미래의 Airbus 공장을 위한 스마트 공구 개발

Sébastien Boria, Airbus

“여러 가지 SOM과 임베디드 단일 보드 컴퓨터 (SBC)를 검토했지만, NI가 제공하는 플랫폼 기반 설계 방식과 하드웨어와 소프트웨어가 통합된 방식과는 어떤 것도 비교할 수 없었습니다. NI SOM을 이용하면 다른 방식을 사용할 때의 10%의 시간만으로 개발을 완료할 수 있을 것으로 추정됩니다. 이는 특히 NI Linux Real-Time 및 LabVIEW FPGA Module을 통해 얻은 높은 생산성 덕택입니다.”

- Sébastien Boria, Airbus

과제:

항공기의 제작과 조립에는 수만 개의 단계가 필요하며, 그 과정에서 단 하나의 실수만 발생하더라도 수정하는 데 엄청난 비용이 낭비되므로 반드시 에러를 최소한으로 줄여야 합니다.

해결책:

작업 현장 시스템과 공구에 지능형 처리 기능을 도입하여 생산 프로세스를 단순화하고 작업자가 수행하는 작업을 관리하고 확인해 생산 효율성을 개선합니다. NI System on Module을 사용하면 이러한 스마트 공구의 프로토타입을 빠르게 만들 수 있습니다.

 

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 수작업이 주류를 이루는 생산 과정의 경쟁력 향상을 위한 연구 프로젝트를 진행하고 있습니다.

 

가상 물리 시스템 (Cyber-physical system)과 Big Analog Data™를 활용하면 작업자와 기계가 하나의 물리적 환경에서 협업할 수 있는 작업자 중심의 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 공구입니다. 이 스마트 디바이스들은 상황을 파악하고 네트워크 분산 지능을 기반으로 하여 실시간 의사결정을 내려야 할 경우에만 메인 인프라 또는 작업자나 다른 공구와 통신하도록 설계되었습니다.

 

생산 시설에서 스마트 공구를 사용하면 물리적 데이터 로그와 매뉴얼을 사용할 필요가 없으므로 생산 과정이 단순화되고 효율성이 향상됩니다. 작업자는 양손으로 필요한 공구를 다루면서 담당 작업에 집중해야 합니다. "종이를 사용하지 않는 업무 처리"를 표방한 기존의 프로젝트들은 대부분 "문서량을 줄이거나" 문서를 태블릿으로 대체하는 데 초점을 맞추었을 뿐, "수동적 데이터/죽은 데이터"를 소비한다는 점은 변하지 않았습니다. 그러나 스마트 공구는 "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. 스마트 공구는 시스템에 지능을 도입하여 작업자가 다음에 수행해야 하는 작업을 파악해 자동으로 설정을 변경하므로 작업이 단순해집니다. 일단 작업이 완료되면, 스마트 공구는 작업의 결과를 모니터링하고 로그로 기록하여 생산 과정의 효율성을 향상합니다.

 

일례로, 비행기 한 대를 조립하려면 대략 40만 군데 이상을 조여야 하며 현재의 생산 공정에서는 이 작업에 1,100여 개의 조임 공구가 필요합니다. 작업자는 정해진 단계를 따라 각 지점마다 올바른 공구와 적절한 토크로 조임 작업을 해야 합니다. 이런 수작업에서 오는 인적 오류는 생산 과정에 많은 위험을 더합니다. 한 군데만 조임 작업이 잘못되더라도 결과적으로 수십만 달러가 낭비될 수 있기 때문에 상당한 위험성을 내포하고 있는 것입니다. 스마트 조임 공구는 비전 기능을 통해 작업자가 수행하려는 작업을 파악한 후 자동으로 올바른 토크를 설정합니다. 또한 이러한 디바이스는 중앙 데이터베이스에 작업의 결과를 기록하여 해당 위치의 조임이 올바른지 확인할 수 있습니다. 생산 관리자들은 중앙 생산 관리 시스템 (MES, manufacturing execution system) 데이터베이스와 스마트 디바이스의 분산 지능을 활용하여 품질 관리와 인증 과정에서 확인해야 하는 절차와 프로세스를 정확히 파악해낼 수 있습니다.

