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김 동 훈 한국기계연구원 첨단생산장비연구본부 책임연구원 ㅣ e-mail : [email protected] 송 준 엽 한국기계연구원 첨단생산장비연구본부 책임연구원 ㅣ e-mail : [email protected]
이 글에서는 IT기계 분야 기술 현황 및 제조설비 관점에서의 IT융합 연구사례에 대해 소개하고자 한다.
제조설비의 IT융합 현황 및 적용모델
글로벌 경쟁력 향상을 위해서 기존 기계제품(부품)의 IT융합화와 더불어 네트워크 기반 협업・통합화, 시스 템 차원의 통합관리제어, 제조생산의 혁신뿐만 아니라 보수/유지 등의 기술개발이 필요하다. 즉, IT융합을 통 하여 기존 기계제품(부품)의 고부가가치화를 이루고 이 를 활용하는 프로세스 및 생산시스템의 고도화를 이루 는 데 필요한 핵심기술을 도출하여 향후 기계-IT 융합 기술의 발전방향 및 트랜드를 예측함으로써 보다 경쟁 력 있는 융합기술 개발이 필요한 시점이다.
따라서 이 글에서는 IT융합 산업의 전반적 기술적 변 화 파악과 아울러 범위를 좁혀서 제조설비 관점에서의 IT융합 연구현황 및 To-Be 모델을 일부 살펴보고자 한다.
IT기계 분야 기술 현황
IT기계 분야의 기술 현황을 선진 및 국내를 종합적 으로 살펴보면 다음과 같다. 먼저 일본의 2035년 과학 기술 예측 자료에 따르면 향후 2020년 내에 실현시기가 가장 빠를 것으로 예상되는 영역은 IT 이용 제조기술로 분석된다. 예를 들면, 제조된 공업제품에 이력(제조자, 재료, 부품, 성능・특성변화, 사용자 등)을 식별할 수 있 는 IC칩을 삽입한 제품의 생애추적시스템, 고도로 복잡 한 기능을 갖는 기기・설비를 원격지로부터 보수・점 검 기술, 자율적응, 다품종소량생산, 기간단축을 지원
하는 제조용 S/W 기술 등을 들 수 있다. 그리고 일본의 FANUC, OKUMA 등 공작기계 및 생산자동화 업체에서 는 MT와 IT융합 개념의 원격제어 모니터링 시스템을 개발 중 또는 일부 서비스 중이다. 다음으로 독일의 지 멘스 및 미국의 MDSI 사는 원격감시에 따른 고장처리 를 전기통신(telecommunication)을 통하여 지원하는 시스템을 개발 중 또는 일부 서비스 중이다. 예를 들면, 단일 공장관리시스템에서 복수공장 관리에 협업을 중 시한 제조 IT로 진화 중이다. 아울러, 건설 및 농기계 선 도 기업인 미국의 캐터필러, 존 디어 일본 고마쓰, 스웨 덴 볼보 등에서는 하이브리드 건설기계, 연료전지 로 더, GPS를 활용한 반 무인화 건설장비 등에 대한 시제 품 출시 및 연구개발을 수행 중이다. 또한, 미국에서는 이미 수년전부터 차세대 원자력 발전소 건설기술 개발 에 IT융합 플랜트 도입 착수하고 있으며, MIT에서는 IT 융합 플랜트 기술 로드맵 제시 등 활발한 활동을 하고 있다.
국내의 경우, 정부는 2010년 이후 수출 400억 달러를
상회하는 21세기 성장 견인산업으로 집중 육성 유비쿼
터스 관련 기술 및 현장적용 상용화 서비스 개발에 집중
지원 중이다. 일례로 한국기계연구원에서 지식진화기
반 지능제조설비 및 유무선 통합관리기술을 개발 중에
있다. 기계 스스로 지식을 진화시키면서 유무선 네트워
크 환경에서 동적으로 운영되고 관리될 수 있는 자율기
계기술을 확보할 예정이다. 이러한 IT기계 융합 기술은
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NTRM 비전Ⅳ‘차세대 생산시스템: 지능형제어시스템 및 지능형 자율 산업설비/로봇 부분’에 부합되며, NTRM 비전Ⅳ 지능형 메카트로닉스 기술의 발전추세와 도 일치되는 주요 기술이다. 또한, 생산시스템 전략기술 의 로드맵(초미세기계, 초소형기계, 고효율지능화 등) 에서 지능화 분야인 차세대 디지털 제조장비 지능화/통
합화 부분에도 정확히 부합 되는 기술이다. 기계산업의 IT융합 촉진 방안 차원에서 핵심기술, 전략 및 미래산업 수요를 정의하면 다음과 같 이 나타낼 수 있다.(그림 1)
IT융합 및 적용을 통한 지식진화형 u-제조설비
앞으로는 제조설비 및 구 성 디바이스들이 통합의 객 체가 아닌 주체로서 서로간 자율적인 인터페이스가 가 능하게 될 것이다. 본 장에 서는 기계・생산기술, 시스 템 운영기술이 IT기술과 융 합을 통하여 기계 스스로 지식을 습득, 이해, 판단, 조 정하며, 다른 기계와의 대 화, 자율협업을 통해 새로운 지식창조 및 자가 조직화가 가능한 지식진화기반의 지 능적 기계인 u-제조설비에 대하여 언급하고자 한다.
