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[CNC 공작기계의 기술동향 분석] 2. 기술의 개요
 
 
월간 기계기술기자 | 2011.02.11
 
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본 자료는 특허청에서 발간된 특허맵을 토대로 정리한 것이며 이에 대한 질의 사항은 남앤드남국제특허법률사무소(02)753-5477로 질문하실 수 있습니다

2-1. 서론
공작기계는 흔히 기계를 만드는 기계라는 의미로 mother machine이라 불려지고 있다. 이는 공구의 움직임을 수동핸들로 조작하는 종래의 수동식 기계보다는 가공 지령정보에 따라 2축 이상의 서보 모터를 동시에 제어하여 복잡한 형상도 정밀하게 단시간 내에 가공하는 수치제어 (NC, Numerical Control) 공작기계가 발전하면서 mother machine으로서의 명칭에 어울리는 역할을 수행하고 있다.
 
 NC공작기계의 초기 목적은 복잡한 형상의 물품을 고정밀도로 가공하기 위하여 개발된 것으로서 밀링 머신이나 보링머신에 많이 적용되었다. 그러나, 최근에는 생산성 향상을 목적으로 NC 공작기계를 사용하는 편이 많으며 적용기종도 공작기계의 주류를 이루는 선반이나 머시닝 센터, 드릴/탭핑 머신으로 확산되었으며, 와이어커트 방전 가공기나 레이저 가공기 등에도 응용되고 있다.
 
 최근에는 기계 본체의 NC화를 넘어서 공장 전체의 생산과 연관된 공장 자동화가 진전되고 있다. 즉, 단위 공작기계로 이루어진 가공 쎌(cell)을 형성하고 이는 자동화 기능을 가진 로봇, 무인 운반차, 자동창고 등과 연결되고, 나아가서는 상위의 컴퓨터와 연결되어 공장 전체를 자동화하는 단계인 FA (Factory Automation) 또는 FMS (Flexible Manufacturing System)의 형태로 발전되어 가고 있다.
 
 NC시스템은 절삭가공용 공작기계이외에도 로보트, 절단기, 제도기, 목공기계, 3차원 측정기, 재단기, 자수기 등에도 사용되어 동작제어를 필요로 하는 산업기계의 거의 모든 분야에 활용되고 있는 자동화 핵심 기술 분야이다.
 생산현장에서 NC공작기계를 이용하여 어떤 부품을 가공할 경우에, 도면에서부터 최종 가공물까지의 흐름을 살펴보면 그림 2-1과 같은 과정을 거치게 된다.
 
 즉 가공물의 도면이 주어지면 이 도면으로부터 치수라든가 가공조건을 해석하여 NC 제어기가 이해하는 명령어로 파트 프로그램(part program)을 작성하여 입력한다. 이 프로그램은 내부해석 (interpreter)을 통해 NC서보 (servo) 축 이송을 위한 위치 및 속도제어 지령을 만들고, 이 지령에 따라 서보 모터 (servo motor)가 회전된다. 서보 모터의 회전운동은 볼나사 (ball screw)에 의해 직선운동으로 변환되어 공작물 또는 공구대를 이동시킨다. 결과적으로 공구대와 피절삭물 (workpiece)과의 상대운동에 따른 절삭이 일어나서 최종적으로 사용자가 의도하는 형상의 부품을 가공하게 되는 것이다.
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공작기계는 높은 가공 정밀도와 생산성이 요구되는 것 외에도 단순한 형상에서 복잡한 형상의 가공까지를 커버할 수 있는 다양성과 범용성이 요구된다. 종래의 캠(cam)을 사용한 메커니즘이나 모델에 따라 가공하는 모방 기계에서는 가공하는 물품의 형상이 변하는 경우에는 캠의 형상이나 모델의 변경이 필요하였다.
 
 이에 대하여 NC공작기계에서는 파트 프로그램의 변경만으로 가공의 다양성과 범용성에 간단히 적응할 수 있어 캠이나 모델의 보관이 필요 없게 되며, 파트 프로그램의 보관만으로 반복되는 동일한 가공을 수행할 수 있다. 더구나 캠이나 모델 등의 정밀도에 의존하지 않으므로 고정밀도의 가공이 가능하다.
 
