KR101354859B1 - 공작 기계의 제어 방법 및 제어 장치 - Google Patents

공작 기계의 제어 방법 및 제어 장치 Download PDF

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Abstract

먼저, 가공 전과 가공 후의 워크의 고유 진동을 입력한다 (단계 S1). 다음으로, 워크의 고유 진동의 가공 전과 가공 후 사이에서의 영역을 캠벨선도 상에 설정한다 (단계 S2). 또한, 가공 툴의 가공시의 진동 성분을 입력한다 (단계 S3). 다음으로, 가공 툴의 가공시의 진동 성분을 캠벨선도 상에 설정한다 (단계 S4). 다음으로, 캠벨선도에 의해, 워크의 고유 진동의 가공 전과 가공 후 사이에서의 영역에 대해, 가공 툴의 진동 성분이 공진하는 범위 이외에서의 가공 툴의 회전수 (가동 조건) 를 판정한다 (단계 S5). 마지막으로, 가공 툴의 회전수 (가동 조건) 에 기초하여, 워크의 가공을 실행한다 (단계 S6). 이 때문에, 워크의 가공면 조도를 향상시키고, 또한 가공 비용을 저감시킬 수 있다.

Description

공작 기계의 제어 방법 및 제어 장치{MACHINE TOOL CONTROL METHOD AND CONTROL DEVICE}

본 발명은, 절삭 가공 등을 실시하는 공작 기계에 있어서, 워크 가공시의 채터 진동을 방지하는 공작 기계의 제어 방법 및 제어 장치에 관한 것이다.

예를 들어, 절삭 가공에서는, 워크의 고유 진동에 대하여 가공 툴의 가동시의 진동이 공진됨으로써 채터 진동이 발생한다. 채터 진동이 발생하면, 워크의 가공면 조도 (粗度) 의 악화나, 진동에 의한 가공 툴의 절삭날의 결손 등의 문제가 발생한다.

이 채터 진동의 대책으로서, 예를 들어 특허문헌 1 에 개시된 방법이 있다. 이 방법에서는, 현 공정에서 워크의 진동 데이터를 취득하고, 이 진동 데이터를 사용하여, 보다 마무리 정밀도가 높은 다음 공정에 있어서의 채터 진동의 발생 유무를 예측하고, 이 예측된 채터 진동의 발생 유무의 결과에 기초하여 다음 공정에서의 워크를 가공하는 가공 데이터를 수정한다. 그리고, 각 공정에서 채터 진동이 발생한 경우에는, 그 공정에서 취득한 워크의 진동 데이터에 기초하여 그 공정에서의 워크의 채터 진동을 방지한다. 구체적으로는, 가공 툴의 이송량을 증가시키거나, 가공 툴의 워크에 대한 절삭 속도 (회전수) 를 감소시키거나, 또는 가공 툴의 워크에 대한 절입량을 감소시킴으로써, 워크의 채터 진동을 방지한다.

일본 공개특허공보 2006-150504호

상기 특허문헌 1 에 나타내는 방법에 있어서는, 현 공정에서의 워크의 진동 데이터로부터, 다음 공정에 있어서의 채터 진동의 발생 유무를 예측하고, 이 예측 결과에 기초하여 다음 공정에서의 워크를 가공하는 가공 데이터를 수정하고 있는데, 채터 진동의 발생을 방지할 수 없는 경우가 있다. 이것은, 절삭 가공 중에 워크의 질량 변화 및 강성 변화에 따라, 워크의 고유 진동이 변화되는 것에 의한다. 이 때문에, 워크의 가공 중에, 워크의 고유 진동에 대하여 가공 툴의 고유 진동이 공진되어 채터 진동이 발생한다. 특허문헌 1 에 나타내는 방법에서는, 이 채터 진동을 방지하기 위해, 가공 툴의 이송량이나 회전수나 절입량 등 가공 툴의 가동 조건을 변경하고 있다.

그러나, 워크의 가공 중에, 가공 툴의 가동 조건을 변경하면, 변경 전후에서의 워크의 가공면 조도가 변화되어 가공면 조도의 악화를 초래함과 함께, 가공 시간이 증가하여 가공 비용이 증가하게 된다.

