KR100270217B1 - 공작기계의 주축 과부하 감지에 의한 주축 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공작기계의 주축 과부하 감지에 의한 주축 제어방법에 관한 것으로, 전원이 인가되면 NC에 있는 조작판으로 예상 부하 치를 입력하고, 상기 예상 부하 치로 부하 치 상태 구간을 산출하여 정수 화하고, 상기한 예상된 주축 부하 치와 실제 주축 부하 치를 비교하여 어떤 구간에 속하는지를 판단하여 상기 구간이 저 부하 구간이면 가공 진행 축의 절삭 속도를 가속시켜 정상 부하 구간으로 안내함과 동시에 과부하 구간이면 가공 진행 축의 절삭 속도를 감속시켜 정상 부하 구간으로 안내하므로 머시닝센터(Machining center)가공 중에 주축의 과부하발생시 과부하를 제어시켜 기계의 운전을 정지하여 발생되는 생산효율을 극대화함과 동시에 경제성을 향상시키도록 한 것이다.

Description

공작기계의 주축 과부하 감지에 의한 주축 제어방법

본 발명은 공작기계의 주축 과부하 감지에 의한 주축 제어방법에 관한 것으로, 머시닝센터(Machining center)가 주축의 과부하발생시 수치제어 시스템의 기본기능을 이용하여 과부하 상태를 감지하고 부하를 줄이기 위해서 자동으로 절삭 속도가 가감속되도록 제어하여 작업 도중 발생되는 과부하를 제어하므로 생산 효율을 극대화함과 동시에 경제성을 향상시키는 것이다.

