KR100407890B1 - Ｃｎｃ 공작기계의 주축전류제어를 위한 복합제어 방법 - Google Patents

Ｃｎｃ 공작기계의 주축전류제어를 위한 복합제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 CNC 공작기계의 주축을 회전시키는 주축모터의 전류를 측정하는 주축전류 측정 단계와; CNC 공작기계를 시간지연을 갖는 일차시스템으로 모델링하는 모델링 단계와; 모델링된 시스템을 제어하기 위해 이송속도를 조절하는 제어기를 설계하는 제어기 설계 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 CNC 공작기계의 주축전류제어를 위한 복합제어 방법에 관한 것이다. 그리고, 상기 CNC 공작기계의 모델링은

Description

ＣＮＣ 공작기계의 주축전류제어를 위한 복합제어 방법{Hybrid Control Algorithm For Spindle Current Regulation Of CNC Machine Tools}
본 발명은 CNC 공작기계에서 주축전류값을 측정하고, 이를 일정하게 유지할수 있도록 이송속도를 실시간으로 제어하는 복합제어기 설계 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 절삭에 필요한 부하를 말해주는 주축전류값을 일정하게 유지시킬 수 있도록 피이드백 제어하여 이송속도를 증감시키는 CNC 공작기계의 주축전류제어를 위한 복합제어 방법에 관한 것이다.
최근 들어 CNC 공작 기계의 급속한 보급으로 가공비용의 절감과 품질에 대한 신뢰성 측면에서 커다란 성과를 가져왔다. 그러나 이러한 CNC 공작기계에도 여전히 생산성 저하의 요인은 상존하고 있다. 그 이유는 소재 가공전에 가공조건을 결정하여 NC 프로그램을 작성하여야 하고, 수많은 종류의 공구와 소재 재질의 조합에 따라 최적의 절삭조건을 선정하기가 매우 힘들어서 실제 NC 프로그램은 최악의 절삭상태를 고려하여 프로그램하게 된다.
특히, CNC 엔드밀링 가공공정의 경우 금형산업, 교반날개, 복잡한 자유곡면 가공의 황중삭 등에 널리 이용되고 있는 것으로, 이러한 복잡한 형상의 가공은 형상의 급격한 변화로 인하여 가공부하가 달라지게 되고, 이로 인해 불규칙적인 부하가 공구와 피삭재 사이에 걸리게 된다. 따라서 CNC 프로그래머는 공구와 피삭재를 보호하기 위해 가장 안정적인 이송속도로 가공할 수 밖에 없다. 이로 인하여 너무 여유있는 이송속도와 주축회전수가 선정되는 관계로 NC 공작기계를 최대의 출력으로 사용할 수 없기 때문이다.
상기한 바와 같은 단점을 극복하기 위하여 적응제어이론을 절삭공정에 적용하여 가공상태에 따라 적절한 절삭조건을 결정하는 연구가 진행되어 오고 있다. 그리고 적절하게 절삭조건을 결정하는 연구의 결과로 가공 상황에 맞도록 이송속도를비롯한 가공 조건을 바꾸어 주는 방법은 크게 ACO(Adaptive Control Optimiza tion), ACC(Adaptive Control Constraint), GAC(Geometric Adaptive Compensation) 이렇게 세가지로 분류할 수 있다.
ACO는 가공상황에 맞는 최적의 가공조건들을 설정하는 것으로써, 이를 위해서는 공구마모의 실시간 측정이 선행되어야 한다. 그러나 공구마모의 실시간 측정에 대한 많은 연구가 행하여 졌음에도 불구하고 절삭과정중에 일어나는 공구마모의 실시간 측정은 사실상 어려움이 많아 상용화 되지 못하였다. 그리고, GAC는 실시간으로 정밀도를 제어하는 기법으로써, 기계의 온도변화, 공구의 마모상태 등을 실시간으로 보정해 주어야 하는 어려움으로 인하여 상용화 되지 못하였다.
