, 기계공작 이외의 뜻에 대한 내용은 CNC(동음이의어) 문서
참고하십시오.| '''[[기계공학|기계공학 {{{#!wiki style="font-family: Times New Roman, serif; font-style: Italic"]]''' | ||
| {{{#!wiki style="margin: 0 -10px -5px; min-height: calc(1.5em + 5px);" {{{#!folding [ 펼치기 · 접기 ] {{{#!wiki style="margin: -5px -1px -11px; word-break: keep-all;" | 기반 학문 | |
| 물리학{고전역학(동역학 · 정역학(고체역학 · 재료역학) · 진동학 · 음향학 · 유체역학) · 열역학} · 화학{물리화학(열화학) · 분자화학(무기화학)} · 기구학 · 수학{해석학(미적분학 · 수치해석 · 미분방정식 · 확률론) · 대수학(선형대수학) · 이산수학 · 통계학} | ||
| 공식 및 법칙 | ||
| 뉴턴의 운동법칙 · 토크 · 마찰력 · 응력(전단응력 · 푸아송 비 · /응용) · 관성 모멘트 · 나비에-스토크스 방정식 · 이상 기체 법칙 · 차원분석(버킹엄의 파이 정리) | ||
| <colbgcolor=#CD6906,#555> 기계공학 관련 정보 | ||
| 주요 개념 | 재료(강성 · 인성 · 연성 · 취성 · 탄성 · 경도 · 강도) · 백래시 · 피로(피로 파괴) · 페일 세이프(데드맨 스위치) · 이격(공차 · 기하공차) · 유격 · 자유도 · 방열 · 오버홀 · 열효율 · 임계열유속 · 수치해석(유한요소해석 · 전산유체역학 · 전산응용해석) | |
| 기계 | 공작기계 · 건설기계 · 농기계 · 수송기계(자동차 · 철도차량 · 항공기 · 선박) · 광학기기(영사기 · 카메라) · 로봇 · 시계 | |
| 기계설계·기계제도 | 척도 · 표현 방식(입면도 · 단면도 · 투상도 · 전개도) · 도면(부품도 · 제작도 · 조립도) · 제도용구(제도판 · 샤프 · 자 · 삼각자 · 컴퍼스 · 디바이더 · 템플릿) · CAD | |
| 기계요소 | 하우징 · 결합요소(나사 · 리벳 · 못 · 키 · 핀) · 동력 전달 요소(베어링 · 기어 · 톱니바퀴 · 체인 · 벨트 · 도르래 · LM · 가이드 · 볼스크류 · 축 · 슬리브 · 커플링 · 캠 · 크랭크 · 클러치 · 터빈 · 탈진기 · 플라이휠) · 관용 요소(파이프 · 실린더 · 피스톤 · 피팅 · 매니폴드 · 밸브 · 노즐 · 디퓨저) · 제어 요소(브레이크 · 스프링) · 태엽 · 빗면 | |
| 기계공작법 | 공작기계(선반(범용선반) · 밀링 머신(범용밀링) · CNC(터닝센터 · 머시닝 센터 · 3D 프린터 · 가공준비기능 · CAM)) · 가공(이송 · 황삭가공 · 정삭가공 · 드릴링 · 보링 · 밀링 · 워터젯 가공 · 레이저 가공 · 플라즈마 가공 · 초음파 가공 · 방전가공 ) · 공구(바이트 · 페이스 커터 · 엔드밀 · 드릴 · 인서트 · 그라인더 · 절삭유) · 금형(프레스 금형) · 판금 | |
| 기관 | 외연기관(증기기관 · 스털링 기관) · 내연기관(왕복엔진(2행정 기관 · 4행정 기관) · 과급기 · 가스터빈 · 제트 엔진) · 유체기관(풍차 · 수차) · 전동기 · 히트펌프 | |
| 기계공학 교육 · 연구 | ||
