KR102066462B1 - 공작기계용 시뮬레이션 장치 - Google Patents

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KR102066462B1
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이후승
김기일
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충남대학교산학협력단
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
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    • G05B19/406—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by monitoring or safety
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
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    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/37—Measurements
    • G05B2219/37435—Vibration of machine

Abstract

본 발명의 일실시예는 안전사고를 방지하고, 사용자에게 실제 절삭가공을 하는 것과 같은 작업 환경을 제공할 수 있는 공작기계용 시뮬레이션 장치를 제공한다. 여기서, 공작기계용 시뮬레이션 장치는 모의절삭부, 피가공부, 진동발생부, 제어부 그리고 가상현실부를 포함한다. 모의절삭부는 절삭공구에 대응된다. 피가공부는 모의절삭부에 의해 가상으로 절삭 가공된다. 진동발생부는 피가공부의 하부에 구비되고, 실제 절삭력으로 절삭가공 시에 발생되는 실제 진동에 대응되는 진동이 사용자에게 제공되도록, 모의절삭부가 피가공부를 절삭할 때 발생되는 실제 진동에 대응되는 햅틱 진동을 발생한다. 제어부는 모의절삭부의 작동정보를 전달받고 진동발생부가 발생시키는 햅틱 진동을 제어한다. 가상현실부는 모의절삭부에 의해 피가공부가 가상 절삭 가공되는 가상의 절삭 가공 형상 정보를 실시간으로 사용자에서 시각적으로 제공한다.

Description

공작기계용 시뮬레이션 장치{APPARATUS FOR SIMULATING MACHINE TOOL}
본 발명은 공작기계용 시뮬레이션 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 안전사고를 방지하고, 사용자에게 실제 절삭가공을 하는 것과 같은 작업 환경을 제공할 수 있는 공작기계용 시뮬레이션 장치에 관한 것이다.
공작기계는 각종 절삭 가공방법 또는 비절삭 가공방법으로 금속 또는 비금속의 소재(이하 모재)를 적당한 공구를 사용하여 형상 및 치수로 가공하거나 또는 더욱 정밀한 가공을 추가할 목적으로 사용되는 기계를 말한다.
이러한 공작기계는 산업 전반에 걸쳐 자동화 및 수치제어화(Numerical Control)가 급속히 진전되고 있으며, 이에 더해 컴퓨터 수치제어(Computerized Numerical Control)화가 적용되어 산업현장에서는 폭 넓은 수요가 이루어지고 있다.
이러한 공작기계에서, 모재의 가공은 주로 작업자가 생성한 가공 프로그램에 의해 이루어지고 있으며, 상기 가공 프로그램에는 가공 시 사용할 공구의 종류, 공구의 이송속도 및 스핀들 회전속도 및 가공경로 등이 포함되어 있다.
한편, 공구의 종류, 공구의 이송속도 및 스핀들 회전속도 및 가공경로 등을 판단하여 가공 프로그램을 생성하거나, 단순한 절삭 가공을 수동으로 진행하고자 하는 경우에는 절삭 가공에 대한 폭 넓은 지식이 요구된다.
이를 위해, 학교나 전문학원과 같은 곳에서는 교육생들에게 공작기계의 실습을 통한 교육 서비스를 제공하고 있다. 그러나, 이러한 교육 서비스가 실제 공작기계과 실제 모재를 이용하여 진행되기 때문에, 부주의 등에 의해 안전사고가 발행할 수 있는 위험이 항상 존재하게 되는 문제점이 있다.
따라서, 안전사고를 방지하면서 실제 가공실무를 통해서 얻을 수 있는 다양한 경험을 직접적으로 느낄 수 있도록 할 수 있는 절삭 가공 교육 서비스를 제공할 수 있는 기술이 요구된다.
