공작기계를 위한 디지털 트윈의 두 가지 관점

디지털화가 증가함에 따라 디지털 트윈이 항상 동일하게 사용하지 않는다는 것을 이해하는 것이 중요합니다. 공작기계에서는 기계 운영자와 기계 제작자가 특정 요구 사항을 수렴하기 위해 서로 다른 가상 이미지를 필요로 함을 보여줍니다.

디지털 트윈을 위한 응용 프로그램 시나리오

공작기계의 수명주기에 대하여 디지털 트윈의 두 가지 다른 적용 시나리오가 있습니다. 하나는 기계 제조사의 요구사항에 따라 결정되며, 기계설계, 엔지니어링, 시운전, 유지보수 및 서비스 중에 적용됩니다. 두 번째 시나리오는 공작기계의 사용, 즉 CNC 프로그램의 작성 및 검증에 관한 것입니다. 생산을 디지털화 하고 새로운 기계를 구입할 때 이러한 차이를 인식하고 이해하는 것이 중요합니다. 이를 위해 디지털 트윈의 디자인 방식에 대한 기본사항을 잘 알고 있어야 합니다.

공작기계의 엔지니어링 및 시운전

공작기계의 조작 및 프로그램

강력한 툴(Tool), 디지털 트윈

공작기계와 마찬가지로 디지털 트윈도 복잡한 메카트로닉스 개체입니다. 실제 공작기계와 마찬가지로 디지털 트윈은 모듈로 나누어 지며, 이는 CNC 설비의 3D 모델, 기계 동작 특성에 관한 가상 이미지, 기계 매커니즘에 관한 가상 이미지를 포함합니다.

디지털 트윈의 개념은 잠재적인 기계 라이프 사이클의 모든 단계를 망라하고 있습니다. 이는 기계 개발, 제작, 시운전에서 부터 다양한 공작물의 제작, 유지보수에 이르기까지 디지털 트윈의 가상 레벨에서 모니터링, 계획, 검증, 최적화가 가능합니다.

디지털 트윈을 위한 옵션

디지털 트윈에 대한 요구사항은 기계의 사용단계에 따라 크게 달라집니다. (예: 기계의 개발, 기계의 사용, 기계 서비스) 기계 작업자는 디지털 트윈을 사용하여 가상 레벨에서 CNC 프로그램에 문제가 없는지 확인하고 원하는 가공 결과를 얻을 수 있습니다. 이렇게 하면 파트 프로그램을 실제 기계에서 실행하는데 소요되는 가공 시간이 단계별로 절약됩니다. 또한 작업자는 새로운 NC 프로그램이 공구 및 클램프, 그리고 기계와 공작물간에 충돌이 일으키지는 않는지 사전에 확인할 수 있습니다.

즉, 생산중에 디지털 트윈을 활용한다면 기계를 안정적으로 동작시키고 공정의 목적 달성 확율을 높일 수가 있습니다. 기계 자체적으로 의도 한대로 동작된다는 사실은 당연시 되고, 디지털 트윈을 사용하여 검사하지 않습니다.

반면 전기 엔지니어, 소프트웨어 부서 및 기계 제조사의 서비스 기술자는 정확히 디지털 트윈에 관심을 가집니다. 디지털 트윈을 사용하여 기계가 사양에 맞게 동작 하는지 확인합니다. CNC 어플리케이션과 액추에이터, 센서 및 메커니즘 사이의 상호 작용을 테스트하는 것이 핵심입니다. 생각할 수 있는 모든 동작 상황이 사전에 실행되고 CNC 애플리케이션에서 특별한 경우가 고려됩니다. 실제 기계의 승인 및 배송 중인 황에서 서비스 기술자는이 디지털 트윈을 사용하여 오작동을 추적하여 고객 사이트 방문없이도 솔루션을 제공할 수 있습니다.

기계 제조사의 초점을 맞춘 영역은 기계의 개발 기간 및 출시 시간을 단축하는 것입니다. 이는 개발 단계를 가상 영역으로 전환하여 기계의 프로토타입 제작 시간을 절약함으로써 운영상의 안전과 시스템 가용성을 극대화 할 수 있습니다. 공작기계 조작자와는 달리 기계 제조사는 완벽한 CNC 프로그램을 생성할 필요는 없지만 실행해야 하는 프로토타입 기계의 테스트를 위해 검증 된 파트 프로그램을 사용합니다.

