미래의 Airbus 공장을 위한 스마트 툴 개발하기

Sébastien Boria, Airbus

"여러 가지 SOM (System on module)과 임베디드 SBC (single-board computer)를 검토했지만 NI가 제공하는 통합 소프트웨어와 비교할 수는 없었습니다. NI SOM을 사용하면 타사 제품에 비해 개발 시간을 1/10로 줄일 수 있을 것이라 추산했습니다. NI가 시스템 설계, 특히 NI Linux Real-Time 및 LabVIEW FPGA에 접근하는 방식이 생산성 향상에 큰 도움이 되기 때문입니다."

- Sébastien Boria, Airbus

과제

항공기의 제작과 조립에는 수만 개의 단계가 필요하며, 그 과정에서 단 하나의 실수만 발생하더라도 수정하는데 엄청난 비용이 낭비되기 때문에 반드시 에러를 최소한으로 줄여야 합니다.

솔루션

스마트 툴과 생산 시스템을 도입하면 작업자가 수행하는 작업을 보다 원활하게 관리하고 확인할 수 있어 제작 과정이 단순화되고 효율성이 향상됩니다. NI의 System on Module과 시스템 설계 방식을 활용하면 이러한 스마트 툴의 프로토타입을 신속하게 제작할 수 있게 됩니다.

 

오늘날 항공우주 기업의 생산 현장은 과거의 시끄럽고 복잡한 공장과는 거리가 멉니다. 현대의 생산 시설에는 최신 기술, 설계 및 장비를 동원하여 체계적이고 효율적인 생산 시스템이 구축되어 있습니다. 그렇다면 미래는 어떨까요? Airbus는 첨단 기술을 활용하여 아직까지는 수동 작업이 주류를 이루고 있는 생산 과정의 경쟁력을 향상시키기 위해 연구 프로젝트를 진행하고 있습니다.

 

가상 물리 시스템(Cyber-physical system)과 빅 아날로그 데이터를 활용하면 작업자와 머신이 하나의 물리적 환경에서 협업할 수 있는 스마트 생산 시스템을 구축할 수 있습니다. 또한 미래의 공장에서는 상용 모듈을 기반으로 한 고도의 모듈형 플랫폼을 광범위하게 활용하게 될 것입니다. 미래의 공장에서 효율성 향상에 핵심적인 역할을 담당하게 될 요소 중 하나는 스마트 툴입니다. 이러한 스마트 장비는 상황을 파악하고 네트워크 분산 지능을 기반으로 하여 실시간 의사결정을 내려야 할 경우에만 메인 인프라 또는 작업자나 다른 툴과 통신하도록 설계되어 있습니다.

 

생산 시설에서 스마트 툴을 사용하면 물리적 데이터 로그와 매뉴얼을 사용할 필요가 없으므로 생산 과정이 단순화되고 효율성이 향상됩니다. 작업자는 양손으로 필요한 툴을 다루면서 담당 작업에 집중해야 합니다. "종이를 사용하지 않는 업무 처리"를 표방한 기존의 프로젝트들은 대부분 "문서를 줄이거나" 문서를 태블릿으로 대체하는데 초점을 맞추었을 뿐, "수동적 데이터"를 소비한다는 점은 변하지 않았습니다. 그러나 스마트 툴은 "상황에 따른 데이터", 즉 "라이브 데이터"를 끊임없이 생성하고 소비합니다.

 

항공기 제작을 위해서는 수만 개에 달하는 단계가 필요하며 작업자는 품질을 확보하기 위해 수많은 확인 작업을 수행해야 합니다. 시스템에 지능을 도입한 스마트 툴을 사용하면 작업자가 다음에 수행해야 하는 작업을 파악하여 자동으로 설정이 변경되므로 작업이 훨씬 수월해집니다. 또한 스마트 툴은 일단 작업이 완료된 후에 작업의 결과를 모니터링하고 로그로 기록하여 생산 과정의 효율성을 향상시킬 수 있습니다.

 

일례로, 비행기 한 대를 조립하기 위해서는 대략 40만 군데 이상을 조여야 하며 현재의 생산 프로세스에서는 이 작업에 1100개가 넘는 조임 툴이 필요합니다. 작업자는 정해진 단계를 따라 각 포인트마다 올바른 툴을 사용하여 적절한 토크로 조임 작업을 해야 합니다. 이렇게 수작업이 필요하기 때문에 실수가 발생할 가능성이 높습니다. 한 군데만 조임 작업이 잘못되더라도 결과적으로 수십만 달러가 낭비될 수 있기 때문에 상당한 위험성을 내포하고 있는 것입니다. 스마트 조임 툴은 비전 기능을 통해 작업자가 수행하려는 작업을 파악한 후 자동으로 올바른 토크를 설정합니다. 또한 이러한 장비는 중앙 데이터베이스에 작업의 결과를 기록하여 위치가 올바로 설정되었는지 확인합니다. 생산 관리자들은 중앙 생산 관리 시스템(MES, manufacturing execution system) 데이터베이스와 스마트 장비의 분산 지능을 활용하여 품질 관리와 인증 과정에서 확인해야 하는 프로세스를 정확히 파악해낼 수 있습니다.

