KR20000033203A - Method of pr0cessing while keeping precision degree at corner upon processing at high speed - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 컴퓨터 수치제어(Computer Numerical Control: CNC) 공작기계를 이용하여 고속 가공함에 있어서 모서리에서 사용자가 설정한 윤곽오차를 만족하는 속도궤적을 자동으로 생성하여 정밀도를 유지하면서 고속가공하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for high-speed processing while maintaining precision by automatically generating a speed trajectory satisfying a contour error set by a user at a corner in high-speed machining using a computer numerical control (CNC) machine tool. will be.
일반적으로 컴퓨터 수치제어 공작기계를 이용하여 가공하는 공정에서 가장 중요한 것은 항시 일정한 정밀도를 유지하면서 가능한 고속으로 이송하여 가공 시간을 단축시키는 것이다.In general, the most important thing in the machining process using a computer numerically controlled machine tool is to reduce the machining time by transporting as fast as possible while maintaining constant accuracy at all times.
제어기의 정밀도를 대표할 수 있는 윤곽 오차는 가공 형상이 급변하는 모서리에서 크게 나타나며, PID 제어기의 특성상 이송 속도와 윤곽 오차는 비례하므로 정밀도를 만족하기 위해서는 모서리를 저속으로 통과하여야 한다. 따라서 인포지션(In-position), 드웰(dwell)등의 기능을 사용하지 아니하면 고속으로 이송할 수 있는 직선 구간에서도 저속으로 이송하여 가공시간을 증가시키며 비록 이 기능들을 사용하더라도 사용자가 일일이 정지할 모서리를 결정해야 하는 불편함이 있고 다양한 이송 조건과 모서리의 각도에 대해 일률적으로 정지하므로 비효율적인 문제점이 있었다.The contour error, which can represent the precision of the controller, appears largely at the corner where the processing shape changes rapidly. The feed speed and the contour error are proportional to the characteristics of the PID controller. Therefore, the contour error must pass through the corner at low speed to satisfy the accuracy. Therefore, if you do not use the functions such as in-position, dwell, etc., the processing time is increased by feeding at low speed even in the straight section that can be transferred at high speed. Inconvenient to determine the corners and there is an inefficient problem, because the uniform stop for various transfer conditions and the angle of the corners.
본 발명은 상기한 바와 같이 동작되는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 주 목적은 모서리에서 사용자가 설정한 윤곽오차를 만족하는 범위내에서 지정속도를 추종하되 자동으로 가감속하여 정밀하고 고속으로 제어하는 방법을 제공하는데 있다.The present invention has been made to solve the problems of the prior art operating as described above, the main object is to follow the specified speed within the range that satisfies the contour error set by the user at the corner, while automatically accelerating and decelerating precisely and fast To provide a control method.
도 1a 및 1b는 실제 고차 시스템과 1차로 근사화한 시스템의 모서리 응답 비교를 나타낸 그래프,1A and 1B are graphs showing edge response comparisons between an actual higher order system and a first order approximated system,
도 2a 및 2b는 본 발명에서 요구하는 바람직한 모서리에서의 속도궤적을 나타낸 그래프,2a and 2b is a graph showing the velocity trajectory at the preferred corner required by the present invention,
도 3a 및 3b는 본 발명의 모서리에서 윤곽오차 정의 방법을 설명하고 있는 그래프,3A and 3B are graphs illustrating a method for defining contour errors at the corners of the present invention;
도 4은 본 발명에서 사용된 궤적을 나타낸 그래프,4 is a graph showing the trajectory used in the present invention,
도 5a 및 5b는 모서리에서 실제 측정된 윤곽오차와 본 발명에서 구한 윤곽오차의 값을 비교한 그래프,5A and 5B are graphs comparing the values of the contour errors actually measured at the edges with those obtained in the present invention;
도 6는 본 발명에 의한 제어방법을 적용시킨 속도 궤적을 도시한 그래프,6 is a graph showing a velocity trajectory to which the control method according to the present invention is applied;
도 7은 본 발명에 의한 제어방법을 적용시킨 코너 궤적 오류를 도시한 그래프,7 is a graph showing a corner trajectory error to which the control method according to the present invention is applied;
도 8a 및 8b는 본 발명에 의한 제어방법을 적용시킨 것과 적용시키지 않은 코너링 응답을 나타낸 그래프,8A and 8B are graphs showing cornering responses with and without the control method according to the present invention;
도 9는 본 발명의 제어방법을 적용시켜 고속으로 가공하는 과정을 나타내는 흐름도.9 is a flow chart showing a process of processing at high speed by applying the control method of the present invention.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명을 첨부 도면에 의거하여 좀더 상세히 설명하면 더욱 명백해질 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention will be more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings in order to achieve the above object.
