KR19990077013A - 공구 상태에 대한 자동 모니터링 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 주어진 기계 가공에 따라 공작물을 절삭할 때의 스톡 제거 컷터 및 이 스톡 제거 컷터와 동일한 종류이고 기준 평균 공구 마모 계수 Ro를 갖는 사실상 새로운 스톡 제거 커터에 대한 순시 공구 표시를 제공하기 위한 자동 모니터링 시스템 및 방법을 제공한다. 이 시스템은 i번째 연속 공작물의 절삭 동안 주 구동 절삭 토크 M을 측정하기 위한 토크 모니터(7)를 포함한다. 토크 모니터(7)에는 i번째 연속 공작물의 절삭 동안 복수의 순시 공구 마모 계수 r(j)를 계산하기 위한 순시 공구 마모 계수 프로세서(13)가 결합되어 있다. 순시 공구 마모 계수 프로세서(13)에는 복수의 순시 공구 마모 계수 r(j)로부터 평균 공구 마모 계수 R(i)를 계산하기 위한 평균 마모 계수 프로세서(14)가 결합되어 있다. 최종적으로, 평균 마모 계수 프로세서(14)에는 각각의 평균 공구 마모 계수 R(i)를 기준 평균 공구 마모 계수 Ro와 비교하여 각 i번째 연속 공작물마다 스톡 제거 컷터에 대한 순시 공구 상태 표시를 제공하는 공구 마모 계수 비교기(15)가 결합되어 있다.

Description

공구 상태에 대한 자동 모니터링
CNC 프로그램은 공작 기계에 의해 회전가능하게 구동되는 밀링 컷터(milling cutter)에게 절삭 경로(cutting path)을 따라 공작물(workpiece)을 절삭하도록 명령한다. 만일 공작물에 대한 적어도 밀링 컷터의 이송율을 적응적으로 제어하지 않으면, 밀링 컷터가 CNC 프로그램에 따라 연속 공작물을 절삭하기 위해서는 점차적으로 마모되는 밀링 컷터의 공구 마모로 인해 지속적으로 증가하는 토크를 발생시키는 공작 기계를 필요로 한다.
밀링 컷터의 공구 상태에 대한 자동적인 토크 응답 모니터링에 관해서는 예를 들어, Chung씨에게 허여된 미국 특허 제 4,208,718호 및 Jeppesson씨에게 허여된 미국 특허 제 4,802,095호에서 개시되어 있다.
Chung씨에게 허여된 미국 특허 제 4,208,718호에서는 밀링 컷터의 공구 상태 표시를 증가된 목표 마력 하에 절삭 시간 길이의 함수로서 기계 가공 시의 전체 컷팅 시간의 백분율로서 결정하는 자동 모니터링 방법에 대해 개시되어 있다.
Jeppesson씨에게 허여된 미국 특허 제 4,802,095호에서는 밀링 가공 중 접선 방향의 FT 및 방사 방향의 FR 성분을 갖는 최종측 로딩력 FRES를 그 FT 성분과 함께 직접 측정하고, 그것에 기초하여 그 FR 성분을 공구 마모에 대한 표시를 수학적으로 제공하도록 결정하는 자동 모니터링 방법에 대해 개시되어 있다.
〈발명의 요약〉
본 발명의 주 목적은 기계 가공 중 공작 기계에 의해 발생되는 거의 일정한 토크를 유지하도록 구성된 적응 제어 시스템(adative의 control system) 제어 하에 기계 가공 중의 스톡 제거 컷터, 특히 밀링 컷터의 공구 상태에 대해 자동 모니터링을 제공하기 위한 것이다,
본 발명의 제1 실시 양상에 따르면, 주어진 기계 가공에 따라 동일한 공작물(identical workpieces)을 절삭하는 스톡 제거 커터(stock removal cutter) 및 상기 스톡 제거 컷터와 동일한 종류이고 기준 평균 공구 마모 계수 Ro를 갖는 사실상 새로운 스톡 제거 커터에 대한 순시 공구 표시를 제공하기 위해 공구의 상태(tool status)를 자동적으로 모니터링하기 위한 시스템에 있어서,
(a) i번째 연속 공작물의 절삭 중에 주 구동 절삭 토크 M을 측정하기 위한 토크 모니터와,
(b) 상기 i번째 공작물의 절삭 동안 스톡 제거 컷터에 대한 복수의 순수 공구 마모 계수 r(j)을 계산하기 위한 순시 공구 마모 계수 프로세서와,
(c) 상기 복수의 순시 공구 마모 계수 r(j)로부터 스톡 제거 컷터에 대한 평균 공구 마모 계수 R(i)을 계산하기 위한 평균 공구 마모 계수 프로세서와,
(d) 상기 평균 공구 마모 계수 R(i)을 기준 평균 공구 마모 계수 Ro와 비교하여 i번째 각각의 연속 공작물을 절삭한 후의 스톡 제거 컷터에 대한 순시 공구 상태 표시를 제공하는 공구 마모 계수 비교기를 포함하는 시스템이 제공되어 있다.