 전술한 바와 같이 공작기계가 지령한 대로 움직이기 위해서는 서보 모터가 이용되고 서보 모터를 구동하기 위해서는 서보 모터 구동 장치 (driver)가 이용된다. 결과적으로 NC제어기는 지령된 파트프로그램을 입력으로 받아 서보 모터를 구동시킴으로서 원하는 형상을 자동으로 가공시키는 제어장치를 의미하고, 이러한 기본 원리에 최근의 컴퓨터 기술을 접목한 NC를 컴퓨터화된 (computerized) NC 혹은 컴퓨터 NC라는 의미로 CNC (Computer Numerical Control) 라고 지칭된다.
 
 반면에 진공관, 트랜지스터, 고집적회로 (LSI) 등의 논리소자 및 회로로 구성된 NC를 명확하게 구분 하여 부를 때는 Hardwired NC라 한다. 이것은 소자 간을 전선으로 접속하여 NC로서의 기능을 구현하는 것이며, 이에 비하여 CNC는 소자 및 회로에 의해 수행되던 기능을 소프트웨어로 처리하는 것이다. 즉, CNC는 마이크로프로세서, 메모리 소자의 발전에 따라 NC의 소프트웨어화가 가능해짐에 따라 이루어 진 기술이며, 이런 측면에서 CNC를 소프트와이어드 NC (softwired NC) 라고 부르기도 한다.
2-2. NC공작기계의 구성
2-2-1. 운동전달기구
 
 그림 2-2-1은 CNC공작기계의 운동을 전달하는 기구부로서 그림 2-2-1(a)에서는 서보 모터 및 운동 전달장치로 이루어진 서보 기구를 보이고 있다. 서보 모터의 회전운동이 유연성을 가진 커프링 (coupling)을 통해 볼나사 (ball screw)로 전달되고, 볼나사의 회전운동이 너트(nut)부의 직선운동으로 변경되어 결과적으로 가공물을 부착된 테이블이 직선운동을 하게 된 구조를 가진다.
 
 서보 기구는 CNC제어시스템에서 만들어서 각 이송축으로 보내는 속도 지령에 따라 각 축의 서보 구동장치에서 공작기계 테이블 이송을 위한 속도 및 토오크를 제어한다. 공작 기계의 서보 모터로서 현재 Brushless DC motor와 PMSM(Permanent Magnet Synchronous motor) 등이 쓰이고 있으며 PMSM이 주로 사용되고 있는 추세이다.
 
 한편, 그림2-2-1(b)는 스핀들 모터 및 동력 전달장치로 이루어진 주축 유니트를 보이고 있다. 주축 모터의 회전운동이 탄성을 가진 벨트를 통해 주축 몸체로 전달되는데 이때의 속도비는 모터와 주축 몸체의 풀리 비에 의해 결정이 된다. 현재 공작 기계용 스핀들 모터로서 크기, 무게, 회전자 관성, 효율에서 직류기에 비해 우수한 특성을 가지고, Brush가 없기 때문에 최대 속도 발생 능력 및 유지, 보수가 직류기에 비해서 우수한 유도 전동기가 그 주종을 이루고 있다. 기계에 따라서는 벨트에 의한 동력전달 대신에 기어(gear)를 사용하여 동력을 전달하기도 하나 고속에 대응할 수 없다. 최근에는 10,000rpm이상의 고속회전을 위해 주축의 동력전달 기구부가 없는 직결형태의 주축 (Direct drive)이 사용되기도 한다.
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2-2-2. CNC 제어 루프의 구분
 
 CNC공작 기계 내에서 사용되는 서보모터는 속도 검출기, 위치 검출기에 의해 각각의 속도와 위치를 검출하며 그 정보를 제어 회로로 피드백 시켜 제어한다(그림 2-2-2).
 이러한 피드백 제어는 공작기계내의 각 축을 제어하기 위해 독립적으로 3단계의 제어 루프가 존재하며 가장 외곽에는 CNC시스템 내에 존재하는 위치 제어부, 중간의 속도 제어부 및 가장 안쪽의 전류 제어부가 존재한다. 통상적으로 위치 제어부는 CNC장치에 존재하고, 속도 및 전류 제어부는 서보 구동 장치내에 존재한다.
 하지만 이러한 구조는 절대적인 기준이 없기에 설계자의 의도에 따라서 CNC장치내에 위치 및 속도제어 루프가 존재하거나 또는 서보 구동 장치내에 위치, 속도, 전류제어 루프가 존재 할 수도 있다.
 
