KR20160140196A - Nc 공작기계 냉각시스템의 에너지 절감을 위한 nc 데이터 작성 방법 - Google Patents

Nc 공작기계 냉각시스템의 에너지 절감을 위한 nc 데이터 작성 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20160140196A
KR20160140196A KR1020150076500A KR20150076500A KR20160140196A KR 20160140196 A KR20160140196 A KR 20160140196A KR 1020150076500 A KR1020150076500 A KR 1020150076500A KR 20150076500 A KR20150076500 A KR 20150076500A KR 20160140196 A KR20160140196 A KR 20160140196A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
main shaft
cutting
data
machine tool
cooling system
Prior art date
Application number
KR1020150076500A
Other languages
English (en)
Inventor
김태성
지성철
김태정
김태호
Original Assignee
주식회사 남선기공
단국대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 남선기공, 단국대학교 산학협력단 filed Critical 주식회사 남선기공
Priority to KR1020150076500A priority Critical patent/KR20160140196A/ko
Publication of KR20160140196A publication Critical patent/KR20160140196A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Auxiliary Devices For Machine Tools (AREA)

Abstract

본 발명은 NC 공작기계에 있어서 냉각시스템의 에너지 절감을 위한 NC 데이터를 작성하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 NC 공작기계의 절삭 중 에너지 절감을 도모하기 위해서 NC 데이터에 냉각시스템 중의 순환펌프를 작동 및 정지시키기 위한 작동 코드 및 정지 코드를 NC 데이터에 삽입하여 NC 데이터를 작성하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 방법에 의하면, NC 공작기계의 열적 특성을 파악하는 것에 의해서 순환펌프를 작동 및 정지시키는 M 코드를 NC 데이터에 삽입하는 것을 통해서 머시닝 센터 등의 NC 공작기계의 가공 중에 냉각시스템에서 소비되는 에너지를 절감할 수 있는 우수한 효과를 갖는다.

