조선·해양 선박 블록 사상 공정의 자동화 힘 제어 솔루션, AIRO-One 표면 가공 솔루션

조선·해양 현장에서 용접은 빠르게 자동화되고 있습니다. 그런데 그 용접이 끝난 다음 공정인 사상 공정은 여전히 사람 몫으로 남아 있습니다. 이 글에서는 해양 선박 블록의 사상 공정이 왜 로봇 자동화의 마지막 관문이 되었는지, 그리고 에이딘로보틱스(AIDIN ROBOTICS)의 힘 제어 솔루션이 그 문제를 어떻게 해결하는지 다룹니다.

사상 공정이란 무엇인가？

배는 수많은 블록을 각각 제작한 뒤 하나의 선체로 조립하는 과정을 거쳐 완성됩니다. 이 과정에서 필연적으로 마주하게 되는 공정이 사상(Grinding)입니다.

블록을 이어 붙일 때마다 용접이 들어가고, 용접이 끝난 이음선에는 불룩하게 굳은 용접 비드가 남습니다. 그 주변에는 사방으로 튄 스패터가 달라붙습니다. 도장 전에 이 거친 자리를 갈아내지 않으면 도막이 고르게 얹히지 않아 완성도와 내구성이 현저히 떨어집니다.

그런데 갈아내야 할 대상이 용접부만은 아닙니다. 용접 열에 손상된 도막, 반목에 가려 도장이 비어 있던 자리, 운반 중 긁힌 곳처럼 보수 도장이 필요한 자리가 곳곳에 생깁니다. 결국 사상 공정은 대상에 따라 두 가지로 나뉩니다.

• 드레싱(dressing): 용접 비드를 다듬는 공정입니다. 사방으로 튄 스패터는 제거하고, 뾰족하게 솟은 능선과 모재가 파인 언더컷 가장자리는 갈아서 둥글게 만듭니다. 각이 남으면 그 자리에 도막이 얇게 얹혀 가장 먼저 벗겨집니다.

• 페더링(feathering): 기존 도막의 단부를 다루는 공정입니다. 보수 부위의 경계에는 기존 도막 두께만큼의 계단이 남는데, 이 단부를 25~100mm 폭으로 테이퍼지게 갈아 그 단차를 없앱니다. 그대로 두고 덧칠하면 경계선이 도장 면에 드러나고, 단차 모서리는 부착이 약해 박리가 시작되는 지점이 됩니다.

두 사상 공정 모두 곡면을 따라가며 접촉 압력이 일정하게 유지되어야만 도장의 완성도와 내구성을 확보할 수 있습니다. 세게 누르면 모재까지 파이고, 약하면 능선과 단차가 그대로 남습니다.

좁은 블록 안에서 팔을 뻗은 채 버티는 사상 작업. 분진·소음·진동이 그대로 작업자에게 전달되고, 마감 상태는 숙련도와 피로도에 따라 달라집니다.

하지만 여전히 많은 현장에서 작업자가 직접 그라인더를 들고 이 일을 감당하고 있습니다. 좁은 블록 내부에서 분진과 소음을 견디며 팔을 뻗은 채 버텨야 하고, 작업자의 숙련도나 피로도에 따라 마감 상태가 달라지기 일쑤입니다. 고르지 못한 표면은 결국 페인트 들뜸으로 이어지고, 이는 더 큰 재작업 비용으로 이어집니다.

“우리 현장은 한 블록에 몇 시간이나 걸리고, 몇 명의 인력이 투입되고 있을까？”

로봇 자동화 검토는 이 질문에서부터 시작되어야 합니다.

해양 선박 블록에서 사상 공정이 유독 어려운 이유

단순히 로봇에 그라인더를 장착하고, 미리 프로그래밍된 좌표대로 움직이게 하면 해결될 것 같지만, 선박 블록 가공은 그렇게 단순하지 않습니다. 용접 비드의 높이는 구간마다 제각각입니다. 어떤 곳은 두껍게 솟아 있고, 어떤 곳은 얇게 지나갑니다. 블록 특유의 곡률 편차와 용접 변형까지 더해지면 실제 표면은 프로그래밍된 경로와 어긋납니다. 정해진 경로만 고집하는 로봇은 표면이 경로보다 솟은 구간에서는 모재까지 파고들고, 낮은 구간에서는 공구가 닿지 않아 비드를 그대로 남겨둡니다.

