KR100655296B1 - 주축부하의 공구이상 검출장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공구와 소재와 파레트 및 가공공정에 따른 과부하 데이터를 미리 실장하고 공구파손으로 인한 현재 과부하와 비교하여 과부하 조건에 따라 적절히 대응토록 하는 주축부하의 공구이상 검출장치 및 방법에 관한 것으로,

수치제어부와, 스핀들모터 장치와, 서보모터 장치와, 기계 제어부와, 이상 과부하 검출장치로 이루어지며, 기계 제어부로부터 이상 과부하 조건을 입력받고, 수치 제어부로부터 스핀들 모터 장치와 서보모터 장치로 보내는 전류로부터 부하발생수치를 입력받아 기준 조건과 현재 과부하 상태를 상호 비교하여 서보모터 장치와 스핀들 모터 장치의 과부하 및 무부하 상태를 검출토록 하는데 그 특징이 있으며;

파레트 및 소재에 따라 동일 공구에 대해서 별도의 부하 측정 검사 데이터를 갖고, 아울러 동일 공구에 대해서 가공 공정에 따라 별도의 부하측정검사 데이터를 갖도록 하여 M코드에 의해서 부하 데이터 그룹을 선택하여 적용토록 함으로써 과부하에 대하여 적절히 대응할 수 있고, 또한 무부하에 대해서도 효과적으로 측정할 수 있는 장점을 제공한다.

주축, 부하, 공구, 이상

Description

주축부하의 공구이상 검출장치 및 방법{A Tool Error Detection Unit of CNC Main Axis and Method Thereof}

도 1a는 Y축만 절삭 이송시 X축의 부하 그래프.

도 1b는 Y축만 절삭 이송시의 Y축 부하 그래프.

도 3c는 XY축 절삭이송시 Y축 부하 그래프.

도 4는 본 발명의 절삭이송중 무부하 시간을 나타낸 그래프.

도 5는 본 발명 과부하 검출장치의 일실시예를 나타낸 구성도.

도 6은 본 발명의 동작 순서도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10: 수치제어부

20: 서보모터 장치

30: 스핀들모터 장치

40: 기계 제어부

50: 이상 과부하 검출장치

본 발명은 주축부하의 공구이상 검출장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 공구와 소재와 파레트 및 가공공정에 따른 과부하 데이터를 미리 실장하고 공구파손으로 인한 현재 과부하와 비교하여 과부하 조건에 따라 적절히 대응토록 하고, 아울러 정상 절석시의 주축 무부하 발생시간을 측정 기록하여 무부하 조건을 정확하게 체크토록 하는 것을 특징으로 하는 주축부하의 공구이상 검출장치 및 방법에 관한 것이다.

소재를 절삭하거나 가공하기 위한 공작기계는 통상적으로 가공소재(workpiece)를 이송(feed)하기 위한 하나 이상의 서보모터 및 서보모터에 의해 이송되는 소재를 절삭하기 위한 공구가 장착되는 스핀들(spindle, 주축)을 구비하고 있다.

그리고, 서보모터에 의해 소재가 미리 정해진 경로를 이송하는 동안에 스핀들에 장착된 공구가 소재를 절삭하게 된다. 이때, 만약 공구가 과도하게 마모되거나 파손시에는 절삭작업이 원활하게 진행되지 못하여 공작기계에 과부하가 걸리게 된다.

종래에는 이러한 과부하를 검출하기 위해 외부센서를 이용하거나 CNC(Computer Numerical Control) 콘트롤러를 이용하여 스핀들 모터와 서보모터의 부하 전류치를 검출하는 방식을 사용하였다.

즉, 공구 이상시에는 이상 과부하 또는 무부하가 발생된다는 가정하에, 스핀들 모터 또는 서보모터에 공급되는 전류의 값이 기준이 되는 최대값을 초과하는지 여부를 판단하여 과부하를 검출하고 스핀들 모터 또는 서보모터에 공급되는 전류의 값이 기준 이하의 값이 출력되는지를 판단하여 저부하를 검출하는 방식을 사용하였다.

이때, 과부하 검출이 실절삭구간에서만 수행될 수 있도록 하기 위해 스핀들 모터의 부하는 소재를 이송하기 위한 가감속 구간을 제외한 구간에 대해서 검출되고, 서보모터의 부하는 급송이송 구간과 가감속 구간을 제외한 구간에 대해서 검출된다.

