쌀. 3. 왼쪽 캐비닛에 보관된 일체형 컵 공급식 신속 교체 도구는 장비의 방향과 분리를 제어합니다(장비의 적절한 정렬 및 위치 지정을 보장). 오른쪽 캐비닛에는 다양한 모루와 셔틀이 보관되어 있습니다.
헤이거 북미 지역 영업 및 서비스 관리자인 론 보그스는 2021년 팬데믹 이후 회복 과정에서 제조업체들로부터 비슷한 문의 전화를 계속해서 받고 있습니다.
보그스는 "그들은 계속해서 '고정 장치가 빠졌어요'라고 말했어요."라고 했습니다. "알고 보니 인력 부족 문제였죠." 공장에서 신입 사원을 채용할 때, 경험과 기술이 부족한 사람들을 기계 앞에 배치하여 부품을 조립하게 하는 경우가 많았습니다. 때로는 고정 장치를 빼먹거나 잘못된 고정 장치를 사용하는 경우도 있었습니다. 그러면 고객이 다시 방문하여 설정을 최종적으로 조정합니다.
전반적으로 볼 때, 하드웨어 삽입은 로봇 기술의 성숙한 응용 분야로 보입니다. 궁극적으로 공장은 터릿, 부품 제거, 심지어 로봇 벤딩까지 포함하는 완전한 펀칭 및 성형 자동화를 구현할 수 있을 것입니다. 이러한 모든 기술은 수동 설치 분야의 상당 부분을 대체할 수 있습니다. 그렇다면 기계 앞에 로봇을 배치하여 장비를 설치하는 것은 어떨까요?
지난 20년 동안 보그스는 로봇 삽입 장비를 사용하는 여러 공장과 협력해 왔습니다. 최근에는 그와 그의 팀(헤거의 수석 엔지니어인 샌더 반 데 보르 포함)이 협동 로봇을 삽입 공정에 더 쉽게 통합하는 방법을 연구해 왔습니다(그림 1 참조).
하지만 보그스와 밴더보스는 로봇 공학에만 집중하는 것은 하드웨어 설치라는 더 큰 문제를 간과할 수 있다고 강조합니다. 신뢰할 수 있고 자동화되고 유연한 설치 작업에는 공정의 일관성과 유연성을 포함한 여러 요소가 필요합니다.
노인은 끔찍하게 죽었다. 많은 사람들이 이 격언을 기계식 펀치 프레스에 적용하지만, 수동 공급 장치가 있는 프레스에도 적용됩니다. 주로 그 단순함 때문입니다. 작업자는 패스너와 부품을 하단 지지대에 놓고 수동으로 프레스에 삽입합니다. 페달을 밟으면 피어서가 내려와 공작물에 닿아 압력을 가해 장비를 삽입합니다. 아주 간단해 보이지만, 물론 문제가 생기면 이야기가 달라집니다.
"작업자가 주의를 기울이지 않으면 공구가 떨어져서 실제로 압력을 가하지 않고도 공작물에 닿을 수 있습니다."라고 반 데 보르는 말했습니다. 정확히 무엇이 문제일까요? "기존 장비에는 오류에 대한 피드백 기능이 없었고, 작업자는 그 사실을 제대로 알지 못했습니다." 작업자는 전체 작업 주기 동안 페달에 발을 계속 올려놓을 수 없었고, 이는 결국 프레스의 안전 시스템이 작동하는 결과를 초래할 수 있었습니다. "상단 공구에는 6볼트가 공급되고 하단 공구는 접지되어 있는데, 프레스는 압력을 가하기 전에 전도성을 감지해야 합니다."
구형 인서트 프레스는 소위 "톤수 범위"라고 하는, 장비를 정확하게 삽입할 수 있는 압력 범위를 가지고 있지 않습니다. 최신 프레스는 이 압력이 너무 낮거나 너무 높다고 인식할 수 있습니다. 보그스에 따르면, 구형 프레스에는 톤수 범위가 없기 때문에 작업자가 밸브를 조절하여 문제를 해결하는 경우가 있습니다. "어떤 사람은 너무 높게, 어떤 사람은 너무 낮게 조절합니다."라고 보그스는 말했습니다. "수동 조절은 다양한 활용성을 제공합니다. 압력이 너무 낮으면 하드웨어를 잘못 설치한 것입니다." "과도한 압력은 부품이나 패스너 자체를 변형시킬 수 있습니다."
"구형 기계에는 계량기가 없어서 작업자가 나사를 잃어버리는 경우가 종종 있었습니다."라고 반 데 보어는 덧붙였습니다.
