로봇식 용접 설비 로봇 용접 시스템이 일관되고 반복 가능한 용접을 수행할 수 있도록 정확한 위치에서 금속 부품을 고정하고, 위치를 파악하고, 지지하는 정밀 엔지니어링 작업 고정 장치입니다. 정확한 고정이 없으면 가장 진보된 용접 로봇이라도 목표를 벗어난 비드, 치수 오류 및 값비싼 스크랩을 생성하게 됩니다. 이 가이드에서는 이러한 고정 장치의 작동 방식, 존재하는 유형, 생산 환경에 적합한 고정 장치를 선택하는 방법에 대해 설명합니다.
로봇 용접 설비란 무엇입니까?
로봇 용접 설비는 원시 공작물과 로봇의 프로그래밍된 용접 경로 사이의 기계적 인터페이스입니다. 고정 장치는 정의되고 반복 가능한 위치에 하나 이상의 부품을 고정하여 모든 사이클 로봇 토치가 3차원 공간에서 정확히 동일한 지점에 도달하도록 합니다.
고정 장치는 세 가지 기본 작업을 수행합니다. 찾기 (알려진 데이텀에 부품 배치) 클램핑 (용접 아크 중 움직임 방지) 지원 (용접 변형 및 열 변형에 저항). 이 세 가지 기능 중 하나라도 실패하면 용접 결함으로 직접적으로 해석됩니다.
대량의 자동차, 항공우주, 중장비 제조 분야에서는 로봇식 용접 정착물 플러스 또는 마이너스 0.1mm의 공차로 설계되었습니다. 부품이 0.5mm만 잘못 배치되어도 용접 비드가 접합 중심선에서 밀려 불완전한 융합과 구조적 약화가 발생할 수 있습니다.
로봇 용접 설비가 왜 그렇게 중요한가요?
로봇 용접 설비는 자동화된 셀의 용접 일관성에 영향을 미치는 가장 큰 단일 변수로, 로봇 브랜드, 와이어 유형 또는 보호 가스 선택보다 더 큰 영향을 미칩니다.
숫자를 고려하십시오. 일반적인 6축 용접 로봇은 플러스 또는 마이너스 0.05mm 내에서 프로그래밍된 경로를 반복할 수 있습니다. 그러나 고정 장치가 부품 간 ±1.0mm의 위치 변화를 가져오는 경우 로봇의 반복성 이점은 완전히 낭비됩니다. 자동차 차체 생산에 대한 연구는 일관되게 다음과 같은 사실을 보여줍니다. 로봇 용접 결함의 70% 이상이 고정 문제로 인해 발생합니다. , 로봇 프로그래밍이나 소모품 품질이 아닙니다.
- 주기 시간: 잘 설계된 고정 장치는 신속하게 로드 및 언로드되어 로봇 유휴 시간을 최소화하고 전반적인 장비 효율성(OEE)을 향상시킵니다.
- 1차 통과 수율: 일관된 부품 위치는 재작업 루프가 줄어든다는 것을 의미합니다. 고정확도 고정 장치에 투자하는 공장은 일반적으로 98% 이상의 1차 통과 수율을 보고합니다.
- 운영자 안전: 적절하게 설계된 고정 장치는 원거리에서 또는 공압식으로 활성화되는 툴링 클램프를 사용하여 작업자의 손이 용접 영역에 닿지 않도록 합니다.
- 추적성: 최신 설비에는 RFID 칩이나 바코드 판독기가 통합되어 용접된 부품 번호를 기록하고 ISO 9001 및 IATF 16949 품질 기록을 지원할 수 있습니다.
로봇 용접 설비는 어떻게 작동합니까?
로봇 용접 설비는 데이텀이라고 하는 고정 좌표 참조를 설정한 다음 로봇이 용접 프로그램을 시작하기 전에 해당 데이텀에 대해 작업물을 고정하는 방식으로 작동합니다.
1단계: 부품 로딩 및 찾기
작업자 또는 자동화된 자재 처리 시스템은 X, Y 및 Z 위치를 정의하는 위치 핀, 네스트 블록 또는 V 블록에 부품을 배치합니다. 적절하게 설계된 로케이터는 6개의 자유도(3개는 병진, 3개는 회전)를 모두 제한합니다.
