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

Abstract

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.

1. 서론

용접 작업은 6대 뿌리 기술 중 하나로써 전반적인 산업 분야에서 널리 쓰이고 있는 생산 작업 이다. 이러한 용접 작업은 생산 현장 및 작업 대상물에 따라 다양한 용접 기법이 존재한다. 일반적으로 용접에는 아크용접과 기타 용접 방식으로 크게 나눌 수가 있으며 실생활에서 쉽게 이야기하는 용접은 보통 아크용접을 일컫는다. 아크용접에는 FCAW(Flux Cored Arc Welding), GMAW (Gas Metal Arc Welding), GTAW(Gas Tungsten Arc Welding), SAW (Submerged Arc Welding) 등 여러 용접 기법이 존재한다[1-4]. 이러한 종류의 구분은 크게 사용되는 용과제(전극봉)의 종류 혹은 용접할 때 사용되는 보호가스의 종류가 다를 때 구분이 되게 된다.

이중 선박 제조 분야에서는 Fig. 1과 같이 FCAW 가 90%이상으로 많은 부분을 차지하고 있으며 그 다음으로는 SAW, 나머지는 EGW 와 GMAW, GTAW용접과 같이 혼합된 용접이 쓰여지고 있다 [5]. FCAW의 기본 구성은 Fig. 2와 같으며 보호가스의 사용 유무에 크게 두 가지 기법으로 나뉜다[6]. FCAW는 GMAW에 비해 용착량이 많아 생산성이 높으며 모재(Base metal)에 녹이 있는 상황에서도 용접이 가능하고 용접 결함인 기공 (Porosity) 발생이 적은 장점을 가지고 있다. 뿐만 아니라 타 용접 기법 대비 반자동, 자동화 시스템구축이 간편해 선박 제조 현장에서 가장 많이 쓰이고 있다.

Fig. 1 Welding method ration of shipbuilding

Fig. 2 Metal arc welding technology : flux-cored arc welding – FCAW (extracted from [7])

GMAW는 솔리드 와이어와 보호가스를 함께 공급하여 용접하는 방식으로 사용되는 보호가스의종류에 따라 MIG(Metal Inert Gas : Ar/He/N2) 방식과 혼합가스를 사용하는 MAG (Metal Active Gas : Ar/He + Co2/O2/H2)로 나눌 수 있다. GMAW는 슬래그가 거의 발생되지 않으며 흄(Fume)이 거의 발생되지 않는 장점을 가지고 있지만 모재(Base metal) 오염에 민감하며 보호가스가 필수임에 따라 옥외 작업 시 방풍 대책이 필수적이다. 그리고 와이어 융액의 흘러내림 현상에 따라 전자세 용접이 제한적인 단점이 존재한다.

GTAW는 일반적으로 TIG(Tungsten inert- gas) 용접으로 불리며, 비소모성 전극인 텅스텐 적극을 사용하고 모재에 일치하는 얇은 용접봉을 수동으로 투입 시켜주는 용접 방식으로 모든 재질의 용접에 적용이 가능하기 때문에 SUS와 같은 비철금속 용접에 주로 사용된다. 스패터가 발생되지 않고 전자세 용접이 가능하한 장점이 있지만 용접 작업 속도가 늦어 생산성이 낮고 시스템구축비용이 높을 뿐만 아니라 고기량 용접사가 작업을 수행해야 되는 단점을 가지고 있다. SAW는 잠호(潛弧) 용접이라고 불리며 모래 같은 입상(Granular) 플럭스를 살포하여 플럭스 하부에서 용접을 수행하는 방식으로 대기 중의 산소나 질소에 의한 피해가 없으며 우수한 용접 비드 외관을 가지고 있다. 아크 빛, 흄 등이 플럭스에 의해 차단이 되어 작업 환경이 양호하다고 볼 수 있지만 플럭스 살포 후 그 속에서 용접을 수행하여야 함에 따라 수동 작업이 불가능하며, 용접 중 용접 비드 육안으로 확인이 불가능하고 용접 자세가 아래보기만 가능한 제한이 있다.

이러한 용접 작업은 과거 대부분 수작업에 의존성이 크며 작업자의 숙련도에 의한 용접품질 차이가 존재함에 따라 용접 생산성 및 품질 향상을위하여 용접 기법별 자동화를 위하여 로봇 시스템을 활용하고 있다.

