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[SIMTOS 2018] -공작기계의 미래 진단- 4차 산업혁명과 스마트 공작기계의 진화 보고서
작성자 : 관리자
2017-11-23 |
조회 : 2289
Feature 글_ 박종권 한국기계연구원 초정밀시스템연구실 연구위원
최근 많은 이들이 4차 산업혁명을 이야기하면서 이에 대한 관심이 부쩍 늘었다. 수많은 의견과 전망이 나오고 있지만 막상 그 실체가 무엇인지를 파악하는 것이 쉽지 않은 것이 또 현실이다. 과연 4차 산업혁명은 무엇이고 그 본질은 어디에 있을까? 이번 호에서는 한국기계연구원 박종권 박사의 기고문을 통해 과연 4차 산업혁명의 실체는 무엇이고 그것이 만들어내는 미래 공작기계는 어떤 모습인지를 살펴보고자 한다.
4차 산업혁명이라고 하면 누구나 먼저 IoT(Internet of Things)와 CPS(Cyber Physical System)를 떠올린다. 이런 기술이 반영되지 않으면 4차 산업혁명이 아니라고 치부해 버리므로 마치 이런 기술들을 개발하는 것으로 착각할 수 가 있다. 4차 산업혁명의 본질은 다양한 형태의 산업 및 업무분야에서 혁신을 창출하는 것이다. 근본적으로는 이를 통해 기업의 경쟁력을 강화하자는 것이다. 이런 본질을 이해하지 못하므로 많은 사회학자들이나 현장 기술자들도 무엇을 하라고 하는지를 모르겠다고도 한다.
경제적, 생산적 활동의 시대적 변화에 적응하기 위해서는 공작기계산업 뿐만 아니라 타 산업 군에서도 혁신에 대한 거대한 요구를 거부할 수 가 없다. 이에 따라 4차 산업혁명이 태동되었으며 이의 발전 및 구현의 실체로서 Smart Factory라는 개념이 정립되었다. 여기서 Smart Factory는 모든 생산 시스템들 및 이들의 구성요소들, 즉 장비, 생산 주변장치들, 생산 공정들, 네트워크 기반 협업 활동 등이 자율적 구성(Self-Organizing)에 의해 다방면에 걸친 통합된 조직이다. 이 모든 구성요소들과 IOT 기반에서 공정을 수행해야 하는 공작기계는 4차 산업혁명을 견인해야 할 핵심으로 떠오르고 있다.
4차 산업혁명의 이러한 요구들은 장비의 스마트화 및 디지털화를 가속화 시킨다. 전통적으로 공작기계 산업은 현재까지 주로 공작기계의 고정밀화 및 고속화를 추구하는 H/W 중심의 장비 성능향상에 주력하여 왔다. 하지만 향후에는 이와 더불어 IoT와 같은 ICT(Information Communication Technology) 및 Big Data와 딥러닝 같은 AI(Artificial Intelligence) 기술에 의해 전체 공장 시스템의 플랫폼 및 네트워크 기반 하에 스스로 학습하고 판단하는 지능적인 자율 에이전트로 성장해야만 한다. 이는 공작기계 산업에 엄청난 파급효과를 가져올 것이다. 기존 H/W 산업을 S/W에 의한 설계·생산뿐만 아니라 협업 및 고객지원 등의 서비스 산업으로 역량을 확장할 수 있다. 또한 기존에 가지고 있지 않았던 새로운 공작기계 산업으로 혁신을 일으키면서 신 시장을 창출하는 등 무한한 성장 동력이 될 수 있다.
생산시스템의 물리적 핵심 요소인 공작기계의 디지털화 및 스마트화를 위한 핵심 기술들 중의 하나는 CPS(Cyber Physical System)의 구현이다.
