KR100386676B1 - 테이블 회전/기울임 방식의 5축가공용 엔씨데이터생성방법 및 그것을 내장한 기록매체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 5축 가공을 위한 NC데이터의 생성방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, CAD/CAM 시스템에서 만들어지는 절삭공구의 공작물에 대한 위치 및 자세에 관한 정보, 즉 CL(Cutter location)데이터를; 절삭공구를 구비하는 주축이 X,Y,Z축으로 이동 가능하고, 가공물이 올려지는 테이블이 X축에 대한 회전축(A)와 Y축에 대한 회전축(C)에 대하여 회전 가능하며, 상기 회전축 중에서 적어도 하나가 작동한계점을 가지는 테이블 회전/기울임 방식의 5축 가공장치용 NC데이터로 생성하는 방법에 있어서: CL데이터의 초기값이, 위상반전에 의하여 2개의 NC데이터로 생성 가능한가를 판단하는 제1과정과; 상기 제1과정에서 2개의 NC테이터로 생성하는 것이 불가능하면 한개의 데이터에 해당하는 NC데이터를 생성하고, 두개의 데이터로 생성하는 것이 가능하면 두개의 데이터에 해당하는 공구의 가공경로를 각각 생성해 나가는 제2과정; 그리고 상기 제2과정에서 만들어지는 2개의 데이터 중에서, 위상반적이 발생할 경우, 먼저 위상반전이 발생하지 않는 NC데이터에 대응하는 가공경로를 최적의 NC데이터로 생성하는 제3과정을 포함하여 구성되는 것을 기술적 요지로 한다. 이러한 방법은, 5축가공시 위상반전의 발생을 최소화하게 되어서, 실질적으로 가장 효율적인 가공이 가능하게 된다.

Description

테이블 회전/기울임 방식의 5축가공용 엔씨데이터 생성방법 및 그것을 내장한 기록매체{An algorithm with a program for a program for NC data with fewer phase reverse processes in table ratating/tilting type 5-axis milling and recording media having the same}

본 발명은 5축가공용 NC데이터 생성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상용의 CAD/CAM데이터에서 만들어지는 CL데이터를 NC데이터로 생성할 때, 위상반전을 최소화할 수 있도록 하는 것에 의하여 신속하고 정확한 5축가공을 가능하게 하는 NC데이터의 생성방법에 관한 것이다.

최근, 5축 가공은 가공 능율과 표면 조도향상을 위해서 가장 널리 사용되는 기술이다. 예를 들면 항공기, 자동차, 그리고 금형 산업분야에서 있어서 복잡한 3차원형상의 부품을 가장 신속하게 생산할 수 있는 적합한 기술로 부각되고 있다.

이러한 5축가공을 위해서는, 초기 모재로부터 최종 형상에 이르기까지 공구가 이동해야 하는 공구경로생성(tool path generation)이 필요하고, 이렇게 생성되는 공구경로를 CL데이터(Cutter location data)라고 한다.

그리고 5축가공을 위해서는 CL데이터를 특정한 공작기계의 기구학적 구조에 상응한 기계축값(joint values)으로 변환시키고, NC컨트롤러의 입력형식에 맞도록 변환시키는 작업이 필요하게 된다.

이와 같이 CL데이터를 NC컨트롤러의 입력형식에 맞도록 변환하는 작업을 포스트프로세싱(Postprocessing)이라고 하고, 이러한 변환프로그램을 포스트프로세서 (postprocessor)라고 한다. 이러한 포스트프로세싱에 의하여 생성되는 NC데이터를 이용하여, 공작기계의 절삭공구가 공구경로를 따라 이동하는 것에 의하여 실질적인 가공이 수행된다. 일반적으로 5축 밀링머신은 다양한 구조를 가지고 있기 때문에, 각각의 기계의 구조적인 특성을 고려한 포스트프로세서가 필요하게 된다.

그리고 일반적인 5축밀링머신의 기구학적 분류에 의하면, 3가지 종류의 것으로 분류되고 있다. 하나는 3개의 직선축(X,Y,Z)과 테이블에 2개의 회전축(A,C)을가지는 형태이고, 이는 도 1에 도시되어 있다. 그리고 다른 분류로서 3개의 직선축과 주축에 2개의 회전축을 가지는 형태의 것이 있으며, 또 다른 것으로써는 3개의 직선축과 테이블 및 주축에 각각 1개의 회전축이 설치되는 형태가 있다.

본 발명은, 도 1에 도시한 타입의 5축밀링머신을 이용하여 공작물을 가공하는 경우에, NC데이터의 생성 방법과 관련되는 것이다.

도 1에 도시한 5축밀링머신을 포함하여 대부분의 5축밀링머신에 있어서는 2개의 회전축 중에서 하나 이상의 축이 작동 한계점을 가지고 있다. 즉, 2개의 회전축 중에서 적어도 하나의 회전축은 회전을 할 수 있는 범위가 한정되어 있으며, 도 1에서는 회전축인 A축이 (+),(-)방향으로 서로 다른 값의 작동한계점을 가지고 있다.

