EDM 혁신: 인더스트리 4.0으로 더 빠르고 효율적인 자동화 실현

방전가공기(EDM)는 엄격한 공차 유지, 거의 모든 금속 가공 가능, 섬세한 부품 가공에 적합하다는 장점이 있지만, 숙련된 작업자를 찾기가 점점 어려워지고 있으며 로봇이 항상 그 공백을 메울 수는 없습니다. 기계 내 자동화 공정, 최신 설계, 인더스트리 4.0 기능이 이 문제를 해결하는 데 도움을 주고 있습니다.

GF 머시닝 솔루션즈(일리노이주 링컨셔)의 제품 관리자이자 부친과 조부 모두 EDM 분야에서 일한 에릭 오스티니는 "졸업 후 EDM에 대해 다 안다고 생각했지만, 아버지가 몇 년 일하면 과거에는 발전기 소리만 듣고 기계 조정을 알았다고 말씀하셨다. 지금은 모든 것이 자동화되어 버튼만 누르면 작동한다. 과거에 기계를 돌리기 위해 무엇을 해야 했는지 알 수 없다"고 말했습니다.

기계 제조사들은 작업자가 내부 작동 원리의 '무엇'과 '왜'를 몰라도 되도록 만들어, 지식과 경험 부족을 보완하고 있습니다.

오스티니는 "기술 발전 방향뿐만 아니라 장비를 사용하는 사람들의 지식 수준 때문에 자동화를 강화한다. 좋은 작업자를 찾기 어렵다. 기계가 숙련 작업자의 많은 일을 수행할 수 있게 하면, 초보 작업자도 훌륭한 성과를 낼 수 있다"고 덧붙였습니다.

벨몬트 이큅먼트 앤 테크놀로지스(미시간주 매디슨 하이츠)는 고객 공작물 고정장치의 다중 리드 부품 감지를 위해 자체 개발한 전용 회로를 통해 센서 접촉으로 부품이 올바르게 장착되었는지 확인하여, 부품 오장착과 설정 과정에서의 시간 소모적인 작업자 개입을 없앴습니다.

또한, 온보드 기술을 활용하고 특정 용도에 맞게 사용자 정의 설정을 생성할 수 있는 가공 소프트웨어를 개발했습니다. 벨몬트의 운영 부사장 토니 타일은 "작업자의 능력이나 지식에 따라 초보자는 프리셋으로 기계를 조작하고, 숙련자는 작업별 맞춤 설정을 커스터마이징하여 이후 누구나 실행할 수 있게 한다"고 설명했습니다.

부품 및 전극용 팔레트 시스템

MC 머시너리 시스템즈(일리노이주 엘크 그로브 빌리지)의 기술 마케팅 매니저 그레그 랭엔호르스트에 따르면, 다른 공작기계와 마찬가지로 EDM도 팔레트 체인저를 이용해 생산 공정을 자동화할 수 있습니다. "와이어 또는 싱커 EDM에 자동화 설정을 사용할 때, 공작물(싱커 전극과 부품 모두)은 일반적으로 레퍼런스가 있는 툴링 베이스에 설정됩니다. 예를 들어 싱커 전극은 툴링 팔레트에 장착되고, 흑연은 흑연 밀링기로 이동해 가공된 후 자동으로 척에 고정되어 3차원 측정기(CMM)로 검사됩니다."

소형 부품의 자동화된 와이어 EDM 생산에는 미쓰비시 6축 로봇이 공작물을 EDM 안팎으로 교환합니다. 이 관절형 시스템에서는 로봇이 다양한 관절 운동을 처리할 수 있어 공작물을 수직, 수평, 정방향, 역방향 또는 기울어진 상태로 다룰 수 있습니다.

"대형 공작물의 경우 시스템 3R 또는 에로와 로봇을 사용합니다. 일반적으로 이 장비들은 고정 평면 그리퍼로 툴링 랙에서 공작물을 꺼내 기계 테이블에 정확히 같은 방향으로 놓습니다. 로봇은 싱커의 헤드와 테이블을 적재하거나 흑연 밀링기 테이블에 매달린 전극 블랭크를 뒤집어 적재하기 위해 플립형 또는 회전 그리퍼가 필요합니다."라고 랭엔호르스트는 말했습니다.

