KR20140144351A - 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법 및 제어장치 - Google Patents

회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법 및 제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법 및 제어장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법 및 제어장치는, 회전 절삭공구에 의해 공작물에 대하여 절삭가공을 수행하는 동안에, 절삭 진동 크기(MFt)에 대한 채터 진동 크기(MFc)의 비율로 채터 한계 인덕스(Th) 값을 연산하고, 상기 채터 한계 인덱스(Th)가 채터 한계 인덱스(Th)의 설정 값에 도달하면 이상 채터 진동의 징후로 판단하여, 수학식3, 4에 의해 추천 공구회전수를 연산하여, 실시간으로 상기 회전 절삭공구의 회전수를 상기 추천 공구 회전수를 조정하도록 하는 것이다.
[수학식 3]
Figure pat00017

[수학식 4]
Figure pat00018

Description

회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법 및 제어장치{Setting method of revolutions per minute on the real time of a spinning cutting tool, and the control device}
본 발명은 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법 및 제어장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전 절삭공구를 이용하여 공작물에 대해 절삭가공을 수행할 때에 진동을 저감할 수 있도록 하는 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법 및 제어장치에 관한 것이다.
일반적으로 공작기계는 공구의 이동경로와 공구의 회전수 등이 수치 제어되어 공작물에 대한 절삭가공을 수행한다. 공작기계의 예로서 머시닝센터, 터닝센터, NC 밀링 머신 등이 있다. 이러한 공작기계는 수치제어 복합 가공기라고도 한다.
공구는 스핀들에 장착된 상태에서 회전하여 정지된 공작물에 대하여 절삭 가공을 수행하도록 하는 회전 절삭공구가 있다. 회전 절삭공구의 예를 들면 엔드밀, 밀링공구, 드릴공구, 보링 공구 등이 있다. 이하에서 "회전 절삭공구"는 "공구"로 줄여서 칭한다.
공작기계는 단위시간당 절삭량(MRR: material removal rate)이 높을수록 생산성이 좋은 것으로 평가되고, 가공면의 표면 거칠기가 매끄러울수록 가공 품위가 좋은 것으로 평가된다.
단위시간당 절삭량은 반경 방향 절삭 깊이, 축방향 절삭 깊이, 주축 회전 수 및 이송속도 등의 절삭조건 요소에 따라 결정된다. 이러한 절삭조건 요소 중에 어느 하나라도 증가시키면 절삭량은 증가하게 된다.
한편, 공구는 공구 제조사에서 절삭조건이 매뉴얼 추천 조건으로 제시되는 경우가 있다. 그러나 이러한 매뉴얼 추천 조건은 최대허용 정적가공 부하를 기반으로 제공되는 것으로써, 절삭가공 중에 발생하는 채터 진동 특성이 반영되지 않은 값이다.
따라서 절삭가공 중 발생하는 채터 진동과 채터 진동을 통하여 증폭되는 동적 가공 부하에서 공구 또는 공작물 파손에 대처할 수 없는 문제점이 있다. 이 때문에 작업자는 매뉴얼 추천 조건보다 매우 안정적인 절삭 조건으로 설정하여 절삭가공을 수행하려는 경향이 있다.
또한, 가공 조건은 공구 타입, 공구형상, 공구 돌출길이, 공구 날 수, 공작물 경도, 공작기계 내에 가공점 위치(X, Y, Z 좌표위치) 등이 있고, 채터 진동은 이러한 가공 조건에 따라 지속적으로 변동되는 특성이 있다.
즉, 작업자는 가공품질을 확보하기 위하여 공구 제조사에서 제시되는 매뉴얼 추천 조건 중에서 매우 보수적인 절삭 조건을 적용하고, 이로써 생산성이 저하되는 문제가 있다.