따라서 실제의 5축 가공시에는 상술한 작동 한계를 초과하는 경우, 반대의 자세에서 가공할 수 있는데, 이를 위상반전이라고 한다. 도 4b에서 가공경로가 점선으로 표시된 a의 경로라고 하면, 최초의 시작위치에서 가공이 시작되어 A축의 가공한계점에 이르게 되면, 위상반전(phase reverse)을 하여 반대의 자세에서 가공을 계속하게 된다. 이러한 위상반전은, C축을 180도 회전시킴과 동시에 A축을 위상반전시켜서, 다시 가공이 시작될 것이다. 이와 같은 위상반전 과정은, 실질적으로 공작기계의 작동한계로 인한 불연속동작이 되기 때문에, 가공 면의 품질을 저하시키는 요인이 되고, 위상반전 과정은 공작물을 가공하지 않는 과정으로 결국 작업시간을 증가시키는 요인이 된다.

한편 종래의 포스트프로세싱 방법에 의하여 생성되는 NC데이터는, 위상반전시 공작물과 공구와의 사이에서 공구간섭이 발생하게 되는 단점이 있었다. 이와 같은 위상반전시 발생하는 간섭이 도 2에 도시되어 있고, 실질적으로 이와 같은 간섭은, 절삭공구(T)가 가공물(W)을 가공하고 있던 접촉상태에서, 상기 가공물(W)을 위상반전시키는 점에 기인하고 있다. 이와 같은 위상반전시 발생하는 간섭현상에 의한 형상이 도 3에 도시되어 있는데, 가공물의 가공면에 위상반전에 의하여 발생하는 타원형의 간섭흔적을 볼 수 있을 것이다.

이와 같은 종래의 문제점은, 실질적으로 5축가공에 있어서의 위상반전에 기인하여 발생하는 것이기 때문에, 위상반전을 가능하면 최소화할 수 있도록 하는 것이 바람직함을 알 수 있다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 5축가공에 있어서 위상반전을 최소화하는 것에 의하여, 정확한 5축가공이 가능하게 구성되는 가공방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 5축밀링머신의 일실시예를 보인 사시도.

도 2는 종래의 위상반전시 간섭현상을 보이는 설명도.

도 3은 간섭현상을 시뮬레이션에 의하여 보인 예시적인 설명도.

도 4b는 5축 가공시 위상반전과 가공경로의 관계를 보인 모식도.

도 5는 본 발명에 의한 가공방법을 보인 예시적인 공정도.

도 6은 볼엔드밀을 이용한 5축 가공을 위한 CL데이터의 예시도.

도 7은 본 발명의 대상인 5축밀링기계의 기구학적 예시도.

도 8은 5축밀링기계의 축값을 계산하기 위한 좌표계의 예시도.

도 9는 본 발명에 의한 최소 위상반전을 가지는 가공경로를 보인 예시도.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의하면, CAD/CAM 시스템에서 만들어지는 CL데이터를; 절삭공구를 구비하는 주축이 X,Y,Z축으로 이동 가능하고, 가공물이 올려지는 테이블이 X축에 대한 회전축(A)와 Y축에 대한 회전축(C)에 대하여 회전 가능하며, 상기 회전축 중에서 적어도 하나가 작동한계점을 가지는 테이블 회전/기울임 방식의 5축 가공장치용 NC데이터로 생성하는 방법에 있어서: CL데이터의 초기값이, 위상반전에 의하여 2개의 데이터로 생성 가능한가를 판단하는 제1과정과; 상기 제1과정에서 2개의 테이터로 생성하는 것이 불가능하면 한개의 데이터에 해당하는 NC데이터를 생성하고, 두개의 데이터로 생성하는 것이 가능하면 두개의 데이터에 해당하는 공구의 가공경로를 각각 생성해 나가는 제2과정; 그리고 상기 제2과정에서 만들어지는 2개의 데이터 중에서, 먼저 위상반전이 발생하는 데이터를 제외하고, 나머지 하나의 데이터를 이용하여 그 경로에 대응하는 가공경로를 NC데이터로 생성하는 제3과정을 포함하여 구성되는 것을 기술적 요지로 한다.

그리고 제2과정 또는 제3과정에서, CL데이터에서 생성되는 NC데이터가, 5축 가공장치의 X,Y,Z축에 대한 스트로크 리미트를 초과하면 그 경로를 제외시키고 있다.

이와 같은 본 발명에 의한 방법으로 생성된 NC데이터를 이용하여 5축 가공을 수행하게 되면, 위상반전의 발생을 최소화하게 되어서, 실질적으로 가장 효율적이 가공이 가능하게 된다.

다음에는 도면에 도시한 실시예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 살펴보기로 한다.

본 발명에서는, 상술한 도 4b에서 알 수 있는 바와 같은 A축의 작동한계점에서 발생하는 위상반전을 최소화시킬 수 있도록 NC데이터를 생성하고자 하는 것을 기술적 요지로 하고 있다. 본 발명에 의한 방법은, 공구의 초기 자세를 2가지로 설정하고, 가공중 위상반전이 최소화되는 가공경로를 선택할 수 있도록 구성되고 있다.

