<글 : 이지로보틱스 홍석관 상무 hongsky@ezrobotics.com>
성공적인 디지털 매뉴팩처링을 위한 최적의 통합 솔루션
DMWorks(Digital Manufacturing Works) 는 대규모 디지털 공장의 생성, 설비/작업자 동작 시뮬레이션, 생산 라인의 공법 시뮬레이션, 로봇 시뮬레이션 및 OLP (Off-Line Programming) 등을 수행하는 디지털 매뉴팩처링 통합 솔루션입니다.
현재 다양한 산업분야 생산라인의 생산공법 시뮬레이션, 로봇 OLP 및 디지털 공장 구축 서비스에 사용 되어 신제품을 양산하기까지의 시간과 비용을 획기적으로 절감하고 있습니다. DMWorks 는 자동차, 건설기계, 조선, 로봇, 전자 산업 등 모든 분야의 자동화 생산라인 및 플랜트, 건설 분야 등 다양하게 적용 가능합니다.
<그림 1. DMWorks를 이용한 대규모 디지털 공장 시뮬레이션>
Key Features.
(1) 대규모 디지털공장 구축
(2) 로보틱스 시뮬레이션
(3) 생산라인 및 이송 시뮬레이션
(4) 작업자 시뮬레이션 및 작업 분석
(5) 로봇 OLP (Off-Line Programming)
(6) 로봇 시스템 기구학 캘리브레이션 및 OLP 절대위치 정밀도 신뢰성 확보
(7) 3D 스캐닝 데이터 활용
(8) 로봇 실시간 모니터링 및 제어
(9) 3D PDF 리포트 생성
(10) 제품 측정/분석 시스템 자동화
(11) 사용자 기반의 개발 언어 및 API 환경 제공
(12) WEB 기반의 시뮬레이션 Platform 제공
<그림 2. DMWORKS 주요 구성 및 기능>
디지털 공장/트윈 구현을 위한 플랫폼 제공 및 서비스 수행
모든 생산공장의 목표는 신제품의 양산기간, 비용, 품질확보 기간을 단축하고 시간당 생산양을 최대화 하는데 목적이 있다. 또한, 최근 생산공장의 다품종 대량생산을 위한 유연화 공정을 통한 스마트공장의 구축을 위해서 로봇과 같은 많은 자동화 설비 및 스마트 센서의 사용이 증가하고 있으며 이를 효율적으로 운영하기 위해서 다양한 3D 시뮬레이션 기술의 요구가 증가하고 있다.
DMWORKS 는 이러한 스마트생산 및 공장 구축을 위해서 제품 양산 전, 후에 생산 공장의 검토, 계획, 검증, 모니터링 활동을 디지털 가상 환경에서의 수행을 통해 설계단계에서 문제점을 파악하고 개선안을 검토, 현장 적용하여 신제품/설비/양산 품질을 확보할 수 있는 디지털공장을 구축하는데 활용되고 있다.
<그림 3. DMWORKS 를 이용한 스마트디지털공장 구축 기반기술, 과정 및 효과>
최근 스마트공장 구축에 있어서 주요한 기술로 CPS(Cyber Physical System) 기반의 디지털 트윈(Digital Twin) 기술의 필요가 증가하고 있다. 디지털 트윈 이란 현실 세계에 존재하는 사물, 시스템, 환경 등을 가상 공간에 동일(형상+움직임)하게 구현해 다양한 시뮬레이션을 수행하는 기술을 의미한다. 이러한 기술은 설비/공장 모니터링, 운영 및 생산 최적화 등 다양한 방향으로 활용되고 있다. 즉, 실제와 같은 사이버 모델이 구성, 동기화되어 발생 가능한 문제와 결과를 예측하는 기술로 활용되고 있다.
이러한 디지털 트윈 기술의 단계는 1~3 레벨로 일반적으로 구분하여 있다.
|
단계 |
설명 |
|
레벨1 |
3D 시각화만 하거나 여기에 속성 정보 변경 등을 통한 사전 시뮬레이션까지 포함하는 단계 |
|
레벨2 |
IoT 플랫폼을 통해 실시간 센싱 데이터를 받으며, 동시에 현실 세계에 있는 실제 사물이나 시스템들과 1대1 매칭이 되고 모니터링이 되는 단계 |
|
레벨3 |
운영 중인 사이버 모델을 기반으로 예측 및 분석하면서 시뮬레이션을 해보고, 이를 기반으로 실제 사물을 제어하는 단계 |
DMWORKS 는 아래와 같은 기반 기술을 개발하여 디지털 트윈기술의 구현을 위한 솔루션과 관련 기술을 지원하고 있다.
<그림 4. 디지털 트윈 구현을 위한 DMWORKS 기반 기술>
DMWORKS 을 이용한 레벨1의 기술은 그림 3. 과 같이 이미 상용화되어 국내외 다양한 산업분야에서 디지털공장을 구축하는 솔루션으로 활용되고 있다.
레벨2에 대한 기술 적용 예로는 로봇을 이용한 OLP 기술 및 자동 측정장비 시스템의 구축에 활용되고 있으며, 그 결과 로봇의 활용 분야를 확대하고 효율적으로 작업 프로그램밍, 분석 및 예측할 수 있는 솔루션과 기술을 지원하고 있다.
