KR20020064001A - An algorithm with a program for avoiding interference during a phase reverse of table rotating/tilting type 5-axis milling - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 테이블 회전/기울임 방식의 5축밀링머신을 이용한 가공방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 5축밀링머신을 이용한 5축가공시 절삭공구와 작업물 사이에 간섭의 발생을 방지함과 동시에 가장 신속한 가공이 수행될 수 있도록 구성되는 5축밀링머신을 이용한 가공방법에 관한 것이다.The present invention relates to a machining method using a 5-axis milling machine of the table rotation / tilting method, and more particularly, to prevent the occurrence of interference between the cutting tool and the workpiece during 5-axis machining using the 5-axis milling machine It relates to a machining method using a five-axis milling machine configured to be carried out a rapid machining.
최근에 들어와서, 5축 가공은 가공능율과 표면 조도향상을 위해서 가장 널리 사용되는 기술이다. 예를 들면 항공기, 자동차, 그리고 다이/몰드 산업분야에서있어서 복잡한 3차원형상의 부품을 가장 신속하게 생산할 수 있는 적합한 기술로 부각되고 있다.In recent years, 5-axis machining is the most widely used technique for improving workability and surface roughness. For example, in the aircraft, automotive, and die / mould industries, they are emerging as the right technology for the fastest production of complex three-dimensional parts.
예를 들어, 신발밑창의 금형을 생산하기 위한 종래의 방법을 살펴보면, 먼저 설계데이터를 이용하여 목형을 가공한다. 이렇게 가공된 목형을 이용하여 고무형을 만들고, 이어서 석고형을 만든 후, 최종적으로 신발금형이라고 할 수 있는 주형을 만드는 것이 일반적이다. 그러나 5축 가공을 이용하게 되면, 설계데이터에서 신발금형을 직접 가공할 수 있게 된다. 따라서 최근 이러한 5축가공을 이용한 3차원형상의 부품의 가공이 널리 사용되고 있는 실정이다.For example, looking at a conventional method for producing a mold of a shoe sole, first, the wooden mold is processed using the design data. It is common to make a rubber mold using the processed mold and then to make a plaster mold, which is finally called a shoe mold. However, with 5-axis machining, shoe molds can be machined directly from the design data. Therefore, in recent years, the machining of three-dimensional components using such 5-axis machining is widely used.
이러한 5축가공을 위해서는, 초기 모재로부터 최종 형상에 이르기까지 공구가 이동해야 하는 공구경로생성(tool path generation)이 필요하고, 이렇게 생성되는 공구경로를 CL데이터(Cutter location data)라고 한다. 그리고 5축가공을 위해서는 CL데이터를 특정한 공작기계의 기구학적 구조에 상응한 기계축값(joint values)으로 변환시키고, NC컨트롤러의 입력형식에 맞도록 변환시키는 작업이 필요하게 된다.For this 5-axis machining, a tool path generation that requires the tool to move from the initial base material to the final shape is required, and the tool path generated in this way is called CL location data. For 5-axis machining, it is necessary to convert the CL data into joint values corresponding to the kinematic structure of a specific machine tool, and convert them to match the input format of the NC controller.
이와 같이 CL데이터를 NC컨트롤러의 입력형식에 맞도록 변환하는 작업을 포스트프로세싱(Postprocessing)이라고 하고, 이러한 변환프로그램을 포스트프로세서 (postprocessor)라고 한다. 이러한 포스트프로세싱에 의하여 생성되는 NC데이터를 이용하여, 공작기계의 절삭공구의 경로가 공구경로를 따라 이동하는 것에 의하여 실질적인 가공이 수행된다. 일반적으로 5축 밀링머신은 다양한 구조를 가지고 있기 때문에 각각의 기계의 구조적인 특성을 고려한 포스트프로세서가 필요하게 된다.This process of converting CL data to the input format of NC controller is called postprocessing, and this conversion program is called postprocessor. Using NC data generated by such post-processing, substantial machining is performed by moving the path of the cutting tool of the machine tool along the tool path. In general, 5-axis milling machines have various structures, and therefore, a postprocessor considering the structural characteristics of each machine is required.