에로와 컴팩트 80은 싱커 EDM에서 Z축으로 전극과 공작물을 교환할 수 있는 비교적 새로운 로봇입니다. 최대 300×300mm 팔레트와 80kg 부품을 처리합니다. "흑연 밀링기와 싱커 사이에 두면 워크셀을 구성할 수 있습니다. 흑연 블랭크를 밀링기에 적재하고 완성된 전극을 꺼내며, 공작물을 싱커에 적재하고 밀링기에서 갓 나온 전극을 즉시 사용할 수 있습니다."

MC 머시너리의 한 EDM 고객은 대형 직사각형 프레임 타입 고정장치를 사용하는 금형 공장입니다. "한 개의 큰 부품이나 여러 공작물을 그 프레임/테이블에 적재하여 야간이나 주말 무인 운전이 가능합니다. 완성된 4~5개 부품이 있는 프레임을 빼내고 다른 적재된 프레임을 넣습니다. 공작물은 기계 외부에서 프레임/테이블에 프리셋되어 모두 정방향이고 정확합니다. 모든 영점은 CMM으로 측정해 기계에 전송하여 파트 프로그램과 함께 로드함으로써 기계 시간을 절약하거나, 기계에 로드된 후 와이어로 한 번 측정하여 프로그램을 실행합니다."

마키노(미시간주 오번 힐스)는 최근 원격 모니터링 기능 모음인 하이퍼커넥트(HyperConnect)를 출시했고, 기존 하이퍼-i 제어 시스템에 여러 기능을 개발하여 작업자 능력을 향상시켰습니다. 여기에는 숙련 작업자의 지식과 경험을 포착하여 모든 기술 수준의 작업자가 쉽게 사용할 수 있는 기능으로 변환하는 E-테크 닥터(E-Tech Doctor) 기능이 포함됩니다.

마키노 EDM 제품 관리자 브라이언 플루거는 "적응형 전력 기술의 지능과 능력을 높여 고성능 결과를 얻기 위해 필요한 작업자 숙련도를 낮춘다. 기계가 더 견고하고 자기 적응적인 능력을 갖춰 스스로 더 많은 일을 할 수 있게 되어 작업자들이 다른 공장 활동에 시간을 할애할 수 있다"고 말했습니다.

로봇을 사용하는 제조사의 경우, 소딕(일리노이주 샴버그)의 일부 와이어 및 싱커 EDM 기계 시리즈는 로봇 팔이 기계 내부에 접근할 수 있도록 분할된 드롭 탱크 도어를 갖추고 있습니다. 소딕의 적층 제조 비즈니스 개발 매니저 에반 시버슨은 "이러한 공정을 자동화할수록 작업자들은 더 중요한 일이나 여러 일을 동시에 처리할 수 있다"고 말했습니다.

MC 머시너리 시스템즈는 지식 기반 시스템을 만들어 EDM을 더 단순하고 쉽게 조작할 수 있게 했습니다. 예를 들어 와이어 EDM은 다양한 와이어 직경과 공작물 재질, 두께를 가공합니다. "각 작업 유형마다 E-팩(E-Packs)이라 불리는 전력 설정, 이송 속도 값, 커터 오프셋 값이 있습니다. 기계 제어 장치의 데이터 테이블에 이 모든 정보가 있어 작업자는 제어 화면의 질문에 답해 와이어 종류, 공작물 재질과 두께, 원하는 정밀도와 표면 조도만 선택하면 됩니다. 기계가 1패스인지 5패스인지 모두 스스로 결정합니다."

