KR20120125879A - 공구의 연속 이동 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, MB spline 기법을 적용하여 절삭 가공을 수행할 수 있는 공구의 연속 이동 제어방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 임펠러 등과 같은 곡률이 급격히 변화하는 곡면을 가지는 제품의 절삭 가공시 가공 표면 품질을 향상시킬 수 있고, 가공 시간이 단축될 수 있는 이점이 있다.

Description

공구의 연속 이동 제어방법{method for controlling continuous movement of tool}
본 발명은 대상물의 가공을 위한 공구의 연속적인 이동을 가능하게 하는 제어방법에 관한 것이다.
최근 항공기, 우주기기 등과 같이 복잡한 형태로 강도 및 내구성 면에서 높은 수준이 요구되는 제품이 늘어감에 따라, 이러한 제품의 제조에 사용될 수 있는 5축 제어 가공의 중요성이 더욱 높아지고 있다. 또한, 이는 높은 자유도를 유지하면서, 가공 효율을 현격하게 향상시킬 수 있는 가치 높은 가공기술로써 주목을 받고 있다.
이러한 5축 제어 가공은 임펠러를 제작하는 작업에도 사용될 수 있는데, 임펠러의 특성상 유체가 매끄럽게 유동해야 터보기계의 효율을 극대화할 수 있으므로, 높은 수준의 가공면 품질이 요구된다. 그런데, 임펠러의 블레이드 사이의 폭이 좁고 깊어 공구와 인접하는 곡면과의 사이에 간섭이 발생되어 가공면 품질에 악영향을 끼칠 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 임펠러의 가공면 품질을 향상시킬 수 있는 공구의 연속 이동 제어방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같이 제안되는 본 발명에 의한 공구의 연속 이동 제어방법은, 입력부가 가공 완성품의 외형에 관한 설계 정보를 입력받는 단계; 입력부를 통하여 입력된 설계 정보를 기초로 하여, 제 1 제어부가 공구의 이동 궤적에 관한 예비 데이터를 산정하는 단계; 및 제 2 제어부가 공구의 이동 궤적에 관한 예비 데이터를 MB spline 기법을 이용하여 변환하는 방식으로 공구의 이동 궤적에 관한 적용 데이터를 산정하는 단계;를 포함하고, 상기 MB spline 기법은, 상기 예비 데이터에 해당하는 공구의 이동 궤적 상에 놓이는 가상의 점들을 순차적으로 Pn-1, Pn, Pn+1라고 할 때, Mn은 Pn-1 및 Pn+1 사이의 중점이라고 가정할 때, 적용 데이터에 해당하는 공구의 이동 궤적 상에 놓이는 점 Pn'는 Pn 및 Mn의 중점에 해당하는 지점에 위치되도록 사상하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이 본 발명에 의한 공구의 연속 이동 제어방법은, 임펠러의 블레이드와 공구가 서로 간섭되는 현상을 최소화할 수 있다. 따라서, 생산된 임펠러의 가공 표면 품질이 더욱 향상될 수 있는 이점이 있다.
도 1은 5축 가공 방식으로 임펠러를 가공하는 모습을 보인 사진.
도 2는 본 발명에 의한 공구의 연속 이동 제어방법을 보인 플로차트.
도 3은 공구와 가공물이 접하는 지점의 좌표계를 보인 도면.
도 4는 공구와 가공물의 간섭을 피하기 위한 공구의 자세점으로 변환하는 방법을 보인 도면.
도 5는 공구와 가공물이 간섭되는 경우와 간섭을 회피한 경우를 보여주는 도면.
도 6은 종래의 공구 제어방법에 의한 가공시 공구의 궤적을 보인 도면.
도 7은 본 발명에 의한 공구의 연속 이동 제어방법을 이용하여 가공할 경우 공구의 궤적을 보인 도면.
도 8은 본 발명에 의한 공구의 연속 이동 제어방법을 이용하여 가공한 가공 완성물의 표면 상태 개선 효과를 보여주는 사진.
도 9는 본 발명에 의한 공구의 연속 이동 제어방법을 이용하여 가공하는 경우의 표면 품질 개선 효과를 보여주는 그래프.
이하에서는 본 발명에 의한 공구의 연속 이동 제어방법의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 5축 가공 방식으로 임펠러를 가공하는 모습을 보인 사진이다.
