니다. 또한, 다품종 소량 생산 제품의 형태가 사양 등에 따라 다양하기 때문에 위치 지정을 위한 전용 지그를 제작하는 것도 비현실적입니다.
따라서 우리는 다음과 같은 방법을 채택했습니다. 가공 전에 공작물을 작업대에 놓고, 로봇 팔 끝에 있는 PushCorp 장치에 RC-K3X 터치 프로브를 부착하여 공작물을 측정하고, 고정 위치를 결정한 다음, 그에 따라 가공 프로그램을 수정합니다.
2. 터치 프로브로 공작물의 4개 지점을 접촉하여 원점 설정합니다.
터치 프로브를 부착한 후, 공작물의 4개 지점을 터치하여 측정 데이터를 기반으로 원점 설정을 수행합니다. 절삭 궤적은 공작물의 변형 및 정렬 불량에 유연하게 적응하도록 자동으로 보정됩니다.
3. 터치 프로브에서 팁 톱으로 도구를 교체하여 주조 스프루를 절단합니다.
그 후, 터치 프로브를 팁 톱으로 교체하여 LNG 펌프 임펠러를 감싸고 있는 철제 케이스의 일부를 절단합니다.
이 외피는 폭, 깊이, 높이가 각각 약 1미터인 두 개의 반원형 주물을 결합하여 제작됩니다. 주조 과정에서 남은 스프루와 같은 과도한 재료는 이 로봇 시스템을 통해 제거됩니다.
4. 절단면을 연마하기 위해 공구 끝부분의 톱날에서 오프셋 연마석으로 교체하십시오.
가공물의 필수 부품 손상을 방지하기 위해 약 10mm의 여유를 둡니다. 마지막으로, 절단면을 연마하고 마무리하기 위해 톱날 끝을 오프셋 연마석으로 교체합니다.
PushCorp의 능동형 컴플라이언스 힘 제어기는 다양한 공구를 일정한 압력으로 눌러 공작물의 형상과 표면 불규칙성에 맞춰 안전하고 안정적인 절삭 및 연삭 작업을 가능하게 합니다.
기존의 "수동으로 이동, 측정, 절단 및 연삭" 방식은 터치 프로브를 이용한 위치 지정과 로봇을 이용한 자동 절단 및 연삭 방식으로 바뀌었습니다.
[참고 영상] 터치 프로브와 능동형 컴플라이언스 힘 제어 장치를 통해 구현된 로봇 가공 혁신
METROL의 터치 프로브 RC-K3X를 선택한 이유는 무엇입니까?
BT 샹크 호환성
PushCorp의 서보 스핀들은 다양한 공구를 장착하기 위해 표준 공구 홀더인 "BT 샹크"를 사용합니다. 예를 들어, 이 시스템은 BT40 샤프트 테이퍼를 사용합니다. 이와 대조적으로 RC-K3X 또한 BT 샹크와 호환되며, 별도의 조정 없이 바로 구매하여 사용할 수 있다는 점이 주요 결정 요인이었습니다.
간편한 통합을 위한 무선 설계
또 다른 핵심 요소는 무선이라는 점입니다. 로봇은 움직이는 부품에 자유도가 높아 유선 방식의 경우 케이블을 연결하기가 어렵습니다.
Wi-Fi/Bluetooth 간섭이 발생하기 쉬운 위치나 정확도를 저해할 수 있는 장애물로 둘러싸인 환경에서도 RC-K3X는 독자적인 통신 방식을 기반으로 한 매우 안정적인 무선 성능을 통해 1μm(2σ)의 안정적인 반복성을 달성합니다.
표면 거칠기나 금속 광택의 영향을 받지 않는 접촉 측정 방식
접촉식 측정 방식 또한 결정적인 요소였다. 레이저 기반 측정 장치도 고려되었지만, 주조물의 표면 거칠기 및 금속 광택, 그리고 공장 내부의 밝기와 같은 외부 요인의 간섭을 피하기 위해 접촉식 장치를 선택했다.
접촉식 장치는 로봇을 실제로 움직이면서 작동 프로그램을 미세 조정할 때에도 유용했습니다. 안전 펜스 외부에서 볼 수 있기 때문에 티칭 펜던트를 멀리서 조작하여 미세 조정을 할 수 있습니다.
이러한 상황에서도 접촉식 RC-K3X는 공작물과의 물리적 접촉을 육안으로 쉽게 확인할 수 있도록 해줍니다.
합리적인 가격과 일본 제조업 특유의 신뢰성
일본 제조업 특유의 저렴한 가격 과 믿을 수 있는 지원 시스템 또한 구매 결정에 영향을 미친 요인이었습니다.
“전시회에서 메트로 직원분들이 제안서를 주셨는데, 평가 결과가 매우 좋았습니다. 가격도 합리적이었고, 국내 제조업체라서 지원 시스템도 믿을 만하다고 생각해서 주저 없이 결정했습니다.”라고 타케모토 대표는 격려의 말을 전했습니다.
