경량 구조의 디지털 트윈

경량 구조물의 디지털 트윈을 생성하기 위해서는 작동 중인 공작기계의 일반적 모델을 측정 신호를 기준으로 실제 기계거동에 맞추어 조정해야한다.

공학 박사 슈테파니 아프리치(Stefanie Apprich): 슈투트가르트 대학 메카트로닉스 시스템 공작기계 및 제조 장치 컨트롤 기술 연구소(ISW) 연구직

공작기계나 제조 플랜트의 구상, 개발, 시운전에 가상의 프로토 타입이 일반적으로 사용되고 있다. 가상 프로토 타입은 시뮬레이션 모델로, 물리적 공작기계를 기계적 콤포넌트, 드라이브 그리고 컨트롤 기술과 이들과 가공 프로세스의 상호 작용으로 묘사하고 있다. 가상 프로토 타입은 용도에 따라 각각 다른데, HiL(Hardware-in-the-Loop) 시뮬레이션 또는 가상 시운전과 관련하여 가상 프로토타입도 디지털 트윈이라고 하는 경우가 많다. 가상 프로토타입이 구조 콤포넌트와 피드축, 컨트롤 그리고 가공 프로세스의 상호 작용 시뮬레이션을 기반으로 설계된다면, 디지털 트윈이라는 명칭은 부정확한 것이다.

시뮬레이션 모델은 구조 역학을 정확하게 묘사하지 않는다

시뮬레이션 모델은 역동적인 기계거동, 특히 구조역학을 정확하게 묘사하지 못한다. 매개변수 조정을 통해 모델과 물리적 기계 사이의 동적 거동을 조정해야 하며, 물리적으로 존재하는 기계와 수많은 시간 그리고 전문적 지식이 필요하다. 스튜투가르트 대학의 공작기계 및 제조장치 컨트롤 기술연구소(ISW)에서는 이러한 노력을 최소화하기 위해 다음과 같은 방법을 개발하였다(그림 2). 경량 키네마틱을 채용한 컬럼 이동형 밀링머신의 가상 기계모델(그림 1)은 작동 중 측정 신호를 기준으로 지속적으로 실제 기계거동에 맞추어 조정한다. 이를 통해 경량 공작기계 구조의 디지털 트윈이 생성된다.

기계를 위한 경량 구조의 동적 거동

효율적인 모델 형성의 어려움은 매개변수 입력에 있다. 기계적 콤포넌트의 역동성 시뮬레이션 작업에 입력할 매개변수는 대체적으로 강성 선택, 재료 특성값, 댐핑 특성값이다. 최신 기술로는 기계 개발과 디자인을 위한 가상 프로토타입이 차후 물리적 공작기계의 동적 거동을 예상할 수 있다. 절삭가공 프로세스가 드라이브 제어를 포함하여 피드축에 미치는 영향과 기계의 구조 역학에 미치는 영향은 개발 단계에서 조사할 수 있고, 기계 구상과 설계를 위해 적절히 평가할 수 있다. 모델링된 최초의 고유 주파수는 추후 실제 기계의 고유 주파수와 20% 정도 차이가 난다. 이 모델은 일반적으로 컨트롤러 설계와 진동 방지를 위해, 또 기계 진단과 같은 부가가치 형성에 사용하기에는 정확하지 않다. 예상한 고유 주파수가 추후의 실제 고유 주파수와 15% 정도 차이가 난다면, 진동이 적은 궤적을 생성하기 위한 Input-Shaping-Method(특정 입력 성형기법)의 효과는 25% 정도 줄어든다. 또한 공작기계의 동적 특성이 기계 작업 공간을 통해 변하면 개발 단계에서 동적 특성의 정확한 모델링이 더욱 어려워진다. 컬럼 이동형 밀링머신과 포털 밀링머신 같이 일반적인 공구측 운동과 직렬 키네마틱을 지닌 공작기계는 작업 영역에서 Tool Center Points의 위치에 따라 다양한 동적 거동을 갖는다.

