절삭 도구의 센서 기반 제어, 공작 기계는 드로잉 보드에서 주류로 이동

인더스트리 4.0 및 IIoT(산업용 사물 인터넷) 이니셔티브의 핵심 성공 요인은 머시닝 센터와 절삭 공구 자체에서 점점 더 나은 센서가 등장한다는 점입니다. 이러한 센서는 "미래의 공장"을 위한 기반이 되는 데이터와 연결성을 제공합니다.

그러나 미래 지향적인 것이 아니라 오늘날 사용할 수 있는 다양한 "스마트 센서"가 있습니다. 데이터를 수집하고 작업자에게 기계 및 금속 절단 공정의 상태를 보여줍니다. 부품의 위치와 완성된 부품의 기하학적 형태를 점점 더 정확하게 측정하고 공정에 사용되는 도구의 구성과 제어를 통해 진화가 이루어집니다.

제조 엔지니어링은 여러 업계 전문가에게 센서 기반 절단 제어 시스템의 현재 상태를 평가하고 미래 기회를 식별하는 데 도움이 되도록 수정구를 들여다보라고 요청했습니다.

현재와 미래

센서 기반 제어 및 최적화 영역에서 우리는 드로잉 보드에서 성숙한 제품에 이르는 연속체의 어디에 있습니까? 그 질문에 대한 대답은 "그것은 상황에 따라 다릅니다."입니다.

Marposs Corp.(Auburn Hills, MI)의 제품 연삭 제품 관리자인 Frank Powell은 "기본 측정 및 적응 제어의 경우 학습 곡선을 잘 따라가고 있습니다."라고 말했습니다. “공작 기계에는 다양한 공정 중 센서와 변환기가 장착될 수 있습니다. 첫 번째 수준에서 이러한 센서는 시스템이 예기치 않은 힘 변형 또는 잠재적 충돌에 대해 작업자보다 1000배 더 빠르게 반응할 수 있기 때문에 기계 보호에 활용됩니다. 이 기술은 부품의 위치와 완성된 부품의 기하학적 형태에 대한 점점 더 정확한 측정은 물론 공정에 사용되는 도구의 구성과 제어를 통해 발전하고 있습니다.”

Sandvik Coromant(Fair Lawn, NJ)의 Silent Tools 기술 영업 전문가인 Neil Munson에 따르면 인더스트리 4.0 측면에서 절삭 공구 디지털 제조 기술은 성숙한 제품보다 훨씬 더 기본에 가깝습니다. “우리는 업계의 패러다임 전환의 벼랑에 있습니다. 사실 우리는 우리 회사에서 센서 기반의 지능형 절삭 공구로의 초기 도약을 시작하고 있습니다.”라고 그는 말했습니다.

BadAxe Tooling Solutions의 Joe Volansky는 조금 다른 견해를 가지고 있습니다. Volansky는 "제품은 학습 곡선을 따라 잘 입증되었으며 혁신적인 방식으로 적용될 수 있습니다. "우리의 경우 기계 물리학의 가장자리에서 완전히 새로운 방식으로 솔루션을 제시하는 입증된 과학을 기반으로 하는 밀링 작업용 제품을 소개합니다." BadAxe Tooling Solutions는 Briney Tooling Systems(미시건주 배드 액스), Fullerton Tool Co.(미시건주 새기노) 및 BlueSwarf LLC(펜실베이니아 주립 대학)의 3개 미국 회사의 연합입니다.

Okuma America Corp.(노스캐롤라이나주 샬롯)의 제품 전문가 관리자이자 기술 센터 관리자인 Wade Anderson은 "개발 측면에서 우리가 곡선의 중간에 있다고 생각합니다."라고 말했습니다. “기본 장비 효율성과 주변 장치와 통신할 수 있는 기능을 위해 바로 사용할 수 있는 기성 솔루션이 많이 있습니다. 그러나 인공 지능(AI)과 증강 현실(AR) 기술이 점점 더 많이 등장하고 있습니다.”

Praemo(Kitchener, ON)의 엔지니어링 부사장인 Andy Henderson에 따르면 현재 작업 현장의 장비에서 생성되는 방대한 양의 데이터와 함께 Anderson이 언급하는 최신 기술은 필수적입니다. "자동화 세계에서는 1970년대 이후로 매우 '물리적'으로 발전했습니다."라고 Henderson은 말했습니다. “다음 영역은 AI와 머신 러닝(ML)을 사용하여 데이터에 인텔리전스를 추가하는 '정신적' 진화입니다. 연속체에서 이러한 기술은 성숙하고 개인 및 소비자 공간(Google, Amazon, Facebook 등)에서 지속적으로 사용됩니다. 제조 산업 내 애플리케이션은 뒤쳐져 있지만 Razor와 같은 이러한 기술을 사용하는 소프트웨어는 기계 공장에서 AI 및 ML의 가치를 실현하는 데 도움이 됩니다.” Razor는 데이터 소스에 연결하고, 정보를 수집하고, 통찰력과 제안된 권장 사항을 제공하여 사용자가 장비 가동 중지 시간을 줄이고, 생산 프로세스를 최적화하고, 위험을 관리하기 위한 선제적 조치를 취하는 데 도움이 되는 Praemo 제품입니다.