수동으로 하드웨어를 삽입하는 것은 쉬워 보일 수 있지만, 그 과정은 오류를 수정하기가 어렵습니다. 설상가상으로, 하드웨어 작업은 종종 가치 사슬 후반부, 즉 이미 빈 공간이 채워지고 형성된 후에 이루어집니다. 장비 문제는 분체 도장 및 조립 공정에 심각한 차질을 초래할 수 있으며, 이는 종종 성실하고 꼼꼼한 작업자의 작은 실수가 큰 문제로 번지면서 발생합니다.
그림 1. 협동 로봇이 프레스에 장비를 삽입하여 부품을 조립하는 모습. 프레스에는 4개의 볼과 장비를 프레스 안으로 공급하는 4개의 독립적인 셔틀이 있다. 이미지 제공: 해그리드
수년에 걸쳐 하드웨어 삽입 기술은 이러한 변동 요인을 파악하고 제거함으로써 이러한 문제들을 해결해 왔습니다. 장비 설치 기사가 근무를 마칠 무렵 잠시 집중력을 잃는다는 이유만으로 이렇게 많은 문제의 원인이 되어서는 안 됩니다.
피팅 설치 자동화의 첫 번째 단계인 볼 피딩(그림 2 참조)은 공정에서 가장 번거로운 부분인 수동으로 피팅을 잡고 공작물에 놓는 작업을 없애줍니다. 기존의 탑 피드 방식에서는 컵 피드 프레스가 패스너를 셔틀로 보내고, 셔틀은 하드웨어를 상부 툴로 공급합니다. 작업자는 공작물을 하부 툴(앤빌)에 놓고 페달을 밟습니다. 진공 압력을 이용하여 펀치가 내려가 셔틀에서 하드웨어를 들어 올려 공작물 가까이로 가져옵니다. 프레스가 압력을 가하면 사이클이 완료됩니다.
겉보기에는 간단해 보이지만, 자세히 살펴보면 미묘한 복잡성이 숨어 있습니다. 우선, 장비는 제어된 방식으로 작업 공간으로 공급되어야 합니다. 바로 이 부분에서 부트스트랩 도구가 중요한 역할을 합니다. 이 도구는 두 개의 구성 요소로 이루어져 있습니다. 하나는 위치 지정을 담당하여 볼에서 나오는 장비가 정확한 위치에 자리 잡도록 합니다. 다른 하나는 장비의 적절한 분할, 정렬 및 배치를 담당합니다. 여기서 장비는 파이프를 통해 셔틀로 이동하여 상단 도구로 공급됩니다.
여기서 복잡한 점은 자동 이송 도구, 즉 방향 설정 도구, 분할 도구 및 셔틀은 장비를 교체할 때마다 교체하고 작동 상태를 유지하도록 유지 보수해야 한다는 것입니다. 하드웨어의 종류에 따라 작업 영역에 전력을 공급하는 방식이 달라지므로 하드웨어별 도구는 필수적인 요소이며 설계 단계에서 배제할 수 없습니다.
컵 프레스 앞의 작업자가 더 이상 장비를 들어 올리거나 (내려놓거나) 설치하는 데 시간을 소비하지 않으므로 인서트 간 시간이 크게 단축됩니다. 하지만 이러한 모든 하드웨어 전용 도구로 인해 피드 볼에는 변환 기능도 추가됩니다. 셀프 타이트닝 너트 832용 도구는 너트 632에는 적합하지 않습니다.
기존의 2피스 볼 피더를 교체하려면 작업자는 방향 조정 도구가 분할 도구와 제대로 정렬되었는지 확인해야 합니다. 보그스는 "볼 진동, 공기 분사 타이밍, 호스 위치도 확인해야 합니다."라고 말했습니다. "셔틀과 진공 정렬도 확인해야 합니다. 간단히 말해서, 작업자는 도구가 제대로 작동하는지 확인하기 위해 많은 정렬 상태를 점검해야 합니다."
판금 가공 작업자는 종종 접근성 문제(좁은 공간에 장비 삽입), 특수 장비 사용 또는 이 두 가지 모두로 인해 고유한 장비 요구 사항을 갖습니다. 이러한 유형의 설치에는 특별히 설계된 일체형 툴이 사용됩니다. 보그스에 따르면, 이를 바탕으로 표준 컵 프레스용 올인원 툴이 개발되었습니다. 이 툴에는 방향 및 선택 요소가 포함되어 있습니다(그림 3 참조).