그리고 일반적인 5축밀링머신의 기구학적 분류에 의하면, 3가지 종류의 것으로 분류되고 있다. 하나는 3개의 직선축(X,Y,Z)과 테이블에 2개의 회전축(A,C)을 가지는 형태로서 테이블 회전/기울임 방식의 5축밀링머신이고, 이는 도 1에 도시되어 있다. 그리고 다른 분류로서 3개의 직선축과 주축에 2개의 회전축을 가지는 형태의 것이 있으며, 또 다른 것으로써는 3개의 직선축과 테이블 및 주축에 각각 1개의 회전축이 설치되는 형태가 있다. 본 발명은, 도 1에 도시한 바와 같은, 테이블 회전/기울임 방식의 5축밀링머신(이하 본 명세서에서는 단순히 5축 밀링머신이라고도 칭하기로 하고, 이러한 장치를 이용한 가공을 5축가공이라고 칭하기로 한다)을 이용하여 공작물을 가공하는 경우에, 공구의 경로와 관련된 가공방법과 관련되는 것이다.And according to the kinematic classification of general 5-axis milling machine, it is classified into three kinds. One is a five-axis milling machine of the table rotation / tilt type in the form of three linear axes (X, Y, Z) and two rotation axes (A, C) on the table, which is shown in FIG. As another classification, there are three linear shafts and two rotary shafts on the main shaft, and another linear shaft and one rotary shaft are provided on the table and the main shaft, respectively. In the present invention, a 5-axis milling machine of a table rotation / tilt method (hereinafter, simply referred to as a 5-axis milling machine in the present specification) will be referred to as 5-axis machining. In the case of machining a workpiece using), it is related to the machining method related to the tool path.
도 1에 도시한 5축밀링머신을 포함하여 대부분의 5축밀링머신에 있어서는 2개의 회전축 중에서 하나 이상의 축이 작동 한계점을 가지고 있다. 즉, 2개의 회전축 중에서 적어도 하나의 회전축은 (+), (-)방향으로 회전을 할 수 있는 범위가 한정되어 있으며, 도 1에서는 회전축인 A축이 작동한계점을 가지고 있다.In most 5-axis milling machines including the 5-axis milling machine shown in Fig. 1, at least one of the two rotating shafts has an operating limit point. That is, at least one of the two rotation shafts is limited in the range in which the rotation axis can be rotated in the (+) and (-) directions. In FIG.
그리고 실제의 5축가공시에는 상술한 회전리미트를 초과하는 가공이 발생할 수 있다. 도 4에는 5축가공시 회전축(A)에 대한 회전범위와 위상반전과의 관계가 모식적으로 도시되어 있다. 즉, 가공경로가 도 4에서 점선으로 표시된 b의 경로라고 하면, 최초의 시작위치에서 가공이 시작되어 A축의 가공한계점에 이르게 되면, 위상반전(phase reverse)을 하게 된다. 이러한 위상반전은, C축을 180도 회전시킴과 동시에 A축을 위상반전시키게 되면, 위치(B)에서 다시 가공이 시작될 것이다.In actual 5-axis machining, machining exceeding the above-described rotational limit may occur. FIG. 4 schematically shows the relationship between the rotation range and phase inversion about the rotation axis A during 5-axis machining. That is, if the machining path is a path of b indicated by a dotted line in FIG. 4, when the machining starts at the first starting position and reaches the machining limit of the A axis, phase reverse is performed. This phase inversion will start machining again at position B if the C axis is rotated 180 degrees and the A axis is inverted.
이와 같이, A축을 위상반전시킴과 동시에 C축을 180도 회전시키는 것은, 실질적으로 공작기계의 작동한계로 인한 불연속동작이 되는 것이다. 그러나 종래의 포스트프로세싱 방법에 의하여 생성된 NC데이터는 위상반전시 공작물과 공구와의 사이에서 공구간섭이 발생하게 되는 단점이 있다.As such, the phase inversion of the A axis and the rotation of the C axis by 180 degrees are essentially discontinuous operations due to the operating limits of the machine tool. However, NC data generated by the conventional postprocessing method has a disadvantage in that tool interference occurs between the workpiece and the tool during phase inversion.
