CNC 효율성 극대화: 커넥티드 제어 수용하기

인터넷과 클라우드 컴퓨팅이 CNC 공작기계 운용 방식을 바꾼다. 당신의 숍은 준비됐는가?

이더넷 포트가 CNC 선반과 머시닝 센터에 처음 등장한 지 20년 이상 지났습니다. MTConnect 공작기계 통신 표준이 2010년 시카고 IMTS에서 미국 공식 데뷔했습니다. 제조사들은 그 직후 클라우드 컴퓨팅과 산업용 사물인터넷(IIoT)에 대해 이야기하기 시작했고, 독일 경제학자 클라우스 슈밥이 2015년 세계가 제4차 산업혁명에 진입했다고 발표한 논문을 내면서 이 용어들이 주류가 됐습니다.

2021년을 맞이했습니다. 이제 머신샵 오너, CNC 프로그래머, 제조 엔지니어라면 지난 20년간 가공 산업이 크게 변했음이 자명해야 합니다. CNC 공작기계는 과거보다 훨씬 똑똑해져 유리문 뒤에서 벌어지는 모든 일에 대한 방대한 데이터를 생성합니다. 제조 소프트웨어도 세기 전환기에만 꿈꿨던 상호운용성과 클라우드 기반 기능을 제공하며 더 똑똑해졌습니다.

이 모든 기술적 마법이 좋은지 나쁜지는 논쟁의 여지가 있습니다. 어떤 이들은 현장 생활이 이미 충분히 힘든데 빅데이터와 스마트 기계까지 필요하냐고 주장합니다. 하루에 부품을 출하하기도 버거운데 말이죠. 다른 이들은 인더스트리 4.0과 그 모든 것이 제조사의 명확한 전진 경로이며, 이를 수용하지 않는 자는 곧 도태될 것이라고 봅니다.

FOCAS 확보

진실은 그 중간에 있습니다. 화낙 아메리카 F.A. 엔지니어링 이사 폴 웹스터는 로체스터 힐스 미시간 본사에서 CNC 공작기계가 Y2K 이전부터 네트워크 및 인터넷 준비가 돼 있었다고 지적합니다. 이 기능을 무시하는 숍들도 여전히 잘 돌아가고, 향후 수년간 그럴 것입니다. 하지만 공작기계 연결성과 그에 따른 가공 공정 가시성 확대가 결코 나쁘지 않으며, 수익성 있는 작업과 잊고 싶은 작업의 차이를 만들 수 있다는 점에 이견을 달 사람은 드물 것입니다.

"우리는 90년대 초 FOCAS API(애플리케이션 프로그래밍 인터페이스)와 광섬유, 이더넷 포트를 도입해 CNC 연결이 꽤 오래전부터 쉬웠습니다."라고 그는 말했습니다. "어려운 부분은 항상 어떤 데이터가 필요하고, 데이터를 얻으면 어떻게 활용할지 파악하는 것이었습니다."

이 데이터에는 알람 이력, 이송 속도 및 스핀들 오버라이드 설정, 서보 모터 및 스핀들 온도, 전력 소비, 매크로 변수 등이 포함되며, 이 모든 것을 공작기계에서 지속적이고 자동으로 가져올 수 있습니다. 여기에 작업 번호, 생산 상태, 절삭 공구 소모량, 부품 품질 정보 등 작업자 입력 데이터를 더하면, 이 데이터를 모으는 모니터링 소프트웨어 대시보드를 한눈에 보는 것만으로 현장 활동의 완전한 그림을 얻는 게 어렵지 않습니다.

화낙의 경우 MT-LINKi라는 브랜드 불가지론적 분석 플랫폼으로 1,000대 이상의 CNC 공작기계를 동시에 모니터링할 수 있으며, 생산 모니터링 프로그램인 FASData도 제공합니다. 다른 컨트롤 빌더와 머신 툴 빌더, 절삭 공구 공급업체, 서드파티 소프트웨어 개발자들도 유사한 솔루션을 제공합니다. 모두 인정컨대 산더미 같은 데이터를 수집해 인간에게 의미 있게 제시함으로써, 트렌드와 잠재적 문제를 생산 수준에 부정적 영향을 미치기 훨씬 전에 포착해 대응할 수 있게 합니다.