 

 

Airbus는 드릴링, 측정, 품질 데이터 로깅, 조임 등 다양한 생산 프로세스를 수행하기 위해 세 가지 스마트 툴 제품군을 개발하고 있습니다.

 

드릴링 툴

• 비전 알고리즘을 활용하여 환경 설정
• 어떤 소재를 절단할지 검증
• 각 소재 레이어마다 드릴의 절단 조건 업데이트
• 드릴링 깊이를 모니터링
• 현재 위치에서 드릴링을 수행한 결과 로그
• 시스템 상태 모니터링
• 자동 검증/교정 수행

 

측정 툴 

• 비전 알고리즘을 활용하여 환경 설정
• 데이터베이스에서 수용 가능한 측정값 불러오기
• 측정값이 파라미터 내에 있는지 확인
• 결과를 로그하고 필요한 경우 후속 조치
• 자동 검증/교정 수행

 

품질 검증 툴(작업자의 의사결정을 기반으로 함)

• 비전 알고리즘을 활용하여 환경 설정
• 인간 고유의 상호작용 수행(촉각 및 시각적 확인, 보이스 컨트롤)
• 결과를 로그하고 필요한 경우 후속 조치

 

조임 툴 

• 비전 알고리즘을 활용하여 환경 설정
• 해당 위치에 적합한 토크/속도/각도 설정
• 조임 장치에 적용되는 토크 모니터링
• 중앙 MES 데이터베이스나 ERP 시스템에 토크 정보 로그
• 자동 검증/교정 수행

 

 

 

모든 스마트 툴을 위한 기본 플랫폼으로 활용하기 위해 유비쿼터스 아키텍처와 프레임워크를 갖춘 NI SOM을 테스트했으며, 그 결과 설계에서 프로토타이핑, 배포까지의 개발 프로세스에 소요되는 시간을 단축할 수 있었습니다. NI SOM을 사용하여 개발을 진행하기 전에는 NI CompactRIO 컨트롤러(cRIO-9068)를 기반으로 하여 프로토타입을 제작했으며, 기존의 Airbus 라이브러리 및 오픈 소스 알고리즘의 IP를 통합하여 개념을 신속하게 검증할 수 있었습니다. 그래픽과 텍스트 기반 프로그래밍 툴의 유연성을 통해 Xilinx Zynq에 외부 개발 기능을 통합하여 재활용하고,  NI Linux Real-Time OS를 사용함으로써 툴 개발을 위한 완벽한 추상화 수준을 갖추었습니다. 이제는 전체 설계 과정을 처음부터 시작하지 않고도 NI SOM에서 개발된 코드를 하나의 솔루션으로 재활용할 수 있습니다.

 

여러 가지 SOM과 임베디드 SBC를 검토했지만 NI가 제공하는 플랫폼 기반 설계 방식 및 통합 소프트웨어와 비교할 수는 없었습니다. NI SOM을 사용하면 타사 제품에 비해 개발 시간을 1/10로 줄일 수 있을 것이라 추산했습니다. NI Linux Real-Time 및  LabVIEW FPGA Module을 활용하여 시스템을 설계하는 NI의 방식이 생산성 향상에 큰 도움이 되기 때문입니다. NI SOM에서 소프트웨어를 제공하므로 FPGA에서의 이미지 프로세싱과 같은 시스템의 핵심 기능에 보다 역량을 집중할 수 있습니다.

 

미래의 Airbus 공장은 제조 과정에서 경쟁력을 확보하기 위한 장기적 연구 및 기술 개발 프로젝트입니다. 신규 기술을 원활하게 도입하기 위해서는 개념 증명부터 실제 객체 배포에 이르기까지의 개발 과정이 신속하게 진행되어야 합니다. 우리는 지난 수년간 이 프로젝트를 체계적으로 계획해 왔으며, NI의 기술을 활용함으로써 개발 과정을 단축하고 보다 빨리 비전을 현실로 만들 수 있게 될 것입니다.

 

필자 정보

Sébastien Boria
Airbus

그림 1. 일반적인 항공기 조립 환경
그림 2. 비전 관련 임베디드 스마트 툴의 활용 사례
그림 3. 스마트 측정 툴을 위한 비전 알고리즘