안녕하세요.
자동나사체결 시스템 구축 및 설계 전문회사 셀에프에이(CELLFA)의 블로그 :: 셀온(CELLON) :: 입니다.
제조 현장에서 자동 체결을 검토하다 보면 다음과 같은 질문을 많이 듣습니다.
“단축 자동 나사 체결기만 설치하면 될까요?”
“로봇을 붙이면 모든 제품에 대응할 수 있나요?”
“협동로봇과 스카라 로봇 가운데 어떤 방식이 더 적합한가요?”
답은 제품과 공정 조건에 따라 달라집니다.
같은 나사를 사용하더라도 체결 위치, 제품 형상, 생산 수량, 모델 변경 주기와 작업자 운용 방식이 다르면 적합한 자동화 구성도 달라지기 때문입니다.
이번 특집 시리즈 2에서는 자동 체결 공정과 로봇 적용을 다음 세 편으로 나누어 살펴보겠습니다.
“기획 1편｜자동나사체결로봇이 필요한 공정과 방식별 선택 기준”
“기획 2편｜협동·스카라·직교·다관절 나사 체결 로봇 적용 사례”
“기획 3편｜자동나사공급기(피더) · 지그 · 컨트롤러 · 안전 · A/S를 포함한 로봇 체결 시스템 구축 기준”
오늘은 특집 1편으로, 자동나사체결로봇을 어떤 제조 공정에서 우선 검토해야 하는지부터 정리하겠습니다.
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I. 자동나사체결로봇은 체결기와 로봇을 연결한 전체 시스템입니다
자동나사체결로봇은 로봇 끝단에 전동 드라이버 하나를 장착한 장비가 아닙니다.
나사를 일정한 위치로 공급하고, 제품의 체결점으로 이동해 설정된 조건으로 체결한 뒤 결과를 판단하는 전체 자동화 시스템입니다.
일반적으로 다음 장치가 함께 구성됩니다.
- 자동 나사 체결 유닛
- 자동나사공급기와 피더
- 드라이버와 컨트롤러
- 협동·스카라·직교·다관절 로봇
- 툴 장착 브라켓
- 비트와 나사 공급 헤드
- 제품 고정 지그
- 케이블과 에어 호스
- 안전 커버와 인터록
- PLC 및 상위 시스템 통신
- 체결 결과 저장과 추적 관리
따라서 자동나사체결로봇은 장비 한 대를 구매하는 개념보다 제품에 맞는 체결 자동화 공정을 구축하는 개념으로 접근해야 합니다.
로봇은 체결 위치로 이동하는 역할을 담당하지만, 실제 체결 품질은 나사 공급 상태, 토크, 추력, 회전 속도, 체결 깊이, 지그 정밀도와 제품 위치에 의해 결정됩니다.
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II. 자동나사체결로봇 도입이 필요한 제조 현장
모든 체결 공정에 로봇이 필요한 것은 아닙니다.
제품이 한 종류이고 체결 위치가 고정되어 있으며 여러 나사를 동시에 조여야 한다면 전용 다축 자동나사체결기가 더 효율적일 수 있습니다.
반면 다음 조건에 해당한다면 자동나사체결로봇을 우선 검토할 수 있습니다.
1. 제품 변경이 잦은 소량 · 다품종 생산
제품 종류에 따라 체결 위치와 개수가 달라지는 공정은 고정식 전용 설비로 대응하기 어렵습니다.
자동나사체결로봇은 제품별 프로그램과 지그 조건을 전환해 여러 품종에 대응할 수 있어, 소량·다품종 조립 라인에 유리합니다.
2. 체결 위치가 여러 방향에 있는 제품
제품 상부뿐 아니라 측면, 사선, 깊은 위치에 나사가 배치되어 있다면 고정된 단축 설비만으로 접근하기 어려울 수 있습니다.
이 경우 다관절로봇이나 협동로봇을 이용해 체결 자세를 바꾸는 구성을 검토할 수 있습니다.