| 관련 분야 | 항공우주공학 · 로봇공학 · 메카트로닉스 · 제어공학 · 원자력공학 · 나노과학 | |
| 학과 | 기계공학과 · 항공우주공학과 · 조선해양공학과 · 로봇공학과 · 금형공학과 · 자동차공학과 · 기전공학과 · 원자력공학과 | |
| 과목 | 공업수학 · 일반물리학 · 4대역학(동역학 · 정역학 · 고체역학 · 유체역학 · 열전달) · 수치해석 · 프로그래밍 · 캡스톤 디자인 | |
| 관련 기관 | 국가과학기술연구회(과학기술분야 정부출연연구기관) | |
| 자격증 | ||
| 기계제작 계열 | 기능사 컴퓨터응용선반기능사 · 컴퓨터응용밀링기능사 · 기계가공조립기능사 · 전산응용기계제도기능사 · 정밀측정기능사 | |
| 산업기사 및 기사 컴퓨터응용가공산업기사 · 기계조립산업기사 · 기계설계산업기사 · 정밀측정산업기사 · 일반기계기사 | ||
| 기능장 및 기술사 기계가공기능장 · 기계기술사 | ||
| 항공 계열 | 기능사 항공기정비기능사 · 항공전기·전자정비기능사 | |
| 산업기사 및 기사 항공산업기사 · 항공기사 | ||
| 기능장 및 기술사 항공기관기술사 · 항공기체기술사 | ||
| 기타 | ||
1. 개요
컴퓨터 수치 제어(Computerized Numerical Control)
컴퓨터 마이크로 프로세서를 내장한 수치 제어 공작 기계[1] 및 이를 응용한 기계공작 전반을 일컫는다. 요즘은 CNC라고 부르기보다는 "C"를 빼고 NC라고 부르는 경향이 강하다. 특히 CNC 밀링에 공구를 자동으로 교체해주는 장비인 ATC(Automatic Tool Changer)까지 포함되면 머시닝센터(MCT)라 불린다. 보통 ATC 없는 CNC밀링은 NC밀링이라 부른다.
2. CNC 구성 요소[2]
컴퓨터: CNC 시스템 소프트웨어를 실행, 제어 명령을 해석, 기계 작동 결정제어 소프트웨어: CAD나 CAM 파일로부터 기계 작동 명령을 생성하고 전달
드라이브 시스템: 각각의 축을 제어하기 위해 사용되는 시스템, 모터와 엔코더를 포함하며 명령에 따라 축의 이동과 회전 제어
I/O 인터페이스: 다양한 입출력 장치와의 통신을 위한 인터페이스, 버튼, 스위치, 센서 등을 통해 상호작용 가능
3. 역사
범용 공작 기계는 수동으로 공작물을 가공하다보니 정밀 부품을 대량 생산하는 것이 불가능하다. 그러나 CNC는 컴퓨터에 의해서 정확한 수치로 절삭 공구의 움직임을 자동 제어하기 때문에 정밀 부품의 대량 생산을 가능케 한다. 또한 절삭공구가 입체적인 경로로 이송되면서 극미세 오차범위 안에서 매끄럽게 곡면 부품을 가공해주므로 종전의 방식과는 제품의 가공 수준이 전혀 다르다. 최초의 CNC 머신이 개발된 곳은 1952년[3] 미국 MIT이며, 한국은 카이스트와 화천기계에서 1973년에 연구 및 개발이 시작되고 1977년에 시제품이 나왔다.개발 이후 제1세계에서는 신속하게 널리 퍼졌다. 한국도 1970년대부터 미국과 일본 등으로부터 기기를 도입하였으며, 나중에는 국내에서 자체 개발, 생산하고 있다.[4] 한국에서 과거 2000년대 초반 정도까지는 CNC 공작기계들을 수입산을 많이 썼으나 이후로는 상황이 많이 달라져서 지금은 현대위아를 비롯한 한국 기업들의 CNC 공작기계들을 많이 쓴다. 특히 현대위아는 2016년부터 국내 CNC 업계에서 화낙을 밀어내고 확고한 1위 자리를 계속 지키고 있다.
