KR20050071928A

KR20050071928A - 비선형 작업단위 공정계획 기능을 가지는 ｓｔｅｐ-ｎｃ시스템

Info

Publication number: KR20050071928A
Application number: KR1020040000329A
Authority: KR
Inventors: 서석환; 이병언
Original assignee: 학교법인 포항공과대학교
Priority date: 2004-01-05
Filing date: 2004-01-05
Publication date: 2005-07-08
Also published as: WO2005065051A3; WO2005065051A2; KR100528843B1

Abstract

본 발명은 설계된 형상을 수치제어장치를 이용하여 가공하는 방식에 있어서, 비선형 작업단위 공정계획 방식을 이용하여 가공대안을 표현하고, 이에 근거하여 수치제어장치를 이용하여 가공을 집행하는 것에 관한 것이다. 공정계획이란 대상 형상을 가공하기 위해 공작기계가 실행할 일련의 동작을 공정단위로 정의하는 것이며, 이는 이후의 파트프로그램밍 단계를 거쳐 CNC 코드 형태로 출력되며, 최종적으로 CNC 공작기계의 동작으로 시현된다. 그러나 종래의 공정계획 방식은 한가지 방식을 지정하는 직선형 공정계획 방식을 사용하여 파트프로그램화함으로 인해 현장 상황에 따라 대처할 수 있는 최적화, 자율성을 저해하는 제약조건으로 작용하게 된다. 따라서 본 발명에서는 STEP-NC 데이터 모델에 입각하여 가능한 대안 공정계획을 비선형 공정계획의 형태로 표현하고 이를 CNC 가공에 적용하도록 하여 최적화 및 자율화를 도모할 수 있도록 한다.

Description

비선형 작업단위 공정계획 기능을 가지는 ＳＴＥＰ-ＮＣ 시스템{STEP-NC SYSTEM HAVING FUNCTION OF NON LEANER PROCESS PLAN}

본 발명은 설계된 형상을 수치제어장치를 이용하여 가공하는 방식에 관한 것으로, 특히 비선형 작업단위 공정계획 기능을 갖는 STEP-NC시스템에 관한 것이다.

수치제어 가공 기술은 1952년에 MIT에서 수치제어 밀링 공작기계가 발명된 이래 눈부신 발전이 있었다. 컴퓨터 지원 수치제어 가공기술은 CAD, CAPP, CAM, CNC 등으로 구성되며, 현장에서 가장 보편적으로 이용되고 방식은 CAD/CAM 소프트웨어에 의해 가공품의 도면 및 설계된 형상을 파트프로그램의 형태로 생성하고 수치제어기가 탑재된 공작기계에 입력하여 가공을 하게 된다.

파트 프로그램은 CNC 공작기계의 동작을 지정하는 입력으로서, 현재의 파트 프로그래밍 방식은 작업자가 완성품의 형상을 하드 카피 도면 혹은 CAD 시스템의 것을 대상으로 소재 형상, 제거볼륨, 제거순서, 사용공구, 가공조건 등을 결정하여 공정계획의 형태로 작성하고 이것을 바탕으로 공구 및 CNC 공작기계의 동작을 CAM 시스템(혹은 간단한 경우 수작업)을 이용하여 소정의 포맷(G & M code, 이하 G-code)에 맞춰 생성하게 된다. CNC 제어기는 G-code로 입력된 파트프로그램을 모터 등을 구동하여 기계의 동작을 실현하는 제어장치로서, 이를 통하여 원하는 도면의 형상을 실제의 가공품 형상으로 얻게 된다. 상기한 G-code는 기본적으로 공작기계의 동작을 공구 혹은 이송푹의 위치 및 속도 등으로 표현한 일종의 기계어로서 1952년 이후 50 여년에 걸쳐 사용되고 있다.

