공장 자동화 기술

공장자동화

기출: 109-3-3

자동화(Automation)는 생산을 운영하고 통제하기 위해 기계, 전자, 컴퓨터 시스템의 응용과 관련된 일체 기술을 말한다.

협의의 개념: 컴퓨터와 각종 공작기계, 계측장비 등을 이용하여 공장 생산을 자동화한 시스템
광의의 개념: 수주에서 설계, 제조, 검사 및 출하에 이르는 일체 생산 활동을 효율적, 유기적으로 결합시키는 시스템 기술

일반적으로 기계화와 자동화는 인간이 수행하는 직무를 기계 또는 전자기기를 사용하여 운영하는 것이다. 기계화와 자동화는 서로 구별 없이 자주 사용되기도 한다. 기계화에 비해 자동화는 피드백(feedback) 기능을 가지고 있다. 피드백 기능이란 변동이 발생할 때, 자동적으로 기계가 원래 상태로 환원할 수 있는 능력을 말한다.

자동화 배경

환경, 안전 법규
생산노동력 감소, 3D 업종 인력 부족
단납기 신속 대응, 고객 요구 납기 만족 - 기업 경쟁력 심화 및 소비자 욕구 다양화
기계 가동률 향상, 생산성 향상
안정된 품질 확보 - 높은 정확도를 요구하는 경우
노사 이해 대립
생산 시스템 거대화 - 원재료, 에너지 비용 상승
재공품 재고 축소

자동화 필요성

저성장 고착화로 비용 절감 요구
변동성(고객 Needs 등)증가로 제품 수명주기 단축 - 맞춤형 대량생산 필요
안전, 노동력 부족, 높은 노무비 - 숙련노동인력 부족과 인적자원 고령화
생산성 향상, 품질 향상, 생산 리드타임 감소
원자재 효율적 사용
재공품 재고 감소

자동화 목적

작업환경 개선 및 인력자원 부족 해결
제품 품질 균질화를 통한 소비자 신뢰 확보
생산효율 향상(생산시간 단축 -> 생산성 향상 -> 품질향상 -> 재공품 감소)을 통한 이익 극대화
생산 시스템 효율적 운영 - 공장, 설비 간 정보 흐름 원활화 추구
원가절감을 통한 제품 가격 인하
다양한 제품, 유연한 납기 대응력

추진방향

데이터 기반 의사결정이 실시간 이행과 총체적인 관점에서 최적화
제조와 ICT 융합으로 인간과 로봇이 공유하여 무결점 제품 생산

5대 요소

감지기, 작업 수행을 위한 정보 수집
액추에이터, 작업 수행
네트워크 기술, 설비 상호간 정보 교류
제어신호 처리장치, 공정 절차에 따른 수행
소프트웨어 기술, 공정 절차에 따른 수행

자동화 대상

생산관리 - 공정관리, 품질관리, 자재관리, 원가관리, 노무관리
반복작업 - 가공물 운반, 자재 반입 및 반출 등
숙련 작업 - 용접 작업, 각종 자동장치 및 조립 작업 등

자동화 장단점은 아래와 같다.

자동화 장단점
구분	장점	단점
생산성	가동률 향상, 사이클 타임 단축	제품 품질 변동 시 설비 정지 및 가동률 저하
작업 환경	작업 편의성 증가, 위험 요소 제거	높은 기술 수준 요구, 유지·보수 비용 증가
품질	제품 일관성 향상(균일화, 표준화), 불량률 저감	제품 품질 산포 불안정 시 자동화 효율 감소
비용	노동력 절감, 생산설비 수명 연장, 원가 절감	초기 투자비용이 크고 중복투자 우려
유연성	표준화된 공정 운영 가능	제품 수명 단축 및 생산 환경 변화에 대한 대응력 부족
운영 및 보안	지속적인 생산 가능	보안 취약, 성인화·무인화 실패 시 인력 증가 가능
라인 밸런싱	생산 계획의 정밀한 제어 가능	일관화 부족 시 재공 재고 증가 및 라인 밸런싱 로스 발생

자동화는 생산성 및 품질 향상, 비용 절감 등의 이점을 제공하지만, 초기 투자비용, 유연성 문제, 유지·보수 난이도 증가 등의 단점도 존재한다. 이를 고려하여 공정과 제품 특성에 적합한 자동화 전략을 수립하는 것이 중요하다.