현대위아는 모기업인 현대자동차그룹의 막대한 자본력을 바탕으로 컨트롤러의 완전 자립에 성공[5]했으며, IT기술을 접목하여 모바일 기기에서 공정 전체를 통합관리하는 기능을 제공하는 등 업무 통합 측면에서 외국의 CNC 장비보다 우월한 측면이 있다. 또한, CNC 장비는 정비 소요가 대단히 많은데 현대위아의 경우 전국 1일 출장정비 시스템을 갖추고 정비 서비스를 제공하고 있기 때문에 이 점도 외국 업체가 절대 따라올 수 없는 절대적 우위를 점하고 있다. 조작반 역시 완전 한국어화가 이뤄져 있어, 비숙련자도 매뉴얼을 보고 조작할 수 있을 정도로 조작도 용이하다.
한때 국산 CNC장비도 컨트롤러만큼은 독일의 지멘스나 일본 화낙의 것을 장착하는 경우가 많았으나, 꾸준한 기술 개발로 2020년대에 들어선 현대와 두산의 장비는 국산 컨트롤러를 채용하고 있다. 특히 4차 산업혁명이 가져올 공정 자동화에도 CNC가 얼마든지 투입될 수 있기 때문에, 이 변화에 누가 발빠르게 대응하는지가 업력만큼이나 중요할 것이다.
CNC 기능직 취업으로 일부 자격증을 요구하는데도 있다. 관련 자격증으로 컴퓨터응용선반기능사, 컴퓨터응용밀링기능사, 컴퓨터응용가공산업기사, 사출금형산업기사, 프레스금형산업기사, 사출금형기사, 프레스금형기사, 금형제작기능장, 기계가공기능장, 금형기술사등이 있다.
3.1. 구 소련
CNC는 군사 분야와도 밀접한 관계를 가지는데, 이런 정밀한 가공 능력이 특히 유체역학적 부품을 제조하는 데에는 필수적이기 때문. 냉전 시절에 CNC는 대(對) 공산권 수출통제위원회협정(COCOM)에 의해 수출이 금지된 품목 중 하나이기도 했다. 냉전과 그 영향이 짙던 시기에는 COCOM의 통제를 과잉 평가하고 미 · 소 간의 대립을 너무 심하게 강조해서 미 · 소 간의 교류가 전혀 없었던 것처럼 묘사하는 문제가 극심해서 소련이 기술 도표를 빼내서 CNC를 몰래 개발하고, 그러고도 성능이 부족해 몰래 수입까지 했다고 보는 잘못된 인식이 널리 퍼져 있었다.미국이 수출을 제한하긴 했지만, 소련은 공식 · 비공식적인 경로로 CNC를 확보했고 제3국을 경유하거나, 경제적으로 교류하던 서방 국가들로부터도 CNC를 구했다. 그러나, 자체 제작한 CNC의 성능이 부족했기 때문에 선진국들로부터 수입하는 일이 많았다. COCOM의 제한과 미국의 압력이 있긴 해도 소련은 세계 각국과 지속적으로 교류를 해왔고, 소련과 서방 국가 간의 민간 경제 교류는 미국도 서방 국가들의 불만을 우려해서 그렇게까지 압박하지 않았다. 그러나, CNC와 관련해 미국이 깜짝 놀란 사건이 있다.
일본의 대기업인 도시바가 무려 1984년까지 노르웨이의 콩스버그[6]를 통하여 자사의 최신 CNC 공작 기계들을 적성국가인 소련에 밀수출한 일이 바로 그것. ##
도시바와 콩스버그는 1981년에 소련의 국가 수입 기관인 '테흐마시임포르트'(Техмашимпорт)[7]와 계약을 체결하여 1983년에 4대의 9축 밀링머신을, 1984년에 4대의 5축 밀링머신과 9축 밀링머신에 필요한 수치 제어기를 비밀리에 인도하였다. 두 기업은 수출 제한을 피하기 위해 민수용 장비라고 용도를 조작한 것은 물론, 장비의 사용 용도와 능력을 축소하여 신고하였고, 장비들은 소련 레닌그라드 근교의 발트 조선소에 배송되었다.
소련은 이렇게 획득한 장비를 이용해 소음을 크게 개선한 잠수함 스크루를 개발하고, 당시 소나 음파탐지로 소련 잠수함을 추적하던 미국은 어느 순간부터 갑자기 소음이 확 줄어들어서 추적이 어려워지자 크게 놀라고 한바탕 난리가 나기도 했다.