출원인의 WO94/14569에서는, 밀링 컷터를 일반 수학식 M = AFyργ에 따라 회전가능하게 구동시키는 공작 기계에 의해 발생된 토크에 응답하여 적어도 밀링 컷터의 이송율(feed rate)을 적응적으로 제어하기 위한 적응 제어 시스템이 개시되어 있고, 여기서, M은 밀링 컷터를 회전가능하게 구동시키는 공작 기계에 의해 발생되어 측정된 토크이고, F는 밀링 컷터의 순시 이송율이고, ρ는 밀링 컷터에 의해 순시적으로 작용 받는 공작물의 단면적이고, A, y 및 γ는 밀링 컷터와 공작물 재료에 따른 계수이다.
현재까지는, 스톡 제거 컷터에 속한 모든 요소, 특히 공작 기계, 그 재료를 포함한 공작물, 절삭 경로, 이송율, 스핀들 속도 및 특정 종류의 냉매 사용을 규정하는 주어진 기계 가공 시에 있어서의 스톡 제거 컷터의 공구 상태는 동일 유형의 일반 수학식 M = AoFαRβ로부터 추론할 수 있는 것으로 알려져 있다.
이 수학식에서, M은 공작 기계에 의해 발생되어 측정된 토크이고, F는 스톡 제거 컷터와 공작물 간에서의 상대 이동의 순시 이송율, Ao, α 및 β는 특정의 스톡 제거 컷터와 공작물 재료의 결합(combination)에 따른 계수이다. 또한, 3쌍 계수 (Ao, α 및 β)는 R(i)/R0비가 스톡 제거 컷터가 사실상 무뎌졌을 때에 대응하는 소정의 상한 임계치 εu와 동일하게 되도록 결정되고, 여기서 R(i)는 i번째 연속 공작물을 절삭한 후의 스톡 제거 컷터에 대한 공구 마모를 나타내는 계수이고, Ro는 동일 기계 가공을 실행하는 사실상 새로운 스톡 제거 컷터에 대한 기준 평균 공구 마모 계수이다.
R(i)/R0비가 상한 임계치 εu를 초과하거나 또는 파손된 스톡 제거 컷터를 나타내는 하한 임계치 εl이하로 급격히 떨어질 때 스톡 제거 컷터를 교체한다. 편의 상, 상한 임계치 εu및 하한 임계치 εl는 기계 가공시 불변으로 하고, 각각 1.6 및 0.9로한다. 하한 임계치 εl는 1보다는 0.9가 바람직한 데, 이로써 스톡 제거 컷터가 임의 다른 이유, 즉 공작물의 파손으로 인해 R(i)/R0비가 1 이하로 떨어지기 보다는 사실상 무뎌진 것을 나타낸다.
이에 대해, R(i)/R0비가 동작 범위 [0.9, 1.6] 내에 속하면, 스톡 제거 컷터의 공구 마모는 100%는 스톡 제거 컷터가 새로운 것을 나타내고 0%는 스톡 제거 컷터가 마모되어 교체해야 하는 것을 나타내는 공구 마모 백분율로서 기계 조작자에게 표시되는 것이 바람직하다. 정규 상한 임계치 εu= 1.6에 기초하여, 공구 마모 백분율은 다음의 수학식
공작 기계는 스톡 제거 가공에 종속되므로, 밀링 가공의 경우 토크 M은 밀링 컷터를 회전가능하게 구동시키는 공작 기계에 의해 발생된 토크이고, 회전 가공의 경우에는 토크 M은 공작물을 회전가능하게 구동시키는 공작 기계에 의해 발생된 토크이다. 밀링 컷터의 순시 공구 상태 표시를 제공하는 경우에는, 현재로서는 수학식 M = AoFαRβ를 M = AoFz αRβ에 적용시킬 때 보다 정확한 표시가 얻어지고, 여기서 Fz는 밀링 컷터가 멀티-엣지 절삭 공구인 것으로 고려하면 밀링 컷터의 이당(per tooth) 이송량이다.