일반적으로 머시닝센터(Machining Center)는 공구를 최고 60개 이상 가진 ATC(Automatic tool changer)를 갖춘 NC공작기계 중 가장 진보된 것으로 도 1 과 같이 예시할 수 있으며, 키보드(15)를 통하여 기능을 작동 제어하고 작동시 차례로 새로운 가공면에 대응해 필요한 공구를 자동적으로 배치하여 절삭, 천공, 구멍 넓히기, 연마 등 각종 작업을 모두 한 대의 기계로 한다. 따라서, 모든 작업 조건을 미리 예측하여 정해진 작업 순서에 따라 프로그램이 작성되고, 상기 작성된 프로그램에 따라 전자동으로 각종 절삭 공구를 바꾸어 가면서 작업을 한다. 이러한 머시닝 센터 등의 공작기계에서 주축의 부하를 검출하여 서보 제어하는 기술은 국내 특허 공고 제 94-2205호로 알려져 있는바, 이는 도 2 와 같이 주축의 기준 부하 데이터 신호가 내장되어 있으며 스핀들(주축)의 자동 제어를 위한 제어 신호를 발생하는 제어부(12)와 입력되는 주축의 가공 속도 가감속을 위한 데이터 신호에 의거하여 서보기구(30)의 구동을 제어하는 서보 제어부를 구비한 컴퓨터 수치 제어 시스템(10)과, 스핀들(20)의 부하를 검출하고 이 검출된 부하 신호를 디지털 신호로 변환시키는 검출/변환부(40)와, 컴퓨터 수치 제어 시스템(10)내의 제어부(12)로 부터의 기준 부하 데이터 신호와 검출/변환부(40)로 부터의 검출된 부하 데이터 신호에 의하여 스핀들(20)의 가공 속도를 가감속 시키기 위한 데이터 신호를 생성하여 컴퓨터 수치 제어 시스템(10)내의 서보 제어부(14)에 제공하는 제어 신호 산출부(50)를 포함한다. 상기 스핀들(20)의 가공 속도 가감속을 위한 데이터 신호를 생성하는 제어 신호 산출부(50)는 검출/변환부(40)로 부터의 검출된 부하 데이터 신호와 제어부(12)로 부터의 기준 부하 데이터를 비교하기 위한 비교회로부(22)와, 이 비교회로부(52)로 부터의 출력신호에 상응하여 업/다운 카운트를 수행하는 카운터(54)와, 이 카운터(54)의 업/다운 카운트 동작에 따라 스핀들(20)의 가공 속도를 가감속 시키기 위한 데이터 신호를 생성하여 서보 제어부(14)에 제공하는 가공 속도 가감속부(56)로 구성된다. 이러한 구성은 시스템이 작동될 때 검출/변환부(40)를 통하여 스핀들(20)로부터 검출되어 소정 비트 예를 들면 12비트의 디지털 신호로 변환된 검출 부하 신호가 비교회로부(52)에 입력되고, 이와 동시에 컴퓨터 수치 제어 시스템(10)내의 제어부로부터 설정된 스핀들 기준 부하 데이터 신호와 자동 제어 옹/오프 신호가 비교회로부(52)에 입력된다. 다음에, 비교회로부(52)는 제어부(12)의 자동 제어 온 신호로부터 오프 신호가 입력될 때까지 검출 부하 데이터 신호와 설정된 기준 부하 데이터 신호를 비교하여 그 비교 결과에 따른 출력신호를 발생하게 된다. 따라서 카운터(54)는 이 비교회로부(52)로 부터의 출력신호에 상응하여 업/다운 카운트를 실행하게 된다. 즉, 검출된 스핀들(20)의 부하 값이 설정된 스핀들이 기준 부하값보다 큰 경우 카운터(54)는 다운 카운트를 실행하고, 이와 반대로 검출된 스핀들(20)의 부하 값이 설정된 스핀들의 기준 부하값보다 큰 경우 카운터(54)는 다운 카운트를 실행하고, 이와 반대로 검출된 스핀들(20)의 부하 값이 설정된 스핀들의 기준 부하값보다 작은 경우 카운터(54)는 업 카운트를 실행하게 된다. 한편 가공 속도 가감속부(56)는 상기한 카운터(54)의 업/다운 카운트 동작에 따라 스핀들(20)의 가공 속도를 가감속 시키기 위한 데이터 신호를 생성하여 서보 제어부(14)에 제공하게 된다. 예를 들어, 스핀들(20)의 검출 부하가 기준 부하보다 크면 이것이 검출될 때마다 카운터(54)가 다운 카운트를 실행하게 되면 가공 속도 가감속부(56)는 1 카운트당 1% 씩 스핀들의 가공 속도를 가속시키기 위한 신호를 생성하게 된다. 다른 한편, 컴퓨터 수치 제어 시스템(10)내의 제어부(12)에 저장된 스핀들의 기준 부하 데이터와 자동 제어 신호 데이터를 G 코드 명령어로 변환, 즉 G200은 자동 제어 온 신호, A000 는 스핀들의 기준 부하 데이터에 해당하는 비율, G201 은 자동 제어 오프 신호로 할 때, 예를 들어 G200, A100 지령인 경우 스핀들(20)로부터 검출된 부하가 100%를 초과하게 되면 스핀들의 가공 속도를 감속시키고, 스핀들로부터 검출된 부하가 100% 이하가 되면 스핀들(20)의 가공 속도를 자동적으로 가속(증가) 시키게 되며, 별도의 G201 지령이 있을 때까지 실행한다. 이러한 방식은 스핀들의 가감속을 카운터(54)의 가감속에 의하여 제어하는 방식이므로 카운터(54)의 카운팅 타임을 기다려야 하는 문제점이 있고, 속도를 원하는 속도로 바로 세팅하기 어려운 문제점이 있다.

본 발명의 목적은, 종래에 가공 중에 주축의 과부하 상태를 감지하기 위해 별도의 장치를 하드웨어적으로 연결하여야 하므로 불필요한 작업 발생을 방지하기 위해, 자동으로 절삭 속도가 가감속되도록 제어시키므로, 생산 원가를 줄임과 동시에 생산 효율을 극대화시키는 주축 과부하 제어방법을 제공하는데 있다.

