Prediction and Evaluation Method of Energy Consumption in Machine Tools

◆ 특집 ◆ 공작기계의 소비 에너지 저감 기술

공작기계의 에너지 소비량 평가기법 및 예측기술

Prediction and Evaluation Method of Energy Consumption in Machine Tools

이찬홍^1,, 황주호¹ Chan-Hong Lee^1, and Jooho Hwang¹

1 한국기계연구원 초정밀시스템 연구실 (Department of Ultra Precision Machines and Systems, Korea Institute of Machinery and Materials)

 Corresponding author: [email protected], Tel: +82-42-868-7120 Manuscript received: 2013.3.14 / Accepted: 2013.4.5

In this paper, main mechanism and measurement method of energy consumption for machine tools are investigated by experiment and simulation. To evaluate total energy consumption of the machine tools, standard test workpiece and measuring method and test procedures are suggested. And, improvement of energy consumption evaluation by the motion kinematics theory is used. In addition, to estimate energy consumption of machine tools in design process, mass distribution of the structure and 5 axis motions are investigated and simulated by numerical analysis.

Key Words: Energy Consumption of Machine Tools (공작기계의 에너지 소비량), Electricity Energy (전기 에너지), Kinematics of Feed Units (이송계의 동역학), Evaluation and Prediction of Energy Consumption (에너지 소비 평가 및 예측)

1. 서론

세계적인 에너지 소비율 증가와 지구상 에너지 자원의 고갈, 그리고 에너지 비용의 가파른 상승 으로 에너지 절감에 대한 관심이 고조되고 있다.

특히 기계공장에서는 기본 생산장비로서 다수의 공작기계가 설치되어 있어서, 국가 전체로 볼 때 에너지 절감형 공작기계의 채용은 국내외 시장에 서 생산 경쟁력 강화의 한 방법이 될 수 있다. 그 래서 유럽에서는 “최소의 비용으로 최대의 효과”

를 얻는 재정 이익 위주의 경영전략에서 “최소의 에너지로 최대의 이익”이라는 환경을 고려한 지속 경영 체제로 전환되고 있다. 유럽은 고부가가치 산업국가이지만, 총 소비 에너지의 25%가 생산제 조에 사용될 정도여서 활용 장비의 에너지 소비율 에 큰 관심을 두고 있다. EU의 에너지 위원회에서

는 공작기계를 에너지 고 소비 품목 중 상위 3위 로 지정하고 시급히 에너지 소비량을 개선해야 하 는 장비로 분류하고 있다.¹

국내에서 공작기계의 경제적 평가는 단위시간

Standard Workpiece for Test

Fig. 1 3D model of 5 axis machining center

에가공해내는 부품의 개수로 계산되고 있으나, 현 재같이 전기 에너지의 비용이 높은 경우에는 생산 부품의 개수는 물론 전기비용을 비롯한 장비관리 비용이 큰 역할을 한다. 그래서 신 장비 개발에 있어 판매가와 예상되는 장비의 소비 에너지량은 판매활동의 중요한 고객 판단기준이 되고 있다.

본 논문에서는 공작기계의 주요 에너지 소비 기구에 대한 에너지 소비원리와 전기 에너지 측정 방법을 설명하고, 공작기계 전체의 에너지 소비량 을 측정하기 위해서 표준 가공물을 이용한 소비 에너지 측정순서와 가공조건, 기계 운영방법 등을 설명하였다. 또한 에너지 소비량 개선을 위한 목 적별 에너지 소비량 표시 방법을 서술하였다. 그 리고 신 개발 공작기계의 설계 공정을 가속화 시 키기 위해, 공작기계의 에너지 소비량을 설계 단 계에서 정밀하게 예측하기 위해 구조물의 질량분 포와 이송 축 구성을 기반으로 장비의 표준 모션 에 대한 소비 에너지 측정과 예측 기술에 대해서 서술하였다.