그러나 종래의 파트 프로그램 방식은 공정계획을 G-code 형태로 바꾸는 것으로서, 순차적인 공정의 순서를 기술한 것이다. 순차적이라 함은 G-code 자체가 순차적으로 실행되는 점도 있지만, 가공의 순서를 공정계획을 수립하는 단계에서도 순차적으로 지정하는 것을 의미한다. 예컨대, 구멍을 수십 가공하는 경우, G-code로 프로그램하기 위해서는 구멍의 순서를 일일이 지정해 주어야 하며, 구멍의 순서는 공정계획 과정에서 결정된다. 사전에 구멍의 가공 순서를 지정하는 것은 다만 프로그래밍의 필요조건을 충족시키기 위한 것이며, 최적화 혹은 수개의 가공 중에 드릴의 파손 등이 발생할 때에도 그 순서는 꼭 지켜질 수밖에 없게 되는 문제점이 있었다.

또한 가공순서를 달리함으로써 공구 파손에 따른 순서의 변경이 필요하거나, 가공조건을 변화시킴이 바람직 함에도 불구하고 수치제어기가 가진 정보는 다만 고정된 순서의 축 동작 정보 밖에 없기 때문에 불가능하였다. 그리고 이상상황이 아니더라도, 구멍가공의 순서를 계획된 공구 및 고정구가 존재하지 않거나 수정이 불가피한 경우에도 공정 계획 및 파트 프로그램은 현장에서 쉽게 변경이 불가능한 문제점이 있었다.

한편, 최근 들어 세계적으로 STEP-NC라 일컬어지는 새로운 언어가 대두되고 있으며, 상기 언어는 축 동작을 직접 지정하는 것이 아니라 축 동작을 생성할 수 있는 형상정보, 공정정보 등을 포함하도록 하고, 축 동작은 CNC 제어기 상에서 생성할 수 있도록 하고 있다. 상기 신언어 방식은 차세대 생산시스템으로 부각되고 있는 e-manufacturing의 패러다임에 부응하여 향후 CAD/CAM 및 CNC 가공 방식에 많은 변화를 줄 것으로 예상되고 있다.

그러나 상기 새로운 언어인 STEP-NC는 기계 중립적인 정보이기 때문에, 현존하는 모든 CNC 기계의 구조를 만족할 수 없다. 그러므로 STEP-NC 정보를 받아들여 가공하고자 하는 기계의 구조에 맞게 STEP-NC 정보를 수정할 필요가 있으며, 수정과정에서 기계의 구조를 반영하여 여러 가지 가공 방법이 생길 수 있다. 이러한 경우 기존의 STEP-NC 정보에 더해서 새로운 가공 방법들이 대안으로써 생성이 되므로 이를 수용할 수 있는 방법이 요구되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 공정계획을 수행함에 있어서 가공 가능한 다수의 방법, 이른바 대안 공정 계획을 STEP-NC 데이터 모델에 근거한 파트 프로그램에 수록하고, CNC 공작기계 상에서 현장상황을 고려하여 최적의 것을 결정할 수 있도록 하는 비선형 작업단위 공정 계획 기능을 갖는 STEP-NC 시스템 및 방법을 제공함에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 설계된 형상을 수치제어 장치를 이용하여 가공하는 STEP-NC 시스템으로서, 비선형 공정계획 방식을 이용하여 가공대안을 표현하고, 이에 근거하여 파트 프로그램을 생성하는 비선형 공정계획 생성기와, 상기 비선형 공정계획 생성기로부터 생성된 파트 프로그램을 로드하고 상기 수립된 비선형 공정계획 정보를 이용하여 대상 물체에 대한 가공을 집행하는 공작기계,를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예의 동작을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 비선형 작업단위 공정계획 기능을 갖는 STEP-NC 시스템의 블록 구성을 도시한 것이다.

