강원대학교 MNBS ‘Puff and Check 기법을 적용한 기상에서의 광학적 공구 마모 측정법’

‘후~’ 허공에 입김을 불면, 공기가 지나간 자리는 잠깐이나마 먼지 한 올 없는 빈 공간이 된다. 강원대학교 권순환, 조춘묵 학생의 아이디어도 그런 원리다.

기계 가공 과정에서 공구 마모를 측정할 때 적외선을 이용하기도 한다. 정확한 측정이 가능하지만 적외선이 공구까지 닿는 경로에 먼지, 불순물 등이 있으면 측정 오류가 발생한다. 그 경로에 입김 불듯이 에어커튼을 만들면 측정 오류를 없앨 수도 있을 것이다. 학생들은 그렇게 생각해봤다. 그리고 본격적으로 아이디어를 구체화하기 시작했다.

▲(왼쪽부터)강원대학교 조춘묵 학생, 김병희 지도교수, 권순환 학생

*  MNBS팀(권순환, 조춘묵)은 한국공작기계산업협회에서 개최한 ‘제11회 대학생 창의 아이디어 공모전’에서 ‘Puff and Check 기법을 적용한 기상에서의 광학적 공구 마모 측정법’으로 우수상을 수상했다.

Q. 먼저 이번 공작기계 창의 아이디어 공모전 우수상 수상에 대한 소감 한 말씀 부탁 드립니다.

권순환 학생(이하 순환) - 이렇게 큰 공모전에서 수상하게 된 너무 기쁩니다. 약 9개월 간의 공모전 기간 동안 아이디어를 최종 마무리한 것만으로도 만족하는데 이렇게 상까지 받게 돼 뿌듯합니다. 이번 프로젝트를 통해 공작기계가 실제 어떻게 사용되고, 이론으로만 접했던 부분과 실제 현장은 어떤 괴리가 있는지 알게 됐습니다.

조춘문 학생(이하 춘묵) - 아이디어를 단계별로 보완해 나가는 과정이 지금 돌이켜 보니 보람 있었다는 생각이 듭니다. 그 보람에 대한 수상인 것 같습니다. 특히 한 주제를 구체화 시키고 개선하는 일련의 절차를 배우게 된 부분이 개인적으로는 만족감을 느낍니다. 한편으로는 다른 대학에서 수상한 아이디어들과 비교해보니까 좀더 잘 다듬었으면 어땠을까 하는 아쉬움도 듭니다.

Q. 이번 수상 기술인 ‘Puff and Check 기법을 적용한 기상에서의 광학적 공구 마모 측정법’에 대해 소개 부탁 드립니다.

순환 – 절삭가공 현장에서 마모된 공구를 측정하는 방법 중에는 적외선 측정법이 있는데, 적외선이 공구까지 닿는 동안 칩이나 불순물이 경로 사이에 존재하게 됩니다. 또 절삭유를 재사용하게 되면서 절삭유 특성(점도)도 예측할 수 없게 되는데요. 적외선이 이런 매질을 통과하면서 반사나 굴절을 하게 됩니다. 결국 측정 오차 발생이 불가피해 집니다. 따라서 에어커튼 방식을 적용해 적외선 경로 사이 불순물을 제거하는 아이디어를 생각해 냈습니다.

Q. 에어커튼 방식이라고 했는데요.

춘묵 - 쉽게 말해 에어로 적외선이 가는 길을 불어내는 것이라고 생각하면 됩니다. 저희가 설계한 에어노즐 모듈은 입구가 좁은 원통 모양으로 내부에서 에어를 수렴한 후 좁은 입구로 토출하는 방식입니다. 유동해석 결과 이 같은 에어노즐 모듈이 적외선 센서를 중심으로 링형으로 압축공기가 나간다는 것을 알 수 있었습니다.