2. 공작기계의 소비 에너지

2.1 에너지 소비 기구의 종류 및 원리

공작기계의 주요 에너지 소비기구는 장치의 설 치 위치로 분류할 수 있다. 우선 기계 주변장치로 서 장비에 작동 매질을 공급하는 유공압 공급장치 가 대표적이다. 고압의 매질을 공급하고 압력을 유지하는데 많은 에너지가 필요하며, 이에따라 고 효율 모터와 펌프, 마찰력 개선에 대한 연구가 수 행되고 있다. 베어링 윤활장치와 안내면 오일 공 급장치도 이 주변장치에 속한다. 그리고 오일 냉 각기도 대표적인 에너지 소비 장치로서 냉각 기구 개선과 제어기법 변화, 고효율 냉매 및 밸브에 대 한 연구가 보고되고 있다.²

장비 내 에너지 소비기구로서는 고속 주축의 가감속 회전 및 베어링 마찰, 내장형 모터의 코일 손실 등에 대한 에너지 소비가 있고, 이송 안내 기구에서는 가감속 모션 및 마찰에 대한 에너지 소비가 있다. 리니어모터와 서보모터에서는 직선 모션과 회전에서 발생하는 에너지소비가 있다. 공 작기계는 다른 기계장치에 비해 CNC장치의 역할 이 크고, 수행 명령이 대량으로 실행돼서 전기 소 모가 매우 커서, Fig. 2에서 보는 바와 같이 장비에 공급되는 에너지의 24% 정도를 CNC에서 소비하 고 있다.

Fig. 2 The ratio of energy consumption in machine tools’

units⁴

이 유니트와 전기적으로 연계가 되어 있는 전 장 박스내의 전기소모도 발열과 냉각 팬의 작동으 로 무시할 정도가 아니다. 또한 모션 변환기구인 볼 스크류와 기어류 등은 토크 전달 효율을 에너 지 소비로 볼 수 있다.

F m a P F V T E P t

ω

= ⋅

= ⋅ = ⋅

= ⋅

(1)

공작기계 내에 에너지를 가장 많이 소비하는 유니트는 이송계로서 전체 공급 에너지의 47% 정 도사용한다. Fig. 3에는 5축 가공기의 X축, Y축과 C 축, Z축 이송 유니트를 도시하였다. 이송계가 소비 하는 에너지는 식 (1) 에서 보듯이, 이송 테이블의 질량에 운동 가속도를 곱하면 테이블에 가한힘이 되고 이 힘에 테이블의 운동 속도를 곱하면 소비

Fig. 3 Energy consumption units for feeding

전력이 된다. 그리고 운동한 총 시간을 곱하면 소 비 에너지가 계산된다. 대부분의 축은 축방향의 가감속 운동에 대한 소비 에너지를 계산하면 되지 만, Z축은 중력 극복을 위한 모터의 정지 에너지도 계산되어야 한다.

근본적으로 이송계의 운동은 NC Data에 의해서 만들어지는데, 이송 궤적상의 각 점에서 운동 속 도와 방향이 변화하기 때문에 각 축의 관점에서는 속도변화에 따른 가감속 운동이 발생하게 된다.

가감속도의 한계와 가속도 조종은 다른 축의 목표 점 도달 시간을 검토하여 CNC에서 제어된다. Fig.

4는 이송계가 두 점을 이동할 때 미세한 Jerk및 가 속도의 시간적 변화, 속도와 위치 변화를 커브로 나타내고 있다. 이 4개의 곡선은 이송 궤적상의 각 점간에 연결해서 관찰하면 이송계 전체의 변위, 속도, 가속도 곡선이 된다. 이때 소비 에너지에 관 계되는 커브는 가속도와 속도 곡선이다.

2.2 공작기계의 소비 에너지 평가 방법 공작기계의 구동 에너지는 대부분 전기 에너지 의 형태로 공급되기 때문에 소비 에너지도 전기적

으로 측정이 가능하다. 다만 구동 모터는 운동 기 구의 초반부에 부착되어 있어서 운동체까지 토크 전달 경로상의 마찰력, 관성력, 부착물 질량 등의 노이즈를 받게 되므로 목표가 되는 운동체에 대한 정확한 평가가 어렵다. 그래서 목표 지향적인 평 가를 위해서는 실 에너지 측정 외에 이론적 상세 분석도 필요하다.

공작기계의 소비 에너지 측정 표준은 ISO 14955와 JIS TS B 0024-1에 머시닝센터와 선반, 그 리고 연삭기를 기준으로 서술되어 있다. 측정 모 드를 부하, 무부하, 가공 모드로 분류해서 소비 에 너지를 측정하고, 장비의 주축 회전수, 이송 경로, 가공물 형상, 가공조건 등을 사전에 정의하여 전 력계를 통한 시간적 변화를 측정하는 것을 규정하 고 있다. 공작기계에서 측정해야 하는 주축, 주변 장치, 이송계 유니트의 전기 단자는 전장 박스에 서 모두 얻을 수 있으므로 다수의 전류계를 이용 해서 동시에 전력 소비 경향을 측정한다. Fig. 5에 나타낸 바와 같이, 공작기계에서는 3상 전기를 사 용하고 있으므로 3상이 균형을 이루어야 하나 기 계에서 단상 전기의 수요가 많아 3상 전기에 불균 형 현상이 발생하므로 전력 측정상에 조심을 해야 한다.