클라우드 딜레마

그러면 이 데이터를 저장하고 분석 소프트웨어를 둘 최적의 장소는 어디인가? 전용 하드웨어와 소프트웨어 전문가가 관리하는 오프사이트 호스팅 시설의 클라우드에 둘 다 두는 게 나을까? 아니면 숍이 보유한 내부 IT 인재를 활용한 '온프레미스' 설치가 더 적절할까?

웹스터와 이 기사 인터뷰에 응한 다른 이들은 전자가 종종 더 안전하고 비용 효율적이지만, 많은 숍이 파트 프로그램과 생산 데이터가 시설을 떠나는 것을 꺼린다고 대체로 동의했습니다. 샤움버그 일리노이 소재 하이덴하인(Heidenhain Corp.) 공작기계 비즈니스 개발 이사 기스베르트 레드본도 마찬가지입니다. 그는 고객이 자사 스테이트모니터(StateMonitor) 소프트웨어를 원하는 곳에 설치할 수 있지만, 가능하면 온사이트 설치를 권장한다고 말했습니다.

"우리의 철학은 고객이 지적 재산을 보호해야 하며, 우리에게 그것은 공작기계와 소프트웨어 시스템을 적절히 보안된 사내 네트워크에 연결하는 것을 의미합니다."라고 그는 말했습니다. "숍이 해킹당해 몸값을 지불하게 된 사례가 많습니다. 보통 이메일을 통해 이뤄지며 공작기계 컨트롤을 통한 것은 아니지만, 여전히 우려됩니다. 이 때문에 NTMA(전미 툴링 및 머시닝 협회)가 제조사들이 이런 사이버 범죄로부터 스스로를 보호하는 방법을 보여주는 세미나를 제공하기 시작했습니다."

그럼에도 레드본은 클라우드가 점점 더 힘을 얻을 기술 트렌드임을 인정합니다. 관련 위험을 완화하려면 좋은 IT 하우스키핑 관행이 필요합니다. 숍 네트워크와 외부 세계 사이에 견고한 방화벽을 설치하세요. 외부 파일, 소프트웨어 프로그램, 패치를 안전한 내부 서버에 다운로드한 후 백신 검사를 거쳐 배포함으로써 직접적인 CNC-클라우드 연결을 피하세요. 모든 컴퓨터 사용자에게 비밀번호 관리, 악성 이메일과 웹사이트 식별, 기업 정보 보호법을 교육하세요. 리스트는 계속됩니다.

"컨트롤은 모든 공작기계의 신경 중추이므로, 인터넷 노출 위험을 감수하면서까지 클라우드 접근의 편의성을 취할 가치가 있다고 생각하지 않습니다."라고 레드본은 말했습니다. "하지만 이 어떤 것도 제조사가 인더스트리 4.0 전략을 구현하는 것을 막지는 않습니다. 공작기계를 네트워킹하고 분석용 데이터 수집을 시작하세요. 그러면 기계를 더 빠르게 설정하고, 사이클 타임을 줄이고, 공구 수명을 극대화하며, 오늘날의 CNC 컨트롤과 소프트웨어 시스템이 제공하는 모든 이점을 얻을 수 있는 정보를 얻게 됩니다."

네이티브 탤런트: 디지털 트윈

인더스트리 4.0의 또 다른 요소는 디지털 트윈으로, 여기서는 CNC 공작기계의 가상이지만 매우 정확하고 포괄적인 표현을 의미합니다. 지멘스 인더스트리(Siemens Industry Inc.) 엘크 그로브 빌리지 일리노이 공작기계 디지털화 책임자 비벡 푸르타도에 따르면 디지털 트윈은 CNC 기계 설계 및 배포를 간소화해 궁극적으로 제조사의 효율성을 높여줍니다.

