[메카넘 구동 시스템(2)] 메카넘 시스템 변화의 개요
[메카넘 구동 시스템(2)] 생산방식에 따른 메카넘 구동시스템 기술 동향

생산방식에 따른 기술 동향

1. 컨베이어라인 생산방식
동일한 제품을 대량으로 생산하는 경우에는 컨베이어 벨트를 이용하여 물건을 운반, 생산하는 컨베이어라인 생산방식(그림 3)이 가장 효율적이다.

그림 3. 컨베이어 생산라인

이 생산방식은 수십 명의 작업자들이 하나의 컨베이어 라인에서 한 종류의 제품을 생산하는 방식이다. 대부분 재료나 제품들이 컨베이어를 통해 조달되지만, 생산에 필요한 일부 품목은 컨베이어를 통해 이송하기 힘든 경우도 있다. 이러한 경우, 별도의 운반차량을 사용해서 운반해야 한다. 생산이 끝난 제품들을 적재하여 특정 장소로 운반하는 등의 물류이송 역할을 수행하기 위해 운반차량을 사용하기도 한다.

하지만 이러한 작업은 운반차량이 단순 수송의 기능들만 수행하므로 자동화 생산 공정에 있어 일부분의 역할만 부여받아 수행하게 되는 한계가 있다. 따라서 이러한 분야에 적합하도록 자동화된 운반차량 개발 요구가 끊이지 않았다. 현재는 컨베이어라인 내에서 각각 다른 물류 이송이 필요한 곳에 자동화 기술이 접목된 자동 이송 시스템이나, 제품이 이송되어야 하는 컨베이어 간의 규격이 다른 경우, 이를 보조하기 위하여 자동으로 차고 조절이 가능한 업-다운(Up-Down)식 운반차량도 개발되었다.

컨베이어라인 생산에서 물류를 이송하기 위해서는 적재함과 이송기계 간의 지그가 필요하다. 또한, 적재된 화물의 운반이나 작업의 효율성을 높이면서 공정시간을 줄이기 위해서는 자동화 공정 환경에 구애받지 않고 유연하게 대처할 수 있는 능력을 갖춘 이송 기계가 필요하다. 팰럿이나 화물의 적재를 위한 지그 역할을 수행함과 동시에 작업환경의 변화에도 효율적인 공정이 가능한 지능형 컨베이어 플랫폼에 관한 개발도 활발하게 이루어지고 있다.

2. 셀 생산방식
근래 들어 다품종 소량생산이 생산 공정의 주를 이루게 됨에 따라 이를 지향하는 유연 생산 시스템(FMS)의 도입도 활발해지기 시작했다. 이에 따라 산업 현장에서는 작업의 효율성을 높이기 위하여 공장을 셀(Cell)이라는 물리적 공간으로 분할하여 소규모의 인원이 공정 과정의 전체를 한 곳에서 수행하여 제품들을 만들도록 했다.

셀 생산방식에 필요한 원자재 및 구성품, 그리고 완성품을 운반하는 과정은 각각의 셀마다 다르다. 셀 생산방식이 도입됨에 따라 여러 종류의 제품들이 고유의 경로로 셀을 거쳐 가게 되고, 이에 따른 별도의 이송 작업도 필요하게 되었다. 또한, 셀마다 필요로 하는 재료나 완성품들은 각기 다른 운반 과정이 필요하므로 각각 독립된 운반차량을 필요로 한다. 그림 4는 셀 생산방식을 개략적으로 나타낸 것이다.

그림 4. 셀 생산방식 개략도

여기에서 생산성을 더욱 높이고 효율적인 물류 설비가 되도록 하기 위한 운반차량의 무인화와 지능화가 대두하기 시작했다.

셀 생산방식은 컨베이어 생산라인보다는 다양한 제품들을 동시에 생산할 수 있는 유연한 구조로 되어 있다. 따라서 다양한 종류의 제품들을 동시에 생산할 수 있는 큰 장점이 있다. 하지만 최근에 생산되는 스마트폰 및 모니터 등과 같이 생산주기가 짧은 제품들은 빈번한 공정 변화로 인해 셀 생산방식을 통한 제품 생산에 한계가 있다. 게다가 제품을 생산하는 지역은 작업환경과 인건비, 국가정책 등 외부 요인에 의한 영향을 많이 받기 때문에 생산라인 자체의 이동이 필수적이다. 그러므로 공정 변화에 유연하고 제품의 생산, 이송, 출하에 이르는 전 과정이 유기적으로 대응할 수 있는 새로운 형태의 생산방식이 필요하다.

