[헬로티]

㈜제이텍 공작기계는 공작기계에 탑재하는 기반 기술과 최신 기술을 ‘TAKTICA(탁티카)’로서 체계화해, 2019년 11월에 개최한 프라이빗 쇼에서 소개했다(그림 1).

‘TAKTICA’는 크게 3개의 영역으로 구성된다. 하나는 기반 기술로서 공작기계에 탑재해 진화시켜 온 ‘TAKTICA TECH(탁티카 테크)’, 두 번째는 지능화 기술 ‘TAKTICA SMART(탁티카 스마트)’, 세 번째는 차세대를 위한 고객의 제품을 변혁하는 새로운 기술 ‘TAKTICA BEYOND(탁티카 비욘드)’이다.

 

그림 1. TAKTICA

이 글에서는 이들 기술을 탑재한 자율형 연삭 시스템을 소개한다(그림 2). 이 시스템은 자동차의 엔진 부품인 캠 샤프트를 대상 워크로 하며, 2대의 연삭반과 워크를 자동 반송하는 로봇 및 자동 계측 스테이션으로 구성되어 있다.

연삭반의 소형·고속·고정도화

이 시스템을 구성하는 2대의 연삭반 중 1대는 캠 샤프트의 캠 로브부를 가공하는 CBN 캠 샤프트 연삭반 GC20S, 또 다른 1대는 저널부를 가공하는 CBN 원통연삭반 GL32S이다. 클래스 최소 플로어 스페이스, 클래스 최속 사이클 타임 및 클래스 최소의 치수 편차를 실현하기 위해 탑재되어 있는 TAKTICA 기술에 대해 소개한다.

그림 2. 자율형 연삭 시스템

1. 정압 제어 시스템 TAKTICA TECH ‘STAT CONTROL’

㈜제이텍 공작기계는 1955년에 프랑스 장드롱사에서 기술 도입을 받아, 일본 최초의 정압 베어링을 탑재한 연삭반 생산을 시작했다. 2014년에는 이 ‘도요타·장드롱 연삭반 1호기’와 ‘당시의 유체 베어링 도면’이 베어링 역사를 현재에 전하는 기술사 상 귀중한 유산으로 가치가 있다고 평가되어, 트라이볼로지학회에서 ‘트라이볼로지 유산 13호’로 인정받았다.

공작기계에서는 각 축의 운동 정도가 가공된 공작물의 형상에 전사되는 이른바 ‘모성 원리’가 작용한다. 그렇기 때문에 거기에 사용되는 기구에는 정밀함과 높은 강성이 요구된다. 그러나 기술이 도입된 당시의 정압 베어링은 베어링 성능에 크게 관여하는 윤활유의 유량이 베어링 크기의 영향을 받기 때문에 반드시 이론상 최적의 설계를 할 수는 없었다.

그 점을 개선하기 위해 기술 도입을 받은 정압 베어링을 사용한 연삭반의 생산에서 10년 후인 1965년에는 내부 환류식 정압 베어링으로 불리는 정압 베어링을 독자로 개발했다. 이 정압 베어링의 특징은 포켓 속에 배출 구멍을 설정한 점이다. 배출 구멍의 크기·수를 설계 파라미터에 추가함으로써 윤활유 유량의 설계 범위가 크게 확대되고, 이론상 최적의 설계를 자유롭게 할 수 있게 됐다.

실질적으로 정압 베어링의 고강성화가 도모됨으로써 여기서부터 ㈜제이텍 공작기계 오리지널의 STAT BEARING 역사가 시작됐다.

1955년에 프랑스 장드롱사에서 기술 제휴를 받은 제1세대에서 시작해, 현재는 제4세대까지 진화했다. 1966년에는 앞에서 말한 내부 배출 구멍을 설정한 베어링 개발에 의해 설계 자유도를 대폭으로 향상시켰다. 1980년대에는 생산 향상을 목적으로 한 고부하 연삭의 요구에 대해, 축 회전 시에 발생하는 압력(동압 효과)를 유효 활용하는 정·동압 하이브리드형 베어링을 개발했다.