Description

NC 공작기계 냉각시스템의 에너지 절감을 위한 NC 데이터 작성 방법{A PREPARING METHOD FOR SAVING ENERGY IN COOLING SYSTEM OF NC MACHING CENTER}
본 발명은 NC(Numerical Control) 공작기계에 있어서 냉각시스템의 에너지 절감을 위한 NC 데이터를 작성하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 NC 공작기계의 절삭 중 에너지 절감을 도모하기 위해서 NC 데이터에 냉각시스템 중의 순환펌프를 작동 및 정지시키기 위한 작동 코드 및 정지 코드를 NC 데이터에 삽입하여 NC 데이터를 작성하는 방법에 관한 것이다.
최근 연간 에너지 소비중 25%가 생산제조에 소비되고 있으며, 이중에서도 공작기계가 에너지를 고소비하는 품목으로 알려져 있다. 유럽의 경우는 공작기계가 에너지 고소비 품목 중 상위 3위에 랭크되으며, 이는 한국의 경우도 정도의 차이가 있으나 비슷한 실정이다.
따라서, 탄소배출량 감축의무와 아울러, 국제 에어지 절약인증(ISO 50001) 도입에 따라 공작기계 에너지 효율등급 표준화를 제정하고자 하는 세계적 추세에 부응하여 공작기계 분야에서 자발적 에너지 절감기술을 의무화할 필요성이 대두되고 있다.
일반적으로 종래의 NC 공작기계에 있어서는 냉각수를 순환시키는 순환펌프와, 냉각수의 온도를 낮추는 열교환기, 및 냉매를 압축시키는 압축기로 냉각시스템이 구성되어 있다. 이와 같은 구성의 종래의 냉각시스템의 작동방식은 순환펌프가 냉각수를 지속적으로 순환시키고, 냉각수의 온도를 측정하여 설정온도에 따라 압축기가 작동 및 정지하도록 구성되어 있다.
그런데 냉각수 온도에 따라 압축기가 작동 및 정지하도록 구성되어 있지만, 순환펌프의 작동 제어시스템이 존재하지 않아 공작기계를 구동시키기 위하여 전원을 투입하면 전원이 차단되기 전까지 지속적으로 순환펌프가 작동되어 불필요한 에너지가 소비되는 문제가 있었다.
이러한 순환펌프의 지속적인 작동에 의한 에너지의 낭비는 결과적으로 상술한 바와 같은 탄소배출량 감소 및 에너지 절감기술의 의무화라고 하는 세계적인 추세에 역행하는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 지속적으로 작동하는 냉각시스템의 순환펌프의 작동방식을 ON/OFF 방식을 이용하여 가공시 냉각시스템에서 소비되는 에너지를 절감할 수 있는 NC 공작기계를 제공하고자 하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 이송 및 절삭에 관한 코드로 구성되어 있는 NC 데이터로부터 공구의 이송경로를 계산하여 저장하고 공작물 및 공구의 크기를 복셀화하는 단계와, 계산되어 저장된 공구의 이송경로를 일정 시간 간격으로 분할해서 매 시간의 공작물과 공구의 공통된 복셀을 추출하는 단계와, 추출한 복셀의 부피를 계산하여 일정 시간 간격으로 나누어 비절삭체적 MRR을 계산하는 단계와, 상기 계산된 비절삭체적 MRR에 기초하여 절삭동력을 계산하고 모터 저항의 소비동력을 계산하는 단계와, 공작기계의 주축부에 공급되는 열유동률에 따라 주축의 온도거동을 예측하는 단계와, 상기 일정 시간 간격으로 분할된 전체의 이송경로에 대하여 상기 단계들을 반복 수행하여 순환펌프의 M 코드를 생성하는 단계와, 상기 M 코드를 NC 데이터에 삽입하여 새로운 NC 데이터를 생성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, NC 공작기계의 열적 특성을 파악하는 것에 의해서 순환펌프를 작동 및 정지시키는 M 코드를 NC 데이터에 삽입하는 것을 통해서 머시닝 센터 등의 NC 공작기계의 가공 중에 냉각시스템에서 소비되는 에너지를 절감할 수 있는 우수한 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 순환펌프 작동 및 정지코드를 생성하기 위한 절차를 나타내는 흐름도.
도 2는 공작물의 복셀화(Voxelize)를 나타내는 개념도.
도 3은 주축의 온도 거동에 따른 종래의 NC 공작기계의 냉각시스템의 소비 에너지와 본 발명을 적용한 NC 공작기계의 냉각시스템의 소비 에너지를 비교한 그래프.
도 4는 NC 공작기계의 NC 데이터에 순환펌프를 작동 및 정지시키는 작동 코드 및 정지 코드가 삽입되는 예를 나타내는 NC 데이터의 구조.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 NC 공작기계 냉각시스템의 에너지 절감을 위한 NC 데이터 작성 방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 순환펌프 작동 및 정지코드를 생성하기 위한 절차를 나타내는 흐름도이고, 도 2는 공작물의 복셀화(Voxelize)를 나타내는 개념도이고, 도 3은 주축의 온도 거동에 따른 종래의 NC 공작기계의 냉각시스템의 소비 에너지와 본 발명을 적용한 NC 공작기계의 냉각시스템의 소비 에너지를 비교한 그래프이며, 도 4는 NC 공작기계의 NC 데이터에 순환펌프를 작동 및 정지시키는 작동 코드 및 정지 코드가 삽입되는 예를 나타내는 NC 데이터 구조의 일예이다.
NC 데이터는 NC 공작기계에 있어서 공작기계를 작동시키기 위하여 공작기계에 입력하는 데이터로서 NC 코드라고도 불리우며, 이송 및 절삭에 관한 코드인 G 코드와 순환펌프 등과 같은 부수장비를 작동시키는 M 코드로 이루어진다.
