[첨단 헬로티]
후지카와 신이치로우(藤川 眞一郞) 日産자동차(주)
독일의 새로운 제안
1. 인더스트리 4.0
‘인더스트리 4.0’은 지금부터 7년 전인 2011년 쯤에 독일에 제창한 것으로, 모든 소프트웨어를 기축으로 새로운 산업을 모조리 석권해 가는 미국의 움직임에 위기감을 느낀 독일 정부가 제창한 새로운 산업 구조이다.
제1차 산업혁명이 18세기 후반에 시작된 증기기관 등을 이용한 공장의 기계화에 의한 것이라고 하면, 제2차 산업혁명은 19세기 후반부터 시작된 전력의 활용에 의한 대량생산, 제3차 산업혁명은 20세기 후반에 시작된 PLC 등 전기와 IT를 조합한 오토메이션화라고 할 수 있다.
인더스트리 4.0은 이들을 더 진화시킨 ‘사이버 피지컬 시스템’에 기초하는, 새로운 제조의 모습을 지향하는 것이다. 사이버 피지컬 시스템은 센서 네트워크 등에 의한 현실 세계(Physical System)과 사이버 공간의 높은 컴퓨팅 능력(Cyber System)을 밀접하게 연계시켜, 컴퓨팅 파워로 현실 세계를 보다 잘 운용한다고 하는 개념이다.
제조에서는 설계나 개발, 생산에 관련된 모든 데이터에 대해 센싱 등을 통해 축적하고 분석함으로써 자율적으로 동작하는 인텔리전트한 생산 시스템이 생각되고 있다(그림 1).
이들 제창된 인더스트리 4.0 중에서 사이버 피지컬 시스템에 주목, 새롭게 얻은 독일이 생각하는 단조판 인더스트리 4.0의 정보를 가미해 단조에 있어 인더스트리 4.0이란 어떠한 모습인가를 살펴보기로 했다. 그 후 지금까지 개발한 단조에서 사이버 피지컬 시스템에 가까운 시스템에 대해 되돌아보고, 이들 요소 기술을 통합한 사이버 피지컬 시스템에 대해 전망한다.
2. 독일이 생각하는 단조판 인더스트리 4.0
독일 정부의 제창을 받아들여 각 산업도 이것에 호응해 새로운 시스템을 제창하기 시작하고 있다. 독일의 단조 업계도 예외는 아니다. 필자는 독일에서 2년에 1회 개최되고 있는 국제단조회의 NEMU 2017에 참가해 그 정보를 얻을 수 있었다. 국제회의에서는 인더스트리 4.0 세션이 있었으며, 4개의 강연이 있었다.
강연에서는 윤활제에 온도에 의한 색깔 변화를 갖는 약제를 섞어 단조 시의 온도를 계측하는 시스템, 어쿠스틱 이미션을 이용해 냉간단조의 세브론 크랙을 그 자리에서 감지하는 시스템, 금형 온도를 계측해 윤활제의 분무를 컨트롤하는 시스템, 센서나 금형을 냉각하기 위해 3D 프린터로 제작한 다이 인서트 등 유니크한 센싱 시스템이 소개됐다.
또한 독일에서는 단조판 인더스트리 4.0을 구축하기 위한 산학관에 의한 컨소시엄이 스타트, 3년 후에는 완성될 예정이라고 소개됐다. 그 중에서는 단조 특유의 트레이서빌리티 과제에 대해서도 논의되고 있다.
사이버 피지컬 시스템의 개발
여기에서 필자가 단조 기술자로서 관계해 온 6개의 개발에 대해 되돌아보기로 한다. 이 6개의 개발은 다음과 같다.
① 단조 로봇
② 단조 시뮬레이터
③ 단조 시뮬레이션
④ 버추얼 가공 시스템
⑤ 인라인 단조 결함 검사장치
⑥ 단조 윤활 제어 시스템
이들은 모두 피지컬한 공간에서 센서에 의해 어떠한 정보를 계측, 그 정보로부터 사이버 공간에서 무언가 계산을 해서 다시 피지컬한 액추에이터에 지령을 보낸다고 하는 루프에서는 대체로 공통의 시스템이다. 이들을 정리한 것이 표이다. 이하에서는 각각의 개발 아이템에 대해 서술한다.