 

 

Airbus는 드릴링, 측정, 품질 데이터 로깅, 조임을 포함하는 제조 공정을 담당하는 세 가지 스마트 공구 제품군을 개발하고 있습니다.

 

드릴링 공구

  • 비전 알고리즘을 활용하여 주변 환경 처리
  • 어떤 재료를 절단할지 확인
  • 재료 층마다 드릴의 절단 조건 변경
  • 드릴링 깊이 모니터링
  • 현재 위치에서 드릴링 결과 기록
  • 시스템 상태 모니터
  • 자동 검사/교정 수행

 

측정 공구 

  • 비전 알고리즘을 활용하여 주변 환경 처리
  • 데이터베이스에서 수용 가능한 측정값 불러오기
  • 측정값이 파라미터 범위 내에 있는지 확인
  • 결과를 기록하고 필요한 경우 후속 조치 제공
  • 자동 검사/교정 수행

 

품질 검증 공구 (작업자 의사결정 기반) 

  • 비전 알고리즘을 활용하여 주변 환경 처리
  • 인간 고유의 상호작용 수행 (손가락과 눈동자 추적, 음성 제어)
  • 결과를 기록하고 필요한 경우 후속 조치 제공

 

조임 공구 

  • 비전 알고리즘을 활용하여 주변 환경 처리
  • 해당 위치에 적합한 토크/속도/각도 설정
  • 패스너에 인가되는 토크 모니터링
  • 중앙 MES 데이터베이스나 ERP 시스템에 토크 정보 기록
  • 자동 검사/교정 수행

 

 

이 모든 스마트 공구의 기반 플랫폼으로 우리는 설계에서 프로토타입, 제품 출시까지의 개발 기간을 단축할 수 있는 유비쿼터스 아키텍처와 프레임워크를 갖춘 NI SOM을 테스트했습니다. NI SOM을 기반으로 개발하기 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. 그리고 그래픽과 텍스트 기반 프로그래밍이 제공하는 유연성과 Xilinx Zynq로 이식된 외부 개발 기능의 재활용, NI Linux Real-Time OS의 활용 덕분에 공구 개발에 필요한 완벽한 추상화 수준을 갖추었습니다. 이제는 전체 설계 과정을 처음부터 시작하지 않고 NI SOM에서 개발한 코드를 하나의 솔루션으로 재활용할 수 있습니다.

 

여러 가지 SOM과 임베디드 단일 보드 컴퓨터 (SBC)를 검토했지만, NI가 제공하는 플랫폼 기반 설계 방식과 하드웨어와 소프트웨어가 통합된 방식과는 어떤 것도 비교할 수 없었습니다. NI SOM을 이용하면 다른 방식을 사용할 때의 10%의 시간만으로 개발을 완료할 수 있을 것으로 추정됩니다. 이는 특히 NI Linux Real-Time 및 LabVIEW FPGA Module을 통해 얻은 높은 생산성 덕택입니다. NI SOM에서 소프트웨어를 제공하므로 FPGA에서의 이미지 프로세싱과 같은 시스템의 핵심 기능에 보다 역량을 집중할 수 있습니다.

 

Airbus의 미래의 공장은 제조 과정에서 경쟁력을 확보하기 위해 매우 중요한 장기적 연구 및 기술 개발 프로젝트입니다. 신규 기술을 원활하게 도입하기 위해서는 개념 증명부터 실제 물리적 제품 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.

 

저자 정보:

Sébastien Boria
Airbus

그림 1. 일반적인 항공기 조립 환경
그림 2. 스마트 공구 기초/비전으로 보는 내장 위치 예
그림 3. 스마트 측정 공구를 위한 비전 알고리즘