시험 데이터를 최적화하는 PC 기반 제어

시험 용량과 시험 데이터양 그리고 품질을 높이기 위해 스위스 스핀들 제조업체인 Fischer가 PC 기반 컨트롤 기술을 탑재한 테스트 벤치를 개발하였다. Fischer는 이 스핀들 테스트 벤치로 생산 디지털화를 준비하고 있다.

안드레아스이젤리(Andreas Iseli): Beckhoff 지점장

핵심 내용

  • Fischer AG의 새로운 테스트 벤치는 원격 접근을 통해 최적화할 수 있다.
  • 이를 위해 카메라가 작동 안전 상 필요한 이미지를 제공한다.
  • 새로운 테스트 벤치에서 EtherCAT이 메인 버스 시스템 역할을 한다.

모터 스핀들은 항상 까다로운 품질 요건을 충족해야 한다. 이를 위해 스위스 Fischer AG의 모든 스핀들은 납품하기 전에 정교한 시험 프로그램을 거치며, 시험 용량과 시험 데이터양 그리고 품질을 높이기 위해, Beckhoff의 PC 기반 제어 기술을 탑재한 테스트 벤치를 개발하였다. 이는 디지털화를 향한 중대한 발걸음이기도 하다.

데이터 품질을 위해 새로운 테스트 벤치를 개발하였다. 이를 위해 많은 시험 데이터를 수집해야 했으며, 신뢰할 만한 시험 데이터를 수집해야 했다. 이전 테스트 벤치로는 여러 테스트 스테이션에 분산된 중앙 냉각 시스템으로 인해 데이터를 비교하는 것이 순조롭지 않았다. 새로운 테스트 벤치 덕분에 품질 테스트 및 데이터 부하 그리고 처리량도 상당히 개선되어, 두 배 정도 증가하였다. “우리는 새로운 스핀들 테스트 프로젝트에 Beckhoff의 포트폴리오를 이용하여 신속한 제어 기술과 완전한 제어 인텔리전스를 구축하기로 결정하였습니다.”(아드리안플뤼키거, 테스트 벤치 제작 책임자) 속도와 성능, Beckhoff가 제어 기술로 구축한 PC 기반 접근 방식의 개방성이 이번 결정에서 중요한 기준이 되었다.

테스트 그룹을 100%까지 시험한다

“우리는 품질 테스트를 위해 100% EOL 시험을 실시하고, 당사의 모든 스핀들은 여러 시간의 테스트 사이클을 통과해야 합니다.”(슈테판 슈나이더, Fischer AG 기술 매니저) 테스트 벤치에는 독립적인 테스트 스테이션이 6개인 중복 그룹 2개가 있다. 이 2그룹에는 컨트롤 캐비닛 산업용 PCC6250이 장착되어 있으며, 각 테스트 스테이션에는 시스템 조작을 위해 컨트롤 캐비닛 IPC C6290과 CP-Link4에 연결된, 서포트 암에 설치된 멀티 터치 컨트롤 패널 CP3919이 있다. 중복 테스트 스테이션 그룹 구조는 시스템의 고장 안전성을 보장하기 위한 선택이었다.

테스트 매개변수는 데이터 베이스에 저장되어, 스핀들을 테스트 벤치에 장착한 후, 바코드 스캔으로 적합한 매개변수 세트를 로드하고, 스핀들이 진입 사이클, 생산 사이클 그리고 검사 사이클로 구성되는 지정된 사이클을 통과한다. 시험 스테이션 당 257개의 센서들이 고해상 데이터를 제공하고, 이 데이터들은 내보내기 등 압축 분석한 후, 전 세계 데이터 베이스에서 사용할 수 있다. “이제 새로운 테스트 벤치와 고품질 데이터로 동일한 타입의 스핀들 테스트 결과를 비교하고, 이런 방식으로 특이 사항을 알아낼 수 있습니다. 따라서 품질은 높이지고 결함이 있는 스핀들의 반송은 줄일 수 있습니다. 이런 스핀들이 애초에 생산되지 않기 때문입니다.”(아드리안플뤼키거)

여러 개의 스위치 보드가 있는 컨트롤 캐비닛에 테스트 스테이션 6개가 하나의 독립적인 테스트 그룹으로 나뉘는 12개의 테스트 스테이션에 대한 컨트롤러가 배치되어 있다.

