필요에 맞는 올바른 CNC 기계 선택 방법

생각만큼 무섭지 않습니다

제조업의 디지털 아키텍처 대부분과 마찬가지로 컴퓨터 수치 제어 장치(CNC)도 최근 몇 년간 급속히 발전하여 훨씬 더 빠른 처리 속도와 고급 알고리즘을 구현하면서 동시에 더 단순하고 직관적인 사용자 인터페이스를 제공합니다. 그렇다면 다양한 유형의 CNC 중에서 어떻게 선택할까요? 하나만 정해야 할까요? 그리고 완전히 새로운 CNC나 새로운 버전을 어떻게 도입할까요?

처음부터 한 가지 중요한 문제를 짚고 넘어가죠: 생각보다 옵션이 훨씬 더 많을 수 있습니다. 하이덴하인(Heidenhain Corp.) 기계 공작물 사업 개발 이사 기스버트 레드본(Gisbert Ledvon)은 많은 사람들이 기계 데모에서 본 제어나 영업사원이 제시하는 것만 얻을 수 있다고 가정한다고 설명했습니다. 하지만 일반적으로 그렇지 않습니다. 그는 정교한 기계를 만드는 대형 빌더인 DMG 모리(DMG Mori)의 사례를 들었습니다. "DMG 기계를 하이덴하인 제어로 살 수도 있고, 지멘스(Siemens)나 화낙(FANUC)으로 살 수도 있습니다. 메커니즘, 주물, 볼스크류, 서비스 지원 등은 모두 동일합니다." 또는 화낙 아메리카(FANUC America Corp.) CNC 엔지니어링 매니저 폴 웹스터(Paul Webster)의 말처럼: "공작 기계 빌더가 자사 기계에 어떤 제어를 탑재할지 결정합니다. 하지만 최종 사용자가 원하는 것을 지정함으로써 그 결정에 큰 영향을 미칩니다."

사용 편의성 고려 사항

많은 작업장에서 CNC 선택 시 사용 편의성이 가장 중요한 고려 사항입니다. 아마도 숙련 노동력을 충분히 찾기 어려운 과제 때문일 것입니다. "대부분의 경우" 웹스터는 말했습니다. "공장에 이미 있는 것을 원합니다. 70년대, 80년대, 90년대 초로 거슬러 올라가면 화낙이 가장 신뢰할 수 있고 일관된 제어 장치를 가졌습니다." 화낙 제어가 얼마나 사용자 친화적인지에 대해서는 약간의 논쟁이 있지만(곧 다루겠습니다), 확실히 보편적입니다. "화낙의 사용자 인터페이스는 40년 역사 동안 성장했습니다"라고 웹스터는 관찰했습니다. "많은 공장에 여전히 30년 이상 된 화낙 6M, 6T, 10T 제어 장치가 있습니다." 이는 컨베이어 같은 보조 장비용 모션 컨트롤러, 펀치 프레스, 5축 머시닝 센터, 각각 다른 공정을 실행하는 8개의 독립 스핀들을 가진 인덱스 터닝 머신 등 공장에서 CNC가 필요한 거의 모든 것에 적합한 화낙 제어가 있음을 시사합니다. "이들은 서로 다른 유형의 제어 시스템이지만, 모두 비슷하게 작동하고 느껴집니다"라고 웹스터는 설명했습니다. "그래서 공작 기계를 운영하는 사람이 보조 장비로 옮겨가서 문제없이 작동, 트러블슈팅, 유지보수를 할 수 있습니다."

파고 오토메이션(Fagor Automation) 미국 지역 영업 매니저 토드 드레인(Todd Drane)도 다양한 제조 영역에서 제어를 표준화하는 것이 도움이 된다고 생각합니다. 파고도 애플리케이션마다 동일한 사용자 인터페이스를 구현합니다. "파고 오토메이션으로 선반 CNC를 배우면 밀링 CNC도 알 수 있습니다. 메뉴와 프로그램 생성 및 실행 방법이 동일하기 때문입니다"라고 드레인은 말했습니다. "물론 선반에서는 밀링과 다른 캔드 사이클을 호출하지만, 호출하는 방법은 동일합니다. 명백한 이점은 작업장 인력이 더 상호 교환 가능하고 다재다능해진다는 것입니다." 드레인은 파고가 기존 밀링과 선반을 넘어 '연삭, 레이저, 라우터, 워터젯, 범용 모션 제어 애플리케이션' 등 다양한 애플리케이션용 CNC도 개발했다고 덧붙였습니다. "또한 모든 CNC 플랫폼에서 맞춤형 에디터, 화면, 페이지, 루틴을 빠르고 쉽게 만들 수 있어 고객이 요구하는 것은 무엇이든 달성할 수 있습니다."