생산시스템 관점에서의 가상물리시스템(CPS)의 구현
생산시스템의 물리적 핵심 요소인 공작기계의 디지털화 및 스마트화를 위한 핵심 기술들 중의 하나는 CPS(Cyber Physical System)의 구현이다. CPS는 IoT와 이를 기반으로 하는 가상의 물리적 시스템으로 사이버 공장에서 제품을 기획, 설계, 시뮬레이션을 통한 최적화된 정보를 물리적 시스템인 현실의 제조공장에 반영하는 시스템이다. 뿐만 아니라 실제 가공공정에 따른 공작기계의 거동을 해석하는 기술로서 정·동적 거동에 대한 모델링 및 시뮬레이션을 통해 생성되는 Digital Twin 시스템, 즉 물리적 세계와 사이버 세계를 연결하는 통합시스템으로도 개발되어 질 것이다.
이는 공작물, 공구, 장비간의 상호작용을 이해하여 실제가공 공정을 묘사할 수 있는 신뢰성 있는 시스템이 될 것이다. 이를 통해 사전 가공 없이 실제 가공품의 품질 공차 만족도까지 예측하고, 그 결과의 해석에 의해 품질 안정화를 위한 공정 파라메터의 최적화를 기하는 시스템으로 개발이 될 것이다. 기존에는 수많은 절삭실험을 통해 적합한 가공 파라메터가 선정되었으나 이 시스템에 의해 절삭실험 없이 최적의 가공조건 선정이 가능하게 된다. 이를 통한다면 생산라인의 유연성은 높아지고 자율적 의사 결정이 가능해지므로 고객 니즈를 실시간으로 동기화 대응할 수 있게 된다.
하이브리드 가공시스템의 구현
또한 경량화 및 고급화 등에 의해 다양한 신소재의 출현과 난삭재에 대한 가공요구가 갈수록 증대되고 있다. 이들의 효율적 가공을 위해 4차 산업혁명의 또 다른 산물인 융·복합 기술들이 개발되고 있다. 이런 수요에 의해 하이브리드 공작기계(Hybrid Machine Tools) 개발에 대한 요구는 더욱더 거세지고 있다.
기존에는 각각 수행되던 물리적인 성격이 다른 다양한 가공방법들을 향후에는 한 장비 내에서 수행되도록 고안된 공작기계가 하이브리드 기술을 대표하는 제품이라고 할 수 있다. 하이브리드 장비에 의한 가공공정들의 통합을 통해서 공작물 Set up 시간의 단축, 가공 계획을 위한 비용 및 시간 절감과 가공품 품질 향상을 획기적으로 도모할 수 있다. 또한 현 기술로는 가공하기 어려웠거나 불가능 했던 소재들의 가공도 가능해 졌다. 레이저 지원 밀링 장비(Laser assited Milling), 초음파 지원 연삭 장비와 로봇 통합 레이저 용접 및 밀링 시스템 등은 하이브리드 기술의 대표적인 기술로 상용화되고 있다. 이들의 구현은 다중 객체들의 충돌방지 및 동기화된 공정 수행을 위한 센서 및 제어 기술, 즉 ICT 핵심기술의 응용에 의해 이루어 졌다. 이는 융합기술의 정수를 보여주는 것으로 4차 산업 혁명에서 주력기술의 한 분야로 볼 수 있다.
Enery Saving 시스템의 구현
증가되는 에너지 비용, 자원고갈 및 환경문제 등은 생산현장에서 자원의 효율적 사용에 기술적 및 조직적인 대책을 요구한다. 이에 따라 차세대 공작기계 시스템에 있어서도 에너지, 절삭유, 장비 가동률, 소재 등의 효율적인 운영을 위한 지속 성장 전략(Sustainable strategy)이 개발되어지고 있다. 절삭공정을 위한 주축 및 이송축 이동, 위치제어를 위한 각종 전자기 장치, 공구 및 공작물 교환, 각종 주변장치들을 위한 운영 매체 공급(유압, 공압, 냉각수, 절삭유)등의 전력 소모량이 공작기계에서 주 에너지 소비원으로 인식된다. 그림 과 같이 현재 이들의 에너지 소비 절감을 위해 공작기계의 각 부분에서 최적화가 진행되고 있다. 이들의 최적화를 위해 각종 H/W들이 개발되고 여기에 ICT기술들이 접목되고 응용되어진다.
