[ifm 제공] 스웨덴 회사 Scania는 스톡홀름주의 쇠데르텔리에에 위치한 특장차 부분 세계 선도기업이다. 특히, 스웨덴의 상용차 제조기업으로 널리 알려진 Scania는 유틸리티 차량, 버스, 선박, 산업용 엔진 분야에서 최정상 기업을 표방하고 있다. 

Scania는 엔진을 구성하는 실린더 헤드와 샤프트용틀을 만드는 수요기업이다. [사진=ifm]

스톡홀름의 공장에서는 각종 제품과 더불어 트럭 및 버스용 엔진이 자동화된 공정에서 생산되는데 이때 센서가 모니터링을 수행하고 있다. 지속적으로 기계설비의 상태를 모니터링하는 센서는 계획되지 않은 다운타임 등 최악의 상황을 모면할 수 있는 최적의 솔루션이다. 한계 값이 초과되면 즉각 유지보수 담당자는 자동메세지를 전송받고 조치할 수 있고, 막대한 피해를 초래하는 중대한 상황이 예상될 경우 공정이 자동으로 멈추는 것도 이 센서 덕분이다.

Scania의 Robert Bergkvist IT 부서 엔지니어는 “자사는 생산라인을 개괄적으로 보기 위해 일반적인 근접센서뿐만 아니라 유량센서와 레벨센서를 사용한다”며, “센서 데이터의 가치가 계속해서 커지고 있다. 데이터들은 시의적절한 유지보수를 진행하기 위한 바탕이 되며, 공정을 최적화하는데도 유용하다“고 밝혔다.

선반·드릴·대형 금속 블럭을 분쇄하는 5축 공작기계 [사진=ifm]

공작기계 진단에서 맹활약

Scania는 무수히 많은 수의 공작기계를 사용한다. 밀링헤드는 마치 버터를 자르듯 금속 블럭들을 선반 끝에서 mm 단위의 샤프트로 만드는 역할을 하며, 드릴은 정확히 보어홀을 위치시킨다. 모든 공정은 완전 자동화돼 선반과 밀링머신은 컴퓨터로 제어된다. 공작기계들로 눈 깜박할 사이 엔진을 구성하는 실린더 헤드와 샤프트용틀이 생산된다.

이 가운데 공작기계가 높은 품질 수준을 달성하기 위해서는 한치의 오차도 없는 공작물 머시닝이 보장돼야 한다. 높은 머시닝 속도와 뛰어난 공정력은 툴에 손상을 초래하는 모든 징후를 즉각적으로 감지하는 반응이 빠른 진단 시스템이 바탕이 돼야 한다. 비상시 공정을 즉각 중단시켜 기계설비나 공작물의 손상을 막아야 하기 때문이다. 이는 ifm의 영구적인 진동 진단이 손상을 최소화하는 현실적인 솔루션으로 꼽힌 요인이기도 하다.

설비들도 인간과 같이 기계적 스트레스를 받고 노화되는데 즉, 툴들도 열화를 겪게 될 수밖에 없다. 숙련된 작업자라 할지라도 사용 중에 발생하는 툴의 고장을 예측해서 대응하기란 쉬운 일 아니다. 

특히, 아주 작은 기계적 결함일지라도 머시닝 공정 중에 발생하는 경우라면 매우 심각한 결과를 불러일으킬 수 있다. 예를 들어 밀링헤드에서 톱니하나가 깨지게 되면 대상 공작물이 손상을 입고, 사용 불가해 진다. 만일 엔진 블럭과 같이 복잡한 대상물에 이와 같은 일이 발생하면 막대한 비용 손실을 감수해야 하는 상황으로 치닫게 된다.

예사롭지 않은 진동은 툴의 오류를 암시하는 것

이처럼 작은 결함으로도 공작물이 사용이 불가능해 질뿐만 아니라 필요한 수량을 생산해 낼 수도 없게 되므로 Scania는 툴머신에 오류 자동 감지시스템 탑재하고 있다. 이 시스템의 카운터피스는 ifm으로부터 제공받은 진동센서이다. 