도 1을 참조하면, 5축 가공기는, 가공 대상에 해당하는 가공물(20)이 고정되기 위한 고정대(11)와, 상기 고정대(11)에 고정된 가공물(20)을 설정된 설계 형상대로 가공하기 위한 절삭공구(12)를 포함한다. 상기 고정대(11)는 가공물(20)의 고정 작업이 용이할 수 있도록 경사지게 놓여질 수 있다. 그리고, 상기 절삭공구(12)는 상기 고정대와 독립적으로 이동할 수 있도록 구비될 수 있다. 이때, 상기 절삭공구(12)는 3개의 직선이송축과 2개의 회전이송축을 가지므로, 3축 방향으로 직선 운동할 수 있음과 동시에 수평 2축 방향으로 회전 운동할 수 있도록 구비된다. 따라서, 상기 고정대에 놓여지는 가공물(20)을 기준으로 다양한 각도 및 자세로 위치되어, 상기 가공물(20)에 대한 자유로운 가공 작업을 수행할 수 있고, 상기 가공물(20)을 다양한 형상으로 가공할 수 있다.
즉, 상기 가공물(20)의 절삭 작업이 수행되는 과정에서, 상기 절삭공구(12)는 다양한 위치로 이동함과 동시에 다양한 각도로 자세를 가변할 수 있다. 특히, 상기 가공물(20)을 곡률이 변화하는 곡면을 가지는 완성품으로 가공하는 경우에는, 절삭공구(12)가 연속적으로 이동함과 동시에 자세가 변해야 하는 것은 필수적이다.
이때, 상기 절삭공구(12)를 이용하여 상기 다양한 곡률을 가지는 완성품을 가공하기 위해서는, 상기 절삭공구(12)의 연속적인 이동 및 자세 변화에 대한 제어가 필요하다.
도 2는 본 발명에 의한 공구의 연속 이동 제어방법을 보인 플로차트이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 공구의 연속 이동 제어방법에 의하면, 먼저 절삭 가공을 이용한 제품의 생산을 위해서는 완성된 제품 즉, 완성품의 형상에 대한 설계 정보가 입력되어야 한다(S11).
이러한 설계 정보는, 작업자가 CATIA 등과 같은 설계 프로그램을 이용하여 완성품의 형상을 도시하는 방식으로 입력될 수 있다.
다음으로, 상기 설계 정보를 기초로 하여 상기 절삭 공구의 이동 궤적에 관한 예비 데이터를 산출한다(S12). 이러한 예비 데이터에 대한 산출 작업은 상기 CATIA 등과 같은 설계 프로그램을 이용하거나, Visual BASIC과 같은 프로그램을 이용하여 컴퓨터와 같은 장치로 수행될 수 있다.
그리고, 상기 예비 데이터는, 상기 가공기로 전송되는 방식으로 상기 가공기에 입력될 수도 있고, 작업자가 상기 가공기에 구비되는 별도의 입력부를 통하여 입력하는 방식으로 입력될 수도 있다.
상기 가공기에 상기 예비 데이터가 입력된 후에는, 상기 예비 데이터를 MB spline 기법을 이용하여 변환하는 방식으로 공구의 이동 궤적에 관한 적용 데이터가 산출될 수 있다(S13). 이때, 상기 예비 데이터에 기초하여 상기 적용 데이터를 산출하는 과정은, 상기 가공기에 구비되는 제어부에 의하여 수행될 수 있다.
그리고, 상기 산출된 적용 데이터에 따라 상기 절삭 공구의 작동이 시작됨으로써, 상기 가공물에 대한 절삭 작업이 수행될 수 있다(S14).
한편, 상기 MB spline 기법에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 3은 공구와 가공물이 접하는 지점의 좌표계를 보인 도면이고, 도 4는 공구와 가공물의 간섭을 피하기 위한 공구의 자세점으로 변환하는 방법을 보인 도면이며, 도 5는 공구와 가공물이 간섭되는 경우와 간섭을 회피한 경우를 보여주는 도면이다. 도 6은 종래의 공구 제어방법에 의한 가공시 공구의 궤적을 보인 도면이고, 도 7은 본 발명에 의한 공구의 연속 이동 제어방법을 이용하여 가공할 경우 공구의 궤적을 보인 도면이다.
도 3 내지 도 7을 참조하면, 상기 MB spline 기법은, 상기 예비 데이터에 해당하는 공구의 이동 궤적 상에 놓이는 가상의 점들을 순차적으로 Pn-1, Pn, Pn+1이고, Mn은 Pn-1 및 Pn+1 사이의 중점이라고 가정할 때, 적용 데이터에 해당하는 공구의 이동 궤적 상에 놓이는 점 Pn'는 Pn 및 Mn의 중점에 해당하는 지점에 위치되도록 사상하는 것이다.