상술한 바와 같이, CAM시스템이 생성한 공작물에 대한 공구의 상대적인 위치및 자세(CL데이터)에 대하여, 테이블 회전/기울임 방식의 5축 공작기계에서 구현할 수 있는 자세는 두가지이다. 따라서 각각의 CL점에 대하여 공작기계는 두가지 자세를 구현할 수 있기 때문에, CL 점의 집합인 공구경로를 테이블의 회전/기울임방식(도 1에 도시)의 5축 공작기계로 구현하는 방법은 무수히 많을 수 있다. 일반적으로 불필요한 위상반전을 최소화하기 위해서는 현재의 자세에서 가장 가까운 자세를 연결하여 가공경로를 생성한다. 그러나 이러한 경우에도, 최초의 CL점에 대하여 공작기계는 두가지 자세를 구현할 수 있기 때문에, 초기의 두 가지 자세가 모두 기계의 작동 한계 내에 있을 경우, 두 가지 경로가 존재할 수 있다.

예를 들어, 도 4a와 같은 형상을 5축 가공하기 위한 공구경로(CL데이터)가 생성되어 있을 때, 이를 테이블 회전/기울임 방식의 5축 공작기계로 가공할 수 있는 자세경로는 도 4b에 도시한 바와 같이 두가지 경로가 있을 수 있다. 즉, 가공 시작 위치에서 공구의 자세를 구현할 수 있는 방법이 도 4b의 자세 A와 자세B의 두가지가 있기 때문에 이로 부터 진행될 수 있는 자세 경로는 경로 a,b의 두가지가 존재할 수 있다.

이렇게 생성되는 두개의 초기 위치에 의하여, 포스트프로세서의 내부 처리 알고리즘을 거쳐서 2개의 가공경로(예를 들면 도 4b에 있어서의 경로 a 및 경로b)가 생성된다. 이러한 두개의 경로를 도 4b에 기초하여 살펴보면, 경로 a는 A축의 작동 한계점에 도달하여 위상반전을 시도해야 함에 비하여, 경로 b는 가공이 끝나는 지점까지 위상 반전이 발생하지 않게 된다. 따라서 경로 b를 채택하여 가공이 수행되면, 위상반전의 발생을 방지할 수 있게 되어 위상반전시 발생하는 공구 간섭을 회피할 수 있다. 또한 위상반전 과정에서 발생하는 불연속 가공으로 인한 가공면의 불연속이 없으며, 전체적인 가공시간을 단축할 수 있게 될 것이다.

이와 같이 본 발명은, CL데이터에서 NC데이터를 생성하는 과정에서, 가능하면 위상반전을 없애거나 최소화할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것으로, 이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 살펴보기로 한다.

예를 들어 경로a와 경로b가 선택될 수 있다고 가정할 때, 그리고 위상반전을 최소화하기 위한 관점에서 살펴보면, 최초의 위상반전이 일어나지 않는 경로가 위상반전이 최소화될 수 있는 경로이다. 즉, a경로를 살펴보면, 최초에 위상반전이 일어난 후, 일정한 가공경로가 진행된 다음에는 실질적으로 경로a는 경로b와 동일한 경로를 가지기 때문에, 최초의 위상반전이 없는 경로가 위상반전을 최소화시킬 수 있는 경로임을 알 수 있다. 따라서 최초의 위상반전 이후부터는, 하나의 경로(b)에 대해서만 CL데이터를 NC데이터로 변환하면 된다. 따라서 본 발명에 의한 알고리듬에서는 위상반전이 발생할 경우, CL데이터로부터 두가지 자세 경로를 끝까지 계산하지 않고 위상반전이 작은 경로를 선택할 수 있는 알고리듬을 제안하는 것이다. 이러한 것은 도 9에 도시한 예시적인 가공경로에서도 알 수 있을 것이다.

도 5는 본 발명에 따라 NC데이터를 생성하기 위한 플로챠트를 보인 것으로, 이에 기초하여 본 발명에 의한 NC데이터의 생성방법에 대하여 자세하게 살펴보기로 한다.

먼저 제101과정에서는 컨트롤러의 초기 영점위치(x,y,z,)를 입력하게 된다.이러한 영점위치는 가공물의 최초 가공이 시작되는 위치의 좌표에 해당하는 것으로, 테이블 상에 올려진 가공물의 최초 가공위치를 입력하게 되는 것이다. 이러한 초기가공위치의 입력은, 가공물의 가공 시작점이 되는 점과 후술하는 바와 같이 가공경로가 작동한계를 초과하는지의 여부의 판단에 필요할 것이다.

상기 과정에서, 영점위치가 입력되면, 본 발명에 의한 NC데이터를 형성하기 위한 포스트프로세서가 동작하게 되면서, 프로그램된 과정이 수행되는데 이하에서는 이러한 과정을 설명한다. 그리고 이하에서 설명하는 전체적인 과정은, 하나의 CL데이터에서 그에 대응하는 하나의 NC데이터를 생성하는 과정으로, 데이터의 수에 해당하는 만큼 하기의 과정을 반복적으로 수행하게 될 것이다. 그리고 하기의 과정은, 회전축에 대한 회전각을 가지는 A, C축에 대한 위치정보와, 그러한 정보에 기초하여 계산되는 X,Y,Z축에 대한 위치정보를 구하는 과정이라고 할 수 있다.

