Industry 4.0 및 Smart manufacturing에 부응하는 스마트 공작기계 시스템 개발을 위한 시스템엔지니어링 접근

Abstract

제조 분야에서는 Industry 4.0이라는 패러다임 하에 다양한 관련 요소 기술을 연구, 개발, 적용하려는 움직임이 전 세계적으로 추진되고 있다. 제조 시스템 중 공작 기계는 기계 부품 생산에 반드시 필요하기 때문에 제조 산업에서 핵심 장비로 자리매김하고 있으며, 공작 기계의 성능 향상 (zero downtime, zero defect)을 위해 지능형 공작 기계, 가상 공작 기계 등의 이름으로 과거부터 다양한 기술이 적용되어 왔다. 상기 기술한 트렌드에 대응해선, 사물 인터넷 (Internet-of-Things), 디지털 트윈, 빅 데이터 분석, 머신러닝 등 다양한 요소기술들과 접목하려는 다양한 시도들이 이뤄지고 있다. 그중 Cyber-Physical System은 "cyber domain", "physical domain", "human domain"의 제반 resource, process들에 대한 통합적이고 지능적인 공정 구현이 가능하다는 측면에서 스마트 제조를 실현하기 위한 핵심 기술로 대두되고 있다. 이러한 다양한 smart화 지원 요소 기술을 ad-hoc 방식으로 적용하기보다는 체계적인 접근 방법에 의해 도출된, 짜임새 있는 시스템 구조 하에 접목될 때 기술 상호 간 시너지 효과를 발휘할 수 있다. 본 논문에서는 이를 위한 스마트 공작기계의 개념을 CPSMT (Cyber-Physically controlled Smart Machine Tool System) 로 명기하고, CPSMT 개념의 도출과 CPSMT의 generic architecture에서 출발하여 Subtractive Manufacturing (SM)과 Additive Manufacturing (AM) 공정에 대한 기능 측면의 상세 reference architecture를 제시한다. SM의 경우, AM 공정 대비 더 안정적이고 신뢰성이 높으며, 관련 ICT/IoT 요소기술 접목을 오랫동안 시도하였기 때문에 SM 공정에 초점을 맞춰 기능 아키텍처의 적용 / 검증을 위한 프로토타입을 개발하였다. SM, AM 관점의 CPSMT 구현 구조에 대한 연구는 추후에 기존 연구결과와 SM, AM 도메인에 특화된 구현 기술 등을 종합 참조하여 진행할 것이다.

As part of the Fourth Industrial Revolution, the movement to apply various enabling technologies under the name of Industry 4.0 has been being promoted worldwide. A machine tool is a key device in manufacturing since it is indispensably used in the production of machine parts. In order to improve the performance of machine tools, various technologies have been applied under the names of intelligent machine tools and virtual machine tools, etc., and smartness technologies such as Internet-of-Things are being considered as a new means for this. Among them, Cyber-Physical System is the core technology for smart manufacturing and machine tool in terms of integrated and intelligent operation of processes, resources in 'cyber," physical,' and 'humans’ spheres. To realize a machine tool suitable for Industry 4.0, development should be done in a systematic manner rather than the ad-hoc application of enabling technologies. In this thesis, we propose a functional architecture for the Industry 4.0 version of machine tools, namely Cyber-Physically controlled Smart Machine Tool (CPSMT) on subtractive and additive manufacturing, based on the derivation of the CPSMT concept and following the generic architecture of CPSMT. A prototype system for subtractive manufacturing (SM) is presented for the application/verification of the functional architecture of CPSMT. Implementation architecture of CPSMT and prototype system development for additive manufacturing (AM) will be developed later.