Design Approaches and Strategies for Energy Saving of 5-Axis Multi-Functional Machine Tools
김태성
1,
, 김경동2
, 이찬홍3
, 남성호4
James Kim1,
, Kyung-Dong Kim2
, Chan-Hong Lee3
, and Sung-Ho Nam4
1 남선기공 (Namsun Machinery Corporation) 2 한국공작기계산업협회 (Korea Machine Tool Manufacturers’ Association) 3 한국기계연구원 초정밀시스템 연구실 (Department of Ultra Precision Machines and Systems, Korea Institute of Machinery and Materials) 4 한국생산기술연구원 (Korea Institute of Industrial Technology)
Corresponding author: [email protected], Tel: +82-42-622-5561
Manuscript received: 2013.3.27 / Accepted: 2013.4.1Diverse approaches for reducing the total energy consumption of machine tools have been introduced and developed, to cope with rapid increase of total energy costs in world-wide manufacturing industries. To realize the improvement of the energy efficiency, systematic and integrated strategies must be considered, including energy-saving design, optimized control operation and concrete evaluation of the energy efficiency. This paper proposes key enabling technologies required to improve the energy efficiency of 5-axis multi-functional machining tools, considering both of system design and operation in the real production environments. Related standardized procedures of the energy efficiency evaluation is also represented.
Key Words: Energy Saving ( 에너지 저감), Machine Tools (공작기계), Energy efficiency evaluation (에너지 효율 평가)
1. 서론
현대식 생산시스템은 사회적 인식변화로 친환 경적인 면이 강조되어 있지만, 구매자를 위한 경 제적인 강점도 상응하게 부각되어 있다. 과도한 수준의 친환경 기능은 오히려 구매 고객들에게 경 제적인 부담이 되어, 많은 기계를 구매하지 못하 게 해서 결국 국가적으로 친환경 시스템을 광범위 하게 확산시키지 못하는 역기능으로 나타난다. 그 래서 현대식 생산시스템이 미래 세대까지 사용되 는 지속 가능한 생산시스템이 되기 위해서는 Fig.
1 과 같이 우선 정밀도와 생산성 면에서 우수한 성 능을 나타내고, 더불어 환경 친화적인 성능도 병
행해서 갖추어야 한다. 이러한 성능을 위해 생산 에서 폐기까지의 큰 사이클 동안 재사용, 재제조 그리고 재회수를 통해서 한정된 에너지 자원과 관 리비용을 최대한 저감해야 한다. 기계의 소비 에너 지 저감은 다소간 생산 물량을 감소시키기는 하지 만, 전체 기계 관리비용의 저감으로 단위 기간 동 안에 생산시스템으로부터 얻는 이익은 더 커진다.
또한, 공작기계에서 전적으로 사용하고 있는
전기 에너지는 모든 국가에서 매년 요금이 급등하
고 있고, 2012년에 시작된 탄소 배출량 5.2% 감축
의무는 각 국가에서 소비 에너지를 감축시켜 탄소
배출을 최소한으로 낮출 의무가 생겼다. 유럽의
경우는 에너지 소비량을 평가하는 표준을 제정하
여, 유럽에 수입되는 모든 생산장비의 에너지 등 급을 평가해서 효율이 낮은 장비는 수입을 억제하 려고 준비 중에 있다. 반면, 유럽에서는 고효율 장 치와 부품을 패키지화 해서 수출을 하고, 전통적 인 정밀도와 신뢰도의 이미지에 고객사의 에너지 경영을 지원하는 의미에서 에너지 솔루션 장치의 공급으로 적극 대응하고 있다. 1
본 논문에서는 5축 복합가공기의 소비 에너지 를 10% 저감하기 위해서 12가지 에너지 저감 방 법론을 실행하였다. 이 방법론을 얻기 위해서 우 선 공작기계 내의 에너지 소비기구를 명확히 정의 하였고, 에너지 저감의 실행방향을 에너지 소비의 관리, 에너지 손실의 개선, 에너지 소비의 패턴 변 화로 분류해서 5축 복합가공기에 실현 가능한 12 가지 방법론을 추출하였다. 에너지 소비량의 평가 를 위해선 ISO의 공작기계 소비 에너지 측정법을 응용해서 장비의 작동조건과 표준 시편을 결정해 서 총 에너지 소비량 평가기법을 제시하였다. 대 표적인 에너지 저감방법으로는 다축 이송계의 가 감속 제어 및 중력축 제어, 운동 구조물의 경량화, 비절삭시 주변장치의 대기전략, 유공압 공급장치 의 효율적 제어, 에너지 저감 절삭조건 적용 기법 을 사용한다.
