[헬로티]
2년 전인 2018년 1월호에 필자가 쓴 기사를 다시 읽어 보면, 겨우 2년 사이에 공작기계를 둘러싼 환경이 이렇게나 변했는가 하고 다시금 생각하게 된다. 그렇게 된 것은 왜일까.
그 하나의 이유는 IoT, AI가 최근 들어 공작기계에 탑재되어 적어도 ‘사용하려고 하면 사용할 수 있는’ 수준까지 된 것이다. 즉, 어떻게 사용하는지는 유저에게 달려 있는 것이다. 물론 공작기계 메이커가 그 서포트를 하는 것은 당연하지만, 사용하는 측이 공작기계를 포함한 생산 시스템을 이해하고 사용하려고 하는 노력이 요구되는 국면이 된 것이다.
또 다른 하나는 산업용 로봇, 즉 협조 작업 로봇이 공작기계의 옆, 더 나아가서는 일체화된 것 혹은 공작기계를 대신해 가공 자체를 담당하는 것도 많이 볼 수 있게 됐으며, 유저도 그것에 대해 위화감을 느끼지 않게 된 것이다.
한편, 최근 들어 새로운 움직임이 나오고 있다. 엣지 컴퓨팅(Edge computing)화가 추진됐기 때문인가, 가공 상태를 인식하는 기술이 앞에서 말한 IoT, AI 기술을 도입해 공작기계 자체가 판단해 가공 조건을 변경하거나, 더 나아가 공작기계의 열변형을 예측해 그것을 보정하고, 각종 가동 상태를 상위의 컴퓨터나 클라우드에 올리는 등 이른바 공작기계의 지능화라고도 할 수 있는 것이 많이 생겨났다. 공정집약을 큰 목표로 하면서도 각각의 공작기계로 자율적으로 가공 정도 향상을 달성하는 역할 분담이 생겨났다고 생각할 수 있다.
EMO 2019도 되돌아보면서 필자의 기대도 담아, 차세대 공작기계에 요구되는 것에 대해 다루어보기로 한다.
디지털 트윈과 공작기계
CPS(Cyber & Physical Systems)가 각 방면에서 크게 화제가 되고 있다. 일본이 추진하는 Society5.0에서도 이 개념의 공통적인 이해 하에, 사회가 SDGs를 실현하는 열쇠로서 취급되고 있다고 해도 과언은 아니다.
이에 다시금 공작기계에 있어 CPS에 대해 정리한 것을 그림 1에 나타냈다. ‘제조’는 만들어야 비로소 제조이지만, 만들기 전의 사전 준비를 어떻게 하는지에 따라 완성도가 달라진다. 이때 과거의 데이터 축적, 공작기계의 모델화에 의한 동작 해석, 가공 공정의 검토 결과를 잘 활용할 수 있으면, 에너지 소비, Co2 소비의 예측 등 충분한 검증을 사이버 공간에서 한 후에 실제 제조를 실행함으로써 완전하고 검증 가능한 제조가 실현된다.
이것을 목표로 했을 때, 문제로서 들 수 있는 것 중 하나가 ‘누가 사이버 공간에서 동작하는 공작기계를 만드는지’이다. 물론 공작기계를 가장 잘 이해하고 있는 것은 공작기계 메이커이다. 공작기계의 제어는 개별 동작의 프로그램 개발, 유저 인터페이스 등의 설계 개발은 공작기계 메이커인데, 본질인 공구-공작물의 상대위치 제어는 수치제어장치 메이커가 하고 있기 때문에 공작기계의 동작을 사이버 공간에서 실현시키려고 하면, 양자가 일체가 되어 모델화를 하는 관계가 필요하다. 혹은 수치제어장치 메이커가 어느 정도, 전체의 모델화를 하는 개발 환경을 공작기계 메이커에 제공할 필요가 생긴다. 이 관계가 현실적일 것이다.