이하 상기 도 1을 참조하면, 비선형 공정계획 생성기(100)는 인터넷을 통해 CAD 파일을 입력으로 받을 수 있으며 내부의 모듈을 통해 파트 프로그램을 생성하여 이를 인터넷을 통해 배포할 수 있다. 또한 비선형 공정계획 생성기(100)는 크게 형상정보 해석 및 가시화모듈(102), 비선형 공정계획 생성 모듈(104), 파트 프로그램 생성모듈(106)을 포함하여 구성된다. 형상정보해석 및 가시화 모듈(102)은 CAD 정보를 입력받아 이로부터 형상정보를 추출하고, 화면을 통해 사용자에게 보여준다. 비선형 공정계획 생성 모듈(104)에서는 형상정보로부터 가공할 영역을 결정하고 이를 가공할 공정을 결정하게 된다.

한편, 선반 가공의 경우 가공 영역의 결정은 사용자마다 다양하게 해석할 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 예제의 경우에서, 사용자는 가공 영역을 분할할 때, 도 3a와 같이 분할할 수도 있지만, 5번 외경선삭과 7번 그루빙 작업의 경우 도 3b에서와 같이 8번과 9번의 두 외경 선삭 가공 영역으로 분할할 수도 있다. 또한 6번 내경 작업의 경우 사용자에 따라 이를 드릴링 작업 후 내경 가공으로 가공할 수도 있고, 내경 가공이 아닌 보링 작업으로 가공할 수도 있다. 이처럼 선반 가공에서는 명확히 구분되는 하나의 공정 계획만 있는 것이 아니라 다양한 가공 대안이 있을 수 있다.

그러므로 비선형 공정 계획 생성 모듈(104)에서는 대안 가공영역과 대안 가공 공정을 생성할 수 있는 모듈이 필요하게 된다. 이렇게 공정계획 및 대안 공정 계획이 생성되면 이를 비선형 공정계획으로 표현하게 되고, 최종적으로 파트 프로그램 생성 모듈(106)에서 비선형 공정계획을 포함하는 파트 프로그램을 생성하게 된다.

비선형 공정계획을 입력받아 가공을 집행하는 공작기계(108)는 크게 파트 프로그램 해석 모듈(110), 하드웨어 정보 입력 모듈(112), 최적 공정계획 생성 모듈(114), 가공 경로 생성 모듈(116), 자율제어 모듈(118)로 구성이 된다. 파트 프로그램 해석 모듈(110)에서는 입력으로 들어온 파트 프로그램을 해석하여 비선형 공정계획 정보를 추출한다. 하드웨어 정보 입력 모듈(112)에서는 입력으로 들어온 비선형 공정계획에 실제 집행하고자하는 공작 기계 하드웨어 정보를 더한 비선형 공정계획(HPSG, Hardware dependent Process Sequence Graph)을 생성한다. 최적 공정계획 생성모듈(114)에서는 HPSG에 포함된 여러 공정 계획 중 실제 가공하고자 하는 공작기계에 가장 최적인 공정 계획을 생성하게 되며 가공 경로 생성모듈(116)에서는 최적 공정 계획으로부터 실제 공작기계에서 집행될 가공 경로를 생성하고, 자율제어 모듈(118)에서는 이를 이용해 실제 가공을 수해하게 된다.

도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 도 2에 도시된 바와 같은 파트 형상에 대해 선반가공을 대상으로 한 NPSG, HPSG, EPSG의 작성예를 보인 것이다. 상기 도 2는 얻고자 하는 최종 형상이고, 도 3a는 최종 형상을 얻기 위해 사용자가 어떻게 가공할지 가종 영역을 분해한 결과를 나타낸다. 도 3b는 상기 도 3a를 가공하기 위한 대안 가공 영역으로 상기 도 3a의 5, 7번 영역을 도 3b의 8, 9번 영역으로 다르게 가공할 수 있음을 나타낸다.

