가공 장비의 제어기가 공정 모니터링을 하기 위해서는 외부에 부가 장착한 센서나 측정시스템 뿐만 아니라, 장비가 직접 구동하는 이송계나 IO 접점, 그리고 센서 값의 디지털 데이터를 직접 취득할 수 있어야 한다. 이를 위하여 공정 모니터링용 개방형 제어기는 기본적으로 디지털 서보통신 대응형 제어기로 구성되어야 하고, 기존 아날로그 인터페이스 방식이 아닌 디지털 인터페이스 방식을 채택하고, 실시간 서보 제어를 위하여 오픈 프로토콜인 EtherCAT 통신을 채용한 네트워크 기반의 개방형 제어기를 구현하였다.

2.1.1 EtherCAT 마스터 제어기

서보 드라이브, 스핀들 인버터, 입출력(I/O) 터미널이 모두 디지털 인터페이스로 연결된다. 표준 EtherCAT 기반의 마스터 스택(Acontis SDK)을 활용하여 실시간 OS (RTX) 기반으로 EtherCAT 마스터를 구현하였으며, CSV (Cyclic Sync Velocity), CSP (Cyclic Sync Position) 모드로 동작을 구현하였다. Fig. 1은 CSV (Cyclic Sync. Velocity) 모드의 제어 블럭과 Object 리스트를 나타내었다. CSP는 위치가 중요한 응용에 쓰이는 제어 모드이고, CSV는 속도가 중요한 응용에 사용된다. 가공기에는 CSV 모드 제어를 사용한다.

Fig. 1 
Object lists of CSV

실시간 통신 중에 있을 수 있는 통신 프레임 데이터의 손실의 발생유무를 체크하는 통신 신뢰성 점검을 수행하였다. Acontis 마스터 스택을 활용한 EtherCAT을 구현하고, 런타임 비용이 없는 자체 EtherCAT 마스터 커널을 개발하였고, Windows Embedded XP OS 상에서 Fig. 2에서처럼 연결하여 구동 시험하였다.

Fig. 2 
Operating test of EtherCAT master

EtherCAT 마스터 제어기는 슬레이브 기기 제조사가 제공하는 XML 파일 형태로 된 ESI (EtherCAT Slave Information) 파일로부터 현재 마스터에 장착된 슬레이브 노드를 재구성하는 ENI (EtherCAT Network Information) 파일을 만들고, 한번 설정된 구성은 새로이 정의되기 전까지 유지된다. Fig. 3은 CSV 모드제어 블럭을 표준 프로코콜의 내용으로 도식화한 것이다.

Fig. 3 
Control block for CSV mode

2.1.2 EtherCAT 통신 이중화 및 결함 극복기술

산업용 서보통신은 통신속도가 급속히 향상되어 기존 아날로그 배선을 대체할 정도의 경제성을 확보하였고, 배선의 편리성과 비용절감의 잇점까지 누릴 수 있어 1 ms 이내의 정주기의 실시간 처리해야하는 응용에까지 채용되었다. 이에 통신 결함극복과 자동장애 복구기능 등 통신 신뢰성을 확보할 수 있는 성능의 확보가 무엇보다 중요해졌다. CNC 제어기에서는 EtherCAT 슬레이브 노드인 다수의 서보 모터와 IO 접점을 실시간으로 처리해야 하며, 예기치 못한 통신 단절에 대한 대책이 있어야 한다. 즉, EtherCAT 통신 이중화를 활용한 통신 결함 극복(Fault Tolerant)이 기본적으로 요구된다.

EtherCAT 통신 이중화는 EtherCAT 표준이 지원하는 항목이기는 하지만, 개개의 개발 사이트에서 비용 상승과 기술적인 어려움으로 채용은 일반적으로 적용되지 않고 있었다. Figs. 4(a)처럼 단일 라인의 EtherCAT 마스터의 경우, 슬레이브 노드 중 하나가 단절되었을 때 통신 알람을 띄우고 정지하지만, 4(b)처럼 이중라인을 채용한 EtherCAT 마스터는 이중으로 통신 데이터를 수신 버퍼에 쌓아 두기 때문에, 둘을 조합하여 모드 슬레이브 노드의 통신 패킷을 만들어낼 수 있다. 이를 위하여 2개의 EtherCAT 지원랜 포트가 장착되어 있어야 한다.

Fig. 4 
Ring topology of EtherCAT for fault tolerant

EtherCAT 마스터 CPU 보드는 EtherCAT 용 랜 포트 2개에 모두 케이블을 이중으로 연결하고, 이를 통해 ISR (Interrupt Service Routine) 쓰레드를 구동하여 2개의 데이터 리시버 버퍼를 채우고, 전체 노드로부터 받은 데이터를 조합하여 통신 단절을 극복한다. 이때, 통신 전환지연(Switching Delay)은 15 us 이하이다.

