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소형 부품의 가공 및 처리를 위한 PC 기반 CNC 솔루션

개방형 고속 CNC로 미세 기계 가공에서 비약적 발전

기본 아이디어: 가공 과정 동안 무거운 도구 캐리지 대신에 작은 질량의 작업물이 이동한다.

Willenmin-Macodel 사는 최초로 Delta Kinematic의 다이나믹성과 강성률을 충분히 활용함으로써, 소형 부품 가공에서의 비약적인 발전을 이룬 701S Machining Center를 소개했다. 이것은 이동 질량(moved masses)의 감소 및 Beckhoff의 강력한 PC 기반 CNC 기술을 활용해서 달성됐다. 이것은 제작품에 따라 90% 에너지 소비 감소 및 10배 이상의 가공시간 감소를 가능하게 했다.

스위스 들레몽에 본사를 둔 Willemin-Macodel Company는 소형 부품 가공을 위한 기계를 전문으로 한다. 이 시스템은 특히 시계제조 산업이나 의료기술 및 항공우주 산업에서 사용된다. 기술 감독 Denis Jeannerat은 설명한다. “우리의 핵심 능력은 전 과정의 가공을 위한 고 정밀 기계에 있습니다. 소형 제작품을 고정하는 것은 항상 난제이기 때문에, 현재는 같은 기계가 선삭, 평삭 및 연삭의 전통적인 구분 없이 모든 처리 단계를 수행합니다.

또한 그 기계는 부품 처리, 즉 제작품의 섬세한 삽입 및 제거를 다룹니다. 이것의 아주 좋은 예가 EMO 2013 무역 박람회에서 소개되었던 701S 복합 공작 기계입니다.”

간단한 아이디어가 미세 기계 가공에 대변혁을 일으키다

겉으로 보기에는, 새로운 기계의 밑바탕에 깔려 있는 아이디어는 간단해 보인다. 701S 미세 복합 공작 기계는 뒤바뀐, 말하자면 ‘upside down’된 델타 로봇을 특징으로 한다. 보통 도구 캐리지에 의해 처리되는 작업인 작업물 운송을 델타 로봇이 한다. Denis Jeannerat은 이 개념의 밑바탕에 깔려 있는 생각을 다음과 같이 설명한다. “우리 시장에서는 구성요소 소형화의 추세가 강합니다. 따라서 우리는 기계 크기 대 부품 크기의 향상된 비율을 가진 기계를 설계하려고 노력했습니다. 왜냐하면 우리가 2g이나 20g의 부품을 가공할 때, 100kg이 나가는 도구 캐리지를 12 metric tons의 3m 기계로 옮기는 것은 말이 안 되기 때문입니다. 도구 대신 작은 질량의 작업물을 옮기는 것이 훨씬 더 낫습니다. 이런 식으로, 이동시켜야 하는 질량은 전통적인 샤프트(shaft)에서는 아마 500 ~ 800kg이었던 것이 단지 약 2kg으로 엄청나게 감소했습니다. 이 낮은 관성 모멘트(moments of inertia)는 델타 로봇을 사용해서 또한 달성될 수 있습니다.”

따라서 새로운 기계의 기본 개념은 델타 구조의 병렬 역학에 기반을 두고 있으며, 3개의 팔로 연결된 작업물 캐리어의 형태로 구현됐다. 소형 제작품(Ø 52 x 32㎜)의 가공을 위해 설계된 701S의 가공 전략은 연산 집약적 ‘원호 보간(circular interpolation)’에 초점을 맞춘다. 주요 특징은 매우 높은 정밀성 및 반복성뿐만 아니라, 0.2μm보다 높은 경로 정확도 및 온도 변화에 대한 낮은 민감도를 포함한다. 최대 80,000rpm의 속도를 가지며 공구 홀더가 없는, 특별히 설계된 고성능 모터 스핀들(spindle)은 증가된 정적 및 동적 강성률, 매우 높은 평형 특성 및 낮은 반경 런아웃(radial runout-공구선단에서 1μm 미만)을 추가적으로 제공한다.

Machining Center는 15인치 터치스크린이 있는 맞춤형 CP7912 ‘이코노미’ 제어 패널을 통해서 작동된다.

701S Micro Machining Center는 대략 약 1㎡의 공간을 차지한다.

PC 기반 제어 기술이 기계 운동학을 제어하다

그러나 아주 간단하게 들리는 이 기술을 달성하기 위해서는 설계 및 제어 기술과 관련해서 많은 엔지니어링 노력 및 노하우가 요구된다. PC 기반 제어 기술을 사용하기로 프로젝트 초반에 바로 결정을 내렸다. 왜냐하면 이것이 복잡한 원호 보간 및 빠른 제어 루프(control loop)를 충분히 실현하기 위한 유일한 방법이라는 것이 처음부터 명백했기 때문이다. Denis Jeannerat은 말한다. “결국, 목표는 매우 동적인 기계를 개발하는 것이었습니다. 시스템에 필요한 고도의 동적 강성률은 매우 신속하게 제어 루프 파라미터를 계산할 수 있는 강력한 산업용 PC로만 달성될 수 있습니다. 이것은 이동되어야 하는 감소된 질량을 고려하면 특히 중요합니다.”