센서의 법칙!

우리 업계 전문가들은 모두 센서가 수행하는 핵심 역할에 동의했습니다. "측정되는 것은 관리된다"는 오래된 격언이 있습니다. 누가 그 말을 했는지는 확실하지 않지만(일부는 켈빈 경을, 다른 일부는 피터 드러커를 제안함), 기계를 제어하거나 최적화하려는 모든 시도는 핵심 접점에서 빠르고 정확하며 신뢰할 수 있는 데이터를 기반으로 해야 한다는 사실을 강조합니다. 절삭 공구가 공작물과 만납니다.

기술적으로 말하자면, 적응 제어를 위한 데이터를 성공적으로 수집, 배포 및 분석하는 기술은 현재 인더스트리 4.0 및 IIoT에 대한 관심이 있기 훨씬 이전에 사용할 수 있었습니다. 역사적으로 공정 중 측정 장비의 기원은 60년 이상으로 거슬러 올라갑니다(예:연삭 중 부품 검사를 위한 Mario Possati의 게이지). 그러나 센서의 주요 발전은 훨씬 더 최근에 이루어졌습니다.

최신 기술

이러한 발전 중 하나는 절삭날 마모를 자동으로 보정하는 보링 공구입니다. Rigibore Inc.(Mukwonago, WI)의 사장인 Anthony Bassett은 “CNC 공작 기계가 아무리 정교하더라도 보링 공구의 절삭날 마모를 자동으로 보정할 수는 없습니다. “우리의 배터리 구동식 ActiveEdge 공구는 보링 공구 절삭날의 공정 중 크기 조정을 자동화합니다. 무선 기술을 사용하여 단일 도구에서 여러 절삭날 직경을 원격으로 조정하여 공정 성능을 최적화하고 작업자 개입의 필요성을 제거합니다.”

밀링 영역의 새로운 영역을 개척한 것은 BadAxe Smart Tool 어셈블리 및 소프트웨어 시스템입니다. 회사에 따르면 BadAxe는 시행착오를 물리학으로 대체하여 기계가 시작될 때 즉시 기계의 "스위트 스팟"에 도달합니다. 기계, 스핀들, 공구 홀더 및 공구의 특정 조합에 대한 상주 진동 주파수 패턴의 측정을 사용하여 회사의 특허 받은 알고리즘 및 분석이 기계가 작동할 최적의 안정성 영역을 계산합니다. 결과는 기성품, 사전 균형이 맞춰지고 조립된 도구 홀더와 도구, 개별 기계에 최적화된 소프트웨어 인터페이스가 포함됩니다.

BadAxe의 Volansky는 "진동과 떨림이 고속 가공의 주요 제한 요소라는 것을 모두 알고 있습니다. “일반적으로 작업자는 시행착오를 통해 올바른 이송, 속도, 절단 폭 및 절단 깊이를 찾습니다. 많은 경우에 그들은 실제로 훨씬 더 높은 금속 제거율이 존재하는 반직관적인 설정에서 채터 없는 작동이 발견될 때 성능 면에서 벽에 부딪혔다고 생각합니다. 이 설정은 스텝 오버, 전체 슬롯 절단 또는 모서리에 관계없이 시작 즉시 제품에 의해 정의됩니다. 보잉 팬텀 웍스(Boeing Phantom Works), 미 국방부 등의 조직에서 기본 기술이 작업의 ROI를 크게 높이는 것으로 입증되었습니다.”

BadAxe는 다양한 기계 및 어셈블리 조합을 위한 대규모 데이터베이스를 구축하고 있습니다. 고객의 기계가 데이터베이스에 없는 경우 설정 역학을 확인하기 위해 일회성 테스트를 수행할 수 있습니다.
Sandvik Coromant는 SilentTools+ Intelligent 절단 도구. Munson은 "SilentTools+는 일반적으로 작업자가 맹목적으로 작동하는 긴 오버행 가공 공정에 대한 엄청난 통찰력을 제공하는 감쇠형 툴링 솔루션입니다."라고 말했습니다.

"[작업자]가 절단 팁까지 프로세스를 제어하기를 원하기 때문에 첨단 시설에서 긴 오버행 가공이 어렵습니다."라고 그는 말했습니다. “우리 SilentTools 내부에는 그래픽 인터페이스와 블루투스를 통해 통신하는 센서가 내장되어 있어 작업자가 밀폐된 기계 내부와 구멍 깊숙한 곳에서 눈과 귀를 가질 수 있습니다. 또한 절단 팁이 중앙에 있는 시점을 판단하여 빠르고 쉽게 설정할 수 있는 기능이 있습니다.”