가공 공정에서는 절삭 속도가 빨라 전력의 돌 발 피크가 발생하지만, 측정 주파수가 낮고 평균 화 과정 때문에 큰 피크가 측정되지 않는 경우가 있으므로 사전 측정으로 측정 주파수를 적절하게 조정한다.

공작기계의 에너지 소비평가 공정은 장비와 가 공물 그리고 작동조건을 중심으로 측정하는데, 장

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

Displacement Velocity

Time (s) Feed

ing di stanc e (m)

0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10

Velocity (m/s)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

-0.01 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

Acceleration Jerk

Time (s) Acce

lerati on (m /s

2)

-0.100 -0.075 -0.050 -0.025 0.000 0.025 0.050 0.075 0.100

Jerk (m /s₃ )

Fig. 4 Motion kinematic curves for feeding between two points

Fig. 5 Set-up of electricity energy measurement⁴

비의 일반적인 운동인 경우 전기 에너지는 매우 작게 나타내고, 다축 운동인 경우 축마다 상대적 전력 차이가 커서 신호가 노이즈에 흡수되는 경우 가 종종 발생한다. 주축의 고속 회전으로 인한 소 비 에너지는 매우 커서 미소 밀링 가공을 동시에 수행중인 경우 절삭 에너지를 구분하기가 어렵다.

Fig. 6에는 공작기계의 소비 에너지를 측정, 평가하 는 공정을 요약하여 표시하였다. 가동 조건은 무 부하 운전 모드부터 시작하여 필요한 운전 모드를 모두 측정하고, 가공에 필요한 가공물의 형상과 공구를 정의하고 전장 박스에서 전력계를 이용한 측정을 실시한다. 전력 변화에 대한 기계의 작동 조건 변화와 1대1 대응이 되도록 기록한다. 최종 적으로 장비의 공정별, 유니트별 에너지 소비 패 턴과 비율을 평가 할 수 있다.

3. 5 축 가공기의 에너지 소비량 측정 실시 공작기계의 에너지 소비량 측정을 위해 5축 가 공기를 대상으로 하였다. Fig. 7에 나타낸 바와 같 이 장비의 고속 주축, 주변 장치, NC 장치 등 평가 유니트는 독립적으로 측정되었다. 이송축의 운동 은 가능하면 독립된 직선 운동을 실시해서 축간 연동이 되지 않게 측정을 하고 마지막 측정 단계 에서 복합운동을 해서 전체적인 이송계의 소비 에 너지를 측정하였다.

기계에서 전력을 측정할 때, Fig. 8과 같이 동작 이벤트를 기록하고 저장한다. Fig. 8를 통하면 에너 지 소비 유니트의 우선 순위를 평가할 수 있고, 축 연동 운동을 독립 축으로 분리할 수도 있다.

측정치는 다수의 평균화 작업을 통해 신뢰성 있는

데이터로 변환시켜야 한다. 역률은 전압과 전류의 파형 형태에 따라 계산되는 일종의 손실 비로서 측정 대상물의 작동조건에 따라 변화한다. 그러나 변동폭이 크지 않아 일정한 값으로 결정하여도 에 너지 소비 경향을 파악할 수 있다.

4. 5 축 가공기의 에너지 소비량 예측

5축 가공기는 3개의 직선 테이블과 2개의 회전 테이블로 이루어져 있으며 Fig. 9와 같은 구조를 이루고 있다. 각 운동요소가 복합 운동을 수행할 경우 이에 따른 에너지 패턴을 해석적으로 분석하 기 위하여 다물체 동역학 소프트웨어인 Recurdyn 을 사용하여 해석을 수행하였으며 각 축의 구조는 Fig. 9와 같다. 실제 이송테이블의 거동에 있어서 Fig. 6 Measurement process of energy consumption

Fig. 7 Power measurement in electric box

Fig. 8 Total power measurement of 5 axis machine consumption

중력방향의 움직임이 에너지 소비에 많은 영향을 주는 것으로 예상되어 Z 방향으로 중력이 작용하 는 조건으로 설정하였으며 가이드의 마찰 계수는 0.1로, 구동기구는 볼 스크류로 두어, 시뮬레이션 을 수행하였다.⁴

Fig. 11은 Fig. 10의 운동 궤적이 적용되었을 때 의 Torque출력의 크기를 나타낸다. 그림에서 보이 는 바와 같이 가감속 구간에서 소요되는 구동 토 크가 큼을 알 수 있다.