아울러, ACC는 절삭력, 주축토크, 모터파워 값의 제한된 범위내에서 최대의 생산성을 거두는 방법이다. 이를 위해서, 공구동력계, 이송계모터전류 측정, 주축모터전류 측정 등을 이용하여 절삭력, 주축토크, 모터파워 등을 실시간으로 측정하고, 이송속도 또는 주축회전속도를 자동으로 조절하여 생산성을 높이는 방법이다. 이러한 방법을 수행함에 있어서, 다양한 가공조건, 피삭재, 공구, 공작기계에 적용하기에는 불안정하다라는 단점과, 많은 실험적인 모델링 파라미터들로 인해 다양한 공작기계에 적용하기에 곤란한 단점이 있어서 산업계의 적용이 미미한 상태이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 감안하여 안출된 것으로써, 본 발명의 제 1목적은 주축전류값을 일정하게 유지시킬 수 있도록 가공 상황에 맞게 이송속도를 증감시켜 과부하를 피하고 생산시간이 단축되어 공구의 수명이 연장되게 하는 CNC 공작기계의 주축전류제어를 위한 복합제어 방법을 제공하는 것이다.
그리고 본 발명의 제 2목적은 주축전류값을 일정 수준으로 유지시키기 위하여 복합제어로 이송속도를 조절하여 다양한 가공조건, 공구, 피삭재, 공작기계에 적용가능한 CNC 공작기계의 주축전류제어를 위한 복합제어 방법을 제공하는 것이다.
이러한 본 발명의 목적들은, CNC 공작기계의 주축을 회전시키는 주축모터의 전류를 측정하는 주축전류 측정 단계와;
CNC 공작기계를 시간지연을 갖는 일차시스템으로 모델링하는 모델링 단계와;
모델링된 시스템을 제어하기 위해 이송속도를 조절하는 제어기를 설계하는 제어기 설계 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 CNC 공작기계의 주축전류제어를 위한 복합제어 방법에 의하여 달성된다.
그리고, 상기 CNC 공작기계의 모델링은
와 같이 시간지연을 갖는 일차시스템으로 모델링하고, 여기서
K는 공작기계의 모델링 파라미터(주축전류의 값(A))
td는 공작기계의 모델링 파라미터(시간지연 값(sec))
s는 라플라스 변수
τ는 공작기계의 모델링 파라미터(시정수)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어기 설계 단계는
가변비례적분제어부, 초기접촉제어부로 이루어진 제 1 복합제어기로 설계되고, 여기서
가변비례적분제어부는
와 같은 비례적분제어기에 의하여 산출되고, 여기서(비례제어상수)와(적분제어상수)는
이고,
초기접촉제어부는 무부하전류값에 일정수준이상의 전류값이 나오면 이송속도를 일정수준 이하로 일정시간 동안 낮추는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제어기 설계 단계는
가변비례제어부, 상세제어부, 초기접촉제어부로 이루어진 제 2 복합제어기로 설계되고,
가변비례제어부는
와 같은 비례제어기에 의하여 산출되고, 여기서(비례제어상수)는
이고,
상세제어부는
와 같은 일차식으로 산출되고,
여기서,
A는 f = 0일때의 값으로 실험을 통해 구해지는 상수,
B는, f, A를 알때 결정되는 상수이며,
초기접촉제어부는 무부하전류값에 일정수준이상의 전류값이 나오면 이송속도를 일정수준 이하로 일정시간 동안 낮추는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 주축전류 측정 단계와 모델링 단계와 제어기 설계 단계를 반복하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 주축전류 측정 단계는 로드미터를 이용하여 주축에 들어가는 전류값을 직접 측정하는 것을 특징이고, 전류센서를 이용하여 주축에 들어가는 전류값을 직접 측정하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 모델링 단계의 시간지연은 실험을 통해서 구해지고 공작기계 시스템에 따라 결정되는 고정 파라미터인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 초기접촉제어부는 주축전류의 무부하전류값에서 일정수준이상의 전류값이 검출되는 시점부터 제어를 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 CNC 공작기계이 주축전류제어를 위한 복합제어 방법을 나타내는 흐름도,
도 2는 본 발명에 따른 이송속도의 계단입력에 대한 주축전류의 출력값을 나타내는 그래프,
도 3a는 본 발명에 따라 제 1복합제어기가 사용되는 실시예 1의 개념도,
도 3b는 본 발명에 따라 제 2복합제어기가 사용되는 실시예 2의 개념도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
30 :Input Signal 40 : Output Signal
50 : 접선 S100 : 주축전류 측정 단계
S200 : 모델링 단계 S300 : 제어기 설계 단계
S400 : 반복 단계
이하에서 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
일반적으로 주축전류의 측정은 CNC 공작기계에 부착된 로드미터를 이용하여 측정하거나, 전류센서를 이용하여 주축에 들어가는 전류값을 직접 측정한다. 이러한 주축의 전류값은 CNC 공작기계의 부하를 가장 크게 나타내는 인자로서 공구의 이송속도와 비례 관계를 갖고 있다.
