무인 자동화 마스터하기: 커스텀 툴 숍의 교훈

평일 오후 3시경이면 Custom Tool 직원들은 저녁 무인 가공을 위해 터닝 센터 셋업을 시작합니다.

Young 형제의 쇼플로어 자동화는 기존 CNC 터닝 센터에 바피더를 추가하는 것으로 시작되었습니다.

이는 2008년 테네시주 쿠크빌의 Custom Tool을 인수한 Gillen과 Bob Young 형제가 인수한 직후 일어난 일입니다(Gillen 사장, Bob 부사장). 바피더는 2축 CNC 터닝 센터가 근무일 중 장시간 무인 운전을 가능하게 했는데, 이는 이전 경영 방식에서 수동 작업을 자동화한다는 생각을 전혀 하지 않았던 것(심지어 급여 수표도 손으로 작성)과 비교해 문화적 큰 변화였습니다.

오늘날 다양한 자동화 사례가 구현되어 여러 방식으로 혜택을 누리고 있습니다. 예를 들어 서브 스핀들, 라이브 툴링, 부품 수집 장치를 갖춘 두 대의 신형 바피더 Y축 터닝 센터를 야간 15.5시간(비근무 시간) 동안 부품 완전 가공을 목표로 무인 운전하도록 셋업할 수 있습니다. 쇼플로어 직원들은 단순히 기계를 적재/배출하는 업무에서 벗어나 공정 개선 방안을 고민하고 제안할 수 있게 되었습니다. 종종 이런 유용한 제안은 기존 수동 작업 자동화(가공 사이클에 디버링 통합 등)와 관련이 있습니다. 또한 새로운 검사 기술로 야간 가공된 다수 부품의 측정 루틴 일부를 자동화했습니다.

Custom Tool은 약 10년 전 수립한 '생산 로그' 계획 전략을 위한 데이터 수집도 최근 자동화했습니다. 생산 로그는 하루 동안 기계가 예상 일일 생산량 대비 얼마나 효과적이었는지, 얼마나 많은 '훔친 시간'(형제가 부르는 비근무 15.5시간)을 확보했는지 보여줍니다. 또한 야간 생산에 적합한 작업을 식별하여 연간 무인 가공 시간 비율을 전체 생산의 50% 이상으로 높이려 합니다. Bob이 말하듯 그만큼의 무인 가공 시간은 훨씬 낮은 비용으로 제2 근무조를 운영하는 것과 같습니다.

바피더 이후

Bob Young이 현장 운영을 관리하고, Gillen(AT&T Consulting 수석 아키텍트 IoT 솔루션 겸임)은 조지아주 애틀랜타에 거주하며(시간 날 때마다 방문) 현장을 관리합니다. 두 형제는 Bob이 공작기계 유통사 근무 중 은퇴를 앞둔 전 소유주로부터 인수 제안을 받으면서 Custom Tool 인수를 결정했습니다.

이 연료 피팅이 회사가 처음으로 야간 무인 가공한 작업입니다. 두 나사 가공에 중복 툴을 사용하여 공구 마모를 보완하고 무인 가공 가능 부품 수를 두 배로 늘렸습니다. 또한 이 사진 촬영 후 특수 툴로 사이클 내 디버링을 수행하여 2차 수동 디버링 공정을 없앴습니다.

형제들은 회사 문화 변화가 필수적임을 즉시 깨달았습니다. 지속적 개선 마인드를 심고 가능한 한 자동화를 구현하기 위해 노력했습니다. 자연스러운 인력 이탈을 통해 상대적으로 젊고 경험이 적은, 첨단 기술 수용에 개방적이고 공정 간소화 제안에 적극적인 신규 인력을 채용했습니다.

첫 바피더 터닝 센터의 무인 가공 이점을 확인하고 무인 가공이 현실이 될 미래를 상상한 Custom Tool은 2012년 더 큰 투자로 라이브 툴링, 서브 스핀들, Edge Technologies 바피더를 갖춘 Y축 Okuma LB3000 EX Spaceturn을 추가하여 일부 부품의 완전 가공을 가능하게 했습니다. 2016년 같은 기종 한 대, 2019년 1월 세 번째 기계를 추가했습니다.