보다 상세히, 기존에는 MC-space 기법만을 사용하여 가공물에 대한 절삭 가공을 수행하였다. 기존에 사용되었던 MC-space 기법은, 도 3에서 보여지는 바와 같이, 각각의 절삭점 데이터는 공구가 공작물과 접하는 점 C(cutter contact point)에 있어서 가공면의 법선벡터 N을 z축, 공구 진행 방향을 나타내는 공구이송벡터 F를 x축, F와 N의 외적 벡터인 F×N을 y축으로 하는 로컬 좌표계로 설정된다. 여기서, 공구 경로를 생성하는 CL(Cutter location) 데이터는 C점을 곡면의 법선벡터인 N방향으로 공구반경 R만큼 오프셋한 O와 공구자세벡터 T(CPV:Cutter posture vector)로 구성된다.
N과 T가 이루는 각을 경사각 θ라 하고, z축을 중심으로 회전하는 각을 회전각 φ라 하며, 이 두개의 매개변수로 CPV인 T를 공구 자세점 P(CPP:Cutter posture point)로 나타낸 것이 도 3의 (b)와 같은 2차원 C-space이다. C-space는 실공간 상의 CPV인 T를 2차원 C-space 상의 CPP인 P로 맵핑함으로써, 이웃하는 장매물들과의 간섭유무를 쉽게 판별하고 간섭이 발생할 경우 간섭영역 내의 CPP를 자유영역으로 이동할 수 있도록 함으로써 실공간 상에서 간섭이 회피된 공구 자세벡터를 얻을 수 있다.
한편, 간섭이 발생한 CPP만이 아니라 간섭이 발생하지 않은 CPP까지 포함하여 가장 안전한 공구 자세점으로 변환하는 방법으로 도 4과 같은 방법도 있다. 먼저, 간섭이 발생하지 않은 경우에는 도 4의 (a)와 같이 CPP가 CAI에 치우쳐 있으므로 안전하다고 하기 힘들다. CPP를 CAI의 경계 곡선 상의 최단 거리점에 수선을 내리면 Pi a가 생성되고 CA2의 최단 거리점에 수선을 내리면 Pi b가 생성된다.
즉, (Pi a+Pi b)/2인 점 Mi를 새로운 CPP로 설정하는 방법이다. 간섭이 검출된 경우도 동일한 프로세스로 간섭을 회피한다. 그 처리 과정은 아래와 같으며 이 방법을 기존의 방식과 구별하기 위하여 MC-space(Modified C-space) 기법이라 칭한다.
도 5는 이러한 MC-space 기법을 이용하여 간섭 회피를 수행한 결과를 보여준다. MC-space기법을 적용한 결과, 도 5의 (a)와 같이 진한 색으로 표시된 간섭 공구들이 도 5의 (b)와 같이 간섭 회피되어 블레이드 사이에서 안전한 공구자세벡터를 나타냄을 알 수 있다. 그러나, 공구자세벡터의 변화 추이를 살펴보면, 연속적이지 않고 급격한 기울기 변화를 나타냄을 알 수 있다. 이러한 공구자세벡터의 불연속은 필연적으로 가공표면의 품질을 저하시키게 되므로, 공구자세벡터가 연속적인 기울기 변화를 가지도록 안전하면서도 매끄러운 공구 경로를 생성할 필요성이 있다.
따라서, MB-spline 기법을 적용함으로써, 이러한 공구자세벡터 끝점의 경로 곡선을 매끄럽게 수정할 수 있다. B-spline 곡선은 주어진 점을 모두 지나는 보간 곡선으로서 도 6에서 CPV 경로 곡선 상의 각 점들인 Tei를 통과하므로 점선과 같이 곡률의 변화가 심하게 된다. 그런데, MB-spline 기법을 통하여 얻을 수 있는 곡선은 도 6에서 굵은 실선과 같이 Tei의 사이를 통과하는 매끄러운 근사곡선이다. 따라서, Tei 점들을 조정점으로 하면서도, 기존의 B-spline 근사 곡선에 비하여 더욱 매끄러운 곡선을 만들기 위하여 조정점의 경계 조건을 수정함으로써, 아래의 식과 같이 도출된 MB-spline 기법이 사용될 수 있다. 도 7을 참조하면, MB-spline 기법을 통하여 새롭게 생성된 경로 곡선 상에 CPV 점의 수와 동일한 개수만큼 등분함으로써 수정된 근사곡선 경로 상에 새로운 CPV 점들인 Tei' 점들을 얻을 수 있다. 결국 Tei'과 Tsi점을 연결하는 새로운 공구자세벡터 Ti'을 아래의 식과 같이 표현할 수 있다.
ri(u)=UNmRi (0≤u≤1)
여기서, Nm=1/4[(1 2 1 0),(-2 0 2 0),(1 -1 -1 1),(0 0 0 0)], Ri=[Tei Tei+1 Tei+2 Tei+3]
Ti'=Tei'-Tsi
이하에서는, 본 발명에 의한 공구의 연속 이동 제어방법을 이용하여 가공하는 경우의 효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 8은 본 발명에 의한 공구의 연속 이동 제어방법을 이용하여 가공한 가공 완성물의 표면 상태 개선 효과를 보여주는 사진이고, 도 9는 본 발명에 의한 공구의 연속 이동 제어방법을 이용하여 가공하는 경우의 표면 품질 개선 효과를 보여주는 그래프이다.
