[스마트 정밀기계 유니트 기술 동향]

초연결을 통해 구현하는 전혀 다른 제조업

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FeatureⅡ 자료_ 중소벤처기업부

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스마트 정밀기계 유니트 기술은 ICT 기술이 융합된 스마트 스핀들, 모니터링 스테이지(이송계)등 스마트 가공시스템에 대응하는 공통 핵심 부품 및 소프트웨어를 말한다. 기존의 정밀기계, 마이크로 전자 기계 시스템, CNC 공작기계를 효율적으로 운영 관리하기 위해 ICT 융합 기술을 접목하여 시스템 효율 향상에 관련된 기술 등의 내용을 포함한다.

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더 똑똑하고 빠르게! 제조업의 경쟁력을 높여라

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장비산업은 「소재→장비→부품·완제품」으로 연계되는 산업생태계에서, 최종 산출물의 품질, 기능 및 생산성을 결정하는 핵심 기반산업으로 자동차, 조선, 반도체, 디스플레이 등 우리나라 수출 주력산업의 생산장비를 공급하는 기반산업으로 국가 브랜드 가치와 직결된다. 따라서 ICT융합을 통한 장비산업의 지능화·스마트화는 주력산업 고도화와 직결되며, 장비산업의 자체 의 고부가가치화를 위한 전략이 요구된다.

최근에는 기계 본체의 NC화를 넘어서 공장 전체의 생산과 연관된 공장 자동화가 진전되고 있다. 즉, 단위 공작기계로 이루어진 가공 셀(cell)을 형성하고 이는 자동화 기능을 가진 로봇, 무인 운반차, 자동창고 등과 연결되고, 나아가서는 상위의 컴퓨터와 연결되어 공장 전체를 자동화하는 단계인 FA(Factory Automation) 또는 FMS(Flexible Manufacturing System)의 형태로 발전되어 가고 있다.

현재 전 세계 산업 제어 및 공장 자동화 시장은 2017년 1,552억 6,000만 달러에서 연평균 성장률 7.5%로 증가하여, 2023년에는 2,391억 1,000만 달러에 이를 것으로 전망된다.

4차 산업혁명 및 스마트 공장의 확산에 따라 3차원 적층제조시스템, 스마트 시스템의 성장세가 두드러진다. 스마트 시스템의 경우 2016년 357억 달러에서 스마트 공장 확산에 따라 연평균 10%의 성장률로 2022년 633억 달러의 시장을 형성할 것으로 전망되며 장비-시스템-운영솔루션(S/W·서비스)이 결합된 시스템 패키지 비즈니스로 패러다임이 전환 중이다.

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스마트 정밀기계 유니트 기술개발 이슈

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다양성과 개인화된 맞춤형 제품을 추구하는 소비패턴의 변화에 맞추어 제조공정의 다품종/ 맞춤형/소량생산 방식으로 변화가 진행되고 있으며, ICT 기술을 활용한 지능화된 가공시스템을 구현하기 위한 지능제어, 에너지효율 향상에 대한 연구개발이 활발하다.

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클라우드와 IoT 기술을 이용해 공장 내 가공장비 및 주변장치에서 생성되는 각종 빅데이터를 수집·분석하는 지능형 예지보전 및 운영 솔루션산업이 성장하고 있으며 가상공작기계(Virtual Machine) 및 가상공장 시뮬레이션과 제조공정에서 발생한 빅데이터를 응용한 CPS 기반의 제어·운영기술의 초기 단계가 도입 중이다.

제품변화와 리드타임 단축대응을 위한 고속화, 복합화는 보다 다변화된 고객 요구에 대응하기 위해 플랫폼 자체의 유연성 배가가 기술의 초점으로, 최대 수요처인 자동차 분야에서는 친환경에 대응한 난삭재 고능률 가공시장이 빠르게 확대되고 있고, 항공, 조선 산업 등의 대형 고부가가치화와 풍력 등 신산업의 급성장으로 인해 대형 복합가공시스템의 개발경쟁이 치열하다.

최근 장비, 유연자동화 주변장치/셀, 운영-제어시스템(S/W), 서비스 등 시스템의 턴키(turnkey) 공급추세에 따라, FMC/FMS 플랫폼 자체의 상품화가 진행되고 있으며, 향후 셀기반 유연생산시스템으로의 전환이 예상된다.

센서융합 및 네트워킹 기술, PMC인터페이스 기술, 실시간 모니터링/진단, 클라우드 기반 데이터 관리기술 등의 ICT 기반 융합기술을 활용하여 스마트 공장 및 첨단가공 분야에 적용 가능한 양방향 통신용 스마트 공작기계 시스템 및 그 유닛개발의 필요성도 높아지고 있다.

스마트 정밀기계 유닛의 핵심요소 기술 개발은 스마트 구성요소, 공정설계시스템, 시스템 구현 및 제어 기술 등에 관한 연구가 진행되고 있다. 연구의 주된 방향으로는 ICT 기반 융합기술이 내장된 가공시스템과 핵심기술을 개발하여 첨단 고부가가치 제품을 고정밀/고효율로 가공하는 스마트 정밀기계 시스템을 개발하는 것이다.

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다중센서(온도, 진동, 전압/전류, 하중, 유압, 유량, RFID 및 비전 등) 및 센서융합(센서융합도 2개 이상) 기반 공작기계시스템 상태추출에 대한 기술은 공작기계의 스마트화에 대한 핵심요소 기술로, 센서의 빌트인(built-in) 기술 및 내구성 및 내환경성에 대한 연구가 진행되고 있다. 또한 센서 인터페이스 및 공작기계와의 통신을 위해 산업용 표준 및 CAN, OPC, IoT(Internet of Things), Fieldbus 등의 다양한 통신프로토콜을 지원하는 통신 및 네트워크에 대한 연구도 수행 중이다.

지능형 HMI 기술과 기계 간 통신 및 클라우드 통신(M2C) 기술은 ICT 기술에 의해 빠르게 발전하고 있다. 이들 기술은 실제 공작기계시스템에 장착되어 스마트 공작기계 시스템의 구현 및 적용영역이 확대되고 있다. 이와 함께 CNC 제어기의 지능화·개방화에 따른 임베디드 소프트웨어 개발도 가속화되고 있다.

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빠르게 움직이는 제조현장

최근 AI는 인간입력 물리량 데이터를 학습하여 비정상을 감지하거나 분류 예측하고 맞춤형 솔루션을 제시하는 등의 플랫폼 기술로 부상했다.

기계 부품에 부착된 센서에서 실시간 데이터를 확보하고 이상 데이터 탐지로 고장을 예측하여 사용수명 신뢰성 및 안전성을 강화하고 기계 부품 장비들에서 얻은 실시간 데이터를 분석하여 인공지능 기술로 시스템 최적화 또는 최적 솔루션을 제시하는 것이다.

직관설계 인공지능 기반으로 특정 부품이나 시스템의 설계도면 신뢰성 데이터 등을 학습하여 최적의 설계를 제안하고 3D프린터로 생산하기도 한다.

빅데이터를 활용하는 모습도 늘고 있다. BMW는 차량 생산 정보 고객정보 차량 운행 정보에 대한 빅데이터를 분석함으로써 신규 차량에 대한 품질보증 청구를 감소시켰다. 중장비 업체 Komatsu는 기계장비에 대한 유지보수 비용 절감을 위해 빅데이터 기반 예측정비 및 사후 결함 데이터를 취합, 분석하고 이를 피드백하고 있다.