통합 로보틱스 및 고급 모션 제어

오늘날의 장비제조업체들은 유연 생산의 요구를 충족하는 장비를 제공해야 하는 막대한 부담을 안고 있습니다. 모든 것이 주문 생산되는 오늘날의 세상에서, 소비자들은 다양한 맛, 포장 사이즈, 좋아하는 제품의 멀티팩 제품을 요구하며 현상 유지를 선호하는 기업들에게 도전과제를 던져주고 있습니다.

 소비재(CPG) 제조업체는 전환을 최적화하는 미래형 설계를 제공하고, 아직 상상해보지 못한 새로운 SKU(STOCK KEEPING UNIT)를 위해 빠르게 성장해야 하는 도전과제를 직면하고 있습니다.

 최근까지, 장비제조업체들은 공장 현장에 장비를 공급하는 방법의 측면에서 별다른 선택의 여지가 없었습니다. 일반적으로 모든 소비재 제조 또는 포장 애플리케이션은 여러 대의 독립형 장비가 하나의 완전한 생산라인으로 통합되는 형태로 되어 있습니다. 현재에도 많은 공장들은 이러한 형태를 유지하고 있습니다.

 이 생산라인은 정적 장비 부품, 마찰 기반 컨베이어, 수많은 이질적인 보조 장비들로 구성되는 것이 특징입니다. 따라서 고정된 변수에 기반해 단일 제품을 생산하는 경우, 인상적인 산출량을 달성할 수 있지만 장비의 유연성이 저하되는 경우가 많습니다 복잡한 기계적 조정과 장비 동기화는 많은 시간이 소요되고, 정해진 제품 출시 시기에 맞춰야 하는 공장 현장에서는 시간이라는 재화의 가치에는 프리미엄이 붙을 수 있습니다.

기술의 진보

다행히, 이보다 더 나은 방법이 있습니다. 기술의 발전을 통해, 장비제조업체들은 이제 더 큰 유연성을 원하는 제조업체들의 요구를 충족할 수 있는 더 나은 방법을 활용할 수 있게 되었습니다. 특히, 3가지 핵심 메카트로닉스(Mechatronics) 기술은 장비제조업체와 장비제조업체가 서비스를 제공하는 고객의 관계에 대한 공식을 변화시키고 있습니다.  

 첫째로, 로보틱스는 그 어느 때보다 더 많은 소비재(CPG) 애플리케이션으로 진출하고 있습니다. 로봇은 3차원으로 완전하게 작동하고, 기계적으로 경로를 재설정하지 않아도 적절한 경로를 스스로 결정할 수 있으며, 무한하게 다양한 형태와 크기의 제품을 생산할 수 있는 역량을 제공합니다.

 두 번째로, 리니어 모터 기술, 특히 독립형 무빙 카트 기술(ICT)은 다양한 제품 조합에 대한 장비의 반응도를 향상시켜 줍니다. 고정된 속도로 사전 설정된 경로를 따라 제품을 이동하는 기존 컨베이어와는 달리, ICT는 작업이 완료된 제품들을 지능적으로 이동시킵니다.

 마지막으로 자동화된 제품 전환 - 수동 개입의 필요성을 최소화하고, 작업자 인터페이스를 사용해 새로운 제품이나 포장 구성을 용이하게 합니다. 새로운 서보 드라이브 기능은 이러한 옵션을 한층 더 비용 효율적으로 만들어 줍니다.

 최신 모션 제어 기술은 제조업체들이 더 다양한 제품 및 포장 사이즈에 대한 소비자의 요구를 충족시키는데 도움을 줄 수 있습니다. 로크웰 오토메이션은 최근 컨트롤러 없이도 시스템으로 작동하는 Kinetix 5100 서보 드라이브와 Kinetix TLP 모터 및 케이블을 출시했습니다. 이는 소형 기계를 제작하는 장비제조업체들을 위한 보다 비용 효율적인 옵션입니다.

 새로운 Allen-Bradley Kinetix 5100 서보 드라이브는 LogixMicro800 컨트롤러와 함께 사용 할 수 있으며, 단독으로도 사용이 가능하여, 장비제조업체가 그들에게 가장 적합한 방식으로 제품을 사용할 수 있도록 지원합니다.

