[첨단 헬로티]

IoT, 인더스트리4.0 등의 키워드는 현재 제조업 내에서 업계에 상관없이 뜨거운 화제이다. 절삭가공 업계에서는 공작기계 메이커를 중심으로 주목받는 영역 중 하나이다. 한편, 공구에서는 화제이지만 구체적인 제안에는 이르지 못한 상황이 이어지고 있었는데, 샌드빅은 이러한 시대의 흐름에 대응하기 위한 공구 메이커의 제안으로서 새로운 콘셉트 ‘CoroPlus(코로플러스)’의 도입을 개시했다. 이 글에서는 이 CoroPlus의 콘셉트 내용과 기능에 대해 소개한다.

‘CoroPlus(코로플러스)’는 단일 제품이 아니라, 새로운 제조 시대에 대응하기 위한 샌드빅의 IoT 제안의 플랫폼과 일련의 제품을 총칭하는 호칭이다. 즉, CoroPlus에는 뒤에서 소개하게 될 여러 가지 제품·제안이 포함된다.

CoroPlus에서는 제품의 제조 흐름을 3가지 영역·프로세스로 나눠 정의하고 있다(그림 1). 즉, ‘설계 및 생산 계획 프로세스’, ‘절삭가공 프로세스’, ‘가공 분석 프로세스’의 3 가지이다. 샌드빅은 절삭공구 메이커이지만, CoroPlus는 절삭가공 프로세스만이 아니라 이들 3가지 프로세스 전체에서 제안을 함으로써 제조의 흐름 전체에서 포괄적인 제안을 한다는 점이 특징이다.

이번에는 그 중에서 ‘설계 및 생산 계획 프로세스’, ‘절삭가공 프로세스’의 2가지 영역의 제안에 대해 소개한다.

설계 및 생산 계획 프로세스

이 프로세스의 제안으로서는 ‘CoroPlus 툴가이드’, ‘CoroPlus 툴라이브러리’, ‘CoroPlus 툴패스’가 있으며, 순서대로 그 기능을 소개한다.

‘CoroPlus 툴가이드’(그림 2)에는 피삭재나 가공의 내용, 가공부의 치수를 입력하면, 그 가공에 사용할 수 있는 공구가 자동적으로 리스트업되게 되어 있으며, 공구 선정에 드는 수고를 간략화해 작업 시간의 단축에 공헌한다. 또한, 여기에서 선정한 공구를 사용할 때의 권장가공 조건도 함께 확인할 수 있고, 그 조건을 CAM 등에 엑스포트하는 기능도 가지고 있다.

‘CoroPlus 툴라이브러리’(그림 3)에는 공구의 각부 치수로부터 공구의 범위를 줄여 공구 선정 작업을 간략화하며, 선정한 공구를 PC 상에서 조립, 공구 어셈블리의 3차원 모델을 작성할 수 있다. 즉, 엔드밀이나 드릴 등의 끝단 공구만이 아니라 그 근원인 척이나 베이식 홀더와 조합한 공구 어셈블리 전체의 3차원 모델을 작성할 수 있다. 또한, 엔드밀이나 드릴의 돌출 길이도 설정·조정할 수 있고, 그것을 어셈블리 모델에 반영시키는 것도 가능하다. 완성된 어셈블리는 CAM으로 출력할 수 있고, 지금까지 이상으로 정확한 가공 전 시뮬레이션을 하는 것이 가능하다.

이 배경에 있는 것이 최근 규정된 국제 규격 ISO 13399이다. 이 규격 제정 이전에는 공구의 3차원 모델 각부 치수에 대해 공통의 정의가 없어, 각 공구 메이커마다 정의가 각각이었기 때문에 3차원 모델 그 자체가 있어도 그것을 CAM 등에서 이용하는 데는 많은 수동 조정 작업이 필요했다. 결과, 현장에서는 유저 자신이 간이의 개략 모델을 작성해 시뮬레이션하는 경우가 많아 실제 가공과 시뮬레이션의 갭을 낳는 원인이 되고 있었으며, 시뮬레이션에서 일어나지 않았던 워크와 공구의 충돌이 실제 가공 시에 일어난다고 하는 문제가 있었다.