웹스터와 드레인 모두 사용자 인터페이스, 즉 HMI(휴먼-머신 인터페이스)를 핵심 고려 사항으로 꼽습니다. 하지만 엄밀히 말하면 HMI는 CNC와 별개이며, 경우에 따라 공작 기계 빌더가 자체 맞춤형 HMI를 오버레이하기도 합니다. 빌더는 연삭 같은 특수 애플리케이션에 그렇게 할 가능성이 더 높고, 때로는 더 '일반적인' 인터페이스보다 경쟁 우위를 만들기 위해 그렇게 합니다. (레드본은 하이덴하인 사용자가 예외라고 지적했습니다. "전체 인터페이스, 키보드, 터치스크린 자체가 항상 하이덴하인 기능을 보여줍니다. 자체 사이클 일부를 제외하고는 아무도 그것을 오버레이하지 않습니다.") 이러한 변형과 생성 방식을 탐구하는 것은 이 기사의 범위를 벗어납니다. 대신 주요 CNC 제공업체가 제공하는 것의 차이점에 집중하겠습니다.

광범위하게 말하면, 앞서 언급한 보편적인 화낙 제어는 키보드에서 M&G 코드 프로그래밍을 제공했고 그다지 화려하지 않았습니다. '모든 사람'이 사용법을 알기 때문에 사용하기 쉽다고 말할 수 있습니다. 5축 가공이 나왔을 때 엔지니어가 CAD/CAM 패키지로 가공 프로그램을 만들고 포스트 프로세서를 사용해 기계에서 실행되는 M&G 코드를 생성했습니다. 사용자는 제어 장치에서 5축 작업을 프로그래밍하지 않았고, 일반적으로 여전히 하지 않습니다. 레드본은 세계가 추상적인 언어로 선이나 반지름을 정의하는 접근 방식을 넘어 대화형 프로그래밍으로 이동하고 있다고 말했습니다. "'드릴링 사이클을 실행하고 싶다' 또는 '스카이빙 사이클을 실행하고 싶다'는 식의 더 짧고 명확한 지침입니다. 몇 가지 질문에 답하면 제어 장치가 나머지를 해줍니다. 우리가 지금 있는 곳입니다. 더 상호작용적이고 단순해질 것입니다." 그리고 놀랍게도 기계 상의 프로그래밍은 스마트폰 같은 기능(핀치 투 축소, 터치 앤 스와이프 등)을 갖춘 더 큰 터치스크린을 통해 이루어질 것입니다.

이러한 변화는 현장에 진입하는 젊은 세대 머시니스트에 의해 부분적으로 주도되지만, 레드본은 베테랑 작업자들도 이 기술을 수용한다고 말했습니다. 다만 약간 더 느릴 수 있습니다. "우리의 경험상 3~6개월 후에는 보통 이전 방식으로 돌아가고 싶어 하지 않습니다"라고 그는 말했습니다.

하이덴하인은 오랫동안 대화형 접근 방식을 취해 왔지만, 화낙도 가만히 있지 않았습니다. 2016년 아이에이치엠아이(iHMI)라는 더 친숙한 터치스크린 인터페이스를 도입했고 지난 몇 달 동안 주요 개선 사항을 출시했습니다. 예를 들어 화낙 아메리카 전국 영업 매니저 조디 마이클스(Jody Michaels)는 이전 인터페이스가 키네마틱 캘리브레이션을 너무 어렵게 만들어 화낙 전문가가 필요했다고 말했습니다. 이제 HMI의 아이콘입니다. "빈칸을 채우고 사이클 스타트를 누르기만 하면 됩니다"라고 마이클스는 설명했습니다. "프로브와 스타일러스 직경 설정 같은 것들을 먼저 확실히 해야 하지만, 그게 다입니다."

화낙은 또한 일부 프로빙 루틴을 분리하여 사용자가 기존 메뉴를 거치지 않고 적용할 수 있게 했습니다. 또한 외부 소스에서 공구 데이터(이송, 속도, 코팅 정보 및 기타 공구 설명)를 가져오는 기능도 추가했습니다. 이는 화낙이 거부해 온 일반적인 업계 관행입니다.