회전 테이블 중 A 축의 경우 선회 운동을 할 때 중력의 영향을 많이 받게 된다. Fig. 11의 A 축 의 운동을 살펴보면 가속 구간의 첫 번째 피크는 가속에 필요한 토크이며, 두 번째 운동은 각도의 위치가 90° 방향으로 증가함에 따라 중력이 많이 작용하여 토크가 증가함을 관찰 할 수 있다.

Fig. 12는 서보 모터 단에서 운동에 필요한 소 요 동력을 예측한 결과이다. 그림에서 알 수 있듯 이 가감속 구간에서의 소요 동력이 큼을 알 수 있 으며 중력 방향에 대하여 운동을 하는 Z 축 및 A 축에서 정속 구간에서도 소요 동력이 필요함을 알 수 있다. 본 해석 조건은 비교적 가감속 양이 큰 구간으로 공작기계의 무부하 급속 이송영역에 해 당하는 것이다. 비교적 저속으로 움직이는 구간에 서는 중력 작용방향의 반대 방향의 움직임 영향이 클 것으로 예상되며, 가공 부하조건과 동력의 소 모 부분도 고려해야 할 것으로 예상된다.

Fig. 10 Position profile of 5 axis machine tools

Fig. 11 Estimation of torque output of servo motors Fig. 9 Analysis models for dynamics and power

consumption of 5 axis machine tools

Fig. 12 Estimation of power consumption according to motion of the axes

5. 결론

5축 가공기의 에너지 소비량 평가기법 및 예측 기술의 연구개발을 위하여 실제의 5축 가공기 시 작품에 대하여 분석 및 기초실험을 수행하여 다음 과 같은 결론을 얻었다.

1. 공작기계 내에 존재하는 주요 에너지 소비 기구에 대한 종류와 에너지 변환 원리를 정리하고, 에너지 소비량 측정에 관한 세계 규격에 대한 작동 조건, 표준 시편, 가공조건 등에 대해 설명 하였다.

2. NC Data에 의해 지령되는 이송 축의 운동거 리, 속도, 가속도를 시간적 함수로 변환하고, 이송 계의 질량과 가속도를 이용해 에너지 소비량을 계 산하였다.

3. 5축 가공기의 에너지 소비량 측정을 실시하 여 에너지 소비 패턴과 소비율을 분석하였다. 주 축의 높은 에너지 소비율과 이송축 중에 중력 방 향의 이송계는 추가적인 에너지 소비가 예측된다.

4. 5축 가공기 운동요소의 에너지 소비형태를

예측하기 위하여 다물체 동역학 해석툴을 사용하 여 모델링을 하였으며, 중력방향에 대한 에너지 소비가 큼을 확인하였다.

후 기

본 연구는 지식경제부의 산업융합원천기술개발 사업인 “에너지 소비량 10% 이상 저감된 5축 머 시닝센터 기반 복합가공기 개발” 과제의 지원으로 수행되었으며, 이에 감사 드립니다.

참고문헌

1. Balogun, V. A. and Mativenga, P. T., “Modelling of direct energy requirements in mechanical machining processes,” Journal of Cleaner Production, Vol. 41, pp. 179-186, 2013.

2. Newman, S. T., Nassehi, A., Imani-Asrai, R., and Dhokia, V., “Energy efficient process planning for CNC machining,” CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, Vol. 5, pp. 127-136, 2012.

3. Hu, S., Liu, F., He, Y., and Hu, T., “An on-line approach for energy efficiency monitoring of machine tools,” Journal of Cleaner Production, Vol.

27, pp. 133-140, 2012.

4. Hayashi, A., Hashimoto, M., Sato, R., and Shirase, K.,

“Electric power consumption of feed drive system in NC machine tools,” Proceedings of the 5th International Conference on Positioning Technology, pp. 273-278, 2012.