그러던 중 1986년 말 미국 정부의 귀에 이 사실이 들어오게 되었고[8], 1년 뒤 CoCOM 위원회 정기총회에서 이 사실이 공개되며 일명 "도시바-콩스버그 스캔들"(Toshiba-Kongsberg Scandal)은 큰 논란으로 비화된다. 미국 의회에서는 다자간수출통제촉진법(Multilateral Export Control Enhancement Act)을 채택하면서 동시에 도시바 제품에 대해 미국 정부와의 계약 금지, 미국 정부 측의 구입 금지 법안을 채택하였다.[9] 도시바는 당시까지 역대 최대의 금액을 투입하며 1987년부터 1989년까지 대대적인 로비 활동을 펼치며 발버둥쳤고,[10] 이 법안은 1991년 12월 28일까지 유효하였다. 이 사건은 국제법적으로도 여러 논점을 제공하는데, 특히 국내법의 역외적 적용이 가능한 지가 큰 쟁점이었다.
3.2. 북한
냉전은 끝났지만 CNC 기술은 여전히 몇몇 국가에 대한 수출 제한 품목으로 지정되어 있다. 특히 북한이나 이란 등이 그 대상이다.그런데 북한은 2009년경 CNC를 자체적으로 성공했다. 이후 김정일이 유공자들을 불러서 몇 번이고 치하하는 등 북한 내에서는 분위기가 장난이 아니었다고 한다. 거기에 선전 노래(...)까지 만들었다. 마침 후계를 준비하던 시기여서 CNC 개발은 44년 만에 이룬 월드컵 본선 진출과 함께 김정은의 공으로 선전되었고, 온갖 문구에다 'CNC화'라는 말을 갖다 붙이고 있는 모양으로 가령 "CNC화 된 현대적인 식료공장을 일떠세우고 생산을 높은 수준에서 정상화 함으로써 인민들의 식생활 향상에 크게 기여하고 있습니다."라고 선전하는 식이다. 공장 자동화 같은 개념까지 "CNC"라는 용어에 묻어가는 것으로 보인다.
개발은 했으나 전력공급 문제로 운용에 상당한 차질을 빚는 모양이다. 관련기사
CNC 자체의 공구 경로 생성 부분의 기술적 난이도는 오늘날에 와서는 그다지 높지 않다. 사실 CNC는 그 자체만으로는 정밀함과 상관이 없다. 정밀한 볼스크류와 백래시 제거 장치 및 인덱스 유닛 등이 뒷받침이 되어야 비로소 정밀함을 가진다. 이런 것이 적용되지 않은 저가 물건들은 심지어 중국산 제품들도 비집고 들어와 있는 상황이다. 예를 들면, DIY나 CNC 같은 것은 위 영상처럼 금속을 정밀하게 가공하는 건 무리라도 나무 정도는 조각할 수 있다. 심지어 북한의 CNC 기술이 그들이 주장하는 자체 개발이 아니라, 중국과 협력해 개발했거나 또는 중국의 기술을 도입해온 것을 왜곡해 선전하고 있는 것 아니냐는 의심도 받았었다. 사실 자체 개발이든 아니든 원하는 기술의 원천을 습득했고 활용만 원하는 방식으로 해내면 그만인지라 사실 중요한 건 아니다. 후술 하다시피 CNC는 핵무기 제조에 관여하는 기술이었는데 결과적으로 핵무기를 다량 보유하게 된 현시점에서 보면 제대로 된 기술이었던 것으로 보인다.
