로봇은 항공기 제조 및 조립 분야에서 유연한 도구로 입증되고 있습니다. 그러나 CAD/CAM 환경에서 로봇을 프로그래밍하는 데 따른 어려움으로 인해 그 잠재력이 완전히 발휘되지 못할 수 있습니다. 오프라인 프로그래밍, 시뮬레이션, 코드 생성 및 경로 최적화를 통합하는 소프트웨어는 프로세스를 원활하고 오류 없이 진행되도록 합니다.
로봇은 1970년대 후반과 80년대에 자동차 조립 산업에 혁명을 일으켰던 방식으로 항공우주 산업을 변화시킬 준비가 되어 있습니다. 생산성 증가와 비용 절감은 유연한 로봇 자동화로의 전환을 촉진하고 있습니다.
지상 기반의 동종 장비와 달리 항공기는 자동화 패러다임에 뛰어넘는 중요한 차이점을 가지고 있습니다. 항공우주 제조의 공차는 훨씬 더 엄격하며, 하위 어셈블리는 일반적으로 훨씬 더 크고 무겁습니다. 자동차 산업에 비해 항공기 생산량은 훨씬 낮지만 상용 항공기의 수명은 수년이 아닌 수십 년 단위로 측정됩니다.
항공기에 대한 수요가 전 세계적으로 증가하면서 현재의 제조 자원이 한계에 부딪히고 있습니다. Boeing의 Advanced Manufacturing Research Centre(AMRC)는 이 산업 트렌드의 최전선에 있습니다.
AMRC의 통합 제조 그룹 책임자인 Ben Morgan은 "상업용 항공기 매출이 증가하고 있습니다"라고 말합니다. "대부분의 제조업체들은 생산 용량을 절대 한계까지 끌어올렸으며 목표 속도에 도달하기 위해 추가적인 자본 투자가 필요합니다. 현재 개발 중인 일부 플랫폼의 경우, 월 최대 60대의 항공기를 생산할 수 있으며, 이는 정말 놀라운 수치입니다. 따라서 제조업계에서 근본적인 변화가 필요합니다."
이러한 변화는 유연한 로봇 자동화의 형태로 다가오고 있습니다. 로봇의 도입을 이끌어낸 것은 항공기 구성요소 제조 분야에서 복합재가 도입된 것이었습니다.
시장 조사 기관 Lucintel의 연구에 따르면, 글로벌 항공우주 복합재 시장은 2017년까지 연간 $112억에 달할 것으로 예상되며, 연평균 성장률은 5.3%로 전망됩니다(출처: CompositesWorld).
복합재는 일반적으로 알루미늄보다 20% 가벼우며, 기존 금속 재료보다 더 긴 수명을 가지고 있습니다. 더 높은 강도 대 중량 비율, 더 나은 연료 효율, 더 긴 서비스 주기 등으로 인해 복합재는 항공우주 산업에 필수적인 재료로 인정받고 있습니다.
복합재 혁명은 제트 엔진 기술을 로봇 분야로 확장하는 데 기여했습니다. 로봇 가공 및 재료 제거 기술은 비금속 및 금속 응용 분야에서 점점 더 널리 사용되고 있으며, 대형 상용 항공기의 복합재 외피 및 구성품에 대한 밀링, 드릴링, 표면 처리, 리벳팅, 워터젯 절단 및 트리밍 작업에 활용되고 있습니다.
수년 동안 로봇은 컴퓨터 수치 제어(CNC) 기계의 작업을 지켜보는 조력자 역할에 머물렀습니다. 하지만 이제 초점이 바뀌고 있습니다.
Morgan은 "지난 10년 동안 로봇 공학이 발전함에 따라 직렬 암 장치가 더욱 실현 가능한 옵션이 되고 있습니다."라고 말합니다. "로봇 트리밍, 라우팅 및 기계 가공에 대한 관심이 급증하고 있습니다. AMRC에서 개발 중인 로봇 트리밍 시스템 컨셉트와 시설을 통해, 고급 자동차 및 항공우주 제조업체들에게 유연한 셀이 일부 기존의 고가 CNC 공작기계에 대한 대안이 될 수 있음을 입증하기 시작했습니다."
AMRC는 2001년 셰필드 대학과 Boeing 간의 협력으로 설립되었습니다. 영국 셰필드의 광활한 첨단 산업 단지에 위치한 이 연구소는 제조업 현대화에 중점을 둔 다양한 기술을 테스트하고 입증하는 400명 이상의 연구원과 엔지니어를 고용하고 있으며, 글로벌 항공우주 대기업부터 지역 소규모 기업에 이르기까지 100개 이상의 회원사를 보유하고 있습니다.
Morgan은 "이러한 항공우주 부품을 제조하는 데 사용되는 일부 대형 CNC 기계의 경우 약 $1500만 달러가 소요될 수 있습니다."라고 말합니다. "로봇 셀 하나에는 아마 수십만 달러 정도가 들 것으로 예상됩니다."
