공작기계와 CNC 시스템

공작기계의 정의

공작기계란 기계를 만드는 데에 활용되는 기계로, 영어로는 ‘Mother Machine’이라고도 불린다. 공작기계는 일반 기계 산업뿐만 아니라 자동차, 조선, 우주항공, IT, 반도체 디스플레이 등과 같은 다양한 수요 산업에서도 활용되어 제품의 품질에 큰 영향을 미친다.

이로 인해 공작기계를 생산하는 공작기계 산업이 전 산업 분야의 발전에 있어서 중요한 역할을 하는 동시에 한 국가의 산업 수준을 평가할 수 있는 중요한 척도의 의미를 가지고 있다고 할 수 있다공작기계 산업의 주도권을 확보하기 위한 국가들 간의 경쟁도 치열하게 전개되고 있는데, 독일, 일본, 미국 등의 선진국을 비롯해 후발국인 중국, 인도, 러시아 등에서도 공작기계 첨단 기술 확보와 기술 선점을 위한 기술개발 자금 및 인력양성과 같은 투자가 계속해서 이뤄지고 있다.

한편, 미국의 John T. Parsons 박사가 1952년에 발명한 CNC 공작기계는 컴퓨터 기술의 발전과 함께 지금까지 급속한 발전을 거듭해 왔다. 이로 인해 CNC 공작기계는 ‘CNC 선반, 머시닝센터, CNC 연삭기, 동시 5축 제어 머시닝센터, 복합가공기’ 등에 이르기까지 다양한 기능 및 성능을 보유하고 있는 공작기계로 발전하게 되었고 수요 산업의 국제 경쟁력 제고에도 상당 부분 기여했다.

CNC 시스템의 개요

CNC 시스템이란 일반적으로 ‘수치제어장치’를 의미하며, 수치 입력 정보를 처리해 공작기계의 위치와 속도, 스핀들 회전 등과 같은 기능을 자동으로 제어하는 방법을 NC(Numeric Control)라고 하고, NC에 마이크로 컴퓨터가 내장된 NC 컨트롤러를 CNC(Computerized Numeric Controller, 컴퓨터 수치 컨트롤러)라고 칭한다. CNC 시스템은 ‘CNC 장치, 서보·스핀들 모터 및 드라이브’로 구성되어 있는데, 이들 기기 간의 상호 보환성이 구동에 영향을 미친다.

CNC 시스템은 CNC 공작 기계의 두뇌 역할을 하는 CNC 선반, 머시닝센터, CNC 연삭기 등에 적용되는 핵심 요소로 공작기계 성능에 있어 매우 중요하다. 이 같은 CNC 시스템(서보·스핀들 모터, 드라이브 포함)은 CNC 공작기계 제조원가의 약 25~35%를 차지하고 있어 공작기계의 가격 경쟁력을 좌우하는 핵심 부품으로도 꼽히고 있다. 이 때문에 공작기계 선진국들은 CNC 고유 기술 자체 보유와 상용화를 통해 공작기계 기술 경쟁력과 가격 경쟁력을 동시에 확보하기 위해 힘쓰고 있다.

CNC 시스템의 특성

CNC 시스템은 ‘선반, 밀링머신, 머시닝센터, 다기능 복합가공기, 방전가공기, 레이저가공기’ 등과 같은 공작기계의 동작을 가공 프로그램을 통해 생성시키고 구동 및 정밀 이송 제어 또한 수행한다.이러한 특성은 CNC 시스템이 원하는 형상을 자유롭게 가공하는 일련의 소프트웨어 및 하드웨어로 구성되어 있는 제어 장치 시스템임을 의미한다.

CNC 시스템의 구성 요소

CNC 시스템은 크게 NCK(Numerical Control Kernel, 수치 제어 커널), HMI(Human Machine Interface, 인간 기계 상호작용), PLC(Programmable Logic Controller, 프로그래밍 가능 로직 컨트롤러)를 포함하고 있는 CNC(Computer Numerical Control, 컴퓨터 수치 제어)부와 서보 드라이브 및 모터, 스핀들 드라이브 및 모터로 나뉘어 구성되어 있다.