선박 제조분야의 경우 Fig. 3과 같이 노동집약적이며, 제조 라인이 표준화되기 어려운 특징으로인해 로봇 적용이 상대적으로 어려운 경향이 있으나 최근 선박 제조업 경쟁이 심화됨에 따라 원가절감의 필요성이 크게 부각되고 있으며, 이로 인해 로봇의 수요는 점차 증가하고 있다. 뿐만 아니라 이전 5년간의 조선 산업 불황에 따라 숙련자의 이탈, 비 숙련자의 작업으로 인한 불량률 상승, 인건비 증대 등으로 어려움을 겪고 있으며, Fig. 4와 같이 최근 선박 수주가 높아졌음에도 불구하고 Fig. 5와 같이 작업 인력 감소로 실제 작업할 인력은 부족함에 따라 비숙련자에 의한 작업으로 품질불량 발생, 생산성 감소 등 문제를 야기하고 있다.

Fig. 3 Welding environment of ship manufacturing process

Fig. 4 Ship orders from 3 major domestic shipbuilding companies

Fig. 5 Number of domestic shipbuilding workers

이에 선박 제조 현장에 용접 자동화를 위하여 로봇 시스템 적용은 해당 문제를 해결할 수 있는 하나의 방법이 될 수 있음에 따라 최근 다수 기업에서 제조 현장에 산업용 로봇 및 협동로봇을 활용한 용접 자동화 시스템 도입을 시도하고 있다.[8-10]. 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 검 증, 실증/보급 사업 연계를 통한 현장 적용성 검증을 수행하기 위한 연구 개발을 진행 중에 있다.

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. 공정 시뮬레이션 환경구축은 중소기업 환경 및 작업 여건 반영, 적용 가능한 로봇시스템 및 주변 시스템 (용접기, 와이어커터, 로봇 이동 장치 등)을 반영 하고, 시스템 구축 시 발생 될 수 있는 오차를 줄일 수 방안은 분석 결과를 기반으로 도출하였다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 선박제조 분야 작업 현장 환경을 분석한 내용을 다루었고, 3장에서는 환경 분석 결과 기반 적합한 용접 로봇 시스템의 개념 및 시스템 특징을 설명하였다. 4장에서는 로봇시스템 기반 공정 시뮬레이션 환경구축 및 적합성 분석 결과를 다루었으며, 마지막으로 본 연구의 결론과 향후 계획에 대해서 설명하였다.

2. 선박 제조 분야 작업 현장 환경 분석

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 따라기업별로 다양한 작업 대상물이 작업 가능한 환경및 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. 6은 일반적인 선박 철의장품 제작 업체의 생산 현장을 나타내고, 용접 작업장 크기는6(m)×5(m)로 구성된다. 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.

Fig. 6 Ship supporters and parts welding work site in small and medium enterprises

해당 철의장품 작업장은 크게 절단, 각인, 내·외부 면취, 가용접(Spot Welding), 본용접(Full-Pass Welding) 등의 수행 장소로 구분된다. 모든 공정에서 작업 대상 부재들은 팔레트에 적재 후 지게차로 이송한다. 단계별 공정에서 작업자는 도면 확인 및 부재를 측정 후 작업을 수행하고 있었다. 도면 확인 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.

해당 작업 현장에서 주로 사용되는 용접 기법은 FCAW 용접 기법을 사용하고 있으며, 가용접으로 부재의 1차 형태를 구축한 이후 본용접 작업장으로 작업 대상물을 이송하여 본용접 작업을 수행하고 있다. 용접 작업상 대부분의 작업 대상물은 1-pass 용접으로 작업을 완료한다. 부재 가용접 시 접합 대상물 사이의 공차가 존재할 경우 용접사의 숙련도에 따라 위빙 모션을 포함하여 용접을 하거나 용접 작업 진행 속도를 조절하여 용접 작업을 수행한다. 하지만 최근 인력 수급 및 인건비 증대와 같은 문제로 인하여 현장에서는 외국인 노동자 고용을 통한 작업 수행이 대부분 이루어지고 있는 실정이다. 따라서 비숙련 작업자와 고숙련 작업자 사이에 용접 품질 및 생산 속도의 차이가 발생한다.

