[Beckhoff 제공] 항공기 제작에 있어 우수한 부품 품질과 정밀도는 상수인데 판금 항공기 부품은 상당히 커서, 가공 및 취급시 종종 크고 작은 문제가 불거지기 일쑤이다. Harmuth CNC-Frestechnik은 Premium Aerotec에 구조 부품을 공급하는 밀링 전문회사인 A&T(Airbus 자회사) 및 CNC전문회사 Penta-Tec와 긴밀한 협력 관계를 유지하고 있다. Harmuth CNC-Frestechnik은 Beckhoff의 PC 기반 제어 기술을 통해 대형 밀링 머신을 구축했고, 이러한 문제에서 벗어나는데 성공했다.

A&T는 Harmuth CNC-Fréstechnik의 대형 밀링 머신을 사용해 항공기 동체 패널을 제작하고, Airbus A320 시리즈 항공기의 항공 등급 판금에서 밀링 가공된 광범위한 구조 부품을 제작한다. [사진=Shutterstock]

오스트리아 그뢰디그에 본사를 둔 Penta-Tec CNC-Automation GmbH는 1990년대에 종합 CNC 머신 솔루션 개발에 착수했다. Dieter König 전무이사는 “과거 자사는 CNC 머신 공구보다 건축 모델 제작이나 소규모 워크샵을 위한 목재 작업 솔루션, 예술 및 공예와 같은 용도에 주안점을 뒀다. 사용자 기반의 CNC에 대한 전반적인 지식이 부족했고 이러한 종류의 제어 시스템에 대한 기대치가 낮았다. 고객들은 사용 편의성을 비롯해 워크플로우의 어느 지점에서나 유연하게 개입할 수 있는 기능과 주요 NC 처리 능력 외에 소소한 다른 추가 기능들도 원했다”고 언급했다.

Penta-Tec은 초기부터 기계 제어에서 점점 보편화되고 있던 PC 기술 기반을 선택했고, 그래픽 편집기, 2½D CAM 시스템, 도구와 재료 관리, 기계 작동 기능 등을 통합한 종합 그래픽 사용자 인터페이스를 개발했다. Dieter König는 “이를 계기로 2011년 Beckhoff의 PC 기반 제어 기술을 채택하게 됐다”며, “Beckhoff의 독특한 제어 솔루션은 기계 공학이나 CNC 기계 제작자들 사이에서 점점 더 인기를 끌었고, 광범위한 고객층의 개별 요구사항을 수용하기 위해 끊임없이 발전하고 있다”고 밝혔다.  Dieter König는 덧붙여 “동시에 CNC 시스템용 CNC 소프트웨어와 HMI(human-machine interface)가 우리의 핵심 전문 분야가 되고 있었기 때문에, 자체 기계 제작을 중단하고 대신 Beckhoff 기술을 사용해 머신 빌딩 부문의 고객들을 위한 CNC 솔루션을 만드는 데 집중할 수 있었다”고 전했다.

A&T는 Harmuth CNC Fréstechnik의 7개의 다른 대형 생산 밀링 머신을 사용하며, 각각은 관련된 특정 업무에 정밀하게 맞춤화 된다. [사진=Beckhoff]

PC 기반 제어로 유연성 높여

독일 노든햄에 본사를 둔 Harmuth CNC-Frestechnik은 3D 밀링 머신과 특수 시스템을 만드는 기업이다. 전무이사 겸 숙련된 항공기 엔지니어인 Andreas Harmuth는 이들의 일반적인 요구 사항에 대해 “대형 밀링 머신의 경우 특히 치수와 강성이 중요한 요소로, 고속으로 동적 동작을 할 수 있는 경량 시스템부터 고정밀 페이스 밀링용 커팅 헤드가 큰 중형 시스템과 그 중간에 있는 것들에 이르기까지 기계 종류는 다양하다”면서, “개방형 Beckhoff 제어 기술로 우리가 제작한 기계는 매우 큰 유연성을 지니고 있어, 컴퓨팅 능력이나 축 수와 같은 요소를 필요에 맞게 확장할 수 있다”고 전했다.

Harmuth 밀링 시스템의 장점은 Airbus A320 시리즈 항공기용 대형 판금 부품 제작과 같은 애플리케이션에서 가장 두드러진다. 부품은 노든햄 지역에 있는 A&T Manufacturing에서 공급한다. Marc Bochinger 전무이사는 “Airbus나 대형 판금 부품을 담당하는 자회사인 Premium Aerotec은 우리의 가장 큰 고객사”라며, “Premium Aerotec에 모든 재료(시트 알루미늄)를 공급하는 것 외에도, Premium Aerotec을 위한 크고 복잡한 구조 부품을 제작하고 가공한다”고 말했다. Marc Bochinger 전무이사는 이어 “A&T에서 우리가 차별화되는 것은 고객의 요구에 전적으로 집중하며 가능한 한 짧은 시간 내에 최적화된 생산, 물류 솔루션을 제안한다는 것”이라고 강조했다.