이와 같은 위상반전시 발생하는 간섭이 도 2에 도시되어 있고, 실질적으로 이와 같은 간섭은, 절삭공구(T)가 가공물(W)을 가공하고 있던 접촉상태에서, 상기 가공물(W)을 위상반전시키는 점에 기인하고 있다. 이와 같은 위상반전시 발생하는 간섭현상에 의한 가공 사례가 도 3에 도시되어 있는데, 가공물의 가공면에 위상반전에 의하여 발생하는 타원형의 간섭흔적을 볼 수 있을 것이다.The interference generated during such phase inversion is shown in FIG. 2, and substantially such interference causes phase change of the workpiece W in a contact state in which the cutting tool T is processing the workpiece W. FIG. It is due to the point. 3 shows an example of processing caused by the interference phenomenon generated during the phase inversion, and an oval interference trace generated by the phase inversion may be seen on the processing surface of the workpiece.
이와 같은 간섭은, 실질적으로 가공물의 정확한 가공이 이루어지지 않는 것으로 볼 수 있기 때문에, 기존의 5축가공의 치명적인 단점이다.Such interference is a fatal drawback of the conventional 5-axis machining, since it can be seen that the machining of the workpiece is not performed accurately.
그리고 상기와 같이 위상반전이 이루어지면 가공 위치도 변경되기 때문에, 공구는 변경된 가공위치에서 다시 가공을 재시작하기 위하여 X, Y축 및 Z축을 따라 일정한 경로를 이동하게 된다. 이 때 공구경로를 따르는 절삭공구의 이송속도는, 가공속도와 동일하다. 즉, 가공물과 접촉한 상태에서 가공이 수행되는 경우와 동일한 속도로, 절삭공구가 이동하게 되어 이송 시간이 길어기게 된다. 따라서 종래의 가공방법에 의하면, 위상반전을 포함하는 공구의 이동시, 가공속도로 이동하기 때문에, 전체적인 가공시간이 길어지는 단점이 있다.Since the machining position is also changed when the phase inversion is performed as described above, the tool moves a predetermined path along the X, Y and Z axes to restart the machining again at the changed machining position. At this time, the feed speed of the cutting tool along the tool path is the same as the machining speed. That is, the cutting tool moves at the same speed as the machining is performed in contact with the workpiece, thereby increasing the feeding time. Therefore, according to the conventional machining method, since the tool moves at a machining speed when the tool including the phase reversal moves, the overall machining time is long.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 5축가공에 있어서 위상반전시에도 절삭공구가 가공물과의 간섭을 일으키지 않고 신속한 가공이 이루어지도록 함으로써, 정확한 5축가공이 가능하게 구성되는 가공방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve such a conventional problem, the processing method is configured to enable accurate 5-axis machining by allowing the cutting tool to be quickly processed without causing interference with the workpiece even when the phase reversal in 5-axis machining The purpose is to provide.
도 1은 5축밀링머신의 일실시예를 보인 사시도.1 is a perspective view showing an embodiment of a five-axis milling machine.
도 2는 종래의 위상반전시 간섭현상을 보이는 설명도.2 is an explanatory diagram showing a conventional interference phenomenon in phase inversion.
도 3은 간섭현상을 시뮬레이션에 의하여 보인 예시적인 설명도.3 is an exemplary explanatory diagram showing an interference phenomenon by simulation;
도 4는 5축 가공시 위상반전과 가공경로의 관계를 보인 모식도.Figure 4 is a schematic diagram showing the relationship between the phase inversion and the machining path during 5-axis machining.