따라서 생산성 향상과 가공 품위를 동시에 만족하기 위해서는 절삭 가공 공정이 진행되는 동안에 지속적으로 진동 특성 평가 및 분석을 통한 진동 억제 및 진동 회피가 요구된다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 절삭 가공 공정이 진행되는 동안에 지속적으로 진동 특성 평가 및 분석을 통한 진동 억제 및 진동 회피할 수 있도록 하는 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법 및 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법은, 회전 절삭공구에 의해 공작물에 대하여 절삭가공을 수행하는 동안에, 절삭 진동 크기(MFt)에 대한 채터 진동 크기(MFc)의 비율로 채터 한계 인덕스(Th) 값을 연산하고, 상기 채터 한계 인덱스(Th)가 채터 한계 인덱스(Th)의 설정 값에 도달하면 이상 채터 진동의 징후로 판단하여, 수학식3, 4에 의해 추천 공구회전수를 연산하여, 실시간으로 상기 회전 절삭공구의 회전수를 상기 추천 공구 회전수를 조정하도록 하는 것이다.
[수학식 3]
Figure pat00001
[수학식 4]
Figure pat00002
또한, 본 발명에 따른 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법은, 상기 채터 한계 인덱스(Th)의 설정 값은 2 내지 10인 것일 수 있다.
또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법은, 회전 절삭공구에 의해 공작물에 대하여 절삭가공을 수행하는 동안에, 특정한 시점(S1, S2, S3 참조)에서 순간 기울기(Gi)와 특정한 시점으로부터 과거의 시간구간(ma1, ma2, ma3 참조)의 이동 구간 평균 인덱스(Gma)의 비율로 채터 단기 인덱스(Tr)를 연산하고, 상기 채터 단기 인덱스(Tr)가 채터 한계 인덱스(Th)의 이상 채터 진동의 판단 기준에 도달하면 이상 채터 진동의 징후로 판단하여, 수학식3, 4에 의해 추천 공구회전수를 연산하여, 실시간으로 상기 회전 절삭공구의 회전수를 상기 추천 공구 회전수를 조정하도록 하는 것이다.
[수학식 3]
Figure pat00003
[수학식 4]
Figure pat00004
또한, 본 발명에 따른 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법은, 상기 채터 한계 인덱스(Th)의 이상 채터 진동의 판단 기준은 0.5 내지 2인 것일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법은, 회전 절삭공구에 의해 공작물에 대하여 절삭가공을 수행하는 동안에, 절삭 진동 크기(MFt)에 대한 채터 진동 크기(MFc)의 비율로 채터 한계 인덕스(Th) 값을 연산하고, 특정한 시점(S1, S2, S3 참조)에서 순간 기울기(Gi)와 특정한 시점으로부터 과거의 시간구간(ma1, ma2, ma3 참조)의 이동 구간 평균 인덱스(Gma)의 비율로 채터 단기 인덱스(Tr)를 연산하며, 상기 채터 한계 인덱스(Th)가 채터 한계 인덱스(Th)의 설정 값에 도달하고, 상기 채터 단기 인덱스(Tr)가 채터 한계 인덱스(Th)의 이상 채터 진동의 판단 기준에 도달하면 이상 채터 진동의 징후로 판단하여, 수학식3, 4에 의해 추천 공구회전수를 연산하여, 실시간으로 상기 회전 절삭공구의 회전수를 상기 추천 공구 회전수를 조정하도록 하는 것일 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00005
[수학식 4]
Figure pat00006
또한, 본 발명에 따른 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법은, 상기 채터 한계 인덱스(Th)의 설정 값은 2 내지 10이고, 상기 채터 한계 인덱스(Th)의 이상 채터 진동의 판단 기준은 0.5 내지 2인 것일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정 제어장치는, 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법에 의해 계산된 추천 공구 회전수에 의해 공구 회전수가 조정되도록 공작기계를 제어하는 것이다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법 및 제어장치는, 절삭가공을 수행하는 동안에 공구회전수의 조정으로 가공 안정성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법 및 제어장치는, 이미 설정된 공구 이동경로(Tool Path)를 변경하지 않으므로 절삭공정에 큰 변화를 가하지 않기 때문에 작업자의 작업량이 증가되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법 및 제어장치는, 가공 개별 시점과 점진적인(과도기적) 시점에서의 이중으로 채터 에너지 평가할 수 있고, 채터 에너지의 평가를 통하여 절삭가공 조건 변경이 필요한 채터 발생을 신속하고 정확하게 인지할 수 있다.