본 발명에 의한 공구의 연속 이동 제어방법을 이용하여 가공물을 가공하는 경우의 개선된 효과를 확인하기 위하여, 다음과 같은 실험을 수행하였다.
먼저, 5축 가공기로는 테이블 틸팅 테이블 로테이션 메커니즘을 가지고 있으며 틸팅각 A의 스트로크가 -120 ~ +30o,로테이션 각 C의 스트로크는 +99999 ~ -99999o인 장비가 사용되었다. 그리고, 표면 상태를 확인하기 위한 현미경은 Kosaka사의 SEF3500F이고, 표면조도기는 Mitutoyo사의 MF이다. 가공물 소재로는 알루미늄 7075를 사용하였고, 절삭유를 분사하는 조건에서 실험을 수행하였다.
한편, 도 8을 참조하면, 실험 결과로써 가공물의 표면 상태를 살펴보면, 본 발명에 의한 공구의 연속 이동 제어방법을 이용하여 가공한 가공물의 표면 상태가 종래의 방법으로 가공한 가공물의 표면 상태보다 현저히 매끄럽게 개선되었다.
또한, 2가지 경우의 가공물 표면 상태에 대한 정량적인 비교를 위하여, 각 가공물의 표면 조도를 측정하였다. 도 9를 참조하여, 각 가공물의 표면 조도를 확인하면, 본 발명에 의한 공구의 연속 이동 제어방법을 이용하여 가공한 가공물의 표면 조도가 종래의 방법을 이용하여 가공한 가공물의 표면 조도보다 양호하게 나타났다. 또한, 압축블레이드에 가까운 d3영역에서의 표면조도를 상호 비교한 평균오차는 0.09(μm)으로 흡입블레이드에 가까운 d9 영역에서의 표면조도 오차인 0.02(μm)보다 훨씬 크게 나타암을 고려할 때, 곡면의 곡률변화가 심한 간섭곡면에 해당하는 압축블레이드에 가까울수록 표면 품질에 대한 개선 효과가 더 크게 나타남을 알 수 있다.
한편, 2가지 경우의 가공에 걸리는 시간을 비교한 결과, 종래의 방법을 이용하여 가공하는 경우에는 가공 시간이 약 44분이 걸리는 데 반하여, 본 발명에 의한 공구의 연속 이동 제어방법을 이용하여 가공하는 경우에는 가공 시간이 약 21분 소요되었다. 이를 토대로, 본 발명에 의한 공구의 연속 이동 제어방법을 이용하는 경우에는, 가공에 걸리는 작업 시간도 단축할 수 있음을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
11 : 고정대 12 : 절삭공구
20 : 가공물

Claims (4)

  1. 입력부가 가공 완성품의 외형에 관한 설계 정보를 입력받는 단계;;
    입력부를 통하여 입력된 설계 정보를 기초로 하여, 제 1 제어부가 공구의 이동 궤적에 관한 예비 데이터를 산정하는 단계; 및
    제 2 제어부가 공구의 이동 궤적에 관한 예비 데이터를 MB spline 기법을 이용하여 변환하는 방식으로 공구의 이동 궤적에 관한 적용 데이터를 산정하는 단계;를 포함하고,
    상기 MB spline 기법은, 상기 예비 데이터에 해당하는 공구의 이동 궤적 상에 놓이는 가상의 점들을 순차적으로 Pn-1, Pn, Pn+1라고 할 때, Mn은 Pn-1 및 Pn+1 사이의 중점이라고 가정할 때,
    적용 데이터에 해당하는 공구의 이동 궤적 상에 놓이는 점 Pn'는 Pn 및 Mn의 중점에 해당하는 지점에 위치되도록 사상하는 것을 특징으로 하는 공구의 연속 이동 제어방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가공 완성품은 임펠러인 것을 특징으로 하는 공구의 연속 이동 제어방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제 1 제어부는 제품 설계를 위한 장치에 포함되고, 제 2 제어부는 공구를 제어하기 위한 장치에 포함되는 것을 특징으로 하는 공구의 연속 이동 제어방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 공구가 상기 적용 데이터에 따라 가공을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공구의 연속 이동 제어방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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