KR102198547B1 - Cnc컨트롤러의 가공위치데이터와 가공부하 감지센서의 신호데이터를 동기화함으로써 절삭공구교환시기 및 절삭공구교환위치를 결정하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오픈 CNC을 보유한 CNC밀링, CNC선반, 머시닝센터 등 CNC공작기계의 가공 시에 치수정밀도 측면에서 불량이 발생하지 않도록 공구교환 시점을 결정하는 방법에 관한 것이다. 또한 공구교환 시점에 해당하는 가공위치 정보를 오픈 CNC의 쌍방향 통신으로 제공함으로써 재가공작업에서도 정밀한 작업을 가능하도록 해줄 수 있다.
구체적으로, 오픈컨트롤러를 장착한 CNC공작기계로부터 가공위치 데이터를 획득하고, 상기 가공위치의 주축 스핀들 모터의 토크데이터을 센싱하여 상기 2개의 데이터를 동기화 매핑한 가공부하 패턴을 활용하여 가공이 진행하는 도중에도 치수정밀도의 공차를 벗어나는 등 불량 조건이 발생할 경우에 즉시 공구교환 시점을 결정하는 방법과 이 결정 방법에 대해서 상기에서 제안한 연산식을 활용한다.
또한 상기에서 결정한 공구교환 시점에 해당하는 가공위치 정보를 외부장치와 디스플레이를 통해서 사용자에게 전달함으로써 새로운 인선을 가진 절삭공구로 재가공작업의 시작점을 정확하게 지시함으로써 정밀가공작업에 활용할 수 있도록 하는 것이다. 이 가공위치는 오픈 CNC의 쌍방향 통신을 통해서 외부장치로 작업자에게 제공할 수 있도록 한다.

Description

CNC컨트롤러의 가공위치데이터와 가공부하 감지센서의 신호데이터를 동기화함으로써 절삭공구교환시기 및 절삭공구교환위치를 결정하는 방법{The methods for deciding of cutting tool changing time and position by synchronizing the cutting position data of CNC controller and the signal data of cutting load censor}

본 발명은 CNC밀링, CNC선반, 머시닝센터 등 CNC공작기계의 가공 시에 절삭공구의 교환 시점을 결정하기 위해서 오픈방식 CNC컨트롤러의 가공위치데이터와 가공부하 감지센서의 신호데이터를 동기화함으로써 절삭공구의 교환시점 및 절삭공구 교환위치를 정밀하게 결정하는 방법에 관한 것이다.

여기에서 CNC공작기계의 컨트롤러는 오픈방식의 통신이 지원되는 기종에 한정되며, 오픈방식 컨트롤러는 CNC 데이터를 CNC의 외부장치로 제공하는 것이 가능하다.

일반적으로 밀링, 선삭(레이씽), 드릴링, 보링 등 절삭가공은 전용 공작기계에서 수행되거나 다양한 절삭가공이 가능한 하나의 통합장비인 머시닝센터에서 수행하고 있다. 특히 최근에는 다품종 소량 부품의 가공에 유리한 머시닝센터의 활용도가 높아지고 있으며 또한 머시닝센터 중 CNC공작 기계는 CNC(Computer Numerical Controller)의 가공제어에 의해서 치수정밀도가 미크론미터 및 서브미크론미터 수준으로 정밀한 절삭가공이 가능하다.

이러한 CNC공작 기계는 고성능 연산장치를 내장한 NC(Numerical Control)공작기계로서, 가공형상, 가공조건, 가공동작 등의 데이터를 컴퓨터에 의해 자동 프로그래밍을 하여 NC데이터로 변환시키고 변환된 NC데이터는 펄스 신호화된 상태로 공작기계를 구동한다. CNC공작 기계는 가공 정밀도가 높고 다양한 형태의 절삭 가공이 가능한 장점을 가지고 있다.

최근에는 오픈방식의 컨트롤러 기술을 활용하여 CNC의 외부장치와 상방향통신이 가능하게 장비를 출시하고 있으며, 이를 통해서 CNC공작기계의 활용도를 높여가고 있다. 또한 CNC의 상방향통신기술이 IoT를 통한 각종 센서의 신호들과 결합되면서 기존에 해결하지 못했던 다양한 문제점들에 대한 해결책을 시도할 수 있게 되었다. 기존 문제점들 중에 하나는 절삭공구의 교환을 위한 적정한 시점을 결정하는 것인데, 소결공구 등의 활용도가 높아지면서 절삭공구의 교환 시점을 더욱 더 결정하기 어려워졌다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 제안된 기술로는, 등록특허 제10-0952619호(2010.04.06. 등록, 이하 ‘종래기술’이라 한다)가 있는데, 상기 종래기술은 공작기계의 주축이 아닌 서보축(통상 X축, Y축, Z축으로 표현되는 이송축이다)에 특정 전류센서를 통해서 전류량을 검출하여 그 전류량으로 공구마모 등을 판단한다. 서보축의 전류량을 검출하여 3회 정도의 실험을 통해서 전류량에 의해서 형성되는 기준선도를 설정한 후에 기준선도에서 최대 피크(기준선도의 극점), 국부 피크 등의 값을 한계값으로 지정하며, 이 한계값의 초과여부를 통해서 진단하고 있다.

