Digital Twin of Dual Servo Machine Tool Based on Game Engine = 게임엔진 기반 듀얼서보 공작기계의 디지털 트윈

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 게임엔진을 기반으로 듀얼서보 공작기계에 디지털 트윈 기술을 적용했다. 4차 산업혁명 시대가 다가오면서 산업의 디지털화가 촉진되었고 디지털화를 위한 기술들이 발전함에 따라서 디지털 트윈의 관심이 높아졌다. 디지털 트윈이란, 현실 속 사물을 가상 속에 똑같이 복제하여 현실과 가상의 상호작용을 돕는 기술로 모니터링 시스템, 예측 시스템, 원격 제어 시스템 등 다양한 방면의 시스템을 제작할 수 있다. 디지털 트윈을 적용한 시스템을 만들면 시간적, 비용적 절감 효과를 볼 수 있다. 국외에서는 이미 디지털 트윈을 국가 기술의 핵심으로 생각하고 기술의 발전을 도모 중이고, 국내에서도 대기업을 중심으로 그 크기를 점차 키워나가고 있다. 디지털 트윈의 기술 발전 단계는 총 5단계로 볼 수 있는데, 현재의 기술력으로는 3단계까지 진행되었다. 하지만 3단계까지의 기술 발전에도 현실감과 실감성이 저조하고, 가상세계에서 현실 세계를 제어하는 단계까지는 미치지 못했다. 따라서 본 연구에서는 현실과 가상의 객체를 동기화하여 실감형 시뮬레이션 및 원격제어를 통해 디지털 트윈의 양방향성을 확보한다.
디지털 트윈을 적용하기 위해서 초기에 디지털 트윈이 발현한 시점부터 현재까지 많은 연구가 진행되고 있는 생산 및 제조에 초점을 두어 빠질 수 없는 요소인 공작기계를 대상으로 했다. 공작기계의 종류는 여러 가지이지만 공간 활용도가 높아 대형 공작기계에 많이 사용되는 갠트리형 공작기계를 다루었다. 디지털 트윈 시스템의 가상세계를 제작하기 위해서 뛰어난 그래픽으로 현실감과 실감성을 높여줄 수 있는 게임엔진인 언리얼 엔진 4를 사용했다. 디지털 트윈 시스템의 데이터 통신을 위해서 아두이노를 기반으로 게이트 웨이를 제작했다. 현실 세계 속 데이터를 가상세계 속으로 가져오기 위해서 리니어 스케일을 사용했고, 가상 세계 속 데이터를 현실 세계 속으로 보내기 위해서 벡호프 사의 I/O 장치를 사용했다.
본 연구에서는 게임엔진을 기반으로 하여 제작한 현실 세계와 가상세계 디지털 트윈을 통해 다양한 이점과 가능성을 확인했다. 현실의 사물을 가상으로 복제하여 다양한 시뮬레이션을 통해 현실에서 발생할 수 있는 결함을 줄이고 장비의 고장, 사고 등을 예측하여 시간적, 비용적 절감 효과를 볼 수 있을 것으로 예상한다. 또한, 가상세계에서 현실 세계를 원격제어함으로써 위험한 현장에 인간이 직접 가지 않고도 현실 세계의 객체를 제어할 수 있고, 다양한 환경에 적용한다면 더 많은 방면에서 사용 가능할 것이다. 하지만 디지털 트윈 기술 발전을 위해서는 높은 수준의 투자가 필요하고 인프라 구축을 위해서 많은 기업과 산업이 동참해야 하는 필요성이 있어 현실적으로 어려움이 존재한다. 또한, 소프트웨어를 기반으로 하므로 데이터 보안에서도 문제가 있다. 이러한 문제들을 해결하고 보완한다면 디지털 트윈을 다방면에 적용하여 새로운 기술 및 산업에 발돋움할 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study applied digital twin technology to a dual servo machine tool based on a game engine. As the era of the 4th industrial revolution approaches, the digitalization of industries has been promoted, and interest in digital twins has increased as technologies for digitalization have developed. A digital twin is a technology that replicates objects in the real world in a virtual environment and helps the interaction between the real and the virtual and can produce various systems such as monitoring systems, prediction systems, and remote control systems. Building a system that applies a digital twin can reduce time and costs. Overseas countries are already considering the digital twin as the core of national technology. They are seeking technological development, and domestically, it is gradually growing in size, centered on large corporations. The technological development stages of the digital twin can be seen in a total of 5 stages, and with the current technology, it has progressed to 3 stages. However, even with the technological development up to the third level, the sense of reality and reality was low, and it did not reach the stage of controlling the real world in the virtual world. Therefore, in this study, the interactive nature of the digital twin is secured through immersive simulation and remote control by synchronizing the real and virtual objects.
In order to apply the digital twin, we focused on production and manufacturing, where much research has been conducted from when the digital twin first appeared to the present and targeted machine tools, which are indispensable elements. There are many machine tools, but we dealt with gantry-type machine tools that are often used in extensive machine tools because of their high space utilization. In order to create the virtual world of the digital twin system, Unreal Engine 4, a game engine that can enhance realism and sensibility with excellent graphics, was used. For data communication of the digital twin system, a gateway was created based on Arduino. A linear scale was used to bring data from the real world into the virtual world, and Beckhoff's I/O devices were used to send data from the virtual world to the real world.
This study confirmed various benefits and possibilities through the digital twin of the real world and the virtual world created based on the game engine. It is expected that time, and cost savings can be achieved by virtually replicating real objects and reducing defects that may occur in reality through various simulations and predicting equipment failures and accidents. In addition, remotely controlling the real world in the virtual world makes it possible to control objects in the real world without a human being directly going to a dangerous site. If applied to various environments, it will be available in more ways. However, there are real difficulties as a high level of investment is required for developing digital twin technology and for many companies and industries to participate in infrastructure construction. In addition, since it is based on software, there is a problem with data security. If these problems are solved and supplemented, digital twins can be applied in various fields to advance into new technologies and industries.

목차 (Table of Contents)

• Table of Contents
• List of Figures
• Abstract
• Ⅰ. Introduction 1
• 1.1 Research Background 1
• 1.1.1 Digital Twin 1
• 1.1.2 Digital Twin Applications 2
• 1.1.3 Domestic and International Trends in Digital Twins 3
• 1.1.3.1 Domestic and International Policy and Market Trends 3
• 1.1.3.2 Domestic and International Enterprises Trends 4
• 1.2 A Prior Study 5
• 1.3 Research Purpose 6
• Ⅱ. Body 8
• 2.1 System Configuration of Digital Twin 8
• 2.1.1 Selection of Application Target 8
• 2.1.2 Game Engine 8
• 2.1.2.1 Unity 9
• 2.1.2.2 Unreal Engine 9
• 2.1.2.3 Selection of Game Engine 10
• 2.1.3 Configuration of Real World 10
• 2.1.4 Configuration of Virtual World 11
• 2.2 Digital Twin Mirroring 13
• 2.2.1 Mirroring the Real World in the Virtual World 13
• 2.2.1.1 How to Receive Real World Data 13
• 2.2.1.2 System Configuration to Receive Real Data 15
• 2.2.1.3 Virtual World Blueprint 16
• 2.2.2 Mirroring the Virtual World in the Real World 17
• 2.2.2.1 Real World Clone Blueprint 17
• 2.2.2.2 How to Send Virtaul Data 21
• Ⅲ. Conclusion & Refelction 23
• 3.1 Digital Twin Simulation 23
• 3.2 Consideration of Simulation Results 23
• Ⅳ. Summary 25
• References 27
• List of Figures