북한은 1980년대부터 CNC의 전 단계인 NC분야를 독자화하려는 노력을 하였으나 실패하였다. 그러다 1990년대 중반에 들어서야 NC를 독자화했고, 제품 품질이나 기능 수준이 준수한 것으로 인정받아 2000년까지 동남아시아, 아프리카 지역 국가들에 수백여 대를 수출하기도 했다. 2000년대 들어서는 CNC의 독자화에 박차를 가해 2009년에 진정한 의미의 2 계통 CNC를 독자 개발 및 생산하는 데 성공했다. 북한이 CNC를 자체 개발에 성공했다고 대대적으로 축하한 것이 바로 2 계통 CNC이다.[11]
그리고 2010년 9축 CNC, 2011년에는 11축 CNC를 제작했고 최근에는 13축 CNC까지 만들었다는 이야기가 있다. 즉 북한의 CNC가 2009년에 갑자기 짠 나타난 것이 아니라 30년 넘게 북한이 자체적으로 연구 발전시켜 온 것이라는 것이다. 아마도 이것은 핵과 미사일 개발과도 연관이 있을 것이라는 추측이 강하다. 정밀도가 높은 부품들을 생산하기 위한 목적이 강하고 실제 CNC가 처음에 사용된 분야도 군수공업분야였다.
| 파일:cnc.jpg | |
| 북한의 선전용 보도사진 | |
북한이 이렇게 기뻐하는 이유를 이해하기 위해서는 핵무기의 결합방식을 알아야 할 필요가 있다. 핵무기를 만들기 위해서는 물질을 임계질량에 도달시켜야 하며, 이를 위한 방법으로는 두 가지가 알려져 있다. 첫 번째는 포신형이라 부르는 방법으로 이는 양분된 임계질량 이하의 물질을 하나로 결합하여 임계질량 이상으로 만드는 것, 즉 우라늄 타깃에 빌렛에 달린 폭탄을 터뜨려 결합시킨 뒤 임계질량 이상의 상태로 만들어 터뜨린다. 두 번째는 내폭형이라 부르는 방법이다. 이는 아임계질량을 가진 핵폭탄의 주변을 일반적인 폭탄으로 감싸고 폭발을 일으켜 핵분열물질을 강하고 빠르게 압축시켜 초임계 상태로 만드는 방법이다.
내폭형 핵무기는 포신형 핵무기보다 작고 높은 효율을 자랑한다. 그 이유는 두 개의 질량을 합치는 것이 아니라 밀도를 높이는 것이고 밀도를 높이는 것은 연쇄반응의 중성자 곱인자를 증가시키는 것과 같기 때문이다. 즉 같은 질량이라도 압축 밀도가 올라가면 위력이 더 세진다는 뜻이다. 이를 위해서는 아주 정밀하고 고효율적인 렌즈 폭발 시스템이 핵심적으로 필요하다. 이를 제작하기 위해서는 매우 정밀한 CNC가 요구된다. 카메라 렌즈 금형 깎는 정도, 또는 그보다 더 정밀해야 할 수도 있다. 북한으로써는 핵무기 개발의 한 걸음을 나아간 거니 축하하고 기뻐하지 않을 수가 없었을 것이다. 북한의 CNC가 과연 핵무기 생산에 투입할 수 있을 정도의 정밀성을 갖춘 물건인지는 확인된 바 없으나, 북한이 여러 핵무기를 확보한 2023년의 시점에서 되돌이켜보면 지금까지는 충분히 정밀했던 것 같다.
4. 사용기업 예
여담으로, 애플이 좋아한다. Apple이 맥북 프로를 시작으로 자사 제품군에 CNC 가공을 대대적으로 도입하였다. 맥북 제품군에 CNC 생산을 도입하기 위해 CNC 장비를 사들였기 때문. # 가격은 둘째 치더라도 한 기업이 대량으로 구매해주면 공급처는 아쉬울 게 없는 상황이라 다른 기업들은 웃돈을 주더라도 CNC 기기를 구하기 힘들어지게 되는 것이다.그리고 2014년에 또 산다.덕분에 맥북 프로는 이 당시 기업용이 아닌 개인이 구입할 수 있는 제품 중에서 하우징 면에서 기술이 도입된 랩탑이었다. 통짜 알루미늄의 내부를 파낸 뒤 부품을 채워 넣는 방식으로 물리적으로 유격이 존재할 가능성이 있는 대부분의 파트를 없애버린 혁신적인 하우징이었다. 이는 도입되는 기술의 레벨이 외계인 고문 수준인 것은 아니었지만, 규모의 경제로 저렴하게 질 좋은 물건을 공급하는 것을 실현한 사례가 된다. 2010년 후반대에는 데스크톱 시장의 역성장, 그리고 여러 PC 제조 기업들이 이런 상황의 탈출구를 여전히 성장 중인 랩탑 시장으로 잡으면서 전체적인 질이 급격히 성장한 편이지만 2010년 초반대 맥북 프로는 랩탑 시장에서 하우징에 한하면 최상급 품질을 자랑했다.
