[헬로티]
‘고속 대용량’, ‘고신뢰·저지연’, ‘다수 동시 접속’이 큰 특징인 5G ‘제5세대 이동통신 시스템’이, 차세대 통신 인프라로서 IoT, Big Data, AI의 정보를 다루는 사람과 사물이 연결되는 ‘가시화’가 큰 기술 혁신을 사회에 가져올 것이라고 말들 한다.
제4차 산업혁명이라고 불리는 IoT, 센서 기술의 진화에 의해 자동차의 자동 운전으로 대표되는 사물의 자동화, ‘공장을 연결하는’ 스마트팩토리화가 추진되는 가운데, 공작기계에서도 ‘자동화’, ‘가시화’가 요구되고 그 얻어진 정보로부터 모니터링(항시 감시), 메인티넌스(예방 보전) 등의 가동 관리가 제조의 고도화·복잡화에 필수적이 되고 있다.
또한, 기술 계승자 부족, 생산성 향상 등의 과제를 배경으로 연삭반·반도체 제조장치에도 초정밀·고성능·고기능화로 더욱 진화가 요구된다. 이 글에서는 연삭반의 ‘자동화’, ‘가시화’에 대해 소개한다.
전자동 평면 연삭 시스템의 무인화·완전자동화에 대응
기술의 계승자 부족, 인력 부족 등의 과제도 있고 ‘워크를 놓는 것만으로 연삭을’이라는 콘셉트로 모든 사이즈·형상의 가공 워크를 놓은 것만으로 자동 연삭하는 전자동 평면 연삭 시스템 개발을 시작했다. 이하, 전자동 평면 연삭 시스템을 개발 단계별로 나타냈다.
1. 스테이지 1 : 무인화·2016년
‘무인화’를 주제로 JIMTOF 2016에서 처음으로 출품했다. 여러 가지 기상 측정/센서 기술을 구사해 워크 사이즈·두께 및 숫돌의 외경 정보를 자동 검지하고, 필요한 연삭 절삭값 입력 및 표면조도를 15단계 설정 중에서 선택하는 것만으로(그림 1) ㈜오카모토공작기계제작소가 지금까지 축적해 온 연삭가공 노하우를 담은 최적의 연삭가공 프로그램을 자동적으로 판단, 효율적인 연삭가공을 할 수 있는 스킬이 불필요한 무인 연삭 시스템이다.
그림 1. 전자동 평면 연삭 시스템 조작 화면
이 시스템에 의해 작업자의 감각·입력 작업에 의존하고 있던 정보를 센서로 검지함으로써 세트업 공정·데이터 입력 공정·에어컷(공연삭) 시간을 자동화함으로써 연삭가공 시간을 대폭으로 단축할 수 있다.
2. 스테이지 2 : 다관절 로봇 자동화 시스템·2017년
‘로봇 자동화 시스템’을 주제로 평면 연삭반의 라인화, 워크 연속 착탈하는 무인·무휴 운전을 제안했다(그림 2). 전자동 평면 연삭 시스템의 자동 연삭에서 위험 요소는 각종 인터록을 설정함으로써 대책한다. 문이 열려 있을 때는 숫돌을 회전시키지 않은 등의 일반적인 인터록을 비롯해, 센서가 이물을 검지한 경우는 연삭 사이클을 정지한다, 척에서 워크가 밀려나와 있는 경우는 기동하지 않는다. 또한, 로봇을 채용해 완전무인화함으로써 위험 방지가 향상된다.
그림 2. 전자동 평면 연삭 시스템 로봇 사양
동 로봇 사양에서는 전자동 평면 연삭 시스템 탑재 평면 연삭반의 전면 문을 자동 개폐 사양으로 하고, 이형상 워크 9개를 놓는 워크 대차, 워크 반입/배출하는 공압 실린더 핸드 및 전자척 에어 세정 노즐을 탑재한 다관절 로봇, 워크에 부착한 물방울을 떨어트리는 에어 세정 박스로 구성되며, 워크 대차에 새로운 워크를 자동 공급함으로써 워크를 연속 자동 착탈하는 무인·무휴의 24시간 운전 연삭도 가능해진다. 또한 로봇 핸드에는 전자척 청소 브러시, 워크 판별 카메라 등의 여러 가지 유닛 구성을 함으로써 더욱 기능을 향상시킬 수 있다.
