센서 탑재 절삭 공구 제어: 공작기계를 주류로 이끌다

인더스트리 4.0과 IIoT(산업용 사물인터넷) 이니셔티브의 핵심 성공 요인은 머시닝 센터, 심지어 절삭 공구 자체에 더 많고 더 나은 센서가 등장한 것입니다. 이 센서들은 '미래의 공장'의 기반이 되는 데이터와 연결성을 제공합니다.

하지만 이것은 미래의 이야기가 아닙니다. 오늘날에도 기계와 금속 절삭 공정의 상태를 보여주는 데이터를 수집하는 다양한 '스마트 센서'가 존재합니다. 이러한 진화는 부품의 위치와 완제품의 기하학적 형상, 공정에서 사용되는 공구의 구성 및 제어를 점점 더 정확하게 측정함으로써 달성됩니다.

Manufacturing Engineering은 여러 업계 전문가에게 센서 기반 절삭 제어 시스템의 현재 상태를 평가하고, 미래 기회를 식별하기 위해 수정 구슬을 들여다보도록 요청했습니다.

현재와 미래

센서 기반 제어 및 최적화 분야에서, 우리는 도면 단계에서 성숙한 제품까지의 연속선상에서 어디에 있을까요? 그 질문에 대한 답은 "경우에 따라 다릅니다."입니다.

"기본적인 측정과 적응 제어 측면에서는 학습 곡선을 काफी 많이 올라왔습니다." 마포스(Marposs Corp., 오번 힐스, MI)의 연삭 제품 매니저 프랭크 파월(Frank Powell)은 말했습니다. "공작기계에는 다양한 공정 내 센서와 트랜스듀서를 장착할 수 있습니다. 첫 번째 수준에서 이 센서들은 기계 보호를 위해 사용되는데, 시스템이 예상치 못한 힘 변형이나 잠재적 충돌에 대해 작업자보다 1000배 빠르게 반응할 수 있기 때문입니다. 기술은 부품의 위치와 완제품의 기하학적 형상, 공정에서 사용되는 공구의 구성 및 제어를 점점 더 정확하게 측정함으로써 발전하고 있습니다."

인더스트리 4.0 관점에서 볼 때, 절삭 공구 디지털 제조 기술은 성숙한 제품보다 도면 단계에 훨씬 가깝다고 샌드빅 코로만트(Sandvik Coromant, 페어론, NJ)의 사일런트 툴(Silent Tools) 기술 영업 스페셜리스트 닐 먼슨(Neil Munson)은 말했습니다. "우리는 우리 산업의 패러다임 전환의 기로에 서 있습니다. 사실 우리 회사에서 센서 기반 지능형 절삭 공구로의 첫 도약을 시작하고 있습니다."

배드액스 툴링 솔루션(BadAxe Tooling Solutions)의 조 볼란스키(Joe Volansky)는 약간 다른 견해를 보였습니다. "제품은 입증되었고 학습 곡선을 상당히 올라왔으며, 혁신적인 방식으로 적용될 수 있습니다." 볼란스키는 말했습니다. "우리 경우, 입증된 과학을 기반으로 밀링 작업을 위한 제품을 도입하여 기계 물리학의 한계에서 완전히 새로운 방식으로 솔루션을 제시합니다." 배드액스 툴링 솔루션은 브리니 툴링 시스템즈(Briney Tooling Systems, 배드액스, MI), 풀러턴 툴(Fullerton Tool Co., 새기노, MI), 블루스워프(BlueSwarf LLC, 스테이트 칼리지, PA) 세 미국 기업의 연합체입니다.

"내 생각에는 개발 측면에서 곡선의 중간에 있습니다." 오쿠마 아메리카(Okuma America Corp., 샬럿, NC)의 제품 스페셜리스트 매니저이자 테크 센터 매니저인 웨이드 앤더슨(Wade Anderson)은 말했습니다. "기본적인 장비 효율성과 주변 기기와의 통신 능력 측면에서는 지금 바로 사용할 수 있는 수많은 오프더셸프 솔루션이 있습니다. 그러나 인공지능(AI)과 증강 현실(AR) 기술은 이제 막 떠오르고 있습니다."