근본적으로 서로 다른 이 두가지의 관점은 디지털 트윈이 어떻게 사용되는지, 다시말해 사용되는  소프트웨어 및 하드웨어 환경을 결정합니다. 이는 디지털 트윈의 사용 방법, 사용자에게 제공되어야 하거나, 또는 필요치 않은 옵션이 무엇인지에 따라 결정됩니다.

디지털 트윈과 치핑 생산

파트 프로그래밍 및 생산 계획과 관련하여 디지털 트윈의 핵심 과제는 CNC 프로그램에 오류가 없는지 확인하는 것입니다. 디지털 트윈 내의 CNC 장비 가상 이미지는 CNC 프로그램을 시뮬레이션하는 목적으로 사용됩니다. 현장에서 이 작업을 수행하는 목적은 두 가지 이유가 있습니다. 첫 번째는 CNC의 기능을 에뮬레이션 하는 것입니다. 즉, 기계 소프트웨어 상에서 CNC를 시뮬레이션 하는 것입니다.

두 번째 옵션은 CNC와 동일한 실제 시스템 소프트웨어를 사용하는 것입니다. Sinumerik의 경우 가상 수치제어 커널(VNCK)에 의해 수행됩니다. Sinumerik의 VNCK에는 Sinumerik CNC와 동일한 시스템 소프트웨어가 포함되어 있습니다. 결과적으로 디지털 트윈의 가상 Sinumerik CNC는 실제 기계에서 Sinumerik CNC가 동작 할 때 파트 프로그램을 실행할 때와 동일한 방식으로 작동합니다. 디지털 트윈을 통해 테스트 되고 최적화 된 파트는 동일한 공정 안전성, 속도 및 가공 품질로 실제 기계에서 똑같은 방식으로 가공 되므로 신뢰성이 높습니다. VNCK로 동작되는 디지털 공작기계 트윈, 즉 한 번의 생산에도  규격의 부품을 즉시 생산한다는 점은 복잡한 작업에서도 달성 가능하다는 의미합니다.

VNCK와는 별도로 기계 메카니즘을 포함하고 있는 기계의 디지털 트윈은 실용적인 측면에서도 중요합니다. 생산과정의 모든 순간을 시각화합니다. 즉, PC에서 모니터링이 가능합니다. 기계 및 공구의 이동을 시각적으로 디스플레이 할 수 있습니다. 공구와 부품, 클램핑 및 기계 부품 간의 충돌을 확실하게 구분하고 플래그를 지정하는 역할을 담당하며, 궁극적으로는 가공 시뮬레이션을 통해 가공 자체를 시각화합니다. NX Virtual Machine 소프트웨어는 재료의 제거 뿐만 아니라, 기계 이동의 시각화에서 선두적인 시스템 중 하나이며, 이 소프트웨어는 Sinumerik VNCK과의 완벽한 통합을 지원합니다.

디지털 트윈의 세 번째 측면 (개별 기계의 구성 요소, 액추에이터 및 센서의 동작 시뮬레이션 및 조작)은 CNC 생산 계획에서 중요하지 않습니다. 가상 기계의 조작자가 시뮬레이션 된 기계를 조작하고 CNC 프로그램을 실행시키는데 사용할 수 있는 가상의 조작패널(MCP)이 포함되어 있습니다.

엔지니어링: 기계 세부정보에 집중

어떤 기계의 동작은 많은 수의 액추에이터와 센서 사이의 상호 작용에 의해 결정됩니다. 스핀들에서 공구 교환 위치를 선택해야 하고, 슬라이드가 플랩을 열고, 스핀들 클램프를 열고, 그리퍼가 이전 공구를 클러치 하고, 새 공구를 스핀들에 넣고, 클램프를 닫힌 상태에서 그리퍼가 후퇴하면 플랩이 닫힙니다. 개발, 시운전 및 서비스 단계에서 디지털 트윈은 가상 영역에서 이와 관련된 모든 기계의 부품, 액추에이터, 센서 동작을 시뮬레이션 할 뿐만 아니라 상호 작용에 의한 세부적인 조정이 필요할 수 있습니다.