데이터 분석과 기업의 디지털화가 갈수록 중요해지면서, 수집한 데이터 품질과 복원력이 매우 중요해졌다. 현재 두 명의 직원이 이 주제에 전적으로 매진하고 있다. “로그인하고 고해상도로 측정 데이터를 비교할 수 있기 때문에, 패턴을 인식하고 이를 통해 새로운 품질 기준을 정의할 수 있습니다. 이에 대한 한 예시는 창고 온도 분석입니다. 이전에는 한계 값만 관찰했기 때문에, 한계 값 이하에서 일어나는 변화는 확인할 수 없었습니다만, 이제는 새로운 테스트 벤치 덕분에 이상 현상을 감지할 수 있습니다.”(슈테판 슈나이더)

일 년 전부터 테스트 벤치는 테스트 스테이션 12개 모두에서 사고 없이 작동되고 있으며 앞으로도 그렇게 될 것이다. 이를 위해 스핀들에 대한 테스트 데이터를 수집하고, 정비를 해야 하는 시스템 구성 요소(필터 등)를 모니터링한다. “당사의 예전 테스트 벤치는 하계 또는 동계 휴가 중에 정비 작업을 실시했었습니다, 이제는 이러한 구태의연한 방식에서 벗어나려고 합니다. 새로운 시스템은 가용성이 항상 보장됩니다. 정비가 필요한 구성 요소는 모니터링하고 필요할 경우 바로 교체하고 있습니다.” IPC는 부하를 모니터링하고 기록한다. 컴퓨터 부하가 지속적으로 90%로 나타나는 경우, 이에 대한 원인을 찾아 제거한다. 비상 상황인 경우에도 시간이 많이 소요되지 않고, 성능이 우수한 장치로 교체하고 있다. 설치된 장치는 미러링되어 간단하게 새 IPC에서 작동하기 때문이다.

테스트 벤치의 네트워킹도 새로운 장점이다. 이전 테스트 벤치는 모든 설정을 현장에서 직접 실시해야 했지만, 새로운 테스트 벤치는 원격 접근으로 최적화할 수 있으며, 카메라가 작동 안전에 필요한 이미지를 제공한다. 이는 현재 Fischer AG에서 자주 사용하는 옵션이다. 특히 테스트 벤치는 여러 교대 근무조에서 사용하고 있으며, 주말에도 사용하고 있다.

객체 지향 프로그래밍 언어 C#으로 전환

그래픽 프로그래밍 시스템에서 객체 지향 프로그래밍 언어는 성능 향상을 위해 C#으로 전환하였다. C#으로 프로그래밍 하는 경우 .Net 인터페이스는 TwinCAT 3를 사용한다. “소프트웨어 개발에서 매우 유용한 것으로 입증된 또 다른 특징은 TwinCAT의 멀티 인스턴스입니다. 테스트 스테이션은 12개이지만 멀티 인스턴스로 인해 한 테스트 스테이션에 대한 코드만 사용하면 되기 때문에 많은 시간과 프로그래밍 수고가 절감됩니다.”(아드리안플뤼키거)

아드리안플뤼키거에 의하면, 새로운 테스트 벤치를 시운전하면서 잘 선택한 것으로 입증된 기능은 소프트웨어 오실로스코프 TwinCAT3 Scope이다. 이 오실로스코프는 TwinCAT 제어 아키텍처에 통합되고 차팅 툴을 통해 간단하게 신호 패턴을 그래픽으로 묘사할 수 있다. “각 클램프의 신호는 TwinCAT3 Scope 덕분에 거의 실시간으로 확인할 수 있습니다. 이 기능은 개발이 진행되면서 장점을 확인할 수 있었습니다. 시운전이나 오류 탐색 시에 신호를 비교할 수 있어 큰 도움이 되었습니다.”

개방형 제어기술이 버스 시스템 사용을 확대한다

새로운 테스트 벤치에서 메인 버스 시스템 역할을 하는 것은 EtherCAT이다. 하지만 몇 가지 포기할 수 없는 구성 요소로 인해 다른 필드 버스도 사용하고 있다. “여러 유형의 필드 버스를 혼합해서 사용할 수 있다는 점이 우리에게 매우 유용했습니다. 테스트 벤치에서 프로피 버스를 통해 연결되어 있는 모터를 구동하기 때문입니다. 몇몇 밸브 때문에 CAN 버스도 필요합니다. Beckhoff의 개방형 컨트롤 기술 덕분에 여러 버스 시스템을 혼합하는 것도 문제가 없었습니다.”(아드리안플뤼키거)

Beckhoff에 의하면 Beckhoff의 EP 시리즈 EtherCAT 박스 모듈이 매우 유용한 것으로 입증되었다고 한다. “IP67-I/O 모듈이 없었다면, 배선이 훨씬 더 힘들었을 것입니다. 필드버스 배선과 신호 배선이 분산 설치와 사전 제작된 EtherCAT 박스 모듈 케이블로 훨씬 단순해졌습니다. 배선 오류도 방지할 수 있고 시운전 시간도 최소화할 수 있었습니다. EtherCAT 박스 모듈은 중요한 모든 필드버스 시스템을 지원합니다. 그로 인해 사용하는 버스 시스템에 크게 상관없이 전기 장치를 계획합니다.”

