초록 ▼

3. 개발결과 요약

최종목표
□ 포장 종이용기 제조설비의 생산성 향상을 위한 고속화 기술개발
□ 다품종 종이용기 생산의 고유연화를 위한 제조 설비의 모듈화
□ 스마트 공장 구축을 위한 공정 데이터 수집 장치 및 통합 관리 S/W 개발
□ IoT기술을 활용한 ERP, MES 연계형 공정·물류 Data 원격 모니터링 시스템 개발

개발내용 및 결과
□ 포장 종이용기 제조설비의 생산성 향상을 위한 고속화 기술 개발
⊙ Barrel Cam 방식의 고속 성형기 개발
· 전 세계적으

3. 개발결과 요약

최종목표
□ 포장 종이용기 제조설비의 생산성 향상을 위한 고속화 기술개발
□ 다품종 종이용기 생산의 고유연화를 위한 제조 설비의 모듈화
□ 스마트 공장 구축을 위한 공정 데이터 수집 장치 및 통합 관리 S/W 개발
□ IoT기술을 활용한 ERP, MES 연계형 공정·물류 Data 원격 모니터링 시스템 개발

개발내용 및 결과
□ 포장 종이용기 제조설비의 생산성 향상을 위한 고속화 기술 개발
⊙ Barrel Cam 방식의 고속 성형기 개발
· 전 세계적으로 통상 사용되는 Barrel Cam 구동 방식을 채택한 성형기로써 최대 생산속도 250 cpm이 가능한 고속 성형기를 개발하였다.
· 세계 최고 수준의 생산속도(220cpm)를 뛰어넘기 위해 메인 구동부의 3종(Transfer Turret, Mandrel Turret, Rimming Turret) Cam을 선도와 타이밍을 고속화에 적합한 방식으로 자체 개발하였고, 복잡하게 연결되어 있는 메인 구동부를 간결한 구동으로 개발하였다. 또한, 동역학 분석을 바탕으로 기계의 강성과 경량화 사이의 최적의 값을 찾아서 제작하였으며, Twin Cam을 개발, Transfer turret에 적용하여 관성 모멘트를 기존 대비 20%~40% 이상 감소시킬 수 있었다.
· 이러한 연구를 통하여 세계 최고 수준 대비 성능을 약 13% 향상시켰다.
⊙ Roller Gear Cam 방식의 고속 성형기 개발
· 기존 방식과 완전히 다르게 Main Roller Gear Cam과 2단 Parallel Cam 구동방식을 혼용한 성형기로써 최대 생산속도 300cpm이 가능한 고속 성형기를 개발하였다. 이 성형기는 Barrel Cam과 비교하여 고속화에 유리한 Roller Gear Cam 방식(메인 감속기), 2단 Parallel Cam 방식(메인 구동부 3종과 토크 보상장치)으로 구성되어 있다.
· 본 성형기의 핵심기술인 2단 Parallel Cam 구동 방식은 Turret과 Index를 분리하여 구성할 수 있는 장점이 있어, 3종 Turret의 관성을 획기적으로 줄일 수 있었으며, 300cpm 이상의 고속에서도 안정적으로 구동이 가능하였다.
· 또한 기존 성형기와는 다르게 저상에서 원지를 공급할 수 있는 Cam 구동 방식의 저상 공급 장치를 개발함으로써, 작업자의 편리성을 극대화하였다.
· 성형공정부는 고속 성형에 적합하도록 주요 8개소 성형공정부의 성능을 개선, 개발하여 300cpm 구동이 가능하게 하였다.
⊙ Servo Motor 방식의 고속 성형기 개발
· Servo Motor 방식의 고속 성형기는 기구학적인 Cam을 사용하는 방식에서 완전히 탈피하여 21개의 Servo Motor를 각 파트별로 연동, 동기제어 기술을 활용하여 구동되는 신개념의 고속 성형기이다.
· Servo 성형기는 구동부의 물리적인 마찰이 없어 소음에 유리하며, 윤활유 관리가 필요 없다. 또한, 구동부 고장이 즉각적으로 고장 표시가 되어 진단에 유리하며, 구동부가 각각 개별로 구성되어 있어 고장부위의 교체가 용이한 장점이 있다.
· 21개의 Servo Motor를 짧은 시간 동안 이동, 정지 반복운동 조건을 동기화 시키는 제어기술 연구를 통해 220cpm 구동이 가능하도록 개발하였다.
· 최대 생산속도는 세계 최고 수준인 200cpm 대비 생산속도를 10% 향상시켰으며, 소음 부분에 있어서도 세계 수준인 80 dB를 뛰어넘은 73.5 dB를 기록하여 과제를 통해 기술력을 한층 향상시킬 수 있었다.
□ 다품종 종이용기 생산의 고유연화를 위한 제조설비의 모듈화