그런데, 파레트를 이송하는 서보모터는 X축 및 Y축이 동시에 움직이는 경우가 많기 때문에 축부하를 측정시 간섭현상이 일어나게 된다.

즉, X축만 절삭이송시에도 Y축에 영향을 끼쳐 Y축에 일정한 부하를 주게되고, Y축만 절삭 이송시에도 마찬가지로 X축에 동일한 영향을 주게 되어, 대부분의 가공이 XY축을 동시에 움직이므로 서로 간섭이 되는 부하값과 실절삭부하가 동시에 각 축에 나타나게 되어 어느 한축의 부하 측정 그래프가 매우 불규칙하게 나타난다. 도 1a는 Y축만 절삭 이송시 X축의 부하를 나타내고, 도 1b는 Y축만 절삭 이송시의 Y축 부하이며, 도 3c는 XY축 절삭이송시 Y축 부하이다.

따라서, 서보모터축을 통해서 입력되는 데이터는 서로 간섭작용이 일어나기 때문에 무부하의 측정 데이터는 거의 의미가 없다.

즉, 일개의 축이 무부하 조건을 만족하여도 다른 축에서 발생하는 부하요인이 섞여서 들어오기 때문에 최종적으로는 무부하가 아닌 것으로 결정된다.

또한, 같은 가공 프로그램 공구를 사용하여 가공하여도 파레트의 변화 또는 소재의 셋업상태에 따라서 XY축 40%, 스핀들과 Z축은 10%정도 오차가 발생한다. 도 2a는 파레트 A에 의한 Y축 가공부하이고, 도 2b는 파레트 B에 의한 Y축 가공부하로서, 파레트를 변경한 상태에서 XY축 동시가공시 발생하는 Y축의 가공부하를 측정한 결과 많은 오차를 들어내고 있다.

이와 같은 이유로 정상절삭부하 범위를 측정하기 위해서는 여러개의 파레트를 가공해야 하므로 부하측정 및 이상부하의 범위를 파라메타로 설정하기 매우 어렵게 됨을 알 수 있다.

선반과는 달리 MCT(Machining Center Tooling system)에서는 주축이 실절삭부하를 그대로 반영하므로 측정부하로 공구이상유무를 검출하기에는 일반적이지 못하다.

도 3은 단일공구에 의한 여러공정과 절입깊이를 변경시의 측정된 부하이다.

즉, 최고점이 다른 여러가지 부하가 발생하고 있으며, 도시한 바와 같이 실시예에서는 3개의 다른 높이를 갖는 부하조건이 발생하고 있으나, 종래에는 최상의 높이 부하만을 기준점을 채택하였다.

따라서, 만약에 실시예에서 첫번째 부하만을 기준으로 삼는다면 두번째 부하와 세번째 부하는 기준을 초과하여도 첫번째 부하조건에만 만족하게 되면 이상이 없다고 판단하게 되므로, 기준 가공 부하와 실제 가공 부하에서 괴리가 발생하게 되어 원활한 부하조건을 만족시키지 못하고, 두번째 부하조건과 세번째 부하조건을초과한 상태가 되면 공구파손등이 나타나는 문제점이 있다.

본 발명은 다음과 같이 종래기술을 개선토록 하는데 그 목적이 있다.

첫째, X축과 Y축이 기계 구조에 의하여 서로간에 간섭이 발생하는 종래 기술의 문제에 대해, 본 발명은 서보축은 과부하만 검출하고 주축에 대하여 비절삭 이송시간을 측정하여 공구 파손시의 무부하를 검출한다.

둘째, 파레트와 소재의 셋업 상태에 따라 동일 프로그램과 공구에 대하여 부하의 편차가 발생하는 종래기술의 문제에 대해, 본 발명은 파레트 및 소재에 따라 동일공구라도 별도의 부하측정검사 데이터를 갖고 M코드에 의하여 부하 데이터 그룹을 선택토록 한다.

셋째, 주축에 대하여만 이상부하 유무를 검출하여 공구 마모 파손을 검출하는 종래기술의 문제에 대해, 본 발명은 동일공구에 대해서 가공 공정에 따라 별도의 부하측정검사 데이터를 갖도록 하고, M코드에 의하여 부하 데이터 그룹을 선택하며, G코드에 의하여 가공 프로그램에서 검사 기준치를 변경한다.

