조선 업계에서 선체 외판의 곡면 가공은 지금까지 작업자의 경험과 숙련도에 크게 의존해 왔다. 하지만 노동집약적이고 위험한 업무라는 인식 때문에 이 분야 인력의 채용과 유지가 점점 더 어려워지고 있다. 기득산업㈜은 이에 대한 솔루션으로 자동화 로봇 시스템을 개발하고 생산 현장에 성공적으로 적용했다. 로봇 시스템 도입으로, 이 회사는 기존 숙련 작업자 대비 3배의 생산성 향상 효과를 달성했을 뿐 아니라 불량률도 현저히 개선했으며, 작업장의 안전 사고도 예방할 수 있게 됐다. FLIR A400 열화상카메라는 ‘Heat-Ro’라고 불리는 이 로봇 시스템의 눈 역할을 맡아 정밀 자동화 작업에 필요한 핵심 정보인 온도 수치, 열 분포 이미지 등을 제공한다.

기득산업㈜은 조선·해양플랜트 기자재 벤딩 전문기업으로, 연간 18만톤 규모의 제품을 생산하며 세계적 수준의 기술력을 인정받고 있다. 선박은 물의 저항을 줄이기 위해 유선형으로 설계되는데, 특히 선수와 선미처럼 곡선이 강조되어야 하는 디자인을 위해서는 강판을 입체적으로 구부린 자재가 필요하다. 이 같은 3D 곡면이 선박 1척 전체 외판에서 차지하는 비율은 평균 30% 수준으로, 기득산업의 주요 생산품이 바로 이 3D 선체 외판 곡면 가공 자재들이다.

보통 수십 밀리미터에 달하는 두께의 철판을 입체적으로 구부리려면 일반적으로 600°C, 때로는 1,000°C가 넘는 고열의 담금질이 요구된다. 전통적인 곡면 가공 방식은 작업자가 가스 용접에 사용되는 토치를 이용해 강판에 열을 가하고, 불꽃이 닿는 작업면을 조금씩 이동해 가면서 휨새와 디자인을 완성하는 것이다. 작업자는 육안으로 확인되는 강판 색깔을 통해 열의 온도를 파악하고, 열이 특정 영역에 과도하게 가해지지 않도록 작업면에 열이 가해지는 시간을 적정하게 유지함으로써 작업 완성도를 높이고 불량률도 줄인다. 이러한 작업 특성상, 작업자의 숙련도가 매우 중요할 수밖에 없다.

곡면 가공 작업의 인력 확보 과제

작업자가 일정 수준의 숙련도를 달성하기까지는 최소 3-5년의 시간이 걸린다. 하지만 30°C가 넘는 한여름에도 600°C 화기를 다루어야 하고 영하의 추운 날씨에도 차가운 냉각수를 분사해야 하는 고된 작업인 데다, 보안경과 귀마개를 착용하더라도 장시간 강렬한 불꽃을 바라보면서 100dB에 이르는 작업 소음을 견뎌야 하는 열악한 작업 특성으로 인해 이 분야에 지원하는 인력은 점점 더 줄어들고 있는 실정이다.

기득산업 장유 공장의 경우, 10년 전만해도 곡 가공 업무를 담당하는 인력만 50여 명에 달했지만 지금은 30명 수준으로 줄었다. 그나마 20%는 산업연수생 신분의 이주노동자들이다. 이들이 부족한 국내 인력을 대신해 주고 있지만, 문제는 이들이 숙련자가 될 무렵에는 취업 비자 유효기간이 만료되어 본국으로 돌아가야 한다는 것이다. 따라서 회사로서는 이주노동자 신규 채용과 비자 유효기간 만료로 인한 퇴사 절차를 되풀이해야 한다. 여기에 기득산업에서 오래 근무한 한국인 숙련 작업자들의 은퇴 시기까지 겹치면서 인력 확보는 해결해야 할 중요한 과제가 되었다. 이는 비단 기득산업만의 일이 아니다. 조선강국인 이웃나라 일본과 심지어 전세계의 공장이라 불리는 중국에서도 숙련된 인력 확보는 이 분야 기업들이 공통적으로 해결해야 하는 과제이다.

사진 1. 기득산업의 숙련 작업자가 전통적인 방법으로 곡면 가공 작업을 수행하는 모습. 작업자는 가스 용접에 사용되는 토치를 이용해 강판에 일반적으로 600°C, 때로는 1,000°C가 넘는 열을 가하고, 불꽃이 닿는 작업면을 조금씩 이동해 가면서 휨새와 디자인을 완성한다.

로봇 자동화 시스템 개발 프로젝트

이에 대한 대안으로 기득산업이 선택한 솔루션이 로봇 기반의 자동화 시스템이다. 이 회사는 2017년부터 자동화 로봇 시스템 연구개발에 착수해 6년만인 2023년에 시스템 개발에 성공했다.

