A Study on the Performance Evaluation of CNC Control Units of an Old Planar Miller Using Remanufacturing Technology

재제조 기술을 이용한 노후 플래너 밀러의 CNC 제어 장치 성능평가에 관한 연구

Abstract

With the continuous development of the current industry, the current global environment is in a very serious situation, with resource supply and demand dependent on imports and huge costs for waste disposal due to the depletion of resources and mass generation of industrial waste. Its limitations have already been revealed in many fields, and the importance of re-manufacturing is drawing attention as a countermeasure to these problems. Re-manufacturing aims to recover products that are in the aging and disposal stages, recover to performance close to new products, and re-commercialize them. Among them, most of the machine tools are made of materials such as steel and cast iron with large structures, and raw materials are widely used when producing new products. In addition, since a lot of carbon is generated due to production, it is an object that can obtain a great re-manufacturing effect. Planner millers belonging to large machine tools are one of the machine tool equipment that can greatly reduce resources and energy through re-manufacturing because the structure is very large and the casting is several to tens of tons. Through this machine tool, performance tests and results are derived on the development of re-manufacturing source technology and domestic servo motor and CNC control device.

1. 서론

산업의 지속적인 발전으로 현재 지구의 환경은 자원의 고갈과 산업폐기물의 대량 발생에 따라 자원 수급은 수입에 의존해야 하고 폐기물 처리에 대한 막대한 비용이 발생하는 등 매우 심각한 상황에 도달해 있다. 현재 원자재 수요의 증가에 따른 비용 증가, 에너지 비용 증가, 고유가 문제로 우리의 경제 산업은 나날이 어려워져 가고 이미 많은 분야에서 그 한계성 들이 드러나고 있다. 이는 곧 국내외 경제 상황을 악화시키는 요인이 될 수 있으므로 이러한 문제들의 대응 방안으로 원자재 및 에너지 사용의 감축, 환경 유해물 배출 최소화, 재활용 및 재사용 등 순환 경제에 관한 관심이 높아지고 있다. 순환 경제는 자원의 소비를 늘리지 않으면서 경제 성장을 할 수 있도록 하는 전략 방법으로 이러한 순환 경제에 가장 적극적으로 대응할 수 있는 산업 분야가 바로 재제조이며, Fig. 1은 재제조에 대해 다른 순환 경제와의 차이점 및 범위를 나타낸 그림이다[1][2].

Fig. 1 Resource circulation concept map

재제조란 폐기단계에 있는 사용 후 제품 및 부품을 회수하여 분해, 세척, 검사, 보수·조정, 재조립 등 일련의 과정을 거쳐 신품에 가까운 성능으로 회복하여 재상품화하는 것을 목표로 하며, 다른 형태의 자원으로 활용하는 재활용(recycling)이나 일부 수리 과정을 거처 다시 사용하는 재이용(reuse)과는 다른 개념을 가지고 있다. 현재 글로벌 산업환경 이슈로는 유럽을 중심으로 탄소중립정책과 경제 정책 연계에 따른 추세로 21년 12월 국내에서는 탄소중립을 위한 한국형 순환 경제 이행계획을 수립하였으며 이 중 재제조 산업 활성화도 포함되어 있다[2]. 국내 재제조산업 시장 규모는 약 1조원으로 업체수는 약 1,450여 개로 규모가 형성되어 있다. 국내 정부에서는 2005년 환친법 개정을 통해 재제조산업 지원 근거를 마련하고2017년에 수립된 “재제조산업 재진단 및 활성화 계획”을 기반으로 재제조산업 육성을 위한 정책을 추진하고 있다[1]. 이러한 많은 산업 분야에서 국가 간의 자원 확보에 대한 경쟁이 심화되고 환경규제가 강화됨으로 재제조에 대한 필요성이 증대되고 있다[3].