상기 목적을 달성하기 위한 수단으로,

본 발명은 작업자의 지시에 따라 가공 프로그램을 입력받아 상기 가공 프로그램 명령에 따라 서보모터 및 스핀들 모터의 회전속도 및 회전시간을 지령하는 수치 제어부와; 상기 수치제어부의 명령에 따른 전원입력에 따라 회전하여 파레트를 XY축으로 이송시켜 가공물을 공구와 접촉시킴으로서 가공이 이루어지도록 하는 서보모터 장치와; 상기 수치제어부의 명령에 따른 전원입력에 따라 공구를 회전시켜 가공물을 가공하는 스핀들 모터 장치와; 상기 수치제어부의 명령에 따라 기계에 각종 동작명령을 내리고 공작기계로부터 들어온 기계신호를 다시 수치제어부에 알려주며 공작기계의 동작 순서를 제어하는 기계 제어부와; 상기 기계 제어부로부터 가공에 투입되는 공구와 각 소재와 파레트 및 가공 공정에 따른 부하 조건을 각각 입력받고, 과부하 발생시 또는 주축에 대하여 비절삭 이송시간을 측정하여 비접촉 절삭을 검출하여 기계 제어부에 알람신호를 출력하는 이상 과부하 검출장치를 포함하여 이루어지는 것이 특징이다.

또한, 상기 기계 제어부는 파레트 및 소재에 따라 동일한 공구에 대해서 별도의 부하 측정검사 데이터를 갖는 것이 특징이다.

또한, 상기 기계 제어부는 가공 공정에 따라 동일한 공구에 대해서 별도의 부하측정 검사 데이터를 갖는 것이 특징이다.

또한, 정상 절삭시에 절삭이송중에 주축의 무부하가 발생하는 시간을 각 소재와 공구에 따라 각각 측정하여 기록하는 단계와; 가공에 투입되는 파레트와 소재 및 가공 공정에 따라 각각의 조건을 만족하는 부하 데이터를 측정하여 기록하는 단계와; 가공동작이 시작되면 서보모터와 스핀들모터의 과부하를 측정하는 단계와; M코드에 의해 부하 데이터 그룹을 선택하여 해당 주축공구 및 절삭상황에 따른 부하정보를 입력받는 단계와; 현재 측정되는 서보모터와 스핀들 모터의 과부하 정보와 입력받은 M 코드의 정보를 비교하여 주축공구의 정상부하 + 여유량보다 현재 주축공구부하가 더 크면 과부하가 발생한 것으로 판단하여 알람을 출력하는 단계와; 상기 단계에서 과부하가 아닌 것으로 판단되면 절삭이송중 무부하 발생여부를 체크하는 단계와; 무부하시간 + 여유값보다 공구 비절삭시간이 더 많이 걸리면 알람을 출력하는 단계로 이루어져 순차진행함이 특징이다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 5는 본 발명 과부하 검출장치의 일실시예를 나타낸 구성도로서, 본 발명의 구성은 크게 수치제어부(10)와, 서보모터 장치(20)와, 스핀들모터 장치(30)와, 기계 제어부(40)와, 이상 과부하 검출장치(50)로 이루어지며, 상기 과부하 검출장치(50)는 기계 제어부(40)로부터 이상 과부하 조건을 입력받고, 수치 제어부(10)로부터 스핀들 모터 장치(30)와 서보모터 장치(20)로 보내는 전류로부터 부하발생수치를 입력받아, 기준 조건과 현재 과부하 상태를 상호 비교하여 서보모터 장치(20)와 스핀들 모터 장치(30)의 과부하 및 무부하 상태를 검출토록 한다.

본 발명의 가장 큰 특징은 서보모터 장치(20)로부터 과부하만 검출하고 스핀 들 모터 장치(30)로부터 추축에 대하여 비절삭 이송시간을 측정하여 공구 파손시의 무부하를 검출하며, 파레트 및 소재에 따라 동일 공구라도 별도의 부하 측정 검사 데이터를 갖도록 하여 M코드에 의하여 부하 데이터 그룹을 선택하도록 하고, 또한 동일 공구에 대하여서도 가공 공정에 따라 별도의 부하 측정 검사 데이터를 갖도록 하여 M코드에 의하여 부하데이터 그룹을 선택하고 G코드에 의하여 가공프로그램에서 검사 기준치를 변경토록 하는 것이다.

