[첨단 헬로티]

카네코 준이치 (金子 順一)   埼玉대학

일본국제공작기계전시회(JIMTOF 2018)에서는 금형가공용 절삭가공기, 연삭가공기에 관해 기존 기계 자체의 고속․고정도화와 함께, 금형가공의 전체 공정으로 범위를 확대해 효율화․생력화를 실현하기 위한 신기술과 공정 집약, AI 등의 도입에 의한 가공 프로세스의 지능화에 관한 제안을 많이 볼 수 있었다. 이번에는 이들 새로운 대응을 소개하려고 한다.

이번 전시회에서는 현재 제조 현장의 과제인 인력 부족과 효율화에 대한 대책으로서 공작기계에 대한 워크의 로딩기구를 메이커 자체가 제공하려고 하는 사례를 많이 볼 수 있었다.

또한 제거가공의 범주에 머물지 않고 새로운 가공 프로세스인 레이저 담금질과 표면처리, 마찰교반 접합 등의 새로운 부가가공 기술이나, 기기 상의 워크 계측 기능을 절삭기계에 통합한 예를 많이 볼 수 있었으며, 기존 공정의 효율화만이 아니라 제품 설계 그 자체를 가공 기술과 함께 진화시키는 것이 가능한 기술적 제안이 눈길을 끌었다.

한편 최근 몇 년간 JIMTOF에서 중시되어 온 IoT(Internet of Thing) 관련 제안은 한단계 떨어진 인상이었으며, 각사 독자의 소프트웨어 기반 상의 기계 가공 상황을 원격으로 파악할 수 있는 것은 거의 당연하게 됐다. 또한 공작기계의 상태가 아니라 공작기계가 실시하고 있는 가공 현상을 감시하는 시도는 아직 목표에 도달하지 못한 인상이었는데, 공구 수명이나 채터링 발생 등의 가공 프로세스 자체의 상태를 진단하는 애플리케이션에 흥미 깊은 제안을 볼 수 있었다

이후에는 이들 경향을 ‘절삭 프로세스의 신기술’, ‘이종가공 프로세스/계측기술과의 복합’, ‘작업자 지원의 신기술’, ‘가공 정보의 공유․지능화’의 항목으로 나눠 각각에 대해 소개한다.

절삭 프로세스의 신기술

절삭 시의 재료 제거를 효율화하는 프로세스 제어의 기술에 관해 이번 JIMTOF에서는 과거에 학술 분야에서 제안이 이루어지고 있던 방법의 실용화, 저코스트화에 의한 보급에 대한 어프로치를 볼 수 있었다. 또한 최근 화제가 되고 있는 AI를 이용한 어프로치로서 공구의 수명을 추정하는 시스템이 제안되어 주목받았다.

오쿠마는 동사의 머시닝센터(MC) MB-5000H Ⅱ 상에서 AI에 의한 드릴 수명의 추정 시스템을 전시했다. 주축에 장착된 가속도 픽업 및 절삭동력 신호를 기초로 NEC와 공동 연구로 개발한 소프트웨어에 의해 공구의 마모 상태를 추정함으로써 공구 교환 시기의 정도 높은 추정이 가능하다고 한다.

또한 화낙은 동사의 CNC 컨트롤러에 탑재되는 신기술로서 절삭동력에 대한 공구 이송 속도의 적응 제어 기능(스마트 어댑티브 컨트롤)을 전시했다. 가공 중에 주축에 부하되는 토그가 일정 이상이 되지 않도록 이송 속도를 자동 제어하는 기능으로, 사전 시뮬레이션에 의해 동 종의 최적화를 실현하는 것은 이미 상용화되어 있다.

화낙의 기술은 이러한 종류의 사전 예측 없이 주축 서보의 피드백 정보만으로 이송 속도를 최적화하려고 하는 것으로, 공구 마모의 영향이나 소량 생산 대응에서 특별히 별도로 사전 예측을 하지 않고 최적의 절삭 조건 도출을 자동적으로 실시할 수 있을 것으로 기대된다.

기계 구조 자체의 변경에 의한 고효율화에서는 금형가공용 공작기계로서 DMG 모리세이키가 전시한 DMU 340 Gantry가 눈길을 끌었다(그림 1). 이 기종은 B/C축에 앵글 헤드형의 다이렉트 드라이브를 가지며, X축 방향의 스트로크가 최대 6,000mm에 미치는 대형기가 된다.