기존 도막을 다루는 페더링은 허용 범위가 더 좁습니다. 수백 마이크로미터 두께의 도막을 단부에서 경사면으로 걷어내는 작업이라, 압력이 조금만 세면 모재까지 드러나 보수 범위가 오히려 넓어지고, 조금만 약하면 단부의 단차가 그대로 남습니다.

두 사상 공정이 요구하는 것은 단순히 위치를 고정하는 제어가 아니라 누르는 힘을 제어하는 기술입니다. 표면이 솟아오르면 로봇이 살짝 물러났다가, 낮아지면 자연스럽게 따라 들어가야 합니다.

에이딘로보틱스의 AIRO-One 표면 가공 솔루션은 드레싱과 페더링 모두에서 누르는 힘을 처음부터 끝까지 일정하게 유지합니다. 비드는 능선만 걷혀 완만한 곡면으로 남고, 도막 단부는 25~100mm 폭에 걸쳐 고르게 얇아집니다.

방식	동작 특징	조선·해양 블록 적용 시 한계
위치 제어	입력된 좌표대로만 강직하게 이동	비드 높낮이 편차를 따라가지 못해 과연삭·도막 관통 및 모재 손상 가능
수동 완충 (스프링)	기계적 변형으로 표면 편차와 충격을 흡수	눌린 깊이에 따라 접촉력이 달라지며 정밀한 힘 설정·기록 불가
능동 컴플라이언스 (공압)	센서와 공압 액추에이터로 툴의 완충축을 능동 제어하여 접촉력 유지	단일 완충축 중심의 국부 힘 제어로 복잡한 곡면에서 다방향 힘·자세 변화 대응에 한계
힘 제어 (AIRO-One)	접촉력을 실시간 측정하여 로봇 움직임 자체를 능동적으로 보정	—

제어 방식별 동작 특징과 조선·해양 블록 적용 시 한계

같은 비드 형상, 같은 축척, 같은 목표 힘 밴드에서 비교한 결과. 그림의 강판은 실제로는 블록 천장면이며, 가독성을 위해 상하를 반전해 그렸습니다.

에이딘만의 차별점

상황	에이딘의 AIRO-One	수동 완충	위치 제어
비드가 솟은 곳	툴이 물러나 능선만 깎아냄	스프링이 눌려 압력이 올라감	비드를 때림 — 과연삭·파손
비드가 얕은 곳	그만큼 더 들어가 같은 양을 깎아냄	압력이 떨어지고 접촉을 놓침	닿지 않고 그대로 지나감
설정과 이력	목표 힘을 값으로 정하고 기록 보관	값 설정·데이터 기록 불가	힘이라는 개념 자체가 없음

방식별 동작 원리와 접촉력 결과

• 힘 제어 (AIRO-One) — 센서로 접촉력을 실시간 측정·보정하며 표면을 따라가는 경로를 만듭니다. 솟은 구간에서는 툴이 물러나며 능선만 걷어내고, 낮은 구간에서는 그만큼 더 들어가 누르는 압력을 일정하게 유지합니다. 목표 힘을 값으로 정하고 작업 이력으로 기록합니다. 결과 — 전 구간 목표 힘 허용 밴드 안 유지.

• 수동 완충 (스프링·공기압) — 물리적 힘으로 대략적으로만 완충합니다. 완충은 되지만 힘의 크기를 정할 수 없습니다. 스프링이 눌리는 양이 구간마다 달라 압력 과다와 압력 부족이 번갈아 나타나고, 표면이 패인 구간에서는 고정 높이의 캐리어가 스트로크를 초과해 접촉을 잃습니다. 결과 — 비드 높이에 따라 힘이 출렁임, 값 설정도 이력 기록도 불가.

• 위치 제어 — 입력된 고정 좌표대로 강직하게 이동해 비드 높낮이 편차를 따라가지 못합니다. 솟은 구간에서는 과연삭과 비드 파손이 일어나고 충격 스파이크가 과부하 임계를 넘어 툴 파손·정지로 이어집니다. 낮은 구간에서는 비접촉·미가공으로 접촉력이 0이 됩니다. 결과 — 목표 힘 허용 밴드를 벗어나 과연삭과 미가공이 함께 발생.

완충 장치를 따로 더하는 대신 로봇 팔 자체를 보정 기구로 씁니다. 보정이 장치의 축과 행정 안에 갇히지 않기 때문에, 곡면 어디서든 축과 범위의 제한 없이 목표한 힘을 유지합니다.