 또한, 이 드라이브 시스템은 장비제조업체가 고객 생산성을 향상시킬 수 있도록 돕습니다. 폭발적으로 증가하는 SKU(STOCK KEEPING UNIT)로 인해, 제조업체들은 대부분 여러 차례 수동으로 제품을 전환 해야만 합니다. Kinetix 5100 서보 드라이브를 사용하면 제품 전환을 가속화하는데 도움을 주는 모터형 또는 자동화된 시스템을 구축할 수 있습니다.

 전체 장비로부터 전원을 제거하지 않고도 모터 토크를 제거할 수 있는 안전 토크 차단(Safe Torque Off) 기능이 내장되어, 장비는 안전한 상태에 도달한 후 더 신속하게 다시 시작할 수 있습니다. 또한 듀얼 포트 EtherNet/IP로 장치레벨링(DLR : Device Level Ring) 토폴로지를 지원합니다.

 첨단 기술을 통해 장비의 유연성을 향상시킬 뿐만 아니라, 장비제조업체가 더 작은 공간에서 더 적은 수의 장비로, 더 많은 일을 할 수 있게 합니다.실제로, 더 많은 장비제조업체들이 충전, 포장 등 고유한 작업을 단일 제품으로 결합한 컴팩트한 솔루션을 제공하고 있습니다.

통합 로보틱스

통합 로보틱스는 한때 지나가는 유행이 아닙니다. 통합 로보틱스는 로봇을 제어하는 단일 라인 또는 셀 컨트롤러로 정의됩니다. 이는 서보 모터, 드라이브, 학습 펜던트, I/O 등 전용 로봇 컨트롤러와 관련된 하드웨어 부품의 필요성을 줄일 수 있습니다. 이러한 방식으로, 단일 컨트롤러를 사용하여 다수의 로봇을 제어하고, 운영 효율성을 향상하며, 통합을 간소화할 수 있습니다.

 모도 인텔리전스(Mordor Intelligence)의 최근 연구에 따르면, 로봇이 중요한 역할을 하는 스마트 팩토리 시스템에 산업용 로봇을 적용하면서 산업용 로봇 시장의 수요가 급격하게 증가했다고 밝혔습니다.이 연구는 전 세계 스마트 팩토리 시장이 2024년까지 3886.8억 달러(USD)에 이를 것으로 전망하고 있습니다. 이는 엔드유저 업계 전반에서 자동화를 위한 산업용 로봇의 적용 규모에 대한 인사이트를 제공합니다.

유연한 '다조합 및 소량' 생산 환경에 필요한 요구를 충족하기 위해, 많은 장비제조업체들이 고정된 장비 시스템에서 벗어나, 로봇 기술과 고급 모션 기술이 통합된 혁신적인 방법을 개발하고 있습니다. 장비제조업체들은 어떤 기술이 애플리케이션에 가장 적합한지 뿐만 아니라, 어떻게 그 기술을 장비와 공장 아키텍처에 효과적으로 통합 할 수 있는가에 대한 질문을 해보아야 합니다.

 불과 얼마 전만 해도, 장비제조업체들은 별다른 선택의 여지가 없었습니다. 제3자 공급업체가 제공한 첨단 기술은 일반적으로 전용 제어 시스템을 갖추고 있습니다. 결과적으로 장비의 상호작용은 다수의 이질적인 시스템들이 제대로 통합되는가에 달려 있었습니다. 장비제조업체에게, 이러한 시나리오는 장비의 수명주기의 모든 단계에서 복잡성을 더해줍니다.

 직원이 다수의 시스템을 완벽하게 마스터해야만 하는 경우, 설계 효율성은 달성하기 어렵고, 고객 지원은 더 까다로워집니다. 통신이 지연되고 동기화에 문제가 있다면 성능 향상은 기대할 수 없습니다. 다행히도, 프로그래밍이 가능한 안전 컨트롤러(PAC)의 발전으로 이러한 장벽이 제거되었습니다.

 향상된 프로세서 속도와, 최신 PAC에서 사용 가능한 성능은 장비제조업체가 장비 제어에 대한 통합된 접근방식을 취할 수 있게 합니다. 로보틱스, ICT, 자동 전환 시스템과 같은 첨단 기술은 이제 장비의 나머지 부분을 구동하는 표준 PAC에서 실행될 수 있습니다.

