물리적 한계에 도전하는 연마

Honing in on the physical limits

고정밀도 연마는 전통적으로 고도로 훈련된 인원을 갖춘 대량 생산자의 영역이었다. B&R 기술을 이용하여, KADIA는 연마기 사용성에 대한 획기적인 개선을 달성하였다. 이들 기계는 현재 사용이 더 효율적이고 더 작은 배치(batch) 규모에 대해서도 이윤을 내기 시작하고 있다.

연료 직분사의 증가는 포뮬라 1 운전자와 팬들에게 반가운 소식이었지만 – KADIA에게는 엄청난 소식이었다. 이 회사의 고도로 전문화된 연마 기기는 연료 분사 시스템 내부의 실린더 내경에 최종적인 연마를 제공하여 피스톤과 실린더가 500 bar까지의 작동 압력을 달성하는 데 필요한 형태를 갖추기 위해 극단적인 표면 품질과 진도(眞度: trueness) 수준을 달성하는 데 도움을 준다.

“우리는 기계 가공을 이용하여 달성 가능한 물리적인 한계에 접근하는 미크론 미만의 정밀도에 대해 논하고 있는 것입니다.” KADIA의 상무 이사 Henning Klein은 지적한다. “많은 제조사들은 피스톤과 실린더 내벽 사이에 대해 – 예를 들어 1 미크론 미만의 허용 공차로 10미크론과 같이 정의된 이격거리를 요구합니다.” 그러한 극히 엄격한 허용 공차를 충족시키려면 프로세스 능력의 통계학적 측정의 이용 및 궁극적으로 수백 나노미터 이내의 정밀도가 요구된다.

궁극적 도전: 매치 연마(match honing)
부품들을 연료 분사 펌프에 필요한 바와 같이 완벽하게 서로 맞도록 만드는 작업의 관건은 매치 연마(match honing)이라 불리는 기계 가공 프로세스이다. 이 프로세스에는 완성된 피스톤의 외경을 측정하고 그것을 작업물 식별 데이터와 함께 연마 컨트롤러에 전달하는 일을 포함한다. 연마 컨트롤러는 요구되는 이격거리를 감안하여 연마해야 할 내경의 최종 치수를 계산한다. 그러면 하우징 보어(housing bore)는 6개까지의 연마 스테이션을 통과하는데, 최종 치수가 달성될 때까지 프로세스 내의 게이징(gaging) 작업을 계속한다. 최종적으로 작업물은 명확히 표시되고 대응되는 피스톤에 영구적으로 지정된다.

연마 처리된 연료 분사 펌프는 연료 소비와 CO² 배출을 현저히 감소시킨다.
연마 처리된 연료 분사 펌프는 연료 소비와 CO² 배출을 현저히 감소시킨다.

제약이 심각한 이전의 솔루션
최근까지 KADIA는 표준형 기계 공구 요건에 맞춤화된 컨트롤러를 사용하여 초정밀 기계를 운전해왔다. “밀링과 회전 같은 전통적인 기계 가공 프로세스와 비교하여, 스핀들의 수 및 연마 스테이션과 측정 스테이션 사이에서 교환되는 데이터의 양과 같이 몇 가지 의미 있는 차이가 있습니다.” Klein은 지적한다. “컨트롤러를 당사의 연마기에서 사용하기 전에 컨트롤러에 대한 광범위한 수정 작업이 필요하였습니다.” KADIA는 컨트롤러와 함께 제공된 HMI 어플리케이션을 적응시키는 것과 유사한 어려움에 직면하였다. “우리들의 최선의 노력에도 불구하고, HMI 시스템의 한계로 인해 운전원들이 적응하는 데 상당한 시간이 걸리는 비직관적인 사용자 인터페이스가 여전히 남아 있었습니다.” Klein은 말한다.

효율적인 작업 흐름을 위한 직관적 운전
자동화 동반자를 새로이 교체하고 제어와 HMI 솔루션의 완벽한 재설계로 현저한 개선이 달성되었다. “B&R 기술을 기반으로 한, 터미널의 새로운 스마트폰의 영감을 받은 사용자 인터페이스는 특히 운전에 직관적입니다.” Klein은 말한다. Red Dot and IF 디자인 상(賞) 배심원들도 여기에 동의하고, 여러 가지 탁월성에 대해 KADIA에 수상의 영광을 부여하였다. 터미널의 맞춤화된 알루미늄 하우징 아래에는 스크래치 내성을 갖춘 내유성(耐油性: oil-resistant) 19인치 터치 스크린을 포함하는 산업용 등급의 HMI 장치가 들어 있다. 이 장치는 기계 제어와 HMI 어플리케이션을 위한 플랫폼의 역할을 하는 B&R Automation PC 910과 통신하다.

