KR101077448B1 - 일정 이송률을 제어한 5축 가공기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일정 이송률을 제어한 5축 가공기에 관한 것으로, 상세하게는 직진이송에 비하여 회전이송 거리가 큰 경우의 가공에 대해서도 일정한 이송속도를 제어할 수 있도록 하는 포스트프로세서인 NC(Numerical Control :수치제어)데이터를 구비하여 표면조도와 절삭부하를 최소화할 수 있는 안정적인 5축가공기를 제공하는데 그 특징이 있다.

5축 가공, 이송율, 포스트프로세서, 표면조도, 이송속도

Description

일정 이송률을 제어한 5축 가공기{Constant feedrate controlled 5-axis machining}

본 발명은 일정 이송률을 제어한 5축 가공기에 관한 것이다.

5축 가공은 3개의 직진이송축에 2개의 회전이송축을 추가함으로써 자유도가 확장되어 공구의 접근성이 좋아지는 장점을 자지며, 터보기계류 부품 및 특수가공 분야로 가공 영역을 확장하고 있고 치구 및 총형커터 사용을 줄일 수 있으며, 금형 가공에서 공구길이를 감소하여 강성을 높였고, 공구 플랭크면 사용을 통한 항공기 부품가공성능형상을 도모하게 되는 등 다양한 기술적 진보를 꾀하게 되었다.

그러나 5축가공은 회전 이송축의 부가에 따른 축이송계의 복잡한 구동은 다양한 5축기계 메커니즘에 대한 포스터프로세싱(Post-processing) 문제를 해결하기 위하여 종래 연구에서 대표적인 6개 메커니즘에 대한 포스트프로세싱을 효과적으로 수행할 수 있는 5축가공용 범용 포스트프로세싱을 개발하였다.

6가지의 기본 메커니즘 이외에 테이블 틸팅축이 X축 중심으로 45도 회전된 상태로 틸팅 및 로테이션 이송을 하는 특수한 형태의 메커니즘을 추가함으로써 기존 연구의 질적 향상을 도모하고 일정 이송률 제어 실험에 적용하였고, 특수한 형 태 메커니즘에 대한 관련연구가 있었으나 핵심요소인 틸트각과 로테이션각에 대한 정의가 없어 적용상의 한계가 있었다.

그러나 5축가공 및 포스트프로세싱 과정에서 또 하나 중요한 요소는 회전이송 시 발생하는 공구 끝 이송속도와 축이송계 이송속도의 불일치에 따른 실제 가공 이송속도의 변동이며 이로 인한 가공시간의 지연 및 이송률 과다에 따른 과부하 등의 문제가 있었다.

그리고 공구 끝의 이송속도를 일정하게 제어하기 위한 관련 연구가 수행되었으나 CL(Cutter Location :공구위치)데이터 자체의 곡률 반경 및 회전각이 큰 경우 단순히 최단직진거리로 새로운 이송속도를 계산함으로써 일정이송속도의 오차를 보정하지 못한다는 문제점도 있었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 직진이송에 비하여 회전이송 거리가 큰 경우의 가공에 대해서도 일정한 이송속도를 제어할 수 있도록 하는 포스트 프로세서를 구비하여 표면조도와 절삭부하를 최소화할 수 있는 안정적인 5축가공기를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 상기의 목적과 같이 직진이송에 비하여 회전이송 거리가 큰 경우의 가공에 대해서도 일정한 이송속도를 제어할 수 있도록 하는 포스트프로세서인 NC(Numerical Control :수치제어)데이터가 구비된 5축가공기를 제공하여 표면조도를 향상할 수 있는 효과가 있으며, 절삭부하를 최소화할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 일정 이송률을 제어한 5축 가공기에 관한 것으로, 상세한 설명은 첨부되는 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 5축가공기의 이송률 편차에 대한 개념도이고, 도 2는 회전운동에 대한 이송률 보정의 개념도이며, 도 3은 5축가공기의 특수한 타입의 메커니즘이며, 도 4는 이송률 제어를 고려한 5축가공기이고, 도 5는 표면형상을 나타낸 것으로 a)는 이송률제어가 되지 않은 표면이고 b)는 이송률제어가 반영된 표면이다.