또한, 본 발명의 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법 및 제어장치는, 궁극적으로 절삭가공의 진동저감과 진동회피를 통하여 공구 수명과 공작물을 보호할 수 있고, 가공시간을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 절삭가공 중에 발생하는 진동이 정상적인 것인지 오류인지를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3은 절삭가공 중에 발생된 진동의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법을 설명하기 위한 예시도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법에 의해 회전수가 변경되는 예를 보인 가공 안정성 선도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법에 의해 변경된 회전수가 적용되어 절삭 가공 중에 발생된 진동을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법 및 제어장치를 작용을 설명하기 위한 예시도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 크기가 과장되게 도시될 수 있다.
한편, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
먼저, 절삭가공 중에 발생하는 진동의 특성을 도 1을 참조하여 설명한다.
첨부도면 도 1은 절삭가공 중에 발생하는 진동이 정상적인 것인지 오류인지를 설명하기 위한 도면이다.
공구는 날의 수가 복수로 제공된다. 한편, 공구의 절삭날이 공작물과 부딪히는 순간에 진동이 발생할 수 있다. 즉, 절삭가공 중에 필연적으로 진동이 발생할 것이지만, 절삭날이 회전할 것이므로 특이한 진동이 주기적으로 발생할 것이고, 특이한 진동이 발생할 대의 진폭은 비슷한 크기의 나타날 것이다.
도 1의 (a)(b)는 가공이 안정된 상태에서 발생하는 진동과 진폭을 설명하기 위한 도면으로서, 진폭이 좁으면서 비슷한 주기로 반복하여 피크가 형성됨을 알 수 있다. 또한, 시간을 좀 더 세분화하여 살펴보면 절삭 날이 공작물과 부딪히는 순간에 진동이 발생하는 것이므로 진동을 모니터링하는 과정에서는 피크가 간헐적으로 나타나는 것처럼 보일 수 있다.
그러나 절삭가공이 불안정해지면 진동의 특성이 변한다. 절삭가공이 불안정해지면 도 1의 (c)에 나타낸 바와 같이, 진폭이 좁게 나타나다가 진폭이 넓어지는 특성이 있다. 또한, 진동 발생의 주기를 살펴보면 불규칙적이고, 진동이 발생하였을 때에 진동의 크기가 매우 크게 형성됨을 알 수 있다.
즉, 절삭가공이 안정될 때와 불안정할 때에 진동이 극명하게 다른 양상을 보인다.
절삭가공이 불안정할 때의 진동의 특성을 첨부도면 도 2 및 도 3을 참조하여 좀 더 상세하게 설명한다. 첨부도면 도 2 및 도 3은 절삭가공 중에 발생된 진동의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
절삭가공이 진행될 때에 시간의 흐름에 따라 가공조건이 변할 수밖에 없고, 가공조건이 변함에 따라 진동이 발생할 가능성이 높아진다. 도 2 및 도 3은 안정된 상태에서 불안정한 상태로 변할 때를 보인 도면이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 비정상적인 진동이 발생하기 시작하면, 진폭 크기가 비정상적인 진동이 발생한 시점부터 급작스럽게 증가하는 양상을 보인다. 또한, 도 3에 나타낸 바와 같이, 진동 크기가 매우 크게 나타난다.
따라서 본 발명은 절삭가공이 진행 중일 때에 채터 진동을 회피할 수 있는 방법과 제어장치를 제공하려는 것이다.
실시간으로 채터 진동을 회피하여 절삭가공의 안정성 확보하기 위해서는 진동의 정보가 정상적인지, 비정상적인지의 진동특성을 평가 및 분석하고, 비정상적이라고 판단되면 최적의 공구 회전수(rpm)을 선정하는 것이 매우 중요하다.
본 발명에 따른 실시예는, 채터 진동이 발생하지 않거나, 회전수 변경이 불필요한 가벼운 채터 진동이거나, 일시적인 채터 진동인 경우를 기준으로 진동이 정상적이라고 판단한다.
또한, 본 발명에 따른 실시예는, 채터 진동 특성을 평가하고 분석하여 공구 회전수를 변경하여야할 상황인지를 판단한다.
한편, 상술한 바와 같이, 채터 진동으로 인하여 공구 회전수 변경이 요구되는 상황이라면, 현재의 상황에서 최적의 공구 회전수를 선정하여 제시하여야 한다. 공구 회전수는 주축 회전수와 같은 개념으로 이해될 수 있다. 이는 스핀들에 공구가 장착된 상태이므로 스핀들과 공구가 함께 회전하기 때문이다.