그러나, 상기 종래기술은 전류량 기준선도의 피크 등 일부 지점에서 가공부하의 초과 여부를 판정하기 때문에 오류 가능성이 컸다. 또한 피삭재의 가공여유량(절삭을 위한 절입량)이 아주 균일하게 제공되지 못하는 경우나 CNC공작기계의 이송속도 등 절삭조건이 기존 절삭조건에서 변경되는 경우에는 상기 종래기술을 전혀 적용할 수 없다.

기존 발명에서는 스핀들 모터의 전류량을 검출하여 부품 가공에서 과도한 가공부하가 발생하면 부품 가공을 중단하고 공구교환을 수행하는 방식이었다. 이로 인해서 부품 단위별로 가공공정을 관리하였고 불량 처리 등을 위한 비용 손실이 발생하게 되었다.

반면에 본 발명은 부품 가공 중에 과도한 가공부하가 발생하는 가공위치를 알 수 있기 때문에 상기 가공위치에서 공구교환을 하면 새로운 절삭공구로 양질의 가공을 수행할 수 있게 만든다. 이에 제안 기술은 CNC 컨트롤러의 가공위치 데이터를 쌍방향 통신방식으로 획득하고, 해당 가공위치에서 발생하는 가공부하는 스핀들 모터의 토크값을 센서로 센싱하여 동기화를 함으로써 절삭공구의 교환 시점을 기존 기술보다 상대적으로 정확하고 정밀하게 할 수 있도록 하였다.

0001. 등록특허 제10-0952619호(2010.04.06. 등록)

본 발명은 오픈방식이 지원되는 CNC공작기계에서 공구의 교환시점을 보다 정확하게 측정할 수 있도록 하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 쌍방향 통신에 의해서 획득된 CNC 컨트롤러의 가공위치데이터와, 스핀들 모터의 토크값을 센싱하여 얻어진 해당 가공위치에서의 가공부하를 동기화함으로써 절삭공구의 교환시점을 보다 정확하고 정밀하게 파악할 수 있다.

구체적으로 CNC의 외부장치와 쌍방향통신이 가능한 오픈컨트롤러를 장착하고, 스핀들 모터의 토크값을 센싱하는 센서가 설치된 CNC공작기계에서,
상기 CNC공작기계의 오픈컨트롤러로부터 가공위치 데이터를 쌍방향 통신으로 획득하고, 해당 가공위치에서 발생하는 가공부하는 상기 스핀들 모터의 토크데이터를 센서로 센싱한 후,
상기 가공위치 데이터와 상기 스핀들 모터의 토크데이터를 동기화하여 매핑된 가공부하 패턴을 활용하여 가공이 진행하는 도중에도 치수정밀도의 공차를 벗어나는 불량 조건이 발생할 경우에 하기의 연산식 1을 활용하여 공구교환 시점을 결정하되,
먼저, 마모가 없는 인선(刃線)을 가진 절삭공구에 의한 가공으로부터 가공부하 기준패턴(Reference pattern)을 생성하는 단계(10);
상기 기준패턴과 비교되는 실제 가공부하를 가공위치와 함께 X-Y축 평면에 매핑하여 각 가공위치에 대한 가공부하의 패턴을 생성하는 단계(20):
상기 가공부하 기준패턴과 실제 가공진행 중인 가공부하 패턴을 가공위치별로 비교하면서 가공부하 편차값을 계산하는 단계(30);
수 개의 연속적 가공위치에 대해서 기준편차값보다 큰 편차량이 연속적으로 계속 산출되면 공구교환 시점임을 알리는 단계(50);
상기 공구교환 시점에 해당하는 가공위치 정보를 외부장치 또는 디스플레이에 전송하여 절삭공구의 교환이 이루어진 가공위치를 정확하게 표시하는 단계(60);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 공구교환시점 결정방법을 제공한다.

<연산식 1>

For(i=1, n)

If(Err <= Dev_i), count=count+1;

Else count=0;

If (count>N) 공구교환시점

여기서 n은 가공위치의 샘플링 총수를 말하며, 가공진행에 따라서 차수별로 증가한다. Err는 기준편차값을 말하며, Dev_i는 가공위치 i번째에서 발생하는 편차값(가공부하의 기준패턴과 가공진행패턴 사이의 편차)을 말하며, N은 공구의 크기 및 종류, 피삭재의 재질 등에 따라서 경험적으로 정해지는 공구교환지시 상수값이다.