본 발명은 NC 공작기계의 부수장비 중 순환펌프를 작동시키는 M 코드를 NC 데이터내에 삽입하여 순환펌프를 작동 및 정지시키고자 하는 것으로, 이하 순환펌프를 작동시키는 M 코드를 생성하는 방법에 관하여 설명한다.
첨부도면의 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 먼저 이송 및 절삭에 관한 코드로 구성되어 있는 NC 데이터로부터 공구의 이송경로를 계산하여 저장하고 공작물의 크기 및 공구의 크기를 복셀화(Voxelize)한다.
계산되어 저장된 공구의 이송경로를 일정 시간 간격(time step)으로 분할해서 매 시간의 공작물과 공구의 공통된 복셀을 추출한다. 이어서, 추출한 복셀의 부피를 계산하여 일정 시간 간격으로 나누면 소재제거율인 단위시간당 절삭체적, 즉 비절삭체적 MRR(material removal rate)을 계산할 수 있다.
그후 절삭동력을 계산하고 주축 모터 저항에서 소비되는 동력을 계산한다. 절삭동력
Figure pat00001
은 다음과 같은 식(1)으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
여기서
Figure pat00003
는 비절삭 에너지, MRR은 상기한 바와 같이 비절삭체적을 나타낸다. 상기
Figure pat00004
는 소재의 고유 물성치로 MRR과 곱해져 절삭동력을 계산한다.
위에서 계산한 절삭동력
Figure pat00005
을 이용하여 하기의 식(2)를 통해 주축 모터 저항에서 소비되는 전력
Figure pat00006
을 하기와 같이 계산할 수 있다.
Figure pat00007
여기서
Figure pat00008
는 절삭동력
Figure pat00009
에 대한 모터 저항에서 소비되는 전력
Figure pat00010
의 비율을 나타내며, 이를 발열계수라 하는데 절삭동력과 모터의 열유동률 사이의 계수이다.
공작기계의 주축부에 공급되는 열유동률에 따른 열전달 모델을 하기의 식(3) 및 식(4)와 같이 나타낼수 있다.
Figure pat00011
Figure pat00012
여기서
Figure pat00013
는 주축의 열발생률,
Figure pat00014
는 주축과 냉각수 사이의 열유동률,
Figure pat00015
는 각각 주축 및 냉각수의 비열,
Figure pat00016
는 각각 주축 및 냉각수의 대류열전달 상수를 의미한다. 주축의 발생열량
Figure pat00017
으로 나타낼 수 있고 여기서
Figure pat00018
는 주축의 베어링등 접촉면의 마찰 및 윤활에 의해 손실되는 동력이다.
Figure pat00019
은 식(2)를 통해,
Figure pat00020
는 주축의 무부하 운전을 통해 알 수 있다. 주축을 무부하 상태로 운전하여 식(3)과 식(4)의 열전달 상수
Figure pat00021
,
Figure pat00022
을 추출할 수 있다.
가공중 주축의 온도를 예측하기 위해서 주축의 발열계수
Figure pat00023
를 구해야 하는데, 실제 절삭가공중 주축의 온도를 측정하고 식(2)에 적용시켜 식(3)과 식(4)에 대입한다. 실제 측정값과 식(3)과 식(4)의 온도 거동의 오차가 최소가 되는
Figure pat00024
를 추출하여 주축의 온도거동의 예측에 적용시킨다.
이상과 같이 일정 시간 간격으로 분할된 이송경로 마다의 주축의 온도거동을 예측하고, 상술한 바와 같이 추출한 열전달 상수, 발열계수
Figure pat00025
를 기초하여 NC 데이터를 분석하고, 입력된 NC 데이터를 통해 공구의 이송경로를 예측하여 이송속도를 고려해 일정한 시간 간격에 따른 좌표로 변환한다.
일정 시간 간격 동안 공구가 지나간 공작물의 복셀을 추출하여 부피를 계산하고 시간 간격으로 나누어 MRR을 계산한다. 계산된 MRR을 이용하여 절삭동력을 계산하고 발열계수를 곱하여 주축 모터 저항에서 소비되는 전력
Figure pat00026
을 계산하고 그에 따른 주축의 온도거동을 예측해서, 미리 입력된 냉각시스템의 냉각기가 작동온도에 도달하는 시점의 NC 코드 전에 순환펌프 작동 M 코드를 삽입하고, 냉각이 끝나 냉각기가 작동하는 시점의 NC 코드 이후에 순환펌프 정지 M 코드를 삽입한다.
이와 같은 방법에 의해 일정 시간 간격으로 분할된 이송경로 마다의 순환펌프의 작동 및 정지 M 코드를 NC 데이터, 즉 NC 코드에 삽입하여 NC 공작기계에 있어서 과다하게 되는 에너지를 절감시킬 수 있는 NC 데이터을 작성할 수 있다.
도 3은 냉각시스템의 작동 방식의 예를 나타내고 있다. 기존 방식은 온도가 상승하고 있는 도중에는 지속적으로 순환펌프가 작동하고 있으나, 본 발명의 NC 데이터 작성 방법에 의하면 주축의 온도를 미리 예측하여 냉각기가 작동해야 하는 시점에만 순환펌프를 작동하여 공작기계의 공작물 가공 중의 에너지를 절감할 수 있다.
도 4는 NC 데이터, 즉 NC 코드에 순환펌프를 작동 또는 정지시키는 M 코드가 삽입되는 예를 나타내고 있다.
도 3의 마지막 그래프에서 순환펌프가 작동하고 정지하는 시점을 각각 순서대로 t1, t2, t3, t4라 한다면, 그 시간에 해당하는 NC 코드를 찾아 도 4와 같이 순환펌프의 작동 및 정지 M코드를 삽입한다. M 코드가 삽입된 새로운 NC 데이터를 생성하여 절삭가공을 진행한다면 가공 중 냉각시스템의 소비에너지 절감을 기대할 수 있다.

