KITECH 생산기술 전문지

본 연구는 국제표준 ISO 14955에 기반하여 공작기계의 소비에너지를 정확히 측정하고, 실시간 최적 제어 기술을 통해 공작기계의 에너지를 효과적으로 저감하는 기술 개발을 목적으로 수행되었다. 최근 제조업계는 글로벌 에너지 비용의 상승과 환경 규제 강화로 인해 에너지 소비를 줄이는 친환경 제조 기술 도입이 필수적인 과제가 되었다. 특히 공작기계는 제조 산업 내에서 상당한 에너지를 소비하고 있으며, 전체 산업 에너지 소비에서 차지하는 비율이 높아 정밀한 에너지 소비 모니터링 및 효율적인 관리가 요구된다. ISO 14955는 공작기계의 에너지 소비를 체계적으로 평가하는 국제표준으로, 전력뿐만 아니라 공압 및 열에너지 등 비전기적 에너지원까지 포괄적으로 측정하고 평가하도록 규정하고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 전력 센서, 공압 센서, CNC 컨트롤러 데이터 등 다양한 센서 데이터를 실시간으로 수집하고, 이 데이터를 통합하여 공작기계의 운영 상태(Processing, Standby, Ready 등)를 자동으로 탐지할 수 있는 통합 모니터링 시스템을 개발하였다. 연구팀이 개발한 Unified HMI 플랫폼을 활용하여 CNC 컨트롤러와의 실시간 데이터 연계를 가능케 하였으며, 이를 통해 각 운영 상태별 정확한 에너지 소비량을 정량적으로 분석할 수 있었다. 소비에너지 모니터링 시스템을 실증하기 위해 다양한 크기의 머시닝센터에서 국제 표준(JIS TS-B 0024)에 따른 표준화된 시험 가공을 실시하였다. 실험 결과, 소비에너지는 장비 크기에 비례하는 경향을 보였으며, 부대장치의 소비에너지가 서보 드라이브 및 주축 등 주요 구성요소보다 월등히 높은 비율을 차지함을 확인하였다. 특히 공압 에너지의 소비 비중이 매우 크다는 것을 발견하였으며, 압축공기의 에너지 소비가 공작기계의 전체 소비에너지에서 핵심적 요소임을 입증하였다. 실증 장비에 적용한 부대장치 제어 시스템을 통해 실제 운영 환경에서의 대기전력이 기존 방식 대비 약 31.4% 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 공작기계의 소비에너지 중 상당 부분을 차지하는 부대장치(쿨러, 미스트 컬렉터, 칩 컨베이어 등)의 효율적 제어를 위한 기술을 개발하였다. 부대장치 제어는 기계의 내장 PMC(Programmable Machine Controller)에 디지털 입출력(IO)을 배정하여 무선으로 실시간 제어할 수 있도록 설계되었으며, 부대장치가 필요할 때만 가동되도록 자동화된 알고리즘을 구축하였다. 구체적으로, 쿨러는 스핀들의 온도가 일정 기준을 초과할 때만 작동하며, 미스트 컬렉터는 장비 내부의 습도 데이터를 기반으로 습도가 특정 수준 이상일 때만 가동된다. 칩 컨베이어는 공작기계의 가공 상태가 일정 시간 이상 지속되는 경우 자동으로 작동하고, 가공이 중단된 이후 일정 시간이 경과하면 자동으로 정지하도록 설계되었다. 본 연구를 통해 개발된 소비에너지 모니터링 및 저감 기술은 제조 현장의 에너지 관리 효율성을 높이고, 불필요한 에너지 소비를 최소화하여 제조업의 에너지 비용 절감과 탄소배출 저감에 실질적으로 기여할 것으로 기대된다. 본 기술이 국내외 공작기계 산업에 널리 보급되어 지속 가능한 친환경 제조 환경 구축에 기여할 수 있을 것으로 전망된다.

키워드 공작기계, 소비에너지, 모니터링, ISO14955, 지능형 제어