로봇의 도입 비용은 계속해서 감소하고 있으며, 동시에 로봇의 강성과 정확도는 향상되고 있습니다. 이제 로봇 기술은 단일 어셈블리, 드릴링 및 충진, 자동 테이프 레이업(ATL), 자동 섬유 적층(AFP)을 포함하여 기존에 맞춤형 기계에만 국한되었던 다양한 항공우주 분야의 작업에서도 경쟁력을 갖추게 되었습니다.
대부분의 최고 수준의 항공우주 공급업체들은 하위 어셈블리 작업에 로봇을 도입하는 것의 장점을 인식하고 있으며, 로봇화를 위한 연간 예산까지 마련해두고 있습니다. 하지만 일부 업체에게는 로봇 프로그래밍이 큰 난관입니다.
특이점, 보정, 충돌, 도달 범위 제한 및 동작 세분화는 로봇 시스템에 고유한 복잡한 요소들로, 이러한 요인들은 기계 가공 작업용 로봇 프로그래밍을 특히 번거롭게 만들 수 있습니다. 이러한 오류를 피해가는 데에는 많은 시간이 소요될 수 있습니다.
CNC 공작기계를 사용하는 데 익숙한 기업들은 처음으로 로봇을 도입하려 할 때 어려움을 겪게 됩니다. 이들은 종종 로봇 제조업체의 소프트웨어를 프로그래밍에 사용하려고 시도합니다. 그러나 이 소프트웨어는 일반적으로 프로그래밍이 아닌 시뮬레이션 목적으로 사용됩니다. 시뮬레이션 환경에서는 오류를 확인할 수 있지만, 문제의 원인을 파악하고 해결 방법을 찾는 것이 어렵습니다.
다른 접근 방식은 CAD/CAM 포인트 컨버터를 사용하여 다양한 유형의 애플리케이션에 맞는 로봇 궤적을 생성하는 것입니다. 포인트 컨버터는 로봇 시스템으로 빠르고 비용 효율적으로 변환하는 경향이 있지만, 로봇의 동작 방식을 검증하고 오류를 확인할 방법이 없습니다.
이러한 방법들의 주요 문제는 경로 최적화 툴이 부족하다는 것입니다. 프로그램이 로봇에 적용되면, 긴 검증 기간이 있을 수 있습니다.
SOGERMA COMPOSITES AQUITAINE의 CAD & CAM 생산 엔지니어링 관리자인 Eddy Coubard는 "로봇을 사용하여 복합재 부품 가공을 위해 새로운 솔루션을 도입하기로 결정했을 때, 로봇 공학 분야가 기존 CNC 기계 분야와 얼마나 다른지 상상할 수 없었습니다."라고 말합니다. "새로운 용어와 작업 방식, 그리고 새로운 문제들까지, 정말 큰 도전이었습니다."
30주년을 맞이한 SOGERMA COMPOSITES AQUITAINE은 SOGERMA Group의 전액 출자 자회사로, 프랑스에 본사를 두고 있으며, 475명의 생산 및 R&D 인력이 유럽 및 전 세계 100여개 주요 공급업체를 대상으로 고성능 복합 소재 제품으로 공급하고 있습니다.
Coubard는 "우리는 항공용 복합 소재 부품을 소량으로 가공하기 때문에로봇 프로그래밍을 처음부터 정확하게 해야 합니다."라고 말합니다. "그렇지 않으면 비용이 급격히 증가합니다."
"우리가 처음 시도한 로봇 소프트웨어는 전혀 효율적이지 않았습니다."라고 그는 말합니다. "CAD/CAM 소프트웨어에서 툴패스를 만들고 포스트프로세서로 일종의 G 코드를 작성한 다음 시뮬레이터에서 이 G 코드를 실행해 보았지만, 대부분의 경우 오류가 발생한다는 것을 깨달았습니다. 그런 다음 CAD/CAM 소프트웨어로 돌아가서 다른 포스트 프로세서를 통해 로봇 코드를 작성해야 했습니다."
이것이 일반적인 시나리오였습니다. 한 회사는 로봇을 구입하여 기계 가공 작업에 배치하려고 시도하지만, 해당 작업에 적합한 소프트웨어가 없다는 것을 깨달았습니다.
더 나은 전략: 로봇 프로그래밍 소프트웨어를 사전에 고려하십시오. 이는 로봇 시스템을 구입할 때 또는 구입하기 전에도 수행해되어야 합니다.
로봇 프로그래밍을 위해 특별히 설계된 CAD/CAM 소프트웨어는 특이점, 충돌, 조인트 제한, 도달 문제 및 손목 플립 문제를 해결합니다. 올바른 소프트웨어는 로봇 궤적을 자동으로 계산 및 최적화하고, 외부 축을 원활하게 통합하며 즉각적인 시각적 피드백을 제공해야 합니다. 로봇 공학을 처음 접하는 작업자도 쉽게 사용할 수 있어야 합니다.
소프트웨어는 최종 테스트 및 미세 조정을 제외하고는 작업 현장에서 생산을 중단하지 않고 오프라인 프로그래밍도 지원해야 합니다. 그렇게 되면 교체 작업은 순차적 작업이 아닌 병렬 작업으로 전환됩니다.