하지만 무인 가공의 혜택을 누리기까지 시간이 걸렸습니다. 새 장비에 익숙해지고 잠재적 야간 가공 작업을 검증해야 했습니다. 그런 후 점점 더 긴 시간 저녁까지 작업을 돌리다가 결국 밤새 안심하고 돌릴 수 있게 되었습니다. 신뢰할 수 있는 무인 공정 구축에는 여러 요소가 고려되었으며, 그 과정에서 많은 교훈을 얻었습니다. 주요 내용은 다음과 같습니다.

• 쿨런트 시스템. 예기치 않은 쿨런트 압력 저하나 공급 중단은 공구 파손을 유발합니다. 야간 가동 기계는 주간 1교대 기계보다 더 많은 유지보수가 필요합니다. 1교대 기계에서 부스터 펌프 필터를 며칠마다 점검한다면, 이제는 매일 점검해야 합니다. 또한 Custom Tool의 두 번째 Y축 터닝 센터는 쿨런트 시스템 이상 감지 시 기계를 정지시키는 컨트롤러를 탑재했습니다.
• 칩 컨베이어.

  Bob Young이 수석 편집자 Lori Beckman에게 설명하듯 무인 가공 공정 개발 시 칩 관리를 고려하는 것이 중요합니다. 이 유닛은 컨베이어 티스를 탑재하여 알루미늄 가공 시 발생하는 긴 끈적한 칩을 무인 야간 가동 시 더 효과적으로 처리합니다.

  모든 칩 컨베이어가 동일하지 않습니다. Custom Tool의 첫 번째 Y축 터닝 센터는 일반형이지만, 두 번째는 컨베이어에 티스가 있는 Hennig 제품입니다. Young 형제는 이 컨베이어가 알루미늄 가공 시 흔히 발생하는 긴 끈적한 칩을 더 효과적으로 제거하여 부품 수집 시스템에 방해가 되는 칩 '버드 네스팅'을 방지한다고 말합니다. 따라서 알루미늄 작업은 이 기계에서 야간 무인 가공할 가능성이 더 높습니다.
• 부품 수집. 초기에는 칩 호퍼가 부품 수집기 역할도 했습니다. 이제 각 터닝 센터에 통합 부품 수집기가 있습니다. 수집기 용량은 야간 생산량을 수용할 수 있어야 합니다. 용량이 너무 작으면 야간 생산 가능한 대형 부품 수가 제한됩니다. 또한 부품 수집 시 쿨런트도 함께 나오므로 수집기에서 쿨런트를 기계 섬프로 되돌려 배출하는 장치가 필요합니다.
• 바피더. 작업 부품이 크면 바피더 용량이 야간 가공 가능 개수를 제한할 수 있습니다. 반면 사이클 타임이 매우 빠르면 적재된 봉재를 모두 소진하여 누군가가 나와 소재를 보충하지 않으면 야간 생산이 줄어들 수 있습니다.
• 중복 툴링. 두 종류의 나사 가공이 있는 연료 피팅 부품이 중복 툴을 사용하여 처음으로 야간 무인 가공한 작업입니다. 작업자가 상주할 때는 공구 마모로 인한 오프셋 변경 필요 시점을 알 수 있습니다. 하지만 무인으로는 초기에 4시간만 돌릴 수 있었는데, 그때 두 나사 가공 툴의 오프셋 조정이 필요했기 때문입니다. 이를 인지하고 공구 마모가 문제되기 직전 부품 수에서 툴 교체를 호출하는 중복 나사 가공 툴을 사용하기 시작했습니다. 툴 인서트 수명을 다 쓰지 못하지만, 기계가 추가로 무인 가동할 수 있는 시간이 이를 정당화합니다.
• 부하 모니터링. 스핀들 부하 모니터링 기능으로 부하가 0이 되면 공구 파손을 의미합니다. 파트 프로그램은 그때 기계가 정지하도록 작성하여 이후 공구 파손 위험을 방지합니다.
• 측정 용량. 수백 개 부품이 야간에 가공되어 아침에 대기하면 좋지만, 무인 생산은 일부 직원들의 일과 시작 루틴을 바꿨습니다. 부품 분류, 검사, 기계 평가, 다음 작업 셋업에 시간을 할애해야 합니다. 실제로 무인 생산 초기에는 부품 검사가 병목이 되었습니다. 검사 루틴 가속화를 위해 Custom Tool은 Keyence IM 시리즈 화상 치수 측정 시스템을 추가하여 한 번에 하나 또는 여러 부품의 다수 외부 형상을 자동 측정하고 기록합니다.