마이클스는 또한 화낙의 아이에이치엠아이가 실제 부품 형상을 대화형 프로그램에 직접 가져올 수 있게 한다고 말했습니다. "우리는 그런 가능성을 결코 가진 적이 없습니다. 이제 DXF나 IGES 파일, 솔리드 모델을 가져올 수 있어 제어 장치에서 부품을 그리지 않고도 프로그래밍할 수 있습니다. 이는 우리에게 큰 변화입니다." 레드본은 이 기능이 유럽에서 많이 사용되며, 특히 단순한 부품과 중소 규모 작업장에서 북미에서도 확산되고 있다고 말했습니다. "CAM 임포터를 활용해 DXF나 IGES 파일을 기계에서 바로 가공 가능한 프로그램으로 변환하는 것은 CAD/CAM 담당자에게 돌아가서 줄을 서는 것보다 훨씬 효율적입니다. 그는 5, 6, 7, 8, 10대 기계를 담당해야 하니까요." 레드본은 이것이 이 접근 방식을 수용하는 젊은 작업자에게 권한을 부여하는 방법으로 보고, 이것이 업계 전반의 더 나은 유지에 기여할 것이라고 이론화합니다.

여전히 웹스터는 사용자 인터페이스에 급진적인 변화를 주는 것을 경고했습니다. 자동차의 가속 페달과 브레이크 페달을 바꾸는 것이 재앙이 될 것이라는 비유를 사용했습니다. "우리는 두 방향으로 끌려가고 있습니다. 화낙으로 가득 찬 공장을 가진 사람들은 변화를 원하지 않습니다. 그래서 우리는 모든 것을 비슷하게 유지해야 합니다. 하지만 학교에서 나오는 새로운 작업자들은 스마트폰 같은 것에 익숙하고 터치스크린을 사용하고 단순화하길 원합니다. 아이에이치엠아이는 그런 새로운 스타일의 일부를 허용하지만 기존 인터페이스에서 너무 멀리 벗어나 사람들이 당황하게 만들지는 않습니다." 그는 화낙 CNC를 실행하는 대다수 기계가 기계 공구 세부 사항에 대한 제한된 맞춤화만으로 화낙 HMI를 사용한다고 덧붙였습니다. "유지보수 화면이나 공구 교환기 또는 CNC 자체로 정의되지 않은 기타 부품 같은 기계 공구의 세부 사항에 대해서만 그렇습니다."

파고는 G-코드와 대화형 프로그래밍 시스템을 같은 CNC에 통합했습니다. "온보드 CAD/CAM 시스템, 대화형 에디터, 키보드에서 현장 매뉴얼로 바로 연결되는 도움말 모드와 쉬운 터치가 결합되어 있습니다"라고 드레인은 말했습니다. "프로그래머나 작업자가 이 CNC를 배우고 이해하면, 빠르면 하루도 안 되어 같은 플랫폼 위에 추가적인 새로운 기술 기능을 쌓습니다. 따라서 작업장 작업자는 이미 익숙한 플랫폼에서 새로운 기술 기능만 배우면 됩니다. 편안함 요소가 분명하며 더 많은 새로운 기술이 작업자에 의해 사용되는 것을 봅니다."

정밀도 및 기타 성능 고려 사항

사용 편의성 외에도 가공 정밀도, 속도, 신뢰성 같은 다른 핵심 고려 사항이 있습니다. 하이덴하인과 파고는 전체 모션 제어 시스템을 제공할 수 있는 유일한 제어 장치 빌더로 알려져 있습니다. 레드본은 "드라이브, 스케일, 인코더, 모터, 제어 장치를 모두 우리한테서 받습니다. 서드파티에서 무언가를 사면 미세 정확도와 초정밀 표면 마감에 들어갈 때 항상 무언가가 빠집니다"라고 말했습니다. 그는 하이덴하인의 까다로운 금형 제작 산업에서의 선도적 위치를 이 요인 덕분으로 돌렸고, "99%의 경우" 공작 기계 빌더가 하이덴하인 제어를 선택하면 전체 시스템에 사용한다고 덧붙였습니다. "가끔 모터는 팔지 않습니다"라고 레드본은 말했습니다. "하지만 모든 지멘스 모터에는 하이덴하인 인코더가 있습니다."