⊙ 3종 Turret의 모듈화와 가변형 몰드 개발
· 현 생산라인에서 생산 종이 용기의 사이즈 교체 시, 교체시간을 단축시킴으로써 다품종 소량생산에 생산성을 향상시킬 수 있다.
· 종이용기의 생산과정에서 각 공정의 특성을 분석하여 교체 부품을 모듈화와 가변화로 나누어 교체 시간을 단축시켰다.
⊙ 종이용기 성형기의 3차원 모델 및 동역학 해석 모델 구축
· 성형기 생산속도 향상을 위해서는 성형공정부 기구부의 경량화가 필수적이다. 이에 경량화에 따른 구동 Barrel Cam의 동역학 해석 모델을 구축하였다.
· 현진제업 설계팀에서 제시한 data를 기반으로 당 연구실에서 개발된 동역학 모델은 수차례의 시뮬레이션을 통하여 고속 구동 시 문제가 없음을 증명하였다.
· 고속화를 위한 구동부에서 사용된 주요 구동 Cam은 감속을 위한 Roller gear Cam과 Indexing을 위한 2단 Parallel Cam으로 구성되어있으며 Indexing 과정에서 발생되는 Cam Follower의 표면 거동과 피로도를 실제와 비교 검증하였다.
□ 스마트 공장 구축을 위한 공정 데이터 수집 장치 및 통합 관리 S/W 개발
⊙ 실시간 전수/전면 검사를 위한 완제품 불량 검출 및 품질 판정 시스템 개발
· Line Scan Camera를 이용하여 종이용기의 인쇄면을 검사하고 3대의 카메라를 사용하여 용기의 내부, 내부 하면, 외부 하면을 검사하며 병렬처리를 이용한 이미지 프로세싱 기법을 통해 초당 5개의 용기를 검사할 수 있는 능력을 갖춘 시스템을 개발하였다.
⊙ 실시간 공정 데이터 모니터링을 통한 설비보전 및 고장예지 시스템 개발
· 종이용기 성형기 속도의 향상에 따른 고장 발생률이 증가하고 이에 따라 성형기의 고장을 진단하고 분석하여 잔여 수명을 예측하는 것이 필요하다.
· 현장에서 발생한 고장 이력을 분석하고 담당자와 미팅을 진행하여 주요 고장진단 대상을 선정하여 시스템을 설계
· 고장을 진단하기 위한 고장 진단 대상별 진단 시스템 제작 후 실시간으로 고장을 모니터링하고 데이터를 수집하는 하나의 고장 진단 시스템으로 통합하였다.
· 실시간 진단프로그램에서 제작된 온도, 진동의 데이터 값을 바탕으로 그래프에 나타내어 데이터가 지향하는 진행도를 파악하고 이를 통해 고장이 발생하게 되는 시간을 예지한다.
· 임계값에 도달하게 되는 시간을 예측하여 유지 보수 관리자에게 통지한다.
□ IoT기술을 활용한 ERP, MES 연계형 공정·물류 Data 원격 모니터링 시스템 개발
⊙ 제조 설비 전장 장치(PLC)의 제어 관리 시스템과 제조 현장의 감시(센싱), 측정, 제어하기 위한 IoT Device 개발
· 고속화 성형기가 개발되면 현장 작업자가 실시간으로 관리하기에는 물리적인 한계가 있다. 이를 보완하기 위해 현장 제조 설비의 전장 장치인 PLC를 원격으로 구동 · 제어 관리가 가능한 시스템을 개발하였으며, 제조 설비와 생산 현장에 포함된 각종 센서 기기의 데이터를 IoT 기반기술을 활용하여 수집 · 분석이 가능한 시스템을 개발하였다.
⊙ 종이 용기 제조업에 특화된 기능의 제조 실행 시스템과 실시간 원격 모니터링 시스템 개발
· 국내 종이용기 제조업의 생산 운영 수준은 대부분 수작업에 의존하는 최하위 수준의 단계이다. 본 과제를 통하여 국내 종이용기 생산 기술력을 한 단계 끌어올리기 위해 종이용기 제조업이 가지는 특화된 공정의 효율적 관리와 품질을 개선할 수 있는 제조 실행 시스템(MES)을 개발하였다. 또한 원격으로 설비의 상태와 IoT 장비를 활용한 현장의 작업 상황을 실시간으로 모니터링이 가능하도록 시스템을 개발하였다.
⊙ 생산관제 정보 연계형 통합 분석 모니터링 시스템 개발
· 영업 · 구매 → 제조 · 생산 → 재고 · 출하로 이어지는 제조업의 전체 과정을 통합 관리하기 위해 전사적 자원의 관리 시스템(ERP)과 창고 관리 시스템(WMS), 그리고 제조 실행 시스템(MES)의 DATA를 통합 관리가 가능하도록 하였으며, 통합 분석 모니터링 시스템 구현을 통하여 종이용기 제조 과정에서 발생되는 주요 관리 포인트를 생산의 관점에서 모니터링이 가능하도록 하였다.