이 중 공작기계는 대부분이 대형구조물로 많은 강, 회주철 등의 소재로 제작되며 신품 생산 시 원재료가 많이 사용된다. 그리고 생산에 따른 탄소가 많이 발생하기 때문에 재제조 효과를 크게 얻을 수 있는 대상이다. 대표적으로 기계가 기계를 제조하는 마더머신(Mother Machine)의 중·대형 공작기계에 속하는 플래너 밀러(베드, 칼럼, 테이블, 크로스레일, 탑 플레이트, 주축 등)는 구조물의 크기가 매우 커 주조품이 수 톤에서 수십 톤이므로 재제조를 통한 자원 및 에너지 감소 효과를 크게 얻을 수 있는 공작기계 장비 중 하나이다. Fig. 2는 현재 재제조 기술개발 대상인 플래너 밀러로 SNK 사의 HF-3M제품 사진이다. 주요 사양은 주축이 BT 50급으로 테이블 크기가 5.5m X 1.5m 크기이며 제작연도는 1988년 제품으로 약 34년 된 장비이다. 이 공작기계를 통해 분해, 세척, 조립, 검사 등 재제조 원천기술 개발과 대일 의존도가 90% 육박하는 서보모터 및 CNC 제어 장치를 개발하여 국산품으로 적용, 분해된 부품 중 손실·분실된 부품에 관하여 역설계를 하여 도면 복구 기술개발 등 재제조 기술을 적용한 재제조 제품에 대하여 신뢰성 확보를 위한 재제조 제품 성능평가 방법과 해당 방법에 대한 검증 그리고 재제조 기술 중 국산 CNC 제어 장치 개발에 관해 성능시험 및 결과를 도출한다[4].

Fig. 2 Re-manufactured products (Planner Miller)

2. 재제조 제품 품질인증에 대한 고찰

현재 국내에서는 공작기계 재제조 기술개발이 전무하며, 오버홀(Overhaul : 기계를 완전히 분해해 점검 및 수리) 중심의 시장이 형성되어 있어 수리한 장비의 기본 정적 정밀도만 검사를 진행하며 이 성능평가 방법마저도 정형화되어 있지 않다. 신품 플래너 밀러의 경우 국내에서 생산하는 기업이 적어 신품에 대한 성능평가 방법은 별도로 정의가 되어 있지 않아 구매처에서 요청하는 부분만을 성능평가 하는 기업이 대다수이다.

본 연구에서는 노후화된 플래너 밀러를 재제조하여 제품에 대한 성능평가 방법을 정립하는 것으로 목표하고 있으며, 해당 논문에서는 국산화 부품 적용을 위해 국내에서 개발한 CNC 제어 장치의 성능평가 방법 및 결과에 대해 도출해보았다. Fig. 3은 재제조 제품 품질인증기관으로 인정을 받는 방법을 나타낸 그림이다. 해당 그림과 같이 국가기술표준원의 KS 제정을 통해 성능평가 방법에 대해 검증받고, 제정된 KS를 이용하여 재제조 제품 품질인증 기준을 제정하고 REMAN 인증 획득을 통해 평가 방법을 검증하고자 한다.

Fig. 3 Remanufacturing quality certification (REMAN Certification) acquisition procedure

3. CNC 제어 장치 성능평가 방법 연구

노후 플래너 밀러 재제조에 대한 성능평가 항목 및 방법은 신품 플래너 밀러 개발 시 진행되었던 성능평가 방법과 노후화된 재제조 대상 플래너 밀러의 재제조 전에 수행되었던 성능평가 방법 그리고 KS규격 조사를 통해 Table 1의 노후 플래너 밀러 성능평가 방법을 정립하였다. 재제조된 플래너 밀러의 품질 신뢰성 확보를 위해 장비의 핵심구조인 구동계 및 주축계 성능평가를 제시할 수 있지만, CNC 제어 장치의 경우 장비의 전체 구동계와 주축계를 전부 제어하는 가장 핵심이 되는 부품으로 성능평가가 필수이다.

Table 1. Establishment of performance evaluation method for aging planner miller

하지만 현재 국내에 도입된 공작기계 대부분은 외산 CNC를 적용하기 때문에 별도의 성능시험을 하지 않는다. 그렇기에 공작기계의 CNC 성능평가 방법에 대해서는 별도의 규정된 방법이 없어 2007년 신뢰성 평가 기준으로 개정된 RS B 0153 기준을 준용하였다.