"우리의 시누메릭 원(SINUMERIK One) 컨트롤러는 디지털 네이티브로, 처음부터 디지털 트윈과 기타 지원 기술을 지원하도록 구축됐습니다."라고 그는 말했습니다. "CNC 공작기계 제조사에게 선반이나 머시닝 센터의 모든 운동학과 작동 특성을 담은 가상 버전을 만들 능력을 줍니다. 이는 엔지니어링 시간과 개발 비용을 크게 줄이고, 최종 사용자 니즈를 충족할 제품을 보장합니다."

디지털 트윈 지원 컨트롤러는 다른 목적도 가집니다. 신입 직원 교육을 가속화하고 고가 공작기계 충돌 위험을 줄입니다. 견적 담당자가 작업을 더 정확하게 견적내고, 엔지니어가 최적 제조 공정을 개발하며, CNC 프로그래머가 G코드와 절삭 공구 선택을 현장 투입 전 검증할 수 있게 합니다. 현장에서는 향상된 그래픽과 사용성으로 공작기계 조작을 더 쉽게 만듭니다.

하이엔드 CAM 시스템이나 PLM 소프트웨어를 가진 사람은 이것들 없이도 대부분 가능하다고 말할 수 있습니다. 이들과 다른 소프트웨어 플랫폼의 역량이 최근 몇 년간 극적으로 증가한 건 사실이지만, 디지털 스레드에 참여하는 공작기계는 데이터 교환을 강화하고 상호운용성의 루프를 닫는 중요한 도구를 머신샵에 제공합니다.

적응하고 극복하라

디지털 트윈 외에도 푸르타도는 CNC 컨트롤러가 스마트폰 사용자에게 친숙한 기능과 특징으로 훨씬 더 지능적이고 사용자 친화적으로 변하고 있다고 제안했습니다. "우리 대부분은 한때 전화를 걸기만 했던 시절을 기억합니다."라고 그는 말했습니다. "오늘날 전화기는 건강 모니터링, 정보 검색, 제품 주문 등이 가능합니다. 최신 세대 컨트롤러도 유사한 기능을 제공합니다. 정보를 처리하고 데이터를 준비해 인간 작업자나 다른 시스템이 더 효과적으로 활용할 수 있게 합니다."

이 지능은 가공 공정에도 확장됩니다. 지멘스, 화낙, 캐론 엔지니어링(Caron Engineering) 같은 서드파티 솔루션 제공업체는 스핀들과 축 하중, 기계 진동 등 절삭 공구 수명과 부품 품질에 영향을 주는 요소를 지속적으로 모니터링하는 적응 제어 기능을 제공합니다. 이러한 스마트 시스템은 가공 파라미터를 실시간으로 조정해 소재 제거를 최적화하고 잠재적 문제를 제거합니다.

파고르 오토메이션(Fagor Automation Corp.) 엘크 그로브 빌리지 일리노이도 인더스트리 4.0을 겨냥한 컨트롤 제공업체입니다. 파고르 북미 총괄 매니저 하쉬 비브라는 자사 ARFS(적응 실시간 이송 및 속도) 컨트롤이 이 모든 것을 수행할 뿐 아니라, 이러한 센서 기반 기술이 예지 보전에도 사용될 수 있다고 설명했습니다.

"우리는 i4.0 커넥티비티 팩도 제공합니다."라고 그는 말했습니다. "이를 통해 사용자는 가공 데이터를 수집할 수 있을 뿐 아니라 조건 기반 알림 전송, 공작기계 튜닝, 펌웨어 업데이트, 파라미터 설정 변경 등을 모바일 기기나 원격 컴퓨터에서 모두 수행할 수 있습니다."

최대 병목: 숙련 인력 부족

비브라는 큰 변화를 예고합니다. 공작기계에 IIoT 지원 센서와 가속도계 사용 증가, 더 지능적인 컨트롤러 외에도 공장 자체가 더 스마트해질 것입니다. 앞서 언급한 적응 능력을 훨씬 뛰어넘는 인공지능(AI)이 보편화돼 광범위한 무인 제조에 필요한 자동화된 의사결정의 문이 열릴 것입니다.