3. 작업자 피로와 품질 편차가 큰 공정
작은 나사를 반복해서 집고, 드라이버 각도를 맞추고, 일정한 힘으로 체결하는 작업은 생각보다 피로도가 높습니다.
생산 후반으로 갈수록 체결 누락, 사선 체결, 부족 체결과 과체결이 늘어난다면 자동나사체결로봇을 통한 반복 작업 표준화를 검토할 필요가 있습니다.
4. 체결 결과를 데이터로 관리해야 하는 공정
자동차 전장, 전기·전자부품, 정밀기기처럼 체결 결과의 추적 관리가 필요한 생산 라인은 토크와 회전각, 체결 시간, 완료 판정 등을 기록해야 합니다.
이런 공정은 체결 드라이버와 컨트롤러, 생산 관리 시스템을 연동한 구성이 필요합니다.
5. 기존 라인을 단계적으로 자동화해야 하는 공정
처음부터 완전 자동화 설비를 구축하기 부담스러운 현장도 있습니다.
작업자가 제품을 지그에 올려놓고 로봇이 반복 체결을 담당하는 반자동 셀부터 시작하면 기존 생산 방식을 크게 바꾸지 않고 자동화를 진행할 수 있습니다.
현장 상담을 진행하다 보면 “완전 무인화가 아니면 자동화의 의미가 없는 것 아니냐”는 질문도 받습니다.
하지만 실제 제조 현장에서는 작업자가 잘하는 일과 장비가 잘하는 일을 나누는 것이 더 안정적인 해답이 되기도 합니다.
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III. 자동나사체결기의 단축형·다축형·로봇형은 나사 체결 공정에서 적용 목적이 다릅니다
1. 단축 자동 나사 체결기
하나의 체결 유닛이 한 번에 나사 한 개를 체결하는 방식입니다.
제품이나 체결 유닛을 이동시키면 여러 위치를 순차적으로 체결할 수 있습니다.
제품 변경이 잦거나 체결 위치가 다양한 공정, 로봇과 연동해야 하는 공정에 적합합니다.
2. 다축 자동나사체결기
여러 개의 체결 유닛을 배치해 복수의 나사를 동시에 체결하는 방식입니다.
제품 형상과 체결 위치가 고정되어 있고 목표 생산량이 많은 공정에서 높은 생산성을 확보할 수 있습니다.
다만 제품이 변경되면 체결축 위치와 지그를 수정해야 하므로 유연성은 상대적으로 낮습니다.
3. 자동나사체결기 로봇
단축 체결 유닛을 로봇 또는 좌표 이동축(직교)과 연동해 여러 체결점을 순차적으로 작업하는 방식입니다.
초기 사이클타임만 비교하면 다축형보다 느릴 수 있지만, 제품 전환과 체결 위치 변경에 유연하게 대응할 수 있습니다.
따라서 장비를 선택할 때는 “어떤 방식이 더 좋은가”보다 생산량과 품종 변화 가운데 무엇을 더 중요하게 볼 것인가를 먼저 판단해야 합니다.
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IV. 로봇 종류에 따라 적합한 나사 체결 공정이 달라집니다
| 로봇 유형 | 주요 강점 | 적합한 체결 공정 | 우선 확인 조건 |
|---|---|---|---|
| 협동로봇 | 작업자와 함께 운용하기 쉬움 | 소량·다품종, 작업자 보조형 셀 | 툴 중량, 안전성, 이동 경로 |
| 스카라 로봇 | 빠른 수평 이동과 반복 동작 | 평면형 전자부품, 소형 하우징 | 지그 정밀도, 체결 높이 |
| 직교 로봇 | 좌표 기반 제어와 단순한 구조 | 정해진 위치의 반복 체결 | X·Y·Z 스트로크, 접근 간섭 |
| 다관절로봇 | 다양한 자세와 높은 접근 자유도 | 측면·사선·깊은 위치 체결 | 모멘트, 케이블 간섭, 반력 |
| 탁상형 체결 로봇 | 작은 설치 공간과 반자동 운용 | 전자부품, 센서, 소형 모듈 | 작업대 크기, 제품 지그 |
| 전용 다축 설비 | 여러 나사의 동시 체결 | 단일 품종 대량 생산 | 축간 거리, 제품 변경 가능성 |
※ 모바일에서는 표를 좌우로 스와이프하면 더 많은 정보를 확인할 수 있습니다.