제102과정에서는, 상용의 CAD/CAM 시스템에서 생성된 CL데이터가 입력되게 되는데, 이 때 이렇게 입력되는 CL데이터 중에서 공구의 동작과 관련된 명령인지를 제103과정에서 판단하게 된다. 즉, CL데이터 중에는, 실제로 NC데이터로 변경해야 하느 데이터는 물론이고, 다른 명령어 등이 포함되어 있기 때문에, 공구의 동작과 관련한 명령만을 처리하도록 제103단계에서 판단하게 되는 것이다.

제104과정에서, 입력된 CL데이터에서 A,C축의 값을 계산하는데, 이 때 A,C축의 값은 각각 두개가 존재할 수 있으며, 5축 기계의 동작 범위에 따라 유효한 값이 될 수 있다. 그리고 제105과정에서 A,C축의 위치계산이 최초의 것인가를 판단하게 된다. 이 과정에서 최초의 A,C축 계산인가의 여부를 판단하는 것은, 후술하는 바와 같이, 가공경로의 결정에 있어서 최초의 A,C축의 계산결과에 기초하여 두개의 경로생성이 가능한지의 여부를 판단하기 위한 것이다.

따라서 상기 제105과정에서 최초의 A,C축 계산이라고 판단되면, 제106과정으로 진행하게 되고, 최초의 A,C축 계산이 아니라고 판단되면 제109과정으로 진행된다. 여기서 이러한 제105과정의 판단은, 그 이전 과정에서, 순차적으로 입력되는 복수개의 CL데이터가, 공구의 경로를 형성하기 위한 복수개의 NC데이터로 생성될 때, 초기 상태에서만이 두개의 공구경로를 생성하는 것이 가능한지의 여부를 판단하는 것이기 때문이다.

따라서 최초의 A,C축의 계산이라고 판단되면, 제106단계에서 두가지의 공구경로 생성이 가능한가의 여부를 판단하게 된다. 여기서 두가지 공구경로의 생성이 가능한지의 여부에 대한 판단은, 작동한계점을 가지는 A축의 초기각도가, 일정한 범위 이내에 들어있는가의 여부에 의하여 결정될 것이다. 예를 들면 상술한 바와 같이 A축의 작동범위가 -30°≤θ_A≤120°라고 하면, 초기 A축의 각도가 A축의 작동범위가 -30°≤θ_A≤30°의 범위 내에 있어야만, 위상반전을 이용한 두개의 경로생성이 가능하게 된다. 따라서 상기 제106단계에서는 이렇게 작동한계점을 가지는 A축의 초기각도가 일정한 범위내에 속하는가를 판단하는 것에 의하여 두개의 공구경로 생성이 가능한지를 판단하게 된다.

그리고 두개의 공구경로 생성이 가능한 경우, 즉 초기 A축의 위치가 작동한계점에 해당하는 각도 범위 이내(-30°≤θ_A≤30°)에 있다고 판단되면, 제107단계로 진행하여 두개의 경로(예를 들면 도 4b에 있어서의 경로a 및 경로b)에 대응하는 NC데이터를 생성하게 된다. 그리고 초기 A축의 위치가 그 범위를 벗어나게 되면 실질적으로 한개의 경로밖에 생성될 수 없는 상태이기 때문에, 제108과정에서 한개의 경로에 해당하는 NC데이터를 생성하게 된다. 그리고 이렇게 일정한 초기 A축의 각도범위가 상기 범위 이외인 경우에는 본 발명에 의한 알고리즘을 적용할 의미는 실질적으로 없어진다.

여기서 상용의 CAD/CAM 시스템에 의하여 생성되는 CL데이터에서, NC데이터를 생성하는 것은, 일정한 수식을 이용하게 되는데, 이러한 수식에 대한 일실시예에 대하여 구체적으로 살펴보기로 한다.

도 6을 참조하면 알 수 있는 바와 같이, CL데이터는 공작물 좌표계 (workpiece coordinate)에서 바라본 공구의 위치성분과 방향성분으로 구성된다.

T = [CL _I ,CL _J ,CL _K ] (1)

P = [CL _X ,CL _Y ,CL _Z ] (2)

여기서 "P"는 볼 엔드 밀(ball-end mill)을 사용할 때 공구의 반구 부분의 중심점의 위치를 나타내며, T는 공구의 자세를 나타내는 벡터이다.