AIRO-One 구성과 각 요소의 역할

• 로봇 플랜지 + 6축 힘/토크 센서 AFT200 — 누르는 힘과 비트는 힘을 동시에 측정합니다.

• 실시간 위치 보정 — 초당 1000회 보정으로 로봇이 즉시 추종합니다. 위치 보정은 별도 기구가 아니라 로봇 팔이 수행합니다.

• 작업 대상 — 블록 강판에 남은 용접 비드. 실제 작업면은 블록 천장면입니다.
  

이 구성이 만드는 결과와 근거

• 곡면에서도 정확한 힘 — 툴이 기울어도 누르는 힘이 흔들리지 않습니다. 근거: 6축 센서가 힘의 크기와 방향을 함께 측정하기 때문입니다.

• 행정 제한 없는 추종 — 편차가 커도 경로를 다시 짤 일이 없습니다. 근거: 보정을 기구 행정이 아니라 로봇 팔 전체가 수행하기 때문입니다.

• 단순한 끝단 구성 — 팔 끝에는 센서 하나만 더해집니다. 근거: 구동 모듈과 공압 배관 없이 힘 제어를 구현하기 때문입니다.

별도 완충 장치 없이 로봇이 직접 제어하는 이유

힘 제어를 별도 장치에 맡기면 보정은 그 장치의 축과 행정 안에서만 유효합니다. AIRO-One은 장치를 더하는 대신 로봇 팔 자체를 보정 기구로 씁니다. 6축 힘/토크 센서 AFT200이 읽은 접촉력을 제어기가 초당 1000회 위치 보정으로 되돌리므로, 곡면 어디서든 축과 범위의 제한 없이 목표한 힘을 유지합니다. 측정과 보정을 같은 제어기가 수행하므로, 실제 접촉력이 6축 값 그대로 작업 이력으로 남아 품질 기록의 근거가 됩니다.

액티브 컴플라이언스 플랜지 방식에 남는 한계

• 곡면 품질 편차 — 장치가 자기 축 방향의 힘만 측정하고 보상하므로, 툴이 기울면 실제 누르는 힘이 달라지고 측면 걸림과 비틀림은 감지하지 못합니다.

• 티칭 의존 잔존 — 보정 범위가 기구 행정 수십 mm에 갇혀, 곡률 편차와 용접 변형이 행정을 넘으면 결국 경로를 다시 티칭해야 합니다.

• 중량·구성 부담 — 수 kg의 구동 모듈과 공압 배관, 전용 제어기 연동이 팔 끝에 더해져 가반하중을 잠식하고 좁은 블록 내부 접근을 제한합니다.

구분	에이딘의 AIRO-One	액티브 컴플라이언스 플랜지 방식
구성	표준 협동로봇 + 6축 힘/토크 센서 AFT200 + 실시간 힘 제어기	표준 로봇 + 1축 힘 보상 플랜지(공압) + 사람이 티칭한 고정 경로
힘 측정	6축 — 힘의 크기와 방향을 함께 측정하므로 툴이 기울어도 누르는 힘이 흔들리지 않습니다.	1축 — 자기 축 방향의 힘만 측정합니다. 측면 걸림과 비틀림은 감지하지 못해 곡면 품질 편차가 남습니다.
보정 범위	로봇 팔 전체가 보정을 수행하므로 행정 제한이 없고, 편차가 커도 경로를 다시 짤 일이 없습니다.	기구 행정 수십 mm 이내로 갇힙니다. 곡률 편차와 용접 변형이 행정을 넘으면 결국 다시 티칭해야 합니다.
팔 끝 구성	센서 하나만 더해집니다. 구동 모듈과 공압 배관이 필요하지 않습니다.	수 kg의 구동 모듈과 공압 배관, 전용 제어기 연동이 따라붙어 가반하중을 잠식하고 좁은 블록 내부 접근을 제한합니다.

사상 공정 시 AIRO-One 표면 가공 솔루션 프로세스

스캔에서 재현까지 다섯 단계. 두 번째 입고부터는 저장된 작업 조건표를 불러오므로 세팅이 필요 없습니다.

1. 3D 스캔 — 3D 카메라가 블록 표면과 용접 자국을 정밀하게 스캔합니다.

2. 위치 판단 — 비드와 보수 부위가 어디에 있는지, 얼마나 솟거나 패였는지 스스로 분석합니다.

3. 경로 생성 — 블록 형상 변화에 맞춰 로봇이 지나갈 최적의 경로를 자동으로 만듭니다. 사람이 일일이 학습시킬 필요가 없습니다.