1. 단조 로봇
당시 담당하고 있던 대형 너클 스핀들과 너클 암을 일체화함으로써 재료의 절감과 부품의 경량화(약 2kg)을 목표로 했는데, 인력으로 반송하는 것은 중노동으로 무리라고 판단해 단조 프레스 내, 프레스 간의 반송을 로봇화했다. 중량물을 고속으로 반송하기 위해 가속, 감속 제어에 고생했다. 로봇의 눈에는 HMD(Hot Metal Detector : 열간 금속 검지기)를 채용, 열간 상태의 재료나 워크가 정위치에 왔을 때에만 단조를 하는 제어계로 했다(그림 2).
2. 단조 시뮬레이터
단조의 개발기, 단조 시뮬레이터로서 유압 서보식 단조 프레스기를 개발했다. 500t의 가압력을 내고, 초속 1m의 고속 성형을 가능하게 하기 위해 1분간에 3,000L의 기계유를 이동시키는 고속 대응의 서보 노즐을 채용했다. 유압 프레스인데, 크랭크 프레스나 링크 프레스 등의 기계식 프레스의 궤도를 재현할 수 있었다.
또한 해머나 스크류 프레스의 움직임을 재현하기 위해 시시각각의 면압이나 속도를 모니터링해 소비한 에너지를 계산, 사용한 에너지로부터 다음 순간의 감속도를 계산해 램의 움직임을 제어하는 알고리즘을 개발해 이 시스템에 실장했다.
3. 단조 시뮬레이션
DEFORM의 3차원판이 릴리스되자, 즉시 이것을 구입해 실제 너클 스피들 성형 공정의 콜리레이션을 했다. 품질공학을 이용한 효율 좋은 콜리레이션 방법을 이용함으로써 해석 정도의 향상과 계산 시간의 미니멈화를 동시에 달성하는 독특한 방법을 개발했다. 튜닝한 마찰계수는 단조설비나 대상 부품군마다 표준화해 적용하는 것으로 했다.
새로운 부품 완성 시에 공정 설계의 불량 검증으로 시뮬레이션을 이용하는 것, 또한 시뮬레이션으로 구해진 각 공정의 디지털 형상을 미드레이지의 3차원 CAD를 이용해 금형이나 반송장치의 간섭 체크로 전개한 것, 이 2가지 체크에 의해 보다 대폭적인 개발 리드타임 단툭과 시제작 횟수의 절감(4회→1.25회), 그리고 이것에 동반하는 금형 제작의 삭감에 공헌했다. 또한 현재의 공정에서도 투입 재료의 미니멈화, 금형 수명 향상, 품질의 안정화에 기여했다.
4. 버추얼 가공 시스템
단조 크랭크 샤프트는 기계가공 후의 밸런스 불량이 때때로 문제가 됐다. 단조 직후에 이 문제를 사전에 알 수 있으면 큰 트러블을 피할 수 있다. 이것을 가능하게 하기 위한 시스템이 버추얼 가공 시스템이다. 단조 후의 워크를 자동으로 3차원 형상 계측, 레이저 방식으로 계측된 점군 데이터에서 CAD 데이터를 생성하는 이른바 리버스 엔지니어링 시스템을 개발했다.
기계가공 공장 특유의 가공증 데이터도 격납되어 있으며, 가상의 커터 툴로 버추얼 기계가공을 해 이 형상으로 크랭크 샤프트의 최종적인 동밸런스 데이터를 예측한다(그림 4). 몇 번의 검증 실험으로 매우 좋은 일치를 보였으므로 라인화했다. 그 이후 과거에 자주 일어난 트러블을 없앨 수 있었다.
또한 도입한 형상 데이터에 대해 모든 검사 항목을 사이버 공간에서 계측, 검사보고서를 자동으로 작성하는 시스템도 동시에 구축했다.
5. 인라인 단조 결함 검사장치
단조품의 허브 결함을 검지하는 시스템이다. 예전에는 화상처리는 2값화하는 것이 주류로, 조명을 잘 비춰도 그 결함이 어떤가를 동정하는 것은 어려웠다. 동사는 화상처리 소프트웨어로서 HALCON을 도입, 내제로 프로그래밍해 화성계측기를 조립해 검사장치를 제작하고 있다.
HALCON을 이용하면 256계급의 그레이를 판별할 수 있기 때문에 결함 형상의 인지 정보가 비약적으로 향상됐다. 또한 소정의 3차원 형상이 나오고 있는지는 2차원 계측으로는 알 수 없으므로 안길이 계측도 포함해 2.5차원 계측을 조합함으로써 상처 등의 결함 외에 결육 등의 불량도 검지할 수 있는 시스템으로 했다. 또한 학습에 의해 검지 정도를 높여, 오검지율, 과검지율을 내릴 수 있었다.