그리고 도 1에 도시한 회전/기울임 방식의 5축 가공장치의 경우, 도 7에서와 같이 절삭공구가 장착되는 주축은 회전 운동없이 X,Y,Z축 방향으로 이동할 수 있고, 공작물이 올려지는 테이블이 회전(C축) 할 수 있으며, 회전 테이블이 다시(A축을 중심으로) 기울여질 수 있는 구조로 되어 있다. 또한 회전축(A)와 회전축(C)의 양(+)의 회전 방향은 일반적으로 음(-)의 Y 및 X의 방향과 같으며, A축과 C축은 서로 교차하지 않고 일정한 거리만큼 이격되어 있는데 도 7에서 Dy 및 Dz가 이격된 거리를 나타낸다.

실제 5축 가공기계를 구동하기 위해서는 CL 데이터가 아니라 가공기계의 기계축값(X,Y,Z,A,C)을 입력하여야 한다. 기계 축 값을 계산하기 위해, 5축 가공 기계의 기구학적 거동을 로봇 공학에서 사용하는 조인트(joint)와 링크(link)들의 직렬 연결 구조로 모델링할 수 있으며, 각 조인트 위치에서의 좌표계를 나타내면, 도 8과 같다.

도 8에 있어서 Xw-Yw-Zw는 공작물 좌표계로서 가공할 공작물의 형상을 정의하기 위한 기준 좌표계이다. 이 공작물 좌표계의 원점은 회전 테이블의 중심점의 위치와 같다. X_A-Y_A-Z_A는 Xw-Yw-Zw로부터 음(-)의 Zw방향으로θ _C 만큼 회전된 조인트 A의 좌표계이다. X_B-Y_B-Z_B는 X_A-Y_A-Z_A로부터 음(-)의 Y_A축 방향으로 D_Y,양(+)의 Z_A축 방향으로 D_Z만큼 이격된 조인트 B의 좌표계이고, X_C-Y_c-Z_c는 X_B-Y_B-Z_B로부터 음(-)의 X_B방향으로θ _A 만큼 회전된 조인트 C의 좌표계이다. X_T-Y_T-Z_T는 공구를 나타내는 좌표계로서, X_C-Y_c-Z_c로부터 X_C방향으로 T_X만큼, Y_C축 방향으로T_Y+D_Y만큼, Z_C축 방향으로 T_Z- D_Z만큼 이격된 위치에 있다. 여기서 T_x,T_Y,T_Z는 공작물 좌표계로부터 볼-엔드 밀 공구의 반구부분의 중심점꺼지 각각 양(+)의 Xw,Yw,Zw방향으로의거리이다.

CL 데이터는 Xw-Yw-Zw 좌표계에서 바라본 공구의 위치와 방향 성분은 공작물이 고정되어 있는 상태에서 공구의 위치와 자세를 나타낸다. 그러나 본 연구에서 목적하는 테이블 회전/기울임 방식의 5축 밀링 기계의 기구학적 형상은 공구가 Z축 방향으로 고정된 자세를 취하고 있고, 회전 운동을 할 수 있는 테이블과 그 테이블을 기울일 수 있는 구조로 되어 있다. 따라서 공작 기계의 주축에 장착된 공구의 방향을 Z축 방향과 평행을 유지하면서, CL 데이터에서 생성한 공작물과 공구의 상대적인 위치 및 자세와 동일한 위치와 자세를 생성하기 위한 테이블의 회전 각(C)과 테이블의 기울임 각(A)을 구하면 된다. 이것은 도 8에 도시한 일련의 좌표계의 연산 과정으로 구할 수 있다. 즉, 공작물 좌표계 Xw-Yw-Zw로부터 회전운동 및 기울임 운동과 평행 이동을 거친 후의 공구좌표계 X_T-Y_T-Z_T를 T_x,T_Y,T_Z,A,C로 표현한 다음, X_T-Y_T-Z_T좌표계의 위치와 방향을 CL 데이터에서 생성한 공구의 위치와 방향 값과 같게 두고 T_x,T_Y,T_Z,A,C를 구하면 된다. 다음의 식(3)에 이러한 좌표 변환 과정을 연속적인 행렬의 조합으로 나타내었고, 식(3)을 계산한 결과 중 공구의 방향 성분과 CL 데이터의 방향 성분과 같게 둔 것을 식(4)에 나타내었고, 식(3)을 계산한 결과 중 공구의 위치 성분과 CL 데이터의 위치 성분과 같게 둔 것을 식(5)에 나타내었다.

=Rot(Z,θ _C ) ·Trans(0,-Dy,Dz)·Rot(X,θ _A )·Trans(T _X ,T _Y ,+ Dy, T _Z -Dz)(3)

(4)

(5)

식 (3)에서T는 변환행렬을 의미하며 위첨자는 기준이 되는 좌표계를, 아래 첨자는 변환된 좌표계를 나타내며, 첨자 W는 공작물 좌표계를, 첨자 T는 공구 좌표계를, 첨자 A,B,C는 각각 조인트 A,B,C의 좌표계를 나타낸다. 위의 식 (4), (5)에서θ _A ,θ _C , T_x,T_Y,T_Z를 구하면 아래의 식 (6) ~ (10)과 같다.