본 발명의 제2 실시 양상에 따르면, 주어진 기계 가공에 따라 동일한 공작물)을 절삭하는 스톡 제거 커터 및 상기 스톡 제거 컷터와 동일한 종류이고 기준 평균 공구 마모 계수 Ro를 갖는 사실상 새로운 스톡 제거 커터에 대한 순시 공구 표시를 제공하기 위해 공구의 상태를 자동적으로 모니터링하기 위한 방법에 있어서,
(a) i번째 연속 공작물의 절삭 동안 주 구동 절삭 토크 M을 측정하는 단계와,
(b) i번째 연속 공작물의 절삭 동안 스톡 제거 컷터에 대한 복수의 순시 공구 마모 계수 r(j)를 계산하는 단계와,
(c) 상기 복수의 순시 공구 마모 계수 r(j)로부터 스톡 제거 컷터에 대한 평균 공구 마모 계수 R(i)을 계산하는 단계와,
(d) 상기 평균 공구 마모 계수 R(i)을 기준 평균 공구 마모 계수 Ro와 비교하여 각각 i번째 연속 공작물을 절삭한 후의 스톡 제거 컷터에 대한 순시 공구 상태 표시를 제공하는 단계를 포함하는 방법이 제공되어 있다.
본 발명은 일반적으로 스톡(stock) 제거 작업 중에 공구(tool)의 상태를 자동으로 모니터링하는 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 기계 가공 중에 스톡 제거 컷터의 공구 상태를 공작 기계에 의해 발생된 토크의 함수로서 자동으로 모니터링하는 것에 관한 것이다.
본 발명의 보다 명확한 이해를 돕고 본 발명이 실제로 이용되는 방법을 설명하기 위해, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명을 한정하지 않는 실시예를 참조하기로 한다.
도 1은 밀링 컷터에 대한 순시 공구 상태 표시를 제공하기 위한 자동 모니터링 시스템(AMS)의 개략도.
도 2는 도 1의 AMS의 개략 블럭도.
도 3은 도 1의 AMS의 동작에 대한 흐름도.
도 4는 주어진 기계 가공에 있어서의 i번째 연속 공작물에 대한 전형적인 R(i)/R0비의 곡선을 도시하는 그래프.
도 1은 공작 기계(3)에 의해 발생되어 접속되어 있는 토크 모니터(7)에서 측정되는 토크에 응답하여 적어도 밀링 컷터의 이송율을 적응적으로 제어하기 위한 적응 제어 시스템(ACS: 5)에 의해 수정되는 CNC 유닛(4)의 제어 하에 공작 기계(3)에 의해 회전가능하게 구동되는 밀링 컷터(2)에 대한 순시 공구 상태 표시를 제공하기 위한 자동 모니터링 시스템(AMS: 1)을 도시한다.
순시 공구 상태 표시는 기계 조작자에 의해 적절히 사용되는 공구 상태 표시 모니터(8) 상에서 공구 마모 백분율, 즉 마모된 밀링 컷터의 변화 상태(change)로서 디스플레이될 수 있다. 또는, 공구 상태는 공구 상태 표시 모니터(8) 상에서 판독 출력된 "동작 상태(operative)"나, 밀링 컷터(2)가 마모되거나 파손될 때 "비동작 상태(inpoerative)"로서 표시될 수 있다. 또한, 밀링 컷터(2)가 마모 또는 파손될 때, AMS(1)는 CNC 유닛(4)에 공구 변화 인터럽션 신호(TC)를 발생시킬 수 있다.
AMS(1)에는 조작자 인터페이스(9)가 결합되고, 이 조작자 인터페이스(9)를 통해 조작자는 밀링 컷터의 종류를 표시하는 밀링 컷터(MC) 코드, 공작물 재료를 표시하는 공작물 재료(WM) 코드 및 기계 가공을 표시하는 기계 가공(MO) 코드를 입력시킨다.
도 2에서는 AMS(1)가 상이한 밀링 컷터와 공작물 재료의 결합에 대한 3쌍 계수 (Ao, α, β)와 상이한 기계 가공에 대한 기준 평균 마모 계수 Ro를 기억하는 메모리(10)를 포함하는 것을 도시한다.