Fig. 7 Welding material shape (a) I+PAD (b) T+PAD (c) ㅅ (d) I+Angle (e) ㄷ+PAD (f) ㄱ+ㄱ

Fig. 7은 해당 작업 현장에서 일반적으로 생산되는 용접 대상물을 나타내며, 대상물은 6가지 종류로 나뉜다. 생산되는 형태는 일정할 수 있지만 크기는 다양하게 생산되고 있다. 또한 Fig. 8과 같이 작업 현장에서 수행한 비숙련자와 숙련자가 수행한 용접 품질을 나타낸다. 용접 작업 후 제작되는 제품 간의 치수는 생산 도면과 비교 시 크게 3-5mm정도의 치수 오차를 가지고 이는 해당 각작업 대상물의 치수 정확도 보다는 용접 작업 강건성 검증을 주로 검사하여 납품하기 때문이다.

Fig. 8 Welding quality (a) unskilled worker (b) skilled worker

Table 1은 해당 작업장 기준 비숙련 작업자, 숙련 작업자의 용접 시 소요되는 시간과 동일부재의 용접을 로봇이 10(mm/sec) 속도로 용접을 할 때 소요되는 시간을 비교하여 나타낸 것이다. 1개 부재를 용접하는데 있어 소요시간들은 부재이동, 배치(\(T_{move}\)), stick–out 유지를 위해 와이어 컷팅시간(\(T_{cut}\)), 실제 용접시간(\(T_{weld}\)), 부재 배출시간 (\(T_{out}\) )으로 구성되며 로봇 용접에서는 직접교시를 수행 시간(\(T_{teach}\))를 추가로 포함하고 있다. Table 1의 용접시간 비교 결과에서 작업자 수행시간은 작업 부재 이동 시간은 포함하지 않은 용접작업에만 소요되는 시간(\(T_{Wweld}\))이며 와이어 컷팅 시간(\(T_{Wcut}\))의 경우 작업자들은 평균 6(sec) 소요됨을 알수 있었다. 로봇의 경우에는 용접 작업을 위해서는 직접교시 프로세스가 필요하게 되므로 (1) 식과 같다.

Table 1. Comparison results of welding time

\(T _ { \text { Rtotal } } = T _ { \text { teach } } + T _ { \text { Rweld } }\)       (1)

분석 결과 용접 작업 소요 시간은 용접선이 짧은 경우, 숙련 작업자가 상대적으로 빠른 것을 확인하였고 용접선이 긴 경우에는 로봇이 가장 빠른것으로 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.

용접의 품질은 숙련자와 로봇 시스템이 우수한 것으로 확인되었지만 숙련자의 경우 작업 자세 및개인별 숙련도에 따라서 품질이 일정하지 않음을 확인하였다. 숙련자의 생산성은 대부분의 작업 대상물에 대해서 높게 측정이 되었으나, 용접 작업중 이외 타 작업을 포함한다면 로봇 시스템 대비용접 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.

3. 용접 로봇 시스템의 개념도 및 특징

작업 현장의 환경 분석 결과를 기반으로 로봇시스템의 도입을 위한 개념도 및 특징은 다음 Fig. 9와 같다. 로봇 시스템은 작업장을 이동할수 있으며 수용접 대체를 위한 로봇으로 구성된 다. 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 작업정반을 고정시키기 위해 장착된다. 로봇의 외형 프레임의 높이 방향 조정은 에어 발란스를 통하여 이동이 가능하고 작업 정반 부착 전 자유로운 배치를 위하여 yaw 방향 회전 가능한 회전부를 외형프레임에 적용하였다. 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.

Fig. 9 I-Angle type welding line

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. 다수 중소기업의 작업 공간은 여유가 없기 때문에 프로세스 특성에 맞는 전용 작업장 마련이 어렵다. 이에 에어 발란스 적용은 이동 가능 범위 내 작업장을 손쉽게 이동할 수 있게 되므로 중소기업의 작업 공간 특성에 따라 공정의 효율성을 증대할 수 있다. Table 2는 본 연구에서 고려된 에어 발란스의 제원을 나타낸다.

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. 이에 작업자가 협동로봇의 직접교시 방식을 통한 용접 시작 및 끝 지점을 티칭할 경우, 로봇시스템은 비표준화된 작업 부재에도 충분히 활용할 수 있다. 또한 직접교시 방식은 전문적 지식을 요구하지 않기 때문에 비숙련자들도 균일한 생산속도 및 품질들을 보장할 수 있다.

