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CNC 공작기계의 기술동향 분석 (2)
 
 
월간 기계기술기자 | 2011.04.13 | 2011년 4월호
 
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21세기는 종래의 전통적인 산업사회에서의 생산 요소보다 창조적 지식과 정보가 경쟁력의 원천이 되는 지식기반사회라 볼 수 있다. 우리나라의 경우 지식재산권의 출원 등의 양적인 측면에서는 이미 세계적인 수준에 도달하였으나 기업의 기술개발전략 수립에 방향을 제시해 줄 수 있는각 분야별 기술정보에 대한 자료 또는 정보가 매우 빈약한 실정이다. 이에 이하에서는 기계분야와 관련된 기업에 대한 유용한 자료 또는 정보의 제공을 위해 공작기계, 성형기계, 공구 또는 공장 자동화 설비 등의 큰 카테고리를 중심으로 전반 적인 지식재산권 현황을 살펴보기로 하며, 그 중먼저 기계를 만드는 기계라 볼 수 있는 공작기계, 특히 CNC 공작기계의 지식재산권 현황을 3월호 ‘CNC 공작기계의 기술동향 분석 (1)’에 이어 검토 하기로 한다.
  남앤드남국제특허법률사무소 문의: (02)753-5477
2. 특허기술 개발동향 분석
2-1. 전체기술의 국가별 특허정보 분석
  그림 2-1 (a) 및 (b)는 공작기계 기술에 대한 국가별 출원(등록)비율을 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있는 것처럼, 과거 98년대 이전까지 공작기계(머시닝센터)의 특허출원(등록) 비율은 일본이 74%, 미국 11%, 유럽 9%, 한국 6%을 차지하고 있었으나 99년 이후 최근 특허출원(등록) 비율을 살펴보면, 한국 43%, 일본 20%, 미국 20%, 유럽 17%를 차지하고 있음을 알 수 있다.
  이는 우리나라의 경우 93년 공작기계의 설계의 꾸준한 증가가 있었 으며 점차 점유율을 높여가는 추세라고 판단된다.
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2-2. 전체기술의 기술분류별 특허정보 분석
 그림 2-2는 공작기계에 대한 기술분류별/연도별 출원(등록)비율을 나타낸 것이다. 그림에서와 같이 5년 단위의 기술분야 특허출원(등록)을 살펴보면, 고속회전체 분야는 94년~98년에서 가장큰 출원비율을 보이다가 최근에는 그 비율이 줄어들었으며, 고속·고정밀 이송기술분야는 비슷한 출원(등록)비율을 보이고 있으며, 자동공구교환장치 분야는 과거 20년 동안 비슷한 특허출원(등록) 비율을 보이다 최근 에 줄어들고 있다. 또한, 공구, 기계부품의 안전, 냉각장치분야는 과거 20년부터 최근 연도까지 지속적으로 출원(등록)비율이 증가하고 있음을 알 수 있다.
 
  2-3. 한국의 기술분류별 특허정보 분석
  그림 2-3은 공작기계에 대한 기술분류별 한국의 출원비율을 나타낸 것이다.
  1998년 이전까지는 측정 및 제어기술, 고속회전체, 냉각 안전장치 등 기타장치, 자동공구 교환 장치, 고속 고정밀 이송기술의 순으로 출원비율을 차지하고 있으며, 1999년 이후에는 측정 및 제어 기술, 냉각 안전장치 등 기타장치, 고속회전체, 자동공구 교환장치, 고속 고정밀 이송기술의 순으로 출원비율을 차지하고 있다.
  특히 한국 특허 출원은 과거 20년과 최근 연도에서도 대우종합기계 (구: 대우중공업)가 가장 많은 특허출원비중을 차지하고 있으며, 1998년 이전까지는 대우중공업 > 만도기계 > 화낙 (일)의 순으로 ㅍ나타났고, 1999년 이후에는 대우종합기계 > 주식회사 위아 > 현대자동차의 순으로 나타났다.
  과거 20년 동안에 자동차 부품회사인 만도가 최근 연도에서는 주요 7위안에는 포함되지 않았음을 살펴볼 수 있다.
 