본 발명의 제어를 이용한 공작기계의 고속가공시 모서리에서 정밀도를 유지하는 방법은 고차 시스템으로 모델링되는 공작기계를 1차 시스템으로 근사화하고, 1차 시스템의 모서리 응답을 기준궤적과 시스템 대역폭으로 나타낸 후, 윤곽오차를 정의하고 윤곽오차 함수를 구한다. 그리고 윤곽오차 함수를 수치해석적으로 이용하여 주어진 윤곽오차를 만족하는 모서리에서의 감속속도를 구하여 감속속도에 따라 모서리에서 자동으로 고속가공을 수행하도록 구성되어진다.The method of maintaining the precision at the corners of the machine tool using the control of the present invention is to approximate the machine tool modeled as a higher order system to the primary system, and the corner response of the primary system is represented by the reference trajectory and the system bandwidth. We define the contour error and find the contour error function. In addition, by using numerically the contour error function, the deceleration speed at the corner satisfying the given contour error is obtained, and it is configured to perform the high speed machining automatically at the edge according to the deceleration speed.
이에 공작기계를 1차시스템으로 근사화하고 그 윤곽오차를 구하는 방법은 다음과 같다. 공작기계의 베드는 서보모터 입력부터 베드의 위치까지가 2차이상의 고차시스템으로 모델링된다. 이러한 시스템의 응답은 시간의 함수로 표현되어 X, Y축 응답의 직접적인 관계를 맺기가 어려우므로 윤곽오차는 실험 또는 모사실험 응답으로 측정하거나 수치해석적으로 구해야 한다. 만일 시스템이 1차로 표현된다면 시간변수를 소거할 수 있어 윤곽오차를 계산할 수 있으므로 본 발명에서는 고차 시스템을 대역폭을 기준으로 1차 시스템으로 근사화한다. 기계 서보 시스템은 저역통과 필터(Law Pass Filter)의 역할을 하므로 실제 시스템과 1차 근사 시스템의 모서리응답은 둔각과 예가 모두 유사하다. 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 있어서, 실시예에 사용된 시스템은 대우중공업 ACE-V30 기종의 베드이며 각축의 폐회로 전달함수는 실험적으로 수학식 1 및 2에 나타내었다.Therefore, the method of approximating the machine tool to the primary system and calculating the contour error is as follows. The bed of a machine tool is modeled as a higher-order system of 2nd order from the servomotor input to the position of the bed. The response of such a system is expressed as a function of time, making it difficult to form a direct relationship between the X- and Y-axis responses. Therefore, the contour error must be measured or numerically obtained from an experimental or simulated experimental response. If the system is expressed as a primary, the time variable can be eliminated and the contour error can be calculated. In the present invention, the higher-order system is approximated as a primary system based on bandwidth. Since the mechanical servo system acts as a low pass filter, the corner response of the real system and the first-order approximation system is similar to the obtuse angle and the example. In another preferred embodiment of the present invention, the system used in the embodiment is a bed of Daewoo Heavy Industries ACE-V30 type and the closed loop transfer function of each axis is experimentally shown in equations (1) and (2).
상기의 실시예는 임시로 샘플링(sampling)된 시간이 0.1ms인 디지털 피드백 제어기를 구성하고 동적 신호 분석기(Dynamic Signal Analyzer)를 이용하여 원하는 기준 위치 궤적을 스윕 사인함수(Sweep Sine Function)로 입력하여 그때 얻은 측정 위치로 폐회로 시스템을 모델링하였다. 그리고 서보모터의 입력 전압부터 베드의 위치까지의 전달함수를 역으로 계산한 후 대역폭이 8Hz가 되도록 비례제어기를 설계한 결과이다. 따라서 1차의 근사 시스템의 전달함수는 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.The above embodiment configures a digital feedback controller having a temporarily sampled time of 0.1 ms and inputs a desired reference position trajectory as a sweep sine function using a dynamic signal analyzer. The closed loop system was then modeled using the measurement locations obtained at that time. In addition, the proportional controller is designed so that the bandwidth is 8Hz after calculating the transfer function from the input voltage of the servomotor to the bed position. Therefore, the transfer function of the first approximation system can be expressed as Equation 3.
