가공 시스템의 지능화 및 자율화 추세가 확대되면서, CNC 공작기계의 자동화된 오퍼레이션을 위한 머신 텐딩 시스템 도입이 산업 현장에서 활발히 진행되고 있다. 머신 텐딩 시스템을 구축함에 있어 CNC 공작기계와 로봇 간 인터페이스 구성 및 구성한 인터페이스에 대한 작업 설계 변경은 가장 중요한 프로세스이다. 하지만 이러한 중요도에도 불구하고 머신 텐딩 시스템은 많은 설정 문제가 있다. 새로운 CNC 공작기계나 로봇을 도입할 때마다 인터페이스에 맞추어 컨트롤러를 다시 제작하거나 재구성해야 하는 어려움이 있고, 추가적으로 머신 텐딩 시스템의 복잡한 구조로 인해 현장 작업자가 해당 시스템을 변경하는 부분에도 어려움이 있다. 이에 본 연구에서는 이기종의 CNC 머신과 산업용 로봇 간 인터페이스를 하나의 통합 시스템으로 구성하였다. 또한 손쉽게 작업 설계 변경을 하기 위해 디지털 트윈을 구현하여 현장 작업자는 간단하게 변경을 가능하게 하였다. 이 시스템을 구현하기 위하여 이기종 CNC 공작기계에 대한 표준화된 인터페이스를 제공하는 지능형 HMI 플랫폼과 다양한 로봇을 제어할 수 있는 응용 소프트웨어 개발 플랫폼인 ROS 플랫폼의 통합 개발 환경을 구축하였다. 또한 손쉬운 작업환경을 위해 게임 엔진인 Unity3D를 사용하여 시스템 모델링 후 웹 브라우저 환경에서 머신 텐딩 원격 제어 및 실시간 모니터링 프로그램을 개발하였다.
가공 시스템의 지능화 및 자율화 추세가 확대되면서, CNC 공작기계의 자동화된 오퍼레이션을 위한 머신 텐딩 시스템 도입이 산업 현장에서 활발히 진행되고 있다. 머신 텐딩 시스템을 구축함에 있어 CNC 공작기계와 로봇 간 인터페이스 구성 및 구성한 인터페이스에 대한 작업 설계 변경은 가장 중요한 프로세스이다. 하지만 이러한 중요도에도 불구하고 머신 텐딩 시스템은 많은 설정 문제가 있다. 새로운 CNC 공작기계나 로봇을 도입할 때마다 인터페이스에 맞추어 컨트롤러를 다시 제작하거나 재구성해야 하는 어려움이 있고, 추가적으로 머신 텐딩 시스템의 복잡한 구조로 인해 현장 작업자가 해당 시스템을 변경하는 부분에도 어려움이 있다. 이에 본 연구에서는 이기종의 CNC 머신과 산업용 로봇 간 인터페이스를 하나의 통합 시스템으로 구성하였다. 또한 손쉽게 작업 설계 변경을 하기 위해 디지털 트윈을 구현하여 현장 작업자는 간단하게 변경을 가능하게 하였다. 이 시스템을 구현하기 위하여 이기종 CNC 공작기계에 대한 표준화된 인터페이스를 제공하는 지능형 HMI 플랫폼과 다양한 로봇을 제어할 수 있는 응용 소프트웨어 개발 플랫폼인 ROS 플랫폼의 통합 개발 환경을 구축하였다. 또한 손쉬운 작업환경을 위해 게임 엔진인 Unity3D를 사용하여 시스템 모델링 후 웹 브라우저 환경에서 머신 텐딩 원격 제어 및 실시간 모니터링 프로그램을 개발하였다.
With the increasing trend of making manufacturing system intelligent and autonomous, the introduction of robot-assist automation, like machine tending system for automated operation of CNC machine tools, is being actively carried out at many industrial sites. Most important part of this intelligent ...
With the increasing trend of making manufacturing system intelligent and autonomous, the introduction of robot-assist automation, like machine tending system for automated operation of CNC machine tools, is being actively carried out at many industrial sites. Most important part of this intelligent system to install machine tending system, is interface programming between the CNC machine tools and the industrial robot. Despite this importance, however, the machine tending system has many setup problems. it is necessary for difficult re-program of both controllers whenever a new CNC machine tool or robot is introduced. And, the helps of external engineers is required even though trivial changes due to the complex structure of the machine tending system. Authors of this paper introduces the integrated system of the interface between heterogeneous CNC machine tools and industrial robots. In addition, the digital twin implemented inside the machine tool controller enable shop-floor operators to change the interface programming easily. To implement this system, an integrated development environment for 1) an intelligent HMI platform that provide standardized interfaces to heterogeneous CNC machine tools and 2) a robot platform developing application software of various robots, was established. For easy un-tact environment, this paper explain the development of 3) a game-engine based web program of controlling and monitoring machine tending system remotely.