이를 위하여 본 발명은 주축(스핀들)의 부하 감시 모드를 설정하고 예상 부하를 설정 코드로 지령하며, 부하를 과부하, 정상 부하 및 저 부하로 나누어 주축의 부하를 정규화한 다음 실제 부하와 비교하여 비정상일 경우 경보를 하도록 하는 방법을 제공한다.

도 1 은 머시닝센터를 나타낸 사시도,

도 2 는 종래의 서보 제어장치를 나타낸 구성 회로도,

도 3 은 본 발명에 의한 구성 회로도의 일 예시도,

도 4 는 본 발명의 실시 예에 따른 제어방법의 동작 흐름을 나타낸 플로우차트도,

도 5 는 본 발명의 제 5 과정을 나타낸 플로우차트이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 수치제어 시스템 12 : 제어부

14 : 서보 제어부 15 : 키보드

20 : 스핀들 30 : 서보기구

40 : 검출변환부

즉 본 발명은 부하 감시 모드 선택과 예상 부하지 설정 코드로 지령하였는지를 확인하는 과정;

예상 부하의 지령이 있으면 과부하/정상 부하/저 부하로 나누는 과정;

제어기의 제어 함수를 기동하여 스핀들 부하를 읽는 과정;

읽은 부하를 정규화하는 과정; 및

정규화한 실제 부하와 예상 비교치를 비교하여 정상 부하 기준값 이상 이나 과부하 기준값 이상시 경보를 하고 그 반대는 정산 가공을 수행토록 하는 과정을 수행토록 이루어진다.

이하 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3 은 본 발명을 실시하는 구성의 일 예를 도시한 도면으로, 주축의 기준 부하 데이터 신호와 설정 데이터 코드 및 가공 프로그램이 내장되어 있으며 스핀들(주축)의 자동 제어를 위한 제어 신호를 서보 제어부(14)로 제공하는 제어부(12)와, 입력되는 데이터 신호에 의거하여 서보 기구(30)의 구동을 제어하는 서보 제어부(14)를 구비한 컴퓨터 수치 제어 시스템(10)과;

스핀들(20)의 부하를 검출하고 이 검출된 부하 신호를 디지털 신호로 변환시켜 제어부에 인가하는 검출/변환부(40)를 포함하여 이루어진다. 상기 수치 제어 시스템(10)에는 키보드(15)를 통하여 데이터 저장 및 모드 설정 등을 지령토록 이루어진다.

도 4 는 본 발명의 플로우차트로써, 본 발명은 부하 감시 모드 선택과 예상 부하지 설정 코드로 지령하였는지를 확인하는 과정(110-130)으로 이루어진 제 1 과정(100);

예상 부하의 지령이 있으면 과부하/정상 부하/저 부하로 나누는 제 2 과정(200);

제어기의 제어 함수를 기동하여 스핀들 부하를 읽는 제 3 과정(300);

읽은 부하를 정규화하는 제 4 과정(400); 및

정규화한 실제 부하와 예상 비교치를 비교하여 정상 부하 기준값 이상이거나 과부하 기준값 이상시 경보를 하고 그 반대는 정상 가공을 수행토록 하는 제 5 과정(500)을 수행토록 이루어진다.

도 5 는 본 발명의 제 5 과정(500)의 일 예를 나타낸 플로우차트로써, 정규화된 실제 부하와 예상 부하를 비교하여 정상 기준값 이상인지, 이하인지, 저 부하 기준값 이하인지 및 과부하 기준값 이상 인지로 구분하여 확인하는 과정(510)과,

정상 부하 기준값 이하일 때 일정 속도로 가공을 계속하는 과정(520)과,

정상 부하 기준값 이상일 때 감속하여도 정상 부하지 초과시 경보를 하는 과정(530)과,

저 부하 기준값 이하일 때 가속하여 일정값 이상이 되면 상기 과정(520)을 수행토록 하는 과정(540)과,

과부하 기준값 이상일 때 과부하 알람을 울리는 과정(550)으로 이루어진다.

이와 같이 구성된 본 발명의 공작기계의 주축 과부하 감지에 의한 주축 제어방법의 작용은 다음과 같다.

