(A) study on the effect of robot introduction on productivity improvement of 5-axis machine for small quantity batch production

국문 초록 (Abstract)

2000년대 이후 제조업의 환경은 빠르게 변화하고 있다. 제품의 수명 주기가 짧아지고, 다양한 제품의 요구로 인해 기존의 대량생산 체제에서 다품종 소량생산을 하는 기업들이 늘어나고 있다. 다품종소량생산 중소기업은 최근 근무환경의 변화와 젊은 기술자의 부재, 설비의 노후 등 여러 가지 환경변화에 어려움을 겪고 있어 대기업과 비교하면 근로자당 노동생산성이 현저히 낮은 수준에 머무는 실정이다.
이러한 환경변화와 함께 최근 화두가 되는, Industiry 4.0, 스마트 팩토리 시대에 맞춰 다품종소량생산 기업이 생산성을 높이고, 근무환경을 개선하기 위해서, 로봇 도입이 필수적 요소로 인식되고 있다. 기존에 정량화된 제품의 공작기계의 로봇을 활용한 사례나 연구자료들이 존재하지만, 다품종소량생산에서의 로봇 도입에 관련 연구가 부족한 상황이다. 본 연구의 목적은 최근 공작기계에서 수요가 늘고 있는 5축 가공기의 로봇 도입으로 인해 다품종 소량 생산의 환경에서 설비 생산성에 영향을 주는 요소들이 어떻게 영향을 받는지 분석하고, 로봇 도입이 경제적 타당성을 검증하는 것이다.
설비의 생산성을 측정하는 설비종합효율과 이를 높이기 위해 관리 되어야 하는 Loss와 다품종소량생산의 가장 큰 특징인 제품의 다양성을 변수로 설정하고 각각의 변수가 로봇 도입으로 인해 생산성에 어떻게 영향을 미치는지 경로 분석을 통해 분석하였다. 분석결과 로봇 도입은 시간 가동률과 계획된 정지 시간 및 계획되지 않은 정지 시간은 경로에 유의한 영향을 미치는 것으로 분석되었고, 성능가동률과 속도 저하의 경로에 유의한 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 시작단계에서의 불량, 가동 중의 불량과 양품률 경로는 로봇 도입으로 유의한 영향을 미치는 것으로 분석되었으나, 제품의 다양성과 생산시간의 경로와 미세정지시간과 성능가동률의 경로는 유의하지 않은 결과를 얻었다. 변수로 설정한 6가지 로스와 생산성 향상의 경로에 모두 유의한 영향이 있는 결과를 얻었다.
연구 기간 정량적 데이터 분석을 통해 실제 생산시간을 도출하고, 이를 기반으로 NPV, B/C Ratio, IRR, PP 경제성 분석을 하였다. 분석결과, 5축 가공기의 로봇 도입은 경제적 타당성이 우수한 것으로 분석되었으며, 다양한 변수를 고려하여 실시한 수익과 비용변화에 따른 민감도 분석(±20%)을 수행하여 경제성 분석결과를 다시 한번 확인하였다. 본 연구를 통해 도출한 로봇 도입으로 인한 각 경로의 직접 효과, 간접효과, 총 효과의 크기에 대한 의의를 제시하고, 결과에 따른 산업과 학계에서 본연구의 활용성, 연구의 한계점 및 향후 연구 방향을 제시하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Since the 2000s, the environment of the manufacturing industry has changed rapidly. Companies are increasingly using small quantity batch production from the conventional mass production system due to the shortened product life cycle and the demand for various products. Since small and medium-sized enterprises that use small quantity batch production are suffering from various environmental changes such as recent changes in the working environment, absence of young technicians, and obsolescence of equipment, the labor productivity per worker remains significantly lower than that of large enterprises.
The introduction of robots is recognized as an essential factor in order to increase productivity and improve the working environment for companies that use small quantity batch production in line with the Industry 4.0 and Smart Factory era, which are the recent conversation topics, along with such environmental changes. Although there have been cases and research data using robots of machine tools for quantified products in the past, there are insufficient studies on the introduction of robots in small quantity batch production. The purpose of this study is to analyze how factors affecting equipment productivity are affected in the small quantity batch production environment due to the introduction of robot for 5-axis machine, which are increasing in demand in machine tools, and to verify the economic feasibility of introducing robots.
The Overall Equipment Effectiveness that measures the productivity of the equipment, the loss that needs to be managed accordingly, and the diversity of products, which is the biggest feature of small quantity batch production, were set as variables to analyze how each variable affects productivity due to the introduction of robots through path analysis.
As a result of the analysis, it was analyzed that robot introduction had a significant effect on the path of the availability, planned and unplanned down time, and it was analyzed that it had a significant effect on the path of performance rate and reduced speed. It was analyzed that although the introduction of the robot had a significant effect on the path of defects in the starting stage, scraps during operation, and quality rate, it was not significant on the variety of products, the path of running time, and the path of minor stoppages and performance rate. Results showed that it had a significant effect on all the six losses set as variables and the path of equipment productivity improvement.
The actual production time was derived through quantitative data analysis during this research period, and NPV, B/C Ratio, IRR, PP and economic feasibility were analyzed based on this. As a result of the analysis, it was analyzed that the introduction of a robot for a 5-axis machine has good investment feasibility, and a sensitivity analysis (±20%) according to changes in profit and cost was conducted in consideration of various variables, thereby Economic feasibility analysis result was confirmed once again. The significance of the magnitude of the direct effect, indirect effect, and total effect of each path due to the introduction of robots derived through this study was presented, and the usability of this study in industry and academia according to the results, limitations of the study, and future research topics were presented.