디지털 이미지는 실제 공작 기계와 마찬가지로 모듈로 분리되어야합니다.

NX 가상 머신: PC 시뮬레이션 운영자가 직접 가상 머신에서 CNC 시뮬레이션을 하는 동안 가상 머신 동작을 보여줍니다.

하드웨어 인더-루프 (Hardware - in- the- loop)

간단한 NC 커널과는 달리, CNC, PLC 및 드라이브 제어 기능을 완전히 포함하는 CNC 설비의 가상 이미지는 존재하지 않습니다. 따라서, 기계 제조사는 실제 CNC를 통해 디지털 트윈을 제어하는데, 테스트 랙으로 구성된 요소를 구동 시키기 위하여 인터페이스 작업이 필요합니다.

지멘스가 제공하는 SIMIT과 NX Mechatronic Concept Designer라는 프로그램을 사용하는 것이 솔루션 중 하나입니다. SIMIT은 하드웨어 신호와 필드 버스를 디지털 트윈의 액추에이터 및 센서와 연결하는 것을 가능하게 해줍니다. NX Mechatronic Concept Designer는 본질적으로 3D 모델로 매핑 된 기계의 구성 요소, 예를들어 가이드 레일 혹은 조인트 주위로 이동하도록 의도적으로 설정할 수 있습니다. 만약, 함께 고정되어 있다면, 전혀 움직이지 않습니다. 이러한 소프트웨어 제품 덕분에 기계의 CNC 장비가 실제 프로토타입 없이도 동작이 가능합니다. 기계의 기구적인 부분과 전기적인 정보를 디지털 트윈을 통하여 확인할 수 있습니다. 고객이 기계의 결함을 보고 한다면, 기계 서비스 부서에서 디지털 트윈을 통해 문제를 추적하고 분석하여 현장의 기술자에게 조언을 제공 할 수 있습니다. 소프트웨어 업데이트 및 기능 확장에 대한 호환성은 실제 기계가 없이도 가용성을 확인할 수 있습니다. 생산에서 매우 중요하게 여겨지는 충돌 방지 및 가공 시뮬레이션 기능은 여기에서 사용되는 기능 중 하나입니다.

엄밀히 말하면, 하드웨어-인더-루프를 통해 동작되는 "디지털 트윈"은 공작 기계의 완전한 디지털 트윈은 아닙니다. 실제 CNC가 제어를 위하여 사용된다는 점을 알 수 있습니다. 시뮬레이션 용 컴퓨터에서 기계에 대한 구조적 이미지를 제공하고 기계 부품의 모든 동작을 상세히 시뮬레이션합니다.

커뮤니케이션을 위한 디지털 트윈

개발 및 생산 계획에서 사용하는 디지털 트윈은 가장 중요한 응용 프로그램의 형태입니다. 그러나 실제로 두 개의 서로 다른 응용 프로그램 간의 구별은 정확하지 않으며, 결과 응용 프로그램은 그 중간에 있습니다. 기계 제조사는 VNCK 및 NX Virtual Machine과 함께 새로운 기능과 기계 설계에 미치는 영향을 탐구하고 기계의 기능적 모델을 생성하여 세일즈 포인트를 강조합니다.

반면 공작기계의 조작자는 새로운 기계의 엔지니어링을 자주 경험하게 되는데, 공작기계의 엔지니어링 및 시운전을 위하여 디지털 트윈을 자주 접촉하게 됩니다. 예를들어, 양산 기계의 맞춤형 버전의 경우 특수 기능은 종종 디지털 트윈을 사용하여 세부적 기능을 수행할 수 있습니다. 특수기계 또는 대형 기계의 경우 기계 제조사가 미래의 고객과 디자인 단계에서 부터 가능한 빠르게 가능한 많은 솔루션을 협의하는 것이 중요합니다.

대체로 디지털 트윈은 개발, 생산 및 서비스를 위한 강력한 도구일 뿐만 아니라, 아이디어, 기능 및 요구 사항을 전달하기 위한 매우 효율적인 커뮤니케이션 수단이기도 합니다.

2018-08-28 | Author: Andreas Groezinger