[논문]선박 제조 공정 분야에서 수용접 대체를 위한 용접 로봇 시스템 도입의 적합성 분석 연구

권용섭; 박창형; 박상현; 이정재; 이재열

doi:10.21289/ksic.2022.25.5.799

선박 제조 공정 분야에서 수용접 대체를 위한 용접 로봇 시스템 도입의 적합성 분석 연구
A Study on the Suitability Analysis of Welding Robot System for Replacement of Manual Welding in Ship Manufacturing Process 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.25 no.5, 2022년, pp.799 - 810

권용섭 (한국로봇융합연구원 IRS연구센터) , 박창형 (한국로봇융합연구원 IRS연구센터) , 박상현 (한국로봇융합연구원 IRS연구센터) , 이정재 (한국로봇융합연구원 IRS연구센터) , 이재열 (한국로봇융합연구원 IRS연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Welding work is a production work method widely used throughout the industry, and various types of welding technologies exist. In addition, many methods are being studied to automate these welding operations using robots, but in the ship manufacturing field, welding such as painting, cutting, and grinding is also the most common operation, but the manual operation ratio is higher than in other industries. Such a high manual labor ratio in the field of ship manufacturing not only causes quality problems and production delays according to the skill of workers, but also causes problems in the supply and demand of manpower. Therefore, this paper analyzed the reason why the automation rate is low in welding work at ship manufacturing sites compared to other industries, and analyzed the production process and field environment for small and medium-sized ship manufacturing companies that repeatedly manufactured with a small quantity production method. Based on the analysis results, it is intended to propose a robot system that can easily move between workplaces and secure uniform welding quality and productivity by collaborating simple welding tasks with humans. Finally, the simulation environment is constructed and analyzed to secure the suitability of robot system application to current production site environment, work process, and productivity, rather than to develop and apply the proposed robot system. Through such pre-simulation and robot system suitability analysis, it is expected to reduce trial and error that may occur in actual field installation and operation, and to improve the possibility of robot application and positive perception of robot system at ship manufacturing sites.

주제어

표/그림 (23)

그림 Fig. 1 Welding method ration of shipbuilding
그림 Fig. 2 Metal arc welding technology : flux-cored arc welding – FCAW (extracted from [7])
그림 Fig. 3 Welding environment of ship manufacturing process
그림 Fig. 4 Ship orders from 3 major domestic shipbuilding companies
그림 Fig. 5 Number of domestic shipbuilding workers
그림 Fig. 6 Ship supporters and parts welding work site in small and medium enterprises
그림 Fig. 7 Welding material shape (a) I+PAD (b) T+PAD (c) ㅅ (d) I+Angle (e) ㄷ+PAD (f) ㄱ+ㄱ
그림 Fig. 8 Welding quality (a) unskilled worker (b) skilled worker
그림 Fig. 9 I-Angle type welding line
표 Table 1. Comparison results of welding time
표 Table 2. Specification of air-balance
그림 Fig. 10 System configuration of welding robot system with air-balance
그림 Fig. 11 Specification of main plate
그림 Fig. 12 Flowchart on robot welding sequence
표 Table 3. Conditions of simulation
그림 Fig. 13 Process sequence considering in simulation
그림 Fig. 14 Process simulation results and analysis data extraction process
그림 Fig. 15 Simulation data in Delfoi (Cycle time of each process (Board-1)
그림 Fig. 16 Simulation data in Delfoi (Cycle time of each process (Board-2))
그림 Fig. 17 Simulation data in Delfoi (Moving distance of worker)
표 Table 4. Simulation results (6EA)
그림 Fig. 18 Simulation data in Delfoi (Status of worker in whole process)
표 Table 5. Simulation results data analysis (Working Time by unit process)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 현재 작업 방식 및 환경을 분석하고, 이에 적합한 용접 로봇 시스템의 제안을 위하여 공정 시뮬레이션 기반 적합성 분석을 수행하였다. 작업 대상물은 기존 표준화되어 있는 것이 아닌 비표준화 생산품을 대상으로 분석을 수행한다.
하지만 다수의 연구 및 자동화 시스템들은 블록 조립 업체인 중견, 대기업 수준에서 적용 가능한 연구들이 대다수임에 따라 확대 적용의 한계를 가지고 있다. 이에 선박 제조업의 환경적, 작업적 특성을 고려한 로봇 기술이 적용된 제조공정 모델 개발을 목표로 수요 조사 및 기존 공정 분석 기반으로 필요 공정 발굴, 실 로봇 시스템 활용 공정 모델 개발, 테스트베드 구축을 통한 검증, 실증/보급 사업 연계를 통한 현장 적용성 검증을 수행하기 위한 연구 개발을 진행 중에 있다.
작업 대상물은 기존 표준화되어 있는 것이 아닌 비표준화 생산품을 대상으로 분석을 수행한다. 작업자와 로봇의 협업을 통한 시스템은 선박 제조공정 분야에서 중소기업의 작업 여건, 생산성 및 품질 향상 방안에 대해 제시하고자 한다. 공정 시뮬레이션 환경구축은 중소기업 환경 및 작업 여건 반영, 적용 가능한 로봇시스템 및 주변 시스템(용접기, 와이어커터, 로봇 이동 장치 등)을 반영하고, 시스템 구축 시 발생 될 수 있는 오차를 줄일 수 방안은 분석 결과를 기반으로 도출하였다.