2단계: 클램핑
장착되면 공압식 또는 유압식 클램프가 맞물려 부품을 해당 위치에 단단히 고정합니다. 80~100psi에서 작동하는 공압 클램프는 0.5초 이내에 500~2,000뉴턴의 조임력을 적용할 수 있습니다. 클램프 설계는 로봇 토치의 접근 경로나 용접 풀 주변의 보호 가스 봉투를 차단해서는 안 됩니다.
3단계: 용접 실행
부품이 고정되면 로봇은 저장된 용접 프로그램을 실행합니다. 부품은 매 사이클마다 동일한 위치에 있기 때문에 로봇은 조인트를 검색할 필요가 없으며 단순히 학습된 경로를 따릅니다. 이것은 때때로 호출됩니다. 고정 경로 용접 로봇 용접의 가장 빠르고 경제적인 모드입니다.
4단계: 언로드 및 재설정
용접 사이클이 완료된 후 클램프가 풀리고 완성된 어셈블리가 제거됩니다. 다음 부품을 위해 고정 장치가 재설정됩니다. 고속 라인에서는 이 전체 로딩-용접-언로딩 주기가 30~90초 내에 완료됩니다.
어떤 유형의 로봇 용접 설비를 사용할 수 있습니까?
로봇 용접 설비에는 5가지 주요 범주가 있으며 각 범주는 부품 형상, 생산량 및 예산의 다양한 조합에 최적화되어 있습니다.
1. 전용 하드 툴링 설비
단일 부품 번호용으로 특별히 제작된 전용 고정 장치는 정밀 보링 위치 구멍과 통합 공압 클램프가 있는 강철 또는 알루미늄 플레이트로 가공됩니다. 이는 최고의 정확도(±0.1mm 달성 가능)와 가장 빠른 사이클 시간을 제공합니다. 단점은 초기 비용이 높다는 것입니다. 복잡한 전용 고정 장치의 범위는 $15,000에서 $80,000에 달할 수 있으며 다른 부품에 대한 유연성은 전혀 없습니다.
2. 모듈형 용접 설비
모듈형 시스템은 그리드에 볼트로 고정되는 표준화된 구성 요소 블록(정지 장치, 지지대, 클램프 및 앵글 플레이트)이 있는 그리드 패턴 베이스 플레이트(일반적으로 50mm 또는 100mm 피치)를 사용합니다. 이러한 고정 장치는 몇 주가 아닌 몇 시간 만에 다양한 부품에 맞게 재구성될 수 있습니다. 이는 여러 부품군이 동일한 로봇 셀을 공유하는 작업장 및 중소 규모 생산에 이상적입니다.
3. 트러니언 및 포지셔너 고정 장치
여러 면에서 용접이 필요한 어셈블리의 경우 트러니언(2축) 또는 서보 포지셔너(1~3축)가 용접 사이클 중에 고정 장치를 회전시켜 두 번째 로봇이나 수동 재배치가 필요 없이 로봇에 새 접합면을 제공합니다. 용접 포지셔너를 사용하면 부품을 수동으로 뒤집을 필요가 없어 복잡한 조립품의 전체 사이클 시간을 20~40% 줄일 수 있습니다.
4. 턴테이블(인덱싱) 고정 장치
턴테이블 고정 장치는 회전 테이블에 두 개 이상의 공구 세트를 고정합니다. 로봇이 한 스테이션에서 용접하는 동안 작업자는 반대 스테이션에서 다음 부품을 로드합니다. 이는 로봇이 로드 및 언로드가 완료될 때까지 기다리지 않기 때문에 로봇 아크 온 시간을 50%에서 최대 85%까지 크게 향상시킵니다.
5. 유연한 적응 장치
혼합이 많고 볼륨이 낮은 환경에서 등장한 적응형 고정 장치는 서보 구동 핀 또는 들어오는 각 부품 변형에 자동으로 조정되는 재구성 가능한 클램프 어레이를 사용합니다. 용접이 시작되기 전에 부품 위치를 확인하는 비전 시스템이나 레이저 스캐너와 결합된 이 시스템은 수동 전환 없이 수십 개의 부품 번호를 처리할 수 있습니다.
