시바우라기계(주)에서는 세계 최대급의 초대형 플라노밀러 MPA-70265 그림 1 (a)를 비롯해 여러 가지 대형 기계를 제작하고 있다. 초대형 기계는 수주 생산이므로 그 활용법을 기계 납입 후에 고민하거나 검토하거나 하는 것이 아니라, 일반적인 공작기계(문형 머시닝센터 MPF-2614FS 그림 1 (b))와는 거래할 때의 사고부터 다르다.

 

그러면 초대형 공작기계는 무엇이 다른가 하면 기본적으로 특정 업종의 워크, 경우에 따라서는 1종류의 워크 특정 부위를 가공하기 위해 제조되는 전용기이다. 그 대상이 되는 워크는 어떠한 특징을 가지고 있다. 기본적으로 다음의 어느 한 개 또는 여러 개에 해당된다. ①크다 ②무겁다 ③(보통 기계로는) 가공이 어렵다 또는 효율이 나쁘다. 그렇기 때문에 초대형 공작기계는 그러한 모든 문제를 해결해 고도 활용하는 것을 전제로 제작된다. 그렇지 않으면 제작에 1년 5개월～2년, 유저와의 협의를 기초로 기본 구상에서부터 기간을 생각하면 3～4년 이상, 실제 기계의 가동까지라면 5년은 시간이 걸리는 기계를 제작하는 것은 엄두도 낼 수 없다. 보통의 생산 기술자라면 공정을 생각하고 제조하는 기계의 유무를 검토해 없다면 외주를 낸다. 더구나 세상에 없기 때문에 초대형 공작기계의 도입을 계획하는 것이다.

그렇기 때문에 우선 특정 워크를 어떻게 가공할지, 효율적으로 가공할 수 있을지에 대해 초기 구상을 유저와 실시한다. 여기서 적어도 상각을 생각하면 앞으로 수십 년 이상이 지나도 최첨단으로 활용할 수 있는 것을 생각해야 한다. 

예를 들면 앞에서 초대형 공작기계는 고유의 부품가공을 전제로 한 전용기라고 했는데, 실제 구조는 문형기나 보링반 등 보다 소형인 공작기계의 각 구조체를 대형화시킨 것이 많다. 이렇게 만드는 이유는 만들기 쉽다거나 혹은 실적만을 고려해서는 아니고, 가능한 한 범용성을 갖게 하기 위한 것도 이유 중 하나이다.

또한, 초기 구상에서는 정도나 생산성을 확보하기 위한 가공 검토가 가장 중요한데, 최근에는 가공 검토에 맞춰 메인티넌스성이나 가공 전 세팅 등 가공 이외의 검토를 요구받기도 한다.

최근의 초대형 공작기계 거래 유저와의 협의에서는 가공이 가능한 것을 전제로 이야기하는 경우가 많다. 이것은 기계의 갱신 수요라는 면도 있는데, 전후 약 80년 동안 대형 공작기계의 실적이 많이 생겨났기 때문으로 대형 공작기계 자체에 더해 대형 부품가공을 본 적이 있는 유저가 많아진 것도 이유로서 들 수 있다. 또한, 저출산 고령화 사회의 확대에 따라 현실적으로 기술자 부족에 의한 생력화나 휴먼 에러 방지에 중점을 두는 것이 반드시 필요해졌다.

여기서 생력화, 휴먼 에러 방지에 대해 생각해 본다. 범용 공작기계에서 기술 혁신이 현저한 오늘날, 경쟁 타사도 포함해 로봇 활용이나 공작기계 간의 워크 자동 반송 등을 사례와 함께 들 수 있다. 하지만 대형 공작기계의 경우에는 그렇게 되지 않는다.

예를 들면 범용 로봇은 대형 워크(수십 톤)의 자동 반송에는 물론 사용할 수 없다. 자동 공구 교환(ATC, Auto Tool Changer) 용도라면 사용할 수 있을지 모른다. 그러나 범용적인 툴 체인저를 사용하는 편이 교환 시간도 짧고 코스트도 들지 않는다. 세팅 지원 목적으로는 워크가 크면 클수록 현실적으로 로봇을 활용하는 장점이 현재로서는 크지 않다.