"또한 기계 제어 장치에 좌측은 속도, 우측은 정밀도를 선택하는 슬라이드 바가 있습니다. 오른쪽으로 밀면 기계 속도가 느려지고 코너 정밀도가 높아집니다. 정밀도가 덜 필요하고 속도를 원하면 왼쪽으로 끝까지 밀고, 중간을 원하면 중간을 선택합니다."라고 랭엔호르스트는 계속했습니다.

로봇을 위한 제어 시스템

GFMS의 오스티니가 기본적인 EDM 지식만 가진 작업자가 버튼만 누르면 기계가 작동한다고 말한 것은 말 그대로입니다. 소프트웨어 변경 덕분에 작업자는 원하는 작업에 따라 버튼 하나로 전력 설정을 조정할 수 있습니다.

작업자가 표준보다 10~15% 빠르게 절단하려면 버튼을 누르고 소프트웨어가 모든 발전기 설정을 조정합니다. 반대로 금요일 퇴근 시간이라면 버튼을 눌러 보수적 또는 에코 모드로 전환할 수 있습니다. 이 경우 와이어 속도가 급격히 느려집니다.

과거에는 이로 인해 부품에 부정확성이 생겼지만, 오스티니는 "이 설정 주변 기술을 개발하여 발전기를 조정함으로써 동일한 정밀도를 유지하면서 와이어 사용량을 30~35% 절약할 수 있다"고 말했습니다. GFMS는 싱커 측에도 유사한 원버튼 자동화를 추가했습니다.

GFMS는 스코프와 레니쇼 프로브를 사용하여 EDM에 측정 및 검증 기능을 추가하여 작업자가 작업을 올바르게 설정했는지 확인합니다. 절단 후 프로브와 스코프를 다시 사용하여 공작물을 제거하기 전에 작업을 검증합니다.

"예를 들어 CUT 1000 기계에는 IVU(통합 비전 유닛)라는 시스템이 있어 절단된 것을 측정하고 부품을 기계에서 꺼내기 전에 올바르게 절단되었는지 알려줍니다. 그렇지 않으면 그 자리에서 수정하거나 폐기합니다."라고 오스티니는 말했습니다.

벨몬트 이큅먼트 앤 테크놀로지스는 고객이 현재 또는 미래에 원하는 자동화 수준에 맞춰 다양한 모델을 제공합니다. "완전 로봇 턴키 솔루션부터 나중에 쉽게 추가할 수 있도록 기계적 변경과 사전 배선이 된 설계까지 다양합니다."라고 타일은 말했습니다.

인더스트리 4.0과 데이터 분석

자격을 갖춘 작업자를 구하기 어려운 상황에서 인더스트리 4.0의 일부 요소들은 운영 효율성을 창출하여 차이를 메우는 데 도움을 줍니다. 인더스트리 4.0의 목표 중 하나는 기계 데이터를 수집하고 분석하여 문제를 식별하는 능력을 만드는 것입니다.

타일은 "많은 고객이 공정 지식을 제공하여 기계를 가장 효율적으로 운영하는 방법을 분석할 수 있는 데이터 피드백을 원한다. 또한 문제가 발생하기 전에 식별할 수 있게 한다. 분석을 다루는 여러 오프라인 소프트웨어 패키지가 있으며, 우리는 고객과 협력하여 피드백에 필요한 연결을 구축한다"고 말했습니다.

오스티니는 문제 해결이 인더스트리 4.0의 핵심 부분이라고 동의했습니다. "무언가를 보면 왜 그런지 알고 싶어진다. 그곳에서 분석이 더 직관적이어야 한다." 그는 공장 소유자가 기계 가동 시간 대비 비가동 시간을 데이터로 확인하는 예를 들었습니다. 오후 4시에 가동보다 비가동이 더 많은 것을 발견하고 이유를 궁금해합니다.