제안 방법

작업자와 로봇의 협업을 통한 시스템은 선박 제조공정 분야에서 중소기업의 작업 여건, 생산성 및 품질 향상 방안에 대해 제시하고자 한다. 공정 시뮬레이션 환경구축은 중소기업 환경 및 작업 여건 반영, 적용 가능한 로봇시스템 및 주변 시스템(용접기, 와이어커터, 로봇 이동 장치 등)을 반영하고, 시스템 구축 시 발생 될 수 있는 오차를 줄일 수 방안은 분석 결과를 기반으로 도출하였다.
로봇 시스템을 개발하기에 앞서 해당 로봇 시스템이 적용되어야 하는 작업 환경 및 작업 대상물, 작업 방식을 분석하였다. 선박 제조업 같은 경우에는 작업 대상물이 형태 및 종류가 다양함에 따라 기업별로 다양한 작업 대상물이 작업 가능한 환경 및 생산 방식을 갖추고 있다.
작업 현장의 용접 작업 정반의 기울어짐을 보완하기 위해 yaw 방향 회전부에 스프링 damper를 적용하여 로봇이 안정적으로 부착될 수 있도록 구성하였다. 부가 장치로서 자동 용접에서 중요한 stick-out(용접 토치 끝단으로부터 와이어의 길이) 유지를 위하여 공압 제어 방식의 와이어 커터를 적용하였으며, 로봇 모션상의 부하 감소 및 간섭 최소화를 위하여 토치 케이블 텐셔너를 적용하였다.
선박 제조업 같은 경우에는 작업 대상물이 형태 및 종류가 다양함에 따라 기업별로 다양한 작업 대상물이 작업 가능한 환경 및 생산 방식을 갖추고 있다. 이에 다종류 작업 대상물 작업이 가능한 로봇 시스템 개발 및 작업 대상물에 따른 생산 방식 차이 분석을 위하여 환경분석에 작업 대상 부재 조사를 추가 하여 조사하였다. Fig.
특히 최근 국내 선박 수주량이 많은 LNG 선박과 같이 특수 선종 같은 경우 비교적 표준화되어 있는 컨테이너선 대비 비표준화 생산 물품이 많이 존재한다. 이에 선박 제조 분야 중소기업 현장 환경 및 생산 방식 분석을 기반으로 작업자와 협업하여 용접 작업을 수행하는 협동로봇 기반 이동형 용접 로봇 시스템을 제안하고 시뮬레이션을 통하여 적합성 분석을 수행하였다. 제안한 로봇 시스템은 작업 공간이 협소하고 열악한 선박 제조 분야 중소기업 현장에서 사용성 증대를 위하여 이동형 로봇 시스템을 제안하였으며 비정형 대상물을 작업하기 위하여 작업자와 협업을 통한 직접교시 기반 용접이 가능하도록 구성하였다.
제안하는 용접 로봇 시스템은 선박 제조 공정 분야 내 철의장품 생산 작업 현장 여건을 반영하여 이송 가능한 에어 발란스 시스템을 적용하였다. 로봇 시스템이 고정 방식으로 구축될 경우, 용접 작업은 효율적 효과를 나타낼 수 있지만 타 작업에 있어 생산 프로세스를 저해하는 요소로 작용할 수 있다.
이에 선박 제조 분야 중소기업 현장 환경 및 생산 방식 분석을 기반으로 작업자와 협업하여 용접 작업을 수행하는 협동로봇 기반 이동형 용접 로봇 시스템을 제안하고 시뮬레이션을 통하여 적합성 분석을 수행하였다. 제안한 로봇 시스템은 작업 공간이 협소하고 열악한 선박 제조 분야 중소기업 현장에서 사용성 증대를 위하여 이동형 로봇 시스템을 제안하였으며 비정형 대상물을 작업하기 위하여 작업자와 협업을 통한 직접교시 기반 용접이 가능하도록 구성하였다. 직접교시를 활용한 작업자와 협업 로봇시스템 구성은 협소 공간에서의 시스템 구축, 로봇 시스템 도입 시 발생되는 비용적 측면(별도 작업 대상물 투입 컨베어, 작업 대상물 고정 시스템 및 센싱 시스템 등)을 감소할 수 있는 로봇 시스템 구성으로 선박제조분야 중소기업에서 효과가 있을 것이다.