본 발명은, 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 워크의 가공면 조도를 향상시키고, 또한 가공 비용을 저감시킬 수 있는 공작 기계의 제어 방법 및 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 공작 기계의 제어 방법에서는, 가공 전과 가공 후에서의 워크의 고유 진동을 설정하고, 또한 가공 툴의 가공시의 진동 성분을 설정하는 공정과, 상기 워크의 고유 진동의 가공 전과 가공 후 사이에서의 영역에 대해, 상기 가공 툴의 진동 성분이 공진하는 범위 이외에서의 상기 가공 툴의 가동 조건을 판정하는 공정과, 판정한 상기 가공 툴의 가동 조건에 기초하여 상기 워크의 가공을 실행하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 공작 기계의 제어 방법은, 워크의 가공 중에 워크의 질량이나 강성이 변화되어도, 이 변화 영역에 대해, 워크의 고유 진동과 가공 툴의 진동 성분이 공진하지 않는 가공 툴의 가동 조건에서 워크의 가공을 실시하므로, 채터 진동의 발생을 방지할 수 있다. 이 결과, 채터 진동을 억제하기 위해 워크의 가공 중에 가공 툴의 가동 조건을 변경하는 일이 없기 때문에, 워크의 가공면 조도가 향상되고, 또한 가공 시간의 증가가 없기 때문에 가공 비용이 저감된다.

또, 본 발명의 공작 기계의 제어 방법에서는, 상기 가공 툴의 가동 조건은, 상기 가공 툴의 이송량 및 절입량을 일정하게 한 상기 가공 툴의 회전수인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 공작 기계의 제어 방법에서는, 상기 워크의 고유 진동, 및 상기 가공 툴의 가공시의 진동 성분을 캠벨선도 상에 설정하는 것이 바람직하다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 공작 기계의 제어 장치에서는, 가공 전과 가공 후에서의 워크의 고유 진동을 설정하고, 또한 가공 툴의 가공시의 진동 성분을 설정하는 설정부와, 상기 워크의 고유 진동의 가공 전과 가공 후 사이에서의 영역에 대해, 상기 가공 툴의 진동 성분이 공진하는 범위 이외에서의 상기 가공 툴의 가동 조건을 판정하는 판정부와, 판정한 상기 가공 툴의 가동 조건에 기초하여 상기 워크의 가공을 실행하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 한다.

이 공작 기계의 제어 장치는, 워크의 가공 중에 워크의 질량이나 강성이 변화되어도, 이 변화 영역에 대해, 워크의 고유 진동과 가공 툴의 진동 성분이 공진하지 않는 가공 툴의 가동 조건에서 워크의 가공을 실시하므로, 채터 진동의 발생을 방지할 수 있다. 이 결과, 채터 진동을 억제하기 위해 워크의 가공 중에 가공 툴의 가동 조건을 변경하는 일이 없기 때문에, 워크의 가공면 조도가 향상되고, 또한 가공 시간의 증가가 없기 때문에 가공 비용이 저감된다.

본 발명에 의하면, 채터 진동의 발생을 방지하여, 워크의 가공 중에 가공 툴의 가동 조건을 변경하는 사태를 방지함으로써, 워크의 가공면 조도를 향상시킬 수 있고, 또한 가공 시간의 증가를 없애 가공 비용을 저감시킬 수 있다.

도 1 은, 본 발명의 실시예에 관련된 공작 기계 및 그 제어 장치를 나타내는 개략 구성도이다.
도 2 는, 가공 툴의 가동 조건을 판정하기 위한 캠벨선도이다.
도 3 은, 도 1 에 나타내는 공작 기계의 제어 장치에 있어서의 동작 (제어 방법) 의 플로우차트이다.

이하에 첨부 도면을 참조하여, 본 발명에 있어서의 공작 기계의 제어 방법 및 제어 장치의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 또, 이 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

도 1 은, 본 발명의 실시예에 관련된 공작 기계 및 그 제어 장치를 나타내는 개략 구성도, 도 2 는, 가공 툴의 가동 조건을 판정하기 위한 캠벨선도, 도 3 은, 도 1 에 나타내는 공작 기계의 제어 장치에 있어서의 동작 (제어 방법) 의 플로우차트이다.

도 1 에 나타내는 바와 같이, 공작 기계로서의 워크 가공 장치 (1) 는, 가공부 (2) 와, 제어 장치 (4) 를 구비하고 있다.