자동화 유형

고정형 자동화(Fixed automation)

성숙기 제품에 대해 표준화된 대량 생산 (소품종/저원가/대량생산)
노무비 절감, 생산 소요시간 단축
전용설비, 대형화로 초기 투자금액이 큼
공정 경로 및 조립 순서가 고정, 단순 반복작업 수행
가공(조립) 작업 순서가 설비 배치에 의해 고정
복잡한 많은 동작이 한 가지 설비로 통합, 조정

프로그램 자동화(Programmable automation)

프로그램 지시에 의해 다양한 작업을 수행(산업로봇, NC 공작기계)
다양한 제품, 배치 소량 생산
작업순서 변경 가능한 성능 보유한 생산설비

유연형 자동화(Flexible automation)

다품종소량 생산 목적
프로그램 가능 자동화보다 더 맞춤화된 장비 사용, 장비 준비, 교체 시간이 짧아 제품을 여러 조합으로 생산
범용설비, 소규모 투자
단속 공정 장점인 탄력성과 라인 공정의 높은 생산성(CIM, FMS)등
기종 변경 시 대기시간없이 다양한 제품 생산 가능
시스템이 재프로그램밍되고 물리적 설정 변경에 다른 생산시간 낭비가 없음

고정형 자동화와 유연형 자동화 시스템
구분	고정형 자동화 시스템	유연형 자동화 시스템
설비 투자 규모	매우 큼	비교적 적은 편이지만, 기계화된 시스템에 비해선 큰 편임
생산품목	소품종 대량 생산에 적합	다품종 소량생산 가능
공정 유연성	가공 순서, 생산품목 변경 시 많은 비용 소요	프로그램에 의해 통제가 가능하며 생산조직의 유연성이 높음
생산 속도	단위 시간당 높은 생산량	상대적으로 낮음
적용 사례	자동 가공라인, 조립라인	NC 기계, 로봇, CAD/CAM

자동화 변천

LCA	FA	FMS	CIM	Smart Factory
간이 자동화	공장 자동화	유연생산시스템(생산 방식에 의한 자동화)	컴퓨터 통합생산 시스템(공장자동화 + 정보 자동화)	스마트 팩토리 (ICT 기반 자동화 공장)
생산에 필요한 각종 생산설비를 보다 싸고, 보다 빠르게 제작 활용하는 것	수주에서 출하에 이르는 활동에 대해 적용	각종 자동화기기, 로봇, CAD/CAM, 자동창고 등 다양한 설비나 소프트웨어를 이용하여 유연한 생산체계를 구축한 시스템	설비 자동화와 생성된 생산 데이터의 정보화를 통합(자동화 - 설비, 창고 등, 정보화 - 계획, 운영 및 통제 데이터, MRP, MRP II, 표준 데이터 등), 다품종 소량생산 체제에 유연하게 대응 가능	ICT와 기계 산업 융합을 통해 제조업 완전 자동 생산 체계를 구축하고모든 공정이 최적화되는 생산 현장

스마트 팩토리와 자동화 차이점은 다음과 같다.

스마트 팩토리와 자동화 비교
구분	내용	생산체제
공장 자동화	• 1세대 자동화: 전용 기기로 사용 • 2세대 자동화: 전용 기기 공정 중간에 로봇 연결, 전용 기기와 로봇이 각각 구동하여 작업자가 투입되어 함께 작업 및 전체를 관리 • 산업용 로봇을 전용 기기처럼 사용	대량생산 체제
스마트 팩토리	• 3세대 로봇화 추구: 로봇 중심 자동화 추구 • 로봇을 사람이 하는 공정을 대체(협동 로봇) • 다양한 센서 활용, PC 환경과 동일한 인터페이스 환경 구축으로 연결성, 유연성, 지능성 확보	고객 맞춤형, 다품종소량 생산

자동화 도입 시 유의사항

생산 전략은 기업 전략과 일관성유지
생산 관련 의사결정은 기업 전체 입장에서 경쟁력 제고 방향으로
도입 시스템에 대한 관리능력 보유
자동화 투자 여부 결정 시 비용 절감 외 시장 적응성, 고객 서비스 등에 대한 평가 중시

FMS

기출: 121-1-8

FMS(Flexible Manufacturing System, 유연 제조 시스템)은 다양한 제품을 자동으로 생산할 수 있는 제조 시스템으로, 생산 라인이 유연하게 재구성되어 다품종 소량 생산이 가능하다. 변화하는 시장 수요에 신속하게 대응할 수 있도록 설계된 시스템이다.