그림 3. 베어링 내 스핀들 표면 전단력

1990년대 후반부터는 CBN 휠을 이용한 고능률 연삭에 의해 숫돌축의 고속화가 추진됐다. 이 숫돌축의 고속화에서 점성 유체에 항상 싸여 있는 정압 베어링은 유체의 교반에 의한 손실·발열이 매우 커진다. 고속 회전 시의 정압 베어링 내에서는, 특히 포켓 내에서 스핀들 회전 방향과 역 방향으로 흐름이 생기는 동시에 난류로 옮겨가는데, 최근 유체해석 기술이 향상돼 이러한 현상을 해석에 의해 정량적으로 파악하는 것이 가능해졌다(그림 3). 포켓 내의 흐름을 제어할 수 있게 한 신형 베어링에 의해, 동력 손실을 약 30% 줄일 수 있었다.

최근에는 베어링 강성을 향상시키기 위해 유체 베어링에 공급하는 오일의 유량을 최적 제어하는 가변 유량 밸브를 개발했다. 이것이 STAT CONTROL(스탯 컨트롤)이다.

CBN 캠 샤프트 연삭반 GC20S(이하 동 기기)에서는 정압 슬라이드와 리니어모터를 조합시킨 추종성이 높은 숫돌대 이송기구를 채용하고 있다. 이것에 의해 로스트 모션, 백래시리스를 실현해 캠 로브부 형상 정도 및 가공 면품위를 달성하고 있다.

이 이송기구는 ㈜제이텍 공작기계의 기존기에서도 채용하고 있는데, 이 기기에서는 고응답의 숫돌대 이송을 실현하기 위해 정압 슬라이드부에 STAT CONTROL의 기술을 탑재하고 있다. 이것에 의해 외란을 받아도 자세를 계속 유지할 수 있는 소형이면서 강한 숫돌대를 실현하고 있다.

또한, 숫돌축의 유체 베어링부에도 마찬가지로 STAT CONTROL 기술을 탑재해, 기존과 동등 이상의 베어링 강성을 확보하면서 소형으로 경량인 숫돌축을 실현했다.

이와 같이 숫돌대, 숫돌축을 소형 경량화해 숫돌대 이송의 중심 위치에서 리니어모터, 정압 슬라이드까지의 거리를 25% 단축하고, 숫돌대가 고속으로 왕복 운동할 때의 숫돌대 전후 방향의 쓰러짐(피칭 변위)를 기존에 비해 46% 줄였다.

캠 로브부는 워크의 회전(C축)과 숫돌대의 이송(X축)을 동시 2축 제어(C-X 동시 2축 제어)함으로써 가공하는데, 숫돌대 이송의 추종성 향상에 의해 공작기계(C축)의 회전 속도를 기존의 1.3배, 숫돌 절입량을 기존의 1.2배로 향상, 결과적으로 사이클 타임을 10% 단축해 클래스 최속을 실현했다.

또한, 플로어 스페이스에 대해서도 숫돌대의 소형화 등에 의해 30% 줄일 수 있었다.

2. 캠 샤프트 연삭반 센서 열변위 보정 TAKTICA TECH ‘THERMAL MATRIX-C’

동 기기에서는 워크를 설치하는 테이블 상에 와전류식 갭 센서를 배치, 숫돌대의 위치를 감시하고 있다. 이것에 의해 실온 변화와 모터 발열에 기인하는 열변위에 대한 로버스트성이 향상되고, 가공 후의 워크 치수 편차를 줄일 수 있다. 이 THERMAL MATRIX-C(서멀 매트릭스 씨)의 효과는 그림 4에 나타낸 대로이며, 기존에 필요했던 기계의 난기 운전이 불필요해지고 생산성 향상에 기여할 수 있다.

그림 4. THERMAL MATRIX-C

반송·계측의 자동화

최근 사회 환경의 변화로서 ‘노동인구의 감소’를 들 수 있다. 이것에 대응하기 위해 단순 작업의 인력절감화·무인화에 의한 작업자 공수 절감은 피할 수 없는 과제이다. 여기서부터는 워크의 자동 반송 로봇과 자동 계측 스테이션에 대해 소개한다.

1. 벽걸이 로봇 TAKTICA TECH ‘TRANSPIDER’

㈜제이텍 공작기계는 재작년 JIMTOF 2018에서 로봇 반송·로더 반송에 계측을 조합한 시스템을 제안했다. 구체적으로는 가공 후의 공작물 지름 치수와 표면조도를 계측하고, 공작물에 각인한 QR 코드를 이용해 각 계측 데이터와 공작물의 가공 데이터(모터 전류값 등)를 관련짓게 하는 제안이다.

