회전과 비틀림을 위한 로봇 케이블

로봇이 점점 더 작고 날렵해지고 있습니다. 케이블 제조사도 증가하는 요구조건에 부합하는 케이블을 설계해야 합니다.

글쓴이: 프랭크 로터문트 (Frank Rothermund) 마켓 매니저, U.I. Lapp 로봇공학 사업부

지금은 산업혁명의 시기입니다. 자동화, 디지털화, 4차 산업혁명은 현재 유행하는 용어 중 일부에 불과합니다. 로봇공학은 빠르게 성장하고 있는 분야입니다. 세계적으로 산업용 로봇의 도입이 2010년 이후 연간 평균 16%씩 증가해 왔으며, 2019년까지의 연간 성장률은 13%로 전망됩니다. 계속해서 자동차 산업이 우위에 있지만 다른 업종들이 따라잡고 있는 것도 분명하게 나타나며, 특히 가전 분야가 가파르게 성장하고 있습니다. 이러한 경향의 일환으로 중소 규모의 생산자들도 점점 더 로봇 도입에 투자를 늘리고 있습니다.

시장의 성장에 부응하여 로봇 제조는 더 작고, 용도는 더 다양하면서, 더 오래 가는 새로운 모델을 내놓고 있습니다. 과거에는 생산하는 제품 기종이 단종되면 로봇도 교체가 되었지만 이제는 로봇이 새로운 작업을 할당받게 되며, 작업이 변경이 갈수록 더 빈번하게 일어납니다. 이렇게 로봇의 동작이 다양해지면 특정 부품에 걸리는 하중이 증가하게 되는데, 특히 케이블이 그렇습니다. 케이블은 비틀리고 꼬이는 동작을 수행해야 하고 이 두 동작이 혼합되는 경우도 잦으며, 구부러지는 반경과 비틀리는 각도도 다양합니다.

더 이상 적합하지 않는 표준 케이블
랍은 표준 케이블 제품군에 견고한 유형의 케이블을 아주 많이 보유하고 있고, 이 제품들은 수년간 많은 로봇에 장착되어 제 역할을 잘 수행해 왔습니다. 하지만 이러한 표준 케이블이 앞서 언급한 바와 같은 특별한 응용 상황에 항상 적합한 것은 아닌데, 이러한 응용 상황은 증가하고 있습니다. 타협의 여지 없이 특정한 용도에 맞춤으로 제작된 케이블이 등장하게 됩니다. 케이블 제조사에게 로봇공학은 극도의 시련으로 여겨질 수 있습니다.

로봇 케이블과 전통적인 이동형 케이블의 가장 중요한 차이점은 전자는 총 사용 연한 동안 구부림과 비틀림을 모두 견뎌내야 한다는 점이며, 개발 단계에서도 파워 체인 케이블과는 근본적으로 다르게 설계되어야 합니다. 다음은 로봇 케이블의 세 가지 핵심적인 특성입니다.

6등급으로의 이동
편조 도체 등급: 로봇 케이블은 기준에 따라 지속적인 움직임이 가능하도록 설계된 6등급 이상의 도체로 구성되어야 합니다. 등급이 낮으면 적합도가 떨어지며, 때에 따라서는 완전히 사용할 수 없기도 합니다. 하지만 편조의 6등급 이상의 도체도 충분하지 않을 때가 있습니다. 강하게 구부러지고 비틀리는 것을 견디는 케이블을 만들기 위해 표준보다 더 얇은 수준인 두께가 0.05mm밖에 안 되는 개별 전선을 편조하여 사용하므로, 랍의 케이블은 표준에 따른 가장 얇은 전선보다도 상당히 얇습니다.

비틀림 각도: 일반적으로 각도는 +/- 360°/m이며, 이것은 케이블이 1미터 길이 당 축의 왼쪽과 오른쪽으로 한 바퀴를 완전히 회전할 수 있다는 것을 의미합니다. 이것은 차폐 처리를 하지 않은 케이블에 적용됩니다. 실드가 있는 경우 각도는 일반적으로 +/- 180° 혹은 미터 당 반 바퀴입니다.

곡률 반경: 이론적으로 바깥 직경의 4배에서 7.5배 사이이며, 따라서 어떤 경우에는 자주 움직이지 않는 케이블보다 수치가 더 작기도 합니다. 이것은 케이블을 좁은 반경으로 감을 수 있게 하고 호스 조립품을 꽉 채우게 합니다.

케이블 축의 세 배
어떤 로봇은 이러한 특성으로도 부족합니다. 이러한 경우를 위해 랍은 +/-1,000°/m 이상도 허용하는 3D 레이저 용접 로봇용 케이블과 같이 비틀림 각도가 더 큰 특별한 케이블을 공급합니다. 이것은 케이블이 거의 축의 세 배까지 꼬일 수 있다는 뜻이며, 세계적으로도 독자적인 제품입니다. 로봇을 위해 이러한 케이블을 개발하는 것은 결코 지나친 일이 아니며, 이 케이블을 쓰면 로봇이 팔을 완전히 자유롭게 세 방향으로 움직일 수 있으며 축의 몇 배까지 비틀 수 있습니다.