 단일 시스템 솔루션

통합된 장비 제어는 장비제조업체들이 보다 쉽게 고급 기술을 통합, 제어 및 조율할 수 있도록 해줍니다. 또한 엔드유저는 단일 시스템만 이해하면 되기 때문에 장비 조작과 유지보수가 간단해집니다.

 또한 통합 제어 플랫폼에 구축된 장비는 장비에서 생성되는 단일 통합 정보 소스를 제공하여, 장비제조업체가 정보를 보다 효과적으로 의미 있는 방식으로 전달할 수 있도록 해줍니다. 통합 장비 제어는 성능, 효율성 및 품질에 영향을 미치는 핵심 요소들을 모니터링하는데 도움을 주는 시각화, 보고 및 분석 솔루션을 위한 탁월한 기반을 마련해줍니다. 이는 장비제조업체가 공장에 보다 쉽게 통합되는 스마트한 장비를 구축할 수 있도록 해주며, 정보에 대한 액세스를 제공하여 엔드유저가 변화하는 시장의 요구에 보다 민첩하게 대응할 수 있도록 해줍니다.

통합 제어 플랫폼이 제공하는 다양한 혜택

캐나다 온타리오주 토론토 외곽의 브램튼에 위치한 AFA Systems는 엔지니어링 포장 자동화 시스템의 세계 선두적인 공급업체입니다. 이 기업의 포트폴리오에는 로봇, 카토닝 머신, 케이스 포장, 팔레타이저 등 다양한 제품이 포함됩니다.

 최근 AFA Systems는 중국의 한 기업으로부터 새로운 기능 식품을 위한 고속 포장 솔루션을 구축해달라는 요청을 받았습니다. 이 중국 기업은 액상 제품을 100mm의 작은 병에 담아 카톤 당 50병씩 포장하여 판매할 계획이었습니다. 이외에도, 소비자가 상자 플랩을 열었을 때 트레이 역할을 할 수 있도록 천공이 있는 포장 상자를 필요로 했습니다. 또한 각 카톤 포장에 스트로우가 10개씩 담긴 묶음 5개를 넣을 필요가 있었습니다.

AFA Systems의 영업 및 마케팅 매니저 에릭 랭엔(Eric Langen)은 “이러한 카톤 디자인은 고객이 두 가지 시장 이니셔티브를 충족할 수 있게 해주었다”며 “이 카톤은 각 제품의 판매를 위한 소매 포장 단위의 역할도 하고 전체 카톤을 구매하는 소비자들을 위해 편리한 저장 장치의 역할도 한다”고 설명했습니다.

 고객의 요구사항을 충족하기 위해, AFA Systems는 병입 라인을 위해 하중 내구성, 간헐적인 동작 자동 로드 카토닝 머신으로 구성된 새로운 장비 조립 라인을 설계했습니다. 일체형 프레임에 구축된 이 장비는 모든 작업을 2.8m 이내에서 완료합니다. 이는 기존의 다중 머신 솔루션에 일반적으로 필요한 공간의 절반에 해당합니다. 또한 이 장비는 분당 1,200병을 처리합니다.

이 복잡한 시스템은 6대의 AFA Systems의 로봇이 사용되었습니다. 채우기, 뚜껑 닫기, 라벨 붙이기 작업이 완료되면, 병들은 측면으로 뉘어져 두 개의 인피드를 통해 장비로 유입됩니다. 병들은 포켓 컨베이어를 통해 두 개의 갠트리 로봇으로 이동됩니다. 갠트리 로봇은 포켓 컨베이어에서 한번에 10병씩(각 주기당 20병) 집어 올려 50개 병이 들어가는 플라스틱 트레이에 병들을 올려 놓습니다. 트레이가 채워지면, 세 번째 갠트리 로봇이 트레이를 카톤으로 밀어 넣고, 다른 갠트리 로봇이 카톤을 세워 형태를 잡습니다. 카톤은 스트로우 포장 스테이션으로 이동합니다.