 

초대형 공작기계에서 가공 워크는 거대하고 질량이 크다. 워크를 움직이기보다도 공작기계 쪽을 움직이는 편이 고정도 가공이 되는 경우가 있을 정도로 그 질량이 크다. 여기서 워크 자동 교환 장치(AWC, Automatic Workpiece Changer)를 부속할 수는 없는가 하고 묻는다면 그렇지는 않다. 실제로 알루미늄 대형 부품으로, AWC를 실시한 사례(그림 2)는 존재한다. 그림 2에서는 세팅과 절삭분 배출의 양립을 목표로 해서 세팅 시에는 팰릿을 수평 상태로 작업할 수 있고, AWC 장치에 의해 기울어져 반입된다(그림 3). 가공 시에는 워크를 세워 절삭할 수 있기 때문에 절삭분 배출이 우수하다. 단, 그림 1 (a)와 같은 워크를 AWC하려고 생각하면 많은 코스트와 노력을 지불하게 된다.

이와 같이 ‘크다’는 것은 그만큼 생력화·자동화가 어려운 것이다. 소수 분야로 대형이라는 것만으로 코스트도 그렇지만, 제조 장소나 제조 시간 등이 많이 소요되어 시제작도 어렵고 판매 모수 자체가 많지 않기 때문에 구성 기기 메이커(전자기기․직동 부품 등)도 적극적으로 참여할 수 없는 면도 있다.

 

활용 방법 사례

 

초대형 공작기계의 활용 방법으로서 현실적인 대응은 어떠한 것이 있는가. 이하를 예로 들어 소개한다.

 

1. BT 50, BT 60 겸용 대응 ATC 장치
초대형 워크는 그 크기 때문에 세팅 시간이 많이 소요되고, 한번 세팅을 전환하면 가공 정도도 보장하는 것이 어려우므로 여러 번 세팅 전환을 하는 것은 불가능하다. 그렇기 때문에 거친 가공에서 다듬질가공까지 한 번의 세팅으로 실시한다. 초대형 공작기계라도 범용의 공작기계의 예와 마찬가지로 주축은 한 계통밖에 없다. 그렇기 때문에 거친 가공용, 다듬질가공용으로 효율적인 공구 섕크가 다른 경우에는 어태치먼트를 제작해 거친 가공에서 다듬질가공까지 한 번에 가공할 수 있게 한다.

선박용 디젤 엔진의 프레임과 플레이트의 가공 검토에서 각종 어태치먼트를 검토한 사례를 그림 4에 나타냈다. 각종 어태치먼트는 자동 어태치먼트 교환 장치(AAC, Automatic Attachment Changer)에 의해 자동 교환된다. AAC도 많은 어태치먼트를 가지고 있는 초대형 공작기계에서는 중요한 생력화 기법의 하나이다.

 

여기서 사용하는 어태치먼트는 용도·조건에 따라 주축의 섕크 사이즈가 다른 경우가 있다. 그러면 어태치먼트 교환 후 ATC는 어떻게 할까. 물론 ATC 장치도 2종류의 사이즈가 다른 공구에 대응한다. 여러 개 있는 포트에서 특정 포트를 BT 60 전용 포트로 해서 교환할 수 있게 하고 있다. 사용하는 종류가 몇 개라고 해도 수동으로 교환하기에는 노력과 시간이 들게 된다. 그것을 특정 포트라고 해도 하나의 매거진, 체인저로 교환할 수 있는 것은 유저의 대폭적인 공수 절감·생력화에 공헌할 수 있는 것이다(그림 5).

 

2. 분할 주축 구조
공작기계에서 절삭력이 어떻게 걸리고, 어느 부분에 손상이 축적되는지는 초대형 공작기계에서도 중요한 개념이다. 오히려 기본적으로 구성 부품 하나하나가 특주품인 것도 박차를 가해 보수의 개념은 중요시된다. 특히 주축머리 구성 부품은 절삭력을 메인으로 받는 부분이다. 절삭력 이외에도 휴먼 에러로 워크나 지그에 충돌한 경우, 타흔이 생기거나 하므로 중요 부품이면서 손상되기 쉬운 부품이다.