※ 위 표는 장비를 확정하는 사양표가 아니라 자동나사체결로봇의 초기 도입 방향을 정하기 위한 기준입니다.
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V. 로봇 장착형 나사 체결기에서 중량이 중요한 이유
자동나사체결로봇을 구성할 때는 체결기 본체 무게만 확인해서는 안 됩니다.
다음 구성품을 포함한 전체 툴 중량과 무게중심을 계산해야 합니다.
- 체결 유닛
- 드라이버와 비트
- 툴 장착 브라켓
- 나사 공급 헤드
- 센서와 밸브
- 케이블과 에어 호스
- 안전 보호 구조
툴(TOOL)이 무거우면 더 큰 로봇이 필요하고, 로봇의 관성 모멘트와 이동 속도에도 영향을 줄 수 있습니다.
니또세이코의 FM514VZ · FM514CZ는 소형 수직 다관절로봇 장착을 고려해 경량화한 단축 체결 유닛입니다.
FM514 시리즈 라인은 FM513 시리즈 라인 대비 체결 유닛 질량을 현저히 낮추고, 추력 · 토크 · 체결 속도를 체결 조건에 맞게 설정 가능합니다.
또한 공정 상황에 맞춰 나사 유지 방식도 FM514VZ의 진공 파이프 흡착식과 FM514CZ의 척 클로 방식 중 선택할 수 있습니다.
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VI. 정밀 부품은 토크뿐 아니라 추력을 확인해야 합니다
플라스틱 하우징, 센서 모듈, 의료기기 부품과 얇은 전자부품은 체결 토크가 정상이어도 과도한 압입력으로 손상될 수 있습니다.
따라서 다음 조건을 함께 확인해야 합니다.
- 제품에 가해지는 압입 하중
- 비트 하강 속도
- 나사 진입 초기에 필요한 힘
- 체결 중 워크의 처짐
- 사선 체결 가능성
- 나사 높이와 체결 깊이
- 최종 체결 단계의 필요 추력
FM513VZR과 같은 저추력 대응 모델은 워크에 가해지는 하중을 낮춰야 하는 정밀 체결 공정에서 우선 도입 후보로 검토할 수 있습니다.
니또세이코의 FM513 시리즈의 초저추력 모델은 M2~M5급 나사에 대응하며, 워크 하중과 과도한 추력에 따른 사선 체결 등의 문제를 줄이는 방향으로 개발됐습니다.
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VII. 자동나사체결로봇이 오히려 불리할 수 있는 공정
자동 나사 체결기 로봇을 적용한다고 항상 생산성이 높아지는 것은 아닙니다.
다음 조건에서는 전용 설비나 다축 체결기가 더 합리적일 수 있습니다.
- 제품 종류가 오랫동안 바뀌지 않는 경우
- 체결 위치와 축간 거리가 완전히 고정된 경우
- 여러 나사를 동시에 체결해야 목표 택트를 맞출 수 있는 경우
- 로봇 이동 시간이 전체 사이클타임을 늘리는 경우
- 제품 지그의 위치 정밀도를 확보하기 어려운 경우
- 나사 공급 경로가 지나치게 길어지는 경우
나사 체결 장비가 유연하다는 이유만으로 자동나사체결로봇을 선택하면 필요한 생산량을 맞추지 못할 수도 있습니다.
반대로 현재 생산량만 보고 전용 설비를 선택하면 향후 제품 변경에 대응하기 어려워질 수 있습니다.
따라서 현재 생산 조건과 함께 예상되는 제품 변경 주기까지 살펴봐야 합니다.
