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CNC 복합 공작 기계: 하나의 시스템으로 개별 완제품에 이르기까지

BECKHOFF

생산에서 더 많은 유연성, 속도 및 효율성은 문과 창문 제작을 전문으로 하는 프랑스 제조회사 Bieber의 목표였다. 이를 위해 Bieber는 Koch Maschinenfabrik 사에 정교함과 유연성이란 관점에서 새 기준을 세울 생산 공장의 건설을 의뢰했다. Beckhoff는 풍부한 전문기술과 강한 투자 의지를 기반으로 PC 및 EtherCAT 기반 제어 기술을 사용하여 이 목표를 달성했다. 더불어 Bieber 사의 고품질 창문은 진정한 기술적 진화의 혜택을 보게 됐다.

독일 Leopoldshohe에 본사를 둔 회사 Gerhard Koch Maschinenfabrik는 50년 이상의 경험으로 가구, 문 및 목재 창문 생산을 위한 최고 품질의 기계를 제공하는 선도적인 공급업체이다. 이 회사는 소잉(sawing), 밀링(milling), 드릴링(drilling) 및 특히 글루잉(gluing)과 다우얼링(dowelling) 기계를 전문으로 한다. 광범위한 노하우는 주요 생산 시스템과 더불어 생산 시설을 현대화하려는 Waldhambach의 Alsatian town에 기반을 둔 창문 및 문 전문 업체 Bieber SA에게 핵심 강점으로 작용했다.

핵심 요구사항인 품질과 유연성
새로운 CNC 복합 공작 기계 Winline-6에 대한 Koch사의 주된 요구사항은 산업보호 및 로트 사이즈(lot size)를 1까지 줄이는, 품질과 유연성을 증가시키는 것이었다. 이는 목재 창문과 문 시장에서 핵심 성공 요소이다. 또한 주문형 제품을 작은 시리즈 또는 개별 조각으로 요구하는 개인 고객들과도 거래를 한다.
해답은 크기와 복잡성에도 불구하고 두 개의 오퍼레이터만을 필요로 하는 독특한 모듈형 목공 기계에서 찾았다. 이 기계는 알루미늄 패널의 브래킷 어플리케이션을 포함하는 나무/금속 창문에서 개별 완제품까지의 모든 부분을 처리한다. 이로서 창문 코팅을 위한 준비가 된다. 기본적으로 새로운 생산 공장은 신뢰할 수 있는 모듈형 Koch 시스템을 기반으로 하지만, PC 제어 마스터 컴퓨터를 위한 소프트웨어의 자체 개발을 포함해서 Bieber사의 모든 요구사항을 충족하도록 맞춤 설계되었다.

하나의 소스에서 완전한 복합 공작 기계
기계 제조업체 Koch사는 Bieber 사의 생산 공장 전체를 자체적으로 개발했다. Koch 사의 요청으로, TwinCAT으로 자동화된 업스트림 플래너(upstream planer)만을 외부에서 공급받아 시스템에 완벽하게 통합되었다. 실제로 Koch사의 Winline-6 공장은 5개의 모듈로 구성된다. 중간 부품 창고, U자 형태로 배치된 3개의 처리 모듈(Winline-600, Windoor-LU 및 Winline-6000), 중간에 위치한 셔틀 시스템 공구 교환 장치.
Koch사는 개별 기계 모듈 내에서 제어 데이터의 전송 및 처리를 위해 EtherCAT과 TwinCAT NC 1 소프트웨어를 사용한다. 이는 Winline-600 처리 모듈에서 서보로 제어되고 독립적으로 작동하는 인장기 축 동기화의 높은 요구사항을 충족시키기 위한 필수 조건이었다. Koch사의 소프트웨어 개발 매니저인 Oliver Bexte는 다음과 설명한다. “두 개의 Winline-600 처리 부분은 각각 6개의 개별 부품 즉, 한번에 총 12개의 부품을 포함할 수 있습니다. 뛰어난 처리 성능과 짧은 사이클 타임은 매우 빠른 제어 기술을 요구합니다. 그러므로 우리는 2 ms 속도와 정확도를 가진 테스크(task), 1 ms의 캠-플레이트 축으로 NC를 운용합니다.” 다년간 입증된 실적에 기초하여, Koch사는 모든 NC 제어 기계에 Beckhoff의 자동화 기술을 사용한다.
여러 기계 모듈은 실시간 이더넷으로 상위 계층 데이터 교환한다. 생산 데이터의 계산과 할당, 부품 추적 및 툴 관리에 사용되는 마스터 컴퓨터와의 통신은 TwinCAT ADS에서 운용한다.
공장의 높은 복잡성은 자동화 시스템의 키 데이터로 나타난다. Beckhoff의 RAID 시스템을 내장한 제어 캐비닛 산업용 PCC6140을 모든 모듈의 제어 컴퓨터 및 마스터 컴퓨터로 사용한다. 이들은 푸시 버튼 확장자를 가진 맞춤형 Beckhoff 터치 패널로 작동한다. 업스트림 플래너를 포함해 총 102개의 서보 축을 제어해야 한다.
이 EtherCAT 시스템은 1,804개의 디지털 입력과 1,516 개의 디지털 출력, 수많은 아날로그 I/O와 TwinSAFE 단말기(스타트업 잠금 및 전체 비상 정지실행 용도) 및 RS232 장치를 연결하기 위한 EL6001과 같은 여러 개의 다른 단말기를 가지고 있다.