가공부 (2) 의 하부에는 베드 (21) 가 형성되어 있다. 베드 (21) 상에는 문형을 이루는 칼럼 (22) 이 세워 형성되어 있다. 칼럼 (22) 의 전면 (前面) 에는, X 축 방향 (좌우 방향) 으로 연장되는 가이드 (23, 24) 를 개재하여 새들 (25) 이 왕복 이동 가능하게 지지되어 있다. 또한, 새들 (25) 의 전면에는, Z 축 방향 (연직 방향) 으로 연장되는 가이드 (26) 를 개재하여 주축 헤드 (27) 가 승강 가능하게 지지되어 있다. 주축 헤드 (27) 의 하면에는, 가공 헤드 (28) 가 회전축 (P) 둘레에 회전 가능하게 지지되어 있다. 이 가공 헤드 (28) 에는, 가공 툴 (T) 이 유지된다. 또, 가공 헤드 (28) 에는, 가공 툴 (T) 이 워크 (W) 에 접촉했을 때의 접촉압을 흡수하는 댐퍼 (28a) 가 형성되어 있다. 또한, 베드 (21) 상에는, Y 축 방향 (전후 방향) 으로 연장되는 가이드 (29) 를 개재하여 테이블 (30) 이 슬라이드 이동 가능하게 지지되어 있다. 이 테이블 (30) 에는, 워크 (W) 를 유지하는 워크 유지부 (31) 가 형성되어 있다. 또, 도 1 에서 나타내는 워크 (W) 는, 가스 터빈 등에 사용되는 터빈 날개를 예시하고 있다.

즉, 가공부 (2) 는, 가공 툴 (T) 을 X 축 방향 (좌우 방향) 및 Z 축 방향 (연직 방향) 으로 이동 가능하게 구성되고, 또한 워크 (W) 를 Y 축 방향 (전후 방향) 으로 이동 가능하게 구성되어 있다. 이 X 축 방향, Z 축 방향 및 Y 축 방향의 이동은, 후술하는 이동 기구 구동부 (46) 에 의해 구동된다. 또한, 가공부 (2) 는, 가공 툴 (T) 을 회전축 (P) 둘레에 회전 가능하게 구성되어 있다. 이 가공 툴 (T) 의 회전은, 후술하는 가공 툴 회전 구동부 (47) 에 의해 구동된다.

이 워크 가공 장치 (1) 는, 가공 툴 (T) 을 회전축 (P) 둘레에 회전시키면서, 가공 툴 (T) 을 X, Z 축 방향으로 이동시킴과 함께, 워크 (W) 를 Y 축 방향으로 이동시킴으로써, 가공 툴 (T) 을 워크 (W) 에 접촉시켜 워크 (W) 의 절삭 가공을 실행한다.

제어 장치 (4) 는, 마이크로 컴퓨터 등으로 구성되고, 가공부 (2) 의 동작을 제어하는 것이다. 이 제어 장치 (4) 는, 제어부 (41) 를 갖고 있다. 이 제어부 (41) 에는, 기억부 (42), 입력부 (43), 설정부 (44), 판정부 (45), 이동 기구 구동부 (46), 및 가공 툴 회전 구동부 (47) 가 접속되어 있다.

입력부 (43) 에는, 후술하는 판정부 (45) 에 있어서 가공부 (2) 의 가동 조건을 판정하기 위한 여러 사항이 입력된다. 입력부 (43) 에 입력되는 여러 사항에는, 워크 (W) 의 고유 진동, 및 가공 툴 (T) 의 가공시의 진동 성분이 있다. 워크 (W) 의 고유 진동에는, 가공 전과 가공 후의 것이 있다. 이들 가공 전과 가공 후의 워크 (W) 의 고유 진동은, 워크 (W) 의 설계 데이터에 기초한 유한 요소법 해석 또는 실험 모드 해석에 의해 얻을 수 있다. 또한, 가공 툴 (T) 의 진동 성분은, 가공 툴 (T) 의 회전수 [N] 과 가공 툴 (T) 의 절삭날 수 [Z] 의 곱 (NZ) 로 산출된 주파수 성분, 및 그 주파수 성분의 고조파 성분이다. 또, 입력부 (43) 에 입력되는 여러 사항에는, 미리 기억부 (42) 에 격납된 것, 또는 제어 장치 (4) 의 외부에서 입력부 (43) 에 접속된 외부 입력 수단 (도시하지 않음) 에 의해 입력부 (43) 에 입력되는 것이 있다.

또, 워크 (W) 의 고유 진동에는, 뒤틀림 모드와 굽힘 모드가 있다. 뒤틀림 모드는, 워크 (W) 가, 도 1 에서 예시하는 터빈 날개와 같이 판편상 (板片狀) 인 경우, 예를 들어 길이 방향의 중앙부를 가공할 때, 뒤틀림 방향으로 가중이 가해지는 모드이다. 한편, 굽힘 모드는, 도 1 에서 예시하는 워크 (W) 의 길이 방향의 선단부를 가공할 때, 굽힘 방향으로 가중이 가해지는 모드이다. 이들 뒤틀림 모드와 굽힘 모드에서는, 뒤틀림 모드가 고유 진동이 크고, 또한 가공 전과 가공 후에서의 고유 진동의 차가 크기 때문에, 채터 진동이 발생하기 쉽다. 따라서, 본 실시예에서는, 뒤틀림 모드에서의 가공에 있어서의 고유 진동을 적용하여 설명한다.