 공작기계에서 주축의 회전속도를 일정하게 제어하기 위해서는 속도에 대한 되먹임제어만을 한다. 이때 되먹임 되는 신호는 속도 감지 센서에 의하여 결정되어지며 일반적으로 타코 제너러이터 (tacho-generator)를 사용하여 회전시 발생되는 유기 전압을 아날로그 값으로 되먹임하거나 혹은 광학식 엔코더를 사용하여 펄스 열을 되먹임 한다. 최근에는 타코 제너레이터를 이용한 되먹임 제어를 하지 않고 엔코더만을 이용한 제어를 많이 사용하고 있다.
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2-2-3. CNC 장치 구성 유니트
 
 CNC장치 구성 유니트는 사용자 인터페이스와 위치제어를 담당하는 수치제어 장치부분과 모터를 구동하기 위한 모터 구동 장치 부분, 그리고 모터 등의 3가지 주요 부분으로 구분할 수 있다.
 
 최근의 수치제어장치 혹은 CNC시스템을 기능면에서 고려한다면, 그림 2-2-3 (a)와 같이 MMI기능, NCK 기능, PLC 기능의 3가지로 크게 나누어진다. MMC(Man Machine Control) 또는 MMI(Man Machine Interface)기능은 제어장치와 인간의 인터페이스를 제공하는 기능으로 기계조작 명령, 기계상태 화면표시, 가공 프로그램 작성, 외부와 통신 등의 기능을 수행하며, NCK(Numerical Control Kernel)는 CNC의 핵심 부분으로서 사용자가 작성한 가공 프로그램을 해석해서 다 축이 동시에 이동하기 위한 각종 보간, 위치제어, 오차 보상 알고리즘 등을 수행하며, 이를 통하여 서보시스템을 제어하며 최종적으로 공작물 가공을 가능하게 하는 기능을 담당한다.
 
 PLC(Programmable Logic Control) 또는 PMC(Programmable Machine Control)라 칭하여 지는 기능은 공구의 교환이라든가 주축의 회전수 제어, 공작물의 교환 제어, 기계 입출력 신호처리 등을 순차(sequence) 제어하는 기능으로서, NCK가 담당하는 서보 제어 부분을 제외한 각종 기계 동작을 위한 보조적인 제어 기능을 담당한다.
 
 이상과 같이 3개의 모듈로 구분되어지는 MMC, NCK, PLC의 기능을 수행하는 수치제어 장치가 공작기계에 연결되어 있는 경우에, 전체 시스템의 개념적 구조를 하드웨어 관점 및 소프트웨어 관점으로 나누어서 그림 2-2-3 (b)에 도시하고 있다. 우선 하드웨어 구성을 살펴보면, 전체 시스템은 CNC시스템, 모터 구동(drive) 시스템, 공작기계(machine tools)의 3개영역으로 구분된다. CNC시스템의 최종단인 위치제어기의 출력은 모터구동 시스템에 전달되어 속도제어 및 토크제어를 통해 서보 모터를 구동하고, 서보 모터는 최종적으로 동력전달 유니트를 통해 공작기계의 이송부를 움직이게 하는 구성으로 이루어진다.
 
 특히 CNC시스템 영역에 있어서, MMC, NCK, PLC 모듈의 기능을 수행하기 위한 프로세서 유니트는 각각 주 프로세서를 비롯하여 시스템 롬, 사용자 프로그램 또는 실행 프로그램이 저장되는 램 등으로 구성되어 있으며, 이 유니트들은 사용자 인터페이스를 위한 키 입력/화면 제어기, 외부 입력 등을 위한 인터페이스와 시스템 버스로 연결되어 있다. 따라서 CNC시스템은 다중 프로세서를 갖는 컴퓨터 시스템과 유사한 구조를 가진다. 또한 외부의 기계장치와의 직접 연결하기 위한 아날로그/디지털 입출력 장치와 통신을 통해 외부의 모터구동장치나 입출력 모듈에 연결하기 위한 통신 인터페이스 등을 갖는 특징이 있다.
 
 CNC시스템에서 모터 구동 시스템의 연결 방식에 있어서 초기에는 속도 명령인 아날로그 신호를 전달하기 위한 간단한 형태였다. 하지만 최근에는 아날로그 신호 전송시 발생하는 잡음문제 등을 개선하기 위해 속도 명령을 디지털 신호를 변환하고 전송하고, CNC시스템과 모터 구동 시스템 간에 정보교환을 위해 디지털 신호의 통신이 이루어진다. 이러한 통신방식으로 가장 널리 사용되고 있는 것이 SERCOS방식인데 사실상의 표준으로 자리잡아 가고 있다.
 
