[테마특강] 차세대 공작기계용 컴퓨터 수치제어장치(PC-NC)

崔鍾律

81년 한양대 전기공학과 졸업

86년 독일 베를린공대 전기, 전자과 디플롬

91년 독일 베를린공대 전기, 전자과 공학박사

93년 독/미 렉스로스 그룹 연구원 및 자문관

93년 9월 현대정공 입사

97년∼현재 현대정공 기술연구소 공작기계연구부문 연구위원(이사)

컴퓨터와 달리 산업전자분야는 폐쇄형 산업구조로 이루어져 왔다. 업체마다 독자적인 기술을 바탕으로 각종 장치를 개발해온 것이다. 따라서 공급은 첨단기술을 보유한 특정 국가나 기업에 편중되고 사용자는 장치 개발업체의 방식에 따라 이용할 수밖에 없었다. 하지만 최근 초고속 가공기, 복합 가공기 등 컴퓨터 수치제어(CNC) 공작기계업체들의 고기능화, 차별화 바람과 사용자 욕구의 고급화, 통신화로 인해 산업전자분야도 개방형으로 바뀌고 있다.

수치제어(NC)장치는 공작기계 제조원가의 25∼35%를 차지할 뿐 아니라 기계성능에 큰 영향을 미치는 핵심부품이다. 이 장치는 스핀들 및 이송 축에 사용되는 유도기, 제어기술, 논리연산제어장치(PLC;Programmable Logic Controller), 가공 및 공정설계기술 등으로 구성된 복합기술로 지금까지 일부 선진국업체에서 독점할 정도로 내부기술이 공개되지 않았었다. 이러한 NC장치분야에도 개방형 바람이 불고 있다.

NC장치분야에 개방형 시스템이 출현하게 된 것은 공작기계 소비자(사용자) 또는 공작기계 생산업체(MTB;Machine Tool Builder)들의 요구 때문이다. 이들은 NC장치 공급자에게 저가이면서도 조작이 편리하며 특수기능 추가와 가공 프로그램 작성이 용이한 제품을 요구했다. CNC장치 개발업체들은 이같은 사용자 요구에다 개발비 및 생산단가 절감, 급변하는 하드웨어 사양에 대한 대처노력, 고속, 고정도 제어기술 구현 등 자체 경쟁력 확보를 위한 신규투자 및 개발영역 확대에 한계점이 온 것이다. 특히 CNC장치 전문 생산업체들은 CNC공작기계의 고기능, 복합화로 MTB들이 요구하는 기계 사양에 적절히 대처하기 어려운 많았다. 이처럼 사용자 및 생산자 모두에게 만족할 만한 새로운 시스템의 등장이 필요하게 됐고 이것이 바로 PC의 출현과 이에 따른 개방형 구조로의 전환이었다.

NC가 개방형 구조(Open Architecture)를 갖기 위해서는 하드웨어적이나 소프트웨어적으로 응용하는 모든 사람에게 시스템 제어 및 응용 프로그램 작성을 용이하게 해야 한다. 이것이 바로 PC에 근거한 CNC장치라 할 수 있다. CNC장치 업체는 CNC장치의 기능 중 사용자와 밀접한 영역인 MMI(Man Machine Interface)부분을 사용자가 재구성할 수 있도록 툴(Tool)을 제공해야 한다. 그래야만 사용자가 CNC 내부영역에 접근하고 이를 응용할 수 있는 것이다. 특히 기본기능과 그 사용방법들을 모듈화하여 사용자가 요구하는 특수 사양이나 복합기능들을 개발하고 이를 기계에 적용할 수 있도록 해야 한다. 사용자와 CNC장치 내부 연결통로를 보면 가장 하위영역에 하드웨어가 자리잡고, 그 위에 윈도나 도스 같은 오퍼레이팅 시스템 영역, 그리고 외부와 인터페이스할 수 있는 통신시스템 영역이 있다. 그 위에 기계제어 및 가공 프로그램을 위한 실행파일 및 인터페이스 영역이 있는데 이것을 통해 사용자와 생산자는 각각 서로의 요구를 충족시키기 위한 각종 라이브러리, 특수기능, 사용자 라이브러리 등을 공유하게 된다. 개방형 구조는 원칙적으로 CNC메이커와 공장기계업체, 소프트웨어 공급자, 일반사용자를 대상으로 외부 시스템을 수용할 수 있는 환경을 제공하는 것이다. 어떤 하드웨어든 이용 가능하게 표준 인터페이스 장치를 채택하고 응용 프로그램의 지원과 내부기능의 수정, 교체, 추가가 가능해야 하는 것이다.