그래서 초대형 공작기계의 램 주축머리에서는 램 내의 주축을 분할한 구조를 취한다. 이 구조는 현재의 5축 헤드를 비롯한 주축의 카트리지 방식(주축 부분을 유닛화해 교환할 수 있게 한 방식)과 같이 주축의 고장 시에 신속하게 원상 복귀하고, 또한 전품 교환보다는 코스트 다운을 도모할 수 있는 장점이 있다.

물론 제조 면이나 운반 면에서 동사로서도 분할할 수밖에 없는 이유가 있다. 운송기의 적재에 제한이 있고 길이가 긴 부품일수록 가공기가 존재하지 않는(어려운) 경우도 있기 때문에 어쨌든 주축을 분할할 필요가 있다. 그래서 시바우라기계(주)는 그림 6과 같이 주축을 램 앞면에서 뽑아낼 수 있는 기계 구조로 함으로써 유저에게도 장점이 있는 기계 구성으로 하고 있다.

 

소형 공작기계와 달리 초대형 공작기계에서는 보수 부품의 수요가 높지만, 빈번하게 수주하는 것이 아니라 개별 안건의 특주품이기 때문에 제작 중인 제품이나 재고를 가지고 있는 경우가 드물다. 그렇기 때문에 거래 협의 시에는 우선 주요 메인티넌스 부품의 구입을 권장하는 것이 기본적인 개념이다.

 

설계의 주의점

 

대형 기계의 활용 방법 사례를 들었는데, 실제 설계는 어떻게 진행되는지 알아보자. 설계 시에 중요한 주의점이라고 하면, 다른 공작기계와 달리 정지 리스크(다운타임 리스크)나 ‘온갖 수단을 다 쓰는’ 리스크를 극한까지 배제하도록 생각한다. 일반적인 공작기계는 고장이 나도 그 공작기계를 수주 생산품으로 제작하고 있지 않는 한, 구조체의 부품은 재고품으로 가지고 있는 경우가 많다.

한편 초대형 공작기계는 수주 생산하기 때문에 재고가 있는 경우가 드물다. 또한, 신규 설계(구상)가 채용되어 있는 경우가 많아 신규 기구를 사용할 수밖에 없는 경우가 많다. 그러나 신규 기구는 얻었다고 해도 불량이 발생할 가능성은 높다. 일반적인 소형 부품 등의 개발품이라면 정말로 최악의 경우 시제작으로 끝나는 것이 가능하다. 물론 시제작 이전에 검증을 거듭했을 것이기 때문에 어떤 단계에서 중지하는 것이 충분히 가능하다.

그러나 초대형 공작기계는 수주 제작품이기 때문에 유저 납기의 관계상 구조 부품 중에서도 장납기품은 모든 설계가 종료하지 않은 단계에서 발주하는 경우가 있다. 이 발주 시에 설계는 발주 부품에서 문제가 생기는 경우 무엇이 문제로 불량이 발생하는가, 문제가 된 경우 무엇이 발생하고 그 개선책은 있는가를 한계까지 가정한다. 새로운 기구의 채용에 있어서도 플랜 A가 잘 진행되지 않을 때는 플랜 B로 대체하는 것이 가능한 구조로 한다는 의미가 포함된 설계가 필요하다.

그렇기 때문에 초대형 공작기계의 설계에는 ①상상력 ②문제에 대한 대응력(해결력)의 2가지가 요구된다. 물론 기술적인 지식은 필요하지만 그것은 기술자로서의 최저 조건으로, 대형 공작기계의 설계자는 생산 기술과 각종 제조법에 대한 보다 깊은 조예가 일반적인 기술자 이상으로 필요하다. 그러한 지식에서 파생되는 세팅 검토나 문제 사상의 상상(가정)이 가능한 것도 보통의 기술자와는 다르게 요구된다.