2. 공작기계의 에너지 소비 기구 및 에너지저 감 기법
공작기계의 에너지 소비기구는 Fig. 2와 같이 4 가지로 분류될 수 있다. 전기적인 손실은 모터에 서 부하 토크, 저항, 와전류, 역전류, 기계효율 등
으로 에너지 소비가 생기고, 진동 손실은 특정 주 파수 대에서 고유 진동으로 인한 공급 에너지의 손실과 감쇠가 일어나고, 마찰 손실은 이동형 결 합부에서 예압과 관성 하에서 마찰로 인한 에너지 소비가 발생된다. 유체 점성 손실은 유공압 장치 에서 관로 저항, 교반 작용, 열특성 등으로 에너지 소비가 일어난다.
공작기계에서 에너지 저감의 실행방향은 Fig. 3 과 같이 에너지 관리 방법으로 에너지 소비의 제 어, 감축 그리고 적절한 공급을 통해서 저감을 이 룰 수 있고, 에너지 소비 유니트의 개선 방법으로 는 경량 재료의 사용, 마찰의 감소, 가감속 운동의 개선을 통해서 저감이 가능하다. 또한 에너지 사용 패턴 변화 방법을 사용한다면 기계 이송축 구성의 변화, 경량 축을 이용한 가공실행, 공구-공작물 상 대 운동 제어를 통해서 저감을 유도할 수 있다.
그러나 이러한 실행방향이 5축 가공기에 모두 적용할 수 있는 방법은 아니므로 실현 가능한 방 법론 12가지를 추출하였다. Fig. 4에 보이듯이 우선 5 축 가공기의 에너지 소비 유니트들이 전기 에너 지를 어떤 소비유형으로 사용하는지 파악해서 불 Fig. 1 Energy reduction technologies for the 5-axis
multi-functional machine
Fig. 3 Energy reduction method of machine tools
필요한 구동이나 연동 운동을 제거한다. 공작기계 에서 가공작업을 하면 각 축은 가감속 운동을 하 는데, 불필요한 사전 가감속 운동이나, 중력방향의 빈번한 사용은 억제한다. 또한 장비는 소형 구조 물에 소형 모터를 적용하는 에너지 저소비 구조를 염두에 두어서 설계를 한다. 고중량의 이송계는 가감속으로 인해서 에너지가 많이 소비되므로 구 조 경량화로 불필요한 에너지를 저감한다. 그리고 공작기계의 작업조건에 적응한 유공압과 절삭유 공급, 그리고 냉각기 작동은 장비의 소비 에너지 를 상당히 저감할 수 있다. 2 공작기계의 주 목적인 가공 시에는 에너지가 저감되는 가공조건을 사용 함으로써 큰 효과를 얻을 수 있고, 장비의 주변장 치는 비 절삭시간에 작동 대기전략을 잘 세움으로 써 에너지를 크게 저감할 수 있다. 공작기계의 유 니트별 에너지 소비는 상시 감시 시스템을 이용해 서 통계 정보를 추출하여 전력안배에 적용할 수 있다.
