공작물 클램핑 기술 최신 트렌드

하노버의 라이프니츠 대학의 IFW (Institute for Manufacturing Technology and Machine Tools)는 프로세스와 상태 정보를 통해 클램핑 시스템이 작용하는 다양한 개념을 연구하고 있다.

공학박사 베렌트 뎅케나(Berend Denkena) 교수: 하노버 라이프니츠 대학 IFW 책임자, 공학박사 벤자민 베르크만(Benjamin Bergmann): IFW 기계 및 컨트롤 분야 책임자, 공학박사 하인리히 클레메(Heinrich Klemme): IFW 기계 및 컨트롤 분야 컴포넌트 파트 책임자

핵심 내용

  • 하노버 IFW는 공작물 클램핑 기술에 중점을 두고, 공작물 클램핑 시스템의 디지털화와 생산 시스템과의 네트워킹을 위한 일련의 개념을 연구하고 있다.
  • 이번 기사에서는 감각적 클램핑 척과 사이버 물리 회전 척 그리고 감각적 스윙 클램프의 세 가지 개념을 설명한다.

공작물은 대부분 클램핑 오류로 인해 불량이 발생한다. 소량 생산이 많아지고 제품 개별화와 복잡한 제조 공정이 증가함에 따라 생산 공정을 모니터링하고 제어하는 요구가 증가하고 있다. 이를 위해 프로세스 별로 정보를 얻은 이후 부가가치를 제공하는 방식으로 가공이 진행되고 있다.

클램핑 시스템은 프로세스의 작동 위치에 근접하여 프로세스와 상태 정보를 제공한다. 새로운 센서와 디지털화 기술은 척킹 시스템을 통해 이러한 정보의 중심 소스로 활용할 수 있는 가능성을 제공한다. 이러한 개념을 하노버 라이프니츠 대학의 IFW (Institute for Manufacturing Technology and Machine Tools)에서 수년 동안 연구를 진행하였고, 그 가운데 일부를 EMO Hannover 2019에서 선보였다. 이번 기사에서는 공작 기계 산업에 트렌드를 제공하는 IFW의 공작물 클램핑 기술 프로젝트를 소개하고자 한다 (그림 2).

그림 2: 공작 기계 산업의 트렌드는 미래의 공작물 클램핑 기술에 대한 혁신적인 접근 방식을 요구한다.

클램핑 상태 모니터링

클램핑 헤드와 제로 포인트 클램프는 높은 반복성으로 공작물을 클램핑할 수 있다. 일정하게 유지되는 홈 위치로 공작물의 영점을 거듭해서 측정할 필요가 없어, 다수의 공작 기계에서 정밀한 공작물 가공이 가능하다. 또한 작업 준비 과정에서 공작물 클램핑을 공정과 동시에 진행할 수 있어, 장비 셋업으로 초래되는 비생산 시간이 크게 줄어들었다. 반복 가능한 포지셔닝은 결함이 없는 클램핑에서만 가능하다. 하지만 스프링에 의해 제공되는 클램핑 힘에 의해서 또는 클램핑 표면 오염에 의한 클램핑 약화로 오차가 발생한다. 장애 없이 안정적인 작동을 보장받으려면 클램핑 상태를 항상 모니터링해야 한다. 클램핑 헤드와 영점 클램프의 클램핑 상태를 모니터링하기 위한 현재의 접근 방식은 클램핑 메커니즘의 피스톤 위치 파악이다. 이를 위해 최종 위치에 도달할 때 유압 또는 오일 체적 기준 값이 먼저 결정되고, 이어서 작동 중 기준 값과의 편차를 점검하고 모니터링해야 한다. 압력 또는 체적 유량 측정으로 클램핑 상태를 간접적으로 파악할 수 있다. 유압 시스템의 누출은 체적 유량 또는 압력의 변화를 초래하여, 이를 기초로 하는 상태 모니터링이 왜곡될 수 있다. 결과적으로 알람 오류가 작동하거나 또는 감지하지 못한 클램핑 오류로 인해 불량이 발생할 수 있다.