“모터 스핀들의 진동을 모니터링해 고장이 발생하면 즉각 부품을 교체할 수 있다. 또한 진단 소프트웨어를 통해 스핀들의 상태를 점검하고 공정 파라메터를 조정할 수 있다”고 Rober Bergkvist는 설명했다.

센서데이터를 통해 공정의 효율성이 향상돼 선반작업 끝단으로 너무 빨리 부품이 이동하는 사태도 미연에 방지할 수 있다. 이는 콤팩트한 사이즈의 ifm VSA 진동센서로 구현한다. 스핀들 헤드 하우징의 보어홀에 단단히 고정돼 머시닝 공정이 진행되는 동안 진동 특성을 지속적으로 감지한다. 이 미소기계 특성의 가속도계는 매우 민감해 밀링헤드에 누락된 톱니와 같이 mm단위의 아주 작은 불균형도 포착해 낸다.

커팅에서의 힘의 변화는 둔탁해진 드릴이나 절단될 양이 너무 많은 경우인데 이런 상황도 감지한다. 이로 인해 높은 비용의 공작물이 손상되는 것을 완벽에 가까울 정도로 막을 수 있다.

진동모니터링의 또 다른 기능은 충돌방지다. 일련의 밀링 공정에서 선반작업이나 드릴공정은 대개 시뮬레이션을 통해 테스트된다. 툴과 대상물 간의 충돌은 프로그램을 통해 신뢰도 높은 검출이 가능하다. 특히 각 부품을 조립할 때 프로그램의 결함으로 툴과 공작물 사이의 충돌이 발생하는 경우가 다반사다. 이 경우 기계는 기계와 공작물의 손상을 최소화하기 위해 신속하게 멈춘다.

진동 진단이 제공하는 추가 기능은 스핀들 상태 모니터링이다. 회전하는 베어링 부품의 진동특성을 측정해 ‘Good Value'로 저장한다. 만일 복잡한 스핀들의 베어링이 마모되면 이는 특이한 진동 특성으로 감지된다. 설정 가능한 허용오차를 초과한 경우에도 에러경보가 발생하고 메시지가 생성된다. 이로 인해 영구적인 상태 모니터링이 구현돼 설비운영자는 두텁게 안전을 보장받게 된다.

VSE100 진단 유닛 [사진=ifm]

간편하고 안정적인 통합 가능

ifm사의 VSA 진동센서는 미소 기계특성의 가속도계이다. 비회전 설비의 표면에 설치돼 진동을 지속적으로 감지한다. 제품은 상응하는 VSE 진단 유닛에 연결돼 있다. 이 진단 유닛은 최대 4개의 진동센서 시그널을 평가해 설비제어시스템으로 전송한다. 자연스레 간편하고 안정적인 통합이 실현된다.

진동, 충돌감지의 한계값은 각 툴에 대한 컨트롤러에 저장될 수 있으며 감지를 위한 프로그램 사이클이 Teach 모드에서 사전에 수행된다. 분리된 진동 데이터는 컨트롤러에 저장되고 조정 가능한 허용오차값과 함께 제공된다. 개별 한계값 설정은 각 절단 작업을 말한다.

머시닝 공정 중, 허용오차값이 초과한 경우, 오류로 인식되고 진폭에 따라 경고메세지를 송출하거나 머시닝 공정을 중단시킬 수 있다.

툴 파손, 충돌 또는 베어링 손상 등은 진동진단에 기반한 프로세스 모니터링으로 막을 수 없다. 하지만, 기계설비의 가동을 중단시켜 손상을 최소화해 공작물이 요인이 돼 초래되는 추가 피해를 방지하는 것은 불가능한 이야기가 아니다. 

[최정훈 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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