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[TECH TREND] 요소·주변 기술로부터 본 공작기계 진화

입력 : 2020.06.29 15:20

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[헬로티]


요소·주변 기술로부터 본 공작기계의 진화에 대해 생각한다. 기존에는 평면적으로 오른쪽에서 왼쪽으로 공작기계의 진화가 표현되고 있었지만, 현재는 그 요소·주변 기술이 광범위·다방면에 걸쳐 있으며, 그에 따라 공작기계의 진화도 3차원적으로 전개되고 있는 것처럼 느껴진다.


그림 1. 공작기계의 간단한 역사 (윌킨슨의 보링머신에서 3D 프린터까지)


끊임없는 가공 요구와 지금까지 공작기계 진화


그림 1에 나타냈듯이 금속가공을 목적으로 개발한 공작기계의 역사는 산업혁명 때인 1759년에 윌킨슨의 보링머신에서 시작된다. 그 후 가공에 대한 끊임없는 요구(그림 1 ※ 표시)에 의해 무겁고 두꺼우며 길고 큰(중후장대) 제품을 제작하기 위해 선반, 밀링머신 등 여러 종류의 매뉴얼 조작 공작기계가 개발됐다.


그 후 1952년의 NC 밀링머신 개발에 이어, 1958년에는 머시닝센터가 개발되어 단숨에 자동화가 가속됐다. 또한, 절삭·연삭 이외의 가공으로서 방전가공·레이저 가공·워터젯 등의 특수가공용 공작기계도 개발되어 가공 형태가 확장됐다. 이러한 공작기계에 의해 가볍고 얇으며 짧고 작은(경박단소) 제품도 신속, 저렴하게 제작되고 있었다.


다음의 정보통신 시대에는 앞의 자동화가 더욱 진화해 다품종 소량 제품을 주로 하는 FMS(플렉시블 매뉴팩처링 시스템), 고생산성을 위한 패럴렐 링크나 리니어모터 구동의 고속 공작기계·트랜스퍼센터가 개발되고, 복잡 형상 제품을 가공하기 위해 복합가공기, 5축가공기도 개발됐다. 이 시기부터 이노베이션이라는 말이 다용화되고, 이와 함께 많은 공업제품에도 고품위화가 강하게 요구되어 복잡 형상 제품을 가공할 수 있는 복합가공기나 5축가공기는 매우 다용되는 공작기계가 됐다.


또한, 앞의 NC 공작기계는 CNC 공작기계가 되어 오픈 NC 공작기계로 진화했다. 윈도의 보급과 함께 CNC화에 의해 공작기계는 메이커가 제작한 독자의 프로그램에 의해 매우 독창성이 풍부한 퍼포먼스가 가능하게 됐다. 지금은 공작기계의 AI화도 이것을 유용함으로써 용이·저렴·신속하게 하는 것이 가능하다. 또한, 오픈화에 의해 공작기계는 자사의 기계들 간에, 전 세계에 있는 자사 생산관리부, 자신을 제작한 공작기계 메이커 등의 정보 발신·수집을 자동으로 용이·신속하게 할 수 있게 됐다. 이것은 IoT 그 자체이지만, IoT의 보급보다 오픈 NC 공작기계의 개발이 먼저였다.


이 공작기계의 역사와는 별도로 정보통신의 시대에는 CAD가 개발되어, CAE와 세트로 강도·기능 계산이 가능한 편리한 설계 툴로서 제공되고 있었다. 이들은 현재 공작기계 설계에서도 아주 일반적으로 다용되고 있다. 그쯤 CAD&CAE에 의해 최적 설계(TO 등)가 이루어지고, 그 결과가 3D 프린터·AM으로 출력된다. 그 출력에 의해 단숨에 제품이 완성된다. 이 3D 프린터·AM은 이노베이션을 위한 중요한 공작기계의 하나로서 들 수 있다.


공작기계를 지원하는 냉동기의 진화와 앞으로의 현안 사항


그림 1에 나타낸 대부분의 공작기계에서 열과 진동이 이전부터 문제시되고 있었으며, 특히 열의 강제 냉각장치인 냉동기를 공작기계의 가장 중요한 주변 기기로서 들 수 있다. 