CoroPlus 툴라이브러리는 이 ISO 13399에 대응한 공구의 3차원 모델을 제공하고 있으며, CA M과의 친화성·수동 조정 작업의 절감에 공헌한다. 그 결과, 시뮬레이션의 정확성이 대폭으로 향상되고 현실 가공과의 갭이 최소화되어 예상 외의 공구 파손·가공 스톱을 줄일 수 있게 된다.

ISO 13399 대응에 대해서는 업계 전체에서 진행하고 있다. CoroPlus 툴라이브러리는 샌드빅 공구 모델뿐만 아니라, ISO 13399 대응 모델이면 어느 메이커의 공구라도 동일하게 취급할 수 있는 점도 특징의 하나이다.

‘CoroPlus 툴패스’는 가공의 NC 프로그램 작성을 보조하는 툴이다(그림 4). 최근 가공 방법은 보다 다양화되고 있으며, NC 프로그램의 작성도 복잡화되고 있다. 샌드빅에서도 기존과는 다른 공구의 움직임을 동반하는 가공을 몇 가지 제안하고 있기 때문에 이들 공구를 사용하기 위한 NC 프로그램 작성 보조를 목적으로 이들 툴(대상으로 하는 제품별로 각각 다른 툴)을 도입하고 있다. 이러한 CoroPlus 제품의 활용에 의해 가공 부품의 설계 및 생산 계획 프로세스의 작업 시간을 단축, 사전 시뮬레이션 정도를 향상시킬 수 있다.

절삭가공 프로세스

이 프로세스에서는 ‘Silent Tools(사일런트 툴) 플러스’, ‘Coromant Capto 플러스’, ‘CoroPlus 프로세스 컨트롤’의 3가지를 제안한다.

‘Silent Tools(사일런트 툴) 플러스’(그림 5)는 동사의 방진공구 Silent Tools(사일런트 툴) 공구 내부에 새롭게 센서를 넣어, 가공 중인 공구의 진동 상태를 모니터할 수 있게한 센서 내장 공구이다.

센서가 취득한 데이터는 통신 유닛에 의해 와이어리스로 기기 외부로 보내지고, PC나 태블릿을 이용해 가공 중인 공구의 진동 상황이나 가공 면조도의 기준 지표를 기기 외부에서 리얼타임으로 모니터링하는 것이 가능하다(그림 6). Silent Tools(사일런트 툴)이 필요한 것은 깊은 내경구멍의 가공으로, 이러한 가공에서는 가공 중에 가공 부위를 육안으로 볼 수 없기 때문에 실제로 무엇이 일어나고 있는지는 보통 알기 어렵다. 숙련기술자는 이러한 경우에도 가공음이나 절삭칩으로 가공의 상태를 파악할 수 있지만, 경험이 없는 오퍼레이터는 파악하기 힘들다.

이와 같은 경우에 진동 상태를 가시화 모니터링할 수 있는 이 제품은 유용하다. 또한, 모니터한 데이터는 기록할 수 있고, 그 시점의 모니터링뿐만 아니라 중장기적인 데이터 추이를 볼 수도 있다. 이것에 의해 공구의 메인터넌스 시기를 정기적으로 설정, 돌발적인 기계 다운을 방지하는 예방 보전에 활용하는 사용법도 가능하다. 지금까지도 공작기계를 중심으로 센서 탑재에 의한 모니터링이라는 유사한 기술은 있었지만, 이 제품은 공구에 센서를 탑재한다는 점이 새롭고 가공의 진정한 중심인 날끝에 보다 가까운 위치에 센서를 탑재한다는 점에서 기존 기술에 대한 어드밴티지가 있다.

또한, 방진 공구를 기계에 세팅할 때에 날끝 위치의 위상 조정을 할 필요가 있는데, 이 공구의 부가적인 기능으로서 센서에 의해 날끝 위상을 PC·태블릿의 스크린 상에서 수치 확인할 수 있고, 조정에 필요한 시간을 절감할 수 있는 기능도 있다. 이 제안은 막 시작했으며, 가능한 것은 아직 현재로서는 그다지 많지 않아 어디까지나 ‘지금까지 눈에 보이지 않았던 것을 보이게 한다=가시화’에 머물러 있다.