PC 제어: 강력함, 입증됨 그리고 개방적임

효율적인 PC 기반 제어 기술을 사용하기로 한 결정에 뒤이어, 적합한 공급업체 또한 신속하게 찾을 수 있었다. “우리는 다양한 산업 제어 아키텍처를 평가하고 나서, 즉시 PC 제어기술에서 깊은 인상을 받았습니다. 이것은 단지 기술 때문만은 아니었습니다. Beckhoff는 우리의 어플리케이션과 같은 분야에서 많은 노하우 및 산업적 전문지식을 가지고 있다는 것이 또한 우리에게 중요했습니다”라고 Denis Jeannerat은 말한다.

Denis Jeannerat에 따르면, Willemin-Macodel는 기계 설계에 있어서 높은 유연성을 중요하게 생각한다. “우리의 기계 설계를 가능한 한 유연하게 만들기 위해서, 우리는 Multifaced I/O 솔루션, 다양한 통신 서브시스템과의 연결성 및 소프트웨어의 융통성을 가진 모든 면에서 개방적인 시스템이 필요합니다. 예를 들어, 필요한 처리나 로봇 시스템과의 통신이 매우 중요합니다. 한편으로는, 우리는 이미 TwinCAT 소프트웨어에 통합된 Kinematic으로부터 이익을 얻고 있으며, 다른 한편으로 우리는 필요하다면 우리 자신의 솔루션을 아주 쉽게 통합할 수 있습니다.”

701S 복합 공작 기계에서, PC 제어의 개방성은 특별한 시각 기반의 도구 측정 시스템의 단순한 연결에 도움이 된다는 것이 또한 입증됐다. 이 도움으로, 도구는 반경 런아웃(radial runout)을 포함해서 전속력으로 측정될 수 있다. 이 측정 시스템은 적절한 PCI 플러그인 카드를 사용해서 Beckhoff 제어 컴퓨터에 통합될 수 있으며, 따라서 컴퓨터에 다량의 데이터를 직접적이고 신속하게 제공할 수 있다. 높은 컴퓨팅 능력과 더불어, 기계에 사용된 1.9 GHz 인텔 셀러론 프로세서를 탑재한 Beckhoff의 C6920 제어 캐비닛 산업용 PC(PCI)는 더 중요한 이점을 제공한다. “Beckhoff의 C6920 산업용 PC는 아주 소형이라서 기계 제어 캐비닛 안에 거의 공간을 차지하지 않습니다”라는 것이 Denis Jeannerat의 견해이다.

EK1100 EtherCAT 커플러는 예를 들어, 저항 센서를 위한 EL3202 2-채널 입력 단말기 및 EL5101 증분 엔코더 인터페이스 단말기 등 수많은 EtherCAT 단말기를 제어 시스템에 통합한다.

인텔 셀러론 1.9 GHz 듀얼-코드 프로세서를 탑재한 C6920 제어 캐비닛 산업용 PC는 까다로운 원호 보간 기능을 위한 충분한 컴퓨팅 능력을 제공한다.

CNC 전용 소프트웨어 및 오퍼레이터 인터페이스

복잡한 경로 계산과는 별개로, PC 제어의 업무는 고성능 스핀들(spindle)의 속도 및 위치 제어를 또한 포함한다. 총 4개의 축-델타 로봇 및 추가 축으로서 스핀들-은 매우 신속하게 제어된다. 이것은 스핀들로 플레이닝(planing)이나 디버링(deburring)과 같은 특별한 가공 작업을 수행할 수 있도록 해준다. 이것은 TwinCAT CNC, 즉 완벽한 CNC 기능을 가진 IPC에서 작동되는 순수 소프트웨어 솔루션을 사용해서 구현된다. TwinCAT CNC는 최대 64개의 축/제어 스핀들을 작동할 수 있다. 이는 최대 12개의 CNC 채널에 분배될 수 있다. 하나의 CNC 채널에서, 최대 32개의 축이 동시에 삽입될 수 있으며, 심지어 가장 어려운 모션 업무도 해결한다.

TwinCATCNC와 함께, 사용자는 기존 CNC에서는 이례적인 I/O 주변기기 및 드라이브 시스템의 개방성으로부터 또한 이익을 얻는다. 대부분의 다양한 I/O 어셈블리는 모든 일반 필드버스 시스템과 연결될 수 있다. 드라이브 시스템은 아날로그/엔코더 인터페이스로 그리고 직접 디지털 드라이브 인터페이스로 어플리케이션 요구에 따라 CNC와 연결될 수 있다. 701S 복합 공작 기계의 I/O 시스템은 44개의 EtherCAT 단말기로 구성되어 있으며, 정보는 2개의 EK1100 EtherCAT 커플러를 통해서 제어 시스템에 전송된다. CNC 오퍼레이터 인터페이스를 위해, 701S는 최대 50m까지 IPC로부터 분리가 가능한 통합 DVI/USB 확장 기술뿐만 아니라, 15인치 터치스크린이 있는 맞춤형 CP7912 ‘Economy’ 제어 패널을 갖추고 있다. IP 65 보호등급의 견고한 알루미늄 하우징으로 된 팔(arm) 장치를 장착하기 위한 패널은 추가 키보드 선반을 갖추고 있으며, 12개의 기능 키 및 10개의 LED 특수 PLC 키를 제공한다. 게다가, 긴급 멈춤 버튼, 6개의 조명 푸시버튼, 그레이 코드스위치(23 위치) 및 증분엔코더와 함께 키 확장이 있다. “제어 패널은 기계의 작동을 아주 편리하게 만듭니다. 수많은 기능은 예를 들어, 전기 기계 푸시버튼을 통해서 직접 통합되며, 이는 직관적이고 매우 간단한 조작을 가능하게 해줍니다”