이 모든 것은 5G 셀룰러 네트워크 개발과 보급으로 말 그대로 속도를 낼 것입니다. 비브라에 따르면 5G는 인터넷 대역폭 증가와 지연 시간 감소뿐 아니라 앞서 언급한 해킹 우려도 완화할 수 있습니다. "미래 컨트롤러에는 5G가 탑재돼 생성된 데이터를 소위 에지 디바이스로 초당 최대 10기가비트(Gbit/s) 속도로 무선 전송할 수 있습니다."라고 그는 말했습니다. "몇 년 내 이 기술이 제조사들이 현장 정보를 수집하는 방식을 근본적으로 변화시킬 것으로 기대합니다."

인더스트리 4.0의 단점은 첨단 기술을 이해하고 다룰 숙련 인력 부족입니다. 비브라는 제조사가 더 기술에 정통해짐에 따라 재교육이 필요하다고 말했습니다. 하지만 직원 이직과 은퇴로 인한 노하우 손실과 경험 상실 우려는 옛날얘기가 될 것입니다.

앱 스토어 방문

오쿠마 아메리카(Okuma America Corp.) 샬럿 노스캐롤라이나 엔지니어링 및 기술 부사장 짐 코스말라는 오늘날 연결성 증대의 많은 부분을 PC 기반 컨트롤러 사용 덕분으로 돌립니다. "많은 사람이 오쿠마가 공작기계 빌더일 뿐 아니라 자체 서보 시스템과 컨트롤러도 만든다는 사실을 잊습니다. 이들은 마이크로소프트 윈도우와 인텔 칩에서 돌아가며, 둘 다 쉬운 연결성을 제공합니다."

PC 기반 컨트롤러는 컨트롤러에 다양한 소프트웨어 프로그램을 설치하기도 쉽게 만듭니다. 예를 들어 코로나 팬데믹 초기에 오쿠마 고객들은 마이크로소프트 팀즈로 협업하며 화면 공유나 원격 제어를 할 수 있었습니다. "그게 우리 앱 스토어의 핵심 아이디어입니다."라고 코스말라는 말했습니다. "사용자가 OSP 컨트롤러에 직접 필요한 것을 다운로드 설치해 별도 PC가 필요 없게 합니다. 완전히 새로운 협업과 연결성의 가능성을 엽니다."

이 앱 중 하나가 오쿠마의 커넥트 플랜(Connect Plan)으로, CNC 공작기계 모니터링과 운영 데이터 수집을 가능케 합니다. 거의 모든 브랜드나 연식의 공작기계, 로봇, 기타 자동화와 호환됩니다. 코스말라에 따르면 커넥트 플랜은 AI 알고리즘을 사용해 가용 정보를 분석하고 인간이 놓칠 트렌드를 식별합니다.

몇 주간 데이터 수집 리포트와 대시보드를 보며 특정 선반이 매일 아침 작업자 커피 습관으로 10분 늦게 시작하거나, 출하장 문 쪽 연삭기 스핀들 온도가 도어 개폐 시마다 떨어진다는 사실을 알아차리는 선반 부서 매니저를 상상해 보세요. 코스말라는 AI가 이런 트렌드를 인간보다 훨씬 빨리 포착해 슈퍼바이저가 잠재적 문제 영역을 더 빨리 해결할 수 있게 한다고 설명했습니다. 더구나 이 정보는 데이터베이스에 저장돼 슈퍼바이저가 회사를 떠나도 지식 손실이 없습니다.

"데이터 없이는 당신은 그저 의견만 가진 또 다른 사람일 뿐이라고 데밍이 말했습니다."라고 코스말라는 말했습니다. "IIoT와 인더스트리 4.0은 그 데이터를 수집하고 활용해 궁극적으로 지식으로 전환하는 것입니다. 그게 이 여정의 첫걸음입니다. 이제 가상 회의가 가능하고, 어디서든 기계 상태나 생산 수준을 확인하고, 자동화를 단순화하는 원격 도구에 접근할 수 있습니다. 플랜트에 가지 않고도 할 수 있다면 더 좋습니다. 모든 건 효율성과 기계 가동률 증대에 관한 것이며, 현대 CNC 컨트롤러로 더 쉽게 달성할 수 있습니다."