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VIII. 자동나사체결로봇 상담 전에 준비하면 좋은 자료
다음 자료를 준비하면 장비와 공정의 적합성을 더욱 구체적으로 검토할 수 있습니다.
- 조립 제품의 2D 도면 또는 3D 데이터
- 실제 제품과 양산용 나사 샘플
- 나사 규격과 재질·표면처리 정보
- 목표 체결 토크와 품질 허용 기준
- 제품당 체결 포인트 수
- 체결 위치와 접근 방향
- 목표 생산 택트
- 제품 변경 종류와 전환 주기
- 사용 가능한 설치 공간
- 보유 로봇의 모델과 가반하중
- 체결 결과 저장과 통신 요구사항
도면이 완성되지 않은 초기 단계라도 제품 형상과 나사 정보, 예상 생산량이 있다면 기본 방향을 셀에프에이(CELLFA)와 협의할 수 있습니다.
다만 자동나사체결 로봇의 최종 사양은 도면만이 아니라 실제 제품과 나사의 샘플 체결 결과를 기준으로 결정하는 것이 좋습니다.
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IX. 자동나사체결로봇 도입 FAQ
자동나사체결로봇에는 회전하는 드라이버 비트, 나사 공급 헤드, 제품 고정 지그와 이동하는 로봇 툴이 포함됩니다. 제품이나 지그의 형상에 따라 작업자가 끼이거나 충돌할 수 있는 지점도 발생할 수 있습니다.
따라서 도입 전에는 다음 조건을 확인해야 합니다.
• 로봇의 이동 속도와 작업 범위
• 체결 중 발생하는 회전과 체결 반력
• 비트와 나사 공급 헤드의 노출 여부
• 작업자 손이 들어갈 수 있는 위험 구간
• 지그와 로봇 사이의 끼임 가능성
• 제품 투입·배출 과정의 작업자 동선
• 비상 정지와 안전 인터록 구성
• 전원 차단 후 재가동 절차
• 오작동 또는 나사 걸림 해소 방법
안전 설계는 로봇의 종류만으로 판단하는 것이 아니라 체결기·툴·지그·작업자 동선을 포함한 전체 시스템을 기준으로 검토해야 합니다.
로봇이 실제로 지지하고 움직여야 하는 전체 툴에는 다음 구성품이 포함될 수 있습니다.
• 단축 자동 나사 체결 유닛
• 드라이버와 장착 브라켓
• 나사 공급 헤드
• 센서와 밸브
• 비트와 소켓
• 케이블과 에어 호스
• 비전 카메라 또는 위치 보정 장치
• 안전 보호 구조
또한 다음 조건도 함께 확인해야 합니다.
• 로봇 툴 장착면과 브라켓 체결 규격
• 로봇의 허용 모멘트와 관성
• 체결 과정에서 발생하는 반력
• 체결 위치까지의 접근 가능성
• 로봇의 반복 위치 정밀도
• 케이블과 공급 호스의 간섭·꺾임
• 로봇 컨트롤러와 체결 컨트롤러의 통신 방식
• 안전 신호와 비상 정지 연동
• 목표 생산 택트와 로봇 이동 시간
기존 로봇을 활용할 수 있다면 설비 투자 범위를 줄일 수 있지만, 툴 중량과 체결 조건이 맞지 않으면 더 적합한 로봇 또는 경량 체결 유닛을 검토해야 합니다.
제품 위치 편차가 커지면 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다.
• 비트와 나사 구멍의 중심 불일치
• 사선 체결과 나사 공회전
• 나사 머리와 비트의 결합 실패
• 제품 표면 긁힘과 파손
• 나사 공급 헤드의 주변 구조물 간섭
• 체결 깊이와 나사 머리 높이 편차
• 체결 시간 증가와 불량 판정
제품 자체의 공차나 투입 방식으로 인해 위치 편차를 지그만으로 해결하기 어렵다면 다음과 같은 보정 방법을 검토할 수 있습니다.
