[인더스트리뉴스 김관모 기자] CNC 컨트롤러는 CNC 기술의 핵심이자 꽃이다. 전문가들 사이에서 CNC 컨트롤러는 ‘CNC의 두뇌’로 일컬어진다. 그만큼 CNC 컨트롤러가 가진 성능과 의존도가 점차 커지고 있다는 의미다. 따라서 산업의 발전과 함께 CNC 컨트롤러도 발전해왔다.

특히 4차 산업혁명, 혹은 디지털 트랜스포메이션을 강조하는 시대 속에서 CNC 컨트롤러는 단순히 CNC 공작기계를 제어하는 수준에서 끝나지 않는다. AI 및 IoT, 클라우드 등을 통해 공작기계와 함께 공구 및 부품, 재고 등을 관리하며, ERP나 MES와 연동되면서 전사적인 제어도 포함하고 있다. 산업자동화 부품이 그 역할이나 기능의 선을 넘나드는 초연결의 시대로 접어든 것이다.

제조산업의 전반적인 발전과 함께 CNC 컨트롤러의 성능과 기능도 단순함을 뛰어넘어서 통합형, 디지털 트랜스포메이션형으로 바뀌어가고 있다. [사진=dreamstime]

CNC의 등장, 점점 커지는 산업 기술의 중요성

CNC 컨트롤러의 발전사를 이야기하면 1800년대까지 거슬러 올라가게 된다. NC(Numerical Control)라는 개념의 시작으로 프랑스의 조셉 마리 자카드(Joseph Marie Jacquard)의 ‘자카드 직기’가 흔히 이야기된다. 자카드는 천공카드(Perforaed Cards)를 이용해 베틀 기계에 직물의 모양을 자동적으로 디자인하는 방법을 발명했다. 실제로 현대적인 NC의 개념을 공작기계에 도입한 것은 제2차 세계대전 이후의 일이었다. 미국 파슨스 사의 존 파슨스 사장은 미 공군의 헬리콥터 회전날개 윤곽을 정확히 검사하는 플레이트 게이지를 가공하는 방안으로 지그보링기를 전자적으로 제어하는 방식을 제안했다. 이후 1948년 미공군은 미사일의 부품을 단시간 내에 제작하기 위해 파슨사와 기술계약을 맺고 현대적인 NC 공작기계 연구를 시작했다.

이후 컴퓨터의 성능이 발전되면서 NC는 공작기계 한 대만 제어하던 CNC(Computer Numerical Control)를 시작으로, △여러 대의 공작기계를 제어하는 DNC(Direct Numerical Control) △다양화, 분산화, 다품종화 등 복합 생산시스템에 대응하는 FMS(Flexible Manufacturing System) △데이터베이스 중심으로 설계, 생산, 관리를 통합해 일괄제어하는 CIM(Computer Intergrated Manufacturing) 등으로 발전하게 된다.

특히 반도체의 발견과 함께 컴퓨터의 중요성이 커지면서 PC 기반의 CNC 제어는 초정밀, 초고속 제어를 가능하게 만들었다. 아울러 대화형 CNC와 Open CNC, Intelligent CNC 등으로 발전되며 최근에는 ICT 기술의 발전으로 IoT와 AI 등이 결합된 Smart CNC라는 용어도 차츰 등장하고 있다. 따라서 CNC 컨트롤러의 역할이 더욱 중요해지고 있으며, 이제 CNC 컨트롤러 산업은 ‘기계 및 전자와 신소재 등 첨단기술의 복합체’로 기대받고 있다. 오늘날에는 CNC 컨트롤러가 공작기계 가격의 30%에서 많게는 60%까지 차지하고 있다. 안정적이고 정밀하며 신뢰성이 높은 컨트롤러를 만들어내는 업체가 CNC 시장을 지배하는 셈이다.

그 대표적인 사례가 바로 일본의 화낙(Fanac)이다. 화낙은 CNC 부문만이 아니라 로봇산업 등 글로벌 산업계 분야에서 세계 1위를 달리고 있는 기업이다. 후지쓰 사의 사내 벤처로 시작한 화낙은 1972년 분사한 이래, 자동화 설비와 산업용 로봇 개발에만 매진해 매해 평균 30%가 넘는 영업이익을 기록하고 있다. 화낙은 폐쇄적으로 느껴질 정도로 강도 높은 기술 보안을 유지하고 있으며, 전체 인력 중 30% 이상이 연구개발 인력일 정도로 기술 개발에 초점을 맞추고 있다. 산업용 IoT 기술에 가장 빠르게 뛰어들면서 세계에서 가장 변혁적인 기업 중 하나로 손꼽히고 있다. 이 같은 기술 발전의 격차는 곧바로 CNC와 컨트롤러 시장의 결과로 이어진다.