한편, 피지컬 공간에서 공작기계는 무엇을 해야 할까. 고정도로 공작물을 다듬질하는 것은 물론이고 IoT 기술을 구사해 센서 정보를 클라우드에 올리고, 자기 진단 기능을 탑재해 가공 정도, 가공 상태를 판단해 가공 조건을 적절하게 변경하는 적응 제어를 하는 것이 요구된다. 적응 제어한 결과를 사이버 공간에 있는 CAM 시스템 등에 피드백한다. 물론 사이버 공간의 CAM에서 공급되는 가공 프로그램에는 사전에 적절한 가공이 되는 가공 프로그램이 공급되므로 가공 결과의 피드백, 검증을 거쳐 가공 프로그램이 개선되는 선순환이 생긴다.
이와 같이 차세대형 공작기계는 이른바 엣지 컴퓨팅의 일익을 담당하는 것은 물론이고, 결국 자율제어형 공작기계로 발전하게 될 것이다. 이것은 아주 가까운 미래에 도달하지 않을까 생각한다. 일부에서는 이미 실현되고 있기도 하다.
로봇과 공작기계
최근 2년 정도 공작기계와 산업용 로봇을 조합해 활용하는 움직임이 많이 보인다. 한 때는 AM(Additive Manufacturing)의 일종으로 자리매김한 용접 로봇의 금속 와이어 패딩에 의한 3차원 조형 시스템이 나타나 크게 주목을 받았다.
실용적인 산업용 로봇의 사용에 있어 터닝포인트는 2013년의 규제 완화로, 사람과 협조해 동작하는 산업용 로봇의 이용을 들 수 있다. 공작기계 바로 옆에 붙은 로봇, 공작기계 대신에 회전공구를 장착해 가공하는 로봇이 생산 현장에 많이 도입되고 있다.
원래 산업용 로봇은 사람의 팔 역할을 담당하기 때문에 강성은 기존의 공작기계나 키네마틱스 공작기계보다 떨어지지만, 버 제거, 면떼기, 연마 등 응용 범위는 아직 많다. 그중에서도 오쿠마의 암로이드는 어드밴티지가 높다. 즉, 단순히 공작물의 로딩, 언로딩뿐만 아니라 절삭액의 공급 위치 조정, 클리닝, 심지어 회전의 역할 등 기존의 발상에 사로잡히지 않고 공작기계 내에 설치했기 때문에 가능한 동작을 확실하게 실현한 것은 획기적이다. 앞으로의 응용 전개가 기대된다.
산업용 로봇의 발전뿐만 아니라 1990년 후반쯤부터 출현한 키네마틱스 공작기계는 지금도 여러 곳에서 개발되고 있으며, 산업용 로봇과 비슷한 동작 공간이 되기 때문에 윤곽가공은 물론이고 항공기 산업의 구멍뚫기 가공까지 폭넓은 분야의 가공에 이용할 수 있는 수준까지 성능이 향상됐다.
그림 2에 나타냈듯이 필자의 연구 그룹에서도 EXECHCON사의 판매대리점인 GKM사에서 대여받은 X-MINI를 이용해 오차 파라미터의 동정, 자세 제어 방법, 공간의 동작 평가, 궤적 정도 평가, 가공 상태의 모니터링 등의 연구를 하고 있는데, 또한 그 자체가 이동하는 것도 예측되고 있으며, 풀 카본 프레임으로 300kgf 이하라는 것도 크게 매력적이다.
사이버 공간에서 모델 베이스의 역할과 공작기계
사이버 공간에서 공작기계의 거동은 어떠한 모습이여야 할까. 기존이라면 NC 프로그램을 CAM으로 작성하고, 그것을 동작 시뮬레이션 소프트웨어 상에서 동작시키는 것이 일반적일 것이다. CPS가 보급되었기 때문에 시뮬레이션 소프트웨어의 존재가 단순히 동작 확인용 시뮬레이터에 그치지 않고, 절삭 안정성을 고려한 가공 상태, 공구 자세, 동작 시간, 에너지 소비에 이르기까지, 그리고 생산라인 전체에 걸쳐 그들을 충실하게 실현할 수 있는 능력이 요구된다.
이것을 실현하기 위해서는 각각의 공작기계, 공구-공작물 간의 동적 관계를 포함한 정밀한 모델화가 필요하다. 이상적으로는 시퀀서 출력 타이밍, 각 이동 테이블의 지연 시간, 동특성을 포함한 제어 모델(공작물 질량도 고려할 수 있다)을 포함한 시스템으로서 ‘사용할 수 있는 시뮬레이터’의 출현이 요구되고 있다.