도 5는 본 발명에 의한 가공방법을 보인 예시적인 공정도.5 is an exemplary process diagram showing a processing method according to the present invention.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의하면, 절삭공구를 구비하는 주축이 X,Y,Z축으로 이동 가능하고, 가공물이 올려지는 테이블이 X축에 대한 회전축(A)와 Y축에 대한 회전축(B)에 대하여 회전 가능하며, 상기 회전축 중에서 적어도 하나가 작동한계점을 가지는 5축밀링머신의 가공방법에 있어서: 작동한계점을 가지는 회전축이 한계점에 도달하면, 절삭공구를 Z축의 상방으로 일정 간격 이동시키는 제1과정과; 상기 두개의 회전축을 이용하여 테이블을 위상반전시키는 제2과정; 그리고 절삭공구를 다시 테이블상의 가공물에 접촉시켜 가공을 수행하는 제3과정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.According to the present invention for achieving the above object, the main axis having a cutting tool is movable in the X, Y, Z axis, the table on which the workpiece is placed is a rotation axis (A) for the X axis and a rotation axis for the Y axis ( A method of machining a 5-axis milling machine which is rotatable with respect to B) and wherein at least one of the rotary shafts has an operating limit point: When the rotary axis having an operating limit point reaches a limit point, the cutting tool is moved at a predetermined interval above the Z axis. First course; A second step of inverting a table using the two rotation axes; And a third process of performing the machining by bringing the cutting tool back into contact with the workpiece on the table.
그리고 상기 제3과정은; 절삭공구를 가공물과 일정 거리(Δd) 이격된 거리까지 급속이송시키는 과정과; 그 후 절삭공구를 가공물에 접촉하기까지 가공속도로 이송시키는 과정으로 구성된다.And the third process; Rapidly moving the cutting tool to a distance from the workpiece at a predetermined distance Δd; It then consists of transferring the cutting tool at the machining speed until it comes in contact with the workpiece.
다음에는 도면에 도시한 실시예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 살펴보기로 한다.Next, the present invention will be described in more detail with reference to the embodiments shown in the drawings.
도 5는 본 발명에 의한 가공순서를 보인 공정도이다. 도시한 바와 같이, (1)에 도시한 초기상태는, 절삭공구(T)가 가공물(W)와 접촉한 상태를 유지하면서절삭가공이 수행 중에 있는 상태로서, 실질적으로 A축의 작동범위에 이르러 더 이상 A축을 회전할 수 없기 때문에 위상반전이 필요한 순간을 도시하고 있다.5 is a process chart showing a processing procedure according to the present invention. As shown in Fig. 1, the initial state shown in (1) is a state in which cutting is being performed while the cutting tool T is in contact with the workpiece W, and substantially reaches the operating range of the A axis. Since the A-axis cannot be rotated above, the moment when phase inversion is required is shown.
(1)에 도시한 상태인 A축 작동한계점에 도달하게 되면, 위상반전이 일어나게 되는데, 이 때 위상반전 시작 전의 공구와 가공물과의 상대적인 자세를 재생성하기 위하여 A축을 반전시킴과 동시에 C축을 180도 회전시키게 된다. 종래에는 이러한 경우, 상기 절삭공구(T)가 가공물(W)에 접촉한 상태에서 위상반전이 진행되기 때문에, 상술한 바와 같은 간섭이 발생하였다.When the A axis operating limit point shown in (1) is reached, phase inversion occurs. At this time, the A axis is inverted and the C axis is rotated 180 degrees in order to recreate the relative posture between the tool and the workpiece before the phase inversion starts. Rotated. Conventionally, in this case, since the phase inversion proceeds in the state where the cutting tool T is in contact with the workpiece W, the interference as described above has occurred.
그러나 본 발명에 의하면, (1)에 도시한 상태에서 위상반전을 수행하기 위하여, (2)에 도시한 단계(Step 1)와 같이 상기 절삭공구(T)를 Z축방향으로 (+)방향(상방)으로 들어올리게 된다. 여기서 상기 절삭공구(T)를 (+)방향으로 들어올릴 때에는, 상기 절삭공구(T)를 상대적으로 빠른 속도, 즉 급송이송시키는 것이 바람직하다. 절삭공구(T)가 가공물(W)에 접촉한 상태로 절삭가공을 수행하는 경우에는, 실실질적으로 매우 저속으로 공구경로를 따라 이동하게 되는데, 이는 절삭가공을 수행하기 위해서는 필수적인 과정이고, 이러한 절삭공구의 이송속도를 가공속도라고 칭하기로 한다. 이에 비하여 급송이송이라는 것은, 절삭공구가 가공물과 접촉하지 않는 상태(즉, 가공을 수행하지 않는 상태)로 목표지점으로 신속하게 이송시키는 것을 의미한다.However, according to the present invention, in order to perform the phase inversion in the state shown in (1), the cutting tool (T) in the (Z) direction (+) direction ( Upwards). Here, when lifting the cutting tool (T) in the (+) direction, it is preferable to make the cutting tool (T) relatively high speed, that is, rapid feeding. When cutting is performed while the cutting tool T is in contact with the workpiece W, the cutting tool T moves substantially along the tool path at a very low speed, which is an essential process for performing cutting. The feed rate of the tool will be referred to as machining speed. In contrast, rapid feeding means that the cutting tool is quickly moved to a target point in a state in which the cutting tool does not come into contact with the workpiece (ie, no machining is performed).