전원이 인가되면 스핀들(20)이 회전하여 가공프로그램에 의하여 가공을 실행하고, 스핀들(20)의 출력을 검출변환부(40)를 통하여 수치 제어 시스템(10)의 제어부(12)에서 읽고 이전에 읽어 들인 값과 같은지를 비교한다. 이 경우 이전의 경우와 같을 경우에만 스핀들 모터의 부하를 체크한다.. 이는 작업자의 수동 조작에 의한 순간적인 변화량은 과부하(OVERLOAD) 로 생각하기 어렵기 때문이다(과정110). 이어 수동 조작이 아닌 것으로 판단되면 스핀들 모터가 회전 상태이고 사용자가 스핀들 모터의 부하 감시 지령 유무를 확인하여(지령은 프로그램한 특정 코드( 예를 들어 M 코드)) 부하 감시 준비 완료 상태를 이룬다(과정120)

이어 사용자가 키보드(15)를 조작하여 해당 공구 및 가공물에 적합한 주축 부하의 기준치에 대하여 데이터 베이스를 구성(즉, 어떤 공구를 어떠한 재질의 가공물에 사용하느냐에 따라 1% 단위로 데이터 베이스를 구분)한다. 이는 제어부(12)에 미리 이에 대응하는 코드를 설정토록 함이 바람직한바, 1% 부하(LOAD)에서 부터 99% 부하(LOAD) 까지를 해당 공구에 맞게 제어부(12)에 어떤 특정의 코드(CODE) 를 사용하여 부하 기준치를 지령토록 한다. 예를 들면, 스핀들 모터가 출력하는 전체 출력중 1%만 사용할 경우 MXX1로 지령토록 한다. 이어 스핀들 모터가 출력하는 전체 출력중 2%만 사용할 경우 MXX2로 지령토록 한다. 이렇게 하여 스핀들 모터가 출력하는 전체 출력중 99%를 사용할 경우 MX99로 지령토록 한다. 결국 MXXX은 본 발명의 기능이 유효함과, 설정 부하 %를 지령하는 특성을 갖는 것을 의미하며 이렇게 하여 예상되는 부하를 지령하였는지를 체크한다(130).

이어 상기 과정(130)에서 지령된 설정 부하 %에 대하여 몇 개(바람직하기는 3개)의 구간 설정을 한다. 이를 위한 일 예로는 예를 들어 지령된 값이 1% 부하만을 사용하는 경우에는 사용자가 MXX1과 같이 지령하였을 때, 이에 더하여 다음과 같이 부가 코드를 부가하여 구간을 설정함을 예시할 수 있다. 즉, MXX1 * N1은 과부하(OVERLOAD)이고, MXX1 * N2는 정상 부하(RIGHT STATE LOAD)이고, MXX1 * N3는 저 부하(UNDERLOAD)로 구분할 수 있다(200). 물론 이 경우 N1,N2, 및 N3은 상황에 따라서 달리 할 수 있다.

이어 제어부(12)에 내장되어 있는 제어 함수( 예를 들어 NC WINDOW)를 기동하여 스핀들 모터의 부하 값을 읽는다(300). 이는 스핀들(20) 및 검출 변환부(40)를 통하여 수치 제어 시스템(10)의 제어부(12)에 인가되는 것이다.

이어 읽어 들인 부하 값은 어떤 정수값이 아닌 2진값 이므로 이를 아래와 같이 하여 정규화한다(NORMALIZATION). 이를 위하여는 다음 수식(1)에 근거하여 정규화함이 바람직하다. 부하(%)=(L/d)*＆----------------------------------------(1)