현재는 코마츠의 KOM-MICS가 생산 시스템에서는 CPS의 대표격일 것이다. 동작 상태를 정도 좋고 시간 간격도 충분히 짧게 기계가공의 상태 감시로서는 충분한 정보를 클라우드에 올리고 있으며, 고정도화와 정도 좋은 모델화를 추진해 간다면 이 분야에서 리드 자리를 계속 유지할 수 있을 것이다.
그중에서도 전 세계의 공장에서 실시간으로 복수의 공작기계를 포함하는 가동 중인 여러 가지 데이터를 사이버 공간에 가지고 모여 불량 예측, 조작 해석, 가공 조건의 변경, 그리고 이들 결과를 현장에 피드백하는 등 전략으로서도 매력적인 대응은 크게 참고가 된다. 이때 공작기계의 동작을 NC 프로그램으로 해석하고 있지 않는 것도 주목할 가치가 있다. 실제 동작과 사이버 공간상의 기계 동작을 대응시키는 것은 가공 현상의 보다 상세한 분석을 가능하게 하고, 그렇기 때문에 가공 조건 개선에 유효하게 활용할 수 있는 시스템이 된다. 더구나 NC 장치의 기종에 관계없이 대응할 수 있으며, 결과적으로 다른 수치제어장치 메이커가 개발한 공작기계에서도 데이터를 수집할 수 있다. 이 점, 공작기계 메이커 단독 혹은 수치제어 메이커가 개발한 시스템이 아닌 것이 성공했다.
복잡한 생산 시스템이 되면, 어딘가의 공정, 가공 조건을 변경하면 그 이후의 가공에 영향을 미칠 뿐만 아니라 생산 전체가 영향을 받는다. 이것을 사전에 파악하는 것이 CPS 도입의 메리트이다. 공작기계의 세팅을 어떻게 변경할지, 변경 후의 대응 가부를 판단하는 생산 기술자가 대량의 데이터를 유효하게 활용할 수 있게 되면 기술자 자신의 주의력이나 능력 향상으로도 이어진다.
앞으로 이러한 종류의 시스템을 가지고 있는 곳과 가지고 있지 않은 곳에서는 기술자의 능력에 큰 차이가 나타날 것으로 생각된다. 더구나 지속 가능한 사회 형성이라는 것을 공작기계에도 적용하려고 하면, 어느 시점에서 어떠한 시스템을 구축할지, 도입할지가 가공 관계에 종사하는 사람들에게 있어 중요한 분기점이 될 것이다. 현재 시대는 정말로 거기까지 다가와 있다는 것을 이해할 필요가 있다.
피지컬 공간에서 IoT와 공작기계
IoT, ICT 그리고 일부 AI가 실용적으로 쓰이게 되고 공작기계에도 실장되고 있는 현재, 진동 문제의 해결은 어느 정도의 효과를 얻을 수 있게 됐다. 오쿠마를 비롯한 몇 개의 공작기계 메이커가 그것을 가능하게 하고 있다. 그리고 공작기계에 있어 가장 골칫거리인 열변형을 보상하거나 혹은 사전에 예측하는 시스템이 이들 기술을 기초로 실장되고 있다. 이것에 의해 열 문제 해결의 실마리가 되어, 필자가 2년 전에 예측했던 것이 뜻밖에도 적중하고 있다.
한편, 유저 측에서 차세대 공작기계의 도입을 고려했을 때에 ‘무엇이나 가공할 수 있다’, ‘큰 것은 작은 것을 겸한다’고 하는 발상은 버려야 한다. 공작기계를 10년, 20년 사용할 수 있는 시대와도 결별할 때가 왔다고도 생각할 수 있다. 혁신적인 직기라고 일컬어진 에어제트 룸, 워터제트 룸이 아시아에 대량으로 수출되고, 일본에는 구식 직기만이 남아 생산성 상으로 완전히 뒤쳐지게 된 일본의 섬유산업이 걸어온 길을 걷지 않기를 기원하고 싶다. 개인적으로는 필자가 취직했을 당시, 미츠이세이키(三井精機)의 지그볼러를 양손과 한발로 ‘3축 동시 제어’하고 있던 선배의 모습이 지금도 잊혀지지 않는데, 시대는 그것을 허락해 주지 않는다.