본 발명에 따른 실시예에서는 채터 진동을 좀 더 빠르게 인지하여 최적의 공구 회전수를 신속하게 선정할 수 있게 한다. 이는 첨부도면 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다.
첨부도면 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법을 설명하기 위한 예시도면이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법에 의해 회전수가 변경되는 예를 보인 가공 안정성 선도이다.
먼저, 채터 진동이 발생하면, 채터 진동의 신호가 발생하는데, 채터 진동 신호가 의미를 가지는지 여부를 먼저 평가하고, 회전수를 갱신할 시점을 파악할 필요가 있다.
채터 진동 신호가 발생할 때에 회전수 갱신이 필요한지는 수학식 1에 의해 구해진다.
Figure pat00007
채터 한계 인덕스(Th) 값 선정이 필요하며, 채터 한계 인덕스(Th) 값은 수학식 1에 의해 구해진다. 수학식 1은 채터 진동 신호의 정량적 평가를 위한 것이다.
절삭 진동 크기(MFt)은 절삭 가공을 수행하는 동안에 발생하는 정상적인 진동의 크기이므로 균일한 패턴으로 발생한다, 반면에 채터 진동 크기(MFc)는 이상 채터 진동이 발생할 때에 나타는 것이므로 절삭 진동과 확연하게 구분된다.
채터 한계 인덕스(Th) 값은 절삭 진동 크기(MFt)에 대한 채터 진동 크기(MFc)의 비율 (채터 인덱스)을 통해 정상적인 가공 에너지 크기에 대한 채터 에너지 크기를 평가하는 것이다. 절삭가공에 의해 발생하는 절삭 진동 크기(MFt)에 비교하여 채터 진동 크기(MFc)가 크면 채터 한계 인덱스(Th)값이 커지게 된다. 채터 한계 인덱스(Th)값이 커진다는 것은 이상 채터 진동이 발생한다는 의미이기 때문이다.
즉, 진동 특성을 모니터링하는 동안에 어느 특정한 개별 시점에서 채터 한계 인덱스(Th) 값이 채터 한계 인덱스(Th)의 설정 값 이상으로 커지면 회전수 재선정하게 된다. 채터 한계 인덱스(Th)의 설정 값을 크게 설정할수록 회전수 재선정하는 빈도수가 느려져 가공품위가 저하될 수 있고, 반대로 채터 한계 인덱스(Th)의 설정 값을 작게 설정할수록 회전수 재선정하는 빈도수가 빨라지지만 재설정을 하지 않더라도 가공품위가 저하되지 않을 수 있는 것이므로 적정한 채터 한계 인덱스(Th)의 설정 값이 요구된다. 이 때문에 본 발명에 따른 실시예에서는 채터 한계 인덱스(Th)의 설정 값은 2 내지 10으로 설정하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 실시예는 도 4에 나타낸 바와 같이, 실시간으로 채터 신호 크기를 어느 특정한 시점으로부터 과거의 시간구간 동안에 발생된 진동을 모니터링하고, 갑작스런 외란이 작용하거나 비정상적인 진동이 발생하여 진폭이 커지는 추세가 확인 되면, 회전수 갱신이 필요한 시점으로 결정한다. 이는 수학식 2에 의해 좀 더 정확하게 계산될 수 있다.
Figure pat00008
수학식 2에 따르면, 어느 특정한 시점(S1, S2, S3 참조)에서 순간 기울기(Gi)와 특정한 시점으로부터 과거의 시간구간(ma1, ma2, ma3 참조)의 이동 구간 평균 인덱스(Gma)의 비율로 채터 단기 인덱스(Tr)을 구하는 것이다.