• 위치 감지 센서 적용
• 비전 카메라를 이용한 좌표 보정
• 제품 유무와 방향 판별
• 플로팅 구조를 적용한 공급 헤드
• 기준 핀과 클램프 구조 개선
• 제품별 로봇 프로그램과 지그 전환
• 불량 위치 감지 후 재시도 또는 배출
따라서 제품의 위치 반복 정밀도는 지그에서 우선 확보하고, 센서와 비전은 남아 있는 위치 편차를 보정하는 방식으로 구성하는 것이 안정적입니다.
예를 들어 한 제품에 여러 개의 나사가 동일한 간격으로 배치되어 있다면 다축 체결기는 복수의 체결축을 동시에 하강시켜 한 번에 작업할 수 있습니다. 반면 자동나사체결로봇은 체결 위치를 순차적으로 이동하며 작업하기 때문에 로봇의 이동 시간이 추가됩니다.
하지만 생산성은 체결 동작 한 번의 속도만으로 판단할 수 없습니다. 다음 시간을 포함한 전체 사이클타임을 비교해야 합니다.
• 나사 정렬과 공급 시간
• 제품 투입과 배출 시간
• 지그 고정과 해제 시간
• 로봇 또는 이동축의 이동 시간
• 각 체결 위치의 체결 시간
• 체결 결과 판정 시간
• 제품 및 품종 전환 시간
• 나사 보충과 피더 점검 시간
• 불량 발생 후 복구 시간
또한 다축형은 제품이 변경될 때 체결축 간격과 지그를 수정해야 할 수 있지만, 로봇형은 작업 좌표와 체결 조건을 변경해 대응할 수 있는 범위가 상대적으로 넓습니다.
따라서 단일 제품의 순간 체결 속도는 다축형이 유리할 수 있고, 품종 변경과 설비 활용 범위까지 포함하면 로봇형이 유리할 수 있습니다. 최종 선택은 목표 택트, 생산량과 예상되는 제품 변경 주기를 기준으로 판단해야 합니다.
같은 크기의 나사를 사용하더라도 제품 재질과 구조, 체결 위치와 요구 품질에 따라 필요한 체결 조건이 달라질 수 있기 때문입니다.
모델 선정 전에는 다음 항목을 함께 확인해야 합니다.
• 나사의 직경과 전체 길이
• 나사 머리 형상과 드라이브 홈
• 나사산과 끝단 구조
• 와셔 또는 스프링와셔 유무
• 나사 재질과 표면처리
• 제품의 재질과 체결부 구조
• 목표 체결 토크와 허용 범위
• 제품에 가해지는 추력
• 회전 속도와 단계별 제어 조건
• 체결 깊이와 나사 머리의 최종 높이
• 체결 위치까지 필요한 스트로크
• 비트와 공급 헤드의 접근 간섭
• 일반 나사·탭핑 나사·셀프드릴링 스크류 구분
• 제품당 체결 포인트 수와 목표 택트
• 자동나사공급기의 공급 가능 여부
또한 도면상의 나사 규격이 같더라도 제조사, 생산 로트와 표면처리에 따라 마찰 조건과 공급성이 달라질 수 있습니다.
따라서 모델을 확정하기 전에는 실제 제품과 양산용 나사로 공급 및 체결 테스트를 진행하고, 토크·추력·깊이·반복 정밀도와 실제 사이클타임을 확인하는 것이 좋습니다.
자동나사공급기를 선정할 때는 다음 조건을 확인해야 합니다.
• 나사의 직경과 전체 길이
• 머리 형상과 드라이브 홈
• 와셔 또는 스프링와셔 유무
• 나사산과 끝단 구조
• 표면처리와 마찰 특성
• 공급 호스의 길이와 굴곡
• 나사 걸림과 중복 공급 가능성
• 품종 변경 시 나사 혼입 방지
도면과 카탈로그만으로는 다음 조건을 모두 판단하기 어렵습니다.