대한민국 등록특허공보 제1638623호(2016.07.11. 공고)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 안전사고를 방지하고, 사용자에게 실제 절삭가공을 하는 것과 같은 작업 환경을 제공할 수 있는 공작기계용 시뮬레이션 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 절삭공구에 대응되는 모의절삭부; 상기 모의절삭부에 의해 가상으로 절삭 가공되는 피가공부; 상기 피가공부의 하부에 구비되고, 실제 절삭력으로 절삭가공 시에 발생되는 실제 진동에 대응되는 진동이 사용자에게 제공되도록, 상기 모의절삭부가 상기 피가공부를 절삭할 때 발생되는 실제 진동에 대응되는 햅틱 진동을 발생하는 진동발생부; 상기 모의절삭부의 작동정보를 전달받고 상기 진동발생부가 발생시키는 상기 햅틱 진동을 제어하는 제어부; 그리고 상기 모의절삭부에 의해 상기 피가공부가 가상 절삭 가공되는 가상의 절삭 가공 형상 정보를 실시간으로 사용자에서 시각적으로 제공하는 가상현실부를 포함하는 공작기계용 시뮬레이션 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 모의절삭부의 작동정보는 상기 모의절삭부의 절삭속도정보, 이송속도정보 및 절입깊이정보를 가지고, 상기 제어부는 상기 작동정보를 기초로 상기 진동발생부의 진동의 크기를 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 진동발생부의 진동은 X축 진동, Y축 진동 및 Z축 진동을 포함하고, 상기 제어부는 상기 X축 진동 및 상기 Y축 진동은 동일한 크기로 발생시키고, 상기 X축 진동 및 상기 Y축 진동은 상기 Z축 진동보다 큰 크기로 발생시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상상기 제어부는 상기 절입깊이정보를 기초로, 상기 모의절삭부의 절입 깊이가 깊어질수록 상기 진동발생부의 진동의 크기가 커지도록 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 절삭속도정보를 기초로, 상기 모의절삭부의 회전속도가 증가할수록 상기 진동발생부의 진동의 크기가 작아지도록 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 이송속도를 기초로, 상기 모의절삭부의 이송속도가 증가할수록, 상기 진동발생부의 진동의 크기가 커지도록 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 피가공부는, 바닥면과 측면을 가지고 상부가 개방되며 상기 모의절삭부에 의한 가상의 절삭 가공이 이루어지는 가상절삭작업공간을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 모의절삭부는 상기 모의절삭부의 하단부에 구비되고 정전용량신호를 발신하는 발신전극을 가지고, 상기 피가공부는 상기 가상절삭작업공간의 바닥면에 구비되고 상기 발신전극에서 발신하는 상기 정전용량신호를 수신하는 수신전극을 가지며, 상기 제어부는 상기 발신전극에서 발신하고 상기 수신전극으로 수신되는 상기 정전용량신호를 기초로 상기 모의절삭부의 하단부의 좌표위치를 계산할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상상기 모의절삭부는 상기 모의절삭부의 하단부에 구비되고 X축 방향으로 레이저빔을 조사하는 제1조사부와, Y축 방향으로 레이저빔을 조사하는 제2조사부와, Z축 방향으로 레이저빔을 조사하는 제3조사부와, 상기 제1조사부에서 조사되는 레이저빔이 수신되는 제1수광부와, 상기 제2조사부에서 조사되는 레이저빔이 수신되는 제2수광부 및 상기 제3조사부에서 조사되는 레이저빔이 수신되는 제3수광부를 가지며, 상기 제어부는 상기 제1수광부, 상기 제2수광부 및 상기 제3수광부로 수신되는 상기 레이저빔의 수신정보를 기초로 상기 모의절삭부의 하단부의 좌표위치를 계산할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 공작기계용 시뮬레이션 장치는 절삭공구의 회전속도, 이송속도 및 절입깊이 등에 따라 달라지는 진동이 사용자에게 전달되도록 함과 동시에, 모재가 절삭 가공되는 영상을 제공함으로써, 사용자에게 실제 절삭 가공을 하는 것과 같은 작업 환경을 제공할 수 있다. 이를 통해, 교육생이 보다 현실감이 있는 실무적 감각을 경험하도록 도울 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 이러한 모재의 절삭 가공 형상 정보 및 진동은 실제로 모재를 가공하지 않는 가상의 상태에서 교육생에게 제공될 수 있기 때문에, 안전사고도 방지될 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 공작기계용 시뮬레이션 장치의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 공작기계용 시뮬레이션 장치가 설치된 예를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 공작기계용 시뮬레이션 장치의 피가공부를 중심으로 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 공작기계용 시뮬레이션 장치의 진동발생부를 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 공작기계용 시뮬레이션 장치에서 모의절삭부의 좌표위치를 판정하는 것을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 공작기계용 시뮬레이션 장치에서 모의절삭부의 좌표위치를 판정하는 것을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 공작기계용 시뮬레이션 장치의 가상현실부가 제공하는 가상의 가공 형상 정보를 설명하기 위한 예시도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결(접속, 접촉, 결합)”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 “간접적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 공작기계용 시뮬레이션 장치의 구성을 나타낸 구성도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 공작기계용 시뮬레이션 장치가 설치된 예를 나타낸 예시도이고, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 공작기계용 시뮬레이션 장치의 피가공부를 중심으로 나타낸 예시도이고, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 공작기계용 시뮬레이션 장치의 진동발생부를 설명하기 위한 예시도이다.