Koch사의 툴 체인지 시스템은 공정 시간을 최소화한다. 플레이트 체인저가 사전 판독 기능을 통해 다음 공정 단계를 위한 툴과 함께 제공되어 대기 시간을 없앴다.

Winline-600 프로세싱 장치의 제어 캐비닛 앞에서 (왼쪽부터) Bieber 사의 공장 디자이너 Yves Kuhl, Koch 사의 소프트웨어 전문가 Oliver Bexte, Bieber 사의 전무이사 Philippe Beyer.

생산 공정의 5개 모듈
Bieber 사 생산 공장의 첫 번째 모듈은 선반 카트가 있는 중간 부품 창고이다. 카트는 최대 6m 목재 빔의 형태로 된 원료를 공장에 제공한다. 원료 낭비를 최소화하기 위해서 원료 공급은 개별 목재 빔이 아닌 전체 순서에 따라 이루어진다. 순서는 프레임 단위로 중간 창고로부터 할당된 최대 196개의 개별 구성요소로 이어진다. 복잡한 공정은 4개의 AX51xx 서보 드라이버, 4개의 EK1100 EtherCAT 커플러, 28개의 디지털 EL1004 입력 단말기 및 37개의 디지털 EL2004 출력 단말기, EtherCAT Box 모듈인 EP1008, EP2008 및 EP2028의 형태로 보호 등급 IP 67인 총 30개의 I/O로 제어한다.
두 번째 Winline-600 모듈에는 3개의 공정 기점이 있어,두 개의 컨베이어벨트로 운반된 최대 6개의 제작품을 개별 및 동시적으로 처리할 수 있다. 공정단계는 톱으로 폐기목재를 절단하는 소잉 단계, 다월 조인트를 위한 수평 드릴링 단계, 설치구멍 및 모서리 경첩, 받이판의 설치를 위한 드릴링 및 측면 밀링 단계를 포함한다. 이 모듈은 13개의 AX51xx와 11개의 AX52xx 서보 드라이브, 12개의 EK1100 EtherCAT 커플러, 16개의 디지털 EL1004 입력 단말기 및 127개의 디지털 EL2004 출력 단말기가 제어 및 모니터한다.
세 번째 Windoor-LU 모듈은 길이와 상관없는 드릴링 및 다월링을 위한 처리장치이다. 2개의 AX51xx와 AX52xx 서보 드라이브, 4개의 EK1100 EtherCAT 커플러, 39개의 EL1004 EtherCAT 단말기 및 43개의 EL2004 EtherCAT 단말기는 제작품의 정확한 위치 선정 및 정확한 드릴링과 다월링을 보장할 만큼 성능이 뛰어나다. Koch 사에서 개발한, 유지보수가 필요 없어 정확한 접착 어플리케이션이 가능한 모니터링 시스템은 다월이 적용될 때 특히나 높은 제조 품질을 보장한다.
제작품이 대기 또는 프레임 프레스로 직접 공급되기 전의 마지막 공정 모듈은 Winline-6000 장치이다. 여기서 제작품을 세로 방향으로 내부에서 외부로 프로파일한다. 툴이 할당되는 방법에 따라 측면마다 최대 4개의 프로세싱 모터를 사용한다. TwinCAT 캠 플레이트 덕분에 4개의 모터가 필요 시 즉석에서 서로 독립적이고 역동적으로 급락하고 부상할 수 있는 점이 특징이다. 중심 축을 정지하지 않더라도 프로파일의 변경이 매끄럽고 빠르다. 모듈의 제어 시스템은 20개의 AX51xx 서보 드라이브, 14개의 AX52xx 서보 드라이브, 4개의 EK1100 EtherCAT 커플러, 238개의 EL1004 EtherCAT 단말기 및152개의 EL2004 EtherCAT 단말기로 구성한다.
다섯 번째 모듈, 툴 체인지 시스템은 Winline-600과Winline-6000 프로세싱 장치 사이에 있다. 셔틀을 통해 프로세싱 장치에 다음 공정 단계에서 필요한 툴과 함께 사전 판독 기능에 기초하여 마스터 컴퓨터로 제어하는 10개의 플레이트 체인저를 제공한다. 때문에 다운타임(downtime)이 없어지고, 프로세싱 시간은 줄어든다. 모듈에 사용된 장치는 23개의 AX5xxx 서보 드라이브를 포함한다.