로봇 용접 설비 유형 비교
| 고정물 유형 | 정확도 | 유연성 | 초기 비용 | 최고의 응용 프로그램 |
|---|---|---|---|---|
| 전용 하드 툴링 | /- 0.1mm | 매우 낮음 | $15,000 - $80,000 | 대용량 단일 부품 |
| 모듈식 | /- 0.3mm | 높음 | $5,000 - $25,000 | 작업 상점, 프로토타이핑 |
| 트러니언/포지셔너 | /- 0.15mm | 중간 | $20,000 - $100,000 | 다면 용접물 |
| 턴테이블(인덱싱) | /- 0.2mm | 낮음 | $10,000 - $50,000 | 높음 arc-on time priority |
| 유연한 적응형 | /- 0.2mm | 매우 높음 | $50,000 - $200,000 | 높음-mix, low-volume |
표 1: 정확성, 유연성, 비용 및 권장 응용 분야별 로봇 용접 고정 장치 유형 비교.
효과적인 로봇 용접 설비를 설계하는 방법
효과적인 로봇 용접 설비 설계는 용접 접합 형상, 로봇의 도달 범위 및 가공물 재료의 열적 거동을 철저히 이해하는 것에서 시작됩니다.
토치 접근 및 허가
고정 장치의 모든 클램프, 지지대 및 구조 부재는 로봇 토치(목 및 와이어 도관 포함)가 충돌 없이 필요한 각도로 모든 용접 접합부에 도달할 수 있도록 배치되어야 합니다. 고정 장치 설계자는 일반적으로 3D CAD 시뮬레이션을 사용하여 물리적 툴링을 구축하기 전에 전체 용접 경로를 통해 토치 간격을 확인합니다. 토치 본체 주위에 25mm의 최소 간격이 업계에서 일반적으로 시작되는 지점입니다.
용접 변형 제어
용접 중 열 입력으로 인해 금속이 냉각되면서 팽창했다가 불균일하게 수축하는 현상을 용접 변형이라고 합니다. 고정 장치는 이러한 움직임을 예측하고 부품이 섭씨 200도 이하로 냉각될 때까지 부품을 고정하여 이를 억제하거나 용접하기 전에 의도적으로 부품 위치를 약간 오프셋하여 사전 보상해야 합니다. 구리 백킹 바 또는 수냉식 고정 장치 구성 요소는 고열 응용 분야에서 열 부하를 관리하는 데 사용됩니다.
고정 프레임의 재료 선택
고정 장치 베이스와 주요 구조 부재는 일반적으로 적용 무게와 필요한 강성에 따라 강판, 주철 또는 구조용 알루미늄으로 만들어집니다. 강철은 열 순환 시 최고의 치수 안정성을 제공하지만 무겁고 가공 속도가 느립니다. 알루미늄은 더 가볍고 기계 가공 속도가 빠르지만 지속적인 클램핑 하중 하에서 크리프에 더 취약하므로 정기적인 재인증이 필요할 수 있습니다.
반복성 검증
새로운 전에 로봇식 용접 설비 생산에 출시되면 좌표 측정기(CMM) 또는 휴대용 레이저 추적기를 사용하여 검증해야 합니다. 고정 장치는 최소 30회 로드 및 언로드되어야 하며 각 사이클 후에 부품 위치를 측정해야 합니다. 일반적으로 자동차 공급망 승인을 위해서는 모든 주요 차원에서 1.67 이상의 프로세스 능력 지수(Cpk)가 필요합니다.
산업별 로봇 용접 설비의 일반적인 응용 분야
로봇 용접 설비는 금속 접합과 관련된 거의 모든 제조 부문에서 사용되지만 설계 요구 사항은 산업별로 크게 다릅니다.
| 산업 | 일반적인 부품 | 주요 고정 장치 요구 사항 | 선호하는 고정 장치 유형 |
|---|---|---|---|
| 자동차 | 바디인화이트 패널, 서브프레임 | 높음 volume, tight tolerance | 전용 하드 툴링 |
| 항공우주 | 구조용 브래킷, 연료 피팅 | 매우 엄격한 공차, 완벽한 추적성 | 전용 포지셔너 |
| 중장비 | 붐 암, 프레임, 버킷 | 높음 clamping force, large envelope | 트러니언/포지셔너 |
| 조선 | 선체 섹션, 파이프 브래킷 | 대형 부품 수용 | 모듈식 / gantry-mounted |
| 일반제작 | 혼합 부품군 | 빠른 전환 | 모듈식 / adaptive |
표 2: 일반적인 부품, 주요 요구 사항 및 선호하는 고정 장치 유형을 포함하여 산업별 로봇 용접 고정 장치 애플리케이션.
로봇 용접 설비 실패의 원인은 무엇입니까?
고정 장치 고장의 가장 일반적인 원인은 위치 지정 표면의 마모, 공압 시스템 저하 및 고정 프레임 자체의 열 변형입니다.