그러나 이와 같은 기술의 미래적인 가능성은 여러 가지로 다양하며, 앞으로는 취득한 데이터 활용에 의한 능률적인 가공 컨트롤이 검토되고 있다. 예를 들면 진동 상황의 악화를 검지했을 때에 기계를 정지하거나, 혹은 절삭 조건을 자동적으로 변경해 진동을 회피하거나 한다. 이것은 공구 단체로는 실현이 불가능하고, 공작기계와의 커뮤니케이션을 필요로 하기 때문에 실현에는 시간이 걸릴지도 모르지만, 미래적인 가공의 불량률 저하나 기계 다운타임 절감 및 생산 라인의 자율 컨트롤에 유효하다고 생각된다.

‘Coromant Capto(코로만트 캡토) 플러스’는 동사의 회전공구 홀더 내에 새롭게 센서를 넣어, 사용 중인 상태를 모니터링할 수 있는 제품이다(그림 7). 회전공구 홀더는 밀링 기능이 있는 NC 선반의 날붙이대에 장착해 사용된다. 회전공구 홀더가 개발된 지 30년 이상 경과했음에도 불구하고 날붙이대에 메커니컬적으로 접속되어 있을 뿐으로 외부(기계 측 등)와의 전기적(소프트웨어적) 인터페이스에 대해 중요시되고 있지 않았던 것이 실정이었다.

IoT, 인더스트리4.0을 고려하는 경우 이러한 상황을 계속하는 것은 곤란해 동사는 이전부터 이 제품의 개발에 착수하고 있었으며, 이하의 정보·상태를 모니터해 와이어리스로 외부장치에 아웃풋하는 것이 가능해졌다(그림 8).

① 툴의 실제 회전 방향의 정보

기계 측에서 정회전 지령을 했다고 해도 회전공구 홀더 내에 들어가 있는 기어의 수, 형상에 따라 실제로는 툴이 역회전하는 경우가 있다. 이것을 알지 못하고 가공을 계속하면, 당연하지만 툴·회전공구 홀더 및 워크피스의 파손에 이르게 되는 경우가 있다. 이 정보를 외부에 전달함으로써 시험가공, 세팅 전환 시의 초기 트러블 회피에 공헌할 수 있다. 이 제품의 개발에 있어 고객으로부터 받은 요구 중에 2번째로 많았던 것이 이 기능이었다. 즉, 이와 같은 트러블이 빈번하게 발생하고 있는 것이다.

② 툴의 실제 회전수 정보

회전공구 홀더에는 툴의 회전수를 높이기 위한 배속 사양이나 토크를 높이기 위한 감속 사양(토크업 사양)이 존재한다. 앞에서 말한 ①과 동일하게 회전공구 홀더 내에 들어가 있는 기어의 사양에 따라 기계 측에서 지령한 회전수와 툴의 실제 회전수가 일치하지 않는 경우가 있다. 특히 탭을 사용한 나사가공을 하는 경우, 회전수와 나사 피치의 관계가 어긋나 트러블에 이르는 경우가 있으므로 이 기능이 유효하게 작용한다고 생각한다. 드릴·엔드밀을 사용한 가공의 경우도 예외는 아닌데, 외부에 이 정보를 전달하는 것이 가능하기 때문에 트러블 회피에 있어 중요한 기능인 것은 틀림없다.

③ 회전공구 홀더의 진동 레벨의 정보 용도에 대해서는 이하에서 설명한다

④ 회전공구 홀더의 온도 정보 용도에 대해서는 이하에서 설명한다

⑤ 회전공구 홀더의 메인터넌스 시기의 정보

사용 시간, 사용 환경 등을 산출해 메인터넌스 시기(메인터넌스 시기의 권장)를 알리는 기능이다. 예를 들면 회전공구의 베어링이 수명을 다해 눌러 붙고 로크된 경우, 회전공구 자체의 파손 또는 그것에 동반해 기계 측에 데미지를 주게 될 가능성이 있고 유저의 가공 라인이 정지하는 최악의 사태를 회피하기 위해 중요한 기능이 된다. 제품 개발에 있어 유저로부터 받은 요구 중에서 가장 많았던 것이 이 기능이었다.

⑥ 가공 환경의 상황 기록

회전공구 홀더를 사용해 가공한 상태(일시, 회전수, 진동값 및 온도)의 정보를 기록하는 기능이다. 이것은 유저가 가공 데이터와 함께 제품을 납품할 때에 도움이 되지 않을까 생각한다. 또한 무인가공 라인에서 정도 불량이 발생한 경우의 트러블 검증 시에 사용하면 좋은 기능이다.