With the increasing trend of making manufacturing system intelligent and autonomous, the introduction of robot-assist automation, like machine tending system for automated operation of CNC machine tools, is being actively carried out at many industrial sites. Most important part of this intelligent system to install machine tending system, is interface programming between the CNC machine tools and the industrial robot. Despite this importance, however, the machine tending system has many setup problems. it is necessary for difficult re-program of both controllers whenever a new CNC machine tool or robot is introduced. And, the helps of external engineers is required even though trivial changes due to the complex structure of the machine tending system. Authors of this paper introduces the integrated system of the interface between heterogeneous CNC machine tools and industrial robots. In addition, the digital twin implemented inside the machine tool controller enable shop-floor operators to change the interface programming easily. To implement this system, an integrated development environment for 1) an intelligent HMI platform that provide standardized interfaces to heterogeneous CNC machine tools and 2) a robot platform developing application software of various robots, was established. For easy un-tact environment, this paper explain the development of 3) a game-engine based web program of controlling and monitoring machine tending system remotely.
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문제 정의
본 논문에서는 지능형 HMI 플랫폼의 지원을 받는 머신텐딩 앱을 제시하였고 이기종 CNC 공작기계와 ROS 플랫폼을 사용하는 로봇에 대해서 통합 시스템을 제안하였다. 본 논문에서 제시한 구성을 통하여 다음과 같은 Unified interface, Unity3D, WebGL, ROS의 4가지 사항 측면에서 다음과 같은 특징들을 확인할 수 있었다.
본 연구는 로봇에 대해 심도 있는 이해가 없어도 로봇을 사용할 수 있도록 인터페이스 구성을 하고자 했다. 이를 위해 ROS 플랫폼에서 지원하는 기하학 라이브러리인 MoveIt[9]을 사용하여 로봇을 쉽고 범용적으로 사용할 수 있도록 구성했다.
제안 방법
(1) Unified interface를 지원하는 HMI 플랫폼을 통하여 Machine Tending App을 제작하였다. 이러한 HMI 플랫폼을 사용하는 추가적인 이점은 사용자는 각자 환경에 필요한 app을 커스터마이징 할 수 있다는 점이다.
3절에서는 실제 구현 방법에 대해서 상세히 기술한다. Unity3D의 WebGL(Web Graphics Library) 기능을 이용해 가상 시뮬레이션 및 유지 보수를 구성 및 구현하였고 표준 Unified Interface를 지원하는 HMI 플랫폼에 대하여 상세히 설명한다. 제 3장에는 본 연구에서 제시하는 시스템에 대한 이점을 결론으로 서술하였다.
이를 위해 ROS의 기능인 Topic에 메시지를 담아 노드 간 데이터를 전달할 수 있도록 하였고, 특히 머신 텐딩에 활용할 수 있도록 위치를 담을 수 있는 Topic을 형성하고 해당 Topic을 구독하도록 코드를 구성했다. 또한, 사용자가 실시간으로 데이터를 ROS로 보낼 수 있도록 ROS의 통신 기능 ROS_bridge 방식 중 Websocket 프로토콜을 채택했으며, Unity3D 데이터를 WebSocket으로 받을 수 있도록, 위에 언급한 구독되어 있는 Topic에 메시지를 보내 실시간으로 좌표를 받을 수 있도록 구성했다.
[Figure 8]에서와 같이, 환경 설정된 Configuration 파일(IGUS 로봇)을 불러오고 ROS의 로봇 기하학 라이브러리인 MoveIt의 Path Planning Interface를 실행 한다. 또한, 사용자가 요청한 위치에 따라 경로 생성을 할 수 있도록 실시간 데이터를 받아올 수 있도록 했다. 이를 위해 ROS의 기능인 Topic에 메시지를 담아 노드 간 데이터를 전달할 수 있도록 하였고, 특히 머신 텐딩에 활용할 수 있도록 위치를 담을 수 있는 Topic을 형성하고 해당 Topic을 구독하도록 코드를 구성했다.