자유곡면의 5축가공에서 곡면의 곡률이 클수록 역기구해로 구한 NC(Numerical Control : 수치제어)데이터와 가공물을 실제 절삭하는 공구 끝점인 CL(Cutter Location : 공구위치)데이터간의 이송률은 큰 차이를 보인다.

이는 5축제어가공에서의 이송속도는 CL데이터의 이송속도가 아니라 역변환한 NC데이터에 의한 이송축의 이송속도를 나타내기 때문이다.

도 1은 이에 대한 개념도를 나타낸 것으로, (a)는 임펠러 허브부에 대한 5축가공과 같이 오목한 형상을 가공할 때 이송률의 오차를 나타내는 개념도로서 CL데이터의 이송거리가 피봇길이와 게이지길이를 합한 거리(PL+GL) 만큼 옵셋된 공구 틸팅축에서의 NC데이터의 거리보다 길어지게 되어 주어진 NC데이터의 이송률에 비해 속도가 빨라지게 되므로 절삭부하가 커지는 경우이며, 반면 (b)는 블레이드 곡면 가공과 같이 볼록한 형상의 경우로서 이때는 오목한 경우와 반대로 CL데이터의 이송거리가 NC데이터의 이송거리보다 짧아지게 되어 불필요한 가공시간의 지연이 예상된다.

따라서 NC데이터로 지령한 이송률을 실제가공 경로인 CL데이터의 이송거리에 맞게 재설정해주어야 하며 식 (1)과 같이 구할 수 있다.

------------------ (1)

여기서, D_CL : CL 데이터 P_CL1과 P_CL0간의 거리

F_b : 지령 이송속도, T_CL:D_CL : 거리를 F_b로 갈 때 소요시간

F_i: 각 축에서의 보정 이송속도, F_a : 축보정 이송속도

식 (1)에서 CL데이터의 이송거리, D_CL은 현재 CL데이터와 다음 CL데이터 사이의 직선거리이다.

그러나 5축가공에서 많은 경우 도 2의 항공기 엔진하우징 부품의 슬롯가공과 같이 회전이송만 존재하거나 직선이송거리가 회전이송거리에 비하여 매우 작을 수 있으며, 이때 직선거리 L과 회전이송거리 L'간의 거리 오차에 의하여 일정한 이송률을 제어하지 못하게 된다.

따라서 본 발명에서는 식 (2)와 같이 곡률의 변화가 없는 경우에는 식 (1)에서 구한 보정 이송속도, F_a를 사용하고 그렇지 않은 경우에는 실제 회전이송거리를 고려한 새로운 이송속도, F_a'(회전이송 보정 이송속도)를 적용함으로써 공구 끝에서 어떠한 경우라도 일정한 이송속도를 제어할 수 있도록 하였다.

------------------ (2)

여기서,

: 회전이송 보정 이송속도

본 발명의 이송률 제어를 고려한 포스트프로세서(Post-processor)의 개발을 살펴보면, 5축 가공기는 크게 3가지 형태의 메카니즘을 가지는데, 주축이 틸팅과 로테이션하는 경우(Head Tilting - Head Rotation, 이하 HT-HR)와 회전테이블이 틸팅과 로테이션을 하는 경우(Table Tilting - Table Rotation, 이하TT-TR) 및 공구가 틸팅하고 테이블이 로테이션하는 경우(HT-TR)로 구분된다.

종래 기술의 범용 포스트프로세서에서는 이 중에서 가장 많이 사용되고 있는 6가지 메커니즘으로 각각 HT-HR(AC, AB), TT-TR(AC, BC), HT-TR(BC, AC) 타입을 구현하였다.

