메카트로닉스산업의 새로운 기술혁신 패러다임
메카트로닉스 기술혁신의 세계적 추세 ○ 제어분야의 기술혁신 추세: 최근 CNC 기술은 고속 가공과 대화식, 다양한 사용자 인터페이스가 급속하게 확대되고 있으며, 소프트웨어가 새로운 알고리즘을 쉽게 적용하고 신뢰성을 갖으며 타 시스템이나 하드웨어와 호환이 가능한 개방형 제어시스템으로 발전하고 있음. ○ 제품분야의 기술혁신 추세 - 정밀화 추세: 산업혁명 당시 기계가공 정밀도는 직경 50인 치에서 가공오차가 1/ 16″(1.58㎜)정도였으나 200년이 지난 현재 보통가공 1㎛, 정밀가공 0.1㎛, 고정밀가공 0.01㎛, 초 정밀가공은 0.001㎛으로 2000년도에는 1㎚(나노)에 달할 것 으로 예측됨. - 고속화 추세: 현재 고속 머시닝센터의 주축 회전수는 10,000 RPM을 넘는 경우가 대부분이며, 60,000∼70,000 RPM까지 실용화가 시도되고 있음. · 이송속도의 증가도 함께 이루어지고 있는데 현재 공작기 계에서의 최고 이송속도는 100 mm/ min에 이르고 있으나 점차 증가하는 추세임. · 가속, 감속에 의한 가속도의 크기도 중요한데 이송장치의 가속도는 통상 0.5G 이하였으나, 최근에는 1∼2G의 가속도를 갖는 이송장치를 개발. - 환경 친화 추세: 최근 환경오염을 감소시키기 위하여 냉각수로서 소량의 식물류를 사용하는 세미 드라이 (semi-dry) 가공, 소량의 절삭유제를 사용하는 미스트 쿨란트(mist-coolant) 가공법 등을 개발하여 사용. - 복합화 추세: 두 개 이상의 기능을 하나의 공작기계에 통합 하여 단위기계에서 다양한 공정을 수행하게 함으로서 공정 간의 물류 이동을 최소화하고 치구의 절감, 공작물 탈착에 소요되는 시간 감소 등 생산성을 크게 향상하고 있음. · CNC 선반의 복합화는 주로 밀링기능의 강화와 제어축을 증가하는 방향으로 이루어지고 있으며, 머시닝센터의 복합화는 주로 제어축을 증가하고, 연삭기능과 흑연 가 공기능을 추가하는 방향으로 전개되고 있음. · 공작기계 수요자들의 요구가 다양해질 수밖에 없으므로, 사용자의 요구에 맞추기 위해서는 장비의 복합화 역시 다양한 형태로 추진되고 있음. 메카트로닉스산업의 새로운 기술혁신 패러다임 ○ PC 융합 제어시스템 출현의 배경 - 수요자가 다양화를 요구하고 있을 분만 아니라 인터넷을 포함, 정보화가 급속하게 전개되는 추세를 반영. - 생산의 효율성을 높이기 위하여 생산장비의 네트워킹을 통한 시스템 통합을 준비하고 공작기계의 고기능화에 대한 수요자의 기대에 부응. - PC를 중심으로 급속히 발전하는 정보처리기술을 공작기계에 접목. ○ PC 융합 제어시스템의 기본구조 - 외부와의 인터페이스: CAD/ CAM 이후의 과정을 실행하는 부분. - 기능 구성: 작업계획, 제어명령 해석, 제어, 휴먼 인터페이스, 정보관리, 통신, 작업조정. - 제어 아키텍처: CAD, 작업계획, 가공공정 제어, 궤도제어, 축제어, 이산사건 제어, 기구제어, 운동제어, 이산제어 및 공정실행 부분으로 구성. ○ PC 융합 제어시스템의 특징 - NC와 CNC를 초월: 기존 개념의 CNC를 훨씬 뛰어 넘어 혁신. - 개방성의 대폭적인 향상: 하드웨어 부품 및 소프트웨어 부품까지 교환이 가능할 정도로 개방성이 향상. - 모니터링 기능의 강화: 3차원 가공 시뮬레이션 기능을 통하여 가공 전에 미리 가공 부위의 불량 요인을 미리 제거하고, 실시간 그래픽 모니터링 기능을 통하여 가공 상황을 파악. - 고속 가공 및 고정밀 제어: 고속 가공시 최소한의 형상오차와 장비의 최대가공 속도를 동시에 만족시킬 수 있는 고속, 고정도 윤곽제어가 가능. - 그래픽 인터페이스의 확장: 과거에는 그래픽을 실행하는데 제한이 많았으나 PC 기능 융합이후 다양한 그래픽 표현을 쉽게 할 수 있게 됨. - 표준화의 급속한 진전: 외부 데이터, 오픈 프로토콜을 이용한 인터페이스, 네트워크 인터페이스, 플랫폼, 운용 패널 등의 표준화와 함께 소프트웨어의 모듈화가 크게 진전되었음. - 공작기계 디자인의 혁신: PC 융합 이후 공작기계의 구조나 색상 등 디자인도 가전제품 못지 않게 화려해지고 세련되어지고 있음. ○ 향후 