먼저, 본 발명의 수치 제어부(10)는 작업자의 지시에 따라 가공 프로그램을 입력받아 상기 가공 프로그램 명령에 따라 서보모터 및 스핀들 모터의 회전속도 및 회전시간을 전기공급량으로 변환하여 회전지령을 한다.

상기 서보모터 장치(20)는 상기 수치제어부(10)의 명령에 따른 전원입력에 따라 정해진 시간동안 정해진 속도로 회전하여 파레트를 XY축으로 이송시켜 가공물을 공구와 접촉시킴으로서 가공이 이루어지도록 한다.

상기 스핀들 모터(30) 장치 역시 상기 수치제어부(10)의 명령에 따른 전원입력에 따라 정해진 시간동안 정해진 속도로 공구를 회전시켜 가공물에 접촉하면서 정해진 프로그램에 따라 가공물을 가공한다.

상기 기계 제어부(40)는 상기 수치제어부(10)의 명령에 따라 기계에 각종 동작명령을 내리고 공작기계로부터 들어온 기계신호를 다시 수치제어부에 알려주며 공작기계의 동작 순서를 제어한다.

상기 이상 과부하 검출장치(50)는 상기 기계 제어부(40)로부터 가공에 투입되는 공구와 각 소재와 파레트 및 가공 공정에 따른 부하 조건을 각각 입력받고, 또한 상기 스핀들 모터 장치(30)에 제공되는 전원을 분기받아 상기 공구에 따른 과부하가 모터에 발생하였는지를 판단하여 과부하 발생시 기계 제어부에 알람신호를 출력하며, 또한 주축에 대하여 비절삭 이송시간을 측정하여 공구파손에 따른 무부하를 검출한다.

이하에서 본 발명을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 서보모터 장치(20)로부터는 과부하만 검출하고, 스핀들모터 장치(30)로부터는 비절삭 이송시간을 측정하여 공구파손시의 무부하를 검출하도록 한다.

즉, 서보모터 장치(20)에서는 X축과 Y축이 서로 영향을 주고 받게 되어 신호가 겹치기 때문에 어느 일방이 무부하 조건이라도 다른 일방에서 신호가 출력되어 결국 서로 신호가 중첩되는 현상이 발생하므로 서보모터 장치(20)를 통해서는 무부하 검출이 거의 불가능하므로, 본 발명에서는 스핀들모터 장치(30)의 비절삭 이송시간을 측정하고 이를 서보모터 장치(30)의 신호 검출과 비교하여 무부하를 검출토록 하였다.

도 4는 본 발명의 절삭이송중 무부하 시간을 나타낸 것으로, 도시한 바와 같이 도면상에서 A부분은 무부하 시간을 나타낸 것으로 주축의 무부하 시간이 그래프 상으로 정확하게 측정이 되며, 여기서 측정된 시간과 미리 입력된 무부하 시간을 비교검토하게 되면 공구의 정확한 무부하 조건을 측정할 수 있게 된다.

결국, 본 발명은 상기 무부하를 검출하기 위하여 정상 절삭시에 절삭 이송중에 주축의 무부하가 발생하는 시간을 각 소재와 공구에 따라 별도로 측정 기록하여 가공시에 무부하 절삭이송시간이 길게 나타나면 공구의 이상으로 판단토록 하므로 보다 정확한 무부하 검출이 이루어지게 된다.

또한, 본 발명의 과부하 검출장치(50)는 기계 제어부(40)에 각 공구에 대한 정상 부하치를 입력받고, 아울러 일개의 가공물을 작업하는 도중에 변경되는 각 부하치를 입력받는다.

이후, 스핀들 모터장치(30)와 서보모터장치(20)로부터 과부하 정보를 입력받아 기계 제어부로 부터 입력한 과부하 정보와 비교한다.

그리고, 이상 과부하 검출장치(50)는 상기 기계 제어부에서 출력된 공구의 정상부하치와 주축모터로부터 입력되는 부하치를 비교검토하여 현재 입력되는 부하가 미리 설정된 부하치를 초과하면 알람을 출력하도록 한다.