이때, 상기 도 4 내지 도 6에서 제시하는 비선형 공정계획은 공정순서 그래프에 의해 표현되며, 각각의 노드는 노드의 성격(AND, OR, SYNCHRONOUS, PARALLEL 등), 혹은 작업단위 정보(제거볼륨 특징형상 혹은 델타볼륨, 가공조건, 공구 등)를 가지고 있다. 노드의 성격 중 AND는 하위 노드들이 순서에 상관없이 실행될 수 있음을 나타내고, OR은 하위 노드들 중 한 가지만을 선택해서 실행 될 수 있음을 나타낸다. SYNCHRONOUS의 경우 하위의 서로 다른 노드들에 대해 하드웨어의 자원(Resource)가 동시에 실행될 수 있음을 나타내고, PARALLEL의 경우 하위의 동일 노드에 대해 사용되는 하드웨어의 자원이 동시에 실행될 수 있음을 나타낸다. 즉, 예를 들면 공작기계가 터릿이 2개 있다고 할 경우 SYNCHRONOUS의 경우 각각의 터릿이 서로 다른 부위를 동시에 가공하는 것을 말하며, PARALLEL의 경우 각각의 터릿이 동일 부위를 어느 정도 시간차를 두고 동시에 가공하는 것을 말한다. 또한 PSG는 사용되는 용도에 따라(앞의 부분을 삭제할 경우 괄호 안 부분은 삭제, 앞의 부분을 삭제하지 않을 경우 앞의 또한 PSG는 사용되는 용도에 따라 부분 삭제, 상기의 3개 시스템에서 각각) 하드웨어에 중립적인 공정 순서 그래프, (Neutral Process Sequence Graph, 이하 NPSG), 하드웨어 정보를 반영한 공정 순서 그래프, (Hardware-incorporated Process Sequence Graph, 이하 HPSG), 하드웨어에서 집행될 공정 순서 그래프, (Executable Process Sequence Graph, 이하 EPSG)라는 형태로 존재한다. (NPSG, HPSG, EPSG라는 명칭도 기능적으로 의미를 가지며, 명칭에 국한되는 것은 아니다.)

먼저 상기 도 4는 상기 도 2의 최종 형상을 얻기 위해 상기 도 3a로 분해된 델타 볼륨을 가공하기 위해 공작기계 혹은 CNC 제어기에 관계없이 실행 가능한 공정계획 대안, 즉 NPSG를 나타내고 있으며, 각각의 노드는 델타볼륨, 가공종류, 절삭 조건, 사용 공구 등의 작업단위 정보이거나 집행 순서의 성격을 나타낸다. NPSG 정보는 STEP-NC데이터 모델 스키마(Schema)에 근거하여 어느 하드웨어에서도 해석할 수 있기 위해 STEP Part 21, clear text encoding rule을 따르는 파트 프로그램으로 표현될 수 있다. 여기서 NPSG의 경우 반드시 하드웨어에 중립적이어야 하기 때문에 집행 순서의 성격을 나타내는 노드 중 하드웨어 정보에 의존적인 SYNCHRONOUS와 PARALLEL은 사용될 수 없다. 이때 실제 가공에 사용될 하드웨어 정보는 HPSG 혹은 유사한 매체를 통하여 나타난다.

다음으로 도 5는 상기 도 4의 NPSG를 2개의 터릿이 있는 CNC 선반센터가 사용될 경우 사용될 수 있는 비선형 공정계획 그래프이다. NPSG 정보는 하드웨어 정보를 포함하고 있지 않기 때문에 실제 가공에 사용될 공작기계의 기능 및 성능을 활용 혹은 반영하기 위해서는 HPSG로의 변환은 필수적으로 필요하다. HPSG의 각각의 노드에 포함되는 정보는 NPSG의 노드에 터릿, 스핀들 등 하드웨어의 정보가 더해진 정보이다. 그리고 가공 시, 하드웨어의 특성을 가공 순서에 반영할 수 있어야 하기 때문에 NPSG에서는 사용이 되지 않는 SYNCHRONOUS, PARALLEL이 사용될 수 있다.

