KR20200043619A - Cnc공작기계 가공시 공구의 총가공부하량 산출방법과 이를 이용한 공구교환시점의 결정방법 - Google Patents

Cnc공작기계 가공시 공구의 총가공부하량 산출방법과 이를 이용한 공구교환시점의 결정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 CNC밀링, CNC선반, 머시닝센터 등 CNC공작기계의 가공시에 발생하는 가공부하를 공작기계의 주축 모터에 흐르는 전류량을 전류센서로 검출하여 상대적으로 기계가공부하 값을 진단하고, 검출한 전류량을 활용하여 상대적으로 공구마모의 정도를 검출하는 방법에 관한 것이다.
구체적으로, CNC공작기계의 주축 스핀들 모터의 전류량을 검출하여 반복적 부품가공시에 가공부하를 계산하는 방법에 있어서, 전류량 패턴에 대해서 가공시작점과 가공종료점까지의 적분값을 활용하여 부품가공에 대한 총가공부하량을 계산한다. 그리고 전류량 패턴에 대한 적분계산을 레퍼런스 부품가공에도 적용하여 기준 부하량을 설정한 후에 반복적으로 수행하는 부품가공마다 전류량 패턴의 적분값을 획득하여 레퍼런스 부하와 가공 중 부하의 차이값을 계산한다. 그리고 이 적분차를 공구마모로 인해서 공구교환의 여부를 결정하는 지시값으로 사용한다.