대상 데이터

10과 같이 460mm×256mm×65mm이며, 총 5종류의 부재가 용접되어 완성되는 부품이다. 부재의 용접은 총 18점, 용접되는 길이는 약 800mm이다.
본 연구에서는 현재 작업 방식 및 환경을 분석하고, 이에 적합한 용접 로봇 시스템의 제안을 위하여 공정 시뮬레이션 기반 적합성 분석을 수행하였다. 작업 대상물은 기존 표준화되어 있는 것이 아닌 비표준화 생산품을 대상으로 분석을 수행한다. 작업자와 로봇의 협업을 통한 시스템은 선박 제조공정 분야에서 중소기업의 작업 여건, 생산성 및 품질 향상 방안에 대해 제시하고자 한다.
제안한 로봇 시스템의 공정 시뮬레이션 기반 적합성 분석을 수행하기 위한 대상 부재는 현장 분석 대상 기업에서 가장 많이 사용하는 부재로 선정하였다. 부재의 제원은 Fig.
로봇 시스템은 작업장을 이동할 수 있으며 수용접 대체를 위한 로봇으로 구성된다. 주요 구성은 이동형 카트에서의 에어 발란스, 용접기와 에어 발란스 말단에 협동로봇으로 구성되어 있다. 협동 로봇은 외형 프레임에 고정되고, 전자석 장치는 용접 수행 시 외형 프레임에 작업 정반을 고정시키기 위해 장착된다.

데이터처리

공정 시뮬레이션 결과 데이터는 앞서 언급한 Defoi Robotics 프로그램을 이용하여 도출하였고 시뮬레이션 환경 및 데이터 추출 과정은 Fig. 14와 같다.
14와 같다. 공정 시뮬레이션은 Table 4와 같이 대상 부재의 6세트 기반으로 작업자와 로봇의 관점에서 각 공정 별 소요되는 시간을 비교 분석하였다.

이론/모형

본 공정의 적합성 분석을 위해 공정 시뮬레이션은 상용 소프트웨어인 Delfoi Robotics를 활용하여 수행하였다. 시뮬레이션의 흐름도는 Fig.
현장에서의 작업 부재들은 표준화되어 있지 않으며 공차가 존재함에 따라 용접을 위한 자동 센싱 및 도면 인식 기반의 자동 용접 시스템을 적용하는데 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 협동로봇의 직접교시 방식을 활용한 작업 방식을 적용하였다. 작업 대상물의 용접 부위들은 직선 용접들로만 구성되어 있으며 곡선 용접은 존재하지 않았다.