A=θ _A =cos ^-1(CL _K ) (-π≤A ≤π, A≠0 ∵ CL _K ≠0)(6)

C=θ _C =tan ^-1 2 (CL _I /sin θ _A , - CL _J /sin θ _A ) (-π≤θ _C ≤π)(7)

T _X= CL _X ·cos θ _C +CL _Y ·sin θ _C (8)

T _Y =CL _Y ·cos θ _A / cos θ _C -T_X ·cos θ _A ·sin θ _C / cos θ _C

+ (CL _Z - Dz) ·sin θ _A - D _Y ·(1- cos θ _A )(9)

T_Z= (CL _Z -T _Y ·sin θ _A - D _Y ·sin θ _A - Dz) / cos θ _A +Dz(10)

한편, 위의 계산식 (6)에서 A값이 두 개 존재할 수 있고 각각에 대해 C,T_x,T_Y,T_Z가 구해질 수 있다. 즉, CL 데이터에서 생성한 공구의 위치 및 방향을 테이블 회전/기울음 방식의 5축 공작 기계에서 구현할 수 있는 자세가 두가지 존재함을 의미한다.

상기 과정을 거쳐서 초기 A축의 각도에 기초하여, 처음으로 NC데이터가 생성된 다음에는 제109과정에서는, 생성된 경로에 대하여 회전축(A,C)의 회전각도에 대한 일련의 정렬화(선형화) 과정을 수행하게 된다.

여기서 정렬화과정은, 어느 하나의 회전축(A 또는 C)에 대하여, 가능하면 회전축의 급격한 변화없이 가능하면 연속적으로 가공을 수행할 수 있도록 NC데이터를 생성하는 과정을 의미한다. C축을 예로 들면 설명하면, 데이터의 연속에 있어서 n번째 데이터의 A,C축 값이 (3°,+90°)이고, n+1번째 데이터의 A,C축 값이(6°, -90°)인 경우(이러한 C축의 각도에 대한 값은 상술한 수식에 의한 계산으로 나타날 수 있다)를 가정할 수 있다. 이러한 값을 가지는 NC데이터를 이용하여 가공을 수행하게 되면, 가공중에 5축가공장치의 C축이 급격하게 회전을 수행하지 않으면 안된다.

이러한 급격한 회전을 수행할 때, 공구와 가공물 사이에 간섭(공구가 가공물을 파먹게 되는 현상)이 일어날 수 있게 되는데, 이러한 간섭은 실제 가공이 아니기 때문에 제거되지 않으면 안된다. 또한 간섭이 발생하지 않는 경우도 있기는 하지만, 이러한 경우에도 C축의 급격한 회전으로 인하여, 가공의 불연속이 발생하게 되고, 이로 인해 가공면의 품질 저하와 불필호한 동작 시간이 발생하게 되는 것은 당연하다.

따라서 이러한 경우에는, 상술한 위상반전과 같이, n+1번째의 데이터를 가능한 한 n번째 위치 근방의 위치에 해당하는 값으로 택할 수 있는데, 상술한 예에서는 n+1번째의 데이터를 (-6°,+90°)의 값으로 택하면, C축의 급격한 불연속 동작 없이 매끄럽게 가공할 수 있는 것이다. 이 때 A축 및 C축의 각도가 조정되면, 상술한 수식에서 쉽게 알 수 있는 바와 같이, NC데이터의 X,Y,Z축의 값도 당연히 변화될 것이다.

제109과정의 정렬화과정을 정리하면, CAM시스템이 생성한 공작물에 대한 공구의 위치 및 자세(CL데이터)에 대하여 상술한 수식(6),(7),(8),(9) 및 (10)을 이용하여 NC데이터를 생성할 경우, 테이블 회전/기울임 방식의 5축 공작기계에서 구현할 수 있는 자세는 두가지 자세가 존재할 수 있다. 따라서 각각의 CL점에 대해 공작 기계는 두가지 자세를 구현할 수 있기 때문에, CL점의 집합인 공구경로를 테이블 회전/기울임 방식의 5축 공작 기계로 구현하는 방법은 무수히 많을 수 있다. 제109과정은 불필요한 위상 반전의 경우를 최소화하기 위하여 현재의 자세에서 가장 가까운 자세를 연결하여 가공경로를 생성하는 방법이라고 할 수 있다.

그리고 제109과정에서 정열화과정이 완료되면, 다음의 제110과정에서는 A축의 위상반전이 발생하는가를 판단하게 된다. 즉, A축의 가공위치가 작동한계점에 도달하였으면 제111과정으로 진행하게 되고, 위상반전이 발생하지 않으면 제115단계로 진행하게 된다.

제111과정에서는, 현재의 가공경로가 2가지 경로이고, 그 중에서 예를 들면 제1경로(예를 들면 경로a)가 위상반전을 수행하는가를 판단하게 된다. 그리고 제112단계에서는 상기 제111과정에서 위상반전이 발생하는 경로(제1경로)를 제외한 다음, 다시 제102과정으로 진행하게 되면서 경로체크를 하게 된다.

