CNC (Computer numerical control)는 공작기계를 제어하는 핵심 기술이다. CNC는 공작기계가 신속하고 정밀하게 가공할 수 있도록 경로를 생성하여야 한다. 또한 생성된 가공 경로를 정밀하게 추종하기 위하여 공작기계를 정확하게 제어하여야 한다. 더 나아가 가공 품질, 가공 시간, 에너지 소비량 등을 고속으로 예측하고 최적화하여 정밀도와 생산성을 극대화하는 역할을 수행하여야 한다. 본 연구실에서는 미래 공장에서 요구되는 지능적인 공작기계 제어기 요소 기술 연구와 이를 적용한 시스템 설계와 제작을 수행하고 있다.

• Tool path generation for high-speed & high-accuracy machining
• Machine tool precision control

• Cyber-physical system for precision machining

Tool path generation for high-speed & high-accuracy machining

공작기계를 위한 고속 및 고정밀 가공을 위한 경로 생성 알고리즘을 연구하고 있다. 공작기계의 동적, 구조적 특성 등을 고려하여 기계가 정밀하게 추종할 수 있는 경로를 생성하는 연구를 수행한다. 또한 요구되는 가공 공차를 만족시키면서도 고속 가공이 가능한 경로를 생성하는 연구를 수행한다.

Machine tool precision control

공작기계의 정밀도를 향상시키기 위한 제어 기법을 연구하고 있다. 공작기계 이송계의 동적 특성을 파악하기 위하여 질량, 마찰력 등을 고속으로 식별하는 연구를 수행한다. 또한 식별된 공작기계 모델을 활용하여 위치 오차, 윤곽 오차를 억제하는 제어기를 연구한다.

Cyber-physical system for precision machining

공작기계의 정밀도와 생산성을 극대화하기 위하여, 공작기계의 특성을 모사하는 가상의 시스템인 디지털 트윈을 연구하고 있다. 또한 실제 공작기계와 이의 디지털 트윈을 연동한 사이버-물리 시스템을 제작하여 가공 시간 고속 예측, CNC 파라미터 최적화, 충돌 방지, 제어 특성 및 에너지 소비량 고속 예측 및 최적화, 가공 공정 시각화, 잔존 수명 예측 등을 연구한다. 또한 현장에서의 디지털 트윈의 용이한 제작을 위한 시스템 자동 모델링 기술을 연구하고 있다.

4차 산업혁명의 시대가 도래함으로써 자동화 공장을 구현하기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다. 이 중 필수 요소 기술의 하나로 꼽히는 것이 산업용 로봇이며, 이와 함께 로봇 가공에 대한 연구가 세계적인 주목을 받고 있다. 로봇은 기존의 공작기계에 비해 넓고 효율적인 공간 활용이 가능하며, 높은 자유도를 지녀 다양한 위치에서의 가공이 가능하여, 형상의 제약 없이 어떠한 복잡한 형상의 제품도 가공해 낼 수 있는 미래형 생산 시스템의 열쇠가 된다. 그러나 현재 수준보다 더욱 높은 위치정밀도와 강성이 요구되어 이에 대한 연구를 진행중이다.

• Machining error compensation with stiffness model
• Kinematic parameter identification
• Precise control for robot machining

Machining error compensation with stiffness model

로봇은 기존 공작기계에 비해 강성이 매우 낮아 가공 중 큰 가공오차가 발생한다. 강성에 의한 가공 오차는 로봇의 링크나 각 축의 감속기 등이 휘면서 발생하는 것으로 측정이 매우 어렵다. 따라서 로봇 강성 모델을 이용하여 가공력에 의한 가공오차를 예측하고 보정하는 연구를 진행하고 있다. 힘/토크의 측정이 가능한 6자유도 센서를 이용하여 가공 시의 가공력을 측정하고, 측정된 가공력과 강성 모델을 이용하여 가공 오차를 예측 및 보정함으로써 가공 정밀도의 향상을 목표로 한다.

Kinematic parameter identification

산업용 로봇은 링크와 축으로 구성되며, 각 링크의 길이, 축 간의 거리 및 기울기 등의 기하학적 파라미터를 통해 로봇의 끝 단의 위치가 계산이 된다. 따라서 기하학적 파라미터의 오차는 로봇 끝단에서 큰 위치오차를 발생시켜 가공 정밀도의 저하를 초래한다. 이를 해결하기 위해 본 연구실에서는 정밀 위치 측정기인 레이저 트래커를 이용하여 로봇 위치를 정밀하게 측정할 수 있는 시스템을 구축하였다. 지령 위치와 측정된 실제 위치를 비교하고, 그 오차를 줄임으로써 정확한 기하학적 파라미터를 식별하는 연구를 수행하고 있다.

Precise control for robot machining

로봇 가공 시 기하학적 파라미터의 오차, 가공력에 의한 변형 오차, 열변위에 의한 오차 등 다양한 원인에 의해 큰 위치오차가 발생한다. 따라서 다양한 방법으로 위치 오차를 예측하고, 기존의 위치경로에 보상함으로써 가공 정밀도를 향상시킬 수 있다. 그러나 상용 로봇 제어기의 제어 알고리즘을 수정하는 것은 제조사에 의해 제한된다. 따라서 본 연구실에서는 위치 제어기에 보상 값을 입력할 수 있도록 별도의 시스템을 구축하였으며, 로봇의 위치를 측정할 수 있는 장비인 레이저 트래커와 연동하여 위치 오차를 계산 및 보상하는 연구를 수행하고 있다.