• 나사의 실제 공급 안정성
• 비트와 나사 머리의 결합 상태
• 사선 체결과 나사뜸 발생 여부
• 제품의 변형과 파손 가능성
• 체결 토크·추력·깊이의 반복성
• 체결 후 나사 머리 높이
• 실제 체결 시간과 사이클타임
니또세이코(NITTOSEIKO)는 전 제품 라인은 고객사에 출하하기 전 약 2,000회의 나사 슈팅 테스트를 실시해 공급 과정에서 걸림이 발생하지 않는지 확인합니다. 이후 1사이클 체결 테스트를 함께 진행해 다음 항목을 최종적으로 점검한 후 장비를 출고합니다.
• 나사 공급의 연속성과 안정성
• 공급 호스와 헤드 내부의 나사 걸림 여부
• 체결 위치의 반복 정밀도
• 비트와 나사 머리의 정상 결합 여부
• 사선 체결, 부족 체결과 과체결 발생 여부
• 체결 완료 및 불량 판정 기능
자동나사체결로봇의 최종 사양은 모델명이나 카탈로그 수치만으로 결정하기보다 실제 제품과 양산용 나사의 샘플 체결 결과를 기준으로 확정해야 합니다.
주요 구성 요소는 다음과 같습니다.
• 자동나사공급기와 피더
• 드라이버와 컨트롤러
• 나사 공급 헤드와 비트
• 제품 고정 지그
• 장착 브라켓과 센서
• 케이블과 에어 호스
• PLC 및 상위 시스템 통신
• 안전 커버와 인터록
• 체결 결과 저장과 추적 관리
정기 유지보수에는 다음 항목이 포함될 수 있습니다.
• 드라이버 비트와 소모품 점검·교체
• 피더와 나사 공급 경로 청소
• 센서와 체결 감지 기능 확인
• 컨트롤러 설정값과 알람 이력 점검
• 체결 토크와 추력 조건 확인
• 브라켓과 장착 볼트의 풀림 점검
• 케이블·에어 호스·공급 튜브 점검
• 제품 또는 나사 변경에 따른 조건 재설정
니또세이코(NITTOSEIKO)의 한국 공식 파트너이자 기술 협력사인 셀에프에이(CELLFA)를 통해 정식 도입하면 다음 과정을 하나의 기술 지원 체계로 협의할 수 있습니다.
• 제품과 나사 조건 분석
• 자동나사체결기·자동나사공급기(자동 스크류 공급기)·드라이버·컨트롤러 선정
• 실제 제품과 양산용 나사의 샘플 체결 테스트
• 로봇 가반하중과 툴 장착 조건 검토
• 지그와 전체 시스템 구성
• 설치와 시운전
• 작업자 운용 및 유지보수 교육
• 정품 부품과 소모품 공급
• 국내 기술 상담과 A/S
비공식 경로 또는 해외 직구 제품은 공급 사양과 보증 적용 여부를 확인하기 어렵고, 설치 지원·정품 부품 수급·국내 A/S가 제공되지 않거나 지원 범위가 제한될 수 있습니다.
따라서 구매 전에는 반드시 공식 유통·도입 경로인지와 국내 기술 지원 범위를 확인해야 합니다.
※ 자동나사체결기 도입 관련 추가 질문은 셀에프에이(CELLFA) 공식 FAQ와 기술 상담을 통해 확인할 수 있습니다.
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X. 자동나사체결로봇은 공정에 맞을 때 효과가 분명해집니다
자동나사체결로봇은 제품 변경이 잦고 체결 위치가 다양하며, 반복 체결 품질과 데이터 관리가 필요한 생산 현장에서 효과적인 자동화 방식이 될 수 있습니다.
다만 로봇부터 선택해서는 안 됩니다.
제품과 나사 조건을 먼저 확인하고, 필요한 체결 제어와 생산 택트를 정한 다음 단축형·다축형·협동로봇·스카라·직교·다관절·탁상형 가운데 적합한 구성을 선택해야 합니다.
다음 특집 2편에서는 협동로봇, 스카라 로봇, 직교 로봇, 다관절로봇과 탁상형 장비가 실제로 어떤 공정에 적용되는지 사례별로 살펴보겠습니다.