POWERLINK 상호 통신에 의해 자유로워지는 자원
인텔 Core i5 프로세서를 사용하는, Automation PC 910은 연마 프로세스의 지속적인 측정과 재조정에 의해 생성되는 대량의 데이터를 처리하는 데 충분한 용량을 갖추고 있다. “B&R 솔루션은 실제로 신형 HMC100 컨트롤러의 장점에 맞추어 작동하는 수많은 기술적 세부사항을 제공합니다.” KADIA의 수석 디자이너 Roland Regler는 말한다. “POWERLINK 상호 통신이 관건입니다. 그것은 B&R 드라이브로 하여금 원격으로 제어 기능을 처리하면서 컨트롤러를 통하지 않고 상호간에 직접 통신하는 것을 허용합니다.”

KADIA의 신형 R 시리즈 회전식 연마기
(왼쪽) 다중 디자인 상 수상자: KADIA의 신형 R 시리즈 회전식 연마기는 최신의 제어 기술과 B&R의 스윙 암 장착식 제어 패널을 특징으로 한다.
(오른쪽) 스마트폰 설계 디자인에서 영감을 받은 HMC100 운전원 터미널의 멋진 스타일과 인체공학적 조작은 KADIA의 신형 연마기의 제어를 예외적으로 용이하고 직관적으로 만들어준다.

설정에 따라서 주어진 기계 R 시리즈는 28개까지의 액체 냉각식 ACOPOSmulti 서보 드라이브의 POWERLINK 네트워크가 장착되어 있다. 그 중 최대 5대까지는 KADIA가 신형 제어 시스템과 함께 병행하여 개발한 LH2 / LH3 연마 공구의 스트로크 작동을 제어한다. B&R의 안전 모션 제어 솔루션이 장착된 드라이브들은 설치 작업 과정에서 운전원들이 안전하게 보호됨을 보장한다. 드라이브들은 공통의 DC 버스 상에서 운영되며 낭비될 수 있는 여분의 운동 에너지를 공유하여, 기계의 열 경제(thermal economy), 에너지 소비 및 운전 비용에 대한 명확한 이점을 제공한다.

Automation Studio에서 기계 옵션 마스터하기
HMC100 솔루션을 미래에 대비하도록 하고 차후에 신형 시스템이 추가될 수 있도록, KADIA는 HMC100 솔루션이 최대 40개 축까지를 수용하도록 설계하였다. KADIA 팀은, 연마 및 측정 스테이션의 수와 유형이 또한 기계마다 다르기 때문에, 제어 소프트웨어와 함께 커버할 필요가 있는 모든 변종 스펙트럼을 갖추고 있다.

“이 분야는 B&R 솔루션의 또 다른 하이라이트가 빛을 발하는 하는 곳입니다. B&R의 통합 개발 환경인 Automation Studio는 여러분이 설정 파일을 이용하여 맞춤화 제어 및 HMI 어플리케이션을 작성할 수 있도록 합니다.” 수석 디자이너는 설명한다. “이러한 방식으로 우리 회사는 추가 프로그래밍 없이 단일 소프트웨어 프로젝트에서 잠재적으로 무한한 수의 기계 구성을 제공할 수 있습니다.” 나중에 시운전 기사가 소프트웨어 개발 툴을 이용하거나 현장에서 프로그래밍을 수행할 필요성이 없는 것이다. HMC100을 미래 대비형으로 만들고자 하는 KADIA의 노력은 Automation Studio에 의해 제공되는 CNC와 로봇 기능에 의해 추가적인 지원을 받는다.

B&R로부터의 최대한의 지원
KADIA는 대응되는 하드웨어에 대해 접근할 수 있는 동안만 HMC100에 설계해 집어넣은 모든 잠재력을 활용할 수 있을 것이다. “바로 그러한 이유로 모든 기술적 요건 이외에도, 장기적 가용성은 당사의 자동화 동반자의 선정에 있어서 핵심적 기준 중 하나였습니다.” Klein은 설명한다. “B&R은 이러한 요건을 충족시키고 전체 프로젝트를 통해서 당사에 최대한의 지원을 제공하였습니다.”

그러한 협력적 노력은 분명히 결실을 맺었다. 그 이후 모든 선도적인 연료 주입 펌프 제조사들은 신형 컨트롤러의 장점을 확실이 이해하였고, HMC100은 KADIA의 가장 인기 있는 제어 솔루션으로 자리잡았다. Regler는 열정적으로 결론을 내린다: “우리가 여기에서 달성한 것은 연마 기기 분야에서 절대적으로 혁명적인 것입니다.”

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