기술개발 배경
□ 오늘날 종이용기의 수요는 현재 폭발적으로 증가하고 있지만 수요 증가에 따라 무작정 생산 기계의 수량을 늘리는 방법으로는 설치 공간, 운영인력, 품질의 균일화 등 생산효율성에 있어서 많은 문제가 발생된다. 이런 이유로 종이용기 고속성형기 개발의 필요성이 커지고 있지만, 현재 국내에서 성형기 고속화와 자동화에 필요한 Cam 설계 기술을 확보하고 있지 못하여 개발에 어려움이 있다.
□ 또한, 식품회사에서 엄격한 품질 검사 조건에 적합한 종이용기를 요구 있어, 용기의 내면뿐만 아니라, 밑면, 인쇄면의 오염과 성형 불량을 한 공정에서 전수 검사할 수 있는 완제품 검사기가 필수적이다.
□ 현재 전 세계는 IT와 4차 산업혁명 시대를 통해 IoT 기술, 로봇, 인공지능 등 다양한 분야가 융합되어 발전되고 있다. 제조 산업 역시 이러한 기술을 이용하여 제조 산업의 혁신을 위해 많은 노력을 하고 있다.
□ 국내의 종이용기 제조 산업 역시 종이용기 생산 경쟁력 확보와 해외 선진 기업과의 경쟁에서 살아남기 위해서는 미래지향적인 정보통신기술, 소프트웨어 등의 새로운 산업에 필요한 요소 기술을 종이용기 고속 성형기와 완제품 검사기에 접목하여, 종이용기 제조 시스템에 적합한 ICT 융합 생산 제조설비 및 통합 관리 시스템 개발이 필요하다.