공장과 인간이 유연하게 상호작용하기 위해서는 기계 장비를 다루는 작업자에게 직관성, 효율성, 정확성, 안전성을 갖춘 시스템이 필요하며, 이 시스템은 공장과 작업자 사이의 다리 역할을 한다. 본 연구실에서는 다음과 같은 다양한 시스템 개발 및 구축을 통해 효율적이고 직관적인 공장-사용자 상호 작용 환경 연구를 수행하고 있다.

• Human – Machine Interface for Multipurpose
• Human – Machine Interface Using Computer Vision
• VR (Virtual Reality) Based Teleoperation

Human-Machine Interface for Multipurpose

HMI (Human-Machine Interface)란 인간과 기계의 상호작용의 약자로 사용자에게 기기, 프로그램, 시스템 등과의 통신을 가능하게 해주는 대시보드이다. 본 연구실에서는 GUI (Graphical User Interface) 기반 HMI를 개발하여, 기존에 고숙련 작업자들만 가능했던 기계 장비 작업을 용이하게 하며, 사용자 친화적인 인간-기계 상호 환경을 구축하고자 한다. 이를 위하여 자체 개발한 CNC (Computerized Numerical Control) 제어 프로그램, 가공 공정 모니터링 및 최적화 프로그램, 로봇 제어 프로그램이 적용된 HMI 연구 개발을 진행하고 있다.

Human-Machine Interface Using Computer Vision

다양한 기계를 한 명의 작업자가 효율적으로 관리하고 다루기 위하여 Computer vision을 활용한 HMI 시스템을 연구하고 있다. 카메라를 통해 사용자 눈을 추적하여 시선을 계산하고 사용자의 시점에 맞추어 스마트 안경이나 투명 디스플레이에 정보를 투영함으로써 직관적인 정보를 전달하는 기술을 연구 중에 있다. 또한, 스마트 안경의 카메라를 통해 사용자의 손과 다른 사람의 손을 구분하여 다른 사람의 기계 조작으로 인한 사고를 방지하는 연구도 수행하고 있다.

VR (Virtual Reality) Based Teleoperation

Teleoperation이란 기계나 시스템을 원거리에서 조작하는 것을 의미한다. 사람에 의한 teleoperation은 사람의 정교함, 숙련도, 배경에 대한 높은 지식을 로봇에 적용시킬 수 있다는 점에서 연구가 필요하며 여러 teleoperation 방법들 중, 본 연구실은 VR기기를 이용한 teleoperation을 통해 가상현실 내에 로봇 모델을 삽입하여 이를 통해 실제 로봇을 사용자가 조작하고 모니터링할 수 있는 시스템을 개발하였다. 이를 통하여 3D로 이루어진 세상을 2D interface로 연결하여 조작하는 기존 teleoperation의 한계를 사용자의 몰입감, 조작의 직관성 측면에서 개선하고자 한다. 나아가 해당 시스템을 이용하여 사용자에게 시점의 자유를 주며, 더 정밀하고 자연스러운 로봇의 움직임을 구현하는 연구를 미국 퍼듀대학교와 활발하게 교류하며 공동으로 수행하고 있다.

최근 산업에서 우수한 기계적, 화학적 성질로 사용이 증가하고 있는 탄소섬유복합재, 티타늄 합금 등과 같은 재료는 기계적 가공이 어려워 난삭재 (difficult-to-cut material)라 불린다. 본 연구실에선 이러한 난삭재들의 무결점 가공을 목표로 가공 시 발생하는 현상을 수학적으로 모델링하고 이를 바탕으로 가공 품질 및 산업에서의 생산성을 증가시키기 위한 연구를 수행하고 있다.

• Composite material machining
• Ti alloy machining
• Glassy carbon machining

Composite material machining

CFRP (탄소섬유복합재, Carbon fiber reinforced plastic)는 일반 금속에 비해 무게 대비 강도가 높기에 차량, 항공기 등 차세대 산업용 구조재로 각광받는 재료이다. 하지만 고경도의 탄소섬유와 이방성의 성질로 인해 드릴링, 밀링과 같은 기계가공 시 박리 및 섬유 뜯김과 같은 결함이 쉽게 발생한다. 따라서 무결점 가공 구현을 목표로 절삭 시 재료의 기계적 거동에 기반한 고품질 가공 모델을 제시하는 연구를 수행하고 있다. 이를 바탕으로 실제 산업에서 고품질 복합재 가공을 위한 어플리케이션 S/W 개발을 수행하고 있다. 또한 미국의 퍼듀대학교와 공동으로 복합재 가공관련 연구를 활발히 수행하고 있으며 이를 위해 최근 관련 연구자를 직접 파견한 바 있다.

Ti alloy machining

티타늄합금은 우수한 기계적 특징으로 인해 항공기, 우주선, 의학 장비 등 다양한 분야에서의 사용이 증가하고 있는 소재이다. 하지만 가공 중 고온이 발생하여 가공 칩이 공구에 점착되고 재료의 상변이도 발생하여 공구마모 증가 및 가공 품질 저하를 야기한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 액화질소를 이용한 극저온 간접 냉각 가공 방식을 제안 및 가공 특성에 대한 연구를 수행하고 있다.

Glassy carbon machining

GC는 높은 경도와 화학적 안정성을 가진 전도성 소재로 배터리 및 렌즈 몰드 분야에서의 많은 수요가 기대되는 재료이다. 하지만 가공시의 깨짐 현상에 의해 우수한 표면 품질의 가공물을 얻기 위해서는 이온빔 가공과 같은 고비용 및 저속의 방법으로 주로 가공하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 전기화학적 산화 가공법을 이용하여 우수한 표면 품질을 유지하며 빠른 가공이 가능한 연구를 하였으며 보다 높은 가공 효율을 위해 Elliptical vibration cutting method (EVC)를 응용한 연구를 수행하고 있다.