성능/효과

단계별 공정에서 작업자는 도면확인 및 부재를 측정 후 작업을 수행하고 있었다. 도면확인 및 부재 측정 과정에서 일부 작업자들은 도면 이해도가 낮아 오작업이 빈번히 이루어지고 있으며 용접 작업이 연속적으로 이루지는 작업 대비 도면확인 및 부재 측정 과정에서 소요되는 시간이 평균 45초 이상(용접면, 용접장갑 교체, 종이도면 확인, 줄자 이용 측정 등 시간 포함)의 시간이 추가 발생됨에 따라 생산성 감소의 원인 중 하나로 작용함을 확인할 수 있었다.
숙련자의 생산성은 대부분의 작업 대상물에 대해서 높게 측정이 되었으나, 용접 작업 중 이외 타 작업을 포함한다면 로봇 시스템 대비 용접 시간은 더 소요될 뿐만 아니라 생산성도 저하될 수 있다. 따라서 직접 교시하는 작업자가 단독으로 투입되고 로봇 시스템을 활용한 경우, 용접 품질뿐만 아니라 생산성도 가장 이상적이고 효율적임을 확인하였다.
분석 결과 용접 작업 소요 시간은 용접선이 짧은 경우, 숙련 작업자가 상대적으로 빠른 것을 확인하였고 용접선이 긴 경우에는 로봇이 가장 빠른 것으로 확인하였다. 예외적으로 I-Angle의 경우에는 용접선이 가장 짧은 부재로써 실제 용접작업이 짧은 시간 내에 이루어지는 것 대비 제안하고자 하는 로봇 시스템 활용 시에는 직접교시를 활용한 티칭 단계를 포함한 시간으로 분석을 하였기 때문에 용접 로봇의 welding time이 더 많이 소요되는 것을 확인할 수 있다.
작업자들은 대부분 쪼그려 앉거나, 불안정한 자세로 기립하여 작업을 수행한다. 용접 숙련도에 따라 작업 품질의 차이가 발생하고, 숙련된 용접 작업자도 동일 작업 대상물에 대해 품질이 일정하지 않은 것을 확인하였다.
용접의 품질은 숙련자와 로봇 시스템이 우수한 것으로 확인되었지만 숙련자의 경우 작업 자세 및 개인별 숙련도에 따라서 품질이 일정하지 않음을 확인하였다. 숙련자의 생산성은 대부분의 작업 대상물에 대해서 높게 측정이 되었으나, 용접 작업 중 이외 타 작업을 포함한다면 로봇 시스템 대비 용접 시간은 더 소요될 뿐만 아니라 생산성도 저하될 수 있다.
직접교시를 활용한 작업자와 협업 로봇시스템 구성은 협소 공간에서의 시스템 구축, 로봇 시스템 도입 시 발생되는 비용적 측면(별도 작업 대상물 투입 컨베어, 작업 대상물 고정 시스템 및 센싱 시스템 등)을 감소할 수 있는 로봇 시스템 구성으로 선박제조분야 중소기업에서 효과가 있을 것이다. 이를 검증하기 위해 작업자와 로봇을 활용한 용접 작업에 대해 공정 시나리오에 따라 시뮬레이션 결과를 도출하였으며 로봇의 도입은 작업자의 안전, 업무 편의성과 생산성을 높이고 현장 적용이 가능할 것으로 판단하였다.
3% 가량 빠르게 용접 작업을 수행할 수 있는 결과이다. 해당 결과를 통하여 로봇 시스템 활용 시 생산성이 향상됨을 확인할 수 있었으며 해당 로봇 시스템이 다수 대 투입되어 동시 작업이 가능할 경우에는 그 효과는 더 커질 수 있음을 확인 할 수 있다. 부가적으로 Fig.

후속연구

향후 실 시스템 구축 및 로봇 기능 구현할 예정이며, 선박 제조현장에서 사용하는 위빙, 터치 센싱, 용접 모션과 같은 용접 관련 기능들을 구현할 예정이다.

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상세보기
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Delfoi Robotics - Delfoi. (2022). https://www.delfoi.com/delfoi-robotics

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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