올해는 이것을 더욱 진화시켜 ‘양품을 계속 생산하는, 멈추지 않는 시스템’을 목표로 로봇과 로더를 조합한 시스템과 지원 로봇 등 라인업을 확충하고 있다. 그 하나가 소개하는 TRANSPIDER(트랜스파이더)이다(그림 5).

                                 그림 5. TRANSPIDER                                그림 6. 인라인 계측 스테이션

이 TRANSPIDER는 갠트리 로더를 대신하는 자세 자유도가 높은 반송장치를 목표로 개발, 이하의 5가지 특징을 갖추고 있다.

① 자세 자유도가 높은 다관절 로봇을 사용

② 로봇의 자유도를 활용할 수 있는 가로방향 벽걸이 배치

③ 오퍼레이터 스페이스와 가공기 사이에 있는 반송 스페이스에 로봇을 배치함으로써 안전 펜스 불필요

④ 운전 중에 오퍼레이터가 가공기 앞에 서는 것이 가능하고, 조작반의 작업이나 공작물의 육안 감시가 가능

⑤ 천정에 매달은 로봇에 비해 바닥 점유면적을 약 50% 절감 

이와 같이 로더의 콤팩트성과 로봇의 자유도를 겸비하기 때문에 여러 가지 라인 구성에 대응하는 것이 가능하다.

2. 화상 정보로부터 워크를 식별 TAKTICA TECH ‘MEISTER’S EYE’

계측에서는 인라인의 계측 스테이션을 유닛화하고(그림 6), 지름 치수에 더해 캠 프로필, 지원도, 진동 측정을 가능하게 해 고객의 품질 체크 공수 절감에 공헌한다.

또한, 화상 기술을 사용한 MEISTER’S EYE(마이스터스 아이)에서는 워크 식별을 인라인으로 할 수 있다(그림 7). 미리 설정한 촬영 신의 측정 결과 조합으로부터 TRANSPIDER의 로봇 프로그램 상에서 워크를 식별하고, 공작물 투입 시에 로봇에서 가공기로 워크 정보를 전송, 가공 식별은 그 워크에 대응한 가공 조건으로 자동적으로 전환된다.

그림 7. MEISTER’S EYE

인라인 계측의 장점은 품질 체크 공수 절감에만 머물지 않는다. 계측 결과를 설비에 피드백함으로써 보정을 하고, 가공 품질의 편차 저감으로 이어진다. 이것에 의해 고객의 제품 품질 향상에 공헌할 수 있다.

앞으로는 화상 식별 기술의 활용으로 상세 형상 인식에 의한 판별 기술의 레벨업을 도모하는 동시에, 이들 계측 데이터를 기초로 설비의 자율화를 추진해 갈 것이다.

지능화

노동인구가 감소한다는 것은 숙련 기능자도 감소한다는 것이다. 따라서 숙련자의 기능을 젊은 사람에게 전승하는 것이 급선무이지만 간단하지 않다. 그래서 ㈜제이텍 공작기계에서는 ‘누구라도 간단히 숙련자와 동등한 가공을 할 수 있는’ 설비를 목표로, 숙련자 노하우의 디지털화에 대응하고 있다. 마지막으로 동 시스템에 탑재되어 있는 지능화 기술을 소개한다.

1. 채터링 검지 TAKTICA SMART ‘CHTTER CHECKER’, 버닝 검지 TAKTICA SMART ‘BURN CHECKER’

각종 센서를 이용해 설비의 센싱을 하고, 동사의 에지형 해석 모듈 ‘TOYOPUC-AAA’로 데이터를 수집’해석함으로써 설비의 고장 예방이나 불량 워크의 유출 방지 등의 징후 관리를 할 수 있다.

CHTTER CHECKER(채터 체커), BURN CHECKER(번 체커)는 가공 시에 수집한 전류값, 토크값, 진동값 등의 데이터에서 채터링, 버닝과 상관이 강한 특징량을 추출, 그들을 당사 독자의 로직으로 해석함으로써 채터링, 버닝의 징후를 판정하는 기술이다.