3. 5 축 복합가공기의 소비 에너지 측정 및 에 너지 저감 기법
3.1 에너지 소비량 측정 방법
5 축 복합가공기의 소비 에너지 측정은 ISO 14955 와 JIS TS B 0024-1의 표준을 준용하여 5축 복 합가공기에 적합하도록 결정하였다. 공작기계의 소비 에너지는 무부하, 부하 그리고 가공 운전모 드에서 각각 측정하게 되는데, 이 경우 장비의 작 동조건은 서로 다르게 된다. 무부하 운전모드에서 는 본체 주 전원 ON부터 시작하여 NC장치 전원 ON, 조명 ON, 냉각유 펌프 ON, 칩 Conveyor ON,
윤활유 회수장치 ON을 마지막으로 장비의 기초 운전시 에너지 소비량을 측정하게 된다. 부하 운 전모드에서는 무부하 운전모드에 추가하여 주축의 회전속도를 Fig. 5와 같이 3-5단계로 변화시키고, 이송계를 이동시켜 인근 점과 대각 점으로 이동을 시키는 운전을 할 때 소비 에너지를 측정한다. 가 공 운전모드에서는 Fig. 5의 표준 공작물을 가공할 때 소정의 가공조건을 입력하여 가공 시 소비 에 너지를 측정한다. 여기서 장비의 소비 에너지를 측정하는 것은 결국 전기 에너지를 측정하는 것이 어서, 본 연구에서는 전력 분석계를 이용하여 전 력을 측정하였다.
공작기계의 소비 에너지를 표시하는 방법은 일 반적으로 3가지를 사용한다. 장비가 각종 이송운 동이나 가공을 하는 경우, 시간적으로 전력 소비 량을 나타내고 전력의 변동위치에 장비의 운동조 건을 기입하는 방법, 측정시간 동안 측정된 총 에 너지에서 각 주요 유니트가 소비한 에너지의 총량 을 비율로 나타내는 방법 그리고 총 소비 에너지 에 대해서 장비의 기본 상태와 준비 상태에서 사 용한 에너지 비율을 나타내는 방법이 있다.
3.2 에너지 관리 및 대기전력 저감 기술
한편, 공작기계의 경량화, 저전력화 등 에너지 저감을 위한 기계적 설계도 중요하지만, 생산현장 에서의 운영방식에 따라 기계의 에너지 효율은 크 게 달라질 수 있다. 따라서, 기계의 효율적 운영과 제어 또한 에너지 저감에 매우 중요한 역할을 차 지한다. 실제 절삭에 소요되는 에너지(cutting energy) 가 전체 기계 전력소모의 15% 내외이며, 냉각펌프 Fig. 4 Energy reduction strategies for the 5-axis multi-
functional machine Fig. 5 Measurement of energy consumption and
standard test workpiece
등 주요 요소장치(function unit)가 보다 지배적인 에너지 소비원이라는 점은 기계 운영 및 제어의 중요성을 반증하는 예라 할 수 있다. 3,4
공작기계가 실적용되는 제조현장 전반의 에너 지 효율성 향상이라는 궁극적인 목표를 위해서는, 운영중인 기계들의 에너지 소비패턴을 실시간 분 석하여 예상치 못한 낭비요인을 규명하고 에너지 관리활동에 피드백 하는 것이 ‘간접적’이지만 가장 기본이 되며, 두 번째로 생산효율에 영향을 미치 지 않으면서도 기계 요소장치들의 운영 또는 제어 방식의 향상을 통해 에너지 소비량을 감소시키는
‘ 직접적’인 기법으로 크게 구분될 수 있다. 3,4 먼저, 생산운영시스템의 토털 에너지 관리 개 념의 도입과 함께, 공작기계 전용의 온라인 에너 지 모니터링 시스템 연구가 진행되고 있다. 4,5 이러 한 연구는 생산운영에 대한 프로세스 데이터와 기 계상태와 동기화된 실시간 에너지 모니터링을 통 해, 기계별 에너지 소비 패턴을 실시간 분석하여 불필요한 공정을 제거하고, 더 나아가 에너지 소 비를 지배하는 낭비요인을 식별함으로써 에너지 관리의 기준데이터를 제공하기 위한 것이다. 5
Fig. 7 은 공작기계를 위한 온라인 에너지 모니 터링 시스템(Online Energy Monitoring System; OEMS) 의 기능과 구조를 개념적으로 도식화 한 것이다.