 디지털 통신을 사용함으로써 멀리 떨어진 두 장치간에 두 가닥의 광 케이블로 연결할 수 있으며, 다양한 정보의 교환 및 잡음의 제거가 가능해졌다. 따라서 구동 장치의 파라메타 조정을 수치제어 장치에서 실시할 수 있으며, 구동 장치의 제어 상태를 실시간으로 수치제어 장치에서 모니터링 할 수 있으며, 또한 잡음제거로 인하여 좀더 향상된 정밀도를 실현할 수도 있다. 이와 유사한 개념으로 입출력 장치와의 연결도 통신 방식을 채택하고 있다. 즉 먼 거리에 위치한 다양한 종류의 센서 또는 기계 장치를 간단하게 한 가닥의 통신선으로 연결하기 위해서 표준화된 연결방식이 필요해졌는데, 이를 만족시키기 위해서 Profi-Bus, CAN Bus, InterBus-S 등 다양한 종류의 필드버스(field bus)방식이 발표되어 있으나 아직까지 사실상의 표준이 존재하지 않
 고 있다.
 
 MMC, NCK, PLC의 각 기능들은 알고리즘이 복잡하고 실시간성을 요구하기 때문에 각 모듈 전용의 마이크로프로세서상에서 각기 실행되어지는 점이 보편적이나, 최근의 프로세서의 속도가 급속히 발전함에 따라서 한 개의 마이크로프로세서에 의해 CNC시스템의 전 모듈을 처리하는 구조도 가능해졌다. 각 모듈의 기능을 주기적으로 처리되어야 하는 부분과 비주기적으로 처리되어지는 부분으로 구분하고 실시간성을 보장하는 운영체제를 채용함으로써, 단순한 구조의 CNC 시스템 구조를 구현할 수 있다.
 
 2-2-4. 머시닝 센터
 
 머시닝센터는 여러 가지 공구를 가지고 자동으로 교환하면서 순차적으로 여러 가지의 가공을 효율적으로 하는 다기능 고성능 공작기계를 말한다.
 즉, CNC장치가 부착된 밀링(선반)기계에 ATC자동공구교환장치가 부착된 기계를 머시닝센터라 하며 ATC가 부착되지 않고 CNC장치만 부착된 밀링(선반)기계를 CNC밀링이라 한다.
 또한 ATC장치 등을 부착할 수 있지만 ATC 장치가 없으면 머시닝센터라 하지 않는다.
 
 머시닝센터는 제품의 균일성 향상, 제조원가 및 인건비 절약, 특수 공구 제작이 불필요 등 공구관리비 절감, 한번 고정하여 면가공, 드릴링작업, 보링작업, 탭작업 등을 연속공정으로 가공물을 완성한다는 점에서 장점을 가진다.
 머시닝센터의 종류로는 수평형MCT(Horizotal Type), 수직형MCT(Vertical Type), 문형MCT(Double column Type) 및 다축제어MCT 등이 있다.
2-3. 소결
MMI, NCK, PLC, 서보 드라이버 등은 수치제어 시스템을 구성하는 요소들로서, 특히 NC의 경우 CNC의 성능을 좌우하는 가장 핵심적인 요소라고 할 수 있다. 이미 앞에서 기술한 바와 같이 NCK는 파트프로그램을 해석하여 축이 이동해야 할 위치를 결정하는 해석기(Interpreter), 각 샘플링 시간마다 움직여야 할 위치를 계산해 주는 보간기 (Interpolator), 축의 움직임을 부드럽게 하기 위한 가감속기(Acc/Dec controller), 실제 축을 움직여주는 위치제어기(position controller) 등으로 구성되어 있다. PLC는 서보제어 이외의 각종 기계동작을 제어하기 위한 모듈로서, 기존의 자동화에서 많이 사용되는 PLC시스템과 유사하다. MMI는 제어기 사용자가 제어기를 편리하게 사용하기 위해 필요한 제반 인터페이스를 제공하는 기능으로서, PLC, NCK의 설계와는 달리 절삭가공 및 응용공정을 이해하여야만 설계 가능한 영역이기도 한다.
 이상의 수치제어기의 구성 모듈들은 실시간 환경에서 확실한 주기적이 보장되어 수행되어야 한다. 즉, 현재 소프트웨어에 의존적인 Soft NC의 개발을 추구하고 있는 시점에 있어, 가장 핵심적인 것은 바로 실시간으로 각 모듈들이 작동하도록 스케쥴링하는 것이다.
 최근의 수치제어 시스템의 발전방향은 생산 메이커의 폐쇄적인 구조로부터 탈피하여 개방화되고 분산화된 시스템으로 발전해가고 있으며, 점점 더 소프트웨어에 의존성이 심화되어 가고 있다.

 
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