Table 2. Specification of air-balance

4. 공정 시뮬레이션 기반 적합성 분석

4.1 공정 조건 및 시나리오

제안한 로봇 시스템의 공정 시뮬레이션 기반적합성 분석을 수행하기 위한 대상 부재는 현장분석 대상 기업에서 가장 많이 사용하는 부재로 선정하였다. 부재의 제원은 Fig. 10과 같이 460mm ×256mm×65mm이며, 총 5종류의 부재가 용접되어 완성되는 부품이다. 부재의 용접은 총 18점, 용접되는 길이는 약 800mm이다.

Fig. 10 System configuration of welding robot system with air-balance

본 공정의 적합성 분석을 위해 공정 시뮬레이션은 상용 소프트웨어인 Delfoi Robotics를 활용하여 수행하였다. 시뮬레이션의 흐름도는 Fig. 11과 같으며, 단일 작업자가 로봇 시스템을 이송하고 부재의 이송, 로봇 티칭 및 용접에 이어 부재 배출까지 일련의 작업을 수행하는 것으로 정의하였다. 가정 조건은 하나의 파레트 당 20개 세트의 부재가 올라가고, 파레트의 작업이 모두 종료되면 다음 파레트로 이동하며 총 40개 세트의 부재를 용접한다. 작업자의 수용접 대체를 위한 이동형 용접 로봇의이송 방식에 따라 각 공정의 작업 반경을 고려하여 작업을 수행하고, 작업 반경을 벗어나게 되면다음 작업을 위한 위치로 이동하여 다음 공정을 수행한다. Table 3은 시뮬레이션에서 고려한 작업자와 로봇 시스템의 조건들을 나타낸다.

Fig. 11 Specification of main plate

Table 3. Conditions of simulation

공정 상세 프로세스는 Fig. 13과 같다. 로봇 시스템은 공정 상 효율성을 극대화하기 위해서 대상부재의 최소 3개 정도 작업 정반에서 동시 작업이 가능한 위치에 배치한다. 1번 정반에 로봇을 고정한 이후 작업자는 작업 대상 부재를 로봇의작업 반경 내에 배치한다. 작업자는 3개의 작업 부재 별 직접교시 작업을 수행하고, 교시 작업이 종료된 후 로봇의 용접은 시작된다. 로봇의 용접 작업 수행 시 작업자는 2번 정반에 작업 부재를 배치한다. 1번 작업정반에서의 용접이 완료되면 로봇 시스템은 2번 작업정반에 배치되고 이전과 동일한 작업을 수행한다.

Fig. 12 Flowchart on robot welding sequence

Fig. 13 Process sequence considering in simulation

작업이 수행되는 동안 이전 작업에서 완료된 제품을 배출한다. 이와 같이 용접, 부재 투입 및 배출과 같은 일련의 작업들은 로봇 시스템의 생산성향상을 위해 전체 공정 시나리오를 구성하였다.

4.2 공정 시뮬레이션 결과

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

Fig. 14 Process simulation results and analysis data extraction process

Table 4. Simulation results (6EA)

시뮬레이션 결과는 각 공정 별 소요되는 작업자 및 로봇의 소요시간을 나타내었다. 로봇을 활용하여 1세트의 부재를 대상으로 용접 작업하는데 걸리는 시간은 (2) 식과 같으며 그 시간은 약 129.2(sec) 소요되었다. 여기서 Table 1의 데이터와 비교를 위하여 와이어 커팅 시간을 제외하게되면 로봇 시스템이 1세트 부재를 용접하는데 소요되는 시간은 약 123.6(sec) 소요된다.

\(T _ { 1 \text { cycle } } = \frac { 1 } { 3 } T _ { \text { teach } } + T _ { \text { Rweld } } + T _ { \text { Rcut } }\)       (2)

이는 비숙련 용접공 대비 약 8.5%, 숙련 용접공 대비 약 2.8% 빠르게 용접 작업을 수행할 수 있는 결과이다. 뿐만 아니라 1개 정반 상 3개 세트 2개 정반에서 작업을 수행하게 되었을 때 작업자가 용접작업에 수행하는 공정 시간은 (3)식과 같으며, 제안 로봇 시스템을 활용할 경우 Fig. 13 의 공정 프로세스로 작업을 수행하게 됨으로써 용접 작업 시간은 (4)과 같게 된다. 즉, 1번 작업정반에서 로봇이 용접 작업 중일 때 2번 작업정반에 작업 부재를 배치할 수 있게 되고, 2번 작업정반에 로봇이 작업 중일 때 1번 작업정반의 완성품을 배출할 수 있게 됨으로써 2번 작업정반 부재 이동, 배치 시간(\(T_{move2}\)), 1번 작업정반 완성품 배출 시간(\(T_{out}\))을 줄일 수 있게 된다.