Description

CNC공작기계 가공시 공구의 총가공부하량 산출방법과 이를 이용한 공구교환시점의 결정방법{The methods of integral impedance of tool, and the method of tool changing time using the same}
본 발명은 CNC밀링, CNC선반, 머시닝센터 등 CNC공작기계의 가공 시에 공구에 발생하는 총가공부하량을 산출하는 방법 및 이를 이용한 공구교환시점 결정방법에 관한 것으로서, 공작기계의 주축 모터에 흐르는 전류량을 전류센서로 검출하여 해당 부품의 가공에 소요되는 총가공부하량을 산출하는 방법에 관한 것과 상기 검출한 총가공부하량을 활용하여 동일품목 부품의 반복가공에서 공구교환시점을 결정하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 밀링, 선삭(레이씽), 드릴링, 보링 등 절삭가공은 전용 공작기계에서 수행되거나 다양한 절삭가공이 가능한 하나의 통합장비인 머시닝센터에서 수행하고 있다. 특히 최근에는 다품종 소량 부품의 가공에 유리한 머시닝센터의 활용도가 높아지고 있으며 또한 머시닝센터 중 CNC공작 기계는 CNC(Computer Numerical Controller)의 가공제어에 의해서 치수정밀도가 미크론미터 및 서브미크론미터 수준으로 정밀한 절삭가공이 가능하다.
이러한 CNC공작 기계는 고성능 연산장치를 내장한 NC(Numerical Control)공작기계로서, 가공형상, 가공조건, 가공동작 등의 데이터를 컴퓨터에 의해 자동 프로그래밍을 하여 NC데이터로 변환시키고, 변환된 NC데이터는 펄스 신호화된 상태로 공작기계를 구동한다.
상술한 바와 같이 CNC공작 기계는 가공 정밀도가 높고 다양한 형태의 절삭 가공이 가능한 장점이 있으나, 반대로 다음과 같은 문제점이 있는데 구체적으로 가공 중에 발생하는 공구마모에 의한 과부하 및 이로 인한 예기치 못한 공구파손의 문제점이 있었다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 제안된 기술로는, 등록특허 제10-0952619호(2010.04.06. 등록, 이하 종래기술 1)가 있는데, 상기 종래기술1은 공작기계의 주축이 아닌 서보축(이송축으로 통상적으로 X축, Y축, Z축 등으로 표현함)에 특정 전류센서를 통해서 전류량을 검출하여 그 전류량으로 공구마모 등을 판단한다. 서보축의 전류량을 검출하여 3회 정도의 실험을 통해서 전류량에 의해서 형성되는 기준선도를 설정한 후에 기준선도에서 최대 피크(기준선도의 극점), 국부 피크 등의 값을 한계값으로 지정하며, 이 한계값의 초과여부를 통해서 진단하고 있다.
그러나, 상기 종래기술1은 전류량 기준선도의 피크 등 일부 지점에서 가공부하의 초과 여부를 판정하기 때문에 오류 가능성이 있다. 가공공구의 마모는 실제 가공작업에서 짧은 시간에 급진적으로 발생하지 않기 때문에 가공작업의 전체 기간동안에 발생한 가공부하를 활용할 수 있어야만 상기 종래기술1와 유사한 오류를 극복할 수 있다.
0001. 등록특허 제10-0952619호(2010.04.06. 등록)
본 발명은 CNC공작기계에 의한 동일부품의 반복가공에서 부품가공의 시작부터 종료까지 총가공부하를 산출하는 방법 및 이를 활용하여 공구교환시점을 예측할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여,
본원 발명은 CNC공작기계의 주축 스핀들 모터의 전류량을 검출하여 반복적 부품가공시에 총가공부하를 계산하는 방법에 있어서, 전류량 패턴에 대해서 가공시작점과 가공종료점까지의 적분값으로 부품가공에 대한 총가공부하량을 산출하는 방법을 제공한다.
또한, 본원 발명은 공구마모로 인해서 공구교환 시기를 결정하는 방법에 있어서, 전류량 패턴에 대한 적분계산은 기준부하량을 설정한 후에 반복적으로 수행하는 부품가공마다 전류량 패턴의 적분값을 획득하여 레퍼런스 부하와 가공 중 부하의 차이값을 계산하는 것으로서, 하기 수학식에 의해 가공부하 적분차를 구하고 공구마모로 인해서 공구교환의 시기를 결정하는 방법을 제공한다.
<수학식>
Figure pat00001
여기서 Fe는 가공부하 적분차이고, Fp와 Fr는 각각 가공 중인 부품의 가공부하 적분값 및 레퍼런스 가공부하의 적분값이며, Ts와 Te는 순서대로 가공시작점과 가공종료점을 말한다.
본 발명은 동일 부품을 반복가공할 때에 부품가공에 소요되는 가공부하를 부품단위로 계산할 수 있기 때문에, 부품가공의 횟수별로 공구마모의 정도를 보여주며 부품가공의 횟수별로 공구사용시간(Tool Life)을 결정하는데 활용될 수 있다.
기존 발명에서는 전류패턴의 총면적이 아닌 특정점인 최대값(Peak) 등을 활용하여 과도한 가공부하를 검출하거나 공구마모의 시점을 판단하는 기준으로 활용하였으나 극히 일부분의 특정값을 사용하였기 때문에 제한적으로 적용되었다.
반면, 본 발명은 부품가공의 시작점부터 종료점까지 전반적인 가공부하 패턴과 가공부하 총량을 활용하기 때문에 동일부품의 반복가공에서 가공시작점과 종료점까지의 가공부하 상태를 진단하는 데 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 총가공부하측정 및 공구교환시기결정방법에 대한 절차도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가공부하 레퍼런스 패턴과 실제 가공시 전류센서에 의해서 측정된 가공부하패턴을 비교한 그래프이다.
이하, 상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는 본 발명은 수치제어장치(NC : Numerical Control)가 설치된 CNC공작기계에 있어서, 주축 스핀들 모터의 전류량을 검출하여 가공부하를 측정하는 전류센서를 설치하고, 이를 통해서 획득된 센서측정값에 대해서 설명한다.
본 발명은 먼저 주축 모터에 입력되는 전류량은 가공부하와 비례적 상관관계에 있음을 전제로 하며, 이는 절대적 물리량이 아닌 가공부하 경향에 관련된 관계식으로 한정한다.