공장 현장의 장비에서 생성되는 방대한 데이터 양을 고려할 때, 앤더슨이 언급한 떠오르는 기술은 필수적이라고 프라에모(Praemo, 키치너, ON)의 엔지니어링 부사장 앤디 헨더슨(Andy Henderson)은 말했습니다. "자동화 세계에서는 1970년대부터 매우 '물리적인' 진화가 있었습니다." 헨더슨은 말했습니다. "다음 프론티어는 '정신적' 진화입니다. AI와 머신러닝(ML)을 사용하여 데이터에 지능을 더하는 것입니다. 연속선상에서 이 기술들은 성숙했으며 개인 및 소비자 영역(구글, 아마존, 페이스북 등)에서 지속적으로 사용되고 있습니다. 제조 산업 내 적용은 뒤처져 있지만, 레이저(Razor)처럼 이러한 기술을 사용하는 소프트웨어가 머신 숍이 AI와 ML의 가치를 깨닫도록 돕고 있습니다." 레이저는 데이터 소스에 연결하여 정보를 수집하고, 사용자가 선제적 조치를 취해 장비 가동 중단 시간을 줄이고 생산 공정을 최적화하며 위험을 관리할 수 있도록 통찰력과 권장 사항을 제공하는 프라에모 제품입니다.

센서가 지배한다!

전문가들은 모두 센서가 수행하는 핵심 역할에 동의했습니다. "측정되는 것이 관리된다"는 오래된 격언이 있습니다. 누가 말했는지는 불확실합니다(일부는 켈빈 경, 다른 일부는 피터 드러커를 지목). 하지만 이는 기계 제어 또는 최적화 시도가 절삭 공구가 공작물을 만나는 핵심 접점에서 빠르고 정확하며 신뢰할 수 있는 데이터를 기반으로 해야 함을 강조합니다.

기술적으로 말하면, 적응 제어를 위해 데이터를 성공적으로 수집, 배포, 분석하는 기술은 현재 인더스트리 4.0과 IIoT에 대한 관심보다 훨씬 이전부터 존재했습니다. 역사적으로 공정 내 측정 장비는 60년 이상 거슬러 올라갑니다(예: 마리오 포사티의 연삭 중 부품 검사 게이지). 그러나 센서의 주요 발전은 훨씬 최근에 이루어졌습니다.

최신 기술

이러한 발전 중 하나는 절삭 날 마모를 자동으로 보정하는 보링 공구입니다. "CNC 공작기계가 아무리 정교해도 보링 공구의 절삭 날 마모를 자동으로 보정할 수는 없습니다." 리기보어(Rigibore Inc., 무크워고, WI)의 사장 앤서니 바셋(Anthony Bassett)은 말했습니다. "우리의 배터리 구동 액티브엣지(ActiveEdge) 공구는 보링 공구 절삭 날의 공정 내 치수 조정을 자동화합니다. 무선 기술을 사용하여 단일 공구의 여러 절삭 날 직경을 원격으로 조정하여 공정 성능을 최적화하고 작업자 개입을 없앱니다."

밀링 분야에서 새로운 영역을 개척하는 것은 배드액스 스마트 툴 어셈블리 및 소프트웨어 시스템입니다. 배드액스는 기계가 시작될 때 특정 기계, 스핀들, 툴홀더, 공구 조합의 상주 진동 주파수 패턴을 측정하여 물리학을 기반으로 즉시 기계의 '스위트 스팟(sweet spot)'을 찾아낸다고 회사 측은 설명합니다. 회사의 특허 알고리즘과 분석은 기계가 작동할 최적의 안정 영역을 계산합니다. 결과는 개별 기계에 최적화된 소프트웨어 인터페이스와 함께 제공되는 오프더셸프, 사전 밸런싱된 조립 툴홀더와 공구입니다.

"누구나 진동과 채터가 고속 가공의 주요 제한 요소임을 알고 있습니다." 배드액스의 볼란스키는 말했습니다. "일반적으로 작업자는 시행착오를 거쳐 올바른 이송, 속도, 절삭 폭, 절삭 깊이를 찾습니다. 많은 경우 성능의 벽에 부딪혔다고 생각하지만, 실제로는 훨씬 높은 금속 제거율이 존재하는 직관에 반하는 설정에서 채터 없는 작동을 찾을 수 있습니다. 그 설정은 우리 제품이 시작부터 즉시 정의합니다. 스텝오버, 풀 슬로트 절삭, 코너 가공 여부에 관계없이 말입니다. 근본 기술은 보잉 팬텀 웍스(Boeing Phantom Works), 미국 국방부 등의 조직에 의해 작업의 ROI를 크게 높이는 것으로 입증되었습니다."

배드액스는 다양한 기계 및 어셈블리 조합에 대한 대규모 데이터베이스를 구축 중입니다. 고객의 기계가 데이터베이스에 없으면 일회성 테스트를 통해 설정 역학을 결정할 수 있습니다.
공정 내 센서에서 공구 내 센서로 이동하는 것은 샌드빅 코로만트입니다. 사일런트툴즈 플러스(SilentTools+) 지능형 절삭 공구를 도입했습니다. "사일런트툴즈 플러스는 작업자가 일반적으로 맹목적으로 작업하는 긴 오버행 가공 공정에서 엄청난 통찰력을 제공하는 댐핑 툴링 솔루션입니다." 먼슨은 말했습니다.

