시뮬레이션 소프트웨어: 더 안전하고 빠른 CNC 작업을 위한 시각적 검증

레드 버튼 누르기 지치셨나요? 시뮬레이션 소프트웨어가 더 안전하고 짧은 머신 셋업의 열쇠입니다.

완벽한 CNC 세계에서는 첫 번째 부품이 항상 양품입니다. 여분의 블랭크나 봉재가 필요 없습니다. 셋업 시간은 몇 개 공구 교체와 새 프로그램 로드에 필요한 만큼만 걸립니다. 충돌도 없고, 비효율적인 코드 조각을 재프로그래밍할 필요도 없습니다. 오퍼레이터는 그냥 그린 버튼을 누르고 몇 분 또는 몇 시간 뒤 완성된 공작물이 나옵니다.

이 세상을 가능하게 하는 마법의 기술은 무엇일까요? 시뮬레이션 소프트웨어라고 불리며, 위와 같은 제조 니르바나 상태에 도달한 숍은 매우 적지만, 그 방향으로 나아가는 중요한 움직임입니다.

프로그래머들에게 툴 홀더, 스핀들, 터렛, 끊임없이 변하는 공작물, 그 안팎을 움직이는 절삭 공구 등 가공 공정의 모든 것을 시뮬레이션할 능력을 줌으로써 소프트웨어 개발자들은 가상 세계를 그린 버튼이 눌렸을 때 발생할 모든 것을 예측하는 고도로 정확한 예측자로 만들고 있습니다. 결론은 명확합니다. 귀사 숍이 NC 프로그램을 검증하기 위해 툴패스 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하지 않는다면, 귀중한 생산 시간을 낭비할 뿐만 아니라 비싼 공작 기계와 안전 기록도 위험에 빠뜨리는 것입니다.

보험 들기

하지만 우리 CAM 소프트웨어에도 이미 시뮬레이션 기능이 있지 않냐고 생각하실 겁니다. 현재 시스템으로 일을 할 수 있는데 왜 추가 투자를 해야 할까요? 마스터캠 CAD/CAM 개발사 CNC 소프트웨어(CNC Software Inc., 톨랜드, CT)의 선임 시장 애널리스트 벤 문드(Ben Mund)에 따르면, 그렇게 해야 할 아주 좋은 이유들이 있을 수 있습니다.

"대부분의 CAM 시스템은 오늘날 대부분의 가공 애플리케이션에 완벽히 수용 가능한 수준의 툴패스 시뮬레이션을 제공합니다."라고 그는 말했습니다. "이와 전용 시뮬레이션 소프트웨어의 차이점은 CAM 패키지가 일반적으로 공작 기계에서 사용되는 실제 후처리된 G-코드를 읽지 않는다는 점입니다. 이 때문에 독립형 툴패스 시뮬레이션은 극도로 고가치 작업과 복잡한 가공 애플리케이션에 추가적인 보안 계층을 제공합니다. 보험을 드는 것과 같습니다."

제조 분야의 다른 모든 것과 마찬가지로 CAM 소프트웨어도 점점 더 능숙해지고 있으며, 그건 가공 공정의 더 많은 부분을 시뮬레이션하는 능력도 포함합니다. 과거에는 절삭 공구와 공작물의 조잡한 와이어프레임 모델이 표준이었지만, 마스터캠 등을 이제는 워크홀딩, 툴 홀더, 심지어 CNC 기계 자체까지 포함한 전체 가공 환경의 놀랍도록 사실적인 표현을 제공합니다.

문드는 이 발전을 CAD와 CAM의 점진적 수렴에 비유합니다. 과거엔 완전히 별개 제품이었지만, 오늘날 CAM은 매우 CAD처럼 변하고 있고 그 반대도 마찬가지입니다.

"많은 숍들이 더 이상 독립형 CAD 시스템을 필요로 하지 않습니다. CAM 패키지가 그들이 필요한 모든 걸 하기 때문입니다."라고 그는 말했습니다. "기계 및 툴패스 시뮬레이션 소프트웨어도 매우 비슷한 상황입니다. CAM이 같은 깊이의 검증을 제공하지 않을 수 있지만, 다시 말하지만 그 추가 보안 레벨을 원하지 않는 한 일을 해냅니다. 그리고 끊임없이 진화하고 있습니다."