마지막으로 도 6은 HPSG를 제어장치(NCK 및 PLC 등)가 실행할 수 있는 형태로 재구성된 공정계획도를 도시한 것으로, 가공 집행의 성격을 나타내는 노드 AND와 OR 노드는 순서가 정의되어 있지 않거나, 선택을 해야만 하는 노드로써, 제어기의 판단을 요구한다. 그러나 제어장치의 경우 가장 중요한 것이 실시간성이기 때문에, 실가공 도중에 이 노드들을 만나서 순서를 결정하거나 선택을 할 경우, 실시간성을 보장하기가 어렵게 된다. 따라서 HPSG에서 EPSG로 변환이 되면서 제어기는 설정된 기준에 의해 실제 집행되는 순서를 미리 결정하여 AND와 OR 노드 정보는 실제 집행되는 순차적인 순서로 변환이 된다. 그러므로 EPSG의 노드 정보는 HPSG의 노드 정보와 동일하나, AND와 OR 노드는 사용이 되지 않는다.

그리고, HPSG를 EPSG로 변환 시 가공시간의 최소화 혹은 공구교환회수의 최소화 등의 선택된 수행도지표에 입각하여 변환시킴으로서 생산성 향상을 기할 수 있다. 뿐만 아니라 HPSG는 가공 중 이상상황(예; 터릿 혹은 공구 등의 이상) 발생시 이를 감안하여 HPSG를 갱신하고 가능한 대안 공정계획을 마련하여 새로운 EPSG로 변환시켜 가공을 시킬 수 있는 등의 자율성을 갖는 수단이 될 수 있다.

한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 STEP-NC 데이터 모델에 입각한 비선형 공정계획의 3가지 표현방법 NPSG, HPSG, EPSG를 제안하여 인터넷 환경에서 CAD/CAM/CNC 체인에서 구김없는 정보 전달이 가능하고, 현장의 하드웨어 정보를 반영함으로서 다양한 지적 자율적 제어가 가능하도록 하는 이점이 있다.

또한 비선형 공정계획 방식을 파트프로그램에 반영할 수 있도록 함으로서, 1개의 가공대안이 아닌 다수의 가공대안을 현장에 제공함으로서 CNC 공작기계가 현장상황을 반영하여 최적화된 가공을 수행할 수 있게 하는 이점이 있으며, CNC 가공중에 공구파손 혹은 기계 이상 등의 이상상황이 발생하는 경우 사람의 힘을 빌리지 않고 자율적으로 처리할 수 있는 수단을 제공함으로서 가공 지연 등으로 인한 생산성 저하를 방지하고 무인 가공, 인공지능형 제어가 가능하도록 하는 이점이 있다.

또한 e-manufacturing 시스템의 구축을 위한 수단으로 대두되고 있는 STEP-NC 시스템의 구현에 있어, 단순한 STEP-NC 정보의 인터페이스에서 진일보하여 STEP-NC 정보를 바탕으로 지적이고 자율적인 제어를 가능하도록 하는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 비선형 작업단위 공정계획의 STEP-NC 시스템 구성도,

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 비선형 공정계획으로 가공하고자 하는 형상 예제도,

도 3a 및 도 3b는 상기 도 2의 형상예제에 대한 가공 영역 분해 예시도,

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 하드웨어에 중립적인 비선형 공정계획을 그래프로 도시한 도면,

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 하드웨어의 정보를 반영한 비선형 공정계획을 그래프로 도시한 도면,

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 비선형 공정계획의 가공 대안 중 실제 CNC를 통해 수행되는 공정계획을 그래프로 도시한 도면.