설정부 (44) 는, 입력부 (43) 에 입력된, 워크 (W) 의 고유 진동 및 가공 툴 (T) 의 가공시의 진동 성분을, 도 2 에 나타내는 캠벨선도 상에 설정하는 것이다.

판정부 (45) 는, 상기 캠벨선도에 의해, 워크 (W) 의 고유 진동의 가공 전과 가공 후 사이에서의 영역에 대해, 가공 툴 (T) 의 진동 성분이 공진하는 범위 이외에서의 가공 툴 (T) 의 가동 조건을 판정하는 것이다. 또, 본 실시예에서는, 가공 툴 (T) 의 가동 조건을, 가공 툴 (T) 의 이송량 및 절입량을 일정하게 한 가공 툴 (T) 의 회전수로 하고 있다. 가공 툴 (T) 의 회전수는, 가공 툴 (T) 의 진동 성분을 결정하는 데에 있어서 사용되는 것이기 때문에, 가동 조건으로서 보다 바람직하다.

그리고, 제어부 (41) 는, 기억부 (42) 에 미리 격납한 프로그램이나 데이터에 따라서, 주로 판정부 (45) 에서 판정된 가공 툴 (T) 의 가동 조건에 기초하여, 이동 기구 구동부 (46) 및 가공 툴 회전 구동부 (47) 를 제어한다.

도 2 의 캠벨선도 및 도 3 의 플로우차트에 기초하여, 상기 제어 장치 (4) 에 의한 워크 가공 장치 (1) 의 제어 (제어 방법) 에 관해서 설명한다.

먼저, 입력부 (43) 에 있어서, 가공 전과 가공 후의 워크 (W) 의 고유 진동을 입력한다 (단계 S1). 다음으로, 설정부 (44) 에 있어서, 워크 (W) 의 고유 진동의 가공 전과 가공 후 사이에서의 영역을 캠벨선도 상에 설정한다 (단계 S2). 캠벨선도는, 도 2 로 나타내는 바와 같이, 세로축이 주파수 [Hz] 이고, 가로축이 회전수 [rpm] 로 되어 있다. 그리고, 설정부 (44) 에서는, 이 캠벨선도 상에, 워크 (W) 의 고유 진동의 가공 전과 가공 후 사이에서의 영역 (사선 부분) 을 설정한다.

또한, 입력부 (43) 에 있어서, 가공 툴 (T) 의 가공시의 진동 성분을 입력한다 (단계 S3). 다음으로, 설정부 (44) 에 있어서, 가공 툴 (T) 의 가공시의 진동 성분을 캠벨선도 상에 설정한다 (단계 S4). 이 단계 S4 에 있어서, 설정부 (44) 에서는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 가공 툴 (T) 의 가공시의 진동 성분으로서, 가공 툴 (T) 의 회전수 [N] 과 가공 툴 (T) 의 절삭날 수 [Z] 의 곱 (NZ) 로 산출된 주파수 성분, 및 그 주파수 성분의 고조파 성분 (2NZ, 3NZ, 4NZ…) 을, 캠벨선도 상에 설정한다. 워크 (W) 의 고유 진동 및 가공 툴 (T) 의 가공시의 진동 성분을 캠벨선도 상에 설정함으로써, 가공 툴 (T) 의 회전수의 판정 확인을 용이하게 실시할 수 있다.

다음으로, 판정부 (45) 에 있어서, 캠벨선도에 의해, 워크 (W) 의 고유 진동의 가공 전과 가공 후 사이에서의 영역에 대해, 가공 툴 (T) 의 진동 성분이 공진하는 범위 이외에서의 가공 툴 (T) 의 회전수를 판정한다 (단계 S5). 이것에 의해, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 채터 진동이 발생하지 않는 회전수의 범위가 얻어진다.

마지막으로, 제어부 (41) 는, 가공 툴 (T) 의 회전수 (가동 조건) 에 기초하여, 가공 툴 회전 구동부 (47) 를 제어함과 함께, 이동 기구 구동부 (46) 를 제어하여, 워크 (W) 의 가공을 실행하고 (단계 S6), 본 제어를 종료한다.