개방형 기능 모듈 라이브러리와 API를 활용하여 실제 CFRP 가공 중 실시간으로 모니터링하는 2가지 방법으로 외부센서 시스템을 사용하는 방법과 EtherCAT 통신을 통해 획득할 수 있는 내부신호를 사용하는 방법을 제공하고, 실제 모니터링 예제를 구현하고자 하였다. 먼저, 모니터링 대상이 되는 시스템의 특성을 파악하고, 가장 민감하고 효과적인 신호를 선택한 뒤, 필요하면 2개 이상 다중신호를 조합하여 이상감지와 판단하는데 활용할 것이다.

CFRP 가공 공정 모니터링 상황에서의 가공 조건들이 매우 다양하여, 모든 조건을 커버하는 모니터링 방법을 찾는 것은 너무 방대한 테스트를 요하므로, 현재까지 테스트 결과 자료로부터 찾을 수 있는(Detectable) 신호 취득 방법부터 탑재하기로 하였다. CFRP 판재 가공시 가공 조건과 주요품질 항목은 다음과 같다.

1. CFRP의 소재: 목적에 따라서 성분과 제조방법 다르고, 각각 가공성에도 차이가 남(적층 방식 UD/MD/Woven, Injection/Press Molding, 탄소섬유품질 T300/T700/T1000, 일반/내열/난연 에폭시 등)

2. 가공 공구: 재질_WC/PCD/TiAlN, 코팅 유무, 날수, 직경, 헬릭스 앵글 등

3. 가공 조건: 절삭유, 고압 송풍기(Air Blower)

4. 주요 품질 항목(드릴링/라우팅): 입/출구 박리(Delamin Ation) Factor, 벽면 결함(Fiber Pullout, Matrix Burnout, Ra), 공구 마모 (프랭크면 마모, 에지 라운딩)

선 가공 실험으로 찾을 수 있는 모니터링 항목(DetecTable Point)은 아래에 나열하였다.

1. 스핀들 진동신호: 드릴링시 절삭력 파형(공구 동력계로 측정)은 최대 100 N 이내이고, 주파수 분석결과 고주파(3 - 5 kHz) 성분에 피크가 있음이 확인되었으므로 CFRP 가공에서 진동신호의 FFT(3 - 5 kHz) 프로파일을 표시하는 기능 필요함을 확인하였다. 스핀들 진동은 가공공정 모니터링 뿐만 아니라, 스핀들 상태 모티터링 용도로도 활용 가능하다.

2. 소재 온도(또는 가공부위): CFRP의 레진인 에폭시의 녹는점이 약 150 - 300 °C이므로 소재 온도(또는 가공 부위)의 측정이 필요하다.

3. 전류 신호(이송축/스핀들): 드릴링시 Z축의 전류는 절삭 추력을 대표할 수 있고, 스핀들의 전류는 절삭부하를 대표할 수 있으므로 모니터링 대상이 된다.

4. 소재의 진동신호: 3 - 10 T의 CFRP 판재 드릴링시 소재에 진동 발생하여, 드릴 진입시와 드릴링시 진동을 방지하기 위하여 진입 이송속도를 공구 제조사 추천속도보다 느리게 설정하여 가공하고 있음을 알아냈고, 소재 진동을 측정하여 최적의 이송속도로 드릴링하는 방법이 필요하다.

Fig. 14는 모니터링 시스템 연결한 연결도이며, 개방형 제어기에 표준 인터페이스인 EtherCAT 통신으로 다중센서 모니터링 시스템과 연결할 수 있는 기능을 구현하였다. 가공장비에 장착될 외부센서는 모니터링 시스템을 통하여 디지털 데이터로 변환되어 개방형 제어기로 전달되며, 제어기는 통신주기와 동일한 주기로 데이터를 받아낼 수 있다. 센서의 업데이트 주기는 50 - 150 ms이며, FFT 프로파일의 경우 데이터 개수가 많아서 평균 1초에 250 ms 주기로 전달된다. 수집된 센서 값은 CNC 내부 레지스터에 저장되어 그 파형을 볼 수 있고, API 프로그램에서 활용할 수 있도록 하였다.

Fig. 14 
Monitoring system for CFRP machine with open controller

Table 2는 다중센서의 모니터링 데이터를 수집하는 구성 예를 보여준다. 하나의 센서에서 시간 도메인과 주파수 도메인에서의 피크값이나 RMS 값을 선택적으로 받을 수 있고, FFT의 경우 특정 밴드를 설정하여 각 밴드에서의 피크값이나 RMS 값을 받을 수 있도록 하였다. 이러한 센서 데이터의 전달 통로는 8개로 구현하였고, FFT 프로파일은 별도의 통로를 제공하였다.