2. 트루잉 인터벌 연장 TAKTICA SMART ‘DRESS LOGIC’

보통 숫돌의 트루잉 인터벌은 불량 워크가 발생하지 않게 여유를 가진 정량값으로 설정되어 있다. 그렇기 때문에 숫돌을 다 사용할 수 없고 낭비가 발생한다. DRESS LOGIC(드레스 로직)에서는 가공 시에 수집한 데이터에서 숫돌 마모와 상관이 강한 데이터를 특징량으로 추출, 그 특징량이 설정한 한계값을 넘으면 트루잉을 실시한다. 이것에 의해 그 때의 숫돌 지름에 대응한 최적의 트루잉 인터벌을 설정할 수 있기 때문에 숫돌을 낭비 없이 다 사용할 수 있게 되어, 툴 코스트 절감을 실현할 수 있다(그림 8).

그림 8. DRESS LOGIC

3. 가공 노하우의 모델링 TAKTICA SMART ‘TAKUMI NEURON’

재작년 JIMTOF 2018에서는 숙련 기능자의 감소에 대응하는 기술 전승을 디지털화해, 인텔리전트 고품위 가공을 실현하는 CNC 원통 연삭반 GE4Pi-100을 전시했다.

이 연삭반에는 누구라도 간단한 조작으로 고품위의 가공면을 실현할 수 있는 기능이 있으며, 주축 회전 속도, 트래버스 속도를 이 정도로 하고 싶다고 하는 수치를 넣으면, 면품위가 좋아지는 주축 회전 속도와 트래버스 속도가 자동적으로 산출된다. 이 기능에 의해 가공면의 파형은 55% 절감되고, 또한 외관 품질이 대폭으로 향상됐다. 정말로 기술자의 기능을 재현하는 기능인데, 일부 가공 조건 결정을 지원하는 것에만 그치고 있었다.

작년에는 연삭 조건의 ‘완전 자동 결정’을 목표로, TAKUMI NEURON(타쿠미 뉴론)이라고 이름을 내걸고 우선은 ㈜제이텍 공작기계가 주로 하는 캠 샤프트의 가공 조건 자동 결정에 대응했다. 처음에는 가공이론, ㈜제이텍 공작기계가 보유한 지견 및 숙련자의 노하우와 지식을 다양한 연결로 표현하는 지식 모델을 작성하고, 사람의 사고 과정을 모의화했다. 다음으로 하나하나의 지식을 연결해 가공 노하우 모델을 구축했다. 이것에 의해 숫돌 사양, 요구 정도 등을 입력하면, 가공 조건, 사이클 타임, 트루잉 인터벌이 출력되는 시스템이 완성되어, 누구라도 간단히 캠 샤프트의 가공 조건을 결정할 수 있게 됐다.

앞으로는 크랭크 샤프트나 롤 등의 고정도 가공품에 대한 대상 공작물을 확대하는 동시에, 기계 및 날공구의 최적 조건을 실시간으로 튜닝하는 기술을 확립해 갈 것이다.

맺음말

㈜제이텍 공작기계는 양산 라인에서 단련한 가공 정도, 퍼포먼스, 신뢰성 등의 강점을 항상 진화시켜, 생산성 향상을 추구해 왔다. 자동화, 지능화의 기초가 되는 이들 강점을 더욱 진화시켜 ‘안정된 기계’와 ‘시스템’의 융합에 의한 생산 효율 향상을 추구해 가고 싶다.

또한, ‘자율형 연삭 시스템’의 구축을 목표로, 이하의 3가지 요소를 진화시켜 그 시스템의 적응 범위를 가공점→가공기→셀(라인)→공장 전체로 확대해 간다.

① 환경·상황 인식 : 감시

② 자율적인 판단 : 데이터 분석, 학습, 동작 판단

③ 자율적인 움직임 : 통지, 제어·작동

최종적으로는 현실 세계의 데이터 집합체를 수집해 가상 세계에서 최적화하는 ‘CPS(Cyber Physical System)’에 의한 생산성 개선을 목표로 하고, 기계의 고도 자율화에 의해 기능자 부족을 해결한다. 그리고 고객으로부터 ‘제이텍의 TOYODA 연삭반을 선택하길 잘했다’는 말을 들을 수 있는, ‘언제나 누구라도 생각한대로 움직일 수 있는 시스템’을 제공해 가고 싶다.

야노 켄지, 제이텍 공작기계 메카트로사업본부