구축된 머신 텐딩 시스템은 실제 기계 동작에 필요한 부분을 Unity3D 내부에서 C# 스크립트를 통하여 이벤트 형식으로 다양한 움직임을 구현할 수 있다. 마지막으로 HMI 플랫폼과 ROS(Robot Operating System) 플랫폼간의 통신을 위해서 WebSocket 프로토콜을 내부 스크립트를 통하여 구현한다.
본 논문에서는 지능형 HMI 플랫폼의 지원을 받는 머신텐딩 앱을 제시하였고 이기종 CNC 공작기계와 ROS 플랫폼을 사용하는 로봇에 대해서 통합 시스템을 제안하였다. 본 논문에서 제시한 구성을 통하여 다음과 같은 Unified interface, Unity3D, WebGL, ROS의 4가지 사항 측면에서 다음과 같은 특징들을 확인할 수 있었다.
간편한 경로 생성이 가능한 장점이 있으며, ROS를 지원하는 로봇들은 단일화된 플랫폼 사용으로 많은 장점이 존재한다. 본 논문에서는 ROS를 운영하는 리눅스와 HMI의 윈도우즈 환경을 복합적으로 사용해야 하는 운영체제간 통신 문제를 WebSocket를 통하여 해결하였고, 두 가지 시스템의 장점을 혼합한 하나의 머신 텐딩 시스템을 구축하여 운영체제간 통신 문제를 해결하였다.
본 연구는 SI 업체 입장에서 보다 쉽게 머신 텐딩 시스템을 설계하고 관리하였으며, 인터페이스 구성을 더욱 손쉽게 설계하였다. 최종적으로 CNC 머신 제어와 로봇의 경로설정을 모두 통합한 하나의 플랫폼을 제시한다.
본 연구는 로봇에 대해 심도 있는 이해가 없어도 로봇을 사용할 수 있도록 인터페이스 구성을 하고자 했다. 이를 위해 ROS 플랫폼에서 지원하는 기하학 라이브러리인 MoveIt[9]을 사용하여 로봇을 쉽고 범용적으로 사용할 수 있도록 구성했다. 본 연구의 범위인 IGUS 로봇의 Configuration 파일(SRDF)을 구성하고 해당 로봇을 기하학 라이브러리에 업로드 할 수 있는 상태로 환경 설정을 하였다.
또한, 사용자가 요청한 위치에 따라 경로 생성을 할 수 있도록 실시간 데이터를 받아올 수 있도록 했다. 이를 위해 ROS의 기능인 Topic에 메시지를 담아 노드 간 데이터를 전달할 수 있도록 하였고, 특히 머신 텐딩에 활용할 수 있도록 위치를 담을 수 있는 Topic을 형성하고 해당 Topic을 구독하도록 코드를 구성했다. 또한, 사용자가 실시간으로 데이터를 ROS로 보낼 수 있도록 ROS의 통신 기능 ROS_bridge 방식 중 Websocket 프로토콜을 채택했으며, Unity3D 데이터를 WebSocket으로 받을 수 있도록, 위에 언급한 구독되어 있는 Topic에 메시지를 보내 실시간으로 좌표를 받을 수 있도록 구성했다.
이에 본 연구에서는 이기종 CNC 공작기계 및 로봇에 대한 인터페이스를 하나의 통합된 시스템으로 구성하였고 또한, 이기종 CNC 공작기계 및 로봇에 대한 인터페이스를 하나로 통합하였다. DMG MORI에서 MAPPS를 구축한 것[4]과 같이 원격으로 환경에서 디지털 트윈을 통해 로봇과 CNC 공작기계 간 충돌 체크 및 시뮬레이션을 가능하게 하여 현장 작업자의 편의성을 제공하였으며, 추가적으로 시뮬레이션 되었던 로봇 경로를 따라서 실제 로봇에 대한 경로 생성이 가능해졌다.
지능형 HMI 플랫폼은 Unified NC I/F(Inter Face)를 사용하며, 해당 I/F에서 지원하는 CNC 머신의 HMI를 구성할 수 있게 설계된 지능형 플랫폼이다. 지능형 HMI 플랫폼의 application 통신 기능인 App I/F를 활용하여 Machine Tending App의 Guide를 플랫폼에 등록하여 HMI 플랫폼과 이 논문에서 제시하는 Machine Tending App 사이의 통신을 구현하였다.