"첨단 시설에서 긴 오버행 가공은 공정 전체를 절삭 팁까지 제어하려 하기 때문에 어렵습니다." 그는 말했습니다. "우리는 사일런트 툴 내부에 임베디드 센서를 장착하여 블루투스를 통해 그래픽 인터페이스와 통신함으로써 작업자가 밀폐된 기계 내부와 깊은 보어 내부를 눈과 귀로 볼 수 있게 했습니다. 또한 절삭 팁이 센터에 있는지 빠르게 판단하여 쉽고 빠른 설정을 가능하게 하는 기능도 있습니다."

사일런트툴즈 플러스 시스템을 사용하면 공구 편향, 채터, 절삭 힘, 공구 하중, 온도를 실시간으로 모니터링합니다. "이 모든 영역에 대한 통찰력 덕분에 스크랩 비율이 줄어들고 생산성 향상이 실현되어 실질적인 절감 효과가 있을 것으로 생각합니다." 먼슨은 덧붙였습니다.

정보를 달라!

일부 센서 출력은 정보 제공용이지만, 센서 신호가 처리되어 부품 품질과 공구 상태를 제어하는 데 사용될 때 진정한 가치가 생깁니다. 제조업체는 공구 경로와 가공 시간을 최소화하고, 표면 조도를 개선하며, 기계 수명을 극대화하고, 복잡한 형상, 얇은 벽, 중공 실린더, 가늘고 긴 축과 같은 까다로운 부품을 효율적으로 가공할 수 있습니다.

앤더슨은 "오쿠마 모니터링 시스템은 좋은 첫걸음입니다. 공정별 요구에 맞게 사용자 정의할 수 있는 최대 64가지 입력을 허용합니다. 우리는 모니터링 시스템을 사용하여 기계 가동 중단 시간을 측정하고 OEE[종합 설비 효율] 데이터를 분석하여, 작업자가 다른 곳에 매여 있을 때 기계를 멈추게 하는 사소한 원인을 찾아낸 고객들이 있습니다. 모니터링 시스템을 사용하면 작업자에게 잠재적 문제가 임박했음을 알리고 예방 조치를 취할 수 있습니다."라고 말했습니다.

프라에모의 헨더슨은 제조 성공의 길이 결국 금속 절삭 응용 분야에서 공구들이 생성하는 데이터의 산을 통과한다고 믿습니다. "이 데이터들은 최적화를 위한 귀중한 '원자재'입니다." 그는 말했습니다. "우리의 레이저 소프트웨어에서 데이터를 분석하는 알고리즘은 인간이 스프레드시트로 결코 발견할 수 없는 방대한 데이터 속에서 상호 관계와 패턴을 걸러냅니다. AI와 ML 기술은 작업자와 관리자가 데이터 기반 결론에 매우 빠르게 도달하고 그에 따라 행동할 수 있도록 모델을 개발하는 데 사용됩니다. 지능은 인공적이지만, 제조 세계에서 인간이 문제에 접근하는 방식을 매우 가깝게 모방합니다. 유일한 차이점은 방대한 데이터에 압도되지 않는다는 것입니다. 데이터가 더 오래, 더 많이 수집될수록 레이저는 더 많이 학습합니다."

입증된 능력

오늘날의 시스템은 절삭 공정을 유지하고, 무언가 옳지 않을 때를 예측하여 작업자나 기계에 시정 조치를 알리는 능력을 입증했다고 마포스의 파월은 말했습니다. "단순 알림만 할 것인지, 자동 조치를 취할 것인지는 고객이 결정합니다." 그는 말했습니다. "기술적으로 우리는 자동 제어에 대한 많은 역량을 갖추고 있지만, 일부 경우에는 활용되지 않고 있습니다."

연삭기와 기타 공작기계에서 50년 이상의 경험을 바탕으로 탄생한 마포스의 새로운 시스템 BLÚ는 단일 시스템에서 모든 공작기계 모니터링 및 공정 제어 애플리케이션, 실시간 공구 및 공정 모니터링, 적응 제어, 충돌 완화, 빠른 처리 및 샘플링 시간을 결합합니다. 파월은 "BLÚ는 설정, 수동, 자동 모드 등 모든 모드에서 작업자를 돕기 위해 공작기계와 거의 완벽하게 통합되도록 설계되었습니다."라고 말했습니다.

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

제니스(Zenith) 시스템은 보링 작업을 위한 클로즈드 루프 자동 시스템이라고 리기보어의 바셋은 말했습니다. "전통적인 시스템은 보링 기계에 지속적인 피드백 없이 순수하게 기계적입니다." 그는 말했습니다. "제니스는 기계 제어에 피드백을 제공하여 공구가 원하는 만큼 조정되었는지 확인합니다. 이 위치 센서 피드백은 불량 부품이 가공되는 것을 방지합니다."