- 로케이터 마모: 고주기 고정 장치의 경화강 위치 핀은 100,000주기당 0.01~0.05mm의 속도로 마모될 수 있습니다. 마모된 로케이터로 인해 부품 위치가 점진적으로 변하게 되어 주기적인 CMM 점검 없이는 감지하기 어려운 용접 품질의 느린 변화가 발생합니다.
- 클램프 씰 성능 저하: 공압식 클램프 씰은 시간이 지남에 따라 성능이 저하되어 조임력이 감소합니다. 부품을 단단히 고정하지 못하는 클램프는 용접 아크 중에 미세한 움직임을 허용하여 비드 폭이 고르지 않고 융합 부족 결함이 발생할 수 있습니다.
- 용접 스패터 축적: 위치 지정 표면에 떨어지는 스패터는 잘못된 데이텀 역할을 하여 부품을 의도한 Z 위치 위로 들어 올립니다. 스패터 방지 코팅이 없는 단락 MIG와 같이 스패터가 많은 공정에서는 단일 교대 내에서 로케이터에 스패터가 쌓일 수 있습니다.
- 열 순환 피로: 특히 GMAW 또는 PAW와 같은 고열 공정에서 고정 프레임의 반복적인 가열 및 냉각으로 인해 누적 치수 드리프트가 발생할 수 있습니다. 섭씨 200도 이상 예열된 부품에 노출된 고정 장치는 분기별로 변형 여부를 점검해야 합니다.
긴 서비스 수명을 위해 로봇 용접 설비를 유지 관리하는 방법
체계화된 예방 유지보수 프로그램은 로봇 용접 설비에 대한 투자를 보호하고 시간이 지나도 용접 품질을 유지하는 가장 비용 효과적인 방법입니다.
- 매일: 브러시와 압축 공기를 사용하여 위치 핀과 둥지 표면을 청소합니다. 각 교대 근무 전에 용접 구역 근처의 노출된 툴링 표면에 스패터 방지 스프레이를 바르십시오.
- 주간: 휴대용 힘 게이지를 사용하여 공압 클램프 작동력을 확인하십시오. 공기 라인과 피팅에 누출이 있는지 검사하십시오. 모든 클램프가 사양 내에서 완전 개방 및 완전 폐쇄 위치에 도달하는지 확인하십시오.
- 월간 간행물: 교정된 게이지 또는 CMM을 사용하여 중요 위치 측정기 치수를 측정합니다. 결과와 기준 대비 추세를 문서화합니다. 공칭값보다 0.1mm 이상 마모된 위치 측정기를 교체하십시오.
- 매년: 전체 설비 분해, 청소 및 검사. 레이저 추적기 또는 CMM을 사용하여 원본 설계 도면에 대한 고정 장치 정확도를 재인증합니다. 모든 공압 씰을 사전에 교체하십시오.
로봇 용접 설비에 대해 자주 묻는 질문
용접 치구와 용접 지그의 차이점은 무엇입니까?
A 용접 설비 고정되고 반복 가능한 위치에 부품을 배치하고 고정합니다. 로봇이나 용접공이 항상 부품을 찾아옵니다. 전통적인 사용법에서 용접 지그는 조인트를 따라 용접 도구 자체를 안내하기도 합니다. 로봇 용접에서는 로봇이 자체 경로 안내를 제공하기 때문에 이러한 구별이 거의 사라졌습니다. 이제 "고정 장치"라는 용어가 두 기능 모두에 표준이 되었습니다.
로봇 용접 설비를 설계하고 제작하는 데 시간이 얼마나 걸리나요?
적당히 복잡한 전용 고정 장치의 경우 일반적인 타임라인은 설계 시작부터 로봇 셀 설치까지 8~16주입니다. 여기에는 3~4주간의 CAD 설계, 2~4주간의 가공 및 제작, 2~4주간의 빌드, 디버그 및 기능 검증이 포함됩니다. 모듈식 고정 장치는 1~3주 안에 조립하고 검증할 수 있습니다.
동일한 로봇 용접 설비를 다른 로봇과 함께 사용할 수 있습니까?
예, 고정 장치가 표준 인터페이스 플레이트에 장착되어 있고 로봇 교체 후 로봇 셀이 고정 장치 데이텀에 대해 재보정된 경우입니다. 용접 프로그램을 다시 교육하거나 새 로봇의 좌표계로 변환해야 할 수도 있습니다. 여러 로봇에 걸쳐 일관된 고정 데이텀을 사용하면 전환이 크게 단순화됩니다.