본 발명에 따른 공작기계용 시뮬레이션 장치는 공작기계에 창작하여 사용될 수 있다. 이러한 공작기계는 절삭가공, 연삭가공 등 다양한 범용 가공기계를 포함할 수 있으며, 예를 들면, 밀링머신, 선반기계, 연삭기계 등을 포함할 수 있다
도 1 내지 도 4에서 보는 바와 같이, 공작기계용 시뮬레이션 장치는 모의절삭부(100), 피가공부(200), 진동발생부(300), 제어부(400) 그리고 가상현실부(500)를 포함할 수 있다.
모의절삭부(100)는 절삭공구에 대응될 수 있다.
그리고, 피가공부(200)는 모의절삭부(100)에 의해 가상으로 절삭 가공될 수 있다.
진동발생부(300)는 피가공부(200)의 하부에 구비될 수 있으며, 모의절삭부(100)가 피가공부(200)를 절삭할 때 발생되는 실제 진동에 대응되는 햅틱 진동을 발생할 수 있다.
제어부(400)는 모의절삭부(100)의 작동정보를 전달받고, 진동발생부(300)가 발생시키는 햅틱 진동을 제어할 수 있다.
그리고, 가상현실부(500)는 모의절삭부(100)에 의해 피가공부(200)가 가상 절삭 가공되는 가상의 절삭 가공 형상 정보를 실시간으로 사용자에게 시각적으로 제공할 수 있다.
이를 통해, 공작기계를 작동하는 교육생은 공작기계를 이용하여 실제 금속 또는 비금속의 소재(이하 ‘모재’라 함)를 절삭 가공할 때와 동일하게 모재가 가상으로 절삭 가공되는 형상을 볼 수 있고, 실제 모재를 절삭 가공할 때 공작기계에 발생되는 진동과 동일한 진동을 느낄 수 있으며, 이를 통해, 실제 절삭가공 시의 절삭력이 모재에 가해지는 느낌을 교육생에게 제공할 수 있다. 그리고, 이러한 모재의 절삭 가공 형상 정보 및 진동은 실제로 모재를 가공하지 않는 가상의 상태에서 교육생에게 제공될 수 있기 때문에, 안전사고도 방지될 수 있다.
이하에서는 설명의 편의상, 공작기계 중 밀링머신을 예로 설명한다.
상세히, 모의절삭부(100)는 밀링머신(10)에 사용되는 엔드밀과 같은 절삭공구에 대응될 수 있다.
모의절삭부(100)는 실제 절삭공구가 결합되는 위치에 결합될 수 있다.
피가공부(200)는 모의절삭부(100)에 의해 가상으로 절삭 가공될 수 있다. 피가공부(200)는 밀링머신(10)의 테이블(11)의 상부에 구비될 수 있다.
피가공부(200)는 모의절삭부(100)의 의한 가상의 절삭 가공이 이루어지는 가상절삭작업공간(210)을 가질 수 있다. 가상절삭작업공간(210)은 상부가 개방되도록 형성될 수 있으며, 피가공부(200)의 내측으로 함몰되어 형성될 수 있다.
모의절삭부(100)는 가상절삭작업공간(210)의 내측에서 실제 절삭 가공과 동일한 조건의 절삭 경로를 따라 이송될 수 있다.
진동발생부(300)는 피가공부(200)의 하부에 구비될 수 있으며, 밀링머신(10)의 테이블(11)의 상부에 구비될 수 있다. 즉, 진동발생부(300)는 테이블(11)과 피가공부(200)의 사이에 구비될 수 있다.
진동발생부(300)는 모의절삭부(100)가 가상절삭작업공간(210)에서 피가공부(200)를 가상으로 절삭 가공할 때, 이와 같은 조건으로 실제 절삭 가공이 진행되는 동안 발생되는 실제 진동에 대응되는 햅틱 진동을 발생할 수 있다.