CNC 컨트롤러 시장은 기울어진 운동장… 약진하는 후발 국가들

사실 CNC 시장, 특히 컨트롤러 시장은 ‘기울어진 운동장’이라는 말을 많이 쓴다. 특히 국내의 경우 CNC의 대부분을 화낙이나 지멘스, 하이덴하인, 미쓰비시전기오토메이션 등의 외산업체가 선점하고 있기 때문이다. 게다가 이들 업체들은 자신들만의 특정 CNC 컨트롤러를 사용함으로써 자신들만의 시장을 구축하는데 집중하고 있다.

한국전기연구원 김홍주 정밀제어연구센터장은 그 이유를 △사용 고객의 확대 △가성비 △제품 라인업 확보 등 세 가지로 들었다. 김 센터장은 “고객은 가공 프로그램이나 사용 방법 등에서 현재 사용중인 장비의 CNC 컨트롤러 계열을 우선 선택하는 경향이 있다. 또한, 고객은 사용 목적의 공작기계 필요 기능이 충족된 범위에서는 가격을 우선 선택하는 경향이 있다”고 설명했다. 아울러 “공작기계 제조사 입장에서는 다양한 공작기계 기종으로 확대해 고객을 대상으로 선택의 폭을 넓히고, 다양한 요구 사항에 즉각 대응하고 있다”고 말했다. 이는 한국이나 중국 등 후발주자들이 시장을 공략하기 어렵게 만드는 부분이다.

하지만 CNC 컨트롤러의 시장은 매해 커지고 있어서 후발주자들도 틈새시장을 노리는 등 점차 약진을 보이고 있다. 시장조사기업 Markets and Markets에 따르면, 2016년 글로벌 CNC 컨트롤러 시장은 28억6,000만 달러였으며, 2023년까지 37억 달러에 달할 것으로 전망됐다. 컨트롤러와 밀접한 연관이 있는 CNC 머신 시장 역시 2016년 546억 달러였으며, 2023년까지 635억 달러를 선회할 것으로 예상된다.

구체적으로 가장 널리 사용되는 3축 CNC 머신용 컨트롤러는 8억7,400만 달러에서 10억7,000만 달러까지 오를 것으로 내다보고 있었으며, 5축 이상의 다축 CNC머신용 컨트롤러 시장도 71억 달러(2016년)에서 2023년까지 10억 달러를 넘어설 것으로 기대되고 있다.

주요 CNC 컨트롤러 제조업체의 제품 [자료=인더스트리뉴스]

이는 전기자동차 등의 발전으로 다시금 자동차 시장에 큰 변화가 일고 있으며, 이에 따라서 금속생산, 반도체 산업도 더불어 발전하고 있기 때문이다. 최근에는 치아가공 등 의료기기 가공기술도 발전하면서 CNC 컨트롤러의 사용이 늘고 있다.

이런 변화는 후발주자인 한국에게도 그리 나쁜 상황은 아니다. Markets and Markets의 보고서에 따르면 한국의 CNC 머신 시장은 2016년 33억8,000만 달러에서 2023년까지 37억4,000만 달러까지 올라설 것으로 전망됐으며, 연평균 성장률도 1.7%에 이를 것으로 나타났다. 게다가 두산공작기계나 현대위아, 씨에스캠 등 국내 업체들이 꾸준한 기술 개발을 이어나가고 있다. 또한 업체간의 기술 협업과 합병도 원활하게 일어나면서 CNC 컨트롤러 산업은 4차 산업혁명 시대를 맞아 다시금 변혁을 준비하고 있다.

4차 산업혁명 시대를 맞는 CNC 컨트롤러의 역할

한국기계연구원의 송창규 CNC센터장은 4차 산업혁명에서 CNC 컨트롤러의 역할이 두 가지로 구분된다고 설명했다. 먼저 스마트공장에서 장비와 상위시스템을 연결해주는 핵심 미들웨어와 플랙폼의 역할을 수행한다는 것. 스마트공장은 다수의 이기종 장비들과 로봇들이 다품종 혼류 물품을 생산하는 자동화 시스템 패키지로서 상위시스템이 네크워크를 통해 하위의 장비와 로봇의 정보를 받아와야 한다. 따라서 송 센터장은 “CNC 컨트롤러는 장비의 정보를 상위시스템에 보내주고 다시 상위시스템의 지령을 장비에 전달하는 역할을 수행함으로써 스마트공장에 기여한다”며, “이를 위해 MTConnect, OPC UA 등의 통신 프로토콜 기술을 개발하고 표준화하고자 하는 노력이 활발하다”고 말했다.