이와 같이 하여 절삭공구(T)가 Z축방향으로 상방으로 들어올려지게 되면, 실질적으로 절삭공구(T)와 가공물(W)은 서로 일정 간격 이격되는 상태로 된다. 이러한 상태에서, A축 및 C축이 위상반전을 진행하게 되고, 이는 (3)에 도시되어 있다.본 발명에 의하면, A축이 한계점이 도달하게 되어, 위상반전이 필요하게 되면 절삭공구(T)를 Z축방향으로 들어올리는 것에 의하여, 가공물과 일정 간격 이격시키게 됨을 알 수 있다. 이와 같이 절삭공구(T)가 가공물(W)에 대하여 상방으로 일정한 간격 이격됨으로써, 종래와 같이 절삭공구(T)와 가공물(W) 사이에서 발생하는 간섭현상은 전혀 발생하지 않게 된다.In this way, when the cutting tool T is lifted upward in the Z-axis direction, the cutting tool T and the workpiece W are substantially spaced apart from each other by a predetermined interval. In this state, the A-axis and the C-axis advance the phase inversion, which is shown in (3). According to the present invention, when the A axis reaches the limit point and the phase inversion is required, the cutting tool T It can be seen that by raising in the Z-axis direction, it is spaced apart from the workpiece at a predetermined interval. As such, since the cutting tool T is spaced apart at a predetermined interval upward with respect to the workpiece W, the interference phenomenon generated between the cutting tool T and the workpiece W does not occur at all.
그리고 위상반전이 상기 단계(Step 2)에서 수행된 다음에는 (4)에 도시한 단계(Step 3)에서는, 위상반전이 수행된 후의 가공위치로 절삭공구를 이송시키는 과정이 수행될 것인데, 먼저 X,Y축에 대하여 공구를 급속 이송시키게 된다.Then, after the phase inversion is performed in the step (Step 2), in the step (Step 3) shown in (4), the process of transferring the cutting tool to the machining position after the phase inversion is performed, first X The tool feeds at the Y axis quickly.
그리고 절삭공구가 X,Y축에 대한 목표지점에 정확하게 위치하게 되면, (5)에 도시한 단계(Step 4)에서 Z축의 목표지점에 대하여, (Z+Δd)의 위치까지 급속이송시키게 된다. 이렇게 이송시킨 다음에는, (6)에 도시한 최종 단계에서, 절삭공구를 가공이 수행될 Z축의 목표위치까지 짧은 거리(Δd)를 가공속도로 이송시키게 된다.When the cutting tool is positioned exactly at the target point for the X and Y axes, in the step (Step 4) shown in (5), the cutting tool is rapidly moved to the position of (Z + Δd) with respect to the target point of the Z axis. After this transfer, in the final step shown in (6), the cutting tool transfers a short distance Δd to the target position of the Z axis to be machined at the machining speed.
여기서 상기 (2)에서 (5)까지의 과정에 있어서는 절삭공구의 이송은, 급속이송임에 비하여, (6)의 과정에서의 이송은 가공속도와 동일한 이송이다. 이와 같이 절삭공구의 이송시 급속이송을 시키는 것은, 전체적인 위상반전 과정을 신속하게 하기 위한 것이다.Here, in the processes (2) to (5), the feed of the cutting tool is a rapid feed, whereas the feed in the process (6) is the same feed as the machining speed. As described above, the rapid feeding during cutting of the cutting tool is intended to speed up the overall phase reversal process.