\(T _ { \text { Wtotal } } = 2 ( T _ { \text { move } } + T _ { \text { out } } ) + 6 ( T _ { \text { Wexeld } } + T _ { \text { Wout } } )\)       (3)

\(\left. \begin{array} { l }{ T _ { \text { Rtotal } } = T _ { \text { move } 1 } + T _ { \text { teach } } + 3 ( T _ { \text { Rweld } } + T _ { \text { Rcut } } ) } \\ { + T _ { \text { teach } } + 3 ( T _ { \text { Rueld } } + T _ { \text { Rcut } } ) + T _ { \text { out } } } \end{array} \right.\)       (4)

여기서 각 시간 변수들의 값들은 시뮬레이션 결과 데이터인 Fig. 15, Fig. 16, Fig. 17을 통하여 확인할 수 있다. Fig. 15는 1번 작업정반에서 Fig. 16은 2번 정반에서 이루어지는 티칭(\(T_{teach}\)), 용접(\(T_{Rweld}\)), 와이어커팅(\(T_{Rcut}\)) 시간을 확인할 수 있으며 Fig. 17의 데이터를 통해 3세트 부재 이동, 배치 시간(\(T_{move1}\), \(T_{move2}\)), 3세트 완성품 배출 시간(\(T_{out1}\), \(T_{out2}\))을 확인할 수 있다. 해당 데이터는 Table 5에 정리하였다.

Fig. 15 Simulation data in Delfoi (Cycle time of each process (Board-1)

Fig. 16 Simulation data in Delfoi (Cycle time of each process (Board-2))

Fig. 17 Simulation data in Delfoi (Moving distance of worker)

Table 5. Simulation results data analysis (Working Time by unit process)

분석 결과 수작업으로 6세트 용접 작업을 완료하는데 작업자의 부재 이동, 배치, 배출하는데 소요되는 시간은 일정하다는 가정 하에 비숙련자 기준 약 978.6(sec), 숙련자 기준 930.6(sec) 소요되었다. 로봇 시스템의 경우에는 6세트 용접 작업을 완료하는데 약 835(sec) 소요되었다. 이는 비숙련자 대비약 14.7%, 숙련자 대비 약 10.3% 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. 18과 같이 2개 정반 작업 시 작업자가 작업을 하지 않는 Idle 상태의 비중이 65.61%가 됨에 따라 작업자는 용접작업 이외 기타 작업(도면 확인, 치수확인 등)을 수행할 수 있어 생산성 향상이 추가적으로 발생 될 수 있을 것을 예상 할 수 있다. 뿐만 아니라 불편한 자세에서 장시간 용접 작업을 수행하는 것이 아님에 따라 작업 환경 개선 및 작업자 안전 측면에서도 효과가 있을 것으로 판단된다.

Fig. 18 Simulation data in Delfoi (Status of worker in whole process)

5. 결론

선박 제조 현장은 대표적인 노동집약적 산업 현장이다. 선주사의 발주 요청 사항에 따라 표준화된선박을 제조하는 것이 아닌 고객 맞춤식 제작을 함에 따라 생산 물품이 각 선박 호선별로 다르다. 특히 최근 국내 선박 수주량이 많은 LNG 선박과 같이 특수 선종 같은 경우 비교적 표준화되어 있는컨테이너선 대비 비표준화 생산 물품이 많이 존재한다. 이에 선박 제조 분야 중소기업 현장 환경 및생산 방식 분석을 기반으로 작업자와 협업하여 용접 작업을 수행하는 협동로봇 기반 이동형 용접 로봇 시스템을 제안하고 시뮬레이션을 통하여 적합성분석을 수행하였다. 제안한 로봇 시스템은 작업 공간이 협소하고 열악한 선박 제조 분야 중소기업 현장에서 사용성 증대를 위하여 이동형 로봇 시스템을 제안하였으며 비정형 대상물을 작업하기 위하여작업자와 협업을 통한 직접교시 기반 용접이 가능하도록 구성하였다. 직접교시를 활용한 작업자와협업 로봇시스템 구성은 협소 공간에서의 시스템

구축, 로봇 시스템 도입 시 발생되는 비용적 측면(별도 작업 대상물 투입 컨베어, 작업 대상물 고정시스템 및 센싱 시스템 등)을 감소할 수 있는 로봇시스템 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 현장적용이 가능할 것으로 판단하였다.

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