이 경우 d 는 제어기에서 스핀들 부하를 처리하는 정밀도이고, L 은 상기 부하에서 읽어 들인 값이고, ＆는 스핀들 모터의 연속 정격 출력에 대한 최대 출력의 비(RATIO)이다. 또한 상기 d 는 스핀들 모터의 정격이 연속 정격이면 15KW이고 30분 정격이면 18.5KW이고 과부하 내량이면 30분 정격의 120%(즉 18.5*12=22.2KW)이고, ＆(모터의 연속 정격 출력에 대한 최대 출력의 비)=(과부하 내량(22.2)/연속 정격(15))*100=148임을 알 수 있다. 그런데 계산 정도를 높이기 위하여 N배(바람직하기는 100배)를 함이 좋다. 따라서 부하(%)=(L/d)*＆=(L/32767)*14800임을 예시할 수 있다. 상기 d의 값을 32787로 한 것은 특별히 한정하지는 않고 필요에 따라 가변 가능하나 32787로 함이 가장 바람직 하였다. 이렇게 정규화 하는 것은 입력되는 스핀들의 부하지 계산을 빨리 하여 회전 제어의 신속성을 이루기 위함이다(400).

이어 정규화된 실제 부하와 예상 부하 비교하여 정상 기준값 이상인지(b), 이하인지(d), 저 부하 기준값 이하인지(c) 및 과부하 기준값 이상인지(a)로 구분하여 확인하는 과정(510)을 수행한다.

상기에서 정상 부하 기준값 이하일 때는 일정 속도로 가공을 계속하는 과정(520)을 수행한다.

상기에서 정상 부하 기준값 이상일 때 가공 속도를 감속하고 그래도 정상 부하지 초과시 경보를 하는 과정(530)을 수행한다. 물론 이때는 다음 표 1 에 예시한 바와 같이 각 %에 해당하는 값을 조정한다.

[표 1]

절삭 속도(어드레스)	[%]	절삭 속도(어드레스)	[%]
255	0
245	10	145	110
235	20	135	120
225	30	125	130
215	40	115	140
205	50	105	150
195	60	95	160
185	70	85	170
175	80	75	180
165	90	65	190
155	100	55	200

물론 이때 상기 과정(530)에서 감속 총량이 설정 기준치보다 작아지면 정상이므로 통상의 가공 과정을 지속할 수 있어 조정하는 별도의 시간이 필요치 않다.

상기에서 저 부하 기준값 이하일 때 가속하여 일정값 이상으로 가속이 되면 상기 과정(520)을 수행토록 하는 과정(540)을 수행한다.

상기에서 과부하 기준값 이상일 때는 과부하 알람을 울리는 과정(550)을 수행한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 순수하게 NC의 기본 기능만을 이용하여 주축의 과부하 상태를 감지하고, 자동으로 부하를 줄이기 위해 절삭 속도까지도 제 5 과정에서 제어하므로 종래의 장치가 단순하게 알람상태만을 감지하여 기계를 정지하도록 하는 보호 기능을 초월하여 적당한 부하 상태까지도 자동으로 찾아 주므로 기계 자체에 더 많은 융통성을 부여하게 되는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 부하 감시 모드 선택과 예상 부하를 설정 코드로 지령하였는지를 확인하고 지령이 없으면 부하 감시를 중단하는 제 1 과정(100);

   예상 부하의 지령이 있으면 과부하/정상 부하/저 부하로 나누는 제 2 과정(200);

   제어기의 제어 함수를 기동하여 스핀들 부하를 읽는 제 3 과정(300);

   읽은 부하를 정규화하는 제 4 과정(400); 및

   정규화한 실제 부하와 예상 비교치를 비교하여 정상 부하 기준값 이상이거나 과부하 기준값 이상시 경보를 하고 그 반대는 정상 가공을 수행토록 하는 제 5 과정(500)을 포함하여 수행토록 이루어짐을 특징으로 하는 공작기계의 주축 과부하 감지에 의한 주축 제어방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 과정(100)은 예상되는 부하를 지령하였는지를 체크하는 과정(130)을 포함하며, 상기과정(130)은스핀들 모터의 출력을 1% 단위로 세분화하고, 해당 %를 대응하는 지령 코드로 설정하며, 설정된 코드로 스핀들 모터의 출력을 지령하는 과정을 수행함을 특징으로 하는 공작기계의 주축 과부하 감지에 의한 주축 제어방법.

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