진동발생부(300)에서 발생하는 햅틱 진동은 피가공부(200)에 전달될 수 있다. 나아가, 진동발생부(300)에서 발생하는 햅틱 진동은 밀링머신(10)의 작업핸들(12)을 포함하여 밀링머신(10)에 전체적으로 전달될 수 있다.
이를 통해, 밀링머신을 조작하는 교육생은 밀링머신을 이용하여 실제 모재를 절삭 가공할 때에 밀링머신에서 발생되는 진동과 동일한 진동을 느낄 수 있으며, 이러한 진동을 통해 실제 절삭가공 시의 절삭력이 모재에 가해지는 느낌을 느낄 수 있다.
제어부(400)는 모의절삭부(100)의 작동정보를 전달받고, 진동발생부(300)가 발생시키는 햅틱 진동을 제어할 수 있다. 제어부(400)는 실제 절삭공구가 실제 모재를 상기 작동정보에 따라 절삭 가공할 때 발생되는 실제 진동정보를 기초로, 이에 대응되는 햅틱 진동이 발생되도록 진동발생부(300)를 제어할 수 있다.
상기 실제 진동정보는 해당 밀링머신에서 다양한 작업조전으로 절삭 가공을 진행하여 진동정보를 수집하고, 이렇게 수집되는 진동정보를 통계적으로 처리하여 미리 설정되고 저장될 수 있다.
진동발생부(300)가 발생시키는 햅틱 진동은 X축 진동(Fx), Y축 진동(Fy) 및 Z축 진동(Fz)을 포함할 수 있다. 제어부(400)는 모의절삭부(100)의 작동정보를 기초로, 진동발생부(300)에서 발생되는 X축 진동(Fx), Y축 진동(Fy) 및 Z축 진동(Fz)의 크기를 조절할 수 있다.
모의절삭부(100)의 작동정보는 모의절삭부(100)의 절삭속도정보, 모의절삭부(100)의 이송속도정보 및 모의절삭부(100)의 절입깊이정보를 포함할 수 있다.
여기서, 모의절삭부(100)의 절삭속도정보는 모의절삭부(100)로 대체되는 절삭공구의 절삭속도로써, 상기 절삭속도는 절삭공구의 회전속도(W)일 수 있다.
그리고, 모의절삭부(100)의 이송속도정보는 모의절삭부(100)가 이송되는 속도에 대한 정보일 수 있으며, 모의절삭부(100)의 이송속도(V)는 모의절삭부(100)가 X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향으로 이송되는 속도일 수 있다.
또한, 모의절삭부(100)의 절입깊이정보는 모의절삭부(100)가 절입되는 깊이에 대한 정보일 수 있으며, 모의절삭부(100)의 절입깊이(D)는 모의절삭부(100)가 마이너스 Z축 방향으로 이동되는 거리, 즉, 하강하는 거리일 수 있다.
진동발생부(300)는 전압이 가해지면 팽창하고, 전압 공급이 중단되면 수축하는 압전 액추에이터(Piezo Actuator)일 수 있다.
전술한 바와 같이, 제어부(400)는 모의절삭부(100)의 작동정보를 기초로, 상기 작동정보와 동일한 작동정보에서 실제 절삭공구를 이용하여 실제 모재를 절삭 가공할 때 발생하는 실제 진동에 대응되는 햅틱 진동이 발생되도록 진동발생부(300)를 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(400)는 X축 진동(Fx) 및 Y축 진동(Fy)을 동일한 크기로 발생시킬 수 있다. 그리고, X축 진동(Fx) 및 Y축 진동(Fy)은 Z축 진동(Fz)보다 큰 크기로 발생시킬 수 있다.
또한, 제어부(400)는 모의절삭부(100)의 절입깊이정보를 기초로, 모의절삭부(100)의 절입 깊이(D)가 커질수록, X축 진동(Fx), Y축 진동(Fy) 및 Z축 진동(Fz)의 크기도 증가하도록 제어할 수 있다.
즉, 모의절삭부(100)가 제1절입깊이(D1)로 절입될 때, 제어부(400)는 아래의 식(1)과 같이 진동발생부(300)를 제어할 수 있다.