대상 데이터
이를 위해 ROS 플랫폼에서 지원하는 기하학 라이브러리인 MoveIt[9]을 사용하여 로봇을 쉽고 범용적으로 사용할 수 있도록 구성했다. 본 연구의 범위인 IGUS 로봇의 Configuration 파일(SRDF)을 구성하고 해당 로봇을 기하학 라이브러리에 업로드 할 수 있는 상태로 환경 설정을 하였다.
성능/효과
(2) Unity3D를 활용하여 개발한 가상환경은 공장설계에 사용된 CAD데이터를 바로 게임 환경에 가져와 물리적 엔진을 통해서 작동 모델을 구축할 수 있다. 따라서 복잡한 프로그래밍 없이 가상환경 구현이 가능하면 WebGL로의 바로 변환 할 수 있어, 웹환경 구현에도 크게 기여를 할 수 있다.
(3) WebGL 형식의 웹 브라우저 Machine Tending App의 사용은 차후 클라우드 플랫폼으로의 확장성이 존재하며 현장의 작업자들은 추가적인 PC의 사용 없이 개인 모바일 기기 및 태블릿으로도 사용이 가능하다는 장점이 존재한다.
이에 본 연구에서는 이기종 CNC 공작기계 및 로봇에 대한 인터페이스를 하나의 통합된 시스템으로 구성하였고 또한, 이기종 CNC 공작기계 및 로봇에 대한 인터페이스를 하나로 통합하였다. DMG MORI에서 MAPPS를 구축한 것[4]과 같이 원격으로 환경에서 디지털 트윈을 통해 로봇과 CNC 공작기계 간 충돌 체크 및 시뮬레이션을 가능하게 하여 현장 작업자의 편의성을 제공하였으며, 추가적으로 시뮬레이션 되었던 로봇 경로를 따라서 실제 로봇에 대한 경로 생성이 가능해졌다. 머신 텐딩 시스템은 웹 브라우저 환경에서 제공되며, 원격 제어 및 모니터링이 가능하다는 장점이 존재한다.
본 논문에서 제시한 Machine Tending App은 웹 브라우저 형식을 지원하기 때문에 SI 업체의 원격 지원이나 멀티 모니터링이 가능하다. 또한, 이 Machine Tending App을 통하여 복잡했던 로봇 경로 생성이 간단해졌으며, Machine Tending App과 ROS 플랫폼의 통신을 통하여 가상 시뮬레이션 로봇의 경로를 통하여 사전 충돌 체크 및 실시간 모니터링이 가능해진다.
후속연구
본 연구에서 제시하는 인터페이스를 구성한다면 실제 CNC 공작기계 및 로봇은 Machine Tending App을 통하여 가상화 할 수 있다. 이러한 디지털 트윈 기술은 실제 로봇을 제어하기 전 가상 시뮬레이션을 통하여 현장 작업자는 사전 충돌 체크가 가능하다.
추후 연구로는 본 논문에서 제안한 머신 텐딩 테스트 베드를 통해서 ISO 21919 통신 체계를 검증하고 프로그래밍을 수행할 수 있는 환경을 구축할 것이다.
참고문헌 (9)
Brookes et al., "Studying human behavior with virtual reality: The Unity Experiment Framework," Behavior Research Methods, Vol. 52, No. 2, pp. 455-463, 2019.
Dou et al., "Human-Machine Interface Evaluation of CNC Machine Control Panel through Multidimensional Experimental Data Synchronous Testing Analysis Method," International Journal of Performability Engineering, Vol. 13, No. 8, pp. 1195-1205, 2017.
Li, D. and Huang, Y., "A general robot application platform for machine tending," 2008 IEEE Conference on Robotics, Automation and Mechatronics, pp. 1-5, 2008.
Mori, M. and Fujishima, M., "Remote monitoring and maintenance system for CNC machine tools," Procedia Cirp, Vol. 12, pp. 7-12, 2013.
Park, J.-K. and Chang, T.-W., "Review of domestic research on smart manufacturing technologies," The Journal of Society for e-Business Studies, Vol. 23, No. 2, pp. 123-133, 2019.
Yoon et al., "Development of Unified Interface for Multi-Vendors' CNC Based on Machine State Model," Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 35, No. 2, pp. 151-156, 2018
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