PC에서 사용할 수 있는 어떤 응용 소프트웨어도 CNC에서 사용이 가능해진 것이다. 이로써 시스템이 범용화하고 타 시스템과의 접속을 위한 인터페이스가 강화되었으며 MMI를 쉽게 처리할 수 있게 된 것이다. 윈도, 그래픽 인터페이스(GUI) 등의 사용으로 조작의 편리해진 것은 물론 CNC장치와 쉽게 친밀해질 수 있는 환경이 이루어진 것이다. 경제적이면서 고성능인 펜티엄급 이상 PC의 출현으로 시스템 확장이 용이해 저가형 CNC시스템 및 셀 컨트롤러(Cell Controller)의 구현뿐 아니라 공작기계업체에서는 생산원가 절감도 가능케 되었다. 이처럼 NC분야에서 개방형 시스템 탄생은 결과적으로 가공의 정밀성과 편리성을 향상시키기 위한 독자적인 소프트웨어 개발을 가능하게 하고 이에 따라 품질개선과 생산성 증가를 꾀할 수 있는 것이다.

개방형 NC로 대별되는 PC-NC는 그만큼 사용자와 친밀해진 것이다. 오늘날 모든 산업체, 학교, 가정까지도 PC를 사용하고 있고 이를 통한 통신이 가능하기 때문에 어느 곳에서든 각종 정보를 얻고 활용할 수 있는 단계로 발전했기 때문이다.

최근 마이크로프로세서의 고성능화에 따라 CNC는 자동 프로그래밍 및 CAM시스템의 내장 등 다기능화, 고기능화하고 있다. 또 금형가공 프로그램과 같이 대용량의 메모리를 요구하는 시스템을 위해 하드 디스크를 채용하고, 시스템의 확장성을 위해 CNC장치의 하드웨어 구성을 PC와 동일한 구조를 채택하고 있다.

PC-NC는 기술적으로 크게 세가지 형태로 분류할 수 있다.

첫째 일반 PC의 확장 슬롯에 NC기능을 갖는 보조 기판을 삽입해 개발된 형태다. NC 내장형PC(PC-Based NC)라 할 수 있는 이 제품은 사무실용으로 개발된 PC를 산업용 CNC장치로 기능을 갖게 했지만 공장 등 열악한 환경에서 사용할 수 있는 신뢰성이 확보되었느냐가 가장 큰 문제다. 신뢰성과 생산라인의 연관 관계를 고려하면 특수 디자인을 해야만 하는데 이런 구조에서 CNC장치의 핵이라 할 수 있는 NC처리 보드를 일반 PC에 접목시킨만큼 제어 계통에 이상이 발생했을 경우 NC 자체의 에러 처리능력을 상실해 사고를 낼 수 있는 위험성이 내포돼 있다. 이런 종류의 시스템은 아직까지 가공 전용 CNC공작기계에 사용되지 않고 있다. 작업환경이 비교적 깨끗한 간이 메카트로닉스 제품의 조립 셀과 반도체 제조장치, 칩 마운터 등의 제어, 물류, 반송 장치에서 기기간 제어, 자동화 식품 가공라인 제어 등에서 초기 시험중이다. 물론 일부 국내외 업체에서는 소위 PC-NC라는 개념으로 저가 공작기계에 적용하여 오프라인(Off-line)으로 사용을 시도하고 있으나 아직 안정적인 단계로 보기에는 미흡하다.