공작기계 각 구성요소들 및 주변장치들이 적정에너지 요구량에서 운전되기 위해서 ICT 관점에서 그들이 연결되고 동기화 되는 운영체제가 개발되고 있다. 기존의 개별적인 H/W관점을 넘어 공장 전체 네트워크 내에서 상위 시스템과 통신을 하면서 가공 효율의 고려 하에 에너지 효율 향상을 위해 최적의 조건으로 공작기계가 운전되도록 하며 이는 4차 산업혁명의 핵심인 IoT기술에 의해서 구현이 될 것이다.
스마트 팩토리와 공작기계의 발전방향
다변화되는 생산 활동의 환경에서 중앙 집중식의 생산시스템은 한계를 드러내고 있다. 이에 따라 현재 조직적, 기술적 분야에 적용되고 있는 정적인 계획 및 제어 시스템은 분산 환경의 자율적 시스템으로 대체되어 가고 있으며 이러한 요구에 의해 Smart Factory가 구상되어 실현되고 있는 것이다.
그러므로 Smart Factory는 경제적·기술적 및 조직적인 측면 등 전체적인 관점에서 합리적으로 생성되어야 한다.
이러한 환경에 의해 향후의 공작기계는 단순히 가공 프로세스만을 수행하는 기계가 아니라 전 생산 공정상에서 계획되고 제어 되어야 하는 공장 내의 실시간 통합 및 연결의 핵심 주체로서 구성요소의 역할을 하여야 한다.
즉, 전체 가치 창출 사슬에서 공정, 가공물, 상위 시스템, 다른 장비 및 주변 장치들, 작업자와 상호작용을 하는 시스템의 요소로 간주되는 것이다. 이에 따라 공작기계는 기존과 같은 폐쇄회로에 따른 제어를 수행하는 것이 아니라 현 상태를 지속적으로 해석하여 상황에 맞는 목표를 설정하고 그 차이를 자율적으로 보상하는 장비로 진화 되어야 한다. 이 과정에서 공작기계는 학습기능을 갖고 스스로 환경변화에 적응할 수 있는 인지 능력을 갖는 장비로 발전 되어가고 있다.
특히 상황인지를 위한 스마트 센서, 지능화를 위한 인간사고 프로세스 모델링과 AI기술에 의한 인지 에이전트( Cognitive Agent)화 되어 최적의 결정과 협업기능을 하게 되는 스마트 공작기계시스템으로 구현이 되고 이에는 ICT기술이 핵심적인 역할을 하게 된다.
공작기계산업은 제조업의 궁극적인 가치와 고용창출의 핵심 산업으로 대두되면서 이를 주도적으로 이끄는 산업이므로 지속적으로 발전할 것이다. 그러므로 날로 심화해지는 글로벌 경쟁, 신소재 개발 등으로 공작기계기술의 고도화에 대한 요구는 갈수록 증가할 것이다. 때문에 이를 충족시키기 위해서는 기존과 같이 고정밀화, 고속화, 고효율화와 전체 생산시스템의 핵심요소로서 협업화, 지능화 및 자율화를 지향하면서 새롭게 나타나는 기술들의 응용 하에 새로운 개념의 공작기계로 끊임없이 진화해 나가도록 해야 할 것이다.
아울러 공작기계 산업은 NC 기술의 개발로 정보화에 의한 지동화 시대를 열어 3차 산업 혁명의 주역으로서 산업혁명을 주도하여 꽃을 피우며 산업혁명의 성장에 큰 기여를 하였다.
이에 더해 4차 산업혁명 시대에도 고도화된 H/W에 의한 기능성 향상뿐만 아니라 AI, CPS, IoT, Big Data 등에 의한 지능화 및 첨단화된 핵심장비로서 산업성장을 더욱더 가속화 할 것이다.
여기서 공작기계 개발에 의해 파생되는 H/W 및 S/W 기술의 총아인 스마트화 된 핵심 요소기술들도 타 산업군으로 전파되어 그 군들에서 4차 산업혁명을 주도적으로 이끌 것이다. 그러므로 Smart Factory 및 생산시스템에서 물리적 핵심요소인 공작기계산업은 지금까지와 마찬가지로 또는 그 이상의 의미로 앞으로도 4차 산업혁명을 선도해 나갈 것은 자명한 일이다.