그리고 도 1에서 도시한 바와 같이, 예각과 둔각의 모서리에 대한 2차 시스템과 근사 시스템의 응답을 비교하였는데, 두 응답이 거의 일치하는 것을 볼 수 있다.As shown in FIG. 1, the responses of the secondary system and the approximation system with respect to the corners of the acute and obtuse angles are compared, and the two responses are almost identical.
모서리의 형태가 도 2a에 나타낸 것과 같고 이때의 속도궤적이 도 2b와 같이 주어진 모서리 속도
(CD 구간 응답)(CD section response)
여기서, (n, m)는 도 2a와 같이 설정된 m, n 좌표축에서의 위치이고, 각 계수 및 상수는 기준궤적을 구성하는 상수와 시스템의 대역폭으로 나타내어진다.Here, (n, m) is a position in the m, n coordinate axis set as shown in Figure 2a, each coefficient and constant is represented by a constant constituting the reference trajectory and the bandwidth of the system.
1차 시스템의 모서리 응답은 수학식 4에 나타낸 바와 같이 항상 모서리 내부로 움직이므로 도 3a와 같은 형태를 보인다. 따라서, 모서리에서의 윤곽오차는 C점에서 응답곡선까지의 최소거리,
직선 q와 모서리 응답의 접점을 (
본 발명에서 제시한 윤곽 오차 예측 방법의 성능을 확인하기 위하여 도 4의 기준 도형을 설정하였다. 이에 대한 일실시예는 원점에서 시작하여 시계방향으로 이송하도록 하였으며 이송 속도를 200mm/min부터 600mm/min으로 100mm/min씩 증가시켰을 때 측정된 윤곽 오차와 새로이 제시한 방법에 의해 계산된 윤곽 오차를 도 5에 비교하였다. 상기 측정된 윤곽 오차는 수학식 1 및 2에 나타낸 시스템을 모사 실험하여 얻은 응답으로부터 측정한 것이다. 가감속을 수행하지 않는 도 5a와 모서리에서 이송 속도의 절반으로 감속하는 도 5b의 경우 모두 제시된 방법이 실제 모델의 모서리 윤곽 오차를 잘 예측함을 알 수 있다.In order to confirm the performance of the contour error prediction method proposed in the present invention, the reference figure of FIG. 4 is set. One embodiment for this is to start at the origin and to feed in a clockwise direction, the contour error measured when the feed speed is increased by 100mm / min from 200mm / min to 600mm / min and the contour error calculated by the new method Compared to FIG. The measured contour error is measured from the response obtained by simulating the system shown in equations (1) and (2). In the case of FIG. 5A which does not perform acceleration and deceleration and FIG. 5B which decelerates to half of the feed rate at the corner, it can be seen that the proposed method predicts the edge contour error of the actual model well.
상기에서 기준 궤적과 시스템 대역폭, 모서리 각도를 이용하여 모서리 윤곽오차,
컴퓨터 수치제어 공작기계를 사용하여 가공을 할 때는 상기 수학식 7과 같이 오차를 예측하기보다는 주어진 윤곽 오차를 만족시키는 모서리 이송 속도
이때 수학식 7에서 수학식 8의 함수 g를 구할 수 없으므로 함수 f로부터 주어진 조건을 만족하는
주어진 허용 윤곽 오차를 만족하는 모서리 감속 속도,
해의 범위가 제한되어 있으므로 이분법을 사용하여 해를 구한다.Since the solution is limited in scope, use dichotomy to find the solution.
상기 제시된 모서리에 대한 제어방법의 성능을 확인함에 있어서, 본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 대하여 도 4의 기준 도형에 대하여 허용 윤곽 오차를 0.03mm로 설정하여 본 발명의 제어방법을 적용하였다. 이송 속도를 1000mm/min으로 하였을 때 기준속도 궤적을 도 6에 나타내었는데 모서리의 내각이 큰 경우에는 감속하지 않거나 조금 감속하고 내각의 각도가 작아짐에 따라 많이 감속하는 즉, 모서리의 내각 각도에 따른 차등적인 감속 속도를 설정하는 것을 확인할 수 있다.In confirming the performance of the control method for the corner, the control method of the present invention was applied to another preferred embodiment of the present invention by setting the allowable contour error to 0.03 mm with respect to the reference figure of FIG. 4. When the feed speed is 1000mm / min, the reference speed trajectory is shown in FIG. 6, but when the corner angle is large, the speed does not decelerate or decelerates a little and the speed decreases as the angle of the angle decreases. You can check the setting of the normal deceleration speed.