제1 X축 진동(Fx) = 제1 Y축 진동(Fy) > 제1 Z축 진동(Fz) --- 식(1)
그리고, 모의절삭부(100)가 제1절입깊이(D1)보다 절입깊이가 큰 제2절입깊이(D2)로 절입될 때, 제어부(400)는 아래의 식(2)과 같이 진동발생부(300)를 제어할 수 있다.
제2 X축 진동(Fx) = 제2 Y축 진동(Fy) > 제2 Z축 진동(Fz) --- 식(2)
여기서, 제2 X축 진동(Fx) > 제1 X축 진동(Fx)이고, 제2 Y축 진동(Fy) > 제1 Y축 진동(Fy)이고, 제2 Z축 진동(Fz) > 제1 Z축 진동(Fz)일 수 있다.
또한, 제어부(400)는 모의절삭부(100)의 절삭속도정보를 기초로, 모의절삭부(100)의 회전속도(W)가 증가할수록 X축 진동(Fx), Y축 진동(Fy) 및 Z축 진동(Fz)의 크기가 작아지도록 제어할 수 있다.
모의절삭부(100)의 회전속도가 증가한다는 것은 절삭공구의 하나의 날당 절삭량이 작아진다는 것을 의미하므로, 회전속도가 증가할수록 진동의 크기는 작아질 수 있다. 반면 회전속도가 감소한다는 것은 절삭공구의 하나의 날당 절삭량이 커진다는 것을 의미하므로, 회전속도가 감소할수록 진동의 크기는 커질 수 있다.
그리고, 제어부(400)는 모의절삭부(100)의 이송속도(V)를 기초로, 모의절삭부(100)의 이송속도가 빠를수록, X축 진동(Fx), Y축 진동(Fy) 및 Z축 진동(Fz)의 크기가 커지도록 제어할 수 있다.
모의절삭부(100)의 이송속도가 증가한다는 것은 절삭공구의 하나의 날당 절삭량이 커진다는 것을 의미하므로, 회전속도가 증가할수록 진동의 크기는 커질 수 있다. 반면 회전속도가 감소한다는 것은 절삭공구의 하나의 날당 절삭량이 작아진다는 것을 의미하므로, 회전속도가 감소할수록 진동의 크기는 작아질 수 있다.
제어부(400)는 이러한 제어를 통해 실제 절삭 공정을 진행할 때와 동일한 진동이 발생하도록 할 수 있고, 이러한 진동은 밀링머신에서 전체적으로 발생할 수 있다. 특히, 사용자는 작업핸들(12)을 조작하여 절삭 가공을 진행하게 되는데, 공작기계용 시뮬레이션 장치는 이러한 진동이 작업핸들(12)에서도 발생되도록 하기 때문에, 절삭공구의 회전속도, 이송속도 및 절입깊이 뿐만 아니라, 모재의 종류 등에 따라 달라지는 진동이 작업자에게 효과적으로 전달되도록 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 공작기계용 시뮬레이션 장치에서 모의절삭부의 좌표위치를 판정하는 것을 설명하기 위한 예시도이다.
먼저, 도 5의 (a)에서 보는 바와 같이, 모의절삭부(100)는 모의절삭부(100)의 하단부에 구비되고 정전용량신호를 발생하는 발신전극(110)을 가질 수 있다.
그리고, 피가공부(200)는 가상절삭작업공간(210)의 바닥면(201)에 수신전극(120)을 가질 수 있다. 수신전극(120)은 발신전극(110)에서 발신하는 정전용량신호를 수신할 수 있으며, 발신전극(110)은 복수로 마련될 수 있다.
제어부(400)는 발신전극(110)에서 발신하고, 수신전극(120)으로 수신되는 정전용량신호를 기초로 모의절삭부(100)의 하단부의 좌표위치(CP)를 판정할 수 있다. 여기서, 모의절삭부(100)의 하단부의 좌표위치(CP)는 실제로는 절삭공구의 절삭날의 위치에 대응될 수 있다.
발신전극(110)의 형태는 특정하게 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 발신전극(110)은 균일한 형태의 다각형 형태로 구현될 수 있으며, 발신전극(110)은 인접한 다각형의 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 각각의 발신전극은 신호 배선(미도시)에 연결될 수 있으며, 상기 신호배선을 통해 정전용량신호는 전달될 수 있다.