파워링 쓰루

오토데스크(Autodesk Inc., 샌 라파엘, CA)의 파워밀 제품 매니저 크레이그 체스터(Craig Chester)는 문드의 평가에 동의합니다. "우리 고객 중 아주 적은 비율만 전용 시뮬레이션 패키지를 사용합니다. 그들은 CAM 시뮬레이션의 신뢰성에 자신이 있기 때문입니다."라고 그는 말했습니다.

독립형 패키지에 투자하는 소수의 고객들은 일반적으로 여러 CAM 솔루션을, 아마도 다른 공급업체들로부터 사용하며, 단일 전용 솔루션이 일관된 결과를 제공하기 때문이라고 체스터는 설명했습니다. 이들은 일반적으로 항공우주나 방산 기업 같은 대형 고객들로, 밀턴 선반, 5축 머시닝 센터, EDM 장비 등에 서로 다른 CAM 패키지를 사용하는 경향이 있습니다.

아이러니하게도 독립형 시뮬레이션 소프트웨어의 최대 장점인 기계 G-코드 읽기 능력이 아킬레스건이 될 수도 있습니다.

"CAM 프로그램 외부에서 시뮬레이션하면 부품이 프로그래밍된 후에야 문제를 발견합니다."라고 체스터는 지적했습니다. "오류가 가공 공정 초기에 있다면 이후 많은 툴패스들을 재프로그래밍해야 합니다. 하지만 CAM 프로그램에서 모든 걸 시뮬레이션하면 이런 불필요하고 비용이 드는 재계산을 피할 수 있습니다."

하지만 그렇게 빠르진 않습니다. 오토데스크 CAM 및 하이브리드 제조 그룹의 제품 관리 디렉터 톰 맥컬로(Tom McCollough)는 내장 시뮬레이션이 프로그래머들에게 툴패스 변경 효과를 빠르게 파악하게 해준다고 동의하지만, 이게 많은 회사들에게 만능 해결책은 아니라고 덧붙였습니다.

"매주 황삭과 반마무리로 아주 큰 자동차 툴을 가공했는데, 최종 단계에서 스톡과 충돌해 부품과 스핀들이 모두 손상되는 상황을 상상해 보세요."라고 그는 말했습니다. "이는 해당 작업뿐만 아니라 대기열에 있는 다른 작업들(다른 고객들 것)에도 악영향을 미칠 수 있습니다. 잠재적 영향이 엄청나기 때문에 고부가가치 부품 제조사들은 독립된 소프트웨어에서 '세컨드 오피니언(second opinion)'을 얻으려 합니다."

지멘스의 NX CAM에서 G-코드 구동 시뮬레이션은 공작 기계를 구동하는 같은 NC 프로그램을 사용합니다. 고정밀 시뮬레이션으로 기업들이 실패를 제거하고 부품 품질을 개선하며 기계 가동률을 높일 수 있다고 지멘스는 말합니다.

솔리드하게 하기

다쏘 시스템즈(Dassault Systèmes, 월섬, MA)의 델미아(DELMIA) 역할 매니저 장-마르크 코작(Jean-Marc Cauzac)도 유사한 권장을 합니다. 이 기사 인터뷰에 응한 다른 소프트웨어 공급업체들처럼 다쏘 시스템즈의 CAM 제품들도 정확하고 사실적인 시뮬레이션 역량을 제공하며, 클램핑 장치, 척, 죠, 인덱싱 헤드를 포함한 공작 기계의 완전한 3D 표현을 제공합니다.

코작은 이게 대다수 부품 제조사들에게 충분하다고 말합니다. 대부분의 충돌 문제는 머신 코드 생성 훨씬 전에 (그리고 그래야만) 제거될 수 있기 때문입니다. "통합 시스템은 프로그램 정의 초기에 모든 접근성과 도달 가능성 문제를 체크할 수 있게 합니다. 급속 이송이 자재 안으로 들어가거나 과도하게 공격적인 절삭 파라미터, 방금 나열한 요소들 간 가능한 충돌 같은 툴패스 오류도 포함됩니다."