그림 2. 논프레온 CO2 냉매 액온자동조정기 (제공 : 칸토세이키주식회사)


그림 2에 높은 환경대응성(저 GWP 냉매의 채용과 높은 에너지절감 성능)이 평가되어, ‘제21회 오존층 보호·지구온난화 방지 대상’의 ‘심사위원회 특별상’을 수상한 칸토세이키 주식회사의 액온자동조정기를 나타냈다.


최근의 기술 동향으로는 지금까지의 고정도, 고효율에 대응하는 동시에, ①가공의 공정집약과 고능률화를 목적으로 한 공작기계의 복합가공화 진전에 대응해 1대의 냉동기로 복수의 발열 부위를 독립적으로 온도 조정할 수 있는 멀티 회로 방식 액온자동조정장치의 제품화, ②제조업의 스마트화, IoT화에 대응해 액자동조정장치의 운전 상황이나 각종 온도, 압력 등의 데이터 및 이상 정보 등을 원격으로 공작기계 측에 타임리하게 발신해 공작기계의 원격 보수나 예비 보전 등에 활용 가능, ③지구온난화 등의 환경 문제에 대응해 온난화계수가 낮은 자연 냉매나 GWP 냉매로 대체하거나, 에너지절감성이 우수한 인버터 방식의 제품화에 대응한 냉동기가 개발되고 있다.


교토의정서와 파리협정에서 기후 변동 억제에 관한 여러 국가 간의 국제적인 협정이 체결되어 모든 나라가 지구온난화의 원인이 되는 온실효과 가스를 저감하고, 또한 지속가능한 제조, 환경 보전을 배려한 제조가 요구되므로 공작기계에서도 환경에 관한 ISO, JIS 규격이 정비되고 있다. 이들에 의해 향후 공작기계 진화의 새로운 방향성이 정해진다.


공작기계의 진화를 위한 새로운 재료


공작기계 구조 재료에 요구되는 것은 고속으로 고정도의 가공을 쉽게 할 수 있는 것, 재료비가 저렴한 것, 재료 공급이 안정적인 것 등을 들 수 있다. 표 1에 공작기계의 진화를 위해 유효하다고 생각되는 새로운 재료의 열적·기계적 특성을 나타냈다. 기존에 자주 사용되고 있던 재료는 생략하고, 금속계, 콘크리트 콤포짓계, 세라믹스계, FRP계, 플라스틱계, 금속 세라믹스 복합재료계, 유리계 중에서 공작기계에 관련된 연구·개발에서 사용 실적이 있는 것에 관해 정리한 것이다. M2052(제진), Mn-Cu합금(제진), 제진강판(제진), 고장력판(경량화, 진동 대책), 알루미늄합금 NE12-T6(경량·고강성·저열전도율)도 있다.


표 1. 공작기계 관련 재료로서 이용 가능한 재료의 열적·기계적 특성


이와 같이 표 1 중에는 윌킨슨이 보링머신을 개발한 당시에는 존재하고 있지 않았던 재료가 대부분으로, 공작기계가 진화하게 된 계기 중 하나로 이들 신소재의 개발을 생각할 수 있다. 또한, CAE의 개발, 보급에 의해 공작기계의 설계 단계에서 표 1에 든 신소재를 공작기계 관련 부품에 채용했을 때의 강도적·기능적 고찰을 충분히 할 수 있게 된 것이 공작기계의 혁신적인 진화에도 크게 기여했다고 생각한다.


이러한 가운데 콘크리트 콤포짓계의 재료에서는 원하는 영률, 밀도, 선팽창률, 비열, 열전도율을 1개체로 구현화할 수 있는 기술은 이미 개발이 끝났으며, 세계에서 1개뿐인 재료를 공작기계에 적용하는 것도 가능하다. 이것에 의해 콘크리트 콤포짓계의 재료 종류는 무수하게 많다고 할 수 있다. 그림 3은 그 기술을 이용해 제작한 3차원 경사 기능 구조 재료(의도해서 버라이어티하게 큰 특성군을 가진다)이다.