즉, 공구의 이송속도가 빠르면 CNC 공작기계의 주축 전류값도 커지고 반면에 공구의 이송속도가 느리면 CNC 공작기계의 주축전류값은 작아지게 된다. 이는 CNC 공작기계의 주축 전류값은 절삭부하와 비례 관계에 있으며, 절삭부하가 크면 CNC 공작기계의 주축 전류값도 커지고 절삭부하가 작으면 CNC 공작기계의 주축전류값은 작아지게 된다.
상술한 바와 같은 상관 관계로 CNC 공작기계의 가공효율을 높이기 위해서는 주축에 걸리는 전류를 측정하여 이를 일정하게 유지시키도록 절삭부하를 조절 즉, 절삭부하에 따른 이송속도를 조절해야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 CNC 공작기계이 주축전류제어를 위한 복합제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 주축의 전류를 일정하게 유지하기 위해서는 첫째로 실시간으로 변화하는 주축의 전류를 측정(S100)한다. 그리고 둘째로 CNC 공작기계의 실험값으로 얻어지는 각종 파라미터와의 관계를 식으로 정립하여 CNC 공작기계를 시간지연을 갖는 일차시스템으로 모델링(S200)한다. 그리고 셋째로 모델링된 시스템을 제어하기 위해 이송속도를 조절하는 제어기를 설계(S300)하여 이송속도를 조절하여 주축의 전류를 일정하게 유지한다. 이상과 같은 삼단계를 가공시에 주기적으로 반복(S400)하면 주축의 부하 변동없이 보다 효율적인 이송속도로 가공이 이루어진다.
이하에서 상술한 바와 같은 단계들을 보다 상세히 설명한다.
첫째 단계인 주축전류를 측정하는 단계(S100)는 주축을 회전시키는 주축모터의 전류를 측정하는 것으로서, CNC 공작기계에 부착되어진 로드미터를 이용하여 측정하거나 전류센서를 이용하여 주축에 들어가는 전류값을 직접 측정하여 공작기계의 모델링 파라미터중 하나인 주축전류의 값을 얻는다.
그리고 둘째 단계인 CNC 공작기계를 시간지연을 갖는 일차시스템으로 모델링하는 단계(S200)는 주축전류의 값, 시간지연 값, 시정수등을 파라미터로 갖는 수학식 [1]
과 같이 CNC 공작기계를 시간지연을 갖는 일차시스템으로 모델링한다. 여기서
K는 공작기계의 모델링 파라미터(주축전류의 값(A))
td는 공작기계의 모델링 파라미터(시간지연 값(sec))
s는 라플라스 변수
τ는 공작기계의 모델링 파라미터(시정수)인 것이 특징이다.
도 2는 본 발명에 따른 이송속도의 계단입력에 대한 주축전류의 출력값을 나타내는 그래프이다.
