▲ 2013년도 로봇융합포럼에서 제조분과 위원장으로 선임된 문전일 대구경북과학기술원 실장.

■ 선체블록 내부도장 자동화 시스템 개발

대덕연구소의 메카트로닉스 센터에서 조선 자동화에 필요한 각종 로봇을 개발해 현업에 적용하고 있는 삼성중공업은 선체블록 용접로봇, 선체블록 도장로봇, 플라즈마 용접로봇, 파이프청소로봇, 파이프 용접로봇 등 로봇도 생산하고 있다.

특히 삼성중공업이 개발한 선체블록 내부도장 자동화 시스템은 8개의 와이어를 이용해 전면 도장작업에 유리하도록 공중에 매달린 상태로 블록내부를 자유롭게 이동가능하며, 탑재된 로봇을 이용해 블록내부에 대한 도장작업이 가능한 자동화시스템이다.

시스템을 블록 내부로 인입시키기 위한 인입장치가 개발됐으며, 블록 바깥쪽에는 케이블 및 호스 처리장치가 장착되어 시스템의 작업 위치에 따라 호스의 길이를 적절하게 제어한다. 자율이동시스템에 탑재되는 한 쌍의 환경인식 장치는 블록내부의 장애물 및 미등록 부재를 인식해 로봇의 작업 스케줄링을 수정한다. 이외 운영프로그램은 로봇 매크로를 생성시키고, 시뮬레이션을 통해 작업 상태 모니터링 및 작업 실적을 관리한다.

주로 조선소 선행블록 관련 내·외부도장 작업을 수행하는 데 사용되고 있으며, 현재조선소 선체외판 Final 도장장비 개발이 진행 중에 있는 것으로 알려졌다. 또한 현재 고소차를 탑승해 작업하는 선체 외판 도장 작업을 대체하기 위한 와이어 플랫폼 이용 외판 도장 장비의 개발이 진행 중이다.

선체블록 내부도장 자동화 시스템의 개발과정은 1단계기간 중 블록바닥면을 지지한 상태로 하부 구조물을 승월식으로 이동하는 형태의 시스템을 개발했으나, 현업 적용성을 보다 향상시키고자 2단계에서는 와이어를 이용해 이동하는 형태의 시스템으로 개발방향을 전환했다. 1단계에서는 주로 현장조사 및 도장기술 개발에 중점을 두었으며, 2단계에서는 시스템 개발보완 및 보조장치 개발 등의 현업 적용성과 신뢰성 향상에 치중했다.

2007년 5월 승월방식의 초도품이 제작된 후, 2008년 3월에 와이어를 이용한 자율이동 시스템이 제작됐으며, 2008년 11월과 2010년 2월에 각각 개선된 형태의 시제품을 완성했다.

선체블록 내부도장 자동화시스템 개발 과정에서 총 57건의 국내특허가 출원됐으며, 탑재형 정밀제어용 윈치 메커니즘 관련 핵심특허 5건은 미국, 일본, 독일, 중국 등의 국가에 출원했다.

◇ 실패 분석과 혀업 통해 성공시스템 구축

선진 조선소 등에서 선행된 선체블록 내부 자동화 장비에 대한 벤치마킹 및 실패 요인들을 면밀히 분석하고, 도장 전담 연구조직과의 협업, 그리고 전면 도장작업에 적합한 와이어 이용 공중 부양형 시스템 개발의 선택이 개발성공의 결정적 요인이 됐다.

개발 장비에 대해 현업적용을 진행하면서 지속적인 작업품질 향상 및 시스템 신뢰성 확보가 진행되고 있다. 또한 작업성 향상을 위해 추가 경량화가 이루어질 예정이다. 자동화 장비의 주요부품은 독일, 스위스 및 일본제품이 사용되고 있는데, 이에 대한 국산화 개발을 통해 부품 수급의 문제점을 개선시키고, 시스템 제작비용을 저가화해 국내 조선소 내 확대 보급을 실시할 계획으로 전해지고 있다. 국제 경쟁력, 국제적 선도성을 갖추기 위해 유관업계 간의 양산, 공동협력에 의한 상호출자 등을 통한 공동개발 및 판매 등이 가능하도록 추진할 계획이다.

◇ 소재부품의 국산화와 신뢰성 검증 총괄기관 필요

와이어를 이용한 공중 부양형 장비는 이동 및 작업 가능영역 확보를 위해 시스템 경량화가 필수 요소인데, 경량소재의 선택과 16개의 소형 고출력 모터의 적용이 필요했다. 하지만 국산모터의 성능 한계로 고가의 수입모터를 적용해야 했으며 이로 인해 개발 장비의 제작단가를 낮추는데 한계가 있었다.

국내에는 이러한 도장 자동화 시스템 전체를 생산 전담할 회사는 없으며 생산 시 신뢰성 검증을 총괄로 수행할 만한 기관도 없다.

◇ 주요 소재부품 및 기술

선체블록 내부도장 자동화 시스템은 △와이어 장력측정센서, 와이어 길이 측정부, 와이어 강제 토출부 등으로 구성된 탑재형 정밀제어용 와이어윈치 △탑재형 제어기 △환경인식 센서 등이 주요 부품을 이루고 있다.