모의절삭부(100)의 발신전극(110)이 일 지점에 위치되면 발신전극(110)에서 발신되는 정전용량신호는 수신전극(120) 중에 발신전극(110)의 수직 하방에 위치된 수신전극에서 감지될 수 있다. 그러면, 발신전극(110)이 위치된 지점의 X좌표(XA) 및 Y좌표(YA)가 계산될 수 있다.
그리고, 수신전극(120)에서 수신되는 정전용량신호의 강도에 따라 발신전극(110)의 Z좌표가 계산될 수 있다. 예를 들어, 발신전극(110)이 마이너스 Z축 방향으로 이동될수록, 즉, 발신전극(110)이 하강할수록 정전용량신호의 강도는 커지게 된다. 그리고, 발신전극(110)이 플러스 Z축 방향으로 이동될수록, 즉, 발신전극(110)이 상승할수록 정전용량신호의 강도는 작아지게 된다.
제어부(400)는 정전용량신호의 강도를 크기를 기초로, 발신전극(110)의 Z좌표를 계산할 수 있으며, 이를 통해 발신전극(110)의 최종 좌표위치(CP)가 계산될 수 있다.
한편, 도 5의 (b)에서 보는 바와 같이, 피가공부(200)의 가상절삭작업공간(210)의 측면(202)에는 추가수신전극(121)이 더 구비될 수 있다.
이 경우, 모의절삭부(100)의 발신전극(110)이 일 지점에 위치되면 발신전극(110)에서 발신되는 정전용량신호는 수신전극(120) 중에 발신전극(110)의 수직 하방에 위치된 수신전극에서 감지되어 발신전극(110)이 위치된 지점의 X좌표(XA) 및 Y좌표(YA)가 계산될 수 있다.
그리고, 추가수신전극(121)도 발신전극(110)에서 발신되는 정전용량신호를 수신할 수 있으며, 추가수신전극(121)에서 수신되는 정전용량신호에 의해 발신전극(110)의 Z좌표가 계산될 수 있다. 제어부(400)는 수신전극(120) 및 추가수신전극(121)에서 수신되는 정전용량신호를 기초로, 발신전극(110)의 최종 좌표위치(CP)를 계산할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 공작기계용 시뮬레이션 장치에서 모의절삭부의 좌표위치를 판정하는 것을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6을 참조하면, 모의절삭부(1100)는 제1조사부(1110), 제2조사부(1120), 제3조사부(1130), 제1수광부(1210), 제2수광부(1220) 그리고 제3수광부(1230)를 가질 수 있다.
제1조사부(1110)는 모의절삭부(1100)의 하단부에 구비될 수 있으며, 제1조사부(1110)는 레이저빔(LBx)을 X축 방향으로 조사할 수 있다. 제1조사부(1110)에서 조사되는 X 방향 레이저빔(LBx)은 제1측면(1202)으로 조사될 수 있다.
그리고, 제2조사부(1120)는 모의절삭부(1100)의 하단부에 구비될 수 있으며, 제2조사부(1120)는 레이저빔(LBy)을 Y축 방향으로 조사할 수 있다. 제2조사부(1120)에서 조사되는 Y 방향 레이저빔(LBy)은 제2측면(1203)으로 조사될 수 있다.
또한, 제3조사부(1130)는 모의절삭부(1100)의 하단부에 구비될 수 있으며, 제3조사부(1130)는 레이저빔(LBz)을 Z축 방향으로 조사할 수 있다. 제3조사부(1130)에서 조사되는 Z 방향 레이저빔(LBz)은 바닥면(1201)으로 조사될 수 있다.
제1수광부(1210)는 모의절삭부(1100)의 하단부에 구비될 수 있으며, 제1수광부(1210)는 제1조사부(1110)에서 조사되는 X 방향 레이저빔(LBx)을 수광할 수 있다. 제1수광부(1210)는 제1조사부(1110)와 쌍을 이루어 구비될 수 있다.
그리고, 제2수광부(1220)는 모의절삭부(1100)의 하단부에 구비될 수 있으며, 제2수광부(1220)는 제2조사부(1120)에서 조사되는 Y 방향 레이저빔(LBy)을 수광할 수 있다. 제2수광부(1220)는 제2조사부(1120)와 쌍을 이루어 구비될 수 있다.
또한, 제3수광부(1230)는 모의절삭부(1100)의 하단부에 구비될 수 있으며, 제3수광부(1230)는 제3조사부(1130)에서 조사되는 Z 방향 레이저빔(LBz)을 수광할 수 있다. 제3수광부(1230)는 제3조사부(1130)와 쌍을 이루어 구비될 수 있다.