4. 실시간 압력 보정 — 그라인더를 표면에 댄 상태에서 초당 1000번 누르는 힘을 측정하고 보정합니다. 표면이 울퉁불퉁해도 힘은 늘 한결같습니다.

5. 결과 확인 및 재작업 — 목표한 표면 상태에 도달했는지 확인하고, 덜 갈린 구간이 있다면 정밀하게 다듬는 재작업을 진행합니다.

처음 접하는 형상의 블록은 초기 몇 건의 테스트를 거쳐 연마재·힘 목표 같은 가공 조건 값을 세팅하게 되지만, 일단 완성된 설정 값은 작업 조건표로 안전하게 저장되어 동일한 블록이 입고될 때 버튼 하나로 완벽하게 재현됩니다.

두 번째부터는 세팅이 필요 없습니다

• 처음 접하는 형상 — 초기 몇 건의 테스트로 조건 값을 잡습니다.

• 작업 조건표 저장 — 완성된 설정 값이 조건표로 보관됩니다.

• 동일 블록 재입고 — 버튼 하나로 같은 조건을 재현합니다. 같은 블록이 다시 들어올 때마다 저장된 조건을 불러옵니다.

사상 공정 맞춤형 AIRO-One 표면 가공 솔루션 하드웨어 구성

협동로봇, 6축 힘/토크 센서 AFT200, 자체 개발 제어기, 3D 비전 시스템, 연마재 자동 관리 시스템이 하나의 솔루션으로 묶입니다.

• 로봇: 협동로봇 기준 구성 (Universal Robots UR12e)

• 힘/토크 센서: AFT200 (6방향 밀고 비트는 힘 동시 측정, 정격 200N / 15Nm)

• 제어기: 자체 개발 로봇 제어기 (초당 1000회 고속 힘 측정·보정)

• 모바일 로봇·이동 카트: 구역 단위로 이동해 대형 블록 전체 커버

• 비전 시스템: 3D 표면 형상 인식 및 자동 경로 생성 카메라

• 소모품 및 툴: 연마재 자동 관리 시스템(사포·숫돌 자동 투입·제거·점검 및 연마액 분사) 및 고객 맞춤형 툴

핵심 성능 지표

• 힘 오차: 에이딘로보틱스가 자체 개발한 힘 제어 컨트롤러는 목표한 힘에서 최소 1N 이내를 유지합니다. 1N은 사과 한 알을 손바닥에 가볍게 올린 정도입니다.

• 측정 및 보정 주기: AIRO-One은 6축 힘/토크 센서 AFT200으로 누르는 힘을 초당 1000회 측정하고 보정합니다. 사람의 반응 속도를 넘어서는 대응입니다.

• 감지 분해능: 힘 0.15N, 토크 0.015Nm 단위의 변화까지 감지합니다.

• 대응 힘 범위: 미세 연삭부터 100N 고압력 연마까지 동일 장비로 소화합니다.

• 대응 가공 크기: 1mm 폭의 미세 부위부터 3m 이상의 대형 시편까지 단일 솔루션으로 대응합니다.

• 한계 하중: 정격 200N / 15Nm에 대해 한계 하중 300N / 22.5Nm를 확보하여, 그라인더 접촉 시 발생하는 순간 충격에 여유를 둡니다.

• 내구성 및 환경: 먼지가 내부로 들어오지 않고 물이 분사되어도 견디는 방진·방수 구조입니다. 동작 온도는 10~50℃이며, 저온 환경은 시스템 설계로 대응합니다.

• 연마 공정 구현 실적 보유 소재: 알루미늄 · 플라스틱 · 세라믹 · 스틸

현장 담당자분들이 자주 묻는 질문

Q. 선박 블록 사상 공정 자동화, 어느 공정까지 로봇이 담당하나요？

A. 용접 비드 드레싱, 도막 단부 페더링, 도장 전 표면 앵커링, 방청 처리 전 표면 정리까지 로봇이 담당합니다. 에이딘로보틱스는 이 표면 가공 공정을 턴키로 공급합니다. 6축 힘/토크 센서 AFT200과 자체 개발 제어기, 3D 비전 경로 생성, 연마재 관리 시스템이 하나의 솔루션이 되어, 실제 작업자의 공정 분석부터 구현 설계와 작업 조건 도출까지 함께 진행합니다. 블록 이송·취부·용접 같은 앞단 공정은 자동화 시스템 통합(SI) 업체와 로봇 제조사가 구성하며, 에이딘로보틱스는 이미 거래하고 계신 SI나 로봇사와 나란히 들어가는 구성도 지원합니다.