또, 상기 단계 S1, S2 와 단계 S3, S4 는, 그 순서가 반대이어도 된다. 즉, 먼저, 가공 툴 (T) 의 가공시의 진동 성분을 입력 (단계 S3) 하고, 이 가공 툴 (T) 의 가공시의 진동 성분을 캠벨선도 상에 설정 (단계 S4) 하고, 다음으로, 가공 전과 가공 후의 워크 (W) 의 고유 진동을 입력 (단계 S1) 하고, 워크 (W) 의 고유 진동의 가공 전과 가공 후 사이에서의 영역을 캠벨선도 상에 설정 (단계 S2) 해도 된다.

이와 같이, 본 실시예에 있어서의 공작 기계의 제어 방법 및 제어 장치에 의하면, 워크 (W) 의 고유 진동의 가공 전과 가공 후 사이에서의 영역에 대해, 가공 툴 (T) 의 진동 성분이 공진하는 범위 이외에서의 가공 툴 (T) 의 회전수 (가동 조건) 를 판정하고, 이 판정한 가공 툴 (T) 의 회전수에 기초하여 워크 (W) 의 가공을 실행하고 있다. 이 때문에, 워크 (W) 의 가공 중에 워크 (W) 의 질량이나 강성이 변화되어도, 이 변화 영역에 대해, 워크 (W) 의 고유 진동과 가공 툴 (T) 의 진동 성분이 공진하지 않는 가공 툴 (T) 의 회전수로 워크 (W) 의 가공을 실시하므로, 채터 진동의 발생을 방지할 수 있다. 이 결과, 채터 진동을 억제하기 위해 워크 (W) 의 가공 중에 가공 툴 (T) 의 가동 조건을 변경하는 일이 없기 때문에, 워크의 가공면 조도를 향상시킬 수 있고, 또한 가공 시간의 증가를 없애 가공 비용을 저감시킬 수 있다.

산업상 이용가능성

이상과 같이, 본 발명에 관련된 공작 기계의 제어 방법 및 제어 장치는, 워크의 가공면 조도를 향상시키고, 또한 가공 비용을 저감시키기에 적합하다.

1 : 워크 가공 장치 (공작 기계)
2 : 가공부
21 : 베드
22 : 칼럼
23, 24 : 가이드
25 : 새들
26 : 가이드
27 : 주축 헤드
28a : 댐퍼
28 : 가공 헤드
29 : 가이드
30 : 테이블
31 : 워크 유지부
4 : 제어 장치
41 : 제어부
42 : 기억부
43 : 입력부
44 : 설정부
45 : 판정부
46 : 이동 기구 구동부
47 : 가공 툴 회전 구동부
P : 회전축
T : 가공 툴
W : 워크

Claims (4)

  1. 가공 전과 가공 후에서의 워크의 고유 진동을 설정하고, 또한 가공 툴의 가공시의 진동 성분을 설정하는 공정과,
    상기 워크의 고유 진동의 가공 전과 가공 후 사이에서의 영역에 대해, 상기 가공 툴의 진동 성분이 공진하는 범위 이외에서의 상기 가공 툴의 가동 조건을 판정하는 공정과,
    판정한 상기 가공 툴의 가동 조건에 기초하여 상기 워크의 가공을 실행하는 공정을 포함하고,
    상기 가공 툴의 가동 조건은, 상기 가공 툴의 이송량 및 절입량을 일정하게 한 상기 가공 툴의 회전수만인 것을 특징으로 하는 공작 기계의 제어 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 워크의 고유 진동, 및 상기 가공 툴의 가공시의 진동 성분을 캠벨선도 상에 설정하는 것을 특징으로 하는 공작 기계의 제어 방법.
  4. 가공 전과 가공 후에서의 워크의 고유 진동을 설정하고, 또한 가공 툴의 가공시의 진동 성분을 설정하는 설정부와,
    상기 워크의 고유 진동의 가공 전과 가공 후 사이에서의 영역에 대해, 상기 가공 툴의 진동 성분이 공진하는 범위 이외에서의 상기 가공 툴의 가동 조건을 판정하는 판정부와,
    판정한 상기 가공 툴의 가동 조건에 기초하여 상기 워크의 가공을 실행하는 제어부를 구비하고,
    상기 가공 툴의 가동 조건은, 상기 가공 툴의 이송량 및 절입량을 일정하게 한 상기 가공 툴의 회전수만인 것을 특징으로 하는 공작 기계의 제어 장치.
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