“단말기에는 TwinCAT 내 Sync Units을 사용합니다. 이를 통해 어플리케이션들을 구조화하고, 한눈에 파악할 수 있어 오류를 간단하게 찾을 수 있습니다.”(아드리안플뤼키거) Sync Units은 I/O 관련 장치의 독립적인 유닛을 정의한다. Sync Unit 내에서 필드버스 관련 장치가 고장 나면, 자체 Sync Units의 관련 장치에 오류가 있는 것으로 표시된다. 물론 다른 Sync Units의 관련 장치는 영향을 받지 않는다.

슈테판 슈나이더(왼쪽) Fischer AG 기술 매니저, 아드리안플뤼키거(오른쪽) Fischer AG 테스트 벤치 제작 매니저, 안드레아스이젤리(가운데) 뤼사흐 Beckhoff 사무실 책임자

개발 중에도 사용자를 지원하였다

프로젝트 기간 중에 스위스 뤼사흐에 위치한 Beckhoff와 협력하여 근거리에서 지원을 받을 수 있다는 점도 유용한 것으로 입증되었다. “Beckhoff는 여러 가지 주제에서 사전 테스트나 워크숍을 통해 우리를 지원하였습니다. 프로젝트 초기에는 많은 일을 전화로는 해결할 수가 없어, Fischer AG 직원들이 자주 뤼사흐 사무실에 가거나 아니면 Beckhoff 직원들이 Fischer 사무실에 머물러 있었습니다. 지금도 여전히 지원이 필요합니다. Fischer AG 프로젝트 팀에게 핵심 축은 지속적인 소프트웨어 개발입니다. 따라서 팀은 품질과 효율성에 극도로 집중하였고 Beckhoff 솔루션 파트너인 MBC Engineering GmbH와 함께 Twincat 및 .Net 개발 전문가들을 고용하였습니다. 이러한 긴밀한 협력을 통해 시너지 효과가 나타났고 프로젝트 이행을 통해 부가가치를 창출하였습니다.” (슈테판 슈나이더)

“Beckhoff의 폭넓은 포트폴리오는 우리의 모든 요건을 지원하였습니다. 현재 우리 테스트 벤치 제작은 오래된 테스트 벤치에 Beckhoff 구성 요소를 장착합니다.”(슈테판 슈나이더) 아드리안플뤼키거가 설명한 바와 같이 새로운 컨셉트의 다른 테스트 벤치도 계획 중이다. “현재 테스트 벤치는 밀링 응용 분야에 사용하는 모터 스핀들에 맞추어 설계하였습니다. 연삭 스핀들을 위한 다른 테스트 벤치도 유사한 구조로 만들 예정입니다. 이를 위해 테스트 벤치 기계 장치를 완전히 변경해야 합니다. 하지만 컨트롤 컨셉트와 소프트웨어 모듈은 대부분 그대로 사용할 수 있습니다.”

전통이 있는 기업 Fischer AG

Fischer AG는 3대를 이어온 가족 기업으로, 2019년에 회사 창립하여 81주년을 맞이하였다. 초기에는 벨트로 구동되는 간단한 연삭 스핀들을 자체 부품 제작을 위해 개발하였다. 현재 제품 포트폴리오는 연삭, 밀링, 항공 우주 구조 부품을 위한 고성능 절삭 등 절삭 기술의 전 영역을 포함하고 있다.

현재 포트폴리오에 공기 역학적으로 장착되는 자동차 분야의 연료 셀 환기를 위한 컴프레서와 Fischer 스핀들과 조합한 밀링 헤드가 새로 추가되었으며, 이 밀링 헤드는 대만에서 제작된다. “특허받은 샤프트 냉각 방식이 적용된 당사의 스핀들은 이 유형에서는 독창적인 것으로, 가공을 위해 초정밀 다이를 사용한 하이엔드 제품입니다.”(슈테판 슈나이더, Fischer AG 기술 매니저) 이 제품으로 소량 부품을 생산하는 틈새시장에 서비스한다.