한국섬유기계융합연구원, 섬유시험 자동화 제조로봇 공정모델 실증

한국섬유기계융합연구원(원장 성하경, KOTMI)은 한국로봇산업진흥원(원장 손웅희)에서 전담하는 ‘제조로봇 선도보급 실증사업’의 총괄주관기관을 맡아 제조로봇 도입 지원컨설팅 및 경제성 분석을 통해 섬유산업 공정모델을 대상으로 제조로봇 도입을 지원하고 있다. 

한국섬유기계융합연구원은 올해 5월부터 10월까지 한국의류시험연구원(원장 임헌진, 이하 KATRI)을 대상으로 제조로봇 공정모델 실증을 진행했다고 29일 밝혔다. 

KATRI는 KOLAS 공인 시험 인증기관으로 섬유 및 기타 공산품의 시험 분석·검사 및 인증서비스를 제공하고 있다. 섬유제품 KC시험·검사를 위한 기본시험 항목인 pH시험 공정에 섬유시험산업 제조로봇 시스템을 도입하여 운영하고 있다.

섬유 시험에 제조로봇을 활용해 시험실 자동화 시스템을 도입한 KATRI의 적용 사례를 소개한다.

[공정모델 소개]

▲pH시험 공정

섬유의 pH시험은 섬유 제조과정에서 사용된 여러 염료, 가공제가 인체에 미치는 영향을 알아보기 위한 것이다. pH시험 공정에는 다수의 작업자가 투입되어 시험용액 주입, 시험용기 쉐이킹, 시험용기 이송, 시험용기 세척 등의 단순반복적인 작업을 수행한다. 이 공정은 매우 단순하여 전문적인 기술은 필요하지 않지만, 매우 많은 시험이 반복적으로 진행되고 있어 자동화 요구가 높은 분야이다.

▲ AS IS : pH시험 공정

▲ TO BE : pH시험 공정

[섬유시험 자동화 제조로봇 공정모델 개발 및 실증]

KATRI(도입기관)-주원이앤에스(공급기업)

공급기업 주원이앤에스(김진후 대표)는 KATRI pH시험실에 3개 공정모델(① 시험용액 주입 ②시험용기 이송/커버링 ③시험용기 세척) 도입 및 6축 다관절 로봇(협동로봇) 3대를 활용하여 제조로봇 활용 섬유시험 자동화를 구현하였다.

① 시험용액 주입 공정모델

▲ ‘KATRI’ pH시험실 내 시험용액 주입 제조로봇 시스템

▲ ‘KATRI’ pH시험실 내 시험용액 주입 제조로봇 시스템

시험용액 주입 자동화 시스템 구성은 6축 다관절 로봇, 용기 트레이(tray) 랙(rack), 용액주입 유닛, 쉐이킹 유닛, 시험용기 이송 컨베이어로 구성되어있다. 작업 순서를 살펴보면 먼저, 작업자가 측정용 시료를 시험용기에 담고, 이 시험용기가 담긴 트레이를 트레이 랙에 공급한다. 공급된 트레이는 협동로봇이 파지하여 컨베이어로 이송한다. 트레이가 컨베이어를 따라 시험용액 주입위치로 이동하면 디스펜서 유닛이 용기에 각각 정량의 용액을 주입한다. 다음 쉐이킹 위치로 이동한 시험용기에 쉐이킹 바를 삽입하여 측정용 원단에 용액이 잘 흡수 되도록 쉐이킹 작업을 수행한다.

▲ 시험용액 주입 수작업

▲ 시험용액 주입 로봇 작업

적용된 6축 다관절 로봇은 가반하중 20kg(두산로보틱스, H2017)의 협동로봇으로 로봇 끝단에는 시험용기 트레이의 이송/적재를 고려한 트레이 파지 그리퍼를 적용하였다. 또한, 용액 디스펜서를 통해 각 시험용기에 정량의 용액을 주입하고, 쉐이킹 바를 삽입하여 원단에 용액이 스며들도록 한다.

② 시험용기 이송/커버링 공정모델

▲ ‘KATRI’ pH시험실 내 시험용기 이송/커버링 제조로봇 시스템

시험용기 이송/커버링 자동화 시스템 구성은 6축 다관절 로봇 1대, 로봇 이송레일, 트레이 커버 공급 유닛, 교반기 3대로 구성되어 있으며, 다음과 같은 순서로 작업을 진행한다. 용액주입 및 쉐이킹이 완료된 트레이에 협동로봇이 커버를 씌운 후 트레이를 교반기에 차례대로 적재하는 작업을 수행한다.

▲ 시험용기 이송/커버링 수작업

▲ 시험용기 이송/커버링 로봇작업

적용된 6축 다관절 로봇은 가반하중 25kg(두산로보틱스, H2515)의 협동로봇으로 로봇 끝단에는 트레이 커버와 트레이를 핸들링 할 수 있는 2 in 1 그리퍼를 고안하여 적용하였다. 또한, 3대의 교반기에 트레이를 이송 및 적재하기 위하여 레일을 설치해 로봇의 주행이 가능하도록 시스템을 구성하였다.

③ 시험용기 세척 공정모델

▲ ‘KATRI’ pH시험실 내 시험용기 이송/커버링 제조로봇 시스템

시험용기 세척 자동화 시스템 구성은 6축 다관절 로봇, 트레이 공급 렉, 용기 세척 유닛으로 구성되어 있으며, 다음과 같은 순서로 작업을 진행한다. 작업자가 pH시험이 완료된 시험용기 트레이를 트레이 랙에 입고하면 협동로봇이 파지하여 시험용기 세척 유닛으로 이송한다. 세척 유닛에서 시험용기 5개씩 시험용기 내부의 용액과 시료를 버리고 내부를 세척한다. 총 30개의 시험용기 세척이 완료되면 협동로봇이 트레이를 출고렉으로 출고한다.

▲ 세척 수작업

▲ 세척 로봇작업

적용된 6축 다관절 로봇은 가반하중 25kg(두산로보틱스, H2515)의 협동로봇으로 로봇 끝단에는 시험용기 트레이의 이송/적재를 고려한 트레이 파지 그리퍼를 적용하였다. 또한, 시험용기 세척 유닛의 직교로봇으로 시험용기 내부를 세척하는 작업을 수행한다.

섬유시험 자동화 공정모델 개발 및 실증사업을 통해 구축한 최초 섬유시험 로봇도입을 통하여 약 12.5% 생산성 향상 효과를 나타냈다. 

한국의류시험연구원 권선진 팀장은 “이번 실증 사례를 기반으로 앞으로도 단순 반복 시험을 자동화하기 위해 지능형 로봇 도입을 적극적으로 확대해 나갈 계획이며, 지속적인 투자를 통해 스마트랩의 비전을 이루고자 노력하겠다”고 말했다.

한편 KOTMI 기계로봇연구센터(이재용 센터장)에서는 2019년부터 12개 섬유산업 공정모델을 개발하였으며, 오는 2023년까지 총 19개 섬유산업 공정모델을 개발하고 섬유산업 현장에 2024년까지 실증 및 보급할 계획이다. KOTMI 이재용 센터장은 “KATRI 시험 자동화 로봇 구축을 시작으로 실험실 혁신이 지속적으로 이루어질 것”이라고 말했다.