⑦ 툴 파손 검지 기능 (간이적)

간이적이지만, 툴이 워크피스에 접촉하고 있는 경우에 정보를 외부로 전달하는 기능이다. 즉 가공 중에 무부하 상태가 된 경우, 이 신호는 OFF가 되기 때문에 툴 절손 검지에 이용할 수 있다고 생각한다(검지 레벨의 설정에 대해서는 현재 개발 중이다).

⑧ 회전공구 홀더의 등록 기능

회전공구 홀더는 NC 선반의 날붙이대에 여러 대 장착하는 것이 보통이다. 이때 어떤 회전공구 홀더가 어떤 날붙이대 번호에 장착되어 있는지 외부 측(기계 측)에 그 정보를 전달하지 않으면 운용할 수 없다. 당연하지만 제품 개별로 시리얼 번호를 부여하고 있으며, 외부 측(기계 측)이 필요로 하는 정보를 등록하고 그 정보를 아웃풋하는 기능이 있어 유연하게 사용할 수 있는 준비를 갖추고 있다.

앞에서 말한 것이 Coromant Capto 플러스의 주된 기능 및 특징으로, 미래의 시장에도 서서히 침투해 갈 것으로 생각된다.

마지막으로 ‘CoroPlus 프로세스 컨트롤’(그림 9)을 소개 한다. 샌드빅은 종합 절삭공구 메이커인데, 이 제품은 다른 예이다. 공구·툴링 제품이 아니라 일반적으로 공작기계에 장착하는 센서에 해당된다. 이 제품에는 크게 나눠 3종류가 있으며, 개별적으로 설명한다.

첫째, 콜리전 디텍터(충돌검지기)이다. 공작기계를 사용 중에 프로그래밍 미스나 툴 보정 미스에 의해 충돌 사고가 발생하는 것을 100% 회피하는 것은 곤란하며, 그러한 사고 발생 시에는 가급적 빨리 기계를 정지시켜 데미지를 최소한으로 억제하는 것이 중요하다. 이 센서는 충돌 검지 후 5밀리초 이내에 기계 측에 신호를 보내고 즉시 정지시키는 것을 목적으로 한 제품이다.

둘째, 툴 가드이다. 공구에 걸리는 부하를 검지하는 로드모니터이다. 보통 단속 절삭 상태가 될 때에 부하는 돌발적으로 상승, 하강하게 되고, 그 때에 에러로 할 수 없어 미리 설정한 타이머 간은 못보고 놓치는(에러로 하지 않는) 것이 보통이다. 이 제품은 그러한 환경 하에서도 순간적으로 추가 분석을 해, 날 측의 절손 여부를 구별하는 기능을 가진 센서(소프트웨어)로 되어 있다.

셋째, 머신 헬스 인스펙터이다. 이 제품은 공작기계의 스핀들, 슬라이드, 베어링의 상태를 분석해 메인터넌스 시기를 예측하는 3차원 센서이다. 미리 정상의 상태에서 샘플링한 데이터와 현상의 데이터를 비교해 메인터넌스의 필요성 유무를 판단하는 것을 목적으로 한 제품으로 되어 있다.

절삭가공 프로세스용 제품으로서 소개한 이들 제품 중 Silent Tool(사일런트 툴) 플러스는 일본에 앞서 다른 나라에서 먼저 판매를 시작했으며, 일본 판매도 이어서 시작될 예정이다. Coromant Capto(코로만트 캡토) 플러스는 미발매의 개발 중인 제품인데, 앞서서 소개했다. CoroPlus 프로세스 컨트롤 3제품은 세계 시장에서 이미 판매하고 있으며, 고객과 동사만으로는 실용화는 곤란하고 공작기계 메이커도 관여하는 것이 필요하다.

이상, 새로운 시대의 절삭가공 및 절삭에 관한 제조 프로세스에 대한 제안으로서 동사 CoroPlus 콘셉트를 소개했다. 아직 제조업은 기존형의 방식이 많이 남아있는 영역으로, 새로운 형태로 이행하기에는 과제가 많이 있지만 이와 같은 제안을 통해 변혁에 공헌할 수 있기를 바란다.

카와다 요우이치, 샌드빅코로만트컴퍼니 기술/제품개발부 부장

나카타니 테츠야, 샌드빅 코로만트컴퍼니 기계탑재추진부