OEMS 는 다양한 공작기계 종류 뿐 아니라, 보다 다양한 센서 및 부가장치들과 연결성을 제공하여 야 하기 때문에, 이러한 에너지 데이터 노드와 상 호호환성을 제공하기 위한 시스템 구조 연구가 제 안되고 있으며, CNC 상태정보와 동기화하여 공작 기계 내부의 장치요소들의 에너지 소비패턴을 온 라인으로 측정하기 위한 임베딩 시스템 설계에 대 한 연구가 중점적으로 진행되고 있다. OEMS는 공
작기계의 토탈 에너지 관리 시스템 도입을 위한 핵심 컴포넌트로 생산환경 전반의 에너지 소비량 의 모니터링 및 리포팅을 위한 상위 시스템에 대 한 에너지 데이터 서버의 역할이 함께 제공된다.
한편, 에너지 관리 도입과 함께, 기계의 주요 장치요소에 대한 에너지 효율성 향상연구가 진행 되고 있다. 이 장치요소 중 가공에 직접적인 영향 을 미치는 주축/이송계를 제외하고도 냉각장치의 제어, 압축공기 공급, 공구교체시 사용전력, 유압 장치의 대기손실 등 주변장치의 소비전력 비중이 매우 높고, 이에 대한 효율적인 제어를 통해 상당 한 양의 에너지 저감이 가능함이 입증되고 있다. 6 기계의 가동상태 측면에서 보면, 60% 이상의 에너 지가 Idle 상태에서 소비되고 있어, 준비시간 단축 과 함께 비가공시간 동안 세밀한 대기전력 관리의 중요한 문제로 대두되고 있다.
Fig. 8 은 전술한 바 같은 주변장치의 제어전략 개선과 대기전략 운영프로세스 효율화를 통한 에 너지 저감방안의 효과를 도식적으로 나타낸 것이 Fig. 6 Core function units for lightweight structure of
the 5-axis multi-functional machine
Fig. 7 Online energy monitoring system for machine tools
Reservation time
Dependency of peripheral equipment Mapping between user input parameters and operation parameters Development of probability models Reservation function
Energy saving
Intensity level for operation preparation pdf
Ending sequence
Operation period of individual devices Operation time of individual devices Operational intensity of individual devices Working starts
Operation sequence of peripheral equipment
•
Reservation time
•
Cutting condition (expected value) Waiting time
Autonomous energy management function
•
Waiting time (expected value)
•
Intensity level for operation preparation
•
Cutting condition (expected value)
Fig. 8 A schematic diagram of standby strategies for
energy saving in peripheral equipments
기술을 제공코자 한다.
4. 에너지 효율 평가방안 및 적용 방안 4.1 에너지 소비모형 평가 및 표준화
2-3 절에서 기술한 바와 같은 경량화·최적 설 계, 요소장치의 고효율화, 에너지 관리, 제어·운 영 전략 등 공작기계의 에너지 저감을 위한 다양 한 연구와 논의들을 바탕으로, 공작기계 에너지 효율 측정의 표준화 또한 최근 중요한 문제가 되 고 있다. 7 다양한 종류의 공작기계에 따른 에너지 소비패턴 규명을 위한 연구결과들은 운전모드 또 는 가공·비가공 상태에 따라, 전체 전력소비량과 요소장치의 소비모형으로 특성화(characterization) 하는 일련의 접근방법들로 일반화 되어질 수 있 다. 8 Fig. 9 는 이렇게 공론화 된 절차(quasi-standard)
CECIMO( 유럽공작기계연맹)은 EuP 지침(Directive on Eco-Design of Energy Using Products) 의 적용에 앞 서 자발적인 자주규제안(Self Regulation Initiative;
SRI) 을 작성해 국제표준으로 EuP지침에 대응코자 하였다. 이러한 움직임과 연계하여 공작기계의 환 경배려 설계방법 및 소비전력 측정방법의 ISO 표 준화 필요성이 제안되었다.