아래 그림 5. 는 디지털 트윈 레벨 2 기술의 대표적인 예를 보여주고 있다. 이 시스템은 정밀한 측정장비인 Laser Scanner와 Laser Tracker 를 로봇시스템과 연계하여 생산 제품을 자동 측정하여 설계 3D CAD 데이터와 측정 데이터를 자동분석 할 수 있는 고정밀 자동화 측정 시스템이다.
<그림 5. DMWORKS을 이용한 고정밀 자동화 측정 시스템 구축(디지털 트윈 레벨 2)>
아래 그림 6. 은 조선/건설기계산업 에서 많이 사용되는 ARC 용접기술을 로봇이 이용하여 자동화하는 시스템이며 이 또한 레벨2에 해당하는 기술이다.
<그림 6. 조선/건설기계 산업분야 자동 ARC 용접 로봇 시스템 구축(디지털 트윈 레벨 2)>
조선, 건설기계 산업의 경우 중량물의 제품에 대해서 용접을 수행하는 로봇을 이용하여 ARC 용접을 수행하는데 있어서 로봇시스템 자체의 기구학/운동학 캘리브레이션, 용접 품질 사전 예측, 정밀한 로봇 작업프로그램의 사전 생성 등에 많은 기술적 어려움이 있다. 그러나, DMWORKS 를 기반으로 다양한 로봇 제조사와의 협업을 통해서 이러한 어려운 기술을 극복하여 상용화 적용 중에 있다.
아래 그림 7. 은 VR(Virtual Reality) 기술을 이용한 사람-기계 협업작업/생산공정 시뮬레이션 수행을 통한 사람 작업 내용 분석 및 작업 환경 개선을 위한 VR 환경 구축 기술의 구현 예이다.
<그림 7. 사람-기계 협업작업 분석을 위한 VR 환경 구축(디지털 트윈 레벨 2)>
이러한 VR 환경을 활용하여 사람의 작업 환경을 효율적으로 구축하여 실제 제품, 설비 없이 가상의 제품, 설비를 이용하여 사람의 작업 내용을 사전에 분석하여 문제점을 분석하고 사전에 사람의 작업 환경을 개선하는데 매우 효율적으로 사용되고 있는 기술이다.
현재 전세계적으로 디지털트윈의 레벨1, 2의 기술은 상용화되어서 활용되고 있는 단계이다. 하지만 레벨3의 기술은 인공지능(Artificial Intelligence), 머신러닝(Machine Learning) 등의 기술을 활용하여 사이버 모델의 작업 내용의 품질의 예측, 분석을 통해서 실제 설비/공장의 운영을 최적화하는 기술이 필요하여 아직은 여러 국가, 기업에서 기반 기술을 개발하고 있는 단계이다.
아래 그림 8. 은 DMWORKS 을 이용한 SPOT 용접 조건을 사전에 예측하여 로봇의 SPOT 용접 품질을 사전에 확보하여 용접 품질을 확보하는 시간과 비용을 절감하는 기술(디지털 트윈 레벨 3)이다.
<그림 8. SPOT 용접품질 사전 확보를 위한 용접조건 예측 기술(디지털 트윈 레벨 3)>
최근 반도체 장비의 운영을 위한 제어기로 PC Based Controller 가 활발히 사용되어 있으나, 10축이상의 다축의 서버모터를 고속으로 운영하기 위해서는 아주 정밀한 기구적인 움직임에 대한 제어 시뮬레이션이 필요하다. 이러한 예측을 통해서 반도체 장비의 효율적인 설계, 안정적인 운영이 가능하며 사전에 기구적 충돌 및 작업시간을 단축할 수 운영계획의 예측을 통해서 반도체의 장비의 기술적인 경쟁력을 확보 할 수 있다. 또한 양산 이후 장비의 실시간 모니터링을 통해서 수집된 데이터의 분석을 통해서 좀더 효율적인 운영개선을 할 수 있다. 그림 9. 는 DMWORKS 을 이용한 PC Based Controller 기반 자동화 장비를 효율적 운영을 위한 스마트 모니터링 및 시뮬레이션 기술 적용 예이다. 이는 디지털 트윈 3레벨 기술에 해당된다.
조선소 스마트 가상설비 및 공장 구축/검증/모니터링/제어 기술개발 필요
조선산업의 경우 작업의 특성상 로봇과 같은 자동화 장비의 적용을 통한 스마트 조선소 구축기술에 대한 필요성은 강조되고 있으나 아직 다른 산업분야와 다르게 이러한 기술의 적용한 어려움이 있는 상태이다. 그러나, 조선산업의 생산성, 경제성 경쟁력을 확보하기 위해서는 이러한 기술의 적용은 필수적인 상태이다.
DMWORKS 는 선박 건조 CPPS(Cyber Physical Production System) 및 디지털 트윈 야드를 구축할 수 있는 플랫폼을 제공할 수 있도록 국내 로봇제조사 및 조선소와 기술협력을 진행 중에 있다. 아직은 시작단계 이지만 상기와 같은 기존 기반 및 응용기술을 활용하여 디지털트윈 기반의 가상 설비 및 공장의 구축을 통해서 신규 선박의 생산을 위한 생산계획, 기존의 설비/공정/공장의 개선, 다양한 자동화 설비에 대한 작업프로그램 생성/제어 및 모니터링 등 조선소 생산 및 운영 최적화를 위한 가상생산 플랫폼 기술을 개발 지원 할 계획이다.