조선소의 로봇들, 용접하고 전선 깔고 해저 작업까지

국내 조선업계, 고난도·위험 작업에 로봇 투입해 효율·안전 강화

국내 조선업체들이 자체 개발해 현장에서 활용하고 있는 다양한 자동화 로봇들.ⓒ삼성중공업, 대우조선해양, 현대중공업

조선업은 제조업 중 자동화가 가장 까다로운 업종이다. 생산라인을 따라 제품이 이동하며 만들어지는 자동차나 전자 분야와 달리 대규모 구조물 안팎으로 다양한 환경에 인력과 장비가 달라붙어 작업을 진행하는 특성 때문이다. 그만큼 생산직 근로자들에게는 작업이 고되고 위험성이 큰 대표적인 업종으로 꼽힌다.

그럼에도 불구하고 국내 조선업체들은 끊임없는 연구개발을 통해 각기 작업 환경에 적합한 로봇과 자동화 설비 등을 자체 개발해 현장 직원들의 부상 위험을 줄이고 작업 효율을 높이는 노력을 지속하고 있다.

25일 조선업계에 따르면 현대중공업과 삼성중공업, 대우조선해양 등 국내 대형 조선업체들은 용접이나 전선 포설, 해저 구조물 청소 등 다양한 분야에 자체 개발한 지능형 로봇을 투입, 활용하고 있다.

삼성중공업 자동화 장비 100종 이상 자체 개발…용접 자동화율 68%

생산 자동화에 가장 적극적인 행보를 보이는 업체는 삼성중공업이다. 자동화장비 전문 연구인력만 150여명에 달하며, 총 100종 이상의 자동화 장비를 자체 개발해 선박과 해양플랜트 제작에 활용하고 있다. 삼성중공업의 용접 자동화율은 세계 최고인 68%에 달한다.

대표적인 자동화 장비는 용접과 절단, 가공 등 작업량이 많고 정확성이 요구되는 분야에 투입되는 로봇 시스템들이다.

삼성중공업의 대조립 용접 로봇 시스템은 '론지'라고 불리는 높이 60cm 내외의 블록 내부 보강재를 넘어다닐 수 있는 이동로봇으로, 폭 1m 정도의 협소한 공간에서 용접작업을 수행할 수 있는 6축 다관절 로봇 팔, 용접선 실시간 추적, 간격 측정 등을 수행하는 레이저 비전 시스템 등으로 구성돼 있다. 이 로봇의 개발로 사람이 작업하기 힘든 좁은 공간에서 자동으로 고품질의 용접 작업을 수행할 수 있게 됐다.

선박의 주판 위에 크고 작은 다양한 부재를 부착, 용접하는 소조립에도 로봇이 투입된다. 소조립 용접 로봇시스템은 1, 2차에 걸친 카메라 비전시스템을 이용해 자동으로 부재를 인식, 용접선을 추출하고, 터치센서를 통해 용접선을 확인하는 등 용접선을 추적해 작업함으로써 고품질의 용접 작업을 수행한다. 이 로봇의 개발로 수동 작업 보다 약 50% 이상 생산량이 증대됐다.

삼성중공업이 개발한 LNG선 화물창용접용 스파이더로봇.ⓒ삼성중공업

고부가가치 선박인 LNG선의 주요 부품인 화물창 용접에 투입되는 로봇도 있다. LNG선 화물창 용접용 스파이더 로봇은 생산 자동화의 대표적인 사례로 LNG 화물창에 사용하는 스테인리스 패널 1만여장을 자동으로 용접하는 역할을 한다. 네 다리를 사용해 자동으로 이동하는 스파이더 로봇의 오차 범위는 화물창 내부 용접 길이 총 연장 55km 중 10㎜ 이내다.

스파이더 로봇이 개발되기 전에는 반자동 용접시스템을 사용했는데, 반자동 용접시스템의 경우 3m를 용접할 때 마다 두 명의 작업자가 이동과 부착을 반복해야 했다. 스파이더 로봇의 개발로 반자동 용접시스템에 비해 생산성이 4배 이상 향상됐다. 기존 반자동 용접시스템은 작업자 두 명의 하루 작업량이 40m에 불과했으나, 스파이터 로봇은 한 대로 하루 80m를 용접한다.