작용하는 힘 측정

클램핑 척과 영점 클램프에 작용하는 힘의 연속적이고 정량적인 측정을 위한 접근 방식을 Berg Spanntechnik GmbH와 협력하여 개발하였다. 이는 스트레인 센서를 통합하여 이루어졌다. 클램핑 시스템의 강성이 높음에도 불구하고 힘 전달 하우징의 변형을 IFW에서 개발한 접근 방식으로 측정할 수 있다. 최상의 센서 감도로 센서 개념을 구현하기 위해, 첫 번째 단계로 클램핑 요소에서 적합한 표면을 선택하였다. 이는 원칙적으로 DMS 어플리케이션(스트레인 게이지)에 적합하다. 두 번째 단계는 FEMTool을 사용하여 세부 설계를 수행한다. 이런 경우 일반적으로 클램핑 척에 작용하는 하중, 예를 들어 서로 다른 방향의 힘이 시뮬레이션으로 적용된다. 이후 사전 선택된 표면에서 일어난 변형을 분석한다 (그림 3).

그림 3: 하중 하에서 국소적 변형의 FEM 분석을 통해 최적의 센서 위치를 알아낼 수 있다.

             이렇게 하여 DMS의 최적의 위치와 정렬 그리고 필요한 센서 개수를 산출할 수 있다. 그림 4는 감각 클램핑 척의 첫 번째 기능 모델의 실험 분석 결과를 보여준다. 기능 패턴의 통합 센서는 10kN에서 센서 감도가 0.56mV / V인 클램핑 힘과 거의 선형 상관관계가 있다. 이는 산업 적용을 위해 스트레인 센서로 클램핑 힘을 모니터링하기에 충분하다. 또한, 측정 결과는 이러한 센서 개념으로 내부 클램핑 힘뿐만 아니라 클램핑 시스템에 작용하는 외부 힘(예: 프로세스 힘)도 측정할 수 있다. 이 기능 모델에서는 약 200N의 수동 힘을 클램핑된 조임 볼트에 4번 가하였다. DMS를 바탕으로 힘 값을 생성하기 위해, 그리고 DMS 신호가 융합 및 캘리브레이션 되었다. 이를 통해 3개 공간 방향으로 힘을 측정할 수 있다. IFW에서 개발한 이 개념을 통해 다양한 클램핑 상태를 감지할 수 있다. 여기에는 클램핑 힘의 연속 컨트롤, 팔레트 및 공작물에 대한 지지 컨트롤 및 클램핑 지점의 이물질 감지가 포함된다. 기존의 측정 시스템으로는 비슷한 기능을 동시에 제공하는 것은 전혀 불가능하거나 상당한 추가 비용을 들여야 했다.

그림 4: 첫 번째 기능 모델의 실험 분석. 작은 힘도 고도로 정확하게 측정할 수 있다.

고도로 정확한 클램핑 힘 제어

오늘날 선반에서 사용되는 범용 파워 척은 일반적으로 클램핑 힘을 측정하는 기능과 목표 클램핑 힘을 조작하는 액추에이터 기능을 갖고 있지 않다. 따라서 개별 제품의 생산 요구 사항에 대한 클램핑 힘과 조 피드를 유연하게 조정하는 것이 불가능하다. 이러한 이유로, 공정과 동시에 클램핑 힘을 측정하고 제어하기 위한 범용 선반용 소형 전동 척을 구현하는 것이 “Cyber-Chuck” 프로젝트의 목표이다. 클램핑 힘을 정확하게 제어하는 방법 외에, 사이버 물리 파워 척은 사이버 물리 생산 시스템 내에서 정보 소스가 될 수 있다(그림 5).

그림 5: 사이버 물리 회전 클램핑 척 컨셉트 – 이 지능형 시스템은 사이버 물리 생산 시스템 내에서 통신한다.