이 중 CNC는 코드화된 데이터를 포함하는 가공 프로그램(NC 파트 프로그램)을 통해 공작기계의 기능과 모션을 제어하는 고부가가치 장치이며, 공작물 또는 공구의 모션, 피드, 절삭 깊이, 속도와 같은 입력 파라미터(매개변수), 스핀들 모터와 절삭유의 작동 및 정지 기능을 제어한다.

NCK는 CNC의 핵심 부분으로, 사용자가 작성한 가공 프로그램을 해석해 축 동작 명령으로 변환시키고, 위치 제어, 오차보상 등을 수행함으로써 서보 시스템을 제어해 공작물 가공이 이뤄지도록 지원한다. HMI의 경우 기계(제어기)와 작업자 간의 상호작용이 원활하게 이뤄지도록 조정하는 인터페이스로, 기계 조작 명령, 기계 상태의 화면 표시, 가공 프로그램 작성, 외부와의 통신 등을 수행한다.

PLC는 공구 및 공작물의 교환 제어와 기계 입출력 신호처리 등과 같은 시퀀스 제어를 담당하며, 축 동작을 제외한 각종 보조적인 기계 동작을 제어한다. 서보 모터 및 드라이브는 CNC의 지령에 따라 공작기계의 축이 정확한 위치로 이송되도록 하는 역할을 수행하는 장치이며, 스핀들 모터 및 드라이브는 공작물 또는 공구를 정·역방향으로 회전시키고, 회전 속도를 제어해 절삭에 필요한 동력을 공급한다.

CNC 시스템의 중요성

CNC 공작기계 완제품에서 CNC 시스템이 차지하는 비중은 가격을 기준으로 했을 때 약 25~35% 정도이다. 이는 공작기계 원가에서 차지하는 여러 요소들 중에서 가장 높은 비중을 차지하고 있는 것인데, 이러한 CNC 시스템은 공작기계 성능 면에서도 큰 영향력을 지니고 있다.

일본, 독일 등의 국가들은 40여 년간 CNC 시스템 기술 개발을 추진해 왔고, 그 결과로서 상용화된 글로벌 대표 업체들을 보유하게 되었다. 하지만 한국은 1980년대 초부터 개발을 시작해 30여 년이 지난 현재까지 다양한 연구진행과 개발 성과에도 불구하고 정상적인 상품화 단계까지 도달하지 못했기 때문에 양산 체제가 부재한 상황에 놓여있다.

한국이 2020년에 세계 생산 4위에 도달하기 위해서는 CNC 시스템의 꾸준한 기술 개발과 업그레이드를 통해 제품을 개발하고 양산할 수 있는 수준의 기술력을 갖춰야만 한다. 한편, CNC 기술은 독일, 일본, 스페인, 미국 등의 소수 선진국들만이 보유하고 있는 핵심 제어 기술인데, 이로 인해 기술 제휴 및 기술 이전이 원천적으로 불가능하다.

그렇기에 국가 또는 업체가 독자적으로 기술을 확보하지 않고서는 기술을 습득하기가 매우 어렵다. 이와 같은 특성을 지니고 있는 CNC 시스템은 전기, 전자, 소프트웨어 기술이 포함된 종합 메카트로닉스 제품인데, 이 때문에 제품 국산화를 위한 다양한 요소 기술 개발이 반드시 필요하다.

만약 CNC 시스템 국산화를 뒷받침할 수 있는 기술이 개발된다면, CNC 시스템을 통해 IT, 전자, 광학, 기계 산업 등의 다양한 분야에서 정밀 제어를 필요로 하는 생산제조시스템을 국산화하는 것 역시도 가능해질 것이다.

자료제공 | 한국산업기술진흥원(www.mctnet.org)