도 6은 본 발명의 동작순서도로서,

정상 절삭시에 절삭이송중에 주축의 무부하가 발생하는 시간을 각 소재와 공구에 따라 각각 측정하여 기록하는 단계와;

가공에 투입되는 파레트와 소재 및 가공 공정에 따라 각각의 조건을 만족하는 부하 데이터를 측정하여 기록하는 단계와;

가공동작이 시작되면 서보모터와 스핀들모터의 과부하를 측정하는 단계와;

M코드에 의해 부하 데이터 그룹을 선택하여 해당 주축공구 및 절삭상황에 따른 부하정보를 입력받는 단계와;

현재 측정되는 서보모터와 스핀들 모터의 과부하 정보와 입력받은 M 코드의 정보를 비교하여 주축공구의 정상부하 + 여유량보다 현재 주축공구부하가 더 크면 과부하가 발생한 것으로 판단하여 알람을 출력하는 단계와;

상기 단계에서 과부하가 아닌 것으로 판단되면 절삭이송중 무부하 발생여부를 체크하는 단계와;

무부하시간 + 여유값보다 공구 비절삭시간이 더 많이 걸리면 알람을 출력하는 단계로 이루어진다.

상술한 바와 같이 본 발명은 파레트 및 소재에 따라 동일 공구에 대해서 별도의 부하 측정 검사 데이터를 갖고, 아울러 동일 공구에 대해서 가공 공정에 따라 별도의 부하측정검사 데이터를 갖도록 하여 M코드에 의해서 부하 데이터 그룹을 선택하여 적용토록 함으로써 과부하에 대하여 적절히 대응할 수 있고, 또한 무부하에 대해서도 효과적으로 측정할 수 있는 장점을 제공한다.

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 (4)

1. 작업자의 지시에 따라 가공 프로그램을 입력받아 상기 가공 프로그램 명령에 따라 서보모터 및 스핀들 모터의 회전속도 및 회전시간을 지령하는 수치 제어부(10)와;

   상기 수치제어부(10)의 명령에 따른 전원입력에 따라 회전하여 파레트를 XY축으로 이송시켜 가공물을 공구와 접촉시킴으로서 가공이 이루어지도록 하는 서보모터 장치(20)와;

   상기 수치제어부(10)의 명령에 따른 전원입력에 따라 공구를 회전시켜 가공물을 가공하는 스핀들 모터 장치(30)와;

   상기 수치제어부(10)의 명령에 따라 기계에 각종 동작명령을 내리고 공작기계로부터 들어온 기계신호를 다시 수치제어부에 알려주면서 공작기계의 동작 순서를 제어하며 동일한 공구에 대해서 별도의 부하 측정검사 데이터를 갖는 기계 제어부(40)와;

   상기 기계 제어부(40)로부터 가공에 투입되는 공구와 각 소재와 파레트 및 가공 공정에 따른 부하조건을 각각 입력받고, 과부하 발생시 또는 주축에 대하여 비절삭 이송시간을 측정하여 비접촉 절삭을 검출하여 기계 제어부에 알람신호를 출력하는 이상 과부하 검출장치(50)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 주축부하의 공구이상 검출장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 기계 제어부(40)의 부하 측정검사 데이터는 파레트, 소재, 가공공정중 선택된 하나 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 주축부하의 공구이상 검출장치.
3. 삭제
4. 정상 절삭시에 절삭이송중에 주축의 무부하가 발생하는 시간을 각 소재와 공구에 따라 각각 측정하여 기록하는 단계(S10)와;

   가공에 투입되는 파레트와 소재 및 가공 공정에 따라 각각의 조건을 만족하는 부하 데이터를 측정하여 기록하는 단계(S20)와;

   가공동작이 시작되면 서보모터와 스핀들모터의 과부하를 측정하는 단계(S30)와;

   M코드에 의해 부하 데이터 그룹을 선택하여 해당 주축공구 및 절삭상황에 따른 부하정보를 입력받는 단계(S40)와;

   현재 측정되는 서보모터와 스핀들 모터의 과부하 정보와 입력받은 M 코드의 정보를 비교하여 주축공구의 정상부하 + 여유량보다 현재 주축공구부하가 더 크면 과부하가 발생한 것으로 판단하여 알람을 출력하는 단계(S50)와;

   상기 단계에서 과부하가 아닌 것으로 판단되면 절삭이송중 무부하 발생여부 를 체크하는 단계(S60)와;

   무부하시간 + 여유값보다 공구 비절삭시간이 더 많이 걸리면 알람을 출력하는 단계(S70)로 이루어져 순차진행함을 특징으로 하는 주축부하의 공구이상 검출방법.

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