4개의 플룻(flute)을 갖는 중실형 엔드(solid end) 밀링 컷터에 대한 전형적인 3쌍 계수 (Ao, α, β)는 다음과 같다. 즉 연강(soft steel)의 경우 (Ao,=148 α=0.75, β=0.83)이고, 주철(cast iron)의 경우 (Ao,=116 α=0.68, β=0.75)이고, 알루미늄의 경우 (Ao,=79 α=0.72, β=0.8)이다. 상이한 밀링 컷터와 공작물 재료의 결합에 대한 3쌍 계수 (Ao, α, β)는 최대수의 기계 가공에 기초하여 실험적으로 결정된다.
M(j)및 Fz(j)를 취득하고 기계 조작자에 의해 표시된 특정 밀링 컷터와 공작물 재료의 결합에 대한 3쌍 계수 (Ao, α, β)가 제공되는 교정 유닛(calibration unit: 11)에 의해 새로운 밀링 컷터에 대한 새로운 기계 가공의 새로운 계수 Ro이 연습 실행 동안 결정된다.
ACS(5), 토크 모니터(7) 및 메모리(10)에는 순시 공구 마모 계수 프로세서(13)가 결합되어 있고, 이 프로세서는 수학식 M(j)= AoFz(j) αr(j) β에 따라 순시 공구 마모 계수 r(j)를 계산하고, 여기서 Fz(j)는 i번째 연속 공작물을 절삭하는 동안 밀링 컷터(2)의 절삭 경로를 따르는 여러 위치에서 밀링 컷터(2)의 이당(per tooth) 순시 이송량이다. 이당 순시 이송량 Fz(j)를 직접 이용할 수 없다면, 수학식 Fz(j)= F'(j)/(S'(j)z)에 따라 쉽사리 계산될 있고, 여기서 F'(j)는 공작물에 대한 밀링 컷터(2)의 순시 이송율이고, S'(j)는 순시 스핀들 속도이고, z는 밀링 컷터(2)의 플룻 개수이다.
프로세서(13)에는 평균 공구 마모 계수 프로세서(14)가 결합되어 있고, 이 프로세서(14)는 다음의 일반 수학식
에 따라 i번째 연속 공작물을 절삭하는 밀링 컷터(2)에 대한 평균 공구 마모 계수 R(i)를 계산한다.
메모리(10) 및 프로세서(14)에는 평균 공구 마모 계수 R(i)를 기준 평균 마모 계수 Ro와 비교하여 모니터(8) 상에 공구 상태 표시를 제공하고 필요에 따라 공구 변화 인터럽션 신호를 발생시키는 공구 마모 계수 비교기(15)가 결합되어 잇다.
지금부터 AMS(1)의 동작에 대해 도 3을 참조하여 기술하기로 하며, 도 3에서는 각 i번째 연속 공작물마다 새로운 기계 가공 시의 새로운 밀링 컷터에 대한 미지의 R0를 결정한 후, 프로세서(13)가 전형적으로 초당 10개 샘플의 샘플링 속도로 순시 공구 마모 계수 r(j)를 계산하고, 이것으로부터 프로세서(14)가 밀링 컷터에 대한비가중된 평균 공구 마모 계수 R(i)를 계산하여 이것을 비교기(15)에서 기준 평균 공구 마모 계수 Ro와 비교하여 밀링 컷터의 순시 공구 상태를 표시하는 R(i)/Ro비를 결정하는 것을 예시하고 있다.
상술한 바와 같이, R(i)/Ro비가 동작 범위 [0.9, 1.6] 내에 속하면, 순시 공구 상태는 다음의 수학식
에 따라 공구 마모 백분율로서 나타난다.
도 4에서 도시된 바와 같이, 밀링 컷터가 마모되면, 연속하는 각각의 i번째 공작물에 대한 R(i)/Ro비는 밀링 컷터가 거의 무뎌져 교체할 필요가 있을 때에 대응하는 소정의 상한 임계치 1.6쪽으로 점근적으로 증가한다 예시된 예에서, 밀링 컷터는 약 45 공작물 후에 마모된다.
AMS(1)의 자동 동작 모드 시에, 밀링 컷터가 파손 또는 마모될 때 R(i)/Ro비가 동작 범위 [0.9, 1.6] 외에 속할 경우에는, AMS(1)는 CNC 유닛(4)에 공구 변화 인터럽션 신호 TC를 발생시킨다.