하지만 코작은 통합 CAM 시뮬레이션이 어떤 면에서는 제한적이라고 지적했습니다. 일부 고객들은 툴패스를 만드는 소프트웨어에서 나온 시뮬레이션을 믿지 않으려 합니다. 소프트웨어 벤더가 심판이자 선수일 수 없다고 우려하기 때문입니다.

고객이 시설에서 여러 CAM 솔루션을 사용하는 경우, 정확한 CAM 소프트웨어 인터페이스를 가진 단일 외부 시뮬레이션 프로그램이 동질적 검증을 제공하므로 선호됩니다.

전용 시뮬레이션 소프트웨어는 CAM 기반 시뮬레이션보다 더 포괄적인 경향이 있습니다. CAM 기반 시뮬레이션은 툴패스 지향적이며 대부분의 제어장치에서 사용되는 캔드 사이클(canned cycle)과 서브루틴을 고려하지 않는 경향이 있습니다.

외부 시뮬레이션 소프트웨어 찬성 논쟁에도 불구하고, 코작은 통합 시스템이 더 빠르고 오류에 덜 취약하다고 제안했습니다. "시뮬레이션에 사용된 모든 3D 요소가 같은 소스를 가지므로 완벽한 디지털 연속성을 제공합니다. 두 시스템 간 데이터 전송이 필요 없어 추가 노력과 정보 손실 가능성을 없앱니다."

포스(Force) 활용

마스터캠의 벤 문드가 앞서 언급했듯, 기계 컨트롤러가 사용하는 코드를 읽는 게 독립형과 통합 시뮬레이션 소프트웨어의 핵심 차별화 요소일 수 있습니다. 이 주제에 대해 할 말이 많은 사람은 CGTech Inc.(어바인, CA)의 VERICUT 툴패스 시뮬레이션 및 검증 소프트웨어 제품 매니저 진 그라나타(Gene Granata)입니다.

"어떤 사람들은 제3자 시뮬레이션 가치를 불필요하거나 오버킬이라고 주장하며 폄하하려 합니다."라고 그는 말했습니다. "하지만 공작 기계와 가공 공정의 디지털 트윈을 달성하려면 5축 보상, 공구 길이와 픽스처 오프셋, 매크로와 서브루틴, 포지셔닝 모드에서 절삭 공구가 실제로 어떻게 움직이는지 같은 요소들을 포함해야 합니다. CAM 시스템의 내부 지침으로 시뮬레이션을 구축할 때는 이런 요소들이 고려되지 않습니다."

기계 공장들이 이 수준의 시뮬레이션 정확도를 필요로 하는지에 대한 논쟁이 이어지는 동안, 그라나타는 그들이 필요로 하는 무언가를 재빨리 지적합니다: 최적화. "거긴 개먹개 세상이고, 비즈니스 유지는 종종 면도날 같은 얇은 이익 마진에 기반합니다. 그 끝에 툴패스 최적화에 거대한 초점이 있습니다."

그라나타에게 최적화는 효과적인 포켓 클리어링과 일정한 칩 로드에 초점 맞춘 CAM 전용 루틴에 관한 게 아닙니다. 그런 것들도 가공 방정식의 필요 부분임을 인정하지만. 더 중요한 건, 공작 기계가 공작물 재료와 사용 중인 절삭 공구를 고려해 할 수 있는 것에 기반해 툴패스를 최적화하는 방법을 찾는 것입니다.

여기가 포스(Force)가 나서는 곳입니다. VERICUT 스위트 내 소프트웨어 모듈로, 툴패스 시뮬레이션과 CAM 소프트웨어를 박스에 찍힌 로고와 상관없이 보완합니다.

"이는 완전히 새로운 차원의 인더스트리 4.0 프로그래밍 지능을 나타내며, CGTech뿐만 아니라 다른 소프트웨어 개발자들도 이 능력의 표면만 긁고 있습니다."라고 그는 말했습니다. "모든 절삭 공구 제조사들은 자기 공구들을 더 세게 밀어붙일 수 있다고 말할 것이고, 최적화가 그걸 달성하는 최선의 방법입니다."