PC 융합의 전개 방향 ① CNC에 기반을 둔 PC 융합: 기존 CNC에 기반을 두고 PC 기능을 융합하는 방식으로서 다양한 소프트웨어를 사용하기 위해 CNC에 PC 슬롯을 끼우고 PC 전용 하드웨어를 추가. ② PC에 기반을 둔 융합: PC의 슬롯에 CNC 기능을 갖는 보드를 설치하는 형식으로서 공작기계보다는 작업환경이 비교적 양호한 작업환경에서 사용하기 쉬우나 가격이 비싸지는 단점을 가짐. ③ 소프트웨어에 기반을 PC 융합: 소프트웨어만을 이용해 CNC를 구성하는 시스템으로서 실시간 운용시스템을 올리는 PC 융합 방식임. ○ PC 융합의 예상 파급효과 - CNC 전문 공급업체에 미치는 효과: 공작기계에서 CNC의 비중이 커짐으로서 매출 및 이윤 증가 가능성은 높으나 연구개발에 많은 투자를 하지 않을 수 없게 되어 기업경영 측면에서 상당한 부담으로 작용. - 조립업체에 미치는 효과: 목적에 맞게 하드웨어와 소프트웨어의 자유로운 선택이 가능해지는 장점이 있으나, 최종 사용업체들로부터 과거보다 훨씬 더 까다로운 기술적 요구를 받을 것으로 예상됨. - 시장경쟁에 미치는 효과: 기존 전문 공급업체의 시장 쉐어가 감소하고 새로운 모델의 PC 융합 제어시스템을 값싸게 제작하고 시장에 내놓는 업체가 대체시장을 석권할 것임. 주요 선진국의 PC 융합 연구개발 동향 ○ 미국의 연구개발 동향 - 국방성 (공군)이 지원하고 마틴 마리에타 (Martin Marietta)사와 NCMS (National Center for Manufacturing Science)가 주도하여 1987년부터 NGC (next generation controller) 연구사업을 수행하고 있음. - 국가표준연구원 (NIST)는 EMC (enchanced machine controller)라고 명칭을 붙여 PC 융합 제어시스템에 관한 연구사업을 추진해 오고 있음. - Ford와 크라이슬러 및 GM이 참여하여 업계 공동으로 1994년부터 OMAC (open modular architecture controller) 개발사업을 추진. - 대학에서의 연구는 기업이나 공공연구기관 수준에 이르지는 못하나 캘리포니아 대학 (Califonia-Berkeley)의 라이트 (Wright) 교수는 IMADE (integrated manufacturing and design environment)라고 하는 설계, 공정계획, 가공을 통합하기 위한 종합 환경 구축에 대한 연구를 수행. ○ 일본의 연구개발 동향 - 정부 지원 하에 국제로봇자동화센터 (IROFA)는 1995년 9월에 도요다 기계 (Toyota Koki)사와 일본 IBM을 비롯한 6개사가 연합하여 OSEC (open system environment for controller)를 연구해 오고 있음. ○ 유럽의 연구개발 동향 - 유럽연합 차원의 대규모 연구 프로그램인 ESPRIT (European Strategic Programme for Research and development in Information Technology)의 일환으로 1992년부터 OSACA (open system architecture for controls within automation systems) 프로젝트를 추진해 오고 있음. - 이 사업은 독일의 슈트트가르트대학 주도로 인덱스, 휴론, 코마우 등 3개의 공작기계 조립업체, 아테크, 넘, 보쉬, 화거, 지멘스 등 5개의 제어장비 제작업체, CICBT, FISW, WZL 등 3개의 연구기관이 참여. ○ 캐나다의 연구 동향 - British Colombia대학의 Altintas 교수팀이 HOAM (hierarchcal architecture multi-processor) 제어시스템을 개발하여 선보였음. 우리 나라의 PC 융합 연구개발 동향 ○ 산업계의 연구개발 실태 - 터보테크: 수치제어장치에 특화하여 사업을 시작한 벤처기업으로서 PC 융합 제어시스템이라 할 수 있는 HX시리즈를 개발하고 상업화하고 있음. - 대우중공업: 1998년부터 2년여에 걸쳐
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