표준 제어 기술의 강력함과 다기능성

Penta-Tec의 기술 이사인 Roman Felber는 A&T에서 사용되는 다양한 생산 기술을 강조하면서 “A&T의 가장 큰 과제는 새로운 기계 기능을 지속적으로 구현해야 한다는 것”이라며, “A&T와 Harmuth CNC-Fréstechnik은 긴밀한 협력을 통해 필요한 경우 두 번 이상 기계를 최적화해 잠재적인 생산력을 극대화한다”고 말했다. Beckhoff의 PC 기반 제어는 이를 가능하게 한다. 필요한 경우 TwinCAT에서 축이 결합되는 방식을 변경할 수 있기 때문이다.

2010년 Penta-Tec은 기능 수요가 증가함에 따라 독점 제어 시스템의 성능이 한계에 달하고 있다는 사실을 발견했다. Dieter König는 “우리는 실제 CNC 프로세싱과 병행해 추가적인 자동화 작업을 처리해야 했고, 다른 공급업체의 특수 센서나 액추에이터도 통합해야 하는 경우도 종종 있었다”면서, “하지만 동시에 사용 가능한 드라이브 성능과 축 수 측면에서 유연성이 크게 제한됐다”고 말했다. 이에 Penta-Tec은 Beckhoff의 PC 기반 제어 기술을 선택할 수 밖에 없었다. Dieter König은 “우리에게 필요한 성능을 제공할 수 있는 새롭고 유연한 제어 시스템이 필요하다는 것이 분명해졌고, 컨트롤러 시장을 조사하고 이를 분석 결과 Beckhoff의 PC 기반 제어 기술이 이상적인 솔루션임을 알게 됐다”고 전했다.

König는 첫번째로 EL7047 스텝 모터 터미널, AX5000 서보 드라이브 및 AM8000 서보 모터 등을 포함한 Beckhoff 드라이브 기술이 단순한 보조 스텝 축과 서보 축에서 선형 및 유압 축을 통합할 수 있는 기능에 이르기까지 모든 요구 사항을 다뤘기 때문이라고 말한다. 둘째로, 예외적인 EtherCAT 터미널 범위 특히, EtherCAT 표준의 전세계적인 수용으로 인해 제3 공급업체에서 사용할 수 있는 전문 하드웨어의 폭을 고려해 I/O 측면에서 모든 종류의 어플리케이션을 지원할 수 있는 솔루션을 제공했다는 것을 강조한다. 셋째, 기본 운영체제인 Windows는 Penta-NC CAD/CAM/CNC 사용자 인터페이스와 TwinCAT을 동일한 대상 시스템에서 실행할 수 있게 해주었기 때문에 Beckhoff에게 또 다른 중요한 요소였다는 것이다. 넷째로, 각각 기계 제어와 중앙집중식 진공 제어 목적에 이상적인 임베디드 PC CX2040, CX5120 등 광범위한 IPC 포트폴리오가 있었다는 것을 꼽았다.

One Cable Technology (OCT)가 적용된 AM8000 서보 모터는 설치가 쉽고 공간을 거의 차지하지 않는다. [사진=Beckhoff]

유연한 제어 플랫폼 TwinCAT NC I

Roman Felber 역시 두 소프트웨어 시스템의 손쉬운 상호운용성을 강조하며 “Penta-NC HMI와 TwinCAT NC I 제어 플랫폼 간의 ADS 통신 구현에는 간접비가 거의 들지 않았다”면서, “TwinCAT NC I는 다양한 CNC 어플리케이션을 위한 경제적인 플랫폼을 제공했다”고 말했다. 구체적으로 보조 접선 또는 갠트리 축을 통합할 수 있는 기능을 통해 복잡한 CNC 작업에서도 경제적인 솔루션을 지원했다고 전했다.

Felber에게 TwinCAT NC I의 우수한 유연성은 또 다른 장점으로 부각됐다. 축 매개변수는 PLC에서 직접 변경할 수 있었다. 이는 육안 검사에 기초한 보정값을 축 위치 제어기에 실시간으로 공급할 수 있다는 것을 의미한다. 리드 스크류 오류 보정, X/Y 교차 보정 또는 머신 베드 레벨링도 같은 방식으로 쉽게 구현할 수 있다. 또한 접선 추적을 도구에 따라 활성화하거나 비활성화할 수 있다. 예를 들어 밀링 스핀들은 보통 서보 작동을 위해 자유 작동, 속도 제어 비동기 모터로 작동하며 접선 추적을 블레이드 절단 작업을 위한 접선 축으로 사용한다. 또한 마스터·슬레이브 커플링 기능과 보간 그룹을 형성하도록 개별 축을 유연하게 구성할 수 있는 기능도 큰 이점을 제공한다. 이를 통해 복잡한 시스템에서 동시에 또는 다른 작업에서 별도로 여러 Z축을 사용할 수 있다.