EtherCAT을 지원하는 표준 EtherCAT 서보 드라이브를 장착하면, 서보 드라이브의 전류(토크, 부하)정보를 표준 EtherCAT 통신으로 실시간으로 읽어 들여 상태 파라미터에 저장하고, API 함수가 이 저장된 실시간 부하정보를 활용하여 CFRP 공정제어에 활용하도록 정보를 제공하고, 속도와 위치는 CNC에서 제공하므로 가공 공정에서 부하에 관련된 정보는 모두 활용할 수 있다. 따라서, 내부 신호를 활용할 수 있도록 관련 API 함수를 지원하였다.

EtherCAT 표준인 CSV 프로파일 모드에서의 서보 모터의 토크 신호를 피드백 받을 수 있고, 모터에 인가되는 전류를 토크값으로 환산하여 받을 수 있고, 정격부하의 % 값으로 받을 수도 있다. 부하 토크는 최대 32축을 받아올 수 있으며, 서보 드라이브와 연결된 개방형 제어기에서 각축의 부하 토크를 매 통신 주기(또는 위치제어 주기) 마다 받아와서 Table 3의 이송 축 모터부하(내부 신호)의 CNC 저장 레지스터에 저장하도록 기능을 제공한다. 1 ms로 상태변수 SV[1250] - SV[1281]에 1 - 32축의 정격부하의 %값을 기록한다.

Fig. 15는 이송 축 서보 드라이브의 토크 신호를 모니터링한 것이며, 이송 속도와 동시에 파형보기에서 본 결과이다. 가속과 감속시에 전류 피크가 있음을 볼 수 있다. 샘플링 주기는 보간 주기 2 ms와 같으며, 표시단위는 [정격 토크*0.1 %]이고, 축 이송의 가 감속시에 부하 토크의 피크가 있고, 등속구간에서는 낮은 토크를 유지한다. 등속구간서 가공이 일어나면 부하 토크는 증가한다.

Fig. 15 
Torque monitoring for the load of feeding axis

Fig. 16은 개발된 API를 활용하여 CFRP 가공 공정의 센서 모니터링을 통해 사용자 특화 기능 모듈을 작성하는 가이드 라인이며, 측정된 신호는 CNC의 상태변수에 실시간 저장되고, API는 이 신호와 가공상태를 조합하여 결정된 결과는 PLC 접점을 통해 이송속도 오버라이드, 스핀들 오버라이드, 정지, 긴급 정지, 경고, 그리고 알람 출력 등의 액션으로 공정을 제어할 수 있다.

Fig. 16 
Reaction plan for monitoring on machining CFRP

CFRP 드릴링시 절삭력 파형(공구동력계로 측정)은 최대 100 N 이내로 아주 작아서 이상 상황을 판단하기 용이하지 않고, 주파수 분석결과 3 - 5 kHz 대역의 고주파성분 피크가 있음이 확인되었다. 드릴날이 개개의 파이버를 절단할 때 나오는 충격파가 감지되는 것으로 추정된다. 따라서, CFRP 가공공정에서 특화된 모니터링 신호로 실시간 FFT 프로파일을 선정하고, 모니터링할 수 있는 기능을 탑재하였다. 센서의 샘플링 주파수는 12.8 kHz를 사용하고, FFT 프로파일 표시 대역은 6.4 kHz까지 된다. 8 Hz 간격으로 표시한다 해도 1회 표시하기 위하여 800개의 데이터가 필요하게된다. EtherCAT 통신주기마다 80개의 데이터를 100회 전달하여 하나의 FFT 프로파일을 구성하도록 하였다. 1회 연산 완료시 인덱스 값을 +1 증가시킴으로써 제어기는 인덱스가 바뀐 경우 데이터를 연결하여 하나의 FFT 프로파일로 표시한다. 가공시스템에서 FFT 프로파일을 보여주는 예는 오쿠마사(일)의 Machining-Navi에 탑재되어, 가공 상태를 감시하고, 스핀들 회전수를 추천하기까지 한다. 센서는 마이크로폰을 사용하며, 채터를 모니터링 하는 용도로 사용된다. CFRP 가공에서는 채터가 나타나는 경우가 극히 드물기 때문에 채터보다는 공구 마모에 의한 가공모드의 변화를 감지하기 위한 용도가 될 것이다. Fig. 17은 Machining-Navi의 최적의 스핀들 RPM 추천 기능을 보여준다.