비록 본 발명을 제한된 실시예에 대해서만 기술 및 도시하였지만, 당업자라면 본 발명의 여러 수정 및 변경 실시예가 가능하다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 예를 들어, 자동 모니터링 시스템은 초기 OEM 특징부(feature)로서 설치할 수 있거나 또는 기존의 CNC 기계를 갱신할 수 있다.

Claims (4)

  1. 공작물 재료를 규정하는 주어진 기계 가공에 따라 동일한 공작물(identical workpieces)을 절삭하는 스톡 제거 커터(stock removal cutter) 및 상기 스톡 제거 컷터와 동일한 종류이고 기준 평균 공구 마모 계수 Ro를 갖는 사실상 새로운 스톡 제거 커터에 대한 순시 공구 표시를 제공하기 위해 공구의 상태(tool status)를 자동적으로 모니터링하기 위한 시스템에 있어서,
    (a) i번째 연속 공작물의 절삭 중에 주 구동 절삭 토크(main drive cutting torque) M을 측정하기 위한 토크 모니터와,
    (b) 상기 i번째 공작물의 절삭 동안 스톡 제거 컷터에 대한 복수의 순시 공구 마모 계수 r(j)을 일반식 M(j)= AoF(j) αr(j) β(여기서, F는 스톡 제거 컷터와 공작물 간에서의 상대 이동의 순시 이송율이고, Ao, α, β는 스톡 제거 컷터와 공작물 재료의 결합에 따른 계수임)에 따라 계산하기 위한 순시 공구 마모 계수 프로세서와,
    (c) 상기 복수의 순시 공구 마모 계수 r(j)로부터 스톡 제거 컷터에 대한 평균 공구 마모 계수 R(i)을 계산하기 위한 평균 공구 마모 계수 프로세서와
    (d) 상기 평균 공구 마모 계수 R(i)을 기준 평균 공구 마모 계수 Ro와 비교하여 각각의 i번째 연속 공작물을 절삭한 후의 스톡 제거 컷터에 대한 순시 공구 상태 표시를 제공하는 공구 마모 계수 비교기를 포함하는
    것을 특징으로 하는 공구 상태를 자동적으로 모니터링하기 위한 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 순시 공구 마모 계수 프로세서는 스톡 제거 컷터가 밀링 컷터이고 Fz이 상기 밀링 컷터의 이당 이송량(feed per tooth)일 때 순시 공구 마모 계수 r(j)를 M(j)= AoFz(j) αr(j) β에 따라 계산하는
    것을 특징으로 하는 공구 상태를 자동적으로 모니터링하기 위한 시스템.
  3. 공작물 재료를 규정하는 주어진 기계 가공에 따라 동일한 공작물을 절삭하는 스톡 제거 컷터 및 상기 스톡 제거 컷터와 동일한 종류이고 기준 평균 공구 마모 계수 Ro를 갖는 사실상 새로운 스톡 제거 커터에 대한 순시 공구 표시를 제공하기 위해 공구의 상태를 자동적으로 모니터링하기 위한 방법에 있어서,
    (a) i번째 연속 공작물의 절삭 중에 주 구동 절삭 토크 M을 측정하는 단계와,
    (b) 상기 i번째 공작물의 절삭 동안 스톡 제거 컷터에 대한 복수의 순시 공구 마모 계수 r(j)를 일반식 M(j)= AoF(j) αr(j) β(여기서, F는 스톡 제거 컷터와 공작물 간에서의 상대 이동의 순시 이송율이고, Ao, α, β는 스톡 제거 컷터와 공작물 재료의 결합에 따른 계수임)에 따라 계산하는 단계와,
    (c) 상기 복수의 순시 공구 마모 계수 r(j)로부터 스톡 제거 컷터에 대한 평균 공구 마모 계수 R(i)를 계산하는 단계와,
    (d) 상기 평균 공구 마모 계수 R(i)를 기준 평균 공구 마모 계수 Ro와 비교하여 각각의 i번째 연속 공작물을 절삭한 후의 스톡 제거 컷터에 대한 순시 공구 상태 표시를 제공하는 단계를 포함하는
    것을 특징으로 하는 공구 상태를 자동적으로 모니터링하기 위한 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 단계 (b)는 스톡 제거 컷터가 밀링 컷터이고 Fz이 상기 밀링 컷터의 이당 이송량일 때 순시 공구 마모 계수 r(j)를 일반식 M(j)= AoFz(j) αr(j) β에 따라 계산하는
    것을 포함하는 공구 상태를 자동적으로 모니터링하기 위한 방법.
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