▲에어노즐 모듈의 구조

Q. 이번 아이디어를 떠올리고 연구하게 된 계기는 무엇인가요?

춘묵 - 공구 수명 예측 방법에는 여러 가지가 있습니다. 직관적으로 공구 마모를 측정하는 직접적 방법과 음향 신호, 진동, 전류 등을 통해 공정에 영향을 미치지 않고 측정하는 간접적 방법이 있습니다. 보통 이송모터 전류값을 통해 공구 마모도를 측정하게 되는데, 이상 신호가 오면 공구 교체가 이뤄집니다. 하지만 약간의 신호만으로 교체되는 경우가 많기 때문에 실제 공구 수명만큼 다 사용하지 못하고 버려집니다. 그래서 공구 수명을 최대한 살릴 수 있는 방법을 고민해 보기 시작했습니다.

또 이 문제를 어느 정도 해결할 수 있는 ‘직접+간접적 방법’이 있는데요. 이 방법은 이송모터 전류와 적외선 측정을 이용하는데, 건식 환경에서만 활용해야 한다는 단점이 있습니다. 그래서 ‘공구 수명을 최대한 살리면서, 습식 환경에서도 측정할 수 있게 만들면 어떨까’라는 생각에서 이번 아이디어가 최종적으로 도출됐습니다.

Q. 공모전 준비 과정에서 어려움은 없었나요?

순환 - 어려움이라기보다는 멘토 기업인 한화정밀기계와 아이디어에 대해 논의하면서 실제 환경과 아이디어의 괴리를 좀 느꼈습니다. 지속적인 논의 과정에서 현장 환경을 좀더 알게 됐고 그러한 부분들을 보완하게 됐습니다.

한 예로, 적외선 센서는 외란에 취약한데요. 이를 해결하는 방법으로 내부 빛의 경우 고급 LED를 적용해 시간에 따른 밝기 변화를 최소화하는 방안을 논의하기도 했습니다.

다른 어려운 부분이 있다면, 공작기계 내부에서 실험하기 어렵다보니 이 아이디어가 실제 구현될 수 있을까 하는 의문을 풀지 못했다는 겁니다. 하지만 강원대학교에서 제공한 실험 장비를 통해 공구에 묻은 절삭유를 제거할 수 있는 에어 압력 수치는 측정할 수 있었습니다.

▲에어노즐 모듈에서 에어가 토출되는 유동해석으로, 왼쪽 구조에서 에어가 더 직선으로 토출됨을 알 수 있다.

Q. 앞으로 개선할 부분이 있을 것으로 보입니다. 현재 기술 상황과 향후 개선 일정 등에 대해 한 말씀 바랍니다.

춘묵 - 먼저 적외선 측정을 여러 방향에서 원활하게 할 수 있는 시스템 마련이 필요하다고 봅니다. 또 에어노즐 모듈의 공기 압력 세기가 불순물을 충분히 제거할 만큼 강해야 하며, 이와 동시 적외선 센서 측정에 영향을 미치지 않아야 합니다. 그리고 공기 압축 시 대기 중의 수분까지도 압축되고 이로 인해 응축된 수분이 절삭공구 산화를 유발할 수 있기 때문에 이 부분도 개선해야 합니다.

Q. 교수님, 강원대학교의 기계 기술 연구 특징에 대해 한 말씀 바랍니다.

최근 일본의 수출 규제, 미-중 무역분쟁 등으로 기술적 위협을 받고 있는데요. 그러면서 기초 기술이라 할 수 있는 공작기계 기술 분야가 나름 주목 받고 있습니다. 저희 학교는 이러한 기초 기술 분야에 대한 연구를 3~4년 전부터 진행해 왔습니다. 특히 기계기술과 인공지능(AI)를 융합시킨 기술 개발에 집중하고 있습니다. 이번 ‘Puff And Check’도 기계기술과 AI를 융합할 수 있는 개념으로 발전시킬 수 있습니다.

최근에는 기업과 학교가 융합해 실제 제조 환경에 접목할 수 있는 기술 개발을 진행하고 있는데, 강원대학교는 이러한 방식의 기술 개발에 집중하고 있습니다.