이를 통해 지금까지 사용하지 못한 정보 기술을 생산의 투명성과 유연성을 향상시키기 위해 활용할 수 있다. 프로젝트의 일환으로 개발한 로터리 척은 현재 사용 가능한 시스템보다 훨씬 작다. 이를 위해 척의 4개의 조를 구동하는 단 하나의 전기 드라이브만 통합한다. 클램핑 프로세스는 두 가지 작동 모드로 나뉜다. 첫 번째 작동 모드에서는 클램핑 조가 공작물로 빠르게 이송된다. 이때 전기 드라이브는 클램핑 리프트 동작에서 발생하는 마찰력을 극복하기 위한 출력을 가해야 한다. 클램핑 조가 공작물에 닿자마자 두 번째 작동 모드에서 클램핑 힘이 형성된다.

             높은 클램핑 힘의 실현은 제 2작동 모드에서 추가할 수 있는 클램프 힘 강화를 통해 유압식으로 실현된다. 이때 구동 측에서 압력은 전기 유압식으로 증폭된다. 액추에이터 컨셉트는 환형으로 실현되어 전기 회전 척의 자동 로딩이 가능하다. 개별 클램핑 조의 힘은 모든 클램핑 조에 동일한 힘이 가해지도록 통합된 보상 메커니즘을 통해 조정된다. 이로 인해 클램핑 가능한 공작물 형상과 관련하여 더욱 큰 유연성이 달성된다. 드라이브의 전류를 측정하고 전류-클램핑 힘 특성을 알면 프로젝트에서 실제 인가되는 클램핑 힘을 결정할 수 있다. 전기 기계식 작용을 결정함으로써, 작용 내에서 회복력의 결과로서 발생하는 클램핑 힘 변동을 정량화하는 것이 가능하다. 클램핑 힘을 사전 제어하기 위해 실제 값과 규정 값 사이의 편차를 결정할 수 있다.

따라서 사이버 물리 클램핑 시스템의 클램핑 힘은 콤팩트한 디자인에도 불구하고 현재 사용 가능한 시스템보다 정밀하게 설정하고 조정할 수 있다. 프로세스 계획과 제어와의 네트워킹을 위해 로터리 척에는 정보 기술 인터페이스가 제공된다. 이를 위해 클램핑 시스템은 척 하우징 내에 신호 처리 전자 장치로 통합된 시스템에 임베디드된 인텔리전스를 수신한다. 이 인텔리전스는 클램핑 근처에서 측정 크기를 수집하고 이를 해석 가능한 크기(예: 클램핑 힘, 작동 상태, 클램핑 상태)로 처리한 뒤 중앙 컨트롤러와 무선으로 통신한다. 중앙 컨트롤러는 두 가지 작업을 수행한다. 사이버 물리 파워 클램핑 시스템이 올바르게 작동하도록 폐쇄 루프에서 전기 드라이브를 제어한다. 다른 한편으로 개방형 기계 제어와 IIoT 플랫폼과 같은 외부 IT 시스템에 대한 인터페이스 역할을 한다. 처음으로 KSF 힘과 상태 데이터를 IT 시스템에 통합하고 이 데이터를 사용자 친화적인 인터페이스를 통해 사용자에게 제공할 수 있다. 로터리 척의 첫 번째 기능적 기능 모델 구현은 내년에 계획되어 있다.

증강 현실이 시각화를 돕는다

작은 생산 개수와 제품의 개별화 증가 그리고 복잡한 제조 공정은 최근 수십 년 동안 품질 보증과 관련하여 비용이 증가하고 있다. 동시에 새로운 기술은 프로세스 모니터링과 데이터 처리 및 시각화를 위한 품질 보증을 지원한다. 증강 현실은 IFW에서 연구 개발하는 접근법이다. 이 아이디어는 간단하다. 정보가 시간에 따라 파형을 표시하는 대신, 공구 경로를 따라 3차원 공간에 표시되고, 이러한 방식으로 실제 구성 요소와 프로세스 신호가 융합된다. 작업자는 정보 시각화에 대한 이러한 새로운 접근 방식으로 공정 결과와 제조 결과 간의 관계를 이해할 수 있다.