도 7에 나타낸 모서리 윤곽 오차는 본 발명의 일실시예에 대한 응답으로부터 측정한 것이며 같은 각도의 모서리라도 이송 방향에 따라 마찰 등에 의해 차이가 있어 그 중 최대값을 나타낸 것이다. 다양한 이송 속도 및 모서리 각도에 대하여 대부분의 모서리 윤곽 오차가 허용 윤곽 오차 0.03mm보다 작음을 알 수 있으며 허용 윤곽 오차를 초과한 몇몇의 경우는 마찰과 같은 예측 불가능한 외란 때문에 피드백 시스템의 오차가 예상보다 커져서 발생한다. 도 8에 예각과 둔각의 모서리를 확대하여 나타내었는데 모서리 감속을 적용하지 않았을 때보다 적용 후에 모서리 응답이 개선되는 것을 확인 할 수 있다.The edge contour error shown in FIG. 7 is measured from a response to an embodiment of the present invention, and even the corners of the same angle have a maximum value because of differences due to friction depending on the conveying direction. It can be seen that for various feed rates and edge angles, most edge contour errors are less than 0.03 mm permissible, and in some cases the tolerances of the feedback system are larger than expected due to unpredictable disturbances such as friction. Occurs. 8 shows enlarged corners of the acute angle and the obtuse angle, and it can be seen that the corner response is improved after application than when the corner deceleration is not applied.
결과적으로 본 발명은 도 9에 도시한 바와 같이, 일반적인 고차 시스템으로 모델링되는 공작기계를 1차 시스템으로 근사화한 후(10), 1차 시스템의 모서리 응답을 기준궤적과 시스템 대역폭으로 나타낸다(20). 그리고 윤곽오차를 정의하고 상기 윤곽오차를 이용하여 윤곽오차 함수를 구하고(30), 윤곽오차 함수를 수치해석적으로 이용하여 주어진 윤곽오차를 만족하는 모서리에서의 감속속도를 구하여(40) 감속속도에 따라 모서리에서 자동으로 고속가공을 수행함으로서(50), 주어진 윤곽오차 범위를 만족하며 자동 고속가공이 가능하게 된다.As a result, as shown in FIG. 9, after approximating a machine tool modeled as a general higher order system to a primary system (10), the edge response of the primary system is represented by a reference trajectory and a system bandwidth (20). . Then, the contour error is defined and the contour error function is obtained using the contour error (30). The contour error function is numerically used to calculate the deceleration speed at the corner satisfying the given contour error (40). By performing the high-speed machining automatically at the corners (50), it satisfies the given contour error range and enables automatic high-speed machining.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상기 발명의 상세한 설명에서 언급된 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention can be variously modified and can take various forms and only the specific embodiments thereof are described in the detailed description of the invention. It is to be understood, however, that the present invention is not limited to the specific forms mentioned in the detailed description of the invention, but rather includes all modifications, equivalents, and substitutions within the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It should be understood to do.
이와 같은 본 발명에 의하면 고속가공시 정밀도가 떨어지는 모서리에서 정밀도를 유지하기 위하여 기준 궤적과 시스템 대역폭에 의해 모서리 윤곽 오차를 예측하는 방법을 제시하고 이를 이용하여 허용 윤곽 오차 이내의 모서리 응답을 위한 모서리에 대해 본 발명의 제어방법을 제시하여 모서리의 윤곽 오차가 보장되어 모서리에서 별도의 동작이 필요 없이 주어진 윤곽오차 범위를 만족하며 자동으로 가감속하는 고속가공이 가능한 매우 유익한 발명임이 명백하다.According to the present invention, a method for estimating edge contour error by reference trajectory and system bandwidth is proposed in order to maintain precision at corners with low precision during high-speed machining, and by using the method, the edge contour for edge response within an allowable contour error is used. By presenting the control method of the present invention, it is evident that the contour error of the edge is ensured, so that it is a very advantageous invention capable of high speed machining that satisfies a given contour error range without automatically requiring a separate operation at the corner and automatically accelerates and decelerates.
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