주목할만한 표준제정 활동으로, 공작기계 에너 지 배려 설계 및 에너지 소비효율 측정방법에 대 한 표준화 작업을 위해, ISO TC39(공작기계)의 WG12( 공작기계 환경평가)에서 제정중인 ISO 14955 가 있다. 먼저, ISO 14955-1은 공작기계를 평가하기 위한 것이 아니라 제품 설계와 개발 및 환경에 대 한 프로세스와 에너지 고효율화를 위한 설계 방법 의 완성도를 평가하기 위한 표준 프로세스이다.
또한, ISO 14955-2는 시스템의 경계, 운전 모드, 시 프트의 운영 체제, 측정방법과 불확실성, 결과의 보고와 감시로 정의되며, 다양한 공작기계 운전조 건에 대하여 반복 가능한 측정프로세스를 정의하 는 것을 목표로 하고 있다.
이와 같이 공작기계의 에너지 평가에 대한 표 준화는 연구-산업계와 표준화 커뮤니티 간에서 긴 밀한 사전논의가 중요하다. 본 연구에서는 Fig. 10 에서 나타낸 바와 같이, 에너지 저감 및 측정에 대한 원천기술 개발과 함께 표준화 전략에 상호대 응 하기 위한 연구를 함께 병행하고 있다. 이러한
Fig. 9 Energy consumption patterns of the 5-axis multi- functional machining center
Energy consumption patterns of machine tools
Machine Tool Builders Research Institutes
Standardized test procedure
EuP, ErP, SRI Energy efficiency performance index
ISO 14955, JIS TS B 0024-1
Associated Communities
Fig. 10 Strategies for the standardization procedure of
energy efficiency for machine tools
노력을 바탕으로 에너지 효율 평가에 대한 표준은 향후 에너지 소비효율 등급화로 이어질 것으로 예 상되며, 이에 대한 기술적 기반을 준비하는 측면 에서도 본 연구의 의미가 부여될 수 있다.
4.2 5 축 머시닝센터의 에너지 효율 평가
Fig. 11 은 전절에서 기술된 에너지 소비효율 평 가방안 하에서 개발중인 5축 머시닝센터의 성능 및 에너지 효율에 대한 종합적인 평가방안을 정리 한 것이다. 경량화 설계, 요소장치에 대한 고효율 화 및 대기전략, 절삭프로세스의 최적화 등의 에 너지 저감기술 개발 및 적용도 중요하지만, 근원 적인 기계성능에 대한 특성이 뒷받침 되어야 한다.
본 연구에서는, 이를 고려한 종합적인 평가를 통 해 개발 시스템의 에너지 효율성 향상에 대한 측 정 가능한 지표를 제시코자 한다.
한편, 구조적 측면의 에너지 저감 효과와 요소 장치에 대한 개별적인 에너지 효율 개선이 이루어 지더라도 각기 요소간의 상호 연관된 작용으로 기 계 전체의 에너지 효율지표가 달라질 수 있다. 더 욱이, 실제 기계 운영 시 환경변화가 주는 영향을 명확히 규명하는 것이 매우 중요할 것으로 판단되 며, 이러한 문제의 체계적 접근방안에 대한 심층 적인 연구가 필요할 것으로 예상된다.
5. 결론
본 논문에서는 5축 복합가공기의 에너지 효율 성을 향상시키기 위한 방안으로, 구조 경량화, 운 동기구 최적화, 주변장치의 고효율화 및 최적제어 등 12가지 에너지 저감 방법론을 제시하였다. 더
후 기
본 연구는 지식경제부의 산업융합원천기술개발 사업인 ‘에너지 소비량 10% 이상 저감된 5축 머시 닝센터 기반 복합가공기 개발’ 과제의 지원을 받 아 수행되었으며, 이에 감사 드립니다.
참고문헌