웹스터는 모든 화낙 제어가 "나노미터 단위까지 모든 것을 수행합니다. 대부분의 스케일은 나노미터 근처에도 정확하지 않습니다. 해상도 손실은 CNC에 있지 않습니다. 확실히 기계 쪽이지 제어 쪽이 아닙니다. 스케일 제조사들은 그들의 스케일이 기계적 기계보다 훨씬 더 정확하다고 말하는데, 저는 동의합니다. 기계 쪽 사람들은 그들의 기계가 워크홀딩보다 더 정확하다고 말합니다. 워크홀딩 쪽 사람들은 [자사 장치가] 공구보다 더 정확하다고 말합니다. 아래로 내려갑니다. 하지만 CNC는 제한 요소가 전혀 아닙니다. 심지어 가깝지도 않습니다." 그는 화낙이 자체 모터와 인코더를 제작하며, 모터 인코더는 회전당 최대 3,200만 펄스를 가진다고 덧붙였습니다. "볼스크류 한 회전을 3,200만 카운트로 증분시키는 이야기를 할 때, 그건 작업할 수 있는 엄청난 해상도입니다." 답은? 신뢰하는 사용자들과 이야기하고 철저한 데모를 받아보세요!

속도 측면으로 넘어가면, 최고급 CNC 모두 최첨단 CPU와 더 많은 메모리를 사용하여 프로그램을 더 빠르게 처리합니다. 이는 고속 가공 같은 것을 몇 년 전보다 훨씬 더 좋게 만듭니다. 하지만 순수한 처리 능력 향상 외에도, 제어 장치가 효율성을 높이기 위한 다른 영리한 방법을 활용하는지 고려하는 것이 좋습니다. 여기에는 공구 부하에 따라 이송 속도를 자동으로 조정하는 적응 제어(adaptive control)와 자동 서보 튜닝 같은 기능이 포함됩니다.

후자는 종종 CNC 제조사의 전문가에 의존했습니다. 하지만 화낙, 파고 및 기타 CNC는 이제 '모든 드라이브와 모터의 모든 피드백을 확인하고 최적 설정으로 자동 튜닝하는 것'을 더 잘합니다"라고 마이클스는 설명했습니다. 기계 테이블에 비정상적인 무게를 올렸거나 설정을 다른 방식으로 변경한 경우 상당한 개선을 이룰 수 있습니다.

레드본은 하이덴하인이 대화형 메뉴에 기능을 추가하려는 노력을 강조했습니다. "예를 들어 지그 연삭이 이제 제어 장치의 기능 중 하나입니다. 트로코이달 밀링으로 포켓팅을 할 수 있습니다. 보통 CAM 시스템에서 하던 일을 이제 제어 장치에서 바로 할 수 있습니다." 목표는 5축 기계에서 한 번의 셋업으로 더 많은 일을 하는 것입니다. "5축 기계에서 지그 연삭기로 가서 특정 부품의 특정 부분을 연삭할 필요가 없습니다. 이제 5축 기계에서 둘 다 할 수 있습니다. 서로 다른 기술의 다기능성을 하나의 CNC로 관리할 수 있기 때문입니다." 레드본은 또한 하이덴하인 스케일이 장착된 양호하고 안정적인 공작 기계는 "정확도 관점에서 거의 CMM(3차원 측정기)과 같으며, 부품이 기계에서 나오기 전에 적어도 사전 검사를 할 수 있다"고 관찰했습니다. 이는 레드본의 견해에서 공작 기계가 '신경 센터(nerve center)' 역할을 하여 공장에 유용한 풍부한 정보를 제공하는 여러 방법 중 하나입니다.

지멘스 인더스트리(Siemens Industry Inc.) 제품 매니저 티안수 징(Tiansu Jing)은 엣지 컴퓨팅이라는 다른 관점을 제시했습니다. 엣지 컴퓨팅은 대부분의 계산과 처리를 CNC가 아닌 엣지 디바이스에서 수행하면서 기계는 실시간으로 계속 작동하게 합니다. "과거에는 서로 다른 CNC가 서로 다른 애플리케이션과 관련 기능(하드웨어 포함)에 초점을 맞췄고, 제어 공급업체에 따라 개발되었습니다"라고 그는 설명했습니다. "많은 작업장이 이 차이 때문에 특정 제어를 선택했습니다." 엣지 컴퓨팅은 이 경계를 허물고 CNC의 역량을 확장합니다. "엣지 컴퓨팅으로 서로 다른 애플리케이션을 사용하여 절삭 품질과 생산성을 높이는 더 많은 기계 성능을 제공할 수 있습니다." 징은 CNC를 엣지 디바이스, 로컬 서버, 클라우드에 연결함으로써 "클라우드 앱을 통해 다양한 주체가 최종 고객에게 자체 전문 지식을 제공할 가능성이 열린다"고 덧붙였습니다.