이하 도 1에 의해서 설명한다. 전류센서의 센서측정값에 의해서 전류패턴을 생성할 수 있다. 일반적으로 적용되는 전류센서는 수백 미크론 초 간격으로 전류값을 센싱할 수 있고, 이 전류값들에 의해서 전류패턴이 된다. 또한 상기 전제에 의해서 전류패턴에 의해서 형성되는 면적 즉 총전류량을 가공부하로 볼 수 있다. 이 가공부하를 계산하는 방법은 부품의 가공시작점(Ts)에서 부품의 가공종료점(Te)까지의 전류패턴을 적분한 값으로 사용한다.
전류센서의 센싱값과 CNC공작기계의 가공시간을 동기화하여 전류패턴을 가공시간의 함수로 표기함으로써 전류패턴을 가공시간에 관해서 구분적분법 또는 적분을 이용하여 전류패턴이 형성하는 총면적, 즉 부품가공에 소요되는 총가공부하를 계산할 수 있다.
이는 동일 부품을 반복가공할 때에 부품가공에 소요되는 가공부하를 부품단위로 계산할 수 있어서 부품가공의 횟수별로 공구마모의 정도를 알 수 있으므로, 이로써 공구사용가능시간에 해당하는 공구사용시간(Tool Life)을 결정하는데 활용할 수 있다. 도 1은 본 발명에 따른 총가공부하 측정방법에 관한 것으로서, 주축모터의 전류센서를 가공시작점과 가공끝점을 동기화하여 측정함으로써, 가공부하 레퍼런스 전류패턴과 실제 가공부하 전류패턴을 비교한 센서패턴 및 이들에서 각각의 적분값을 얻고 이들의 적분값차와 공구의 마모정도를 실험적으로 연계시키는 과정을 통해서는 공구사용시간 및 공구교체시기를 결정할 수 있게 된다.
도 1에서와 같이, 본 발명은 가공부하 레퍼런스 패턴과 실제 가공부하패턴을 활용한 공구마모정도 진단 및 공구교체시기 결정을 위해서 하기의 단계별로 구성된다.
먼저, 가공부하 레퍼런스 패턴(10)은 해당 부품 가공을 위한 기준치를 말하며 해당 부품의 가공시작점에서 종료점까지의 패턴 및 값을 포함한다. 작업자가 설정하는 공구 상태 등을 고려하여 전류센서의 센싱값과 CNC 컨트롤러의 가공위치를 동기화하여 가공부하 레퍼런스 패턴과 각 위치별 가공부하값을 생성한다. 그리고 적분 계산을 이용하여 가공부하 레퍼런스 패턴에 의한 해당 부품 가공에 소요되는 총가공부하량을 산출한다.(10-1) 일반적으로 새로운 공구로 교환된 시점에서 가공부하 레퍼런스 패턴을 설정한다.
그리고 이 가공부하 레퍼런스를 기준으로 반복가공할 때마다 부품 가공 횟수별로 가공부하 패턴을 생성하고 적분을 수행한다.(30) 이때, 부품가공의 시작점과 종료점을 경계조건으로 하여 적분을 수행함으로써 차수별로 부품가공에 소요된 가공부하량을 정확하게 산출할 수 있도록 한다.(20-1, 20-2) 가공시작점과 가공종료점은 CNC컨트롤러의 가공시작점과 가공종료점을 입력받아서 활용한다.
다음 단계로, 가공부품별로 가공이 진행될 때마다 총가공부하량과 가공부하 레퍼런스 패턴의 총가공부하량을 비교하여 총가공부하량의 차이값을 계산한다.(40)
최종적으로 총가공부하량의 차이값(적분 차)와 공구마모 정도를 연계하여 공구마모 정도를 진단하고 관련된 조치를 취할 수 있도록 한다.(50) 다시 말하면, 피가공물의 치수정밀도 등에서 불량을 일으킬 정도의 공구마모이면 공구교환의 지령을 하도록 한다. 공구마모 정도와 적분 차와의 관계식은 실험기반 데이터를 활용한 실험식을 활용한다.
도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 가공부하 레퍼런스 패턴과 실제 가공시 전류센서에 의해서 측정된 가공부하패턴을 비교한 그래프로서, 가공부하 레퍼런스 패턴과 실제 가공부하패턴은 차이를 보이는데, 이는 기준과 실제 사이의 오차로 이해할 수 있다. 실제 가공부하패턴의 적분값에 의해서 총가공부하량을 산출할 수 있다.
여기서는 정상적 가공에 의해서 공구마모가 서서히 진행되는 상태를 전제로 한정하여 본 발명의 방식이 적용되는 것으로 한다.
기계부품, 자동차부품 등 동일 품목의 부품을 반복적으로 CNC가공할 경우에 CNC공작기계, 로딩머신, 언로딩머신 등 생산라인을 구성하여 가공작업을 수행한다. 품질과 생산성을 보장하는 생산관리를 위해서 표준화된 작업관리에 의해서 작업을 수행하기 때문에 정확한 가공공구의 교환시점 등을 요구한다. 이때 상기 주축 스핀들의 모터에 입력되는 전류량을 검출한 후에 가공시작점에서부터 가공종료점까지의 총전류량을 통해서 가공부하를 진단하기 위해서 가공시작점에서 가공종료점까지 가공부하 패턴에 의해 생성되는 적분치를 활용한다.
특히 마모되지 않는 날을 가진 새로운 공구로 가공할 때 가공부하 패턴의 적분치를 레퍼런스로 설정하고, 부품가공이 진행되는 횟수별로 레퍼런스 적분치와 진행 중인 가공부하 패턴의 적분치의 차이값을 이용하여 공구마모가 초래하는 공구교환의 여부를 판별한다.
다만, 가공부하 패턴의 적분치의 차이값에 의한 공구마모의 정도를 판단하는 연관성의 확보를 위해서는 가공부하 패턴의 적분차와 공구마모의 정도를 연관시키는 실험이 필요하며, 반복실험을 통해서 획득된 관련 데이터베이스도 필요하다.
본 발명에서는 적분차의 값과 공구교환 시점의 공구마모로 인한 가공치수 오차값을 위주로 연관성을 갖는 데이터를 실험적으로 확보하여 활용한다. 공구소재, 피삭재, 가공작업 환경 등을 고려한 케이스별 실험을 활용하여 적분치의 차이값을 숫자로 파악하여 활용하게 된다.
이는 기존의 가공부하 레퍼런스 패턴에서 작업자가 특정부위를 지정하고 이 특정부위의 가공부하 값이 레퍼런스 패턴을 초과했는지 여부로 공구교환을 알려주는 방식보다 안정적이고 실용적으로 공구수명을 관리할 수 있도록 해준다. 가공부하 패턴의 적분값을 이용함으로써 부품가공의 시작부터 종료까지 전반적인 공구마모를 진단하고 공구사용의 계속 여부를 판정할 수 있도록 해줄 수 있기 때문이다.
이때 전류량에 의한 가공부하 패턴을 활용하여 부품가공에 의해 발생하는 총가공부하량을 계산하는 수식은 하기 <수학식 1>과 같다.
<수학식 1>
Figure pat00002
여기서 Fe는 가공부하 적분차이고, Fp와 Fr는 각각 가공 중인 부품의 가공부하 적분값 및 레퍼런스 가공부하의 적분값이며, Ts와 Te는 순서대로 가공시작점과 가공종료점을 말한다.
10 : 가공부하 레퍼런스 패턴과 적분단계
20 : 컨트롤러를 통해서 입력받는 가공시작점과 가공종료점 입력단계
30 : 수행 중인 가공부하 패턴의 적분단계
40 : 레퍼런스 패턴 적분값과 가공부하 적분값의 차이값 산출단계
50 : 상기 차이값과 공구교환을 요하는 공구마모량의 연관단계