우선, 이의 핵심기술을 살펴 보면 Built-In 센서 인프라 기반의 기계・공정 상태정 보인식 기술, 기계 상태정보 (정밀도, 품질)와 공정조건이 복합된 실시간 감시제 어・최적인 프로세스 보정기술, 개방형 컨트롤러 기반 에 HMI, 에이전트 SW기술 등이 탑재된 지식진화형 지 능 제조설비(생산기계) 기술, M2M/USN기반 자율협업 기술, 자율적 실시간 이벤트를 처리하는 미들웨어 플랫 폼 기술, 친환경과 편의성을 지향하는 융합형 공장운영
그림 1기계산업 관점에서의 본 IT융합 비전 예시
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및 네트워킹 기술 및 나아가 자가조직형 u- 팩토리 운영기술로 분류할 수 있다. 이러한 기 술 은 네 트 워 크 로 연 결 된 생 산 기 계설비들로부터 생산현장의 모든 정보가 실시간 수집되고, 수집된 데이터를 지식전달 및 자기조직화하여 협업 프로세스 에 활용하고, 이러한 정보를 상위 정보시스 템과 연동하여 생산공정을 최적화 및 통합 운영하는 기술로 매우 독창적이며 선도적인 개념이라 할 수 있다.(그림 2)
IT융합 및 적용을 통한 미래지향 자율적응 가공기계
최근에는 자동차산업 등 파급효과가 큰 분야에서의 미래 생산가공 기술에 대하여 관심이 높아지고 있다. 본 장에서는 지능형 가공기의 공정최적화 및 무인화에 적합한 자율예지보전과 장애유형에 따른 대응전략 등을 통한 무인화 가공공정 최적화 및 자율 대응시스템에 대한 필요 핵심원천기술의 일 부 개발 중 사례를 소개하고자 한다. 세부 내 용으로는 가공품질 저하의 원인이 되는 열 변형, 채터진동 등 핵심 영향인자의 예지보 전을 통한 가공 중 실시간 CNC 자율보정 기 반 공정최적화, 고속정밀가공을 위한 기계 진동원의 추적해석을 통한 능동적 기계진동 감쇄제어 최적화, Vision 및 회전공구 실부 하 무선 모니터링을 통한 공정무인화 및 가 공 Cell 레벨에서의 무인화 및 시스템 가동 률 극대화를 위한 발생장애의 자율대응 운 영방안 개발로 정의할 수 있다. 기존 연구와 의 차별성으로는 장시간 가공 중 가공 원 사
이클 후나 다음 가공공정부터가 아닌 현재 실시간 가공 중 능동적 공정감시 및 예측에 의한 실시간 자율보정을
통하여, 가공공정 최적화 및 무인화를 지향함으로써 가 공성능(가공정밀도, 표면거칠기, 정밀가공, 고속가공)
그림 2지식진화형 지능제조설비 모델
그림 3미래지향 자율적응 가공기계의 To-Be 모델
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을 향상시키며, 또한 셀(Cell)이나 시스템에서의 가동률 극대화 달성을 위한 장애 유형에 따른 대응전략 개발을 목표로 하는 것 등으로 볼 수 있다. 그림 3, 4, 5에 이에 대한 To-Be 모델 및 가공공정 최적화/무인화 예시를 나 타내었다.
IT융합 산업의 기술적 변화 파악 및 생산 및 제조 분
야에서의 IT융합 기술동향 및 관련 연구 현황을 살펴보았다. 세계적으로 IT 융합 기계기술은 아직 초기단계로 IT 기계(IT Machinery) 시장의 선점 가능성이 높으 며 IT융합은 기계산업 자체의 고부가가 치화는 물론 IT산업의 양산화 시장 창출 (대표적인 예로 USN, M2M, RF-ID분야) 이 가능하다. 제품자체의 지능화, 자동화 요구와 함께 설계/제조 및 보수/유지/폐 기 등 전 생명주기(Product Life-cycle)에 걸친 공정의 지능화, 자동화 요구 증가에 따라 컨버전스 부품, 생산기반 설비 및 공 정기술 확보의 시너지효과가 기대된다고 할 수 있다. 따라서 IT융합 기계기술은 시 각화 및 유비쿼터스화를 통한 쉽고 정확 한 운용을 통해 효율성 및 생산성 극대화 유도, 작업자 친화형 콘텐츠 및 사용자 서 비스의 혁신(Innovation in Contents and Services)을 추구할 수 있기에 시급히 실 현전략이 필요하다 할 수 있다.
IT 강국인 우리나라가 생산제조 분야 의 기반산업인 기계산업 및 다양한 전통 산업의 IT융합화로 세계를 리딩할 수 있 는 적합한 분야를 찾아서 선점하여야 할 것으로 판단된다. 일례로 미래형 공작기 계는 고도화된 지능형 시스템과 인공지능기술을 바탕 으로 네트워크 기반 협업・통합화 및 에너지 소비 효율 개선을 통한 지속 가능한 스마트 팩토리 시스템의 핵심 역할을 수행할 것으로 예상된다. 이를 통하여 향후 자 동차, 조선, 항공 등 파급효과가 큰 많은 산업분야의 기 반 핵심기술 확립이 가능할 것이다.
그림 5가공기계 가공공정 감시 및 셋업 무인화 예 그림 4가공기계 가공공정 영향인자 실시간 보정 최적화 예