형강절단 로봇도 삼성중공업의 생산성 향상에 크게 기여하고 있다. 선박의 종, 횡방향 보강재로 활용되는 형강은 수요가 크게 증가하는 데 비해 수작업으로 마킹, 절단을 해 왔기 때문에 생산성이 낮았다. 삼성중공업의 형강절단 로봇 시스템은 다양한 규격의 부재를 잡고 이송시켜주는 Measuring Robot, 플라즈마 토치를 적용한 절단 로봇, 부재이송장치 등으로 구성된다. 이 시스템의 개발로 수작업을 할 때에 비해 생산량이 40% 이상 증가했다.

삼성중공업은 세계 최초로 곡가공 분야에 로봇 시스템을 도입한 업체이기도 하다. 선박의 곡면 부위는 철판을 프레스 벤딩 후 열을 가해 곡면을 만들고, 그 조각을 붙여 만든다. 이 때 원하는 곡면을 만들기 위해 어디에 얼마만큼의 열을 가해야 하는지는 기술자의 경험에 의존할 수밖에 없었다. 곡가공 로봇은 3차원 비접촉식 센서를 이용, 현재 철판의 형상을 계측하고, 자동으로 가열선을 생성, 가열하는 과정을 반복함으로써 원하는 곡면 형상을 만들 수 있도록 해주는 시스템이다.

이 로봇의 개발로 삼성중공업은 곡가공 숙련자의 기량 전수 문제를 해결한 것은 물론, 기존의 작업에 비해 소음도 감소시켜 작업 환경을 개선했다.

삼성중공업이 개발한 벽면흡착식 진공블라스팅 로봇.ⓒ삼성중공업

선체 벽면이나 바닥에 붙어 다니면서 작업을 하는 로봇도 있다. 바로 벽면흡착식 브라스팅 로봇이다. 도크에 블록을 탑재 한 후 용접 부위는 도장을 하기 위해 전처리 작업을 해야 하는데, 기존에는 사람이 그라인더를 이용해 표면을 처리함으로써 시간이 오래 걸리고, 고품질을 확보하기 어려워 이 로봇을 개발했다.

이 로봇은 선체 외판의 곡면, 수직면, 바닥면 등 외판 전체에 진공을 이용, 붙어 다니면서 연마재를 고속으로 분사시켜 철판 면에 도장 전처리 작업을 수행한다. 또, 이 때 발생되는 철가루와 먼지, 연마제 등은 흡입 호스(Suction hose)를 통해 회수한다. 이 로봇의 개발로 사람이 그라인더를 이용해 작업할 때 보다 작업 속도가 6배 갸랑 빨라졌으며, 품질도 향상됐다. 또한, 철가루와 먼지의 비산을 방지함으로써 청정한 작업장을 조성할 수 있게 됐다.

수작업에 의존했던 LNG선의 파이프 내부 검사도 로봇이 대신하고 있다. LNG선 1척에는 총 연장 2000m의 LNG 이송 파이프라인이 설치된다. 과거에는 파이프 용접을 마친 후 내부 용접 상태를 점검하기 위해 사람이 직접 파이프로 들어가 검사했다. 그러나 안전사고의 위험이 높아 삼성중공업은 파이프 내부를 검사하고 청소하는 로봇을 개발, 작업의 안전성을 확보했다.

삼성중공업이 개발한 수중 선체청소로봇.ⓒ삼성중공업

자동화 분야에서 삼성중공업이 가장 최근에 이룬 성과는 지난 10월 개발한 수중 선체청소로봇이다. 이 로봇은 선박을 고객에게 인도하기 전에 선체를 청소하기 위해 실시하던 리도킹(Re-docking) 작업을 대체할 수 있어 원가절감과 생산성 향상이 기대된다.

리도킹은 선박의 수리와 선체 청소 등을 위해 선박을 도크에 다시 거치하는 작업을 말한다. LNG선은 도크에서 선체를 진수한 뒤, 안벽에 계류한 상태에서 화물창 제작 등에 7~8개월이 소요되는데, 이 때 바닷물과 접하는 선체에 따개비와 같은 유기물이 달라붙어 선박 속도를 떨어뜨리는 원인으로 작용한다. 이 때문에, 조선소에서는 LNG선을 고객에게 인도하기 전에 리도킹 작업을 통해 선체 하부에 붙은 유기물을 제거해 왔다.