둘째 기존 CNC장치에 PC 소프트웨어를 사용하기 위해 PC전용 하드웨어를 추가한 시스템이다. PC내장형 CNC(PC-Embedded CNC)라고 불리는 이 시스템은 선진국 컨트롤러 업체들이 채택한 기술적 접근 방법으로 고도의 신뢰성을 바탕으로 개방형 소프트웨어 구조를 갖는다. MMI부분만을 일반 PC로 사용하기 때문에 기계 혹은 생산현장과 사무실간에 필요한 통신 및 생산 문서처리, 자동화 시스템과의 연결을 쉽게 한다.또 조작자들에게 PC개념으로 접근할 수 있게 함으로써 조작이 쉬워 각광을 받고 있다. 기계제어에 관련된 모든 기능을 NC단위에서 종합적으로 제어하고 관리하기 때문에 제어계의 이상으로 비상상황이 발생해도 신속히 대처할 수 있는 것이 특징이다.

셋째 일반 PC상에서 소프트웨어만으로 NC기능과 MMI기능을 구현한 형태의 소프트웨어 PC-NC가 있다. 전술한 형태의 PC-NC는 NC의 실시간 제어를 NC보드 또는 NC단위로 처리하였으나 이 형태는 상용 실시간 다중처리 OS를 사용하여 MMC(Man Machine Communication), NCK(Numerical Control Kernel), PLC 등의 운용 소프트웨어를 PC상에서 구현하므로 하드웨어 개발을 최소화할 수 있다. 하지만 종래 CNC자원을 사용할 수 없어 PC용 제어 소프트웨어를 새로 개발해야 하는 단점이 있다. 아직까지는 상용 PC를 하드웨어로 사용하므로 신뢰성 보강을 위한 특수설계 등의 문제점이 있어 상품화된 제품은 없는 실정이다.

PC-NC는 통신기능이 내장돼 있어 기계상태의 이상 유무를 원격으로 감시, 진단, 처방할 수 있는 공작기계용 원격진단시스템과 연결도 가능하다. 먼거리에서 PC를 통해 기계의 작업상태를 실시간으로 모니터링할 수 있는만큼 효율적인 가공 프로그램 관리 및 기계간 프로그램 공유도 가능하고 PC에서 실행되는 생산일정관리, 생산량관리, 공구관리, 품질관리 등의 각종 응용 소프트웨어를 그대로 사용하는 생산관리 전산화를 실현할 수 있다.

개방형 PC-NC 시스템은 기능적인 측면에서 고기능 복합형 CNC공작기계를 비롯 전용기, 로봇 등에 적용이 가능하고 특히 FMS, CIM 등 공장 및 생산관리 자동화시스템과 손쉽게 접목할 수 있다. 더욱이 초간편 대화형 시스템 적용으로 가공 숙련공이 불필요하며 이로 인한 작업 준비시간 단축 및 유연성으로 생산성 향상의 극대화를 꾀할 수 있다. 또 셀 및 상위 레벨과의 통신이 자유롭기 때문에 향후 공장 자동화를 위한 네트워크 구성을 용이하게 할 수 있는 것이 특징이다.

공작기계는 앞으로 고기능, 다기능을 갖춘 경제형 제품을 중심으로 수요가 크게 확대될 전망이다. 때문에 여기에 채택될 수치제어 장치로는 PC를 채용한 개방형 PC-NC가 될 것이 분명하다. PC를 이용한 개방형 NC시스템을 사용함으로써 얻을 수 있는 가장 큰 장점은 저가화와 유지 보수 비용의 절감효과를 얻을 수 있고 고유 혹은 제 3자의 소프트웨어의 이식이 가능해 다기능화, 고성능화가 용이하다는 점이다. 그러나 고객 및 사용자와 CNC업체간 유지보수의 책임한계가 불명확해지는 단점도 있다. 때문에 이를 해결하기 위해서는 공작기계업체가 자사 고유의 소프트웨어 개발을 위해 R&D투자를 지속적으로 해야 하고 PC업계 또한 하드웨어 신뢰성 보완에 주력해야 한다.