Q. 3m가 넘는 대형 선박 블록도 로봇으로 사상 공정이 가능한가요？

A. 가능합니다. 협동로봇 한 대의 작업 반경으로는 블록 전체를 담을 수 없으니, 로봇 베이스 아래에 모바일 로봇 또는 이동 카트를 두고 작업 구역 단위로 이동합니다. 한 구역을 마치면 다음 구역으로 옮겨 이어서 작업하므로, 대형 블록을 돌리거나 다시 고정할 일이 없습니다. 표면을 따라가며 누르는 힘을 맞추는 방식이라, 베이스 위치가 조금 어긋나도 접촉 압력은 그대로 유지됩니다. 1mm 폭 정밀 폴리싱부터 3m 이상 대형 블록 사상까지 같은 솔루션으로 대응합니다.

Q. 비드 높이가 구간마다 다른데, 매번 프로그램을 새로 짜야 하나요？

A. 그럴 필요 없습니다. 에이딘로보틱스의 힘 제어 기술은 표면 높이가 불규칙하게 변해도 누르는 힘을 일정하게 유지해주기 때문에 복잡하게 프로그램을 쪼갤 필요가 없습니다. 블록의 전체적인 형상 자체가 바뀌더라도 3D 카메라가 경로를 새로 생성하므로 유연하게 대처할 수 있습니다.

Q. 지금 쓰고 있는 로봇에 붙일 수 있을까요？

A. AIRO-One의 기준 구성은 협동로봇 Universal Robots UR12e이지만, 6축 힘/토크 센서 AFT200은 로봇 팔 끝에 장착하는 방식이라 다른 협동로봇이나 산업용 로봇에도 적용을 검토할 수 있습니다. 통신은 CAN·EtherCAT·EtherNET 방식을 지원합니다. 사용 중인 로봇 모델과 제어기 종류를 알려주시면 연동 가능 여부를 확인해 드립니다.

Q. 조선소 분진과 습기 환경에서도 센서가 견딜 수 있나요？

A. AFT200 센서는 먼지가 내부로 들어오지 않고 물이 분사되어도 견디는 방진·방수 구조이며, 동작 온도는 10~50℃입니다. 정격 200N / 15Nm에 대해 한계 하중 300N / 22.5Nm를 확보해 그라인더 접촉 시의 순간 충격에도 여유가 있습니다. 폭발 위험 구역 대응과 분진 집진 설비는 현장 조건에 맞춰 시스템 차원에서 함께 설계합니다.

Q. 표면 조도나 제거량을 수치로 보장할 수 있나요？

A. 실제 시편으로 초기 테스트를 진행해 목표 수치를 맞추는 조건 값을 찾고, 그 값을 작업 조건표로 확정합니다. 이후 동일한 블록에서는 같은 조건이 그대로 재현됩니다. 목표 수치는 소재와 그라인더 규격, 비드 형상, 요구 마감 수준에 따라 달라지므로 현장 조건을 알려주시면 도달 가능한 범위를 함께 확인해 드립니다.

Q. 해외 센서 대신 에이딘로보틱스를 쓰는 이유는 무엇인가요？

A. 힘 제어는 센서 단품만으로 완성되지 않습니다. 센서가 읽은 값을 얼마나 빨리 판단해 로봇에 다시 내려보내는지가 실제 가공 품질을 결정합니다. 에이딘로보틱스는 6축 힘/토크 센서 AFT200과 초당 1,000회로 동작하는 제어기를 함께 개발했고, 공정 분석부터 작업 조건 도출까지 국내에서 직접 지원합니다. 센서를 사고 제어는 따로 붙이는 방식과 여기서 갈립니다.

사상 공정은 오래도록 사람의 손과 감각에 맡겨져 온 자리입니다. 일정하지 않은 표면을 일정한 힘으로 다루는 일이 로봇에게 어려웠기 때문입니다. AIRO-One 표면 가공 솔루션은 힘 제어를 기반으로 바로 그 지점을 해결합니다.

이처럼 선박 블록 사상 공정의 자동화를 검토하고 계시다면, 현재 작업 시간과 투입 인력만 알려주셔도 검토 가능합니다. 에이딘로보틱스(AIDIN ROBOTICS)는 공정 분석부터 설계, 작업 조건 도출까지 함께 진행합니다.

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