현재 재제조 대상품인 플래너 밀러는 분해된 상태로 Table 1의 평가항목 중 “CNC 제어 장치” 항목만 성능평가를 수행하였다.

해당 부품에 대해 RS B 0153 신뢰 평가 기준을 준용한 평가 방법인 블록 수행 시간과 PLC 최소 Scan 시간 2가지 방법에 대해 측정하여 제품에 대해 평가하고자 한다.

4. CNC 제어 장치 성능평가 결과 및 고찰

CNC 제어 장치는 입력한 블록이 정확하게 주기마다 실행되는 게 성능과 가장 직결되기 때문에 가장 중요한 부분 중 하나이다. 타 CNC 제품도 블록을 실행하고 작동 여부에 대해 성능을 시험하고 있으며, 평균 CNC 제어 장치의 경우 입력한 블록을 명령하였을 때 PLC에 Scan 되는 시간은 블록 1개당 1ms 이하의 성능을 보인다. 그러므로 본 연구에서 개발한 국산 CNC 제어 장치도 1ms 이하의 성능을 내는지 실험을 통해 확인하고자 한다.

Fig. 4는 CNC 제어 장치 성능평가를 위한 시험 환경 구성도를 나타낸다. Fig. 5는 개발한 CNC 제어 장치의 성능평가를 위해 블록을 입력할 수 있는 테스트 프로그램이며, Fig. 6는 CNC 제어 장치 성능평가 중 블록 수행 시간 측정 순서도에 대해 나타내었다.

Fig. 4 CNC control unit performance evaluation test environment configuration chart

Fig. 5 CNC test program

Fig. 6 Block run time measurement flowchart

블록 수행 시간 성능평가 방법으로는 CNC 제어 장치에 블록 1,250개를 입력하여 실행시킨 후 오실로스코프를 통해 수행한 시간에 대해 측정하였다. 총 3회 반복측정을 하였으며 3회 전부 0.784ms로 나타났다. Table 2는 블록 수행 시간 성능평가에 관한 결과에 대해 기록한 내용이다.

Table 2. Block run time measurement results

다음으로 PLC Scan 시간 측정방식은 테스트 보드 접지(02)와 오실로스코프를 연결하고 PLC LADDER에서 R500.5와 Y300.3의 출력 신호 연동 후 PLC Scan이 주기마다 출력될 때 테스트 보드 접지(02) 위 ON/OFF 점멸등을 통해 작동 여부를 확인하고 Scan 시간은 오실로스코프를 통해 측정하였다. Fig. 7은 CNC 제어 장치 성능평가 중 PLC 최소 Scan 시간 측정 순서에 대해 나타내었다.

Fig. 7 PLC minimum scan time measurement

총 3회 반복측정을 하였으며 3회 전부 PLC Scan 시간은 0.8ms로 나타났다. Table 3은 PLC 최소 Scan 시간의 성능평가 결과를 나타낸다.

Table 3. PLC minimum scan time measurement results

5. 결론

본 논문에서는 재제조된 플래너 밀러에 적용할 국산 CNC 제어 장치의 성능평가 방법 2가지인 블록 수행 시간과 PLC 최소 Scan 시간에 대해 정립하였다. 정립한 성능평가 방법을 통해 입력한 CNC 테스트 프로그램의 1,250개 블록을 실행하였고 총 3회 반복측정을 통해 1개 블록 수행 시간이 0.784ms의 결과를 도출하였다. 그리고 PLC Scan 시간 또한 총 3회 반복측정을 통해 3회 모두 최소 0.8ms 이하의 결과를 도출하였다. CNC 제품의 평균 블록 수행 시간 및 PLC Scan인 1ms의 성능에 만족하였다. 향후 분해된 플래너 밀러를 재조립하여 국산 서보모터를 적용 후 수행하지 못한 Table 1의 성능평가 항목을 수행하여 재제조 제품에 대한 신뢰성 확보를 통해 품질인증 기준서를 개발하고자 한다.