5. CNC 데모 영상
하우징면에서 금형 생산 방식 대신 하나 하나 CNC 머신 가공되는 분야도 많다. 통짜 알루미늄의 내부를 파낸 뒤 부품을 채워 넣는 방식으로 물리적으로 유격이 존재할 가능성이 있는 대부분의 파트를 없애버린 하우징이었다. 수작업 생산에 비하면 비용이 훨씬 저렴하지만, 당연히 주조에 비해서는 훨씬 비싸다.
5축 CNC를 이용해서 엔진블록을 통째로 가공도 가능하다. 거의 대부분의 엔진은 주조로 만들기 때문에 일반적인 생산 방법은 아니다. 소량생산인 품목이다보니 주조보다 가격경쟁이 좀 더 나은 것.
통짜 블록을 처음부터 깎아서 만들어도 CNC고, 주물로 다 떠놓은 물건을 기계에 물려서 표면만 살짝 깎아서 다듬어도 CNC다. 장난감 부품 같은 사소한 물건에 난데없이 CNC라는 말이 붙어있으면 후자인 경우가 많다.
중국제 정밀 부품 가격이 매우 저렴해 지면서 직접 DIY도 가능하다. DIY CNC 기기는 프레임, 모터, 드라이버, 콘트롤 소프트웨어로 구성된다. 단순한 3축 CNC라면 3D 프린터를 개조하는 걸로도 만들 수 있는데, 이를 어필해서 Snapmaker처럼 모듈식으로 교체 가능한 제품도 있다. grbl등 세미프로용 콘트롤 소프트웨어도 있다. g-code 리딩 및 모터 콜트롤이 주 역할이다.
6. 관련 자격증
| {{{+2 {{{#FFFFFF 공작기계 관련 자격증}}}}}} | ||||||
| <colbgcolor=#f5f5f5,#333> 국가기술자격 | 161. 기계제작 | 기능사 | 컴퓨터응용선반기능사 | |||
| 컴퓨터응용밀링기능사 | ||||||
| 기계가공조립기능사 | ||||||
| 산업기사 | 컴퓨터응용가공산업기사 | |||||
| 기계조립산업기사 | ||||||
| 기능장 | 기계가공기능장 | |||||
7. 관련 문서
[1] 크게 터닝 센터 및 머시닝 센터로 나뉜다.[2] 바로발주 매거진,절삭 가공 컨트롤러 기술의 모든 것 - 1편[3] 최초의 CNC는 천공카드를 사용했다.[4] 국산의 CNC 장비 주요 메이커는 DN솔루션즈, 현대위아, 화천이 있다.[5] 현대자동차그룹 직영공장이나 밴더사에만 납품해도 수요가 어마어마하기 때문에 과감한 투자가 가능했다고 한다. 쉽게 이야기해서 돈과 시간이 많이 들어가도 일단 개발만 해내면 손익분기에 도달하는 데 큰 문제가 없었던 것이다.[6] 총덕들에겐 M1911 파생형중 하나인 콘즈베르크 M1914로 유명하다.[7] 기술(технология)+기계(машина)+수입(импорт)의 합성어.[8] 이 사실을 전해 준 사람은 관련 기업인 와코무역주식회사(和光貿易株式会社)에서 일하던 직원 쿠마가이 도쿠로, 그는 미국 정부의 정보원이었다.[9] 당시 분위기가 얼마나 흉흉했는지, 미국 의원들이 직접 도시바 제품을 망치로 박살내는(...) 퍼포먼스를 선보이기도 했다.[10] 당시 도시바 측은 기업 "도시바"와 기기를 수출한 "도시바 기계공업"(Toshiba Machine)은 다른 회사라고 설득하는 방식으로 로비를 진행하였고 어느 정도 성과를 거두었다.[11] 《북한의 공작기계 산업》, KOTRA 북한실, 하승범., 2010.