FMS의 주요 특징

유연성(Flexibility)
- 제품의 종류와 사양이 달라져도 기계 및 설비의 변경 없이 생산이 가능하다.
- 다양한 제품을 동시에 또는 순차적으로 생산할 수 있다.
자동화(Automation)
- CNC(Computer Numerical Control) 기계, 로봇, AGV(Automated Guided Vehicle, 무인 운반차) 등으로 구성되어 있다.
- 작업 변경이나 설비 조정이 자동으로 이루어진다.
통합 시스템(Integration)
- 생산 계획, 재고 관리, 품질 검사 등이 통합된 컴퓨터 시스템(CIM, Computer Integrated Manufacturing)으로 제어된다.
효율성 및 생산성 향상
- 비용 절감, 생산 시간 단축 및 낮은 불량률을 실현한다.
- 비가동 시간 최소화 및 설비 활용률 극대화.

FMS 구성 요소

가공 기계(Machine Tools)
- CNC 밀링, 선반, 드릴링 등 다양한 가공 장비로 구성
로봇 및 운반 시스템
- 로봇과 AGV가 원자재 및 제품을 자동으로 이송
소프트웨어 시스템
- 생산 스케줄링, 품질 관리, 공정 모니터링을 담당
자동 보관 및 출고 시스템(AS/RS)
- 재료 및 완성품을 자동으로 저장하고 필요한 시점에 출고

FMS(Flexible Manufacturing System)의 장단점
구분	장점	단점 및 한계
생산성 및 유연성	다양한 제품을 신속하게 생산 가능	시스템 복잡성으로 인한 관리 및 유지보수 어려움
비용	생산 라인 재구성이 불필요해 추가 비용 감소	초기 투자 비용이 높음
재고 관리	필요 시 필요한 만큼만 생산해 낮은 재고 수준 유지	시스템 고장 시 생산 차질 발생
품질	자동화 및 정밀 제어를 통해 불량률 감소
생산 시간	빠른 공정 전환으로 리드 타임 단축

FMS는 유연성과 생산성 향상, 재고 감소 및 품질 개선 등의 이점을 제공하지만, 초기 투자비, 복잡성 및 유지보수 문제와 같은 단점도 존재한다. 기업의 생산 전략과 재정 상태에 맞추어 도입 여부를 신중히 결정해야 한다.

FMS의 활용 분야

자동차 산업: 다양한 모델 및 사양의 자동차 부품 생산.
전자 산업: 반도체 및 전자 제품의 유연한 생산 공정.
항공 산업: 정밀하고 복잡한 항공기 부품 가공.
기계 산업: 다품종 소량 생산이 필요한 산업군.

FMS는 변화하는 시장 요구에 신속하게 대응할 수 있는 제조 시스템으로, 효율성과 생산성을 높이는 핵심 기술이다. 4차 산업혁명 시대에 스마트 팩토리와 결합되어 지능형 제조 시스템으로 발전하고 있다.

기출 106-1-9

DNC(Direct Numerical Control)

DNC는 NC(수치제어, Numeric Control) 기술이 발전한 형태이다. NC 기술은 공작기계에 적용해서 기계가공을 자동으로행하는 것으로 수치제어가공은 NC공작기계가 중심이 된다. NC공작기계는 정보처리 정도에 따르 다음과 같이 분류할 수 있다.

DNC 분류

일반 NC공작기계(Conventional NC Machine)
머시닝 센터(Machine Center)
컴퓨터 수치제어(CNC, Computer Numerical Control)
직접 수치제어(DNC, Direct Numerical Control)

DNC기계군은 여러 대 NC 기계를 컴퓨터에 연결하여 외부 기억장치에 저장된 NC용 가공지령정보를 필요에 따라 컴퓨터를 통해 전달받아 공작기계를 움직여 작업을 수행한다.

CNC는 각 기계가 독립적인 프로그램을 가지고 있어 개별적으로 작동한다. 즉 한 번에 작업 하나만을 처리할 수 있다. 이에 반해 DNC는 여러 기계가 네트워크로 연결되어 중앙 서버로부터 명령을 받아 작업을 수행한다. 이로 인해 DNC에서는 한 번에 여러 작업을 동시에 진행할 수 있어 생산성이 향상된다. 또한 DNC는 중앙 서버에서 데이터를 관리하기 때문에 프로그램 업데이트나 변경 사항이 있을 경우 개별 기계 프로그램을 수젇하지 않고 서버에서만 수정하면 되므로 관리가 용이하다는 장점이 있다.