Claims

설계된 형상을 수치제어 장치를 이용하여 가공하는 STEP-NC 시스템으로서,

비선형 공정계획 방식을 이용하여 가공대안을 표현하고, 이에 근거하여 파트 프로그램을 생성하는 비선형 공정계획 생성기와,

상기 비선형 공정계획 생성기로부터 생성된 파트 프로그램을 로드하고 상기 수립된 비선형 공정계획 정보를 이용하여 대상 물체에 대한 가공을 집행하는 공작기계,

를 포함하는 비선형 작업단위 공정계획 기능을 갖는 STEP-NC 시스템.
제1항에 있어서,

상기 비선형 공정계획 생성기는, STEP 데이터 모델에 의해 표현된 소재 및 최종 형상을 해석하여 가공 대상 소재로부터 최종 형상을 얻어내기 위해 절삭가공을 통해 가공해야 할 가능한 모든 가공방식을 포함한 비선형 공정계획 방식을 이용하여 표현하고, 이를 STEP-NC 데이터 모델에 의한 코드로 출력시키는 것을 특징으로 하는 비선형 작업단위 공정계획 기능을 갖는 STEP-NC 시스템.
제2항에 있어서,

상기 절삭가공을 통해 가공해야할 가능한 모든 가공방식은, 제거볼륨의 모양, 제거순서, 절삭조건, 절삭공구 등의 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 작업단위 공정계획 기능을 갖는 STEP-NC 시스템.
제1항에 있어서,

상기 비선형 공정계획 생성기는, CAD 정보를 입력받아 가공 대상 물체에 대한 형상 정보를 추출하고, 이를 사용자에게 보여주기 위해 디스플레이하는 형상정보 해석 및 가시화모듈과,

상기 형상 정보로부터 가공할 영역을 결정하고, 가공 대상 물체에 대한 공정 계획 및 대안공정 계획이 생성되면, 이를 비선형 공정계획으로 생성하는 비선형 공정계획 생성모듈과,

상기 비선형 공정계획을 포함하는 파트 프로그램을 생성하는 파트 프로그램 생성모듈,을 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 작업단위 공정계획 기능을 갖는 STEP-NC 시스템.
제1항에 있어서,

상기 공작기계는, 상기 비선형 공정계획 생성기로부터 입력되는 파트 프로그램을 해석하여 비선형 공정계획 정보를 추출하고, 비선형 공정계획에 포함된 여러 공정 게획 중 실제 가공을 위한 최적의 공정계획에 따른 가공 경로에 따라 실제 가공을 수행하는 것을 특징으로 하는 비선형 작업단위 공정계획 기능을 갖는 STEP-NC 시스템.
제1항에 있어서,

상기 공작기계는, 상기 비선형 공정계획 생성기로부터 입력되는 파트 프로그램을 해석하여 비선형 공정계획 정보를 추출하는 파트 프로그램 해석모듈과,

입력으로 들어온 비선형 공정 계획에 실제 집행하고자 하는 공작 기계 하드웨어 정보를 더한 비선형 공정계획을 생성하는 하드웨어 정보 입력 모듈과,

상기 비선형 공정계획에 포함된 여러 공정 계획 중 실제 가공하고자 하는 공작기계에 가장 최적인 공정 계획을 생성하는 최적 공정계획 생성모듈과,

상기 최적 공정 계획으로부터 실제 공작기계에서 집행될 가공 경로를 생성하는 가공 경로 생성 모듈과,

상기 가공 경로에 따라 실제 가공을 수행하는 자율제어모듈,

을 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 작업단위 공정계획 기능을 갖는 STEP-NC 시스템.
제1항에 있어서,

상기 공작기계는, 특정한 하드웨어를 전제로 하지 않은 비선형 공정계획 정보를 포함하는 코드를 입력으로 받아 가공에 사용될 하드웨어의 규격에 맞게 비선형 공정계획을 변환시키는 것을 특징으로 하는 비선형 작업단위 공정계획 기능을 갖는 STEP-NC 시스템.
제1항에 있어서,

상기 비선형 공정계획 생성기는, 상기 공작기계에서의 실제 가공시, 가공상황 및 현장 상황의 반영을 위해 비선형 공정계획을 선형화시키거나 변형시키는 것을 특징으로 하는 비선형 작업단위 공정계획 기능을 갖는 STEP-NC 시스템.