KITECH 생산기술 전문지

4차 산업혁명의 도래와 함께 제조 산업은 소품종 대량 생산에서 다품종 유연 생산 체제로 급격한 패러다임 전환을 맞이하고 있다. 이러한 변화는 잦은 가공 모델 변경과 복잡한 셋업 과정을 수반하여, 공작기계 운용의 유연성 확보가 기업의 핵심 경쟁력으로 부상하였다. 그러나 실제 중소 가공 현장은 숙련된 오퍼레이터의 구인난과 인건비 상승으로 인해 장비 가동률 확보에 어려움을 겪고 있으며, 특히 단순 반복적인 공작물 투입·배출 작업인 머신텐딩의 비효율성은 심각한 생산성 저하 요인으로 작용하고 있다. 이를 해결하기 위해 공작기계와 로봇을 결합한 자동화 시스템 도입이 활발히 시도되고 있으나, 제조사마다 상이한 CNC 컨트롤러 규격과 폐쇄적인 로봇 통신 환경은 시스템 통합을 어렵게 만들어 여전히 높은 기술적·비용적 진입 장벽으로 작용하고 있다. 특히, 서로 다른 제조사의 로봇과 공작기계를 연동하기 위해서는 별도의 PLC 설치와 복잡한 하드와이어링 작업이 필수적이었으며, 가공 품목이 변경될 때마다 공급기업 담당자가 직접 방문하여 로봇의 이동 경로를 재티칭해야 하는 비효율성은 다품종 소량 생산 현장에서 자동화 도입을 가로막는 주요 원인으로 작용하였다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 ROS(Robot Operating System) 미들웨어와 지능형 HMI 플랫폼을 결합한 개방형 머신텐딩 시스템을 개발하였다. 제안하는 시스템은 기존의 중계 PLC 없이 무선 소켓 통신을 기반으로 로봇 제어기와 공작기계를 직접 연동하는 'PLC-less' 구조를 채택하여 시스템 구축의 유연성을 확보하고 비용을 절감하였다. ROS 미들웨어는 Universal Robots, Doosan Robotics, ABB 등 다양한 글로벌 제조사의 로봇 및 비전 카메라, 그리퍼와 호환되어 특정 하드웨어에 종속되지 않고 유연하게 모션 플래닝이 가능하며, 지능형 통합 HMI 플랫폼 또한 FANUC, Siemens, Mitsubishi Electric 등 서로 다른 CNC 제어기의 독자적인 통신 프로토콜을 지원하므로 제어기 기종에 상관없이 일관된 모니터링과 제어가 가능하다. 이처럼 하드웨어 범용성이 뛰어난 두 플랫폼을 ISO 21919 기반 제어 신호로 연동함으로써, 설비 변경이 잦은 제조 현장에서도 유연하게 대응할 수 있는 시스템을 구현하였다. 또한, 잦은 생산 모델 변경에 따른 로봇 재티칭의 비효율성을 극복하고자 3D 비전 인식 기술과 ROS 기반 모션 플래닝을 융합한 티칭리스 제어 기술을 적용하였다. OpenCV 기반의 윤곽선 검출 알고리즘을 적용하여 소재의 외곽선을 추출하고 각 객체의 중심 좌표와 회전 각도를 실시간으로 산출하며, 인식된 좌표 정보는 로봇의 베이스 좌표계로 변환되어 MoveIt 패키지를 통해 충돌 없는 최적의 경로를 생성한다. 특히, 구동 범위가 3mm 이내로 제한적인 공압 바이스에 공작물을 정밀하게 안착시키기 위해 빛 반사 기반의 상대 위치 보정 알고리즘을 도입하였다. 이 알고리즘은 공작물 파지 후 상단 조명의 빛 반사 패턴을 비전 카메라로 인식하여 그리퍼 중심점과 파지된 소재 사이의 상대 위치를 정밀하게 측정하고, 계산된 오차 값을 로봇의 진입 경로에 실시간으로 반영함으로써 별도의 접촉식 센서 없이도 협소한 바이스 공간 내에 공작물을 정확하게 로딩할 수 있도록 하였다. 실제 테스트베드 구축을 통해 UR10e 협동로봇, Intel RealSense D435i 뎁스 카메라, Robotiq 2F-140 그리퍼로 구성된 로봇 제어부와 DN Solutions NX5500II 머시닝센터 및 FANUC CNC 컨트롤러로 구성된 공작기계 제어부 간의 통합 운용을 검증하였다. 작업자가 머신텐딩 앱을 통해 로드 명령을 전송하면, 소재 인식, 파지, 도어 개방, 정밀 로딩, 바이스 클램핑, 가공 시작에 이르는 전 과정이 작업자의 개입이나 별도의 티칭 없이 완전 자동화로 수행됨을 확인하였다. 본 연구에서 제안한 시스템은 복잡한 셋업 과정을 자동화하고 비전문가도 쉽게 운용할 수 있는 환경을 제공함으로써, 향후 중소 제조 현장의 인력난 해소와 생산성 향상, 나아가 자율 제조 시스템의 고도화에 실질적으로 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

키워드 머신텐딩, ROS, 협동로봇, 티칭리스, PLC-less