6. 단조 윤활 제어 시스템
단조에서 금형 온도를 어떤 일정 범위 내로 유지하는 것은 금형 수명 향상으로 이어지는 방책이다. 서모그래프로 단조 금형의 표면 온도를 계측해 온도가 높은 때에는 윤활제 분무 시간을 길게 하고, 낮을 때는 짧게 하는 제어를 한다. 그림 5는 분무 시간과 금형 온도의 관계를 나타내고 있다.
이 크랭크 샤프트형은 200℃ 근방으로 금형 온도를 유지하고 있으면 수명이 좋아지는 경향이 있다. 금형 온도가 낮으면 인성이 저하해 대균열의 위험이 있다. 또한 금형 온도가 높으면 금형 표면 경도의 저하와 윤활제의 도포가 균등하지 않게 되어 금형 마모가 촉진되고, 역시 수명 저하의 위험이 있다. 윤활 타이머를 제어함으로써 금형 온도를 일정하게 유지할 수 있다.
단조가 지향하는 인더스트리 4.0이란
단조판 인더스트리 4.0으로서는 디지털 기술을 활용하는 단계는 2가지가 있다고 생각한다. 그 하나는 새로운 부품을 만드는 단계로, 기계가공 후 새로운 부품의 3차원 데이터를 받고나서 양산 개시까지의 단계이다. 그리고 두 번째는 양산에서의 사이버 피지컬 시스템이다. 각각의 단계에 사이버 시스템, 피지컬 시스템이 있고, 그림으로 나타내면 전자는 그림 6, 후자는 그림 7과 같이 된다고 예측한다.
1. 개발 단계의 사이버 피지컬 시스템
개발 단계의 사이버 피지컬 시스템에서는 기계가공 후의 3차원 데이터를 취득한 후, 거친재료 설계, 공정 설계, 금형 설계, NC 데이터 작성까지가 사이버 단계이다. 실제 금형의 제작, 시제작, 부품 취득, 그리고 그 계측작업까지는 피지컬 단계가 되고, 계측한 데이터를 CAD 데이터화함으로써 컴퓨팅 공간에서 검사를 한다.
이것을 리버스 엔지니어링이라고 부른다. 리버스 엔지니어링의 최근 발달은 현저하며, 기존의 사이버 피지컬 시스템에서는 코어 기술이 되는 것이 예측되고 있다. 개발 단계의 사이버 시스템에서 가장 중요한 것은 시뮬레이션이나 지식 베이스로 공정의 품질․코스트․리드타임(QCD)을 최적화해 두는 것, 이것이 지향하는 리턴이 된다.
그리고 신규 부품으로 충분히 공정이 표준화되어 있지 않은 경우에는 데이터베이스의 지식을 늘려 가서 사이버 시스템에 학습시키는 것이 필요하고, 여기에서 이른바 인공지능(AI)라고 하는 요소 기술이 필요할 것이다.
2. 양산에서의 사이버 피지컬 시스템
개발 단계에서 이미 QCD가 최적화되어 있는 금형과 공정 조건으로 양산으로 이행한다. 양산에서 사이버 피지컬 시스템은 현재의 QCD 레벨을 한단계 더 높은 곳으로 끌어올리기 위한 시스템이다.
각 공정의 워크 온도, 금형의 온도 분포, 하중 스트로크선도, 형상 계측, 화상 처리, 경도 등의 요인계, 결과계의 데이터를 현장에서 얻어 리얼타임의 사이버 컴퓨팅으로 각 설비의 제조 조건 튜닝을 한다. 품질 편차의 미니멈화, 금형 수명의 안정화와 최대화, 불량품의 제로화, 설비 고장의 사전 회피를 리턴으로서 회수한다.
개발 단계의 시스템과 달리 데이터 수취, 최적화 계산, 제어까지를 매우 빠른 사이클로 하지 않으면, 얻은 데이터량이 빅데이터가 되기 때문에 사이버 공간의 난이도는 이 양산 단계의 시스템 쪽이 훨씬 높다. 이것이 큰 과제이다. 얻은 데이터는 트레이서빌리티를 위해 지식 베이스에 격납되는데, 다음 개발 단계를 위해 필요한 데이터는 해석에 유용되고 공정 설계, 금형 설계에 피드백되게 될 것이다.
후지카와 신이치로우 : 파워트레인기술기획부 시니어엑스퍼트