다음에 상기 제111과정에서 현재 생성되는 NC데이터가 두가지 경로가 아닌 경우, 즉 한가지 경로인 경우(예를 들면 제106과정 내지 제108과정에서 한개의 경로만이 생성된 경우)에는 제113단계로 진행하게 된다. 제113단계에서는, 위상반전을 실시하게 된다. 이러한 위상반전은 A축을 수직중심선을 중심으로 대응하는 각도로 변환시키고 C축을 180°회전시키는 것은 상술한 바와 같다.

그리고 제114단계에서는, 공구간섭회피를 위한 알고리듬을 적용하게 된다. 여기서 공구갑섭회피를 위한 알고리듬은, 특허출원 10-2001-0004572호에 개시되어 있는 내용이다. 간단하게 살펴보면, 일반적으로 A축이 위상반전을 시도하는 경우, 공구는 가공물과 접촉상태로 되어 있다. 그러나 이와 같이 공구가 가공물과 접촉상태에서 A축이 위상반전을 수행하게 되면, 공구와 가공물과의 사이에는 간섭 현상이 일어나게 된다. 따라서 위상반전 중에는, 공구와 가공물과의 간섭이 발생하지 않도록 하는 것이 요구되고, 제114단계에서는 이를 위한 처리를 수행하는 과정이다. 구체적으로는, 위상반전이 수행되기 직전에, 공구를 Z축을 향하여 상부로 들어올림으로써 공구와의 접촉상태를 일정 간격 이격시키는 것을 의미한다. 따라서 공구와 가공물의 접촉상태는 일정간격 이격되게 되어 공구에 의한 가공물의 간섭이발생하지 않게 될 것이다. 그리고 A축 및 C축이 회전함으로써 위상반전이 완료되면, 다시 공구를 가공물과 접촉시켜야 하는데, 이러한 경우에는, 가공물과 일정간격(ΔT) 이격된 거리만큼은, 공구를 급속이송시킨 후, 공구와 접촉할 때까지는 가공속도로 이송시키는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 공구간섭을 회피하기 위한 알고리즘을 적용한 후에는, 제110단계에서 위상반전이 발생하지 않는 경우와 동일하게 제115단계로 진행하게 된다. 제115단계에서는, X,Y,Z축에 대한 위치를 계산하는데, 이는 상술한 식에 의하여 계산될 것이다. 그리고 제116단계에서는, 상기 제115단계에서 계산된 X,Y,Z축의 위치값이 스트로크 리미트를 초과하였는가를 판단한다. 스트로크리미트는, 5축가공장치에서 공구가 X,Y,Z축으로 이동 가능한 범위를 말하는 것으로, 이러한 범위를 초과하게 되면, 실질적인 가공이 불가능하게 되는 것은 당연하다. 그리고 이렇게 X,Y,Z축에 대한 위치값 중에서 스트로크리미트를 초과하는 값이 나올 수 있는 것은, 위상반전의 발생시 계산되는 NC데이터에서 스트로크리미트를 초과하는 위치값이 나올 가능성이 있고, 또는 초기 영점의 입력이 바람직하게 수행되지 않았을 경우에도 스트로크리미트를 초과하는 값이 나올 수 있으며, 또한 상술한 식에 의하여 계산이 진행되는 과정에서 스트로크리미트를 초과하는 값이 나올 가능성이 있기 때문이다.

이렇게 하여 상기 제116단계에서 스트로크리미트를 초과하지 않았으면 제121과정에서, 상술한 과정에 의하여 구해진 값을 NC데이터로 저장하게 된다. 그리고 제116단계에서 스트로크리미트를 초과하였으면, 제117단계에서 이러한 스트로크리미트를 벗어난 경로에 대한 데이터값을 제외하고 그 경로를 체크하게 된다. 그런 다음에는 제118단계에서는 모든 경로가 스트로크리미트를 초과하였는가를 판단하게 된다. 여기서 모든 경로라고 하는 것은, 상기 제106단계에서 두가지 경로생성이 가능하다고 판단된 두가지 경로를 의미한다. 즉, 제106단계에서 2개의 경로생성이 가능하다고 판단되어, 제107단계에서 생성된 두개의 경로가 모두 스트로크리미트를 초과하는가를 판단하여, 두가지 경로가 모두 스트로크리미트를 초과하게 되면 제119단계로 진행하여 프로그램을 중단하고, 제120단계에서 에러메세지를 출력하게 된다. 여기서 프로그램을 중단한다는 것은, 공급되는 CL데이터에서 NC데이터로 변환하는 것을 중지한다는 것이다.

여기서 상기 제107단계에서 두가지 경로가 생성된 후, 제118단계에서 모든 경로가 스트로크리미트를 초과하는가의 여부를 판단하기 까지의 과정은, 실질적으로는 두가지 경로에 해당하는 위치값을 순차적으로 수행하게 된다. 즉 생성된 제1경로에 대하여 제109과정에서 제118과정까지를 수행한 다음, 다시 제2경로에 대해서 동일한 과정을 수행하게 되는 것이다.