SilentTools+ 시스템을 사용하여 공구 편향, 채터, 절삭력, 공구 부하 및 온도가 실시간으로 모니터링됩니다. Munson은 "이 모든 영역에 대한 통찰력 덕분에 폐기율이 감소하고 생산성이 향상되어 실질적인 비용 절감 효과를 얻을 수 있을 것이라고 생각합니다."라고 덧붙였습니다.

정보를 주세요!

일부 센서 출력은 정보용이지만 부가 가치는 센서 신호가 처리되어 부품 품질 및 도구 상태를 제어하는 ​​데 사용됩니다. 제조업체는 공구 경로와 가공 시간을 최소화하고 표면 조도를 개선하며 기계 수명을 최대화하고 복잡한 형상, 얇은 벽, 중공 실린더 및 가는 샤프트와 같은 까다로운 부품을 효율적으로 가공할 수 있습니다.

Anderson은 “Okuma 모니터링 시스템은 좋은 첫 번째 단계입니다. 프로세스별 요구 사항에 맞게 사용자 지정할 수 있는 최대 64개의 입력을 허용합니다. 장비 가동 중지 시간을 측정하고 OEE(전체 장비 효율성) 데이터를 분석하여 작업자가 다른 곳에 묶여 있을 때 장비를 끄는 것이 간단한 일이라고 판단한 고객이 있습니다. 모니터링 시스템을 사용함으로써 운영자는 예방 조치로 피할 수 있는 잠재적인 문제가 있음을 [경고할 수 있습니다].”

Praemo의 Henderson은 제조 성공으로 가는 길은 궁극적으로 금속 절삭 응용 프로그램에서 도구가 생성하는 산더미 같은 데이터를 통과해야 한다고 믿습니다. "이 데이터는 최적화를 위한 귀중한 '원재료'입니다."라고 그는 말했습니다. "Razor 소프트웨어에서 데이터를 분석하기 위한 알고리즘은 방대한 양의 데이터를 조사하여 스프레드시트를 가진 사람이 결코 발견할 수 없는 상호 관계 및 패턴을 찾을 수 있습니다. AI 및 ML 기술은 운영자와 관리자가 매우 신속하게 명확한 결론에 도달하고 데이터 기반 결론을 기반으로 조치를 취하는 데 도움이 되는 모델을 개발하는 데 사용됩니다. 지능은 인공적이지만 제조 세계의 인간이 사물에 접근하는 방식을 매우 유사하게 모방합니다. 유일한 차이점은 방대한 양의 데이터에 압도되지 않는다는 것입니다. 더 긴 데이터가 수집되고 더 많은 데이터가 수집될수록 Razor는 더 많이 학습합니다.”

검증된 능력

Marposs의 Powell에 따르면 오늘날의 시스템은 절단 공정을 유지하는 능력이 입증되었으며, 잘못된 것이 있을 때 이를 예측하고 작업자나 기계에 시정 조치를 취하도록 알립니다. 그는 “통지만 하거나 자동 조치를 취하는 것은 고객이 결정한다”고 말했다. "기술적으로 우리는 경우에 따라 활용되지 않는 자동 제어 기능을 많이 보유하고 있습니다."

BLÚ이라는 마르포스의 새로운 시스템은 연삭기 및 기타 공작 기계에 대한 50년 이상의 경험의 결과입니다. 실시간 공구 및 공정 모니터링, 적응형 제어, 충돌 완화를 위해 단일 시스템에 모든 공작 기계 모니터링 및 공정 제어 애플리케이션을 결합하고 빠른 처리 및 샘플링 시간을 제공합니다. Powell은 "BLÚ은 설정, 수동 또는 자동과 같은 모든 모드에서 작업자를 돕기 위해 공작 기계와 거의 완벽하게 통합되도록 설계되었습니다."라고 말했습니다.

시스템의 핵심은 기계 캐비닛 내부에 있는 마스터 노드입니다. 기계 측정, 음향 방출 모니터링, 휠 밸런싱(연삭), 공구 후퇴 및 기타 기능을 위해 다른 노드를 연결하는 버스 구조를 가지고 있습니다.

Rigibore의 Bassett에 따르면 Zenith 시스템은 천공 작업을 위한 폐쇄 루프 자동 시스템입니다. "기존 시스템은 보링 머신에 대한 지속적인 피드백 없이 순전히 기계식입니다."라고 그는 말했습니다. “Zenith는 장비가 원하는 만큼 조정되었는지 확인하기 위해 기계 제어 장치에 피드백을 제공합니다. 이 위치 센서 피드백은 불량 부품이 가공되는 것을 방지합니다.”