상술한 시간구간(ma1, ma2, ma3 참조)은 채터 단기 인덱스(Tr)를 구하는 시점이 시간의 경과에 따라 바뀌므로 계속 변화되는 것이다. 시간구간(ma1, ma2, ma3 참조)은 80ms 내지 120ms로 설정될 수 있다. 좀 더 상세하게는 100ms로 설정될 수 있다. 시간 구간의 범위는 넓어질수록 참조되는 과거의 진동 평균 인덱스에 대한신뢰도가 높아지지만 그만큼 수집되는 데이터 량이 많아진다. 한편, 시간 구간의 범위는 좁을수록 참조되는 수집되는 데이터 량이 작아지지만, 간헐적으로 발생하는 이상 피크의 채터로 인하여 오류가 발생할 우려가 있다. 따라서 적정한 데이터 양을 확보하면서도 채터 단기 인덱스 값을 신속하게 연산하기 위해서는 80ms 내지 120ms로 설정되는 것이 바람직하다.
한편, 채터 단기 인덱스(Tr)이 0.5 내지 2이면 이상 채터 진동으로 판단하는 것이 바람직하다. 이에 부연 설명하면, 안정된 절삭가공을 수행하는 동안에는 이동구간 평균 인덱스(Gma)이 균일하게 유지될 것이지만, 급작스럽게 진동 에너지가 증가하는 경우는 순간 기울기(Gi)가 급격하게 증가될 것이고, 결국 채터 단기 인덱스(Tr) 값이 급격하게 커질 것이다. 따라서 기술기가 급작스럽게 변화되는지 여부에 따라 이상 채터 진동이 발생할 징후로 판단하는 것이다. 채터 단기 인덱스(Tr)이 0.5 이상이면 공구회전수의 조정이 필요가 있고, 2이상이 되면 채터 진동이 과도하게 진행된 것으로 판단될 수 있으므로 채터 단기 인덱스(Tr)이 0.5 내지 2의 범위 의 값을 이상 채터 진동의 판단 기준을 설정하는 것이다.
한편, 본 발명에 따른 실시예는 어느 한 순간의 순간 기울기와 인접한 순간 기울기를 비교하는 것이 아니라 과거의 시간 구간의 평균과 순간 기울기를 비교함으로써 노이즈에 의한 오류를 배제할 수 있고, 이로써 채터 진동이 발생한 시점에 대한 결과 값의 신뢰도가 높아지는 것이다.
다른 한편으로, 수학식 2에 의해 이상 채터 진동을 좀 더 신속하게 파악할 수 있다. 이는, 도 2에 나타낸 진동 특성의 예시처럼 진동 크기는 점점 커지고 커지는 증가율(기울기)이 급격하게 증가하는 것인데, 본 발명에 다른 실시예는 수학식 2에 의해 이상 채터 진동이 발생할 징후가 나타날 때에 이상 채터 진동을 신속하게 파악할 수 있고, 이로써 신속하게 이상 채터 진동에 대응하여 공구 회전수를 조정하도록 하는 것이다. 따라서 진동 크기가 커지지기 전에 채터 진동을 저감시킬 수 있으므로 가공품위를 양호하게 유지할 수 있게 된다.
또한, 절삭가공을 수행하는 동안에 절삭 조건 중에서 공구 회전수를 증가시킬 수 있는 것이므로 생산성이 향상된다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 공구 회전수를 증가시키도록 조정할 수 있다. 도 5는 공구회전수를 3300rpm에서 4273rpm으로 변경한 예를 보인 것이다.
상술한 바와 같이, 공구 회전수를 변경할 때에 변경될 공구회전수는 수학식 3, 4에 의해 제시될 수 있다.
Figure pat00009
수학식 3에서 Ωj는 추천되는 추천공구회전수이다. 추천공구회전수는 공구 고유 진동수에 주축 회전수 정수배의 주기를 맞추어 회전수를 선정하는 것이다. 공구 고유 진동수는 고유 특성으로서 항상 존재하는 값이다.
Figure pat00010
수학식 4에서 k는 고유 진동수이고 정수(integer) 값을 가진다. 고유 진동수가 가공 중에 지속적으로 변동하므로 고유진동수와 회전수 간에 정수 관계가 지속될 수 있도록 추천 회전수를 지속적으로 갱신하게 된다. 고유진동수는 공구마모, 공작물 위치별로 경도 비균일, 절삭가공에 의한 공작물 부피 감소 등의 요인으로 절삭 가공 중에 지속적으로 변동된다.