3. AGV 생산방식
기존 컨베이어 생산방식과 셀 생산방식의 단점들을 보완하고 생산-적재-수송-하역-출하에 이르는 전 과정을 유기적으로 수행할 수 있는 AGV 생산방식(그림 5)이 도입되었다.

그림 5. AGV 생산방식의 모습

AGV 생산방식의 경우 기업뿐만 아니라 연구기관이나 학교 등 다양한 지식계층에서 폭넓은 연구가 진행되고 있다. 현재 유/무선 유도기술, 통합제어기술, 위치인식기술 등과 같은 관련 핵심기술들이 끊임없이 개발, 응용되어 발전하는 추세이다.

일반적인 AGV 생산방식은 작업과 공간의 효율적 배분이 중요하다. AGV는 무인으로 작동되기 때문에 AGV 간의 안전거리 유지, 작업자의 안전을 위한 시스템, AGV의 회전반경 확보 등 공간 및 시간, 그리고 안전과 관련된 통합기술이 매우 중요하다. 또한, 제품의 품질 향상과 공정의 신속성을 유지하기 위하여 구체적인 공정 기술부터 전체적인 통합관리 시스템 구축까지 총체적인 기술이 집약되어 있다. 이렇게 많은 장점을 가진 AGV 생산방식이지만, 국내의 산업현장에 적용하기 위해서는 아직 많은 걸림돌이 존재한다.

국내의 경우 일부 대기업을 제외하고 아직도 대부분 중소기업에서는 컨베이어식 생산방식을 고수하고 있다. 그 이유로는 생산 산업의 대부분이 무인 자동화 공정시스템보다는 인력집중식 공정으로 이루어져 있으며 협소한 생산 환경과 운반기기 전용 기반시설 및 운용기술이 부족하여, 새로운 공정 방식을 도입하여 적용하기에는 위험 부담률이 너무 크기 때문이다.

메카넘 구동형 AGV

국내의 산업 환경은 대개 작업공간이 협소하므로 제한된 공간에서 최대의 작업 효율성을 확보할 수 있는 시스템이 필요하다. 즉, 공정 동선에 구애받지 않고 불필요한 우회나 후진주행 없이 최소한의 회전반경으로 전-방향으로 이동이 가능한 메카넘 구동형 AGV(그림 6)에 대한 관심이 높아지고 있다.

그림 6. 메카넘 구동형 AGV 생산방식의 모습 (KUKA社 제품)

메카넘 구동형 AGV는 차량의 최소 회전반경을 제거하여 불필요한 주행과 명령을 제거하여 공정시간을 단축하고, 동선을 최소화하여 최적의 공정설계를 통한 효율성을 개선할 수 있다. 이를 통해 물류 수송과 생산 비용의 절감 효과를 달성하고 국내 컨베이어 위주의 생산 공정과의 연계가 가능하여 더욱 개선된 물류시스템 구축이 가능하다.     

하지만 외국의 산업 현장과 달리 국내에서는 메카넘 구동형 AGV가 적용된 곳이 많지 않다. 대단지 물류 통합시스템을 가진 삼성, 현대와 같은 대기업이나 규모가 큰 공항과 항만 몇 군데에만 국한되어 있다. 그마저 대부분 독일과 미국, 스웨덴 등 선진국 기술기반 수입제품들이 주를 이루고 있다. 물론 국내의 연구소나 대학교에서 AGV 관련 제어기술, 위치인식기술, 설계기술 등이 연구되고 있으나 아직 나아가야 할 길이 멀다.

개발된 메카넘 구동형 AGV의 예
 
그림 7의 메카넘 구동 시스템은 물류의 크기나 무게, 종류에 따라서 단일 유닛 AGV에서 복수 유닛 AGV로 결합이 가능한 시스템이다.

그림 7. 결합 및 분리가 가능한 메카넘 구동형 AGV

규모가 작은 다품종 생산과 규모가 큰 단일 품종 생산 공정이 가능한 타입이다. 기구적으로 결합 및 분리를 할 수 있어야 하고 16개 이상의 휠을 가진 복합 휠 구동 제어시스템 기술이 필요하다.
그림 8의 메카넘 구동 시스템은 휠을 활용하여 AGV 자체의 적재용적을 가변시킬 수 있는 모델이다.

그림 8. 적재용적 가변이 가능한 메카넘 구동형 AGV

적재용 지그 설계가 필요하고 용적 가변을 위한 휠 동기화 제어가 요구된다. 마지막으로 메카넘 구동 시스템과 리프팅시스템 그리고 팰럿 이송시스템이 결합된 AGV가 그림 9에 소개되어 있다.

그림 9. 팰럿이송 및 리프팅이 가능한 메카넘 구동형 AGV

기존의 컨베이어식 공정과의 연계가 가능하고 팰럿의 전-방향 이송이 가능한 AGV이다.

김종식  교수 _ 부산대 기계공학부