비틀림 각도가 확연하게 확대되는 것보다는 이 움직임이 성능의 저하 없이 몇 년 동안 가능하다는 것이 놀라운 일입니다. 이 유례 없는 케이블은 최소 7백만 번을 회전할 수 있는 것으로 랍의 테스트 센터에서 검증되었으며, 이보다 더 역동적인 동작에 대한 시험이 현재 시행되고 있습니다. 또 다른 특별한 로봇 케이블은 +/-720°/m 각도로 미터 당 축의 두 배까지 비틀 수 있으며 1천 5백만 번의 회전이 가능한 것으로 인증을 받았습니다. 이러한 극단적인 작업을 다룰 수 있는 케이블을 개발하기 위해 랍의 엔지니어들은 그들의 마술 상자를 깊이 파고들어야 합니다. 예를 들어 위에서 언급된 +/- 1,000°/m의 비틀림 각도를 가진 케이블을 위해서는 특별한 구리 합금으로 구성된 편조가 사용되었습니다. 이 케이블들은 구부러지거나 비틀리는 동작을 아주 많이 반복한 후에도 전기 저항을 최소로 유지합니다.

정교한 제작
이러한 특성은 케이블을 정교하고 복잡하게 제작해야만 갖출 수 있습니다. 다음과 같은 몇 가지 요인이 영향을 받습니다.

스트랜딩 유형: 로봇 케이블에는 각각의 도체가 하나 이상의 다발로 감기는 번들 스트랜딩이 일반적입니다. 이렇게 감긴 케이블은 구부러짐과 비틀림을 모두 잘 견딥니다. 데이터 케이블이나 서보 케이블과 같은 전기적 도구가 이것을 요구한다면 로봇용으로는 쌍으로 감긴 케이블이 적합합니다.

심선 절연체: 심선의 절연체는 수백만 번 반복되는 동작을 견딜 수 있어야 합니다. 최상의 해결책은 열가소성 엘라스토머, 즉 TPE입니다.

미끄러움 지지: 케이블 요소들은 케이블 내의 부품이 마찰을 최소화하면서 서로를 향해 움직이는 것을 가능하게 만듭니다. 케이블이 순환하게 하는 충전제 역할도 합니다. 감긴 플라스틱 섬유는 심선 사이의 틈이나 공간에 딱 맞아 미끄러짐을 지지하는 역할을 할 수 있습니다. 이러한 충전 섬유를 적소에 배치하는 데에는 고도의 노하우가 요구됩니다. 심선은 대개 폴리테트라플루오로에틸렌 혹은 폴리에스터 막의 플리스로 감기는데, 이것은 특히 비틀림이 있을 때 부품들이 서로를 향해 미끄러지는 것을 용이하게 만듭니다.

차폐: 테스트를 통해 비틀림이 있을 때 편조된 실드의 틈의 크기가 얼마나 커지는지를 확인하는데, 편조로 구성된 작은 전선은 시간이 흐름에 따라 비틀림이나 파손 때문에 분리되기 때문입니다. 이 틈은 접촉 저항을 높여 기대되는 차폐 효과에 도달하지 못하게 하는 부정적인 영향을 줍니다. 50만 번을 넘는 비틀림이 반복되면 구리 전선의 급회전이 편조에 우세합니다. 모든 전선은 같은 방향을 향하고 접촉 저항은 사용 연한 동안 거의 바뀌지 않습니다.

외피: 많은 산업용 제품들과 같이 로봇용 케이블의 외피 소재로도 매우 견고한 폴리우레탄(PUR)을 선택합니다.

얇을수록 좋은
로봇이 줄곧 작아지고 있기 때문에 고객들은 케이블이 가능한 한 공간을 적게 차지하기를 점점 더 바라고 있습니다. 전력, 데이터, 신호와 같은 모든 종류의 케이블을 포함하는 하이브리드 케이블이 점점 더 많이 사용되고 있으며, 어떤 경우에는 공압 호스나 공기나 보호용 가스를 공급하는 호스가 포함되기도 합니다. 랍이 개발한 용접 로봇용 케이블의 경우, 전력, 신호, 산업용 이더넷의 수십 개의 심이 하나의 피복 안에 포함되어 있습니다. 이러한 하이브리드 케이블이 없었다면 고객은 해당 로봇을 실현할 수 없었을 것입니다. 일부 하이브리드 케이블은 두께가 30mm를 넘기도 하지만, 개별 케이블을 놓을 때와 비교하면 공간을 30% 적게 차지합니다.

로봇 케이블에 요구되는 사항은 가지각색이어서 로봇 제조사에게 광범위한 테스트는 불가피한 일입니다. 하지만 많은 케이블 공급자들이 높은 최소 주문량 규정을 가지고 있고, 때로는 최소량이 수 킬로미터를 넘기도 합니다. 랍의 경우에는 샘플 길이가 100m부터 가능합니다. 따라서 제조사들은 케이블에 큰 비용을 지출하지 않고도 테스트를 수행할 수 있습니다.