G-코드 읽기

독립형과 통합 시뮬레이션 사이의 울타리를 넘나드는 건 지멘스 PLM 소프트웨어(Siemens PLM Software Inc., 플라노, TX)입니다. CGTech의 초기 파트너 중 하나였고 지금도 그 역할을 계속합니다. 하지만 지멘스의 선임 디렉터 빈스 파라다이스(Vynce Paradise)가 설명했듯, 회사는 NX CAM 소프트웨어의 필수적인 부분인 자체 시뮬레이션 스핀을 개발하기로 결정했습니다.

"많은 좋은 CAM 시스템들이 있고 모두 어느 수준의 툴패스 시뮬레이션을 제공하지만, 여러 레벨이 있음을 인식하는 게 중요합니다."라고 그는 말했습니다. "스톡 모델, 절삭 공구, 아마 툴 홀더가 서로 상대적으로 움직이는 기본 시뮬레이션이 있습니다. 우리는 그걸 툴패스 검증이라 부르며, 유용하지만 단지 시작점일 뿐입니다."

한 단계 더 나아가면 진정한 기계 시뮬레이션, 즉 CGTech의 그라나타가 언급했고 지멘스 누구에게나 친숙한 '디지털 트윈'이 있습니다. "이게 우리가 오늘 집중하는 것입니다."라고 파라다이스는 지적했습니다. "방금 설명한 기초를 넘어 각자 고유한 운동학과 상대적 움직임을 가진 가공 셋업의 모든 측면을 포함합니다. 많은 CAM 시스템들이 오늘 이걸 보여주지만, 우리게 다른 건 NC 코드를 실시간으로 포스팅해 NX CAM에서 시뮬레이션에 사용한다는 점입니다. '두 세계의 장점(best of both worlds)' 솔루션을 제공합니다."

파라다이스는 다음 비유를 제시했습니다: 항공기 조종사가 되고 싶다면, 일반 비행 시뮬레이션 소프트웨어를 쓰는 비행 시뮬레이터에서 배우고 싶으신가요, 아니면 실제 비행기의 제어 환경을 더 가깝게 복제하는 시뮬레이터에서 배우고 싶으신가요? "실제 G-코드를 사용하는 CAM 통합 시뮬레이션은 후자와 매우 유사하며, 가공 공정 동안 무슨 일이 일어날지 복제하는 가장 완전한 방법으로 남습니다."

스프링 포워드

올해 기술 솔루션 공급업체 헥사곤(Hexagon)에 인수된 스프링 테크놀로지스(Spring Technologies Inc., 보스턴)는 또 다른 CNC 기계 시뮬레이션 및 검증 소프트웨어 개발사입니다. 제너럴 매니저 실베르 프루아시(Silvère Proisy)는 툴패스 최적화와 G-코드 검증의 장점에 동의하지만, 이 소프트웨어 시스템들을 시험해보는 이들을 위한 몇 가지 추가 고려사항을 덧붙였습니다.

첫째, 시뮬레이션은 고도로 복잡한 공작 기계나 비싼 부품을 가진 숍들만의 것이 아닙니다. "물론 우리 주 고객은 멀티 채널 선반과 5축 머시닝 센터를 가진 곳들이지만, 기본 2축, 3축 기계를 가진 숍들 중 NC 프로그램을 최적화하려는 곳들이 늘고 있습니다."라고 프루아시는 말했습니다. "아무도 자본 장비 충돌을 감당할 수 없지만, 불행한 사건이 발생했을 때 가장 큰 영향을 받는 건 소규모 숍들입니다. 우리 NCSIMUL 소프트웨어가 그 리스크를 제거합니다."

CGTech의 VERICUT 툴패스 시뮬레이션 및 검증 소프트웨어의 툴패스 최적화는 예상 절삭 힘을 기반으로 하며 공구 수명 개선과 채터를 유발하는 진동 제거를 돕습니다.

툴패스 시뮬레이션으로 프로그래머들은 공구가 어디에 있었고 다음에 어디로 갈지 항상 알 수 있습니다. 마스터캠 모듈에서처럼요.