또한 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 모델링의 특징은 이송속도의 계단 입력에 의한 플랜트의 반응을 살펴봄에 의해 쉽게 모델링 할 수 있으며 특히, 이송속도의 시간지연 값인 td는 실험에서 얻어진 도 2의 이송속도 계단입력인 Input Signal(30)과 주축전류의 출력인 Output Signal(40)인 반응곡선과의 관계에서 알 수 있다. 즉, 상기 이송속도의 계단입력에 대한 주축전류의 출력값인 반응곡선의 변곡점에서 접선(50)을 긋는다면, Signal을 Input한 시점에서 그 접선(50)의 기울기와 시간축의 교점과의 거리가 시간지연 td가 된다. 여기서, 시간지연 td는 주로 주축 모터 시스템의 반응속도, 센서의 지연 등에 의한 것으로서, 가공조건에 따라 변하는 가변 파라미터가 아니라 공작기계 시스템에 따라 결정되는 고정 파라미터로서 실험을 통해서 구해지는 값이다.
그리고, 셋째로 모델링된 시스템을 제어하기 위해 이송속도를 조절하는 제어기를 설계하는 제어기 설계 단계(S300)는 이송속도를 조절하여 주축의 전류를 일정하게 유지한다. 이러한 제어기를 설계하는 방법으로 실시예 1과 실시예 2로 나누어 설명한다. 여기서 실시예 1은 가변비례적분제어부와 초기접촉제어부로 이루어진 제 1 복합제어기이고 실시예 2는 가변비례제어부와 상세제어부 및 초기접촉제어부로 이루어진 제 2 복합제어기이다.
도 3a는 본 발명에 따라 제 1복합제어기가 사용되는 실시예 1의 개념도이고, 도 3b는 본 발명에 따라 제 2복합제어기가 사용되는 실시예 2의 개념도이다.
이하에서, 도 3a에 도시된 바를 참조하여 제 1복합제어기가 사용되는 CNC 공작기계의 주축전류제어를 위한 복합제어 방법을 설명한다.
[실시예 1]
가변비례적분제어부와 초기접촉제어부로 이루어진 제 1 복합제어기를 가변비례적분제어부와 초기접촉제어부로 나누어 설명한다.
가변비례적분제어부는 수학식 [2]와 같은 비례적분제어기를 사용한다.
여기서는 비례제어상수이고는 적분제어상수로서 다음과 같은 수학식 [3]과 수학식 [4]와 같다.
여기서,
K는 공작기계의 모델링 파라미터(주축전류의 값(A))
td는 공작기계의 모델링 파라미터(시간지연 값(sec))
s는 라플라스 변수
τ는 공작기계의 모델링 파라미터(시정수)인 것이 특징이다.
그리고, 초기접촉제어부는 초기접촉시의 과도한 절삭력을 줄이기 위하여 무부하전류값에서 일정수준이상의 전류값이 나오는 초기접촉을 감지하고, 감지되자마자 바로 이송속도를 일정 수준이하로 일정시간 동안 낮추는 제어를 한다.
이하에서, 도 3b에 도시된 바를 참조하여 제 2복합제어기가 사용되는 CNC 공작기계의 주축전류제어를 위한 복합제어 방법을 설명한다.
[실시예 2]
가변비례제어부와 상세제어부 및 초기접촉제어부로 이루어진 제 2 복합제어기를 가변비례제어부와 상세제어부 및 초기접촉제어부로 나누어 설명한다.
가변비례제어부는 수학식 [5]와 같은 비례제어기에 의하여 산출된다.
여기서는 비례제어상수로서 다음과 같은 수학식 [6]과 같다.
여기서,
K는 공작기계의 모델링 파라미터(주축전류의 값(A))
td는 공작기계의 모델링 파라미터(시간지연 값(sec))
τ는 공작기계의 모델링 파라미터(시정수)인 것이 특징이다.