그리고 제118단계에서 모든 경로가 스트로크리미트를 초과하지 않거나, 제121단계에서 NC데이터로 저장한 다음에는 제122단계에서 CL데이터의 끝인가의 여부를 판단하게 된다. 즉, 5축가공을 수행하기 위하여, 복수개의 CL데이터의 각각을 상술한 바와 같은 과정을 통하여 NC데이터로 생성시키는 과정을 수행할 때, 상기 제122단계에서는 모든 CL데이터가 처리되었는가를 판단하게 되고, CL데이터의 끝이라고 판단되면 제123단계로 진행하게 되고, CL데이터의 끝이 아니라면 상술한제102단계로 리턴하게 된다. 제102단계로 리턴한 후에는 상술한 과정을 거치면서, 아직 처리되지 않고 남아 있는 CL데이터를 NC데이터로 반복하여 생성시키게 될 것이다.

그리고 CL데이터의 처리가 완료되어 상기 제122단계에서 CL데이터의 끝이라고 판단되면, 제123단계에서 "초기에 2개의 경로가 생성되었으며, 2개의 경로가 모두 이상이 없는가"를 판단하게 된다. 이러한 판단은, 예를 들면 초기 A축의 위치가 일정한 각도범위(-30°≤θ_A≤30°) 이내에서 시작하게 되고, 위상반전이 발생하지 않은 상태로 가공이 완료될 수 있는 것을 판단하기 위한 것이다. 따라서 제123단계에서 상기와 같은 상태라고 판단되면, 제124단계로 진행하여 생성된 2개의 경로중에서, 예를 들면 원래 생성되는 경로(경로a 또는 경로b 중에서 최초 CL데이터에서 생성되는 경로)를 선택하고, 다른 하나는 삭제하게 된다.

이와 같은 처리과정을 거친 후, 제125단계에서는, 특정 5축가공장치의 컨트롤러의 입력형식에 맞는 파트프로그램을 출력한 후, 종료하게 될 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 5축가공에 있어서 최초에 입력되는 CL데이터에서 NC데이터를 생성할 때, 2개의 경로를 생성시켜서 위상반전을 최소화할 수 있도록 구성하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다. 그리고 이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있게 된다.

본 발명에 의한 NC데이터의 생성방법에 의하면, 위상반전이 최소화되는 공구의 가공경로를 생성하는 것이 가능하게 됨을 알 수 있다. 따라서 이와 같은 본 발명에 의한 NC데이터 생성방법을 적용하는 것에 의하여, 위상반전이 발생하는 것에 의한 단점을 최소화할 수 있는 장점을 기대할 수 있게 된다.

Claims (2)

1. CAD/CAM 시스템에서 만들어지는 절삭공구의 공작물에 대한 위치 및 자세에 관한 정보인 CL데이터를; 절삭공구를 구비하는 주축이 X,Y,Z축으로 이동 가능하고, 가공물이 올려지는 테이블이 X축에 대한 회전축(A)와 Y축에 대한 회전축(C)에 대하여 회전 가능하며, 상기 회전축 중에서 적어도 하나가 작동한계점을 가지는 테이블 회전/기울임 방식의 5축 가공장치용 NC데이터로 생성하는 방법에 있어서:

   CL데이터의 초기값이, 위상반전에 의하여 2개의 NC데이터로 생성 가능한가를 판단하는 제1과정과;

   상기 제1과정에서 2개의 NC테이터로 생성하는 것이 불가능하면 한개의 데이터에 해당하는 NC데이터를 생성하고, 두개의 데이터로 생성하는 것이 가능하면 두개의 데이터에 해당하는 공구의 가공경로를 각각 생성해 나가는 제2과정; 그리고

   상기 제2과정에서 만들어지는 2개의 데이터 중에서, 위상반전이 발생할 경우, 먼저 위상반전이 발생하지 않는 NC데이터에 대응하는 가공경로를 NC데이터로 생성하는 제3과정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 NC데이터의 생성방법.
2. CAD/CAM 시스템에서 만들어지는 절삭공구의 공작물에 대한 위치 및 자세에 관한 정보인 CL데이터를; 절삭공구를 구비하는 주축이 X,Y,Z축으로 이동 가능하고, 가공물이 올려지는 테이블이 X축에 대한 회전축(A)와 Y축에 대한 회전축(C)에 대하여 회전 가능하며, 상기 회전축 중에서 적어도 하나가 작동한계점을 가지는 테이블회전/기울임 방식의 5축 가공장치용 NC데이터로 생성하는 방법으로:

   CL데이터의 초기값이, 위상반전에 의하여 2개의 NC데이터로 생성 가능한가를 판단하는 제1과정과;

   상기 제1과정에서 2개의 NC테이터로 생성하는 것이 불가능하면 한개의 데이터에 해당하는 NC데이터를 생성하고, 두개의 데이터로 생성하는 것이 가능하면 두개의 데이터에 해당하는 공구의 가공경로를 각각 생성해 나가는 제2과정; 그리고

   상기 제2과정에서 만들어지는 2개의 데이터 중에서, 위상반전이 발생할 경우, 먼저 위상반전이 발생하지 않는 NC데이터에 대응하는 가공경로를 NC데이터로 생성하는 제3과정을 포함하는 NC데이터 생성방법을 내장한 기록매체.