절삭 깊이가 1.5mm로 설정된 상태에서 절삭가공이 수행되면 절삭가공을 종료할 때까지는 절삭깊이를 변경하지 못하고, 공구가 교체되지 않을 것이며, 공작물의 재질은 변하지 않을 것이기 때문에 실질적으로 절삭조건에서 변할 수 있는 요소는 공구회전수 뿐이다. 도 5에 나타낸 예시처럼, 초기에 3300rpm의 공구회전수를 가지고 절삭가공을 수행하는 동안에 수학식 1, 2에 의해 이상 채터 진동 징후를 인지하고, 수학식 3, 4에 의해 추천 공구회전수를 제시하게 된다. 도 5의 예시에서는 추천 공구회전수가 4273rpm으로 제시되었다.
이하 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 작용효과를 설명한다.
첨부도면 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법에 의해 변경된 회전수가 적용되어 절삭 가공 중에 발생된 진동을 설명하기 위한 도면이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 절삭조건에서 공구회전수만을 추천 공구회전수로 조정함으로써 진동 크기가 대폭 감소함을 알 수 있다. 즉 도 3에 나타낸 비교에의 진동 크기와 비교하면 채터 진동 크기(MFc)가 확연하게 감소됨을 알 수 있다. 또한, 절삭 진동 크기(MFt)와 채터 진동 크기(MFc)가 비슷한 크기로 나타남을 알 수 있다.
즉, 절삭가공의 가공품질은 공구회전수를 조정한 후에 채터 진동에 의한 영향을 받지 않고 양호한 가공품위를 유지할 수 있게 되는 것이다.
상술한 바와 같이, 추천 공구회전수를 제시하는 방법은 공작기계에 적용된다. 이는 첨부도면 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한다. 첨부도면 도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법 및 제어장치를 작용을 설명하기 위한 예시도면이다.
공작기계(100)에는 주축에 진동을 감지하는 센서가 구비되고, 센서에 의해 진동 정보를 생성하여 진동처리부(200)로 송신한다. 진동처리부(200)에서는 단말기(300)에 정보를 송신하여 작업자가 진동처리 현황을 알 수 있게 한다.
단말기(300)는 컴퓨터의 입출력장치의 역할을 하는 것으로, 진동상황을 파악하고, 진동에 대처하여 공구회전수를 조정하도록 한다.
상술한 진동처리부(200)는 공작기계에 탑재될 수 있고, 다른 한편으로 원격 관제실에 배치될 수도 있다.
단말기(300)는 노트북 컴퓨터, 태블릿 PC, 스마트 폰 등 다양한 형태로 제공될 수 있으며, 원격 관제실에 배치된 컴퓨터에서 단말기(300)의 작용을 수행할 수도 있다.
단말기(300)에는 단말 표시 영상(400)이 표시된다. 단말 표시 영상(400)에는 각종 데이터 값을 입력하고 관리하도록 하는 데이터 입출력부(410)가 마련된다. 또한 단말 표시 영상(400)에는 진동의 크기와 진동 폭을 출력하는 진동 진폭 출력부(420, 430)가 마련된다.
본 발명의 실시예에 따른 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법은 진동처리부(200) 또는 단말기(300)에 탑재될 수 있다. 어떤 경우이든, 이상 채터 진동의 징후가 포착되면 추천 공구 회전수가 표시되고, 추천 공구 회전수는 공작기계(100)에 피드백(peed back)된다. 공작기계(100)에서는 추천 공구 회전수를 자동으로 적용하거나 작업자에게 추천 공구회전수를 적용하도록 유도할 수도 있다.
따라서 본 발명의 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법 및 제어장치는, 절삭가공을 수행하는 동안에 공구회전수의 조정으로 가공 안정성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법 및 제어장치는, 이미 설정된 공구 이동경로(Tool Path)를 변경하지 않으므로 절삭공정에 큰 변화를 가하지 않기 때문에 작업자의 작업량이 증가되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법 및 제어장치는, 가공 개별 시점과 점진적인(과도기적) 시점에서의 이중으로 채터 에너지 평가할 수 있고, 채터 에너지의 평가를 통하여 절삭가공 조건 변경이 필요한 채터 발생을 신속하고 정확하게 인지할 수 있다.