Fig. 17 
Recommend spindle RPM with Machining-Navi

Fig. 18은 개방형 제어기에서 스핀들 진동 센서의 실시간 FFT프로파일 표시한 것과 CFRP 드릴링시 고주파 영역의 피크값이 나타나는 양상을 보여준다. CFRP 가공 중 진동신호의 실시간 FFT프로파일을 1초에 4회 표시하고, 최상위 10개의 피크값과 그때의 주파수 대역을 표시하여 API 프로그램에서 활용할 수 있도록 하였다. CFRP 가공시 정상가공 프로파일의 결과와 매번 비교하여 이상진동 모드가 감지되면 제어기에 미리 정의된 조치를 취하도록 하는 것이 목적이다. 진동 모드의 분석은 진동을 가진하는 소스인 스핀들 회전, 공구 날수, 베어링 개수 등으로 부터 파악할 수 있다.

Fig. 18 
Real-time FFT profile of vibration sensor on spindle

Fig. 19는 다중센서 모니터링 시스템을 가공장비에 연결한 개략도이며, 개방형 제어기가 장착된 초음파 스핀들 장비에 다중센서 모니터링을 위하여 주축과 이송 축에 전류센서, 스핀들 본체에 스마트 진동센서와 온도센서를 장착하였다.

Fig. 19 
Schematic diagram for multi-sensor monitoring system

관측 대상은 드릴링에 주요 절삭력인 Z 축 추력, 진행방향의 이송속도, 스핀들 회전수이다. 매 통신 주기마다 모니터링 시스템은 센서로부터 빠른 샘플링 주기로 취득한 신호를 분석하기 위하여 CNC로부터 받은 정보를 기반으로 결정하고 판단한다. 진동신호는 그 샘플링 주기가 통신주기보다 짧아서 샘플링 데이터를 상부 CNC로 전달하는 것이 어려우며, 자체적으로 분석기법을 활용하여 결정한 결과값만을 상부 CNC로 전달하여 후조치를 취하도록 한다.

가공결함 진동, 온도, 추력, 구동부 결함 진동신호를 실시간 취득하여 실시간으로 결함 도달 유무를 판단한 후 상위 CNC로 전달하게 된다.

Fig. 20은 개방형 제어기에 탑제된 CFRP 드릴링공정 모니터링 기능 화면이며, 크게 장비상태 모니터링과 가공공정 모니터링으로 구분하였다. 장비 모니터링 대상은 주축 스핀들, XYZ 이송축, 그리고 공구이며, 가공공정은 CFRP multi-stack 소재의 드릴링시 경계면 검출 기능과 회전체 진동을 실시간으로 모니터링 하는 기능을 탑재하였다.

Fig. 20 
Monitoring screen for CFRP drilling process

CFRP 드릴링 공정의 장비 진단과 공정 모니터링을 실제 장비에서 작업자에게 유용한 정보를 제공하기 위해서는 장비의 현 상태와 공정의 건전성을 종합하여 보여줄 수 있는 지시인자(Health Index)가 필요하며, 이를 자동으로 처리하거나, 최소한 작업자에게 건전성 정보를 전달할 수 있어야 한다. 궁극적으로는 머신 러닝 기법을 활용하여 축적된 가공 이력정보에 의한 통계적 데이터에 의한 판단 메커니즘을 개발하는 것이 최종목표이다. 현 단계에서는 중요인자와 결과 간의 직관적인 데이터 수집을 충분히 획득한 후에 진행하고자 한다. Fig. 21은 CFRP 가공장비의 건전성을 포함한 가공공정의 모니터링을 위하여 건전성 인덱스를 추출하기 위한 모니터링 설계안이다.

Fig. 21 
Health index planning for CFRP machine and machining process

측정 대상과 센서는 이송모터의 모터 토크값, 절삭력 (공구동력계), 절삭 추력(전류센서), 스핀들 부하(토크센서), 진동 주파수 와 크기(가속도계)이며, 고가의 공구동력계는 신호의 검증용으로 사용한다. 또한, 공정 가시화전략으로 진동신호는 FFT 프로파일을 정상상태와 현재 상태를 동시에 보여주어서 한계범위를 초과하는지를 검사하게 하고, 절삭 추력과 이송모터 토크는 공구 마모 진행상황을 %로 보여주며, 스핀들 부하 값은 공구 인선 치핑과 파손 신호로 사용한다. 최종적으로 CFRP 가공 장비와 공정 건전성 인덱스는 3종으로 세분하여 제시하고자 한다. 가공장비 지시인자(Machine Health Index), 공구 마모 지시인자(Tool Health Index), 가공물 지시인자 (Workpiece Health Index)로 통합 모니터링 하고자 한다. Fig. 22는 CFRP 드릴가공시 공구 마모 지시인자를 도출하기 위한 설계안이다.

Fig. 22 
Tool health index planning for CFRP drilling process