또한 보간 그룹을 분할해 다른 형태로 다시 결합하는 기능도 유용했다. 예를 들어 결함이 있는 경우 절단 중인 재료에서 접선에 적용된 톱날을 수동으로 추출해 연귀 절단할 수 있다. 이를 위해 NC 보간 그룹이 분할된다. C축의 연귀 각도와 회전각에 따라 X축과 Y축에 대한 개별 연결 인자를 계산해 Z축에 결합한다. 그 다음 Z축을 핸드휠로 이동하면 세 축 모두 톱날이 정확한 절단 방향으로 재료에서 빠져나와 이동한다.

사진 왼쪽부터 Harmuth CNC-Frästechnik 전무이사 Andreas Harmuth, A&T 전무이사 Marc Bochinger, Penta-Tec 기술이사 Roman Felber 및 전무이사 Dieter König, Beckhoff Austria의 영업엔지니어 George Hampel, Beckhoff Automation의 TwinCAT 모션제어 및 로봇공학 제품관리자 Klaus Bernzen. [사진=Beckhoff]

고정밀, 고효율 항공 등급 판금 생산

A&T는 Harmuth CNC-Fréstechnik의 대형 밀링 머신을 사용해 항공기 동체 패널을 제작하고, Airbus A320 시리즈 항공기의 항공 등급 판금에서 밀링 가공된 광범위한 구조 부품을 제작한다. Roman Felber는 이와 같은 규모의 기계와 관련한 과제 중 하나는 정밀도를 유지하는 것이라며 “16 x 4m에 달하는 가공 표면으로 인해 기계 제작자가 10mm 범위 내에서 정밀도를 달성하는 것은 사실상 거의 불가능하다”면서, “정밀도를 높이기 위해 소프트웨어를 사용하는데, 기계가 현장에 설치되면 Penta-NC에서 제공하는 대규모 자동화 기능 세트를 사용해 레이저 추적 시스템으로 기계를 측정한다”고 말했다. 이는 기계에 따른 공차와 공작물에 의해 좌우되는 매개 변수를 고려하는 것이다. Roman Felber는 이어 “이 크기의 기계에서는 여러 구성 요소가 동시에 제자리에 고정되는 경우가 많아, 위치와 형태의 개별 공차를 조정해야 한다”면서, “이러한 다양한 단계를 수행함으로써 절대 위치 정밀도를 +/- 0.01 mm 이내로 유지할 수 있다”고 말했다.

진공 클램핑은 밀링 시스템에 판금 고정을 위한 간단하고 매우 유연한 수단을 제공하지만 기계의 크기에 따라 15~20kW 이상의 흡입력이 필요할 수 있다. 그러나 흡입력을 필요에 따라 상승시키거나 하강시킴으로써 에너지를 상당히 절감할 수 있다. Andreas Harmuth는 “아직 가공되지 않은 소형 부품이나 재료의 경우 흡입량과 펌프 동력이 그렇게 높을 필요가 없지만, 많은 수의 작은 부품이 가공되고 밀링 공정 중에 공기 누출률이 증가하면 전력을 높여야 한다”고 덧붙였다. 전력 절감을 극대화하기 위해 클램핑 영역을 최대 32개의 섹션으로 나누어 가공할 특정 금속 부품에 맞게 압력을 조정할 수 있다. 또한 특정 부품을 안전하게 고정하는 데 필요한 흡입량은 재료 매개 변수 및 표면적에 따라 계산된다. EM3701 압력 측정 터미널은 현재 흡입 수준을 기록하고 제어값을 PLC에 전달하며, 가공 프로세스가 완료되면 흡입력이 부품이 미끄러지지 않도록 사전 설정된 대기 수준으로 자동으로 떨어진다. Marc Bochinger는 “진공 제어 시스템을 켜고 끄는 것만 비교해도 연간 에너지 절약은 50~60% 수준”이라고 말했다.

또한 Bochinger은 “여기 4대의 기계에서 나온 진공 컨트롤러가 하나의 CX5120 임베디드 PC로 통합돼, 각 기계의 실제 흡입 압력 수치는 여전히 EM3701에 의해 로컬에서 처리된 후 계산된 공칭 값과 함께 ADS를 통해 CX5120으로 전달된다”면서, “진공 펌프 시스템 중 하나에서 오류가 발생하면 다른 펌프의 흡입력을 즉시 높여 보완하는 중복 개념으로 진공 클램프 시스템 고장으로 인한 부품 손상 위험을 근본적으로 제거할 수 있다”고 말했다. Bochinger은 이어 “또한 EM3701은 흡입력을 프로세스에 따라 제어하는 데 사용되며 이를 통해 흡입 헤드나 흡입 파이프 시스템의 문제를 감지할 수 있다”면서, “이 기능은 시스템이 예방 유지 보수에 중요한 데이터를 제공하므로 기계 가용성을 보호하는 데 도움이 된다”고 말했다.

[최정훈 기자 (news@industrynews.co.kr)]

[저작권자 © FA저널 SMART FACTORY, 무단 전재 및 재배포 금지]