  2-4. 일본의 기술분류별 특허정보 분석
  그림 2-4는 공작기계에 대한 기술분류별 일본의 출원비율을 나타낸 것이다.
  1998년 이전까지는 측정 및 제어기술, 냉각 안전장치 등 기타장치, 고속회전체, 고속 고정밀 이송기술, 자동공구 교환장치의 순으로 출원비율을 차지하고 있으며, 1999년 이후에는 냉각 안전장치 등 기타장치, 측정 및 제어기술, 고속회전체, 자동공구 교환장치, 고속 고정밀 이송기술의 순으로 출원비율을 차지하고 있다. 일본 특허 출원은 1998년 이전까지는 Okuma Mach. > Toyoda mach. > Mitsubishi electric의 순으로 나타났고, 1999년 이후에는 Amada > Toyoda > Toshiba의 순으로 나타났다.
  특히, Toyoda mach. 에서는 자동공구 교환장치 분야에 대한 출원이 높게 나타났으며, 과거 20 년과 최근 연도에서도 꾸준히 특허출원을 하고 있음을 알 수 있다.
  2-5. 미국의 기술분류별 특허정보 분석 그림 2-5는 공작기계에 대한 기술분류별 미국의 출원(등록)비율을 나타낸 것이다. 1998년 이전 까지는 고속회전체 기술, 측정 및 제어기술, 냉각 안전장치 등 기타장치, 자동공구 교환장치, 고속 고정밀 이송기술의 순으로 출원(등록)비율을 차지하고 있고, 1999년 이후에는 고속회전체기술, 냉각 안전장치 등 기타장치, 고속 고정밀 이송기술, 자동공구 교환장치, 측정 및 제어기술의 순으로 출원(등록)비율을 차지하고 있다. 1998년 이전까지는 Chiron-Werke의 출원(등록)이 가장 많지만, Toyoda나 Fanuc 등 일본출원(등록)인의 출원(등록)도 다수 이루어졌고, 미국 출원인의 출원(등록)은 Boeing이나 IBM 등이 맥을 이었다.
  1999년 이후에는 Lind Finance & Development AB의 출원(등록)이 가장 많지만, Toyoda mach나 Honda Giken Kogyo와 같은 일본 출원(등록)인의 출원(등록)이 다수 차지하고 있다.
 
  2-6. 유럽의 기술분류별 특허정보 분석
  그림 2-6은 공작기계에 대한 기술분류별 유럽의 출원비율을 나타낸 것이다. 1998년 이전까지는 고속회전체기술, 냉각 안전장치 등 기타장치, 측정 및 제어기술, 고속 고정밀 이송기술, 자동공구 교환장치의 순으로 출원비율을 차지하고 있고, 1999년 이후에는 냉각 안전장치 등 기타장치, 고속회전체기술, 자동공구교환장치, 측정 및 제어기술, 고속 고정밀 이송기술의 순으로 출원비율을 차지하고 있다.1998년 이전까지는 유럽특허에 일본의 강세가 두드러졌다. Fanuc이 최다 출원인으로 나타나고 있으며, Bosch, Chiron-Werke 등의 정통 유럽 공작기계업체의 출원이 뒤따른다.
  1999년 이후에도 그리 활발한 편은 아니지만, Toyoda, Fanuc 등의 일본업체의 기술개발 활동이 두드러진다.
3. 특허기술 발전의 추이 및 향후 전망
3-1. 특허기술 발전의 추이
  CNC공작기계에 있어서, 고속회전체기술에서는 설치공간 상의 자유도를 향상시킴과 동시에 워크의 반입작업을 용이하게 할 수 있는 공작기계의 워크반출장치에 대한 출원과 가공하고자 하는 공작물과 같은 실물이나 모형(가공지시면)을 따라 바이트고정축이 자동적으로 이송운동을 하는 것으로 모형(가공지시면)과 같은 윤곽을 깎아내는 장치 등에 대한 출원이 주류를 이루고 있다.
  고속, 고정밀 기술에서는 가공 시에 발생하는 저항력을 감각적으로 파악하는 것이 가능한 역각 제시식 공작기계와 스핀들 수단과 지지부 사이에서 두 개의 병진자유도를 갖는 상대적 운동을 발생하기 위한 디바이스 등에 대한 기술개발이 활발이 이루어지고 있다. 측정 및 제어기술에서는 단속(斷續)절삭부위인지 연속절삭부위인지에 관계없이, 공구절단칼날의 부착물 생성에 의한 공구수 명연장효과를 안정되게 얻을 수 있도록 하는 가공방법과 머신툴의 동작을 검출하기 위한 장치 등에 대한 출원이 주류를 이루고 있다.
  자동공구 교환장치기술에서는 공구의 지탱강성이 뛰어나고 공구와 워크의 간섭이 없어 교환 가능한 공구 수에 제한이 없는 자동공구교환장치부선반과 공구의 언클램프 여부를 확인하여 이에 대해 적절한 조치를 취함으로써, 자동공구교환장치의 부품들의 파손을 막고, 작업자의 안전을 보호하기 위한 기술 등에 대한 연구개발이 이루어지고 있다.
  냉각, 안전장치 등 기타 주변장치기술에서는 환경에 알맞게 높은 가공정밀도를 얻을 수 있는 절삭가공방법과 온도에 의존하여 길이가 변화하는 적어도 하나의 머신 부분을 갖는 머신 툴 등과 같은 기술개발이 주류를 이루고 있다.
 