5년으로 수명이 다하는 공작기계를 개발하는 것도 때로는 필요하다. 이것이 공작기계 제조업에 있어 볼륨 존(대중적인 소비시장)이 되어 주면, 그것에 대응하는 기종을 시장에 제공하게 된다. 그렇게 되면 개발 기간의 단축, 구조 부품의 공통화 등 기존에 주저했었던 것에도 싫든 좋든 대응해야만 한다. 주물 구조의 프레임에서 동 연구 그룹이 조정하고 있는 파이프 구조 프레임도 토폴로지 최적화와의 친화성이 높아 유망한 후보가 된다고 생각된다.
이때 CPS를 적극적으로 이용함으로써 ‘사이버 공간에서 모델 베이스로 개발한 공작기계’가 피지컬 공간에서 생산에 이용되는 동안, 사이버 공간에서 그 상태를 정확하게 재현할 수 있는 공작기계의 개발을 할 필요가 있다. 물론 우리 연구자들은 그 동작 원리를 정확하게 재현한 모델화 기술을 체계 있게 해명, 제안하는 것이 필요하다.
그리고 IoT가 일반적으로 침투하게 돼 원칩 마이크로컴퓨터, PIC, Arduino, Raspberry Pi 등을 사용해 센서에서 얻은 정보를 처리하고, 또한 상위(사이버 공간)에 집약해 기계 단체뿐만 아니라 공장 전체의 가동 상황을 파악할 수 있는 시스템도 구축할 수 있게 됐을 때에, 데이터 처리의 신뢰성, 안전성을 담보한 후에 공장 전체의 생산 시스템을 이른바 피드백 제어하는 시대가 됐다. 클라우드는 어디에 존재하고 있는지를 의식하지 않고 사용할 수 있으므로, 공작기계가 세계의 어디에 있어도 큰 문제는 되지 않으며 글로벌 CPS도 구축할 수 있게 된다.
필자는 평소에 공작기계를 판매하는 것만 아니라, 적어도 판매 후의 생산 기술에는 CPS 기술을 이용한 유저의 포섭이 필요하다고 호소하고 있다. 정말로 그러한 시대가 도래했다고 해도 좋을 것이다.
디지털 트리플릿과 공작기계
CPS는 디지털 트윈이라고 불리며, 이른바 컴퓨터와 공작기계군이나 공장 기기와의 접속을 이미지한 것인데, 각각 운용하는 것은 당연하지만 사람이다. 이에 인간을 세 번째 열쇠로 해서 CPS와의 관계를 표현하는 말로서 ‘디지털 트리플릿’이 일본에서 제안되고 있다. 즉 인간에 의해 CPS의 성패가 결정된다. 공작기계의 개발도 각 메이커의 인간에 의해 이루어지며, 따라서 생존을 건 새로운 시대의 주역은 역시 인간이다. 유저가 참가하는 CPS의 구축을 한시라도 빨리 하는 공작기계 메이커에 새로운 비즈니스 기회가 생기고, 그렇지 않은 경우는 지금까지의 마켓에 멈춰 더 이상의 성장은 볼 수 없다.
CPS, 디지털 트리플릿의 미래에는 에코 시스템을 포함하는 제조와 마켓이 이어지는 새로운 디지털 트리플릿이 출현하지 않을까.
초정밀과 정밀 사이
시장 규모를 생각하면, 초정밀 가공기는 볼륨 존은 결코 아니다. 그러나 실제로 정밀 금형의 가공 등에 이용되는 초정밀에 준하는 성능을 발휘하는 공작기계는 어떤 의미에서 훌륭한 존재가 아닐까. 서브 마이크로미터 이하의 형상 정도 혹은 나노미터 오더의 표면조도를 달성하는 것은 쉽지 않지만, 빈틈없이 착실히 준비된 가공 환경에서 최근의 공작기계 중 일부는 충분히 실현할 수 있을 것 같다. 아폴로 11호가 달에 운반한 반사경의 레벨에 조금 다가간 것 같다.