XY축을 리니어 드라이브로 함으로써 갠트리형 구조의 기계로서 매우 고속의 주축 가감속을 실현, 최대 공구 이송 속도는 40,000mm/min에 달한다. 이 사이즈의 기계라도 금형 구조에서 동시 5축 제어의 적용이 시야에 들어왔다고 생각됐다.

또한 직접 금형가공과는 관계되지 않지만, 최신 기계 설계 기술로서 주목받는 토폴로지 최적화를 공작기계에 적용한 예가 DMG모리세이키에서 전시되어 많은 주목을 모았다(그림 2). 전시 기계는 종래 기계와 각종 치수를 동일하게 했으며, 또한 형상을 최적화하고 스핀들부는 적층조형으로, 그 이외의 부분은 소실형에 의한 주조로 각각 제작되어 있다.

현재는 효율 면에서 아직 적층조형이 주조를 완전히 대체하는 것은 어렵지만, 서서히 공작기계의 구조에 대해서도 동적․정적인 강성과 경량화를 양립시키는 설계가 필요해질 것이라고 느꼈다.

이종 가공 프로세스/계측 기술과의 복합

이번 JIMTOF에서는 전회의 애디티브 매뉴팩처링(AM) 기능을 MC에 탑재한 것에 더해, 레이저를 이용한 담금질이나 마찰교반 접합, 형상 계측 등의 절삭 이외의 기능을 다축 제어가공기에 탑재, 기계에서 금형을 내리지 않고 전공정을 완결시키는 것을 지향한 기종을 많이 볼 수 있었다.

AM 기능의 이용법에는 크게 나눠 기존의 부품 형상에 일부를 추가하는 방법이나 형상 전체를 창성하는 방법이 있는데, 금형가공용으로는 전자 중에서도 보수를 주된 목적으로 기존의 패딩 용접을 대체하는 사례의 제안이 눈에 띄었다. 또한 과거의 기종에서는 적층조형 헤드를 절삭 주축에 장착하는 실장이 대부분이었는데, 이번 JIMTOF에서는 절삭 주축과는 별도로 적층 헤드를 탑재함으로써 효율적인 기계 구성을 추구하는 예를 볼 수 있었다.

오쿠마의 복합가공기 MU-6300V LASER EX는 금형의 보수 사례를 전시하고 있었으며, 크랙 부분을 절삭으로 제거한 후에 적층해 적층부에 절삭가공으로 다듬질을 하는 공정을 1대로 실시하는 사례를 강조하고 있었다. 또한 동사의 부스에서는 5면 문형 MC인 MCR-S(Super)에 적층조형 및 정밀 담금질이 가능한 레이저 헤드를 탑재하는 신기능이 발표됐다(그림 3).

금속분말을 분사하는 LMD(Laser Metal Deposition) 방식의 적층에서는 적층되지 않았던 금속 재료의 처리가 필요하고, 지금까지는 밀폐된 케이스를 가지는 컬럼형 기계에 대한 도입이 주였지만 문형 MC에 대한 도입을 가능하게 하고 있으며, 대형 프레스 금형가공에서도 동일한 기계 상의 공정 집약이 실현되고 있는 것을 느낄 수 있었다.

야마자키마작은 동시 5축 제어 MC에 대해 레이저의 파장이 450nm으로 짧은 블루 레이저를 이용한 적층조형기인 VARIAXIS j-600/5X AM을 전시했다. 이들은 보다 작은 스폿 지름에 대해 에너지를 집중할 수 있고, 동 재료를 강재 상에 적층하는 것이 가능해졌다.

이 외에 레이저를 이용한 가공 프로세스에서 눈길을 끈 것으로는 마키노후라이즈제작소가 참고 출품한 레이저 가공기 LFS300을 들 수 있다. 이것은 펨토초 레이저 발진기를 탑재, 금형 표면에 기능성 표면을 창성해 발수성 부여를 가능하게 하는 것이다. 높은 이형성을 금형 표면에 부여함으로써 수지 성형의 하이사이클화를 기대할 수 있다. 앞으로 평면 이외의 형상에도 적용 가능한 기종 개발이 이루어질 것으로 예고됐다.