그리고, 상세제어부는 수학식 [7]과 같은 일차식으로 산출된다.
상기 수학식 [7]에 의하여 이송속도 f의 변화에 따른의 변화값을 알 수 있으므로, 비례제어에서 발생하는 전류값의 정상상태 오차를 줄일 수 있도록 f값을 조절한다.
여기서,
A는 f = 0일때의 값으로 실험을 통해 구해지는 상수,
B는, f, A를 알때 결정되는 상수이다.
또한, 초기접촉제어부는 초기접촉시의 과도한 절삭력을 줄이기 위하여 무부하전류값에서 일정수준이상의 전류값이 나오는 초기접촉을 감지하고, 감지되자마자 바로 이송속도를 일정 수준이하로 일정시간 동안 낮추는 제어를 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 주축전류 측정 단계와 모델링 단계와 제어기 설계단계들을 주기를 가지고 계속해서 반복함으로써 주축전류를 일정하게 유지하는 CNC 공작기계의 주축전류제어를 위한 복합제어가 이루어진다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 CNC 공작기계의 주축전류제어를 위한 복합제어 방법에 의하면, 주축전류값을 일정하게 유지시킬 수 있도록 가공 상황에 맞게 이송속도를 증감시켜 과부하를 피하게 되었고 생산시간이 단축되어 공구의 수명이 연장되게 하는 CNC 공작기계의 주축전류를 제어할 수 있게 되었다.
그리고 주축전류값을 일정 수준으로 유지시키기 위하여 복합제어로 이송속도를 조절하여 다양한 가공조건, 공구, 피삭재, 공작기계에 적용가능하게 CNC 공작기계의 주축전류를 제어할 수 있게 되었다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.

Claims (9)

  1. CNC 공작기계의 주축을 회전시키는 주축모터의 전류를 로드미터 또는 전류센서를 이용하여 측정하는 주축전류 측정 단계(S100)와;
    CNC 공작기계를와 같이 시간지연을 갖는 일차시스템으로 모델링하고, 여기서
    K는 공작기계의 모델링 파라미터(주축전류의 값(A))
    td는 공작기계의 모델링 파라미터(시간지연 값(sec))
    s는 라플라스 변수
    τ는 공작기계의 모델링 파라미터(시정수)인 것을 특징으로 하여 시간지연을 갖는 일차시스템으로 모델링하는 모델링 단계(S200)와;
    모델링된 시스템을 제어하기 위해 이송속도를 조절하는 제어기를 설계하는 제어기 설계 단계(S300);를 포함하는 것을 특징으로 하는 CNC 공작기계의 주축전류제어를 위한 복합제어 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제어기 설계 단계는
    가변비례적분제어부, 초기접촉제어부로 이루어진 제 1 복합제어기로 설계되고, 여기서
    가변비례적분제어부는
    와 같은 비례적분제어기에 의하여 산출되고, 여기서(비례제어상수)와(적분제어상수)는
    이고,
    초기접촉제어부는 무부하전류값에 일정수준이상의 전류값이 나오면 이송속도를 일정수준 이하로 일정시간 동안 낮추는 것을 특징으로 하는 CNC 공작기계의 주축전류제어를 위한 복합제어 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제어기 설계 단계는
    가변비례제어부, 상세제어부, 초기접촉제어부로 이루어진 제 2 복합제어기로 설계되고,
    가변비례제어부는
    와 같은 비례제어기에 의하여 산출되고, 여기서(비례제어상수)는
    이고,
    상세제어부는
    와 같은 일차식으로 산출되고,
    여기서,
    A는 f = 0일때의 값으로 실험을 통해 구해지는 상수,
    B는, f, A를 알때 결정되는 상수이며,
    초기접촉제어부는 무부하전류값에 일정수준이상의 전류값이 나오면 이송속도를 일정수준 이하로 일정시간 동안 낮추는 것을 특징으로 하는 CNC 공작기계의 주축전류제어를 위한 복합제어 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
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