삼성중공업이 개발한 수중 선체청소로봇은 선박이 정박한 상태에서 유기물을 제거할 수 있기 때문에, 리도킹이 불필요하다. LNG선 1척의 리도킹에 소요되는 시간은 대략 1주일 안팎이다. 앞으로는 이 기간을 다른 선박 건조에 활용할 수 있게 된 것이다. 또, 리도킹을 위한 선박 받침대 설치, 선박 예인, 플로팅도크 잠수와 부양 등의 공정이 없어지는 데 따른 원가절감 효과도 기대된다.

대우조선해양, 업계 숙원 '수평 용접 자동화' 성공

대우조선해양은 올해 6월에만 두 건의 신규 개발 장비를 생산 현장에 적용했다. 세계 최초로 개발한 수평 대용착 자동용접 기술과 업계 최초로 개발 및 현장 적용이 완료된 ‘전선 포설 로봇’이다.

대우조선해양이 개발한 수평 대용착 자동용접 작업 장면.ⓒ대우조선해양

수평 용접은 조선 선체 용접 작업의 중요 부위로, 선체 내부 바닥으로부터 10~45cm 높이에 있는 이음부를 수동으로 용접해야 하는 열악한 작업이었다. 용접 생산성 향상은 불가능할 것으로 여겨져 왔으나, 대우조선해양은 전 세계 조선소들의 숙원이었던 수평 용접 자동화에 성공했다.

신기술적용으로, 대우조선해양은 대형 블록 당 용접 소요 일정이 기존 3일에서 1.5일로 단축되고, 도크 및 옥외 블록 제작 공정 소요시간의 대폭 감소, 생산 공정의 용접 자동화율 향상, 용접 결함률 감소로 인해 낭비 비용 또한 절감될 것으로 기대된다. 대우조선해양은 시범적용이 완료된 신기술을 6월부터 LNG선 건조에 활용하고 있다.

대우조선해양이 개발한 전선포설로봇.ⓒ대우조선해양

대우조선해양은 업계 최초로 선박과 해양플랜트에 들어가는 전선을 자동으로 설치하는 ‘전선 포설 로봇’ 개발에 성공하기도 했다.

대우조선해양 중앙연구원 산하 자동화연구그룹과 기계로봇연구그룹이 개발한 전선 포설 로봇은 두 종류로, 굵은 전선을 설치하는 태선용 로봇과 그 이하 크기의 전선을 설치하는 세선용 로봇으로 나뉜다. 압축공기에 의한 압력을 이용하는 공압 방식을 채택해, 안전성을 높이고 날씨와 무관하게 사용할 수 있는 점이 특징이다.

로봇 개발 이전에는, 선박의 긴 직선통로 작업 시 대부분의 작업을 사람의 손으로 곡선 구간에서는 모든 작업을 수작업으로 진행해 왔다. 선체 내부의 좁은 공간에서 진행되는 작업 특성상 시간이 오래 걸리고 작업자 일부가 근골격계 질환을 호소하는 등 작업계획 수립에 어려움을 겪었다.

대우조선해양은 이번 개발을 통해 생산성을 높이고 작업 시간을 대폭 단축 할 수 있을 것으로 보고 있다. 적용 첫 해인 2014년에는 약 47억, 기계화율이 태선 90%, 세선 40%에 달하는 2017년에는 150억 상당의 인건비를 절감할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 작업자들이 사용하는 근력량 또한 수작업 대비 70% 이상 감소해, 작업효율이 높아지고 근골격계 질환 또한 예방이 가능해 졌다. 대우조선해양은 해당 로봇에 대한 40여건의 국내 및 해외 특허 출원 등록을 마쳤으며, 사외 판매 또한 추진할 계획이다.

대우조선해양은 용접 방식에 있어서도 새로운 기술을 도입해 생산성을 높이고 있다. 일반적으로 두 철판을 하나로 붙이는 용접의 경우 용접기를 고정시킨 상태에서 해당 부위를 여러 번 용접해 하나로 잇는 방식을 사용해 왔다. 이 경우 작업 속도도 느리고 숙달된 용접공이 아닌 경우 용접 품질이 균일하지 않아 불량률이 높아진다는 단점이 있었다.