대형 가공기의 계측 통합에서는 미쓰비시중공공작기계가 동사의 문형 MC, MVR․Fx에서 ATOS(비접촉 광학식 3차원 디지타이저)와 기계 동작을 연계시킨 사례를 전시했다. 기존 접촉식 터치 센서나 2차원 센서로는 어려웠던 3차원 자유곡면 좌표를 단시간에 계측, 가공 전의 소재 형상을 참조한 에어컷 시간의 최소화나 가공 후의 워크 형상 계측의 수정가공 실시가 가능하다.

유사한 기술로는 화낙의 CNC 컨트롤러로 3축가공을 대상으로 워크의 소재 높이를 비접촉식 센서로 계측한 후, 에어컷 부위의 이송 속도를 자동으로 고속화하는 기능의 데모가 이루어지고 있으며, 앞으로 소형 가공기를 중심으로 보급되지 않을까 생각했다.

작업자를 지원하는 신기술

새로운 토픽으로서 부상하고 있는 것이 소재의 로드, 파츠의 언로드나 세팅을 지원하는 신기능에 관한 전시였다. 이것은 오늘날의 인력 부족이나 작업 개혁에 동반해 장시간의 무인운전이나 세팅의 생력화에 대해 시장의 요구가 급속하게 높아지고 있는 것에 의한다.

또한 다른 이유로서는 공작기계 메이커 각사가 워크 로딩의 방법을 표준화해 탑재함으로써 시스템 인테그레이터에 의한 범용 로봇의 셋업 없이 셀 시스템을 가동시킴으로써 기동까지의 시간을 단축하는 목적도 자주 들었다.

오쿠마는 밀링커터계 공작기계에서 화낙, 야스카와전기 등의 6자유도계 수직 다관절 로봇의 제어를 동사의 CNC 컨트롤러에 통합한 STANDROID(그림 4)와 선반계 공작기계에서 동사 개발의 4자유도 수직 다관절 로봇을 기계 내에 내장한 ARMROID를 전시했다.

보통 가공기 내부에서 로봇 암이 동작할 때는 로봇과 공작기계 각축의 동작 연계가 필수가 되며, 간섭의 회피나 동작의 생성이 필요해진다. 오쿠마의 양 시스템은 로봇 측의 지령을 공작기계 측의 CNC에서 발행, 로봇의 상태를 CNC 컨트롤러 측에서 파악함으로써 공작기계 간섭 회피 기능을 이용해 로봇의 동작을 생성하는 것이 가능하다.

마키노후라이스제작소는 동사의 금형가공용 동시 5축 제어 MC인 V90S 상에서 흥미 깊은 작업자 지원 시스템을 전시했다. 1개는 공구 비전으로, ATC 내부에서 공구의 실루엣을 촬영, CNC 컨트롤러가 파악하고 있는 툴 정보와의 차이를 검출한다(그림 5). 홀더의 차이를 기계 상에서 검지함으로써 세팅 시의 미스를 근절하고, 충돌 방지를 실현한다.

또 다른 하나는 워크 비전으로, 가공기 내에 배치된 카메라 화상으로부터 워크의 윤곽 형상을 검출, 이것과 소재의 CAD 모델을 일치시킴으로써 기계 내의 워크 파지 위치 파악을 가능하게 한다(그림 6). 화상처리의 정도 한계에서 워크 원점의 계측은 최종적으로는 터치 프로브로 이루어지는데, 터치 프로브의 접근 경로 계획까지 자동화되어 있으며, 세팅 시 작업자에 대한 유효한 지원책으로서 앞으로의 보급이 기대된다.

또한 동사에서는 공작기계를 대상으로 한 새로운 인터페이스로서 작업자의 음성을 해석시키고 기계에 대한 지령을 하는 Athena라고 불리는 음성 인터페이스의 데모를 했다. 공장의 환경에서 어느 정도 사용할 수 있는지는 미지수인데, 앞으로의 실용성 향상에 기대하고 싶다.