제어부(400)는 제1수광부(1210), 제2수광부(1220) 및 제3수광부(1230)로 수신되는 레이저빔의 수신정보를 기초로 모의절삭부(1100)의 하단부의 좌표위치를 계산할 수 있다. 이때, 제어부(400)는 미리 설정된 기준위치(SP)를 참고하여 모의절삭부(1100)의 하단부의 좌표위치를 계산할 수 있다.
즉, 제어부(400)는 제1수광부(1210), 제2수광부(1220) 및 제3수광부(1230)로 수신되는 레이저빔의 수신정보를 기초로 모의절삭부(1100)의 하단부가 제1측면(1202), 제2측면(1203) 및 바닥면(1201)으로부터 떨어진 이격 거리를 산출할 수 있다. 그리고, 제어부(400)는 미리 설정된 기준위치(SP)와 산출된 상기 이격 거리를 기초로, 모의절삭부(1100)의 하단부의 좌표위치를 계산할 수 있다.
그리고, 가상현실부(500)는 모의절삭부(100)에 의해 피가공부(200)가 가상으로 절삭 가공되는 가상의 절삭 가공 형상 정보를 사용자에게 시각적으로 제공할 수 있다.
가상현실부(500)는 제어부(400)와 무선 또는 유선으로 통신될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 공작기계용 시뮬레이션 장치의 가상현실부가 제공하는 가상의 가공 형상 정보를 설명하기 위한 예시도이다.
도 7을 더 참조하면, 가상현실부(500)는 절삭공구(15)를 표시할 수 있다. 여기서, 절삭공구(15)는 모의절삭부(100)를 대체하는 가상의 이미지일 수 있다. 절삭공구(15)는 절삭 공정을 진행하기 위해 미리 설정된 종류의 절삭공구로 표시될 수 있다.
그리고, 가상현실부(500)는 테이블(11)의 상부에 구비되는 가상의 다이(13)와, 가상의 다이(13)에 결합된 가상의 모재(510)와, 가상의 모재(510)가 절삭공구(15)에 의해 절삭 가공되는 형상을 표시할 수 있다. 즉, 가상현실부(500)는 피가공부(200)의 가상절삭작업공간(210)에서의 모의절삭부(100)의 작동정보를 기초로 가상의 모재(510)가 절삭되는 형태를 표시할 수 있다.
가상현실부(500)는 사용자가 착용할 수 있고, 착용자에서 시각적으로 영상을 표시할 수 있는 형태를 가질 수 있다.
이처럼, 공작기계용 시뮬레이션 장치는 절삭공구의 회전속도, 이송속도 및 절입깊이 등에 따라 달라지는 진동이 사용자에게 전달되도록 함과 동시에, 모재가 절삭 가공되는 영상을 제공함으로써, 사용자에게 실제 절삭 가공 시와 동일한 환경을 제공할 수 있다. 이를 통해, 교육생이 보다 현실감이 있는 실무적 감각을 경험하도록 도울 수 있다.
또한, 공작기계용 시뮬레이션 장치는 절삭 가공이 가상으로 진행되기 때문에, 안전요원이 부재한 상황에서도 교육실습을 수행할 수 있으며, 이를 통해, 실습시간을 충분히 늘릴 수 있고, 교육생의 실무역량 강화에 큰 도움을 줄 수 있다.