본 발명은 절삭공구에 가해지는 가공부하를 실시간으로 감시하되 가공위치별로 감시할 수 있어서 부품 및 금형 등을 가공 도중에 절삭공구의 교환시점을 검출하는데 활용할 수 있다. 또한 절삭공구의 교환이 이루어진 가공위치를 알기 때문에 공구교환 후에 정확하게 재가공을 수행할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 기준패턴과 실제 가공부하패턴 사이의 편차산출과 편차 경향분석을 통한 공구교환 시점 및 공구교환 위치를 도출하는 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가공부하 레퍼런스 패턴과 실제 가공시 전류센서에 의해서 측정된 가공부하패턴을 비교한 그래프이다.

이하, 상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하에서는 본 발명에 따른 CNC공작기계에서 가공부하를 측정하는 토크 센서와 오픈CNC 수치제어장치(Open CNC : Open Computational Numerical Control)가 설치된 CNC공작기계에 적용된 실시예를 통해서 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 가공부하 편차 산출과 편차 경향 분석을 통한 공구교환 시점 결정과 공구교환 시점에서의 공구교환 위치를 도출하는 순서도이다.

CNC공작기계는 컨트롤러로부터 가공위치관련 기계좌표, 상대좌표 등 좌표 값들을 획득할 수 있다. 또한 스핀들 모터의 토크를 검출할 수 있는 센서를 통해서 가공부하 값을 획득한 후에 가공부하 값과 가공위치 값을 동기화시킬 수 있다.

먼저, 마모가 없는 인선(刃線)을 가진 절삭공구에에 의한 가공으로부터 가공부하 기준패턴(Reference pattern)을 얻어낼 수 있으며, 상기 기준패턴과 비교되는 실제 가공부하를 가공위치와 함께 X-Y축 평면에 매핑하면 각 가공위치에 대한 가공부하의 패턴을 생성할 수 있게 된다. 상기 가공부하 기준패턴과 실제 가공진행 중인 가공부하 패턴을 가공위치별로 비교하면서 편차를 계산한다. 최종적으로, 이 편차 값을 통해서 절삭공구의 교환 시점을 결정하게 되며, 동시에 절삭공구의 교환위치를 정확하게 결정할 수 있는 것이다.

먼저 CNC컨트롤러가 외부장치와 쌍방향 통신이 가능한 상태에서 CNC 가공위치데이터와 가공부하센서신호를 동기화함으로써, 상기의 데이터들은 절대적 물리량이 아닌 장비와 센서가 제공하는 상대적인 값에 근거해서 데이터를 활용한다는 제약된 조건하에서 적용할 수 있다.

도 1을 참조하면 본 발명에 따른 가공위치별 가공부하 패턴의 편차를 활용하여 공구교환시점을 결정하는 방법은 하기의 단계별로 구성된다.

먼저, 가공부하 기준패턴을 생성하는 단계(10)이다. 가공부하 기준패턴은 마모와 결함이 없는 새로운 인선(刃線)을 갖는 절삭공구에 의해서 발생하는 가공부하를 말한다. 실행 가공부하패턴을 생성하는 단계(20)이다. 실행 가공부하패턴(20)은 반복된 가공을 통해서 인선(刃線)에 마모와 결함이 가지는 절삭공구에 의해서 발생하는 가공부하를 말한다. 상기 10과 20 단계의 패턴은 가공위치별로 가공부하와 매핑되어 형성된 패턴이기 때문에 가공위치별로 가공부하의 편차를 계산할 수 있게 된다(30). 가공에 영향을 줄 수 있는 기준편차량(Err)은 피삭재와 공구 크기 등과 연관이 있기 때문에 작업자 등이 별도로 정한 값을 사용한다. 가공이 진행되면서 가공위치별로 편차가 계속 증가되는 것으로 산출되고 그 편차의 경향도 분석할 수 있게 된다(40). 수 개의 연속적 가공위치에 대해서 기준편차량보다 큰 편차량의 연속 횟수가 계속 산출되면 공구교환 시점임을 알리게 된다(50). 상기 연속 횟수는 피삭재의 종류, 절삭공구의 크기와 종류 등과 연관되어 있기 때문에 경험치를 사용하게 된다. 그리고 공구교환 시점에 해당하는 가공위치 즉 절삭공구의 좌표값을 재작업을 위한 작업 정보, 공구교환위치로 절단하게 된다(60).