즉, 가공물의 가공과 관련없는 절삭공구의 이송인 경우에는 상대적으로 빠른 속도로 이송시키는 것에 의하여, 가공속도와 동일하게 이송시키는 경우에 비하여 전체적인 가공속도가 단축되는 것은 당연하다. 그리고 일정한 절삭공구(T)가 가공물(W)에 대하여 일정한 거리(Δd) 만큼 접근하게 되면, 다음에는 실제의 가공속도로 가공물에 접근하도록 함으로써, 접촉과 동시에 원활한 가공이 진행될 수 있도록 하게 된다.In other words, in the case of the conveyance of the cutting tool not related to the processing of the workpiece, it is natural that the overall machining speed is shortened by feeding at a relatively high speed as compared with the case of the same feed rate. And when the constant cutting tool (T) approaches the workpiece (W) by a certain distance (Δd), the next approach to the workpiece at the actual processing speed, so that the smooth processing can proceed with the contact at the same time.
그리고 상술한 바와 같이, CL데이터를 NC컨트롤러의 입력형식에 맞도록 변환하는 작업을 포스트프로세싱(Postprocessing)이라고 한다. 도 5에 도시한 가공경로는, 실질적으로 NC데이터를 이용하여 5축밀링머신에서 가공이 수행될 때의 제어과정을 보인 것이다. 따라서 본 발명에 의한 가공방법은, 5축밀링머신에서 기계적인 동작을 제어하는 것에 의하여 이루어질 것이고, 실질적으로는 CL데이터를 NC데이터로 변환하여, NC데이터가 생성될 때 절삭공구의 경로가 상기와 같은 과정을 거치도록 생성되어야 할 것이다. 이러한 것은, 실질적으로는 일정한 프로그램에 의하여 진행될 것이다.As described above, the operation of converting the CL data to match the input format of the NC controller is called postprocessing. The machining path shown in FIG. 5 shows a control process when machining is performed in a five-axis milling machine using substantially NC data. Therefore, the machining method according to the present invention will be achieved by controlling the mechanical motion in a five-axis milling machine, and substantially converts the CL data into NC data, so that the path of the cutting tool is generated when the NC data is generated. It should be created to go through the same process. This will be done by a substantially constant program.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면 5축밀링머신에서 위상반전을 수행하게 될 때, 위상반전의 수행 직전에 절삭공구를 Z축의 (+)방향으로 이동시키고 위상반전이 완료된 다음에 다시 공작물의 목표위치로 이송시켜 절삭가공을 진행하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다. 이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이다.As described above, according to the present invention, when the phase inversion is performed in the 5-axis milling machine, the cutting tool is moved in the positive direction of the Z axis immediately before the phase inversion, and after the phase inversion is completed, the workpiece It can be seen that the basic technical idea is to carry out cutting processing by transferring to the target position. Within the scope of the basic technical idea of the present invention, of course, many other modifications are possible to those skilled in the art.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있게 된다.According to the present invention as described above it can be expected the following effects.
본 발명에 의한 가공방법을 적용하는 것에 의하면, 5축가공시 발생하는 위상반전시, 절삭공구와 가공물 사이의 간섭이 일어나는 것을 방지할 수 있게 된다. 따라서 실질적으로는 가공물의 정확한 가공이 가능하게 될 것이다.By applying the machining method according to the present invention, it is possible to prevent the interference between the cutting tool and the workpiece during phase inversion generated during 5-axis machining. In effect, therefore, accurate machining of the workpiece will be possible.
그리고 절삭공구가 가공물과 접촉하고 있지 않은 동안, 구체적으로는 위상반전시 간섭을 회피하기 위하여 Z축방향으로 절삭공구를 이송시키거나, 이송된 절삭공구를 다시 목표위치까지 이송시키는 경우, 급속이송 시키는 것에 의하여 전체적인 가공시간을 단축시킬 수 있는 장점이 기대된다.While the cutting tool is not in contact with the workpiece, in particular, in order to avoid interference during phase reversal, the cutting tool is moved in the Z-axis direction, or when the transferred cutting tool is moved back to the target position, This is expected to reduce the overall machining time.
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