또한, 실제 실습 전에 모의실습을 통하여 작업순서를 기획할 수 있기 때문에, 작업순서불량에 따른 피삭재 낭비 및 그에 따른 안전사고를 방지할 수 있어, 공정기획을 효과적으로 할 수 있도록 도울 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 밀링머신
12: 작업핸들
15: 절삭공구
100: 모의절삭부
200: 피가공부
210: 가상절삭작업공간
300: 진동발생부
400: 제어부
500: 가상현실부

Claims (9)

  1. 절삭공구에 대응되는 모의절삭부;
    상기 모의절삭부에 의해 가상으로 절삭 가공되는 피가공부;
    상기 피가공부의 하부에 구비되고, 실제 절삭력으로 절삭가공 시에 발생되는 실제 진동에 대응되는 진동이 사용자에게 제공되도록, 상기 모의절삭부가 상기 피가공부를 절삭할 때 발생되는 실제 진동에 대응되는 햅틱 진동을 발생하는 진동발생부;
    상기 모의절삭부의 작동정보를 전달받고 상기 진동발생부가 발생시키는 상기 햅틱 진동을 제어하는 제어부; 그리고
    상기 모의절삭부에 의해 상기 피가공부가 가상 절삭 가공되는 가상의 절삭 가공 형상 정보를 실시간으로 사용자에서 시각적으로 제공하는 가상현실부를 포함하고,
    상기 피가공부는, 바닥면과 측면을 가지고 상부가 개방되며 상기 모의절삭부에 의한 가상의 절삭 가공이 이루어지는 가상절삭작업공간을 가지며,
    상기 모의절삭부는 상기 모의절삭부의 하단부에 구비되고 정전용량신호를 발신하는 발신전극을 가지고,
    상기 피가공부는 상기 가상절삭작업공간의 바닥면에 구비되고 상기 발신전극에서 발신하는 상기 정전용량신호를 수신하는 수신전극을 가지며,
    상기 제어부는 상기 발신전극에서 발신하고 상기 수신전극으로 수신되는 상기 정전용량신호를 기초로 상기 모의절삭부의 하단부의 좌표위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 시뮬레이션 장치.
  2. 절삭공구에 대응되는 모의절삭부;
    상기 모의절삭부에 의해 가상으로 절삭 가공되는 피가공부;
    상기 피가공부의 하부에 구비되고, 실제 절삭력으로 절삭가공 시에 발생되는 실제 진동에 대응되는 진동이 사용자에게 제공되도록, 상기 모의절삭부가 상기 피가공부를 절삭할 때 발생되는 실제 진동에 대응되는 햅틱 진동을 발생하는 진동발생부;
    상기 모의절삭부의 작동정보를 전달받고 상기 진동발생부가 발생시키는 상기 햅틱 진동을 제어하는 제어부; 그리고
    상기 모의절삭부에 의해 상기 피가공부가 가상 절삭 가공되는 가상의 절삭 가공 형상 정보를 실시간으로 사용자에서 시각적으로 제공하는 가상현실부를 포함하고,
    상기 피가공부는, 바닥면과 측면을 가지고 상부가 개방되며 상기 모의절삭부에 의한 가상의 절삭 가공이 이루어지는 가상절삭작업공간을 가지며,
    상기 모의절삭부는 상기 모의절삭부의 하단부에 구비되고 X축 방향으로 레이저빔을 조사하는 제1조사부와, Y축 방향으로 레이저빔을 조사하는 제2조사부와, Z축 방향으로 레이저빔을 조사하는 제3조사부와, 상기 제1조사부에서 조사되는 레이저빔이 수신되는 제1수광부와, 상기 제2조사부에서 조사되는 레이저빔이 수신되는 제2수광부 및 상기 제3조사부에서 조사되는 레이저빔이 수신되는 제3수광부를 가지며,
    상기 제어부는 상기 제1수광부, 상기 제2수광부 및 상기 제3수광부로 수신되는 상기 레이저빔의 수신정보를 기초로 상기 모의절삭부의 하단부의 좌표위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 시뮬레이션 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 모의절삭부의 작동정보는 상기 모의절삭부의 절삭속도정보, 이송속도정보 및 절입깊이정보를 가지고,
    상기 제어부는 상기 작동정보를 기초로 상기 진동발생부의 진동의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 시뮬레이션 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 진동발생부의 진동은 X축 진동, Y축 진동 및 Z축 진동을 포함하고,
    상기 제어부는 상기 X축 진동 및 상기 Y축 진동은 동일한 크기로 발생시키고, 상기 X축 진동 및 상기 Y축 진동은 상기 Z축 진동보다 큰 크기로 발생시키는 것을 특징으로 하는 공작기계용 시뮬레이션 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 절입깊이정보를 기초로, 상기 모의절삭부의 절입 깊이가 깊어질수록 상기 진동발생부의 진동의 크기가 커지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 시뮬레이션 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 절삭속도정보를 기초로, 상기 모의절삭부의 회전속도가 증가할수록 상기 진동발생부의 진동의 크기가 작아지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 시뮬레이션 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 이송속도를 기초로, 상기 모의절삭부의 이송속도가 증가할수록, 상기 진동발생부의 진동의 크기가 커지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 시뮬레이션 장치.
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