금형이나 정밀부품 등 하나의 가공대상물에 대해서 정밀한 가공을 해야 할 경우에는 절삭공구의 마모량이 치수정밀도에 영향을 끼친다. 양산품을 가공할 때 처럼 부품 단위로 가공품질을 관리할 수 없고, 정밀부품의 치수정밀도를 보장하기 위해서 절삭공구의 교환시점이 적절하게 이루어져야 할 필요가 있다. 가공 진행 중에 치수정밀도의 공차 범위를 벗어나는 정도의 공구마모량(가공부하와 직접적 연관성을 가지는 물리량)이 발생하면 본 발명에서 제안한 방식에 따라서 새로운 인선을 가진 절삭공구로 교환이 이루어지도록 한다.

구체적으로, 도 1의 40에서 기준편차값(Err)보다 큰 편차값이 발생하는 연속 횟수를 활용하여 공구교환 시점을 결정한다. 상기에서 언급한 기준편차값(Err)과 연속 횟수(N)은 피삭재의 재질과 절삭공구의 크기와 재질 등의 영향을 받기 때문에 경험과 실험을 기초로 설정한 값을 사용한다.

상기 공구교환 시점을 결정하기 위한 방식은 하기의 연산식 1을 활용한다.

<연산식 1>

For(i=1, n)

If(Err <= Dev_i), count=count+1;

Else count=0;

If (count>N) 공구교환시점

여기서 n은 가공위치의 샘플링 총수를 말하며, 가공진행에 따라서 차수별로 증가한다. Err는 기준편차값을 말하며, Dev_i는 가공위치 i번째에서 발생하는 편차값(가공부하의 기준패턴과 가공진행패턴 사이의 편차)를 말한다. 그리고 N은 공구의 크기 및 종류, 피삭재의 재질 등에 따라서 경험적으로 정하는 공구교환을 지시할 수 있는 상수값이다.

도 2은 본 발명에 따른 기준패턴과 실제 가공부하패턴 간의 편차와 상기 편차 경향분석을 설명하는 개념도이다. 도 2에서와 같이, 가공이 진행됨에 따라서 기준패턴과 가공부하패턴 간의 편차가 미세하게 커지는 것이 확인된다.

10 : 가공부하 기준패턴 생성
20 : 실행 가공부하 패턴
30 : 가공위치별로 패턴의 편차 산출
40 : 패턴 편차의 경향 분석
50 : 공구교환 시점 결정
60 : 공구교환 위치 알림
Err: 기준편차값
Dev_i: 가공위치 i번째에서 발생하는 편차값
N: 공구교환을 지시할 수 있는 상수값

Claims (2)

1. CNC의 외부장치와 쌍방향통신이 가능한 오픈컨트롤러를 장착하고, 스핀들 모터의 토크값을 센싱하는 센서가 설치된 CNC공작기계에서,
   상기 CNC공작기계의 오픈컨트롤러로부터 가공위치 데이터를 쌍방향 통신으로 획득하고, 해당 가공위치에서 발생하는 가공부하는 상기 스핀들 모터의 토크데이터를 센서로 센싱한 후,
   상기 가공위치 데이터와 상기 스핀들 모터의 토크데이터를 동기화하여 매핑된 가공부하 패턴을 활용하여 가공이 진행하는 도중에도 치수정밀도의 공차를 벗어나는 불량 조건이 발생할 경우에 하기의 연산식 1을 활용하여 공구교환 시점을 결정하되,
   먼저, 마모가 없는 인선(刃線)을 가진 절삭공구에 의한 가공으로부터 가공부하 기준패턴(Reference pattern)을 생성하는 단계(10);
   상기 기준패턴과 비교되는 실제 가공부하를 가공위치와 함께 X-Y축 평면에 매핑하여 각 가공위치에 대한 가공부하의 패턴을 생성하는 단계(20):
   상기 가공부하 기준패턴과 실제 가공진행 중인 가공부하 패턴을 가공위치별로 비교하면서 가공부하 편차값을 계산하는 단계(30);
   수 개의 연속적 가공위치에 대해서 기준편차값보다 큰 편차량이 연속적으로 계속 산출되면 공구교환 시점임을 알리는 단계(50);
   상기 공구교환 시점에 해당하는 가공위치 정보를 외부장치 또는 디스플레이에 전송하여 절삭공구의 교환이 이루어진 가공위치를 정확하게 표시하는 단계(60);
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 공구교환시점 결정방법.
   <연산식 1>
   For(i=1, n)
   If(Err <= Dev_i), count=count+1;
   Else count=0;
   If (count>N) 공구교환시점
   
   여기서 n은 가공위치의 샘플링 총수를 말하며, 가공진행에 따라서 차수별로 증가하고, Err는 기준편차값을 말하며, Dev_i는 가공위치 i번째에서 발생하는 가공부하 편차값이며, N은 공구의 크기 및 종류, 피삭재의 재질 등에 따라서 경험적으로 정하는 공구교환을 지시할 수 있는 상수값이다.
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