반 데 보어는 "이 시스템은 빠른 전환을 위해 설계되었습니다."라고 말합니다. "공기 및 진동, 시간 등 모든 제어 매개변수는 컴퓨터로 제어되므로 작업자는 스위치를 조작하거나 조정할 필요가 없습니다."
다웰을 사용하면 모든 것이 일직선으로 유지됩니다(그림 4 참조). 보그스는 "작업자는 변환할 때 정렬에 대해 걱정할 필요가 없습니다. 모든 것이 제자리에 고정되기 때문에 항상 수평이 유지됩니다."라고 말했습니다. "공구는 나사로 고정하기만 하면 됩니다."
작업자가 하드웨어 프레스에 판재를 올려놓으면 특정 직경의 패스너에 맞춰 설계된 앤빌에 구멍을 정렬합니다. 새로운 직경의 패스너에는 새로운 앤빌 공구가 필요하다는 사실 때문에 지난 몇 년 동안 대량 생산에 어려움이 있었습니다.
최첨단 절단 및 벤딩 기술, 빠른 자동 공구 교환, 소량 생산 또는 완전 대량 생산까지 가능한 공장을 상상해 보세요. 부품은 하드웨어 인서트에 투입되고, 만약 다른 종류의 하드웨어가 필요하다면 작업자는 바로 대량 생산 단계로 넘어갈 수 있습니다. 예를 들어, 50개 부품 배치를 인서트에 넣고 앤빌을 교체한 후, 새 하드웨어를 정확한 구멍에 삽입할 수 있습니다.
터릿이 장착된 하드웨어 프레스는 작업 환경을 완전히 바꿔놓습니다. 이제 작업자는 한 가지 유형의 장비를 삽입하고, 터릿을 회전시킨 다음, 색상으로 구분된 컨테이너를 열어 다른 유형의 장비를 수용하는 모든 작업을 한 번의 설정으로 수행할 수 있습니다(그림 5 참조).
반 데 보르는 "부품 수가 많을수록 하드웨어 연결을 놓칠 가능성이 줄어듭니다."라고 말했습니다. "전체 섹션을 한 번에 작업하므로 마지막 단계에서 실수를 하지 않습니다."
인서트 프레스의 컵 피드와 터릿 조합은 하드웨어 부서에서 키트 핸들링을 현실로 만들어 줍니다. 일반적인 설치에서 제조업체는 볼 공급 장치를 일반적인 대형 장비에만 사용하고, 사용 빈도가 낮은 장비는 작업 영역 근처의 색상으로 구분된 용기에 보관합니다. 작업자는 여러 개의 하드웨어가 필요한 부품을 집어 들면 기계의 경고음(새 하드웨어가 필요함을 나타냄)을 듣고, 앤빌 턴테이블을 회전시키고, 컨트롤러에서 부품의 3D 이미지를 확인한 다음, 다음 하드웨어 부품을 삽입하면서 작업을 시작합니다.
작업자가 자동 ​​공급 기능을 사용하여 필요한 만큼 앤빌 턴테이블을 회전시키면서 장비를 하나씩 순차적으로 삽입하는 시나리오를 상상해 보세요. 맨 위쪽 공구가 셔틀에서 자동 공급되는 패스너를 잡아 앤빌 위의 공작물에 떨어뜨리면 작업이 멈춥니다. 이때 컨트롤러는 패스너 길이가 맞지 않으면 작업자에게 경고를 보냅니다.
보그스의 설명에 따르면, "설정 모드에서 프레스는 슬라이더를 천천히 내리고 그 위치를 기록합니다. 따라서 프레스가 최대 속도로 작동하여 고정 장치가 공구에 닿으면 시스템은 고정 장치의 길이가 지정된 허용 오차와 일치하는지 확인합니다. 측정값이 허용 오차 범위를 벗어나거나 너무 길거나 짧으면 체결 부품 길이 오류가 발생합니다. 이는 체결 부품 감지(상단 공구에 진공이 없는 경우, 일반적으로 하드웨어 공급 오류로 인해 발생)와 톤수 범위 모니터링 및 유지 관리(작업자가 수동으로 밸브를 조정하는 대신)를 통해 검증된 신뢰할 수 있는 자동화 시스템을 구축하기 때문입니다."
보그스는 "자가 진단 기능을 갖춘 하드웨어 인쇄기는 로봇 모듈에 큰 이점을 제공할 수 있습니다."라고 말했습니다. "자동화된 시스템에서 로봇은 용지를 정확한 위치로 이동시킨 후 인쇄기에 신호를 보내 '현재 위치가 적절하니 인쇄를 시작하세요'라고 알립니다."