두 번째로는 장비 자체의 지능화 및 스마트화다. 이는 센서를 장비에 부착해 자가진단을 위한 데이터를 수집하고 이를 빅데이터 분석 등의 AI 기술을 활용해 가공상태 파악이나 고장진단, 에너지 사용량 모니터링 등에 활용하는 기법이다. 이를 위한 CNC 컨트롤러 기술분야가 엣지 컴퓨팅 기술이라고 송 센터장은 강조했다. 그는 “최근 CNC 컨트롤러 기술 개발은 이 엣지 컴퓨팅 기술 개발에 많은 노력을 쏟는 추세”라고 강조했다.

2018년에 열린 심토스(SIMTOS) 현장에서 바이어들이 CNC 기기와 CNC 컨트롤러를 살펴보고 있다. CNC 시장의 다변화 속에서 업체들은 자신들만의 경쟁력을 강화시키고 있다. [사진=한국공작기계산업협회]

김홍주 센터장도 “앞으로 CNC 컨트롤러는 Connectivity, Data, Artificial Intelligence(AI), App 등 각각의 키워드를 반영하는 방향으로 발전하게 될 것”이라고 강조했다.

김 센터장에 따르면 우선 Connectivity 측면에서 볼 때, CNC 컨트롤러 스마트팩토리에 통합될 수 있도록 돕는 핵심 기기의 역할을 맡게 될 것이라는 전망이다. 구체적으로 NC 상위제어기에서 외부 연결이 가능하도록 다양한 네트워크 프로토콜(Network Protocol)이 지원되는 방향으로 발전한다는 것. Data 측면에서는 IoT 기술이 CNC와 결합해 공작기계에 많은 센서들이 부착되고, 더욱 다양한 빅데이터가 수집될 것으로 보인다. 그리고 이 Data를 효과적으로 처리하기 위해서 클라우드에 연결되기 전의 전사 처리가 가능한 엣지 컴퓨팅(Edge Computing)과 해당 기기가 발전될 것이라고 김 센터장은 말했다. 셋째로 AI 측면에서는 선진 업체들이 일부 기능을 출시하고 있고 앞으로 다양한 솔루션이 개발될 예정에 있다. 현재에는 음성 인식을 이용한 CNC 동작이나 공구의 수명 예측 솔루션, 표면 품질 향상 등에 인공지능이 적용되고 있다. 마지막으로 스마트폰 애플리케이션(App)처럼 사용자가 직관적으로 사용할 수 있고 다양한 모빌리티를 지원하는 방향으로 개발될 것이라고 김 센터장은 전했다.

실제로 CNC 산업을 주도하고 있는 화낙(Fanuc)은 이미 지난 2016년 엣지컴퓨팅과 AI 기술을 포함해 기계 이상을 경고하고 가동중지 시간을 최소화하는 예측보전시스템을 기반으로 하는 개방형 플랫폼 FIELD(FANUC Intelligent Edge Link Drive) 시스템 개발에 착수한다고 발표한 바 있다. 또한, 스맥은 지난해 12월 나온웍스 및 한국전자통신연구원 서울SW-SoC융합R&BD센터와 함께 ‘엣지 컴퓨팅 기반 공작기계 핵심요소 상태 진단 및 보안 기술 개발 연구사업’에 관한 협약을 체결했다.

지멘스의 CNC 컨트롤러 ‘SINUMERIK ONE’의 경우 디지털 트윈(Digital Twin)을 최적화해 하드웨어와 소프트웨어의 통합을 실현해냈다. 지멘스는 CNC 설비의 3D 모델과 기계 동작 특성의 가상 이미지, 기계 매커니즘의 가상이미지 등을 모듈화해 기계 라이프 사이클의 모든 단계를 망라하는 프로그램을 개발하고 있다. 이를 통해 사용자는 실제 기계가 없이도 가용성을 확인할 수 있으며, 고객의 니즈에 부합하는 솔루션을 세부적이고 신속하게 맞춰서 제공할 수 있다.

두산공작기계의 장태성 부장은 “CNC 컨트롤러의 미래는 지멘스의 사례처럼 CNC 컨트롤러 내에 가상의 머신기능을 탑재해 실가공과 같은 시뮬레이션을 사용자가 미리 해서 실제와 유사한 가공의 결과물, 가공과정에서 발생할 수 있는 충돌 등을 예측하는 방향으로 발전할 것”이라며, “여기에 빅데이터를 이용해 최적의 가공방법 솔루션을 제공하고, 장치의 사용패턴을 분석해 최적의 유지보수 방법을 알려주고, 자동으로 사용자에 맞는 최적의 인터페이스를 제공하는 방향으로 발전할 것”이라고 말했다.

[김관모 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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