본 발명에서는 기존의 6가지 메커니즘 이외에 Z축이 X축 중심으로 45도 회전한 축을 틸팅 회전축으로 하는 특수한 경우의 메카니즘을 구현하였으며 메커니즘의 개념도는 도 3에서 도시한 바와 같이, (a)는 70eV 5축가공기(DMG, Germany)의 구조를 보여주고 있으며, (b)는 틸팅축과 로테이션축을 정의하기 위한 개념도로서 Z'는 Z 축을 B축 중심으로 틸트각 θ만큼 회전했을 때의 벡터이고, V'는 공구축, V를 B축 중심으로 θ만큼 회전했을 때의 벡터이다.

∠Z'Z = ∠Z'V' 이므로 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다.

------------------ (3)

여기서 Z'벡터와 V'벡터는 식(4) 및 식(5)로부터 구할 수 있으며 틸트각 θ는 식(6)과 같이 정의할 수 있다.

--------- (4)

-------- (5)

------------------ (6)

B축의 틸트각(θ)이 정의되면 C축의 로테이션각(Φ)를 식(7) 및 식(8)로부터 정의할 수 있다.

------------------ (7)

------------- (8)

로테이션각과 틸트각이 구해지면 CL데이터의 파트좌표계 위치벡터(

)를 NC데이터의 머신좌표계 위치벡터(

)로 변환하며 식(9)와 같이 구할 수 있다.

, 여기서

------------------ (9)

따라서 식 (2)에서 구한 최종보정 이송률을 적용한 NC데이터는 식(10)과 같다.

------------------ (10)

이송률제어를 고려한 포트스프로세서의 검증실험은 도 4와 같이 이송률제어를 안한 블레이드 3개와 이송률제어를 한 블레이드 3개를 교차로 가공하였다.

5축가공기는 전기에서 정의한 특수한 메커니즘을 갖는 DMG사의 70-ev 5축가공기를 사용하였으며 해당장비에 대한 포스트프로세서 및 이송률 제어성능평가를 위하여 블레이드 곡면에 대한 표면조도와 표면형상을 측정 및 촬영하였다.

하기의 표1을 참조하면 표면조도 측정결과로써 이송률제어를 수행한 경우 약 0.05㎛정도 향상된 값을 얻을 수 있었다.

도 5는 표면형상을 공구현미경으로 촬영한 그림으로 이송률제어가 되지 않은 도 5의 (a)에 비하여 이송률제어가 반영된 도 5의 (b)가 전반적으로 양호한 상태임을 알 수 있다.

도 1은 5축가공기의 이송률 편차에 대한 개념도

도 2는 회전운동에 대한 이송률 보정의 개념도

도 3은 5축가공기의 특수한 타입의 메커니즘

도 4는 이송률 제어를 고려한 5축가공기

도 5는 표면형상을 나타낸 것으로 a)는 이송률제어가 되지 않은 표면이고 b)는 이송률제어가 반영된 표면

Claims (2)

1. 이송율을 제어하는 5축 가공기에 있어서,

   DMG사의 70-ev 5축가공기를 이용하여 공구축 이송계의 이송속도를 실제 가공과 관련한 CL(공구위치)데이터의 이송속도로 보정하고 회전이송이 큰 경우에 대한 이차적인 이송속도 보정을 통하여 공구 끝에서 일정한 이송률로 절삭할 수 있도록 하는 식 (1)의 NC(수치제어)데이터를 이용한 것을 특징으로 하는 일정 이송률을 제어한 5축 가공기.

   

   ----------------------- (식 1)

   여기서,

   NC : Numerical Control (수치제어) 데이터

   CL : Cutter Location (공구위치) 데이터

   P_m : 위치벡터

   F_a : 축보정 이송속도

   θ : B축의 틸트각

   Φ : C축의 로테이션각
2. 삭제

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