핵심개발 기술의 의의
□ 고속성형 기술
⊙ Barrel Cam 방식의 고속 성형기
· 기존 기술을 바탕으로 새로운 Twin Barrel Cam 기술을 100% 자체 기술을 이용하여 개발하였다.
· 과제 수행 동안 수시로 Cam 개발을 통해 성능을 극대화했으며, 그 결과 세계 수준을 뛰어넘는 성능을 낼 수 있었다.
· 성능 대비 가격은 선진 기업에 비해 50% 저렴한 가격으로 18년 하반기에 6대 약 20억의 판매 계약을 했으며, 2대는 이미 수출을 완료하였다. 또한, 2019년 1월 ~2월 사이 추가로 6대 계약 진행 예정이며, 추가로 연간 최소 40억, 많게는 100억 이상 매출을 올릴 수 있을 것이라 기대된다.
⊙ Roller Gear Cam 방식의 고속 성형기
· 세계 최초로 Roller Gear Cam 과 2단 Parallel Cam을 접목하여 자체 기술로 개발한 고속 성형기이다.
· 300cpm 이상의 속도를 내기 위해 새로운 개념의 구동방식의 개발과 관성모멘트를 줄이기 위한 경량화에 많은 어려움을 겪었지만 각 분야의 전문가의 조언과 반복 테스트를 통해 성공적으로 개발을 완료할 수 있었다.
· Barrel Cam과 달리 상용화하기까지는 소음 저감, 내구성 검증이 필요하지만, 상용화에 성공하면 Barrel Cam 고속성형기 이상의 파급효과가 기대된다.
⊙ Servo Motor 방식의 고속 성형기
· 21개의 Servo Motor가 동기제어를 통해 구동되는 성형기로서, 미국 PMC사 와는 다르게 DD 모터가 아닌 국산 일반 Servo Motor를 사용하여 PMC사의 성능을 상회하는 성형기 개발을 완료하였다.
· 21개의 Servo Motor를 짧은 시간 동안 동시에 제어하기 때문에 수많은 변수가 있어서 일일이 컨트롤하기에 어려움을 겪었으며, 수많은 타이밍 변경과 최적화를 통해 개발을 완료할 수 있었다.
· Roller Gear Cam과 마찬가지로 상용화하기 위해서는 내구성 검증, 속도 향상이 필요하며, Servo Motor를 사용하기에는 비효율적인 파트를 Cam과 조합을 통해 최적화한다면 해외시장에서 긍정적인 평가를 받을 수 있을 것이라 기대된다.
□ 제조설비의 모듈화 기술
⊙ 모듈 교체 시간 단축
· 모듈화는 종이용기 품종 변경 시 종이컵 성형기의 부품교체를 용이하게 하고 수반되는 시간 및 비용을 최소화하도록 관련된 부품을 하나의 부품으로 묶거나 여러 부품들로 나누어 새로운 형태의 부품 모듈로 설계한 전략이다.
· 가변화는 종이용기 품종 변경 시 종이컵 성형기의 몰드의 교체 없이 장착된 부품을 간단한 조정만으로 대응할 수 있도록 하는 전략이다.
⊙ 종이용기 성형기의 동역학 해석 모델
· Barrel cam 과 Parallel cam 실제 모델에 대해서 고속화를 시키지 않더라도, 동역학 모델을 시뮬레이션 시켜봄으로써 가속도가 변화하는 양상을 알 수 있다.
· 각 모델의 부품들에 대해서 경량화를 진행하였을 때, 상판 Bed에 미치는 가속도를 알 수 있으며, 제작 시 가이드라인을 제공할 수 있다.
· Barrel cam 과 Parallel cam에서 실제로 측정할 수 없는 응력을 동역학 시뮬레이션을 통하여 알 수 있다.
· 경량화나 고속화를 시켰을 경우, 변화하는 경향을 알 수 있고 제작 시 가이드라인을 제공할 수 있다.
□ 스마트 공장 구축을 위한 검사 및 고장진단 기술
⊙ 완제품 불량 검출 및 품질 판정 기술
· 기존 종이 용기 검사기의 경우 초당 1~2개의 검사를 수행하였으나 병렬처리 기법을 이용하여 초당 5개의 용기를 검사할 수 있게 되었으며 인쇄용지를 용기에 부착 후에 인쇄면 검사를 수행하여 인쇄 불량 및 부착 불량까지 감지할 수 있다.
⊙ 고장진단 기술
· 이 연구에서 선정된 네 가지 고장을 실시간으로 모니터링 하며 고장 발생 시 실시간으로 진단할 수 있기 때문에 고장을 빠른 시일 내에 발견할 수 있으며 이에 따라 최종적으로 만들어지는 종이 용기의 불량률을 낮출 수 있다.
⊙ 고장예지 기술
· 고장진단 프로그램을 이용해 얻은 측정 데이터의 데이터가 지향하는 진행도를 파악하고 이를 통해 고장이 발생하게 되는 시기를 예측할 수 있다.
· 고장 시기를 예측하게 되면 고장이 발생하기 전 예방 정비가 가능하여 불량률을 낮출 수 있다.
□ ICT 융합 기술 기반의 통합 제조 관리 기술
⊙ IoT 장비 개발 및 이기종 프로토콜 개발
· 제조 설비와 현장의 정보를 획득하기 계측 센서 설치와 유선 통신 네트워크 구축에 많은 비용이 들었다. 일반 제조업에 맞는 산업용 IoT Gateway와 I/O모듈, 전원 공급기를 개발하였고, 범용화되어있는 Z-Wave, FM, Zigbee, LTE Lauter 통신을 IoT Gateway와 연결함으로써 보다 쉽게 원하는 제조 현장의 데이터를 수집할 수 있게 되었다.
⊙ 제조 설비 전장장치(PLC) 개선에 대한 시스템 개발
· 제조 설비는 전장장치에 의해 구동되어 제품을 생산하게 된다. 이 과정에서 설비 데이터와 각 기구부의 상태 값을 수집하여 분석하면 보다 효율적으로 설비를 운영할 수 있다. 이를 위해 제조 설비 전장장치의 데이터 인터페이스가 가능하도록 설계/개발하였고, 차후에는 설비를 제어하고 자동화가 가능하도록 ICT 기반 기술을 적용하였다.
⊙ 제조 실행 시스템(MES) 개발
· 국내 종이용기 생산 관리 방식은 수작업에 의해 관리되고 있는 실정이다. 하지만, 종이용기 수요는 지속적으로 증가하고 있고, 고객사의 품질과 검사 조건도 까다로워 진보적인 생산 관리 기술이 필요했다. 현진제업 현업 종사자를 대상으로 인터뷰 통한 업무 분석과 기능 요구 사항을 고려한 종이용기 제조업에 특화된 공정 관리 기능을 개발하였다. 이전보다 효율적인 생산 관리가 가능하게 하도록 제조 실행 시스템 설계하였다. 본 과제를 통해 개발된 제조 실행 시스템은 동종 업계에 표준 모델로 적용이 가능할 것으로 기대된다.
⊙ 통합 제조 관리 시스템 개발
· 종이용기 제조 설비가 200CPM 이상 고속화됨으로 일반작업자가 지속적인 공정 관찰을 통해 제품 품질에 주요원인이 되는 공정 및 품질의 이상발생을 감지하는데 상당한 어려움이 있을 것이다. 이를 해결하기 위해 IoT 장비와 제조 설비 데이터, 제조 공정을 실시간으로 모니터링이 가능하게 시스템을 구축하였고, 이를 통해 집계된 데이터는 분석 프로그램을 통하여 이상발생을 각 부문의 담당자에게 전파함으로써 제품의 품질을 향상시킬 수 있을 것이다.