그림 3. 3차원 경사 기능 구조 재료의 예


또한, FRP계의 재료특성에 관해서는 CAD&CAE를 구사해 FRP의 간이 구조 모델링을 함으로써 의도한 특성을 갖는 FRP의 사양을 계산으로 결정할 수 있고, 공작기계의 경량화 등에 기여할 수 있는 상태이다. 그림 4는 일방향 추정 모델과 앵글 플라이 추정 모델을 사용해 섬유 방향 각도 θ와 선팽창률의 관계를 계산한 결과이다. 이것에 의해 열변형하지 않는 FRP를 매우 쉽게 개발, 공작기계 구조 재료로서 사용할 수도 있다.


그림 4. FRP의 선팽창률을 컨트롤한 예


이와 같이 콘크리트 콤포짓계와 FRP계 재료는 원하는 복수 물성값을 1개체로 동시에 구현화하는 것이 가능한 상황으로, MO(머티리얼 옵티마이제이션 ; 재료특성 최적화) 기술로서 진화하고 있으며, 가까운 장래 공작기계의 진화를 지원하는 기술이 될 것으로 생각한다.


공작기계의 진화를 위한 요소 기술


1. AI와 IoT

정보통신 시대에 돌입한 현재, 많은 사람들이 알고 있는 IT 기술이 AI, IoT이다. CNC화에 의해 공작기계에 내장된 컴퓨터로 공작기계 자신의 AI화를 신속·용이하게 추진할 수 있고, 오픈 NC 공작기계는 IoT가 세계적으로 유행하기 전부터 존재, 지금은 확실하게 IoT의 ‘T’로 되어 있다. 또한, 이와 함께 DNC(컴퓨터 통괄 제어), FMS, FTL(플렉시블 트랜스퍼 라인), CIM(컴퓨터 통합 생산) 등의 공작기계 관련 자동화 기술도 ‘IoT’로 총칭할 수 있는 상황이다.


그림 5. 간이 AI에 의한 열변형 없는 공작기계


그림 5는 저자 등이 이 AI를 공작기계의 진화를 위해 적용한 사례이다. AI는 다차원성, 비선형성이 있는 빅데이터를 뉴럴 네트워크, 딥러닝, MT(마하라노비스-다구치)법 등의 툴로 처리, 그들의 인과 관계를 밝혀내 컨트롤에 적용하는 것이 가능하다. 여기서는 공작기계 구조 온도의 경시 변화와 열변형 관계의 빅데이터를 뉴럴 네트워크로 처리, 그 인과 관계를 CNC 공작기계의 컴퓨터에 탑재해 공작기계 가동 시에는 기계 자신이 연속적으로 온도 측정을 하고, 그 결과를 기초로 열변형을 계산해 기존의 공구 마모 보정 기능을 유용해 열변형 보정하는 공작기계이다. 구축한 뉴럴 네트워크는 대수식으로 전환해 CNC 공작기계에 내장시키는 것만으로, 사용한 개발 비용은 6점의 구조 온도 측정용 장치뿐으로 비교적 저렴했다. 이 AI화에 의해 열변형 대책이 불필요한 공작기계로 진화했다.


그림 6. 스마트 헬스 모니터링 시스템의 특징 공간 (제공 : 타카마츠기계공업주식회사)


또한, 오쿠마에서는 공구 날수를 입력해 두면, 공구 회전수와 채터링 진동을 자동 취득 해석해 매우 짧은 시간에 복수 진동 모드를 고려한 최적의 주축 회전수로 제어할 수 있는 시스템을 탑재한 공작기계를 개발했다. 그리고 공작기계 메이커의 지능화 실시 예로서 그림 6에 나타냈듯이 타카마츠 기계공업에서는 주축 유닛(베어링)의 상태 감시를 목적으로 ‘스마트 헬스 모니터링 시스템’을 개발했다. 이것은 공작기계의 예지 보전을 위해 중요한 ‘고장으로 이어지는 데이터’의 가시화로서, 센서에 의한 측정 데이터로부터 특징량을 조합한 특징 공간에 의한 판정을 하고 있다.