‘Heat-Ro’라는 이름의 이 시스템은 열가공을 위한 토치와 달궈진 곡면에 냉각수를 분사할 수 있는 노즐, 그리고 작업면의 온도를 모니터링하기 위한 FLIR A400 열화상카메라가 장착된 로봇팔이 특징이다. 이 로봇 시스템은 회사가 자체 개발한 소프트웨어 프로그램에 따라 3D 열가공 작업과 장애 발생시 작동 중단과 같은 안전 조치 등을 자동으로 수행한다. 열화상카메라가 측정한 온도값과 다양한 정보는 기가비트 이더넷 연결을 통해 통제실의 제어 시스템으로 전송되며, 작업자는 이를 디스플레이 화면으로 모니터링하면서 로봇의 작동 또는 중지 등 필요한 조치를 취할 수 있다.

현재 기득산업의 제1공장에는 2세트의 Heat-Ro 시스템이 구축되어 있으며, 각각의 세트는 4대의 로봇들로 구성된다. 2025년에는 이 회사의 또 다른 생산시설인 거제 공장에도 1세트를 추가 설치할 예정이다.

사진 2. 기득산업이 개발한 곡면 가공용 로봇 자동화 시스템 'Heat-Ro'. 이 시스템은 열가공을 위한 토치와 달궈진 곡면에 냉각수를 분사할 수 있는 노즐, 그리고 작업면의 온도를 모니터링하기 위한 FLIR A400 열화상카메라가 장착된 로봇팔이 특징이다.

로봇 시스템의 눈, FLIR A400

처음 개발이 완료됐을 때, Heat-Ro는 현재 열화상카메라가 장착된 자리에 A400대신 여러 개의 온도 센서를 부착하고 있었다.

기득산업 기술연구소의 박성진 수석 연구원은 “일반적으로 600°C, 때로는 1,000°C가 넘는 고온의 가스 불꽃에서 불과 수십 센티미터 떨어진 곳에 위치한 온도 센서는 고열을 견디지 못하고 패키징이 녹아버리거나 장애를 일으키기 일쑤여서 2-3개월마다 새로운 센서로 교체해야 했다”고 밝히고, “이후 온도 센서대신 타사 열화상카메라를 적용해 보았으나 이 역시 우리가 필요로 하는 온도 측정 범위를 지원하지 못해 후보에서 탈락했다. 최종적으로 FLIR A400을 채택하여 총 5개월 간 테스트 및 최적화 과정을 거친 후, 2024년에 지금과 같은 구성으로 시스템을 완성하는 데 성공했다”고 설명했다.

FLIR A400은 온도 센서를 탑재했던 초기 설계의 한계를 단순히 극복한 것 이상의 효과를 제공했다. 고온으로 인한 파손으로 잦은 교체가 필요하고 특정 지점의 온도값만 제공하는 온도 센서와 달리, A400은 교체가 불필요할 뿐 아니라 넓은 범위의 온도 분포를 영상으로 파악할 수 있게 해주기 때문에 작업 효율과 생산성을 향상시킨다.

사진 3. Heat-Ro 시스템에서 FLIR A400 열화상카메라는 로봇의 완벽한 눈 역할을 수행하여 작업면에 대한 정확한 온도값과 넓은 면적에 대하 열 분포 이미지 정보를 제공한다.

인력 확보 과제 해결 및 생산성 향상 효과

Heat-Ro 곡면 가공 로봇 시스템은 기득산업의 오랜 과제인 숙련 작업자의 확보 및 유지에 대한 고민을 해결하는 완벽한 솔루션을 제공한다. 회사는 이 로봇 시스템 1세트가 사람 작업자보다 3배의 생산성 효율을 나타내는 것으로 평가하고 있다. 작업자는 눈의 피로 회복을 위한 휴식이 반드시 필요하고, 매우 드물기는 하지만 안전사고도 발생하며, 시력과 청력의 약화 같은 건강상의 우려도 있다. 이에 반해 로봇 시스템은 휴식 없이 연속 작업이 가능하고 사고에 대한 우려도 극히 낮으며, 유일한 작업자인 시스템 운영자 역시 안전한 통제실 환경에서 근무하므로 안전 사고나 건강 악화에 대한 부담이 거의 없다. 모두 FLIR A400 열화상카메라가 로봇의 완벽한 눈 역할을 해주고 있기 때문에 가능한 일이다.

기득산업의 로봇 시스템이 제공하는 이러한 이점들에 국내외 여러 기업들이 주목하고 있다. 박성진 수석 연구원은 “이미 중국과 일본의 곡 가공 기업과 수출 계약을 체결하여 2024년 및 2025년까지 시스템을 납품할 예정이며, 이 외에도 다수의 해외 기업들과 Heat-Ro 로봇 자동화 시스템 도입을 논의 중”이라고 말했다.

사진 4. FLIR A400 열화상카메라가 측정한 온도값과 다양한 정보는 기가비트 이더넷 연결을 통해 통제실의 제어 시스템으로 전송되며, 작업자는 이를 디스플레이 화면으로 모니터링하면서 로봇의 작동 또는 중지 등 필요한 조치를 취할 수 있다.

FLIR A400 열화상카메라에 대한 보다 자세한 정보는 플리어 웹사이트 FLIR A400/A700 에서 확인할 수 있다.