 

앞으로의 초대형 공작기계를 위해

 

대형 공작기계는 10년 이상에 걸쳐 활용될 것이라고 앞에서 말했는데, 그 한편으로 최근 DX(Digital Transformation)이나 그중의 IoT(Internet of Things)의 발전이 현저하다. 각종 디지털 기술은 2000년대부터 기업이 상업적인 서비스를 시작, 2010년대 스마트폰의 폭발적인 보급과 함께 일상생활에 없어서는 안 되는 기술이 됐다. 오늘날에는 특정 분야로 특화된 전문 기술자나 메이커를 위해 존재하는 툴은 아니다.

공작기계도 예외 없이 시대의 흐름과 함께 인터넷이나 AI 활용 등 다양한 DX 사례가 각사에서 발표되어 하루가 다르게 발전하고 있는 기술이다.

그것은 초대형 공작기계의 경우, 특히 현저하게 요구되어 왔다. 앞에서 말했듯이 장납기품이 많고 대체기가 없는 초대형 기계에서는 다운타임 리스크가 다른 공작기계보다 크기 때문에 주로 보전 관계이다. 이에 시바우라기계(주)의 경우, 공장의 대형 공작기계에서는 현재 ‘ViSCAS-S(Vibration Sensor data Collection and Analysis System-Simple edition)’이라는 IOT 기능을 개발 중이다. 

기계는 경년 열화에 의해 고장이 난다. 여기서 기계가 고장이 나는 전조로서 기계음이 커졌다(이전과 다르다) 등이 있다. 소리라는 것은 진동이 공기 중을 전파하기 때문에 발생한다. 요컨대 진동의 변화가 기계의 이상을 전달하는 징조가 될 수 있다. 이것으로부터 시바우라기계(주)에서는 독자 센서(TM 스마트 센서)를 이용해 진동을 지속적으로 관측하는 것에 의한 예지 보전에 대응하고 있다.

기계의 기구부에 설치한 TM 스마트 센서로 진동 파형을 계측, 정상 시의 파형을 축적해 기계학습(AI 기법)으로 분석(모델링)한다. 모델링 완료 후 계측한 진동 파형과 모델링 데이터가 AI 기법에 의해 데이터가 비교되어 기계의 고장 징조를 진단한다. 이것에 의해 기계의 예상 외의 정지를 피할 수 있다(그림 7).

 

기계의 예상 외의 정지는 다운타임 리스크가 될 뿐만 아니라, 가공하고 있는 워크의 손상이나 지그 등에 대한 충돌로도 이어질 가능성이 있어 기계나 제품에 막대한 피해를 가져온다. 이것을 방지하게 됨으로써 지금까지라면 돌발 정지 후에 대응할 수밖에 없었던 기계 수리를 계획적으로 실시할 수 있다. 이것을 실시하고 있는 예로서 시바우라기계(주) 누마즈 공장의 대형 플라노밀러 MPB-3580(그림 8)에는 기어박스, 모터를 비롯한 십여 개 부위에 TM 스마트 센서를 설치해 실제 기계 시험을 하고 있다.

 

 

초대형 공작기계의 활용

 

초대형 공작기계는 유저에 따라 여러 종류로 다양하며, 무엇을 중시하는지, 얼마나 미래를 고려했는지에 따라 납입 후에 충분히 활용되는지가 결정된다. 매일 사용하고 시바우라기계(주) 이상으로 가공되는 워크에 대해 생산 효율을 높이는 법을 알고 있는 것은 유저 자신이다. 그렇기 때문에 도입 검토를 할 때에는 유저가 가장 중시하고 있는 설비 계획의 목적을 공유하는 것이 필수이다.

한편 시바우라기계(주)로서도 그 개념에 입각한 제안이 가능하도록 연구 개발을 진행해 둘 필요가 있다. 일반적인 공작기계와는 다른 효율화·생력화의 기법 제안이 필요한 초대형 공작기계에서는 앞으로도 시바우라기계(주)의 노하우와 신규 개발 기술을 구사해 유저와 협력하면서 보다 좋은 활용법을 위해 노력해 갈 것이다.