로봇 워크셀 설계와 주변 장치 통합 가이드

목차

• 로봇 워크셀은 어떻게 구성되나
• 작업 흐름을 기준으로 워크셀 배치하기
• 공급 장치와 주변 설비를 연결하는 방법
• 안전과 정비 공간도 워크셀 설계에 포함된다
• 로봇 워크셀과 구동부 설계
• 본시스템즈의 구동 기술을 워크셀에 적용할 때
• FAQ
• 참고자료

로봇 워크셀 설계와 주변 장치 통합 살펴보기

로봇 자동화를 구성할 때는 로봇 한 대의 성능만으로 전체 설비를 판단하기 어렵습니다. 로봇이 작업할 소재가 어디에서 들어오고, 어떤 위치에서 작업한 뒤, 어디로 이동하는지까지 하나의 흐름으로 살펴봐야 합니다.

이처럼 하나의 작업에 필요한 로봇과 엔드이펙터, 지그, 공급 장치, 안전 설비, 제어 장치 등을 일정한 공간 안에 구성한 것을 로봇 워크셀이라고 합니다.

같은 로봇을 사용하더라도 주변 장치의 위치와 작업물의 공급 방식에 따라 실제 자동화 설비의 구조는 달라질 수 있습니다. 로봇의 작업 범위 안에 모든 장비가 들어간다고 해서 바로 작업할 수 있는 것도 아닙니다. 로봇이 이동하는 경로와 작업자의 접근 공간, 소재의 이동 방향까지 함께 확인해야 합니다.

따라서 로봇 워크셀을 설계할 때는 개별 장비를 먼저 선정하기보다 자동화하려는 작업의 흐름을 정리한 뒤 각 장치를 배치하는 것이 중요합니다. 이 글에서는 로봇 워크셀의 기본 구성부터 레이아웃, 엔드이펙터와 지그, 주변 장치 연동, 정비 공간과 구동부까지 살펴봅니다.

로봇 워크셀은 어떻게 구성되나

로봇 워크셀은 하나의 작업을 수행하는 데 필요한 여러 장치를 하나의 작업 공간 안에 구성한 형태입니다.

가장 중심이 되는 것은 로봇입니다. 로봇은 작업 위치 사이를 이동하면서 물체를 옮기거나 공구를 움직이는 역할을 합니다. 실제 작업은 로봇 끝단에 장착되는 엔드이펙터를 통해 이루어집니다.

엔드이펙터에는 물체를 잡는 그리퍼뿐 아니라 작업 목적에 따라 다양한 장치를 적용할 수 있습니다. 따라서 로봇이 들어 올려야 하는 작업물뿐 아니라 엔드이펙터 자체의 크기와 무게도 함께 살펴봐야 합니다.

작업물을 정해진 위치에 놓기 위한 지그나 고정구도 워크셀의 중요한 구성 요소입니다. 로봇이 같은 위치로 움직여도 작업물이 놓이는 위치가 달라지면 실제 작업 조건도 달라질 수 있기 때문에 작업물을 어떤 방식으로 배치하고 고정할지를 함께 검토해야 합니다.

공급과 배출 장치는 작업물이 워크셀 안으로 들어오고 나가는 흐름을 만듭니다. 컨베이어를 이용할 수도 있고, 트레이나 팔레트에 작업물을 배치할 수도 있습니다. 다른 자동화 설비나 이동 로봇과 연결하는 방식도 생각할 수 있습니다.

여기에 작업자와 설비를 위한 안전 장치와 각 장비의 동작을 연결하는 제어 장치 등이 추가됩니다.

결국 로봇 워크셀은 로봇을 중심으로 여러 장치를 붙이는 구조라기보다 작업물이 들어와 작업을 거쳐 다시 나가기까지 필요한 장치를 하나의 시스템으로 구성하는 것이라고 볼 수 있습니다.

작업 흐름을 기준으로 워크셀 배치하기

로봇 워크셀의 레이아웃을 구성할 때는 먼저 작업물의 이동 방향을 살펴보는 것이 좋습니다.

작업물이 어느 방향에서 들어오고, 어느 위치에서 로봇이 작업한 뒤, 완성된 작업물이 어디로 이동해야 하는지를 정하면 주변 장치의 위치도 구체적으로 검토할 수 있습니다.

로봇의 작업 범위도 중요한 조건입니다. 작업해야 하는 위치가 로봇의 작업 범위 안에 있는지 확인하고, 해당 위치까지 이동하는 과정에서 로봇 팔이나 엔드이펙터가 다른 장비와 간섭하지 않는지도 살펴봐야 합니다.