로봇 용접 설비는 어떤 재료로 만들어지나요?
구조 프레임은 일반적으로 연강판 또는 구조용 강철 튜브로 제작됩니다. 위치 핀과 마모 표면은 마모에 저항하기 위해 경화 공구강(일반적으로 최소 60HRC)으로 만들어집니다. 일부 고정 장치는 우수한 진동 감쇠를 위해 주철 베이스를 사용합니다. 항공우주 응용 분야에서 Invar 합금은 거의 0에 가까운 열팽창 계수로 인해 매우 고정밀 고정 장치에 사용됩니다.
로봇 용접 설비는 사이클 시간에 어떤 영향을 미치나요?
고정 장치 설계는 두 가지 방식으로 사이클 시간에 직접적인 영향을 미칩니다. 첫째, 로딩 및 언로딩 속도는 고정 장치에 얼마나 효율적으로 접근할 수 있는지와 클램프가 얼마나 빨리 작동하는지에 따라 달라집니다. 잘못 설계된 고정 장치는 주기당 15~30초가 추가됩니다. 둘째, 턴테이블 고정 장치를 사용하면 용접 중에 로딩이 가능하므로 부품 변경을 기다리지 않고 로봇이 지속적으로 용접을 유지함으로써 유효 처리량을 거의 두 배로 늘릴 수 있습니다.
고정 장치 설계에서 시뮬레이션 소프트웨어는 어떤 역할을 합니까?
오프라인 프로그래밍(OLP) 및 로봇 시뮬레이션 소프트웨어를 통해 엔지니어는 3D 고정 장치 모델을 가져오고, 전체 용접 경로를 가상으로 프로그래밍하고, 물리적 도구를 제작하기 전에 고정 장치와의 토치 충돌을 확인할 수 있습니다. 이 가상 검증 프로세스는 실제 시운전 중에만 발견될 충돌 관련 설계 변경의 80~90%를 제거하여 상당한 시간과 비용을 절약할 수 있습니다.
로봇 용접 설비가 알루미늄 용접에 적합합니까?
예, 하지만 알루미늄 용접 설비에는 추가적인 설계 고려 사항이 필요합니다. 알루미늄의 높은 열 전도성은 열이 빠르게 분산된다는 것을 의미하므로 고정 장치는 불완전한 융합을 일으키는 과도한 방열판 역할을 해서는 안 됩니다. 부드러운 알루미늄 표면에 자국이 남지 않도록 클램핑 힘도 주의 깊게 제어해야 합니다. 탄소 오염을 방지하고 용접 스패터의 접착을 최소화하기 위해 알루미늄 용접 조인트 근처의 강철보다 구리 또는 양극 처리된 알루미늄 백업 바가 선호됩니다.
최종 요점: 고품질 로봇 용접 설비에 투자하면 좋은 결과를 얻을 수 있는 이유
잘 설계된 로봇 용접 설비는 비용 중심이 아닙니다. 이는 용접 품질, 처리량 및 로봇 투자 수익의 기초입니다.
간단한 계산을 생각해 보십시오. 로봇 셀이 교대당 400개의 어셈블리를 생산하고 잘못 설계된 고정 장치로 인해 2%의 재작업률이 발생한다면 이는 교대마다 수동 수정이 필요한 어셈블리 8개에 해당합니다. 어셈블리당 평균 재작업 비용은 $50이며, 연간 재작업 비용은 약 $104,000입니다. 재작업을 제거하는 $30,000의 비용이 드는 고정 장치 업그레이드는 4개월 이내에 비용을 지불할 수 있습니다.
최고의 로봇 생산성을 달성하는 산업(자동차 1차 공급업체, 항공우주 제작업체, 중장비 제조업체)은 한 가지 공통 관행을 공유합니다. 로봇식 용접 정착물 로봇 자체와 동일한 엔지니어링 관심과 유지 관리 규율을 받을 자격이 있는 정밀 기기입니다. 올바른 고정 장치 유형을 선택하고, 철저한 토치 액세스 시뮬레이션을 통해 설계하고, Cpk 표준에 따라 검증하고, 일정에 따라 유지 관리하는 것이 규모에 맞는 일관되고 고품질의 자동 용접을 위한 가장 확실한 경로입니다.