이 기술은 우리를 어디까지 데려갈 수 있을까?

"디지털 또는 센서 기반 절삭 공구 솔루션에 반드시 끝이 있다고 보지는 않습니다." 샌드빅 코로만트의 먼슨은 말했습니다. "현대 머신 숍과 제조 시설에서 센서와 절삭 공구 내 IIoT 활용은 향후 5~10년 동안 소비자 제품 애플리케이션의 경로를 따라 더욱 보편화될 것입니다. 우리에게 자연스러운 진화는 사일런트툴즈 플러스를 CNC 기계 제어 시스템에 통합하는 것입니다. 현재는 실시간 공정 뷰를 갖춘 독립형 시스템입니다. 우리는 공작기계 제조사와 CAM 소프트웨어 파트너들과 협력하여 독립형 시스템에서 기계 제어 및 공정 통합으로 이동하고 있습니다."

오쿠마의 앤더슨도 동의했습니다. "기술과, 무엇보다 기술의 구현이 새로운 기술을 낳을 것입니다." 그는 말했습니다. "수년 전 차량의 자동 디밍 룸미러가 우스꽝스럽게 보였습니다. 지금은 그런 거 없는 차는 사지 않을 정도입니다. 마찬가지로 우리 산업에서 새로운 기술이 대체 발전의 새로운 시장을 개발하는 데 도움이 될 것입니다."

마포스의 파월도 끝이 없어야 한다는 데 동의했습니다. "핵심 매개변수와 변수를 모두 모니터링하는 기술은 이미 갖춰져 있다고 생각합니다." 그는 말했습니다. "분명 개선할 영역이 있으며, 우리는 더 빠르고 민감한 센서, 그리고 센서 데이터를 더 빠르고 지능적으로 처리하는 소프트웨어를 개발하기 위해 매일 노력하고 있습니다. 10년 내에 머신 숍을 더 효율적이고 생산적으로 만드는 적어도 하나의 게임 체인저, 기술적 돌파구가 있을 것입니다. 게임이 바뀌면 우리도 바뀔 것입니다."

배드액스의 볼란스키는 자사 제품이 현재 게임 체인저라고 생각합니다. "개발 속도가 빨라지고 있습니다." 그는 말했습니다. "고객들은 5~10년을 기다리지 않습니다. 우리는 효율성을 재정의하고 공작기계가 물리적 한계에서 작동하도록 돕는 제품을 보유하고 있습니다. 다만 우리의 다음 단계는 독자적인 진동 감지 및 데이터 분석을 기계와 그 로직에 임베딩하여 툴링 어셈블리를 방정식에서 제거하는 것입니다." 이렇게 하면 작업자의 시행착오 없이 기계가 가장 고도로 최적화된 상태에서만 작동하게 된다고 그는 덧붙였습니다.

리기보어의 바셋이 말했듯, "우리의 개발 목표 중에는 CNC 제어를 이용한 초경 공구 자동 주문, 작업자 개입 감소, 한 중앙 위치에서의 조정, 다른 공정이 진행 중일 때 솔리드 모델을 CNC 기계에 입력하는 것 등이 있습니다. 오늘날 우리가 직면한 주요 한계는 서로 다른 CNC 공작기계 제조사와 기계 컨트롤러 제조사 간의 비호환성과 표준 부족입니다." 결국 독점적 접근은 성장을 제한하고, 새로운 기능을 쉽게 추가하려는 고객에게 궁극적으로 더 비싸다고 바셋은 결론지었습니다.

프라에모의 헨더슨에 따르면, 일부 사람들은 무인 제조(lights-out manufacturing), 즉 인간의 개입이 없는 상태를 최종 목표로 정의합니다. "개인적으로 무인 제조는 세계 평화 추구와 비슷하다고 생각합니다." 그는 말했습니다. "제조 산업에서 그것은 추구할 만한 매력적인 개념이지만 많은 상황에서 달성 불가능할 것입니다. 공구와 공구 네트워크에 내장된 센서, 데이터를 원활하게 수집·정리·분석하는 소프트웨어, 공장 지능의 원천으로 네트워크화된 공작기계는 우리를 무인 공장에 훨씬 더 가깝게 만듭니다. 이는 기계가 사람을 대체한다는 의미가 아닙니다. 사람들을 덜 지루하고 더 만족스러우며 확실히 더 생산적인 일을 할 수 있게 해줍니다. 이는 CNC의 등장으로 머시닝 센터의 수동 제어가 자동화되었을 때와 유사합니다. 사람들이 더 안전하고 생산적으로 일할 수 있게 되었습니다."