작업 범위 안에 있다고 해서 모든 위치에 같은 방식으로 접근할 수 있는 것은 아닙니다. 작업물의 방향과 주변 구조에 따라 로봇이 필요한 자세를 만들기 어려울 수도 있기 때문에 실제 작업 자세까지 포함해 배치를 확인하는 것이 중요합니다.

여러 대의 로봇이 하나의 워크셀에 들어가는 경우에는 각 로봇의 작업 범위도 함께 살펴봐야 합니다. 두 로봇이 같은 공간을 사용할 수 있다면 작업 순서와 이동 범위를 고려해 전체 동작을 구성해야 합니다.

작업자의 이동 공간도 빠뜨리기 쉽습니다. 소재를 공급하거나 완성품을 가져가는 작업뿐 아니라 지그를 조정하거나 장비를 점검하기 위해 사람이 워크셀에 접근해야 할 수 있습니다.

따라서 레이아웃을 구성할 때는 생산 중의 로봇 움직임뿐 아니라 작업물의 흐름과 작업자 접근, 장비 점검에 필요한 공간까지 함께 배치하는 것이 중요합니다.

공급 장치와 주변 설비를 연결하는 방법

자동화 설비가 계속 작업하려면 작업물을 워크셀 안으로 공급하고 완료된 작업물을 다시 외부로 이동시키는 과정도 필요합니다.

공급 방식은 작업물의 크기와 형태, 생산 방식에 따라 달라질 수 있습니다.

일정한 위치에 작업물을 배치한 트레이나 팔레트를 사용할 수도 있고, 컨베이어를 통해 작업물을 계속 공급할 수도 있습니다. 작은 부품을 일정한 방향으로 정리해 공급하는 별도의 장비가 적용되는 경우도 있습니다.

AMR이나 AGV 같은 이동 로봇을 이용해 워크셀까지 작업물을 운반하는 방식도 검토할 수 있습니다. 이 경우에는 이동 로봇이 작업물을 가져오는 위치와 워크셀이 작업물을 받는 위치를 함께 정해야 합니다.

워크셀 내부의 여러 장치가 순서에 맞게 움직이도록 신호를 주고받는 구성도 필요합니다. 작업물이 도착했는지, 지그가 작업 가능한 상태인지, 로봇 작업이 끝났는지 등의 정보를 이용해 다음 장치의 동작을 이어갈 수 있습니다.

구체적인 통신이나 제어 방식은 적용하는 장비와 전체 자동화 시스템에 따라 달라질 수 있습니다. 중요한 것은 각 장치가 어떤 상태에서 다음 동작을 시작해야 하는지 미리 정리하는 것입니다.

새로운 장치를 나중에 추가할 가능성이 있다면 해당 장비를 설치할 공간과 전원, 신호 연결 방법 등을 초기 설계에서 함께 살펴보는 것도 좋습니다.

이처럼 로봇 워크셀의 자동화 수준은 로봇 하나의 움직임보다 주변 장치가 어떤 순서로 작업물을 전달하고 작업을 이어가는지와 밀접하게 연결됩니다.

안전과 정비 공간도 워크셀 설계에 포함된다

로봇 워크셀에는 로봇과 여러 자동화 장치가 함께 움직이기 때문에 작업자가 어느 위치에서 설비에 접근하는지도 초기부터 고려해야 합니다.

작업 중 사람이 접근할 수 있는 구역과 로봇이 움직이는 공간을 어떻게 구성할지는 워크셀의 형태에 따라 달라질 수 있습니다. 적용되는 안전 장치와 요구사항 역시 로봇의 종류와 작업 방식, 사용 환경에 따라 별도로 확인해야 합니다.

중요한 것은 안전 장치를 설계가 끝난 뒤 추가하는 요소로 보기보다 워크셀 배치와 함께 검토하는 것입니다. 사람이 소재를 공급해야 하는 위치와 장비를 점검하는 위치를 미리 정하면 필요한 접근 공간도 보다 명확하게 확인할 수 있습니다.

정비 공간 역시 같은 관점에서 살펴봐야 합니다.

워크셀 내부에는 로봇뿐 아니라 모터와 감속기, 센서, 케이블과 각종 주변 기구가 배치될 수 있습니다. 장비를 처음 설치하는 데 필요한 공간과 이후 부품을 점검하거나 교체하는 데 필요한 공간은 다를 수 있습니다.

예를 들어 모터나 감속기를 교체하려면 해당 부품을 분리할 방향으로 공간이 필요합니다. 케이블을 교체하거나 커넥터를 분리할 때도 작업자가 접근할 수 있어야 합니다.