"그때 다른 데이터를 봐야 한다. 유지보수 때문일 수도 있고, 알람으로 인한 정지일 수도 있고, 작업자가 부품을 설정 중일 수도 있다." 인디애나주의 한 회사가 그렇게 하여 주중 일관된 문제를 발견했습니다. 데이터를 보니 교대 근무 시간이었습니다. 퇴근하는 작업자가 기계에 작업이 있었고, 새로 오는 작업자가 그것을 몰라 파악하는 동안 생산이 저하되었습니다. 그 결과 회사는 각 교대에 15분을 추가하여 두 작업자가 인수인계할 수 있게 했습니다. 1년 후 비용을 추산해보니 추가 인건비를 감안해도 10만 달러를 절약했습니다.

플로트 센서로 유출 방지

소딕은 로봇 접근성을 높이고, 드롭 탱크 도어로 사람의 접근도 편리하게 만들었습니다. 이 기능은 와이어 EDM ALN 시리즈와 싱커 머신 AG 시리즈에 적용되었습니다.

시버슨은 "자동화 관점에서 특히 유용한데, 사람이 직접 문을 열지 않아도 로봇이 들어와 공구 또는 공작물을 교체할 수 있을 만큼 문이 낮기 때문"이라고 말했습니다.

문은 다중 분할 벽이 서로 안으로 들어가며 낮아지는 구조라 탱크를 부분적으로 열 수 있습니다. 이로 인해 작업자는 탱크를 완전히 비우지 않고도 공작물에 접근할 수 있습니다. 또한 문에는 플로트 센서가 있습니다. "가공 중 탱크에 절연유가 차는데, 유체가 찬 상태에서 문을 내리고 싶지 않습니다. 수위가 너무 높으면 수위에서 멈추어 계속 내려가지 않아 의도치 않은 유출을 방지합니다."

AG 싱커 시리즈는 냉각 리니어 모터와 최대 2000rpm으로 회전 가능한 C축 옵션을 갖추고 있습니다.

마키노의 최신 기계는 더 많은 작업을 스스로 수행할 수 있습니다. 옵션으로 싱커 EDM용 자동 공구 교환장치, 와이어 EDM용 자동 와이어 스레딩 시스템이 있어 무인 운전 시간을 연장합니다. 고수준 자동화는 일반적으로 로봇을 이용해 공작물을 교환하여 기계 가동률을 높이며, 한 대의 로봇이 여러 대의 기계를 서비스할 수도 있습니다.

새로운 하이퍼커넥트는 기계가 내부 네트워크에 연결될 때 원격 접근과 네트워크 통신을 개선하는 네 가지 기능을 제공합니다. EDM 메일로 기계 정지 등 상태 업데이트를 이메일로 보내 기계 가동 중단과 생산 손실을 최소화합니다. EDM 뷰어로 PC나 스마트 기기에서 기계 제어 장치를 원격 모니터링하고 접근할 수 있어 무인 운전 중 기계가 어디서 무엇을 하는지 정확히 '볼' 수 있습니다. 기계 간 뷰어로 작업 영역을 떠나지 않고 기계 제어 장치에서 다른 네트워크 하이퍼-i 제어 장치를 직접 볼 수 있습니다. PC 뷰어로 네트워크 PC의 모든 프로그램과 데이터를 기계의 24인치(610mm) 디스플레이에 접근하여 표시할 수 있습니다. 이 기능으로 작업자는 하이퍼-i 제어 장치에서 마이크로소프트 오피스나 전문 CAD/CAM 소프트웨어 등 기계를 작동하는 데 필요한 모든 작업을 수행할 수 있습니다.

앞서 언급한 E-테크 닥터 외에도 마키노는 여러 하이퍼-i 제어 시스템 기능을 개발했습니다. 내부 프로브 없이 공작물 레벨링을 포함한 다중 캔드 픽업 사이클, 측정 검증, 기계 가동률 추적 및 보고 기능 등입니다.

플루거는 "가동률 추적 기능의 목적은 현재 공정의 효과와 효율을 모니터링하는 데 필요한 도구를 공장에 제공하는 것인데, 이는 대부분의 공장에서 흔히 부족한 부분입니다. 이 새로운 추적 도구로 24/7 기계 가동률을 측정하고 개선 영역을 식별할 수 있습니다."라고 말했습니다.