IFW는 클램핑 제조업체 Römheld GmbH와 기타 산업 파트너들과 함께 기존의 유압 스윙 클램프를 기반으로 감각 클램핑 시스템을 개발하였다(그림 6). 스트레인 게이지 센서를 통합하여 장비의 작업 공간을 제한하지 않고 공정 가까이에서 데이터를 수집할 수 있다. 이러한 감각 클램핑 요소에 의해 지금까지 측정할 수 없거나 어려웠던 데이터를 획득할 수 있다. 여기에는 스윙 클램프에 직접 작용하는 프로세스 힘이 포함된다. 공간적으로 해석된 프로세스 힘의 시각화를 위해 결정된 프로세스 힘은 컨트롤러의 정보와 결합된다.

그림 6: IFW가 개발한 감각 스윙 클램프는 가공 시나리오 내에서 데이터 소스의 역할을 한다.

이를 위해 Ceratizit Hannover GmbH는 기계 제어에 대한 노하우를 프로젝트에 통합하여 필요한 제어 데이터에 대한 액세스를 실현하였다. 이 데이터에는 모든 축의 구동 전류, 스핀들 및 축의 실제 위치가 포함된다. 데이터는 네트워크를 통해 전송되고 중앙에서 수집되고, 이 정보는 작업 준비와 품질 보증을 위해 바로 사용할 수 있다. 구성 요소의 공정 힘 시각화는 Salt and Pepper Software Solutions와 함께 개발하였다. 감각 클램핑 시스템의 힘 신호는 시분할 신호 곡선으로 3D 객체로 직접 표현할 수 없다. 따라서 프로세스에 대한 설명이 먼저 필요하다. 이를 도출하기 위해 Soft Scope 소프트웨어를 사용하여 생성된 프로세스 프로토콜이 사용된다.

힘 신호의 위치를 결정하는 기록된 축 위치가 기초를 형성한다. 공구 경로를 따라 각 데이터 포인트에 대해 색상과 높이가 측정된 힘을 나타내는 막대가 이 위치에 생성된다. 원칙적으로 다른 프로세스 신호도 표시 변수로서 이용될 수 있다. 이렇게 생성된 파일은 가상 공간에서도 확인할 수 있다. 개념을 평가하기 위해 그림 6에 표시된 클램핑 시나리오를 프로젝트에 사용하였다. 이때 알루미늄 블록을 3개의 감각 스윙 클램프를 이용하여 작업 영역에 고정하였고, 깊이 12mm의 포켓 윤곽을 여기에 밀링 가공하였다. 그림 7은 이 방법으로 투영된 힘 곡선을 보여준다. 파란색 막대가 높거나 어두울수록 해당 시점이나 위치에 작용하는 힘이 커지는 것을 의미한다.

그림 7: 공구 경로를 따라 예상되는 공정 힘 흐름은 작업자가 공정을 이해하고 모니터링 하는 데 도움이 된다.

Volkswagen AG의 시리즈 생산에서 감각 스윙 클램프라는 개념을 테스트할 목적으로 실제 공정 데이터의 장기 기록을 위해 사용하였다. 이렇게 얻은 데이터는 일련의 프로세스 별 특징을 추출하는 것이 가능하여, 실제로 인가되는 공정 힘, 공구 교체, 기계 테이블의 회전 운동 및 공구 마모까지 측정할 수 있다.

요약과 전망

생산 공정의 자동화와 유연성은 경쟁력 확보를 위해 필수적이다. 인더스트리 4.0과 IoT 기술은 이와 관련하여 중요한 촉매제 역할을 한다. 잠재력을 최대한 활용하려면 프로세스와 조건 데이터를 수집하고 목표로 사용하는 것이 중요하다. IFW Hannover는 공작물 클램핑 기술의 주요 주제 가운데 하나로 공작물 클램핑 시스템의 디지털화와 상위 수준의 생산 시스템과의 네트워킹을 위한 개념을 연구하고 있다. 이러한 접근 방식은 업계와의 긴밀한 협력을 통해 광범위하고 목적에 적합한 연구가 가능하다.