모터는 스위스 맥슨모터에서 공급받고, 와이어 길이 측정을 위한 ABS 엔코더는 일본의 다마카와 제품을, 환경인식 센서는 일본의 Hokuyo 제품을 적용했으며, 기타 부품은 국내산이 사용되고 있다. 제어기 및 모션&구동드라이버 등은 삼성중공업이 자체개발했다.

자율이동시스템에 탑재된 한 쌍의 환경인식 센서를 이용해 선체블록 내부의 장애물 및 미등록 부재를 인식하고 작업 스케줄링에 반영한다. 자체 개발된 탑재형 소형 제어기는 도장로봇의 각 구동축에 분산 배치돼, 로봇의 소형화 및 최적화를 가능케 했다.

탑재형 정밀제어 윈치를 개발해 와이어의 길이를 정밀하게 제어함으로써 시스템의 이동 정밀도가 확보됐으며, 각 와이어의 장력을 실시간으로 측정해 안전성 확보가 가능해 졌다. 더불어 자율이동 시스템의 도킹모듈 개발로 도장로봇이 자율적으로 홀을 통과해 다음 작업구간으로 이동이 가능해 졌다.

삼성·현대 등 대기업 진출 ‘러시’

모터,센서 등 부품 국산화 시급

▲ 선체블록 내부도장 자동화 시스템의 로봇.

■ 철강산업의 지능화, 슬리팅라인 나이프자동교환 로봇

철강제조설비 및 중공업 분야의 로봇시스템을 특화개발, 공급하고 있는 산업용로봇공급업체 유진엠에스는 드로스제거로봇, 슬릿라인 나이프자동교환로봇 등을 개발했다.

드로스제거로봇은 제철소 도금공정에서 아연도금 욕조의 드로스(침전물 및 부유물)를 제거하는 로봇시스템이다. 슬리팅라인 나이프자동교환로봇은 코일센터에서 사용되는 코일절단용 슬리터 설비의 칼날 및 스페이서를 자동으로 조립, 해체하는 로봇시스템이다.

슬릿로봇은 신일본제철계열 H사에서 개발공급 중인 모델을 참조로 개발, 착수했다. 슬릿로봇의 핵심인 자동계산 알고리즘 소프트웨어 개발에 많은 시간과 인력을 투입했으며 소프트웨어기능 못지않게 로봇의 기능도 중요한데 본 제품개발에 필요한 추가적인 로봇기능은 현대중공업의 협력 하에 수행됐다.

2007년 4월 박물용 슬릿로봇 개발을 시작하여 2008년 3월 개발완료했다. 2011년에는 후물용 슬릿로봇까지 개발하여 현재 상용화 하고 있다.

현재 국내 6개, 해외(미국) 1개 철강산업분야 코일센터의 슬리팅 라인에 본 제품을 공급, 생산가동 중에 있다.

▲ 선체블록 내부도장 자동화 시스템을 구성하고 있는 주요 부품.

◇ 핵심기술 자체 개발

외국제품의 장단점에 대한 벤치마킹과 슬리팅라인 분야의 전문기업과 협력을 통하여 수요자 요구에 부응하는 맞춤형 제품개발이 성공의 결정적 요인이다.

핵심기술인 소프트웨어와 제어기술은 자체적으로 수행하고, 하드웨어는 외부 전문업체와 협력, 생산함으로써 효율적 개발, 제작공급이 가능했다.

향후 국내공급을 기반으로 장기적으로는 중국, 인도 등 해외시장에 적극 진출예정으로 전해지고 있다.

◇ 제어시스템 개발 ‘난항’

초기 개발 시 슬리팅라인의 작업특성 및 조건 등에 관련한 지식이 부족해 소프트웨어 개발에 많은 시행착오를 겪었다. 제품의 성능에 필요한 기존 로봇 및 제어기기의 기능 구현에 한계가 있어 해당 메이커 협조가 없이는 개발 수행이 어려운 상황이었다.

기본 기능은 같으나 각 수요업체마다 생산제품사양 및 요구조건이 달라 매번 엔지니어링인력이 많이 투입 됐다. 하지만, 몇 가지 모델별 표준화를 통해 엔지니어링시간을 단축하고 설비제작원가를 절감할 수 있었다.

◇ 주요 소재부품 및 기술

주요부품은 나이프, 스페이서 등을 필요 폭 단위로 핸들링 할 수 있는 로봇 툴, 조립용 축 및 대차, 생산모델에 따른 최적칼날배치 알고리즘 소프트웨어 및 지능형 로봇제어 프로그램 등으로 구성된다.

로봇은 초기에는 수입제품을 사용했으나 최근에는 현대중공업 제품을 사용 중이며 PLC, 모터 등 핵심부품은 일부 수입제품을 사용 중이다. 제품은 슬리터 설비와 연계되어 구성되는 것으로서 슬리터 설비의 국내최대 공급사인 I사와 협력해 공급하고 있다.

로봇은 입력된 가공지시서를 기반으로 나이프 및 스페이서의 배열과 조립, 해체 순서를 자동으로 계산하는 알고리즘 소프트웨어가 핵심기술이다.