그림 3. 전자동 평면 연삭 시스템 ‘SELF’ 탑재 평면 연삭반
3. 스테이지 3 : IoT 기술로 SELF 적응 제어·2018년
JIMTOF 2018에서는 ‘연삭반의 가시화’를 주제로 시스템명을 ‘SELF’로 해 출품했다(그림 3).
‘SELF’ 시스템은 드레스의 자동화·연삭 조건 적응 제어로서 숫돌축 부하 검지의 기능 향상과 지금까지의 평면 워크 대응에 추가해 홈·피치·멀티 포지션 워크에 대응하기 위해 개발을 했으며, JIMTOF 2018에서는 L형 워크의 실제 연삭가공 데모를 했다.
또한, 센서 기술을 연삭반의 적소에 배치, 그 얻어진 데이터를 연삭 정보·기계 상태·기계 자동 보정·예방 보전으로 이어지는 기계 정보로 변환하는 ‘가시화’(그림 4)의 개발을 추진하고 있으며, 그 일부로서 숫돌 축머리, 숫돌 좌우·전후 축의 진동 데이터, 온도 데이터를 모니터에 1분 간격으로 갱신 표시하고, 또한 외부의 Web 화면과 연계하는 기능을 가지고 있는 가동 관리 소프트웨어에 Web 감시 카메라의 영상을 링크시켜 멀리서도 실시간의 연삭반 가동 상황을 확인·보고할 수 있는 영상을 모니터에 표시했다.
그림 4. 연삭반의 ‘가시화’ 대응
4. 스테이지 4 : ‘MAP 연삭 시스템’에 의한 다축 자동화 연삭·2019년
‘SELF’의 가공 워크 두께 자동 검지 기능은 터치 프로브 측정기를 숫돌 상하 축에 탑재할 수 있게 했다. 이 터치 프로브 기상 측정 기능으로 가공 워크를 다점 계측하고, 높이나 파형을 등고선과 같이 매핑함으로써 가공 워크 상면 형상의 ‘가시화’를 실현시키고, 높은 부분이나 치수가 벗어나 있는 부분에서 전자동으로 연삭하는 자동 CAM 소프트웨어 ‘MAP 연삭 시스템’을 개발했다.
거친가공에서 중다듬질까지는 가공 시간의 단축이 가능하고, 최종 다듬질에서는 초정밀 평면을 작성할 수 있게 했다.
등고선을 자동 생성하는 ‘MAP 연삭 시스템’의 특징
‘MAP 연삭 시스템’은 2가지 의미가 있는데, Measuring highest point Air-cut less Productivity라고 하는 ‘높은 부분을 인식해 불필요한 에어컷(공연삭)을 없애는 고능률 연삭’과 ‘척 상의 워크 형상을 등고선 트레이스와 같이 가시화’의 의미가 있다.
기존의 평면 연삭에 있어 서브미크론의 워크 요철 형상을 고려한 숫돌과 공작물과 약간 떨어진 위치에서 연삭 절입을 시작하기 위해 설정되는 에어컷(공연삭) 등이 연삭가공이 필요한 부위 이외의 불필요한 움직임이 된다. 기상 측정 기술과 신규 개발한 자동 연삭 CAM 소프트웨어를 조합한 이 시스템에 의해 공연삭 시간을 줄이고, 가장 높은 부분·부위에서 연삭을 자동으로 시작할 수 있다.
이 시스템에 의해 자동 생성되는 프로그램을 이하에 나타냈다.