또한, 본 발명의 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법 및 제어장치는, 궁극적으로 절삭가공의 진동저감과 진동회피를 통하여 공구 수명과 공작물을 보호할 수 있고, 가공시간을 단축하여 생샌성을 향상시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에 따른 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법 및 제어장치는 절삭가공을 수행할 때에 초기의 축방향 절삭깊이를 선정하는 데에 이용할 수 있는 것이다.
100: 공작기계
200: 진동처리부
300: 단말기
400: 단말 표시영상
410: 데이터 입출력
420, 430: 진동 진폭 출력부

Claims (7)

  1. 회전 절삭공구에 의해 공작물에 대하여 절삭가공을 수행하는 동안에,
    절삭 진동 크기(MFt)에 대한 채터 진동 크기(MFc)의 비율로 채터 한계 인덕스(Th) 값을 연산하고,
    상기 채터 한계 인덱스(Th)가 채터 한계 인덱스(Th)의 설정 값에 도달하면 이상 채터 진동의 징후로 판단하여,
    수학식3, 4에 의해 추천 공구회전수를 연산하여, 실시간으로 상기 회전 절삭공구의 회전수를 상기 추천 공구 회전수를 조정하도록 하는 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법.
    [수학식 3]
    Figure pat00011

    [수학식 4]
    Figure pat00012
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 채터 한계 인덱스(Th)의 설정 값은 2 내지 10인 것을 특징으로 하는 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법.
  3. 회전 절삭공구에 의해 공작물에 대하여 절삭가공을 수행하는 동안에,
    특정한 시점(S1, S2, S3 참조)에서 순간 기울기(Gi)와 특정한 시점으로부터 과거의 시간구간(ma1, ma2, ma3 참조)의 이동 구간 평균 인덱스(Gma)의 비율로 채터 단기 인덱스(Tr)를 연산하고,
    상기 채터 단기 인덱스(Tr)가 채터 한계 인덱스(Th)의 이상 채터 진동의 판단 기준에 도달하면 이상 채터 진동의 징후로 판단하여,
    수학식3, 4에 의해 추천 공구회전수를 연산하여, 실시간으로 상기 회전 절삭공구의 회전수를 상기 추천 공구 회전수를 조정하도록 하는 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법.
    [수학식 3]
    Figure pat00013

    [수학식 4]
    Figure pat00014

  4. 제3항에 있어서,
    상기 채터 한계 인덱스(Th)의 이상 채터 진동의 판단 기준은 0.5 내지 2인 것을 특징으로 하는 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법.
  5. 회전 절삭공구에 의해 공작물에 대하여 절삭가공을 수행하는 동안에,
    절삭 진동 크기(MFt)에 대한 채터 진동 크기(MFc)의 비율로 채터 한계 인덕스(Th) 값을 연산하고,
    특정한 시점(S1, S2, S3 참조)에서 순간 기울기(Gi)와 특정한 시점으로부터 과거의 시간구간(ma1, ma2, ma3 참조)의 이동 구간 평균 인덱스(Gma)의 비율로 채터 단기 인덱스(Tr)를 연산하며,
    상기 채터 한계 인덱스(Th)가 채터 한계 인덱스(Th)의 설정 값에 도달하고, 상기 채터 단기 인덱스(Tr)가 채터 한계 인덱스(Th)의 이상 채터 진동의 판단 기준에 도달하면 이상 채터 진동의 징후로 판단하여,
    수학식3, 4에 의해 추천 공구회전수를 연산하여, 실시간으로 상기 회전 절삭공구의 회전수를 상기 추천 공구 회전수를 조정하도록 하는 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법.
    [수학식 3]
    Figure pat00015

    [수학식 4]
    Figure pat00016
  6. 제5항에 있어서,
    상기 채터 한계 인덱스(Th)의 설정 값은 2 내지 10이고,
    상기 채터 한계 인덱스(Th)의 이상 채터 진동의 판단 기준은 0.5 내지 2인 것을 특징으로 하는 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법.
  7. 제1항 내지 제6항에 기재된 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정방법에 의해 계산된 추천 공구 회전수에 의해 공구 회전수가 조정되도록 공작기계를 제어하는 회전 절삭공구의 실시간 회전수 설정 제어장치.
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