스마트한 피드축을 네트워크로 연결하는 인더스트리 4.0

인더스트리 4.0은 요즘 어디에서나 볼 수 있는 키워드이다. 어떻게 하면 기업이 성공적으로 이 흐름을 탈 수 있는지, 칼스루헤 기술 연구소의 한 팀이 실제적인 응용사례를 통해  이를 공작 기계에 산업적으로 사용할 수 있는지, 이용 가능성과 실행 가능성 측면에서 연구하였다.

공학박사 위르겐 플라이셔(Jürgen Fleischer): wbk 생산 기술 연구소장.공학박사 안드레아스 스포러(Andreas Spohrer): 동 연구소 연구원

인더스트리 4.0 피라미드

인더스트리 4.0과 더불어 기업 차원에서 성공할 수 있으려면, 구체적이고 실질적으로 중요한 응용 사례가 필요하다. 본 글은 산업 현장에서 중장기적으로 사용할 목적으로, KIT(칼스루헤 기술 연구소)의 wbk 생산 기술 연구소에서 진행하고 있는 연구 가운데 최신 인더스트리 4.0 응용 사례인 메카트로닉스 피드축을 예로 들었다. wbk에서 이루어지는 WZMM(공작 기계와 메카트로닉스) 연구 그룹의 실질적인 연구 목적은 인더스트리 4.0 주제 영역에서 현실적으로 중요한 응용 사례를 확인하고, 이러한 사례를 산업적으로 공작 기계에 사용 가능하고 실행 가능하도록 준비하는 것이다. 연구 활동의 초점은 가용률을 극대화하고 공작 기계에서 메카트로닉스적 피드축을 네트워킹하는 데에 있다. 연구의 단초를 산업적으로 성공적으로 실현할 수 있으려면, 주어진 한계 조건을 고려하여 각각의 구체적인 기업과 기계에 대한 잠재력을 분석해야 한다. 다음 페이지의 인더스트리 4.0 피라미드는 주어진 한계 조건을 분석할 때 적용되는 방법론적 핵심 요소를 보여주며, 이를 이용하여 구체적인 개발 잠재력을 보여줄 수 있다.

인더스트리 4.0 기능을 탑재한 메카트로닉스 피드축

이 사례에서 인더스트리 4.0의 기초를 형성하는 것은, 콤포넌트와 시스템의 현재 상황을 센서 기술로 감지할 뿐만 아니라 필요 시 액추에이터 기술을 이용하여 영향을 끼칠 수 있는 센서와 액추에이터이다. 이러한 센서와 액추에이터를 기반으로 인더스트리 4.0 기능을 갖는 모든 기술적 시스템들은 한 단계 상위 레벨의 „Devices(장치)“에 속한다. 그 보다 한 단계 위인 „Connectivity(연결성)“는 IT 네트워킹과 개별 시스템들 간의 통신을 포함한다. 피라미드의 꼭대기를 형성하는 것은 „서비스“로, 기업들이 경제적 부가 가치와 장기적인 성공을 만들어낼 수 있는 수단이다. 공작 기계에서 인더스트리 4.0을 확인하고 실현하기 위해 제시한 이 방법론은 제조업 워크숍에서 이미 여러 차례 중소기업뿐만 아니라 대기업에서도 성공적으로 적용되었다. 다음 단락은 예시적으로 메카크로닉스적인 피드축을 이용하여 생산에서 인더스트리 4.0을 실현하기 위한 최신 응용 사례를 소개한다.

상태 모니터링 데이터의 무선 전송

■ 상태 모니터링:

wbk는 구름 베어링에서 이미 산업적으로 입증된 상태 모니터링 방법론을 피드축 영역의 볼스크류 드라이브와 랙 & 피니언 드라이브에 맞추어 조정, 확장한다. 무선 CM 센서와 같이 구조 요소에 통합된 센서 장치를 통해 전체 수명 사이클이 다하도록 마모 상태를 명확하게 확인할 수 있으며, 이 덕분에 다가올 정비 작업을 더욱 잘 세울 수 있고, 기계 고장을 사전에 저지할 수 있다. 기계 콤포넌트에 통합되는 통신 기술을 통해서는 파악된 데이터를 필요에 맞게 그리고 장소에 상관 없이 평가할 수 있다. 이와 같이 장소에 상관 없이 데이터를 평가할 수 있기 때문에 콤포넌트 제조사를 통해 최종 고객에게서 실행할 수 있는 상태 모니터링과 같은 새로운 사업 모델이 가능하다.

■ 볼스크류 드라이브의 적응형 윤활:

볼스크류 드라이브처럼 마모를 겪을 수 밖에 없는 밀봉된 구조 요소들은 유형상 지속적으로 윤활 과잉 또는 윤활 부족의 위험에 노출된다. 현장의 사례들은 수동 윤활 주기나 또는 시간에 따른 보충 윤활 주기로 인해 과잉 윤활되는 경향을 보이며, 이로 인해 달성 가능한 콤포넌트 수명이 단축된다. wbk에서 개발한, 볼스크류 드라이브를 필요에 맞게 적응하여 보충 윤활하는 방법은 규정/실제 비교를 통해 마찰 토크와 온도의 실제 값을 이상적인 규정 값과 비교한다. 규정 한계를 초과하는 경우에는 보충 윤활이 자동으로 활성화되어, 전체 수명 사이클 동안 볼스크류 드라이브 마모가 최소화되는 최적 윤활 상태를 유지하게 된다. 연구소 조건에서 일정한 부하가 있을 때에 평균적인 수명이 70% 증가하는 것으로 입증할 수 있었다.

■ 피드축 콤포넌트의 자기 정의:

아직도 많은 생산 영역에서는 아날로그 방식인 종이를 사용하여 정보를 교환하는 모습을 볼 수 있다. 콤포넌트 제조사가 최종 고객에게 볼스크류 드라이브의 품질 관련 형상 데이터를 전달하는 경우가 이에 해당되는데, 이로 인해 기계를 작동 개시할 때 번거로우며 수동 데이터 입력으로 인해 오류 발생률이 높아진다. wbk에서는 이에 대한 해법으로 메모리 기반 시스템을 개발하였다. 이 시스템을 이용하여 콤포넌트는 전체 수명 사이클 동안 자신의 품질 관련 데이터를 디지털 방식으로 지닐 수 있다. 이 방법은 축마다 특정한 피치 오류와 같은 모든 중요 데이터, 부품 번호와 도면 번호 또는 실시한 정비 작업 등과 같은 조직적 정보를 언제든 사용할 수 있도록 유지하며, 그 덕분에 기계 제조사들뿐만 아니라 기계 사용자도 작동 개시 시간을 단축하고 공정 안전성을 높일 수 있다. 설명한 응용 예시를 바탕으로 볼 때, 감당할 만한 간단한  노력으로 인더스트리 4.0 접근법이 생산 환경에서 실현되고, 현장에 있어서 중요한 문제를 해결하기 위해 사용된다는 점을 알 수 있다. 이는 인더스트리 4.0이 대기업을 위한 것만이 아니며, 중소 기업에서도 경제적으로 적합하다는 점을 증명한다.