적용 분야
□ 기계 자동화 및 제어, 구동 Cam을 적용할 수 있는 전반적인 기계분야 활용 (기계분야)
□ 제품의 품질검사와 IoT, MES, ERP을 활용한 통합 및 원격 모니터링시스템이 필요한 ICT 분야(스마트 공장)
⊙ 개발된 IoT 장비와 통신 프로토콜은 관련 산업 현장과 일반 제조업에 시스템 적용이 가능하고, 기존 설치와 시스템 구축 보다 적은 비용으로 산업 현장에 활용될 것이다.
⊙ ICT 기반 기술은 종이용기 산업의 스마트 공장 구축에 필수적 기술 요소이며, 자동화된 제조 설비와 자동화 공정 구축, 현장 업무 개선 등에 넓은 범위에 현장 적용이 가능할 것으로 보인다.
⊙ 경량화된 솔루션을 개발하여 동종 산업뿐만 아니라 일반제조업에도 적용 및 활용이 가능하다. 주요 생산 관리 기능은 종이용기 제조업에 맞춰 개발하였지만 솔루션 자체 기능을 확장 및 기능 맞춤형으로 재개발이 가능하기 때문에 일반 제조 및 특수 공정 관리 기능에도 적용할 수 있다.
⊙ 통합 분석 모니터링 시스템의 주요 기능은 주요 산업 현장에서 사용되는 공정 및 품질 분석 기법을 도입하였다. 공정능력 분석, 설비 관리 한계선 지정, 이상 발생 알람, 품질불량 원인 분석, LOT / 원자재 ID 이력 추적, 수율 분석 등 다양한 분석 모니터링을 제공한다. ICT 기반의 품질 관리시스템이 없는 중소규모의 제조업체에 적용이 가능할 것이다.

(출처 : 초록 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 21
• 목차 ... 27
• 제 1 장 서론 ... 28
• 제 1 절 과제의 개요 ... 28
• 1. 과제 기본정보 ... 28
• 2. 기술개발의 개요와 필요성 ... 29
• 3. 기대효과 및 파급 효과 ... 30
• 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 31
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 31
• 1. 최종목표 ... 31
• 2. 최종목표의 평가방법 ... 31
• 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 33
• 1. 단계별 목표 ... 33
• 2. 단계별 목표의 평가방법 ... 33
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 36
• 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 39
• 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 40
• 제 3 장 결과 ... 41
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 41
• 1. 정량적 목표 항목 최종 실적 ... 41
• 2. 연구개발 추진 일정 ... 42
• 3. 연구개발 추진 실적 ... 48
• 4. 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과 ... 151
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 155
• 제 3 절 고용 창출 효과 ... 156
• 1. 고용창출 ... 156
• 2. 고용창출 파급효과 ... 156
• 제 4 절 자체보안관리진단표 ... 158
• 제 4 장 사업화 계획 ... 159
• 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 159
• 제 2 절 사업화 계획 ... 160
• 제 3 절 향후 추가 기술 개발 계획(개발기술 응용 등) ... 163
• 끝페이지 ... 164