최근 CIO Review 잡지가 선정한 '가장 유망한 엔지니어링 설계 솔루션 제공업체 10곳' 중 하나로 선정된 캐나다 몬트리올의 Jabez Technologies는 2002년에 CAD/CAM 기반 오프라인 로봇 프로그래밍 소프트웨어를 최초로 출시했습니다. Robotmaster® 소프트웨어의 최신 버전은 프로그래밍, 시뮬레이션, 코드 생성 및 경로 최적화를 하나의 통합 솔루션으로 간소화합니다. 또한, 모든 주요 로봇 모델을 지원합니다.
Jabez Technologies의 사장인 Chahe Bakmazjian은 "로봇은 관리하기 어려운 장치일 수 있습니다."라고 말합니다. "여섯 개의 회전 조인트가 서로 겹쳐져 있어 오류를 예측하기가 매우 어렵습니다. 보통 오류가 발생할 때만 해당 오류를 경험하게 됩니다. 경고 메시지가 없습니다."
Bakmazjian은 "항공기 제조업체들은 대규모 로봇 시스템을 도입하는 경우가 많지만, 오류 발생을 피할 수 있는 특정 영역에서만 로봇 시스템을 제한적으로 활용하고 있습니다."라고 말합니다. "그러한 영역을 벗어나려고 할 때마다 항상 많은 제약이 따르게 됩니다."
COMPOSITES AQUITAINE의 Coubard는 기존 소프트웨어를 교체함으로써 프로그래밍 시간이 두 배에서 세 배로 단축되었다고 말합니다.
Robotmaster 덕분에 CNC 기계를 사용하여 부품을 가공하던 방식과 동일한 방식으로 작업할 수 있습니다."라고 그는 말합니다. "Robotmaster가 Mastercam® 소프트웨어와도 호환되기 때문에, 전체 7축 밀링 및 드릴링 작업을 빠르고 쉽게 수행할 수 있었습니다."
Coubard는 Robotmaster를 사용하여 레일 장착형 6축 로봇을 프로그래밍하고 있다고 말합니다. 응용 분야에는 Airbus A330 항공기용 유리섬유로 제작된 열 보호 부품과 Airbus Super-Puma MK II 헬리콥터용 벌집 구조물이 포함됩니다.
"Robotmaster 덕분에 로봇 기술의 세계를 적극적으로 받아들일 수 있게 되었습니다. 이제는 CNC 기계로 부품을 가공하던 것과 같은 쉬운 방식으로 복합재 부품을 가공할 수 있게 되었습니다."라고 Coubard는 말합니다. "실제로 새로운 시뮬레이션 기능은 아직 모든 기능을 완전히 활용하지 못할 정도로 강력합니다."
Robotmaster가 없었다면, Coubard는 그들이 아마도 로봇 기술을 포기하고 기존 CNC 가공 방식으로 돌아갔을 것이라고 말합니다.
AMRC에서 Morgan의 팀은 로봇 공학과 계측 기술을 활용해 항공우주 및 기타 고부가가치 산업을 위한 복잡한 제품 조립에 새로운 방식을 개발하고 있습니다.
우리는 지난 3년 동안 Robotmaster와 협력해 왔습니다."라고 Morgan은 말합니다. "이 소프트웨어를 통해 우리 작업자와 엔지니어링 팀이 셀을 빠르고 효과적으로 재프로그래밍할 수 있었을 뿐만 아니라 기계 경로를 최적화할 수 있었습니다. 뛰어난 유연성과 제어 기능을 갖추고 있습니다."
Morgan은 "이 소프트웨어는 작업 범위와 부품 가변성 때문에 특히 연구 환경에 적합합니다."라고 말합니다. "우리는 여기에서 아무것도 제조하지 않기 때문에, 종종 한두 개 또는 세 개의 부품을 제작한 다음 다른 부품으로 넘어갑니다. 그러나 항공우주 산업 자체도 재구성 가능성을 요구하고 있기 때문에, 우리는 그 요구사항을 Robotmaster로 충족시키고 있습니다."
작업자들은 해당 소프트웨어가 수동 티칭 개입이나 보완 작업 없이 첫 번째 시도에서 100%로 작동한다고 보고합니다. 복잡성 없이 오류 없는 로봇 프로그래밍입니다. 그래서, 초보자도 쉽게 사용할 수 있습니다.
유연한 로봇과 고급 소프트웨어 솔루션을 결합합니다. 이제 로봇 작업 공간 전체를 자유롭게 활용할 수 있습니다. 처음에는 동일한 포인트에 도달하는 여러 경로가 존재하는 과도하게 결정된 시스템의 한계를 초래하던 특성이 이제는 정교한 경로 최적화 도구 덕분에 기회가 되었습니다.
로봇은 비행 적합성을 입증했습니다. 잠재력을 최대한 발휘하기 위해서는 적절한 소프트웨어만 있으면 됩니다.