생산 로그 자동화

Bob이 2011년 구현한 생산 로그는 9대 CNC 기계와 1개 로봇 용접 셀의 일일 생산성을 일일 계획 작업과 실제 달성 생산량 비교로 보여줍니다. 또한 가용 야간 시간을 얼마나 효과적으로 활용하는지도 보여줍니다.

자동 데이터 수집 시스템이 20분마다 기계에서 생산 정보를 수집합니다. ERP 소프트웨어에서 작업 데이터도 가져옵니다. 보고서를 생성하여 생산 로그 정보를 더 그래픽으로 표시할 수 있습니다. 사진 제공: Custom Tool

최근까지 이 모든 데이터는 수동으로 수집되었습니다. 매시간 직원들이 기계별 부품 생산 수를 시간당 기록하고, 해당 값과 기계 상태 코드를 생산 로그 스프레드시트에 입력했습니다. 회사는 코드 10(주간 생산 시간)과 15(야간 무인 생산 시간)의 값을 극대화하려 합니다. 이 값들을 예상 일일 생산량과 비교하면 실제 기계 가동률이 드러난다고 Bob은 말합니다. 셋업, 재작업, 자재/툴링/작업자 대기 시간 등 다른 코드들은 실제 가공 시간 외에 작업을 완료하는 데 정확히 얼마나 걸리는지 보여줍니다.

각 작업 상태 추적을 위해 공통 변수를 설정했습니다. 부품 카운트는 G코드로 처리되어 부품 사이클 완료 시마다 1씩 증가합니다. 다른 변수들은 작업자 입력이 필요합니다. 여기에는 런 타겟(부품 카운트 도달 시 기계 일시정지), 작업 번호(작업 지시서에 기재), 생산 로그 코드(생산 상태 변경 시 표시)가 포함됩니다.

생산 로그는 무인 운전에 적합한 공정을 식별하는 데 도움이 됩니다. 밤새 돌리도록 셋업한 기계가 15.5시간 가용 시간에 근접하지 못하면 그 작업이 야간 운전에 적합하지 않을 수 있습니다. 한 기계는 밤새 돌고 다른 기계는 반만 돌면, 반만 돈 작업을 다른 기계로 옮기고 더 오래 도는 기계의 작업을 옮겨 더 높은 가동률을 달성하는 것이 합리적일 수 있습니다. 생산 로그는 일기 역할도 하여 공구 파손이나 바피더 고장으로 기계가 목표 생산량에 미치지 못한 원인을 기록합니다.

회사는 이제 매시간 기계를 방문해 생산 로그 데이터를 수집/입력할 필요가 없는 시나리오를 향해 나아가고 있습니다. 이는 Gillen이 개발 중인 자동 데이터 수집 및 보고 시스템 덕분입니다. 이 시스템은 웹 기반 IIoT 플랫폼을 사용하여 오픈소스 MTConnect 통신 프로토콜 에이전트가 있는 기계와 회사 Jobboss ERP 소프트웨어에서 데이터를 가져옵니다. 플랫폼은 Telit의 Devicewise for Factory로, IIoT 모듈, 소프트웨어, 연결 서비스를 제공합니다.

무인 가공은 아침 출근 시 많은 부품이 대기함을 의미합니다. Custom Tool에서는 이로 인해 검사 병목이 발생하여 화상 치수 측정 장치를 추가해 품질 담당자의 부품 측정을 가속화했습니다.

Gillen은 이 시스템의 이점이 다양한 컨트롤러와 인터페이스되고 데이터 수집을 위한 커스텀 프로그래밍이 필요 없다는 점이라고 말합니다. 이전 수동 수집 데이터(부품 수, 기계 코드 등)와 ERP 데이터(작업 번호, 설명, 주문일, 주문 수량, 납기일 등)를 자동으로 가져와 클라우드에 저장합니다. 데이터는 웹 대시보드에서 접근 가능하며, 보고서를 생성해 이전 스프레드시트 생산 로그를 더 그래픽으로 보여줍니다.

시스템은 2018년 6월 초부터 가동 중인 기계에 대해 20분마다 데이터를 수집하며 단 한 번의 누락도 없습니다. Gillen은 좋은 기계 모니터링 제품이 많지만, 자신의 기술적 배경으로 회사가 가장 알고 싶어 하는 비즈니스 정보에 초점을 맞춘 사내 솔루션을 탐구할 기회가 있었다고 말합니다. 또한 이 데이터 수집 능력이 특정 절삭 툴/인서트 유형과 절삭 시간 연계 같은 더 고급 분석으로 이어질 수도 있다고 봅니다.