① 최종 제품 치수 데이터로서 CAD 데이터를 입력함으로써 구멍, 홈 등의 부위를 피한 다점 측정 경로.
② 워크의 실측값과 CAD 데이터의 차이를 인식하고, 그 얻어진 매핑 정보로부터 높은 부분이나 치수가 벗어나 있는 부분에서부터 연삭하는 효율이 좋은 연삭 사이클·경로(그림 5). 필요에 따라 오퍼레이터가 수정을 하는 것도 가능하다.
그림 5. MAP 연삭 시스템의 흐름
연삭반에서 3차원 기상 측정을 가능하게 하는 소프트웨어 ‘OKAMOTO NC 게이지’
초정밀 평면 연삭반은 테이블 좌우 축이 고정도인 진직 운동의 정압 접동면과 정확한 위치결정을 가능하게 하는 리니어모터 구동에 의해 가공 워크의 X방향(좌우), Y방향(상하), Z방향(전후)의 3차원 기상 측정이 가능하기 때문에 연삭 후 가공 워크의 평면도뿐만 아니라, 기상에서 원통도, 평행도 등의 금형가공에 필요한 측정이 가능한 3차원 기상 측정 소프트웨어 ‘OKAMOTO NC 게이지’(그림 6)를 개발했다. 측정기에 대한 세팅 불필요, 측정 후의 보정 연삭, 측정기에 실을 수 없는 대형 워크도 측정할 수 있고, 측정 결과를 정량적으로 평가할 수 있는 등의 장점이 있다.
그림 6. 3차원 기상 측정 소프트웨어의 사용 예
실시간 열변위 보정 시스템의 개발
연삭가공 중의 열변위가 숫돌과 공작물 사이의 거리를 변화시켜 치수 정도, 면품위 등의 가공 정도에 영향을 미친다. 열변위를 억제하기 위해서는 항온실에 연삭반을 설치, 연삭반을 항온 챔버 사양, 주요 구조물에 저열팽창재를 채용, 냉각유로 연삭반의 온도 상승을 억제하는 등을 들 수 있는데, 실온, 연삭반의 주요 온도에서 숙련 작업자의 경험·스킬에 의해 보정값을 추정하는 것이 필요한 경우가 있다.
숙련 작업자의 열변위 보정 스킬을 필요로 하지 않고, 또한 연삭반의 보증 정도를 설치 환경에 영향을 받지 않는 기계 상태로 만들기 위해 실시간으로 가공점의 변위를 보정하는 시스템을 개발했다. 그림 7은 실시간 열변위 보정 시스템 구성 이미지이다.
그림 7. 열변위 보정 시스템 구성 이미지 그림 8. 열변위 해석용 센서 측정 배치
이 시스템은 온도 센서, 진동 센서, 변위 센서 등 각종 센서를 연삭반에 여러 개 배치한 데이터로부터 열변위를 추정, 보정하는 것은 코스트 상승이 되기 때문에 여러 가지 조건의 연삭반 상태를 각종 센서로 측정한 빅데이터를 해석해, 열변위를 해석·추정하기 위해 반드시 필요한 센서의 위치, 센서의 종류를 특정한다(그림 8). 그 특정한 센서의 정보와 연삭반의 간이 모델(그림 9)로부터 열변위를 실시간으로 해석·추정, 가공점의 변위를 보정시킨다.
그림 9. 열변위 해석 모델
맺음말
‘기술 계승자 부족’, ‘관리비 상승’, ‘도상국으로 진출’. ‘안전성 고려, 무사고화’, ‘생산성 향상’ 등 제조업이 직면한 문제를 해결하기 위해 종합 연삭가공장치 메이커로서 연구 개발한 새 기술을 탑재한 ‘연삭반’을 제안, ‘연삭가공 전체’를 보다 친숙하게 가까이 할 수 있는 것으로 만들어 가고 싶다.
요시다 유타카, 오카모토공작기계제작소 기술개발본부