Koch 사의 모듈형 목공 기계는 창문 생산에서 요구되는 모든 공정 단계를 수행한다.

고객의 요구사항을 최적으로 구현
고품질 목재 창문 시장에서 고객의 요구사항은 새로운 생산 공장 측정의 기준이다. Bieber 사의 전무이사 Philippe Beyer는 다음과 같이 설명한다. “우리는 표준 창문에서부터 개별 제품까지 모든 것을 다룹니다. 빌 게이츠 같이 중요하고 까다로운 고객인 미국-아메리카 시장에서 특히 고품질로 유명합니다. 주목표는 유연성과 높은 생산성을 증가시키고 제품의 질을 향상시키는 것입니다. 이는 우리가 Koch 사를 위한 새롭고 혁신적인 공장을 찾고 있는 이유입니다. 제품은 Koch 사공장으로 인해 기술적 진화를 경험할 수 있었습니다.” Bieber 사의 공장 디자이너 Yves Kuhl는 다음과 같이 말한다. “짧은 생산 시간으로 인한 높은 요구사항이 공장 내에서의 높은 성능과 위치 선정 속도 덕분에 최적으로 충족하였습니다. 대체로 분당 2개의 제품을 처리하며, 한 번의 이동에 약 800개의 창문을 생산합니다. 게다가 Koch 사 공장은 이전에 사용된 개별 시스템에서는 불가능 했던 프로파일 교체 등의 많은 혁신적인 기능들을 제공합니다. 무엇보다 최종 생산물은 단순히 누르기만 하면 되는 모든 필요한 구멍(hole)과 다월이 있는 완제품입니다.”
Beckhoff의 PC 기반 제어 기술은 이미 오랜 기간 동안 Bieber 사의 현장에서 매일 입증되고 있다. Koch 사에서 창문 및 문 생산기계의 수석 디자이너로 있는 Ralf Steube는 다음과 같이 말한다. “Beckhoff 기술로 제어하는 기계 중 2대는 10년 전에 Bieber 사에 설치하여 여전히 안정적으로 작동하고 있습니다. 따라서 PLC 제어 기계는 오래 전에 과거의 일이 되었습니다. Bieber 사는 새로운 공장으로 포괄적인 PC 제어 전문기술에서 이익을 얻고 있습니다.” Koch 사의 소프트웨어 전문가인 Oliver Bexte는 덧붙인다. “새 공장이 Bieber 사의 생산 중 약 80%를 수행하기 때문에, 셧다운 시 빠른 반응이 매우 중요합니다. 이것이 우리가 Beckhoff 제어 기술을 계속해서 사용하는 이유 중 하나입니다. 같은 PC, EtherCAT 커플러 및 I/O가 시스템 어디에서나 사용하기 때문에 결함 발생 시, 서비스 기술자를 부르지 않아도 쉽고 빠르게 교체할 수 있습니다.” Philippe Beyer는 다음과 같은 추가적인 이익을 예상한다. “PC 기술은 ERP 수준으로 인터페이싱을 단순화합니다. 모든 생산 데이터는 ERP 시스템에서 직접 Koch 사의 마스터 컴퓨터로 전송됩니다. 따라서 공장은 우리 회사 네트워크에 최적으로 통합됩니다. 내년에 생산 EDP을 새로 만들 예정입니다. 새로운 공장이 제공하는 프로세스와 원료 흐름의 최적화 덕분에 이것이 훨씬 더 단순해질 것입니다.”

개별 기계 모듈의 컴퓨터 C6140는 푸시 버튼 확장자를 가진 Beckhoff의 맞춤형 터치 패널을 통해서 작동한다.