이것을 실현하는 공작기계는 구동원에 리니어모터, 위치 검출에는 나노미터 오더의 분해능을 가진 리니어스케일의 병용에 의한 풀 클로즈드 위치 제어가 많다. 원래 이것에 의한 각 축이 정도 좋게 운동할 수 있게 공작기계의 이동 테이블의 다듬질, 조립이 충분히 되어 있는 것이다. 이 점이 일본의 강점이 된다. 앞으로는 단체의 성능 향상뿐만 아니라, 보다 사용하기 쉬운 전후 공정과의 접속, 가공 시 혹은 가공 후의 계측과 그것에 의한 보정 기술이 이 영역의 공작기계의 명암을 가르는 것은 아닐까 생각된다.
EMO 2019의 감상
JIMTOF의 전시 규모는 독자 여러분이 알고 있듯이 매우 큰 규모이다. 좀처럼 전부를 보는 것은 불가능하다. EMO는 어떤가 하면, 더 대규모이고 유럽 기업의 전시도 많이 있어 그것이 EMO에 가는 즐거움 중 하나이다.
필자는 연구 면에서 비원형 가공에 관한 기구, 가공 방법, 제어 방법 등에 대해, 연구 성과는 별도로 하고 오랜 기간 연구를 해왔다. 연구의 초기에는 압전소자를 구동원으로 하는 공구대를 제작, 10μm 이하의 스트로크로 비원형 가공을 실현했다. 그 후 1mm 정도의 스트로크를 실현하기 위해 공진 모드를 이용한 공구대, 변위 확대기구를 이용한 공구대를 개발해 그런대로 비원형 가공을 실현할 수 있었다. 그러나 리니어모터의 보급으로 기존의 구동 시스템도 어떤 의미에서는 필요 없는 것으로 변했다.
그래서 새롭게 리니어모터 구동의 이동 테이블을 가지고 NC 장치의 고속 제어 기능과 구동형 로터리 공구와 조합한 NACS-Turning(Non-Axisymmetric Curved Surface Turning)을 개발하기에 이르렀다. 이것에 의해 선삭에 의한 비원형 가공은 일단 완성을 보았다.
여기서 소개하는 것은 내경의 비원형가공이다. WEB 상에서는 마음에 걸리는 존재였던 공작기계였지만, 실물을 보는 것은 처음이었다. Gehring사의 Form horning 부스에서 흥미 깊은 전시가 있었다. 내연기관의 실린더 가공에 대해 비원형가공을 실시한 것으로, 내연기관의 발전은 앞으로 계속될 것이라고 확신했다. 2단계의 호닝 공정을 거쳐 형상을 제작하는 것으로, 매우 독특했다.
그다지 눈에 띄지는 않지만, 회전 선회형 주축의 발전형이라고 할 수 있는 경사 주축과 회전 테이블이 직교하지 않는 축 구성의 머시닝센터를 볼 수 있었다. 필자가 생각하기에 키네마틱스 공작기계의 하나라고 평가했는데, 그 자세 제어가 어떻게 되어 있는지 흥미가 생겼다. 축이 직교하지 않는다는 선택을 함으로써 공작기계의 설계 자유도는 단숨에 확대되고, 공작기계의 형태도 새로운 전개를 보이게 될 것으로 생각된다.
‘공작기계는 이래야 한다’고 하는 전시와 ‘앞으로 이렇게 하고 싶다’고 하는 전시를 볼 수 있어, 연구자 나부랭이로서는 매우 자극을 받은 자리이기도 했다. 독자 여러분도 기회가 되면 방문해 보면 어떨까 한다. 가급적 젊었을 때에 보는 편이 좋다. 얻는 것은 틀림없이 많을 것이라고 말해 두고 싶다.
그림 3에서 그림 7에 필자가 흥미를 가진 로봇과 공작기계, 공작물을 나타냈다. 이번 글이 독자 여러분을 조금이라도 자극할 수 있기를 바래본다.
모리모토 요시타카, 가나자와공업대학 공학부 기계공학과 교수