주변 장치를 지나치게 가까이 배치하면 셀의 크기는 줄일 수 있지만 정비 과정이 어려워질 수 있습니다. 따라서 초기 레이아웃에서 주요 장비 주변에 필요한 작업 공간을 함께 검토하는 것이 좋습니다.

워크셀은 설치가 끝난 시점뿐 아니라 실제 운영하면서 점검하고 부품을 교체하는 과정까지 고려해 설계해야 하는 설비입니다.

로봇 워크셀과 구동부 설계

로봇 워크셀 안에는 로봇 관절뿐 아니라 회전 테이블, 지그 회전축, 이송 장치와 같은 다양한 구동 장치가 사용될 수 있습니다.

각 구동부에서 필요한 조건은 수행하는 작업에 따라 달라집니다. 작업물을 회전시키는 장치와 컨베이어를 움직이는 장치, 로봇 관절은 모두 요구되는 하중과 움직임이 다르기 때문입니다.

따라서 워크셀에 적용할 감속기나 액추에이터를 검토할 때는 먼저 해당 축이 어떤 작업을 담당하는지 살펴봐야 합니다. 움직여야 하는 대상의 무게와 필요한 회전 범위, 속도, 설치할 수 있는 공간 등을 기준으로 구동부를 검토할 수 있습니다.

설치 공간은 워크셀에서도 중요한 조건입니다. 지그와 공급 장치, 안전 설비 등 여러 구성 요소가 제한된 공간에 함께 배치되기 때문에 구동부가 차지하는 두께와 외형도 장비 배치와 연결됩니다.

중공 구조가 적용된 감속기나 액추에이터에서는 중심부 공간을 배선이나 케이블이 지나가는 경로로 활용하는 방법도 검토할 수 있습니다. 회전축을 중심으로 여러 배선이 지나야 하는 장치에서는 이러한 구조를 설계 조건 가운데 하나로 살펴볼 수 있습니다.

워크셀의 구동부는 하나의 사양만 보고 선정하기보다 전체 장비 안에서 어떤 축을 움직이며, 어느 정도의 공간을 사용할 수 있는지를 함께 확인하는 것이 중요합니다.

본시스템즈의 구동 기술을 워크셀에 적용할 때

본시스템즈는 로봇과 자동화 장비에 적용할 수 있는 사이클로이드 감속기 BSR과 BCSA 액추에이터를 개발하고 있습니다.

로봇 워크셀에서는 로봇 관절뿐 아니라 회전 테이블이나 작업물 위치를 변경하는 기구 등 다양한 부분에 회전 구동부가 필요할 수 있습니다. 이때 필요한 감속비와 하중, 설치 공간을 기준으로 감속기나 액추에이터 적용 여부를 검토할 수 있습니다.

BSR은 박형 구조를 적용한 사이클로이드 감속기입니다. 워크셀 내부에서 주변 장치와 가까운 위치에 회전축을 배치하거나 장비 전체 두께를 제한해야 하는 경우에는 감속기가 차지하는 공간도 중요한 조건이 됩니다.

중공 구조가 적용된 제품은 회전축 주변의 케이블이나 배선 공간을 구성할 때 활용할 수 있습니다. 다만 실제 사용할 수 있는 중공 공간과 연결 구조는 모델마다 다르므로 장비 도면과 제품 사양을 함께 확인해야 합니다.

BCSA 역시 얇고 컴팩트한 구조로 구성되어 있어 로봇 관절이나 자동화 장비처럼 설치 공간이 제한된 구동부에서 적용 가능성을 검토할 수 있습니다.

본시스템즈의 액추에이터에는 Pinless 구조가 적용되어 있습니다. Pinless 구조는 기존 핀 구성에서 필요했던 일부 결합 요소를 줄여 감속기 내부 구조를 보다 단순하게 구성한 것이 특징입니다. 이를 통해 사이클로이드 제품의 조립 편의성을 높이고 제품 생산과 양산 대응을 고려할 수 있습니다.

FAQ

참고자료

1. 한국로봇산업협회(KAR) – https://www.korearobot.or.kr

2. 한국로봇산업진흥원(KIRIA) – https://www.kiria.org

3. 국가기술표준원 – https://www.kats.go.kr

4. 국제표준화기구(ISO) – https://www.iso.org

5. 한국산업기술시험원(KTL) – https://www.ktl.re.kr

6. 본시스템즈 공식 홈페이지 – https://www.bonsystems.co.kr

태그: 로봇워크셀, 자동화설비, 엔드이펙터, 감속기, 액추에이터