표준 알루미늄 프로파일로 구성된 경량 구조

ISW는 경량 공작기계 구조물의 위치별 동적 거동과 이러한 구조의 디지털 트윈을 자동으로 생성하기 위해 연구실 프로토타입을 사용한다. (그림 3)은 다섯 개의 각기 다른 위치에 있는 컬럼 이동형 밀링 머신의 키네마틱을 보여주는 경량 구조이다. 이 구조는 관련 접합기술을 사용한 표준 알루미늄 프로파일로 구성된다. 수직 축은 치형 벨트 드라이브로 구동되며, 쾌속 컨트롤 프로토타이핑 시스템을 통해 구동할 수 있다. 이 드라이브의 이동 거리는 1,200mm이고, 공작기계 구조의 동적 특성을 체계적으로 바꾸기 위해 이용된다. 심압축의 수평 방향 위치는 수동으로 조정할 수 있다. 이 프로토 타입은 공작기계 구조에서 실제로 나타나는 효과를 낮은 영역의 주파수에서 그리고 적절한 비용으로 묘사할 수 있다. 연구실 프로토타입의 동적 특성은 실험을 통한 모달 해석을 이용하여 다섯 가지 다른 위치에서 조사한다. 결과는 첫 번째 3개의 주도적 고유 모드, 첫 번째 굽힘 모드 그리고 칼럼 이동형 밀링 머신의 비틀림 모드를 보여준다. 심압축의 수직방향 위치에 따라 고유 모드의 고유 주파수가 변한다. 심압축이 가장 아래 위치에 있으면, 첫 번째 모드의 주파수가 12.9Hz이고, 가장 높은 위치에 있으면 16.4Hz이다. 고유 주파수가 전체적으로 최대 22%까지 변한다. ISW 프로토타입이 지닌, 위치별 동적 거동은 산업용 포털 밀링 머신에서도 입증되었다. 가상 공작기계에서 변하는 이러한 거동을 정확하게 묘사하는 것, 다시 말해 공작기계 구조의 디지털 트윈을 작성하는 것은 새로운 가능성을 연다.

경량 구조 디지털 트윈의 생성과 이익

제어 매개변수가 작업 공간 내에서 공작기계의 다양한 동적 특성에 맞게 조정되면서 디지털 트윈으로 고성능 드라이브 컨트롤을 설계할 수 있다. 더 이상 동적 거동이 불량한 위치가 제어 회로의 역동성을 결정하지 않는다. 작업 공간을 통해 변하는 동적 특성은 입력 성형법을 이용하여 궤적 계획에 고려할 수 있고, 최대로 가능한 역동성 한계값을 지닌 각 위치에 오버슈팅 없이 배치될 수 있으며, 안전 레벨을 줄이고 가공을 빠르게 시작할 수 있다. 디지털 트윈을 실제 동적기계 거동에 주기적으로 맞춤으로써 긴 시간에 걸쳐 기계의 동적 특성에 대한 정보가 생성되고, 동적 기계 거동 변화를 추적할 수 있으며, 그로부터 설계 또는 서비스를 위한 역추론할 수 있다. 정기적으로 변화를 추적하고 평가하여 정비주기를 필요에 맞게 계획할 수 있다.

ISW에서 개발한 경량 공작기계 구조 디지털 트윈 작성을 위한 방법으로 일반적인 매개변수 유한 세그먼트 모델(finite segment model)을 이용한다. 이 모델은 정해진 개수의 고유 모드를 묘사한다. 스프링 요소와 댐퍼 요소의 모델 매개변수는 연속적으로 매개변수화된다. 이를 위해 주로 Recursive-least-Squares법을 사용하며, 이 방법은 컨트롤 내부의 측정 신호와 추가로 측정되는 가속 신호를 기반으로 모델 매개변수를 바꾼다(그림 2 참조). 매개변수 조정은 비생산 시간 중에, 즉 가공이 중단되었을 경우에 이루어진다. 이는 구조의 동적 거동과 가공 프로세스의 비동적 거동을 식별하도록 보장한다. 절삭 시와 같은 가공 프로세스의 역동성은 말하자면 공구 지오메트리와 가공 매개변수에 크게 좌우된다. 기계가 작업 공간 내에서 이동하는 중에도 각 위치에 대해 매개변수화된 모델이 실제 동적 기계 거동을 묘사한다. 이 방법을 이용하여 전문 지식이 없어도 경량 구조의 정확한 디지털 트윈을 자동 생성할 수 있고, 이를 통해 잠재력을 100% 활용할 수 있다.