동시에, 싱귤레이터 컨베이어가 스트로우 패킷을 한 줄로 만들어 두 대의 델타 로봇으로 보냅니다. 델타 로봇들은 스토로우 패킷을 집어 준비 플레이트에 올려놓고, 플레이트는 가장자리에서 회전해 선행하는 병들 사이에 위치한 카톤에 최종적으로 실려집니다. 그리고 밀봉 작업을 거친 카톤은 장비에서 배출됩니다.

랭앤은 “이는 대단히 복잡한 애플리케이션”이라며 “그러나 모든 장비 운영에 단일 제어 플랫폼을 사용함으로써 고객의 학습, 운영 및 유지보수 작업을 간소화할 수 있었다. 별도의 로봇 플랫폼은 필요하지 않았다”고 말했습니다.

이 장비는   Allen-Bradley ControlLogix 프로세서 두 대와 Allen-Bradley Kinetix 서보 드라이브 스물 두 대로 구성된 로크웰 오토메이션 제어 플랫폼에 기반합니다. Allen-Bradley PowerFlex 525 드라이브가 컨베이어를 구동합니다. 시스템은 EtherNet/IP 단일 네트워크에 통합되었고  Allen-Bradley PanelView 그래픽 인터페이스를 이용해 모니터링 됩니다.

이러한 통합 제어 플랫폼은 AFA Systems가 다수 애플리케이션에 공통 프레임을 사용하여 점유면적 50% 감소, 분당 1,200병의 고속 처리 달성, 로봇을 비롯 모든 애플리케이션에 단일 공통 제어 플랫폼을 사용하여 유지보수 작업 절감 등의 혜택을 제공하는 솔루션을 구축할 수 있도록 해주었습니다.

로봇 혁명

과거에는, 로봇은 공상과학 영화의 한 장면에서나 볼 수 있는 것이었습니다. 그러나 오늘날 로봇은 우리의 일상 생활에서 없어서는 안되는 일부분이 되었습니다. 제품 SKU(STOCK KEEPING UNIT)가 지속적으로 증가하고 있기 때문에, 제조 장비는 더 다양한 제품을 더 빠르게 생산할 수 있도록 더 민첩해져야 합니다.

 장비제조업체는 로보틱스의 장점과 로봇에 대한 제조업체들의 수요를 잘 알고 있습니다. 그 미래는 밝아 보입니다. 통합 로보틱스의 도움을 받으면, 다양한 맛, 포장 사이즈 그리고 좋아하는 제품의 멀티팩을 원하는 소비자들의 니즈를 보다 쉽게 충족할 수 있습니다.

 이뿐만 아니라, 산업용 사물인터넷(IIoT) 덕분에, 로봇들은 이제 비즈니스 의사결정에 도움을 주는 실시간 정보를 제공할 수 있습니다. 클라우드 연결을 통해, 원격으로 로봇을 모니터링, 관리 및 유지보수할 수도 있습니다. 이는 공급업체들이 서비스로서의 로봇(Robotics as-a-Service, RaaS) 모델을 지원할 수 있게 만들어 주었습니다.

 실제로, 글로벌 데이터(Global Data)는 최근 산업용 자동화 분야에 대한 주제 채점표(Thematic Scorecard)를 발표하고, IBM, 로크웰 오토메이션, 구글을 서비스로서의 로봇(RaaS) 분야의 선두적인 산업 자동화 기업으로 선정했습니다. 로봇 기술이 지속적으로 발전해 나가면서, 서비스로서의 로봇(RaaS)은 기업들이 핵심 부품의 상태를 모니터링하고 계획에 없던 다운타임을 감소시키며 생산성을 향상시키는데 도움을 줄 것입니다.

엔드유저들은 정보 기술(IT)과 제조운영 기술(OT)을 단일 네트워크 아키텍처로 통합해주는 커넥티드 엔터프라이즈(The Connected Enterprise®)로 이동하고 있습니다. 스마트 머신과 장비는 데이터에 대한 실시간 액세스는 물론, 더 큰 연결성과 더 견고한 보안을 제공합니다.

장비제조업체든 엔드유저든, 통합 로보틱스는 전례 없는 수준의 유연성과 민첩성을 제공할 수 있습니다. 그리고 이 두 가지는 기업과 고객이 더 큰 성공을 얻을 수 있도록 해주는 핵심 요소입니다.