하드웨어 프레스는 (판금 가공물의 구멍에 설치된) 앤빌 핀을 깨끗하게 유지합니다. 상부 펀치의 진공 상태가 정상이라는 것은 패스너가 있다는 뜻입니다. 이 모든 것을 파악한 프레스는 로봇에게 신호를 보냈습니다.
보그스의 설명에 따르면, "프레스 기계는 기본적으로 모든 것을 살펴보고 로봇에게 '좋아요, 괜찮습니다.'라고 말합니다. 그런 다음 스탬핑 사이클을 시작하여 패스너의 존재 여부와 정확한 길이를 확인합니다. 사이클이 완료되면 하드웨어 삽입에 사용된 압력이 올바른지 확인한 후 로봇에게 프레스 사이클이 완료되었다는 신호를 보냅니다. 로봇은 이 신호를 수신하고 모든 것이 깨끗하다는 것을 확인한 후 공작물을 다음 구멍으로 이동시킬 수 있습니다."
원래 수동 작업자를 위해 고안된 이러한 모든 기계 점검은 추가 자동화를 위한 훌륭한 기반을 제공합니다. 보그스와 반 데 부어는 판재가 모루에 달라붙는 것을 방지하는 특정 설계와 같은 추가 개선 사항을 설명합니다. 보그스는 "스탬핑 공정 후 패스너가 달라붙는 경우가 있습니다."라고 말했습니다. "재료를 압축할 때 발생하는 고유한 문제입니다. 하단 공구에 달라붙으면 작업자가 공작물을 약간 돌려서 빼낼 수 있습니다."
그림 4. 다웰 핀이 있는 셔틀 볼트. 설치가 완료되면 셔틀은 장비를 상단 공구로 이송하고, 상단 공구는 진공 압력을 사용하여 장비를 고정하고 공작물로 이송합니다. 앤빌(왼쪽 하단)은 4개의 터릿 중 하나에 위치합니다.
안타깝게도 로봇은 인간 작업자의 기술을 따라잡지 못합니다. "그래서 이제는 공작물을 제거하고, 패스너를 공구에서 밀어내는 데 도움을 주는 프레스 설계가 개발되어 프레스 공정 후 걸림 현상이 발생하지 않습니다."
일부 기계는 로봇이 공작물을 작업 영역 안팎으로 이동시키는 데 도움이 되도록 목 깊이가 다르게 설계되어 있습니다. 프레스에는 로봇(그리고 수동 작업자)이 작업물을 안전하게 위치시킬 수 있도록 도와주는 지지대도 포함될 수 있습니다.
궁극적으로 신뢰성이 핵심입니다. 로봇과 협동 로봇은 통합을 용이하게 함으로써 이러한 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 보그스는 "협동 로봇 분야에서 공급업체들은 로봇을 기계와 최대한 쉽게 통합할 수 있도록 많은 노력을 기울여 왔으며, 프레스 제조업체들 또한 적절한 통신 프로토콜을 구축하기 위해 많은 개발 작업을 진행해 왔습니다."라고 말했습니다.
하지만 스탬핑 기술과 작업장 기술, 즉 공작물 지지, 명확하고 문서화된 작업 지침, 그리고 적절한 교육 또한 중요한 역할을 합니다. 보그스는 여전히 누락된 패스너나 하드웨어 관련 문제에 대한 문의 전화를 받고 있는데, 그중 상당수는 신뢰할 만하지만 매우 오래된 기계를 사용하는 경우라고 덧붙였습니다.
이 기계들은 믿을 만할지 모르지만, 장비 설치는 미숙하거나 비전문가가 할 일이 아닙니다. 잘못된 길이를 측정했던 기계를 떠올려 보세요. 이 간단한 점검만으로도 작은 오류가 큰 문제로 번지는 것을 막을 수 있습니다.
그림 5. 이 하드웨어 프레스는 정지 장치가 있는 턴테이블과 4개의 스테이션을 갖추고 있습니다. 또한, 작업자가 접근하기 어려운 곳에 도달할 수 있도록 특수 앤빌 툴이 장착되어 있습니다. 여기서는 피팅이 후면 플랜지 바로 아래에 삽입됩니다.
팀 헤스턴은 <패브리케이터>의 수석 편집자로, 1998년부터 금속 가공 업계에 몸담고 있으며, 미국 용접 협회(American Welding Society)의 용접 잡지에서 경력을 시작했습니다. 그는 스탬핑, 벤딩, 절단부터 연삭 및 연마에 이르기까지 모든 금속 가공 공정을 다뤄왔습니다. 2007년 10월에 <패브리케이터>에 합류했습니다.
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