독립형 시뮬레이션 소프트웨어 사용이 시간 소모적이고 오류 발생하기 쉽다고 비판하는 이들에게, 프루아시는 사용자들이 자동화를 툴패스 시뮬레이션의 다음 단계로 봐야 한다고 말했습니다. 숍 플로어 네트워크에 연결된 서버에 NCSIMUL을 설치하면 툴패스 파일을 '블랙 박스'로 보내 자동 검증할 수 있습니다. 문제가 없으면 G-코드가 실행 가능하다는 이메일 리포트 읽는 것만이 유일한 노력입니다. 이건 자동화 길의 첫걸음일 뿐입니다.

프루아시에 따르면, 자사 소프트웨어는 현재 버튼 하나로 다른 공작 기계용으로 NC 프로그램을 재처리할 수 있습니다. 앞으로는 작업이 할당된 기계에 기반해 그 단계를 자동으로 처리하는 유연하지만 스마트한 인터페이스를 구상합니다.

"세 번째 포인트는 연결성입니다."라고 그는 말했습니다. "헥사곤과의 파트너십 덕분에 공작 기계 센서들에서 데이터를 끌어와 프로그램을 실시간으로 업데이트하는 데 그 값들을 사용할 수 있게 될 것으로 기대합니다. 공구 길이 오프셋이나 픽스처 위치일 수도 있고, 스핀들 부하와 진동 피드백일 수도 있습니다. 아직 인더스트리 4.0까지 가진 않았지만, 확실히 다가오고 있습니다."

심 퍼즐 완성하기

캠플리트 솔루션즈(CAMplete Solutions Inc., 키치너, ON)의 영업 및 마케팅 부사장 제프 프리치(Jeff Fritsch)도 인더스트리 4.0과 IIoT(산업용 사물인터넷)에 주목하고 있습니다. 동사의 트루패스(TruePath) 소프트웨어는 "통합 3D 환경에서 5축 툴패스 분석, 수정, 최적화, 시뮬레이션에 필요한 모든 것을 제공합니다." 라이트(Lite)와 턴밀(TurnMill) 제품은 각각 3축 밀과 라이브 툴 선반에 유사한 기능을 제공합니다.

인더스트리 4.0 기능 면에서, 캠플리트의 지능형 보호 시스템(IPS)이 제조 커뮤니티가 향하는 방향을 가장 명확히 보여줍니다. 기계 제조사 마츠우라(Matsuura)와 파트너십으로 개발된 IPS는 트루패스의 시뮬레이션 역량을 활용해 공정 중 기계 데이터를 기반으로 지능형 룩어헤드(look-ahead)를 제공합니다. 결과적으로 수동 운전 모드에서도 사실상 충돌 방지 기계 환경을 만든다고 프리치는 말했습니다.

"다른 시뮬레이션 시스템들처럼 트루패스도 G-코드를 읽고 기계에서 안전하게 실행될지 검증합니다."라고 그는 말했습니다. "하지만 결국 오퍼레이터가 적절한 공구를 스핀들에 장착했고 부품이 있어야 할 위치에 있는지 확신할 수는 없습니다."

IPS는 이 잠재적 문제를 제거하기 위해 트루패스와 연동합니다. CAM 시스템의 다양한 값들에 의존하는 대신, 기계 컨트롤러로 직접 고속 광섬유 연결이 있습니다. 오프셋이나 매크로 값들에 대해 가정할 필요 없이 실시간으로 읽히며, 기계는 문제 위치 전에 안전하게 정지합니다.

아직 다른 기계 브랜드용으로는 제공되지 않지만, IPS도 오고 있습니다. 부품을 측정하고 적절한 오프셋을 만들고, 공차 외 조건을 교정하기 위해 프로그램의 필요한 부분을 자동으로 재실행하는 지능형 기계 프로빙(probing)도 오고 있습니다.

"이건 인간 오퍼레이터가 하는 일과 다를 바 없지만, 소프트웨어로 하는 것입니다."라고 프리치는 말했습니다. "지금 이 로직을 구축 중이라 기계가 자동 피드백에 의존해 결정을 내리게 되고, 궁극적으로 부품 품질을 개선하면서 사이클 타임과 운영 비용을 줄일 수 있습니다. 숍들은 좋은 부품 하나 만들려고 두세 개 가공하거나 부품을 기계에서 꺼내 측정하는 데 시간 낭비하지 않아야 합니다. 첫 부품, 양품, 모든 인간 개입 없이. 그게 우리 목표입니다."