이 기술이 우리를 얼마나 멀리 데려갈 수 있습니까?

샌드빅 코로만트의 Munson은 “디지털 또는 센서 기반 절삭 공구 솔루션의 최종 게임이 반드시 필요한 것은 아닙니다. “현대 기계 공장과 제조 시설에서 센서와 절삭 공구의 IIoT 사용은 소비자 [제품] 애플리케이션의 경로를 따라 향후 5년에서 10년 동안 더 보편화될 것입니다. 우리에게 자연스러운 진행은 SilentTools+를 CNC 기계 제어에 통합하는 것입니다. 오늘날에는 라이브 프로세스 보기가 있는 독립 실행형 시스템입니다. 우리는 독립형 시스템에서 기계 제어 및 프로세스 통합으로 전환하기 위해 공작 기계 제작업체 및 CAM 소프트웨어 파트너와 협력하고 있습니다.”

Okuma의 Anderson도 동의했습니다. 그는 “기술과 가장 중요한 것은 기술의 구현이 새로운 기술을 낳을 것”이라고 말했다. “나는 수년 전에 차량의 백미러가 자동으로 어두워지는 것이 우스꽝스럽다고 생각했습니다. 이제 자동차가 없으면 차를 사지 않을 것입니다. 비슷한 방식으로 우리 업계의 신기술은 대안적 발전을 위한 새로운 시장을 개발하는 데 도움이 될 것입니다.”

마르포스의 파월은 최종 게임이 있어서는 안 된다는 데 동의했습니다. “모든 주요 매개변수와 변수를 모니터링하는 기술이 제자리에 있다고 생각합니다.”라고 그는 말했습니다. “물론 개선할 수 있는 영역이 있으며 더 빠르고 더 민감한 센서와 센서 데이터를 더 빠르고 지능적으로 처리할 수 있는 소프트웨어를 개발하기 위해 매일 노력하고 있습니다. 10년 이내에 적어도 하나의 게임 체인저가 있을 것이라고 확신합니다. 이는 기계 공장을 보다 효율적이고 생산적으로 만드는 기술적 혁신입니다. 판도가 바뀌면 그에 맞춰 변할 것입니다.”
BadAxe의 Volansky는 현재 자신의 회사가 판도를 바꿀 만한 회사가 있다고 생각합니다. 그는 “발전 속도가 빨라지고 있다. “고객은 5년, 10년을 기다리기를 원하지 않습니다. 효율성을 재정의하고 공작 기계가 물리적 한계에서 작동하도록 돕는 제품이 있습니다. 하지만 우리의 다음 단계는 우리의 독점적인 진동 감지 및 데이터 분석을 기계와 그 논리에 직접 내장하여 방정식에서 툴링 어셈블리를 제거하는 것입니다.” 이렇게 하면 기계는 작업자의 시행착오 없이 가장 최적화된 상태에서만 작동하게 된다고 그는 덧붙였습니다.

Rigibore의 Bassett이 말했듯이 "우리의 일부 개발 목표는 CNC 제어를 사용한 카바이드 툴링의 자동 주문, 작업자의 개입 감소로의 전환, 하나의 중앙 위치에서 이루어진 조정, CNC 기계에 솔리드 모델 입력 등입니다. 다른 프로세스가 작동 중입니다. 오늘날 우리가 직면한 주요 한계는 서로 다른 CNC 기계 제작업체와 기계 컨트롤러 제조업체 간의 비호환성과 표준 부족입니다.” 결국 독점적인 접근 방식은 성장을 제한하고 새로운 기능을 쉽게 추가하려는 고객에게 궁극적으로 더 많은 비용이 든다고 Bassett은 결론지었습니다.

Praemo의 Henderson에 따르면 일부 사람들은 사람의 개입이 없는 소등 제조를 최종 게임으로 정의합니다. 그는 “개인적으로 소등은 세계 평화 추구와 비슷하다고 생각한다”고 말했다. “제조업의 경우, 이것은 매력적이지만 많은 상황에서 달성할 수 없는 개념입니다. 도구 및 도구 네트워크에 내장된 센서 데이터를 원활하게 수집, 구성 및 분석하는 소프트웨어 공장 인텔리전스 소스에 네트워크로 연결된 공작 기계는 우리를 조명이 꺼진 공장에 훨씬 더 가깝게 만듭니다. 이것은 기계가 사람을 대체한다는 것을 의미하지 않습니다. 그것은 덜 천박하고, 더 만족스럽고, 확실히 더 생산적인 일을 할 수 있게 해줍니다. 머시닝 센터의 수동 제어를 자동화한 CNC의 출현과 유사합니다. 덕분에 사람들은 더 안전하고 생산적으로 일할 수 있었습니다.”