2. IoT화에 의한 바이러스 대책 기술

공작기계의 진화와 함께 그 위기관리가 중요시되고 있다. 위기관리의 대상으로서는 평상시의 성능·정도, 진동, 지진, 수해, 정전, 통신 장애, 부정 액세스, 안전 대책에 관해 많은 조사가 이루어지고 있으며, 공작기계의 진화에 의해 발생하는 사고·폐해·리스크 등에 대비하는 지원체제가 중요시되어 왔다.


그 중에서도 부정 액세스 대책은 공작기계가 오픈화, AI화, IoT 적용되고 있기 때문에 매우 중요하며, 반드시 필요한 요소 기술이다. 이것에 관해서는 한드림넷의 박명호씨가 유해 트래픽에 의한 통신 장애, 부정 액세스 문제, 그 대책 등의 상세한 내용을 보고하고 있으며, 공작기계의 진화를 위한 필수 아이템으로서 이들의 부정 방지 시스템을 들 수 있다. 그러나 이 부정 액세스의 수법은 무분별한 사람들에 의해 몇 개월마다 리뉴얼되고 있다고 하며, 그 때마다의 설비 갱신, 시간적, 비용적으로 큰 부담이 될 수밖에 없는 상황이 계속된다고 생각된다.


3. AM, TO, 3D 이미지 스캐너

래피드 프로토타이핑에서 3D 프린터로 진화해, 현재 AM(애디티드 매뉴팩처링)으로서 세계 규모로 개발, 연구, 유효 이용이 적극적으로 이루어지고 있다. 금속을 사용해 매우 복잡 형상의 제품을 신속·용이하게 제작할 수 있기 때문에 일반적인 공업제품은 말할 것도 없고 의료 관련 기기나 항공우주 산업 제품 등의 부가가치가 높은 제품 제작에도 이용되고 있다. 공작기계로서 AM의 사양 범위, 재료, 가격 등은 천차만별로, 앞으로도 끊임없이 진화를 계속해 장래적으로도 지속가능성이 있는 공작기계라고 할 수 있다.


또한, 이 AM을 지원하는 요소 기술로서 CAE, TO(토폴로지 옵티마이제이션 ; 형상·형태 최적화) 외에, 최적화 수법, DSM 이론(제품과 조직의 의존성 분석), 품질공학(다구치법), FMEA/FTA(고장 모드와 영향 해석), TRIZ(발명적 문제해결 이론), QFD(품질 기능 전개) 등이 끊임없이 진화를 이루고 있으며, 이와 함께 AM의 진화도 더욱 기대된다.


또한, AM의 요소 기술로서 3D 이미지 스캐너를 사용해 그것을 리버스 엔지니어링에서 이용하는 것도 가능하다. 입력된 3D 데이터를 편집해 CAE에서 강도 해석, 기능화하고, TO에서 형상·형태(위상)를 최적화해 마지막으로 AM에 의해 원하는 금속(합금도 가능)으로 제품 제작을 할 수 있다. 현재 많은 요소·주변 기술의 지원으로 AM은 여기까지 진화해 왔다.


그림 7. 3D 컬러 프린터에 의한 저자의 흉상


그림 7에는 3D Systems사의 3D 이미지 스캐너 iSense와 mcor technologies사의 3D 컬러 프린터 McorIRIS(소프트웨어 itSeez3D)로 제작한 저자의 흉상 사진을 나타냈다. 재료는 A4 사이즈의 복사용지이다. 조금 흐리게 보이는 것은 모델인 저자가 이미 상태가 좋지 않기 때문이다. 그것은 제쳐 놓고라도 실크 넥타이 모양, 질감, 색감은 실물 그대로이다.


맺음말


지난해 유럽의 EMO 전시회에서 한국제, 중국제, 대만제의 많은 매뉴얼 조작 공작기계가 전시됐다. 한편, 앞에서 말했듯이 이노베이션의 구현화를 위해 AM의 다용화도 진전하고 있다. 앞으로도 끊임없는 가공에 대한 요구 속에 3차원적으로 확대되는 요소·주변 기술에 지지되고, 지속가능한 제조와 환경 보전을 배려한 제조를 고려하면서 공작기계의 진화는 더욱 가속화되어 갈 것으로 생각한다.


타나베 이쿠오, 나가오카기술과학대학 기계창조공학 전공 교수

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