이외에 전시회장에서는 작업자와의 격리를 필요로 하지 않는 협동 로봇의 이용이 눈에 띄었다. 특히 기존 널리 사용되어 왔던 화낙의 경우는 협동 로봇의 도입에 의해 보다 오픈된 장소에 로봇과 스토커를 배치하거나, 일시적으로 로봇에 부품을 유지시켜 조립을 하거나 하는 사례를 전시했다.

또한 자율적인 장해물 검출이나 회피를 가능하게 한 무인반송 대차에 협동 로봇을 조합, 자력으로 목적한 가공 셀까지 이동해 소재․제품을 탑재․배치할 수 있는 자동 대차의 데모를 화낙, 마키노후라이스제작소(iAssist), OKK, DMG모리세이키(RV3)가 실시하고 있었다. 앞으로 보다 유연하고 간이적인 인간공존형의 소형 FMS가 실현되는 것은 아닐까 생각된다.

가공 정보의 공유 및 지능화

2014년의 JIMTOF 이후, 숍 플로어에서 생산기계를 네트워크로 접속해 가동 상황이나 이상 발생 등의 정보를 수집하는 IoT에 대한 전시는 한 바퀴 돌았다는 느낌이 있었으며, 각사 모두 공작기계의 가동 상황 수집에 대해서는 대강 갖춘 것 같았다.

이것에 관해서는 일본공작기계공업회의 특설 부스에서 기계의 가동 상태를 규격 차이를 넘어 일원적으로 수집하는 시도가 이루어지고 있었으며, 전 홀 70사의 출품 기계의 동작 정보를 모두 가시화하는 데모가 이루어지고 있었다.

공구경로 생성에 관해서는 특히 5축가공에 관련된 것에서 흥미 깊은 대응을 볼 수 있었다. 키타무라기계는 동사의 CNC 컨트롤러 Arumatik-Mi 상에서 동작하는 공구경로 생성 기능으로서 가공 대상물의 CAD 모델로부터 동시 5축 제어를 포함하는 거친가공에서 다듬질가공까지 전 공정의 자동 계획을 실시, 그대로 가공을 하는 지능화 시스템을 발표했다.

동사는 과거의 JIMTOF에서도 전략적 이노베이션 창조 프로그램(SIP)에 참여해 3축 주사선가공의 NC 프로그램리스 가공기를 발표한 실적이 있으며, 이 기능은 그 연장선 상에 있는 매우 실용성이 높은 것이라는 인상을 받았다.

또한 동 SIP 테마의 발전적 성과로서 고베대학의 연구를 스핀아웃한 소프트웨어 시스템이 대학발 벤처인 BESTOWS에서 발표됐으며, 절삭과 선삭의 쌍방에서 대응이 추진되고 있었다.

마키노후라이스제작소는 동사의 FFCAM으로 금형가공용 동시 3축 제어가공 프로그램을 기초로 한 동시 5축 제어가공 프로그램의 생성을, 클라우드 컴퓨팅에 의해 실시하는 새로운 대응을 발표했다. 동시 5축 제어가공에서는 간섭 회피를 비롯한 여러 가지 기하계산이 필요하기 때문에 공구 자세의 결정에 많은 처리 시간과 CAM 오퍼레이터의 경험이 필요하다.

제안 시스템에서는 이 부분의 계산을 마키노후라이스제작소 측의 계산 환경에서 실시, 결과를 유저에게 제공함으로써 일반적인 시스템의 1/5의 시간으로 동시 5축 제어가공용 프로그램을 생성할 수 있는 사례가 소개됐다.

이상, JIMTOF 2018에서 금형가공 기술에 관해 필자가 관심을 가졌던 신기축과 신기능의 제안을 소개했다. 특히 이번 전시회장에서는 가공기계 전반에 관해서는 공작기계의 로봇과의 통합, 세팅이나 부품 검사의 생력화 대응을 많이 볼 수 있었다.

최근 활발한 시장 수요에 대해 가공 공정의 장해를 해소해 가려는 움직임의 결실이며, 지금까지의 가공 성능 향상의 배후로 눈을 돌려 공정을 구성하는 요소로서 공작기계의 사용성에 부가가치를 구하는 움직임이 매우 활발했다. 앞으로도 금형가공 공정 전체의 생산성을 향상시키기 위한 공작기계 각사의 신기축, 신제안에 기대하고 싶다.