  3-2. 향후 전망
  지난 50여 년간의 NC 또는 CNC의 발전 단계를 정리하자면, 1950년대에 개발된 NC장치는 하드웨어에 기반하여 구성되었으며 지속적으로 하드웨어를 소프트웨어로 대체하는 방향으로 발전해 왔다.
  특히 1970-80년대의 전자산업 발전에 따라 마이크로프로세서에 의존적인 기능 요소들을 가진 CNC장치로 발전하였다. 하지만 이러한 CNC장치는 기존의 장치에 사용자의 기능을 추가하거나 다른 CNC 시스템과 통신하는 등의 기능을 제공하지 못하는 폐쇄형(Closed) 시스템이었다.
  따라서 1990년대는 CNC제조업체에 의존적인 폐쇄형 CNC장치를 사용자 중심의 CNC장치로 구현하기 위한 개방형 구조 제어기(OAC, Open Architecture Controller)로 전개되어 왔다. 하지만 OAC는 사용자 그룹이 많아서 시장에서 사실상 표준화되어 있는 PC, VME 등을 기반 하드웨어로 사용함으로써 하드웨어 개방형 CNC를 구축하였으나 사용자의 다양한 요구를 만족시킬 수 있는 완전개방형 시스템, 즉 하드웨어 및 소프트웨어 관점에서의 개방형 CNC시스템을 이루지는 못하였다. 따라서 향후 CNC시스템은 이런 OAC의 단점을 개선하고 네트워크 기술에 근간하여 모듈 화된 각종 기능 요소들이 유기적으로 공통의 네트워크에 연결됨으로써, 소프트웨어 관점에서도 개방성을 확립한 완전 개방형 구조를 가진 소프트웨어 기술적 특징이 강한 제어장치인 소프트 NC (Soft-NC)로 발전하는 것이 예상된다.
  완전 개방형을 추구하는 Soft-NC는 시장에서 표준화된 PC를 기반 하드웨어로 채용하고, 소프 트웨어 개방성을 만족하기 위해 고려되어야 하는 객체 지향 기술(object-oriented technology)에 근간하여 시스템이 분석되고 설계된다. 각 기능 소프트웨어 모듈은 소프트웨어 구현에 있어서의 컴포넌트 기술을 이용하여 개발 적용될 것이며, 각 컴포넌트들간의 결합은 실시간 분산처리의 기능을 만족시킬 수 있는 공통의 soft-bus를 이용한 시스템으로 발전할 것이다.
  결과적으로 이 시스템은 공작기계뿐만 아니라 로봇, 자동화 기기 등의 제어기에 공통으로 사용 가능한 구조로서, 표준 데이터 수단을 통해 CAD레벨에서부터 프로세스까지 가공 데이터의 전달을 위한 표준 데이터 포맷으로 STEP을 사용하고, 자유롭게 기능모듈을 편성하고 외부 기능 인터페이 스를 수행하는 실시간 분산처리 환경을 위해 CORBA, 또는 응용 소프트웨어 모듈과 시스템 플랫 폼을 연결하기 위한 응용프로그램 인터페이스(API), 외부와 통신을 위한 인터페이스(TCP/IP), 센서및 시퀀스 제어용 I/O를 위한 다양한 필드버스, 서보계와 CNC장치의 인터페이스 표준화(SERCOS) 등이 구현된 시스템이 될 것이다.
  이러한 Soft-NC를 채용한 공작기계는 모듈화, 표준화, 분산화의 개념을 적용한 개방형 시스템을 적용된 공작기계로 STEP 근간의 파트프로그램을 받아 CORBA또는 API에 독립적으로 연결된 해석기, 공구경로 생성기를 통해 최종적으로 표준화된 통신환경을 통해 각 축 제어용 서보계에 전달된다. 이러한 일련의 과정이 수행되는 동안에 사용자가 임의로 추가하여 공통의 소프트버스에 연결한 운영상태 모니터링 모듈과 적응제어 모듈이 동시에 수행된다. 필요에 의해 자체 시스템의 기능 이외에도 외부 시스템에 존재하는 응용 모듈의 기능에 접근하는 분산 네트워크 제어 기능도 가진다. 따라서 향후의 NC장치는 마이크로 프로세서 및 통신 시스템의 성능 향상에 따라 좀더 지능적이고 복잡 다양한 작업을 자율 분산화된 환경으로 처리할 것이다. 즉 센서로부터 얻은 가공 프로세서 상태를 인식하여 최적 및 고정도의 가공이 이루어지도록 실시간으로 보정하는 기능을 가지며, 각 제어장치 또는 셀 제어기, 그리고 생산 계획 시스템등과 통신을 구축하고 주요 생산 데이터를 공유하여, NC스스로의 의사 결정에 따라 작업을 진행해 가는 자율 분산형 시스템으로 발전할 것이다.
4. 결언
이상에서 CNC공작기계의 전체적인 기술동향을 정량적 분석방법에 따라 설명하였으며, 추후 보강되는 자료에는 CNC공작기계의 핵심 특허를 정성적 분석방법에 따라 설명하기로 한다.
  출처 : 특허청 발간 ‘CNC 공작기계의 Patent Map’

 
TAG :  공작기계  남앤드남국제특허법률사무소  특허  CNC
 
 
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