로봇 용접 자동화

왜 배우는가: 로봇 용접 자동화는 인력 부족과 인건비 상승 속에서 용접 품질을 일정하게 확보하기 위해 필요하다. 대량 생산 라인과 대형 구조물 용접에 널리 쓰이므로 실무에서도 구조와 원리를 알아야 한다. 여러 교시에서 목적과 구성요소를 묻는 문제로 출제된다.

출제 이력: 제134회 4교시 6번, 제132회 2교시 4번, 제129회 4교시 4번, 제87회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

로봇 용접 자동화는 로봇이 토치를 이동시키고 용접조건을 제어하여 용접을 수행하는 방식이다.

로봇 용접 자동화는 용접자동화의 한 형태이다. 용접자동화는 작업자가 계속 조작하지 않아도 장치가 연속적으로 용접을 진행하도록 하는 시스템을 말하며, 로봇 용접은 여기에 로봇과 제어기를 결합한 방식이다. 로봇 용접은 주어진 도면에 따라 로봇 프로그램에 데이터를 입력해 용접작업을 수행하는 것이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 용접자동화: 작업자의 연속 조작 없이 장치가 용접을 진행하는 시스템이다.
• 용접로봇: 용접 토치를 장착하여 용접을 수행하는 로봇이다.
• 매니퓰레이터: 관절과 링크로 토치를 원하는 위치로 옮기는 로봇의 기구부이다.
• 제어기: 좌표 계산과 구동부 제어를 맡는 로봇의 두뇌이다.
• 티칭펜던트: 작업자가 로봇을 교시하고 프로그램을 편집하는 휴대형 조작 장치이다.
• 오프라인 프로그래밍: 실제 로봇을 멈추지 않고 시뮬레이션으로 경로를 만드는 방식이다.
• 아크센서: 용접 아크의 전기 신호로 토치와 모재 사이 거리를 파악하는 센서이다.
• 용접선 추적: 센서가 이음부 위치를 감지하여 토치 위치를 보정하는 기능이다.

2. 개념 풀이

로봇 용접 자동화는 용접 대상물의 위치 정보와 용접조건을 프로그램으로 정하고, 로봇 제어기가 이를 구동부에 전달하여 토치를 정해진 경로와 속도로 움직이게 하는 용접 방식이다. 사람이 하던 자세 유지와 이동 속도 조절을 기계가 반복하므로 같은 조건의 용접을 재현할 수 있다는 점이 핵심이다.

원리는 용접 품질이 용접조건과 토치 위치에 함께 좌우된다는 데 있다. 전압, 전류, 와이어 송급 속도, 용접 속도를 정해 두어도 토치 위치가 흔들리면 용융 상태와 비드 형상이 달라진다. 그런데 고온 열원에 의한 열변형과 준비 과정의 정렬 오차로 이음부 위치가 매번 달라지므로, 로봇은 프로그램 경로만으로는 부족하고 센서로 오차를 보정해야 한다.

로봇 용접을 구성하는 핵심 요소는 다음과 같다. 매니퓰레이터는 로봇의 기구부로서 관절과 링크로 이루어져 토치를 공간의 원하는 위치로 옮긴다. 직교좌표형 로봇은 3개의 직선 운동만 제어하므로 제어가 간단하고 정밀도가 우수하여 대형 구조물 용접에 주로 쓰이지만, 동작의 유연성은 떨어지는 단점이 있다.

제어기는 로봇의 두뇌에 해당하며 좌표 계산과 구동부 제어, 용접 전원과의 신호 교환을 맡는다. 로봇 아크용접 장치의 주요 구성은 매니퓰레이터와 제어기이다. 티칭펜던트는 작업자가 로봇을 교시하고 프로그램을 편집하는 휴대형 조작 장치이다. 화면과 키패드로 프로그램 데이터를 보고 고치며, 로봇은 데드맨 스위치를 누르고 있을 때만 움직인다. 이 구조 덕분에 작업자는 로봇 근처에서도 안전하게 조작할 수 있다.

로봇 프로그래밍은 온라인 프로그래밍과 오프라인 프로그래밍으로 나뉜다. 온라인 프로그래밍은 실제 로봇을 사용하여 응용 프로그램을 만드는 방식으로, 티칭펜던트 조작과 손으로 이끄는 직접 교시가 여기에 속한다. 오프라인 프로그래밍은 실제 로봇을 정지시키지 않고 시뮬레이션 환경에서 용접 경로를 만드는 방식이다.

용접선 추적은 센서가 이음부 위치를 감지하여 토치 위치를 실시간으로 보정하는 기능이다. 아크센서는 용접 아크 자체의 전기 신호를 이용하므로 별도의 감지 장치 없이 토치와 모재 사이 거리를 파악한다. 비전센서와 레이저센서는 비접촉 방식으로 이음부 형상을 측정하는 데 쓰인다.

로봇 용접은 용접 자체와 부품의 취급을 로봇이 함께 수행하는 것이므로, 공정만 자동화된 가스금속아크용접(GMAW) 같은 경우와 구분해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

용접 자동화는 인력 부족과 인건비 상승을 극복하기 위한 시도에서 출발하였다. 숙련 용접사를 확보하기 어려워지고 고온, 분진, 유해 가스가 있는 작업환경의 부담이 커지면서 사람이 직접 하던 작업을 기계가 맡게 되었다. 선박 및 해양구조물 건조에서도 블록, 탱크, 스테인리스 파이프 같은 철구조물을 용접하는 데 용접로봇이 쓰인다. 작업자는 작업지시서와 도면으로 작업위치를 확인하고 로봇을 조작한다.

용접 자동화는 인건비 절감뿐 아니라 용접 품질 향상을 위해서도 필요하다. 사람은 피로와 숙련도에 따라 결과가 달라지지만, 로봇은 같은 프로그램으로 같은 조건을 반복하므로 품질 편차를 줄일 수 있다. 자동차 산업의 대량 생산 라인에서는 저항 점용접과 아크용접에 로봇이 널리 쓰이며, 로봇 아크용접은 산업용 로봇 응용의 약 20%를 차지하는 것으로 알려져 있다.