관련하여 징은 "원격 서비스가 더 신뢰할 수 있고 저렴해지고 있다"고 말했습니다. 가상 CNC뿐만 아니라 가상 기계 메커니즘을 포함하는 완전한 디지털 트윈 솔루션으로 공작 기계 빌더와 CNC 공급업체는 기계 작업장이 사용하는 것을 복제하고 고객 문제를 트러블슈팅하는 포괄적인 솔루션을 가질 수 있습니다. 이 방법론은 문제로 인한 가동 중단 시간을 크게 줄이고 최종 사용자의 생산성을 높일 수 있습니다. 동시에 이는 기계 빌더의 서비스 비용을 획기적으로 줄일 것입니다.

CNC 전문가들을 미치게 만드는 것들

주요 CNC 제공업체들은 고객들이 이미 비용을 지불한 놀라운 기술을 완전히 활용하지 못하는 경우가 많다는 것을 알게 됩니다. 마이클스에 따르면, 5축 가공에서 역시간(inverse time) 방식을 계속 사용하는 것이 대표적인 예입니다. "우리는 드디어 사람들이 공구 중심점 제어, 공차 제어, 프로그램 내에서 황삭은 빠르게 마무리는 느리게 독립적으로 조절할 수 있는 가공 조건 기능을 사용하게 하고 있습니다. 하지만 수년이 걸렸고 여전히 현대 CAM 소프트웨어에 G93 역시간 코드로 프로그램을 생성해달라고 요청하는 사람들이 있습니다. 반면 새로운 방식은 더 빠른 절삭과 더 나은 마감을 모두 제공합니다."

레드본은 사용자들이 제어 장치의 통합 가공 사이클을 충분히 활용하지 않는다고 말했습니다. 이는 부품을 만드는 데 훨씬 더 효율적일 수 있습니다. 그는 터치스크린에 다른 사이클로 이동하는 오른쪽 화살표 키가 있다는 것을 잊은 고객의 예를 들었습니다. 고객은 프로그램에 드릴링 사이클을 추가하고 싶어서 CAM 소프트웨어로 약 200줄의 코드를 만들었는데, 화살표를 누르고 몇 가지 질문에 답하는 것만으로 드릴링 사이클을 만들 수 있었습니다.

"많은 사람들이 제어 장치가 1년 전이나 3년 전에 다른 기계가 했던 것만 한다고 가정합니다"라고 그는 관찰했습니다. "하지만 그렇지 않습니다. 그래서 우리가 교육을 밀어붙이는 것입니다."

웹스터는 최신 CAM 프로그래밍을 수용하려는 거부감이 생산성 손실의 가장 큰 원인일 것이라고 말했습니다. 때로는 단순히 최신 포스트 프로세서를 사용하지 않는 것일 뿐입니다. "사람들이 모르거나 CAD/CAM 시스템이 지원하지 않아 사용하지 않는 유용한 G-코드 기능들이 있습니다"라고 그는 설명했습니다. "우리는 여전히 많은 사람들이 CAD/CAM 시스템에서 직선 G-1로 프로그램을 포스트하는 것을 봅니다. [그들은] 매우 작은 선분 선형 이동만 만듭니다. 심지어 많은 새로운 프로그래밍 기술과 기능이 있는데도 말입니다. 많은 CAM 시스템과 포스트 프로세서가 현장의 CNC만큼 최신이 아니지만, CAD/CAM은 오늘날 매우 저렴하고 사용하기 훨씬 쉽습니다." 때로는 이미 한 투자를 완전히 활용하는 것이 최고의 투자입니다.

그러면 무엇을 사야 할까?

CNC를 선택할 때 비즈니스 모델을 진지하게 살펴보라고 레드본은 조언했습니다. "대부분 숙련되지 않은 작업자로 대량 로트 사이즈의 생산 작업을 주로 한다면, 확실히 제어를 표준화하세요. 하지만 그게 더 이상 돈을 버는 방법은 아니라고 생각합니다. 새로운 시장 부문으로 성장하거나 더 작은 로트 사이즈로 더 높은 마진의 비즈니스를 얻으려면 셋업에 유연성이 필요합니다." 이는 다기능 기계와 회사가 추구하기로 결정한 애플리케이션에 가장 적합한 제어 장치를 의미합니다. "계속해서 길 건너 작업장과 같은 제어를 산다면, 경쟁하는 유일한 방법은 가격뿐입니다. 자신을 차별화하는 방법을 찾아야 하며, 그게 한 가지 방법입니다."