많은 사용자가 터치 프로브가 충돌로 인해 오작동하는 문제를 겪고 있습니다 . 따라서 지속 가능한 운영을 위해서는 가격 경쟁력이 매우 중요한 요소입니다.
구현 후 예상되는 결과는 무엇입니까?
터치 프로브와 능동형 순응력 제어 장치를 활용한 이 로봇 가공 시스템의 구현은 다음과 같은 결과를 가져올 것으로 예상됩니다.
가장 기대되는 결과는 안전성의 상당한 향상입니다!
안전성 향상 외에도 다양한 생산성 개선을 기대할 수 있습니다.
- 설치: 신뢰할 수 있는 센서 기반 측정으로 인적 오류를 제거하고 설치 시간을 단축합니다.
- 가공 정밀도: 사람의 조작 변수를 제거하여 안정적인 가공 정밀도를 달성합니다.
- 유연성: 자동화된 공작물 원점 설정, 공구 교환 및 가공 기능 을 통해 다품종 소량 생산에 유연하게 적용할 수 있습니다.
- 기술 이전: 기술 이전을 위해 재향 군인에게 의존하는 문제를 해결합니다.
[향후 전망] 대형 부품의 용접 비드 마무리 및 정밀 연삭
RC-K3X와 PushCorp의 조합은 향후 더욱 큰 잠재력을 지니고 있습니다.
예를 들어,
- 용접 비드 마무리: RC-K3X로 돌출부를 측정하고 최적의 연삭 압력으로 가공합니다.
- 항공기 및 우주항공 부품: 기계 가공에 적합하지 않은 초대형 부품을 취급합니다.
- 다양한 재료의 미세 분쇄 및 스케일 제거에 있어 검증된 적용 사례
질문: 향후 발전에 대한 비전을 말씀해 주십시오.
아이치산업(주) 대표이사 다케모토
"현재 저희 애플리케이션에서는 RC-K3X의 1μm(2σ) 반복 정밀도를 아직 충분히 활용하지 못하고 있습니다. 저희는 이 기능을 진정으로 활용할 수 있는 시스템을 구축하고자 합니다."
"저희가 연구 중인 개념 중 하나는 용접 후 마감 처리 입니다." 용접 시 용접봉을 사용하면 ' 용접 비드 '라고 하는 생선 케이크 모양의 돌출부가 형성됩니다. PushCorp 장비는 이 돌출부를 연마하여 거울처럼 매끄러운 표면을 얻는 데 사용됩니다.
하지만 안전을 위해 돌출부 외에는 손상이 가지 않도록 누르는 힘을 조절했습니다.
당사는 RC-K3X를 사용하여 연삭 전에 비드의 높이와 너비를 측정함으로써 압착력을 최적화하여 생산 효율과 가공 정확도를 향상시킬 수 있다고 생각합니다. 이러한 시스템 개발을 통해 PushCorp와 RC-K3X 터치 프로브의 조합이 다양한 응용 분야, 특히 정확도가 자동화의 걸림돌이었던 로봇 절삭, 가공 및 연삭 시스템에서 상당한 잠재력을 가지고 있다고 판단합니다. 관련 프로젝트에 대한 문의는 언제든지 환영합니다.
풍부한 현장 경험을 보유한 시스템 통합업체가 종합적인 자동화 지원을 제공합니다.
이 시스템은 자체 엔지니어링 역량을 보유한 수입 무역 회사인 아이치 산업(Aichi Sangyo) 에서 개발했습니다.
PushCorp의 능동형 컴플라이언스 포스 컨트롤러 장치를 활용한 로봇 제어 분야의 광범위한 전문 지식을 바탕으로, 당사는 다음과 같은 분야에 대한 포괄적인 지원을 제공합니다.
- 로봇 시스템 구축
- 프로그램 생성 및 맞춤 설정
- 현장 인력을 위한 운영 교육 및 시운전 지원
이 회사는 "일단 업무를 맡기면 현장에 맞춘 최적의 솔루션을 제공하는 것"으로 확고한 명성을 쌓아왔습니다.
인터뷰 협조: 아이치산교 주식회사
아이치산교 주식회사에서 출시한 제품: 푸시콥의 능동형 컴플라이언스 포스 컨트롤러 장치
본 사례 연구에 소개된 제품
무선 고정밀 터치 프로브
![[RC-K3X 시리즈]](https://metrol-sensor.com/wp-content/uploads/2025/10/RC-K3X_bg-6-800x530-1-800x530.png)
RC-K3X 시리즈는 일본에서 제조된 무선 3D 터치 프로브 센서로, 머시닝 센터와 같은 CNC 공작 기계 내부에 장착되어 가공된 공작물의 치수를 측정합니다.
수신기는 무선 통신을 이용하여 프로브의 측정 신호를 기계로 전송합니다.