이를 대체하기 위한 위빙(Weaving) 방식은 용접봉을 좌우로 번갈아 움직여가면서 용접하는 방식이었다. 대우조선해양이 세계 최초로 개발한 ‘위빙 SAW 용접장치’는 용접기와 자동 모터, 와이어 등을 결합시켜 용접봉을 좌우로 반복해 움직이면서 골고루 용접하는 방식이다.

기존 방식과 비교했을 때 같은 시간 동안 더 많은 양의 용접봉을 고루 녹이면서 용접 시간과 횟수를 획기적으로 단축시키는 동시에 전체적으로 균일한 고품질의 용접 작업을 수행할 수 있다. 두께 80㎜의 선박 블록을 용접할 경우 기존 방식은 40회 이상의 용접 작업을 필요로 했지만, 위빙 용접장치를 사용한다면 단 8회만 작업해도 같은 결과를 얻을 수 있다.

대우조선해양은 현재 국내 3건, 해외 2건의 관련 특허를 보유 중으로, 장치 적용으로 매년 37억원에 달하는 생산시수 절감 효과와 함께 용접 불량률 감소, 제품 품질향상 등 다양한 유무형의 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대하고 있다.

현대중공업, 해양플랜트용 핫와이어 티그용접 자동화

현대중공업은 국내 최초로 FPSO(부유식 원유 생산저장하역 설비) 등 해양설비에 사용되는 특수 파이프의 핫와이어 티그용접(Tig welding) 자동화에 성공했다.

해양설비용 특수 파이프는 해수와 원유에 노출되는 특성 상 부식에 강하고 강도가 센 듀플렉스강을 사용하며, 이 재질에 적합한 티그용접으로 작업이 진행된다. 기존 티그용접은 용접봉을 수동으로 공급해야 하는 데다 자주 교체를 해야 해 작업에 많은 시간이 소요되는 단점이 있었다.

현대중공업이 개발한 핫와이어 티그로봇의 용접 시연 장면.ⓒ현대중공업

현대중공업이 개발한 핫와이어 티그용접은 와이어(금속선) 형태의 용접봉을 고온으로 가열해 연속 공급함으로써 동일한 시간 내 더 많은 금속을 녹이면서 용접을 할 수 있는 게 특징이다. 또, 작업 중 용접봉 교체와 작업자 휴식시간도 필요하지 않아 기존 수동용접에 비해 작업속도가 6배가량 빠르다.

이밖에 현대중공업이 자체 제작한 6축(軸) 용접로봇을 사용해 용접기와 파이프 간 정렬이 간편하고 리모컨 조작만으로 작업을 진행할 수 있어 편의성도 높다.

선박 블록 용접 분야에 투입되는 현대중공업의 용접로봇은 휴대성과 조작성이 가장 큰 강점이다. 현대중공업은 지난해 5월 선박의 블록을 용접하는 소형 로봇 휴대용 용접 로봇을 개발, 선박 건조현장에 투입했다.

자체 개발한 이 로봇은 크기가 가로 50cm, 세로 50cm, 높이 15cm 정도로 작고, 무게는 15kg에 불과해 작업자가 직접 들고 다닐 수 있으며, 사람이 작업하기 어려운 협소한 공간에서도 다양한 작업이 가능하다. 기존 용접 로봇들은 무거운 중량 때문에 크레인을 사용하지 않고는 옮기기 어렵고, 부피가 커서 좁고 복잡한 작업공간에서 사용할 수 없었다.

이 로봇은 팔이 6개의 관절로 이뤄져 사람이 할 수 있는 대부분의 작업이 가능하다. 작업 속도는 숙련된 기량의 용접사와 비슷하며, 균일한 품질로 장기간 연속적인 작업이 가능하다. 또 몸체에 부착된 자석을 이용하면, 벽면과 천장에 붙은 상태로도 작업할 수 있어 활용도가 뛰어나다.

조작도 간편해 작업자 한명이 2~3대의 로봇을 동시에 작동, 관리할 수 있어 기존보다 2, 3배 획기적인 생산성 향상 효과가 기대된다. 이외에도 로봇에 별도의 소프트웨어를 탑재하면 선박 블록의 절단, 블라스팅(녹 제거) 및 페인팅 작업이 가능하며, 향후 육·해상플랜트와 건설장비 제작에도 사용할 수 있도록 성능을 개선할 예정이다.