AI기반 회전체 불균형 계측, 0.1 마이크로미터 한계를 넘다

- 기계연·㈜피앤에스, 최고 성능급 자동화 밸런싱 머신 핵심기술 확보, 첫 상용화 -

- 일본 수출규제 대응 성과… 0.1㎛급 잔류 불균형 검출로 정밀 제조장비 기술 자립 -

□ 회전체의 미세한 질량 불균형을 자동으로 정밀 측정·교정할 수 있는 최고 성능급 고정밀 밸런싱 머신 장비를 국내 최초로 개발하여 첫 상용화에 성공했다. 이번 성과는 일본이 전략물자로 분류할 만큼 국가 핵심 제조산업에 필수적인 장비를 국내 기술로 국산화하고, 실제 산업 현장에 적용해 상용화까지 이뤄냈다는 점에서 의미가 크다.

□ 국가과학기술연구회(이사장 김영식) 산하 한국기계연구원(원장 류석현, 이하 기계연) 가상공학플랫폼연구본부 AX융합연구센터 김병옥 책임연구원은 ㈜피앤에스(대표 박봉수)와 함께 고정밀 자동화 밸런싱 머신 핵심기술을 개발했다. 이번 기술은 2020년부터 산업통상부 지원으로 「고정밀 밸런싱 머신 자동화 시스템 개발」과 「데이터 기반 지능형 밸런싱 머신 시스템 실증」 과제의 수행 성과다.

기계연 가상공학플랫폼연구본부 AX융합연구센터 김병옥 책임연구원

□ 연구진은 실제 산업 현장에서 요구되는 반복 정밀도와 내구성 확보에 초점을 맞추고, 장비 스스로 상태를 진단하고 계측 정확도를 관리할 수 있는 지능형 구조를 구현하였다. 이를 통해 장비 성능 신뢰성과 반복 정밀도를 종합적으로 향상시키고 생산라인에 바로 적용 가능한 자동화 밸런싱 머신 기술을 확보하였다.

□ 밸런싱 머신은 회전체에 존재하는 질량 불균형을 정량적으로 측정하고 이를 국제규격(ISO 21940-11)에서 규정하는 허용 범위 이내로 교정하는 장비다. 기존 해외 선진 제품은 수동 또는 반자동 방식에 의존해 측정과 교정 기능에 초점이 맞춰져 있어, 장비 성능의 신뢰성 확보와 반복 정밀도 유지에 한계가 있었다.

□ 기계연이 개발한 자동화 밸런싱 머신은 진동센서 기반 고감도 불균형 측정 기술과 고속 신호처리 기술을 적용해 mg 단위의 미세 불균형을 정밀하게 검출할 수 있다. 여기에 AI 기반 데이터 정제 알고리즘을 적용해 측정 과정에서 발생하는 비정상 신호와 노이즈를 자동으로 제거함으로써 측정 신뢰성과 반복 정확도를 동시에 구현했다.

기계연 김병옥 책임연구원이 고정밀 밸런싱 머신에 대해 설명하고 있다.

□ 또한 절삭 속도·깊이·위치 제어를 통합한 폐루프(Closed-loop) 교정 알고리즘을 적용해 회전체 형상과 재질, 회전속도 변화에 따라 최적의 교정 조건을 자동으로 산출한다. 이를 통해 최고 수준의 정밀 교정 성능을 구현했으며 장비 스스로 정확도를 유지하는 자율 검교정 기능도 내장했다.

□ 개발된 밸런싱 머신은 센서 이상, 계측 오류, 구동 불안정 상태를 실시간으로 감지하는 지능형 진단 로직을 탑재해 장비 신뢰성과 안정성을 높였다. 주요 구성 요소가 모듈화돼 있어 사용자 요구사항을 신속히 반영할 수 있으며 생산라인 품질관리 기준장비로 즉시 활용 가능한 수준의 실용성을 갖췄다.

전기차 트랙션 전동기 회전체의 불균형 교정장비

□ 해당 기술은 2025년 7월 친환경 자동차 부품을 생산하는 A사에 첫 납품 계약을 체결하며 상용화에 성공했다. 전량 수입에 의존하던 자동화 밸런싱 머신을 국산 장비로 대체함으로써 공급망 불확실성을 해소하고 자동차·에너지·항공·국방 등 국가 전략산업의 품질 경쟁력 강화에 기여할 것으로 기대된다.

하이브리차 회전 부품의 불균형 계측장비(첫 상용화 사례)

□ 기계연 AX융합연구센터 김병옥 책임연구원은 “이번 기술개발은 전략물자로 지정될 만큼 중요도가 높은 자동화 밸런싱 머신을 국내 기술로 자립화하고, 실제 산업 현장에 적용해 성과를 입증했다는 점에서 의미가 크다”며 “정밀 제조공정의 품질과 신뢰성을 높이는 핵심 장비로 활용될 수 있도록 후속 기술 고도화와 적용 분야 확대를 지속해 나가겠다”고 밝혔다.