Claims (2)

  1. CNC공작기계의 주축 스핀들 모터의 전류량을 검출하여 반복적 부품가공시에 총가공부하를 계산하는 방법에 있어서, 전류량 패턴에 대해서 가공시작점과 가공종료점까지의 적분값으로 부품가공에 대한 총가공부하량을 산출하는 방법.
  2. 공구마모로 인해서 공구교환 시기를 결정하는 방법에 있어서, 전류량 패턴에 대한 적분계산은 기준부하량을 설정한 후에 반복적으로 수행하는 부품가공마다 전류량 패턴의 적분값을 획득하여 레퍼런스 부하와 가공 중 부하의 차이값을 계산하는 것으로서, 하기 수학식 1에 의해 가공부하 적분차를 구하고 공구마모로 인해서 공구교환의 시기를 결정하는 방법.

    <수학식 1>
    Figure pat00003

    여기서 Fe는 가공부하 적분차이고, Fp와 Fr는 각각 가공 중인 부품의 가공부하 적분값 및 레퍼런스 가공부하의 적분값이며, Ts와 Te는 순서대로 가공시작점과 가공종료점을 말한다.
KR1020180124172A 2018-10-18 2018-10-18 Cnc공작기계 가공시 공구의 총가공부하량 산출방법과 이를 이용한 공구교환시점의 결정방법 Ceased KR20200043619A (ko)

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