Claims (3)

  1. 이송 및 절삭에 관한 코드로 구성되어 있는 NC 데이터로부터 공구의 이송경로를 계산하여 저장하고 공작물 및 공구의 크기를 복셀화하는 단계와,
    계산되어 저장된 공구의 이송경로를 일정 시간 간격으로 분할해서 매 시간의 공작물과 공구의 공통된 복셀을 추출하는 단계와,
    추출한 복셀의 부피를 계산하여 일정 시간 간격으로 나누어 비절삭체적 MRR을 계산하는 단계와,
    상기 계산된 비절삭체적 MRR에 기초하여 절삭동력을 계산하고 모터 저항의 소비동력을 계산하는 단계와,
    공작기계의 주축부에 공급되는 열유동률에 따라 주축의 온도거동을 예측하는 단계와,
    상기 일정 시간 간격으로 분할된 전체의 이송경로에 대하여 상기 단계들을 반복 수행하여 순환펌프의 M 코드를 생성하는 단계와,
    상기 M 코드를 NC 데이터에 삽입하여 새로운 NC 데이터를 생성하는 단계
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 NC 공작기계 냉각시스템의 에너지 절감을 위한 NC 데이터 작성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 절삭동력(
    Figure pat00027
    )은 하기의 식(1)에 의하여 계산하고,
    Figure pat00028

    (여기서
    Figure pat00029
    는 비절삭 에너지, MRR은 비절삭체적을 나타냄)
    상기 모터 저항의 소비동력(
    Figure pat00030
    )은 하기의 식(2)에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 NC 공작기계 냉각시스템의 에너지 절감을 위한 NC 데이터 작성 방법.
    Figure pat00031

    (여기서
    Figure pat00032
    는 절삭동력
    Figure pat00033
    에 대한 모터 저항에서 소비되는 전력
    Figure pat00034
    의 비율을 나타내는 발열계수를 나타냄)
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 주축의 온도거동을 예측하기 위한 공작기계의 주축부에 공급되는 열유동률에 따른 열전달 모델은 하기의 식(3) 및 식(4)와 같은 것을 특징으로 하는 NC 공작기계 냉각시스템의 에너지 절감을 위한 NC 데이터 작성 방법.
    Figure pat00035

    Figure pat00036

    (여기서
    Figure pat00037
    는 주축의 열발생률,
    Figure pat00038
    는 주축과 냉각수 사이의 열유동률,
    Figure pat00039
    는 각각 주축 및 냉각수의 비열,
    Figure pat00040
    는 각각 주축 및 냉각수의 대류열전달 상수를 의미하고, 주축의 발생열량
    Figure pat00041
    으로 나타낼 수 있고
    Figure pat00042
    는 주축의 베어링등 접촉면의 마찰 및 윤활에 의해 손실되는 동력을 의미함)
KR1020150076500A 2015-05-29 2015-05-29 Nc 공작기계 냉각시스템의 에너지 절감을 위한 nc 데이터 작성 방법 KR20160140196A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150076500A KR20160140196A (ko) 2015-05-29 2015-05-29 Nc 공작기계 냉각시스템의 에너지 절감을 위한 nc 데이터 작성 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150076500A KR20160140196A (ko) 2015-05-29 2015-05-29 Nc 공작기계 냉각시스템의 에너지 절감을 위한 nc 데이터 작성 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20160140196A true KR20160140196A (ko) 2016-12-07

Family

ID=57573877

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150076500A KR20160140196A (ko) 2015-05-29 2015-05-29 Nc 공작기계 냉각시스템의 에너지 절감을 위한 nc 데이터 작성 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20160140196A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112230601A (zh) * 2020-10-21 2021-01-15 山东科技大学 数控机床主轴停转节能临界时间确定及节能方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112230601A (zh) * 2020-10-21 2021-01-15 山东科技大学 数控机床主轴停转节能临界时间确定及节能方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Mativenga et al. Calculation of optimum cutting parameters based on minimum energy footprint
Yoon et al. Towards greener machine tools–A review on energy saving strategies and technologies
Denkena et al. Energy efficient machine tools
Aramcharoen et al. Critical factors in energy demand modelling for CNC milling and impact of toolpath strategy
Diaz et al. Machine tool design and operation strategies for green manufacturing
Li et al. Energy requirements evaluation of milling machines based on thermal equilibrium and empirical modelling
Diaz et al. Energy consumption characterization and reduction strategies for milling machine tool use
Avram et al. Evaluating the use phase energy requirements of a machine tool system
Li et al. A framework for characterising energy consumption of machining manufacturing systems
Guo et al. An operation-mode based simulation approach to enhance the energy conservation of machine tools
Ingarao et al. A methodology for evaluating the influence of batch size and part geometry on the environmental performance of machining and forming processes
Zhang et al. Method for process planning optimization with energy efficiency consideration
WO2016101624A1 (zh) 一种机械加工车间工件能耗定额制定方法
Verl et al. Modular modeling of energy consumption for monitoring and control
Guerra-Zubiaga et al. An energy consumption approach in a manufacturing process using design of experiments
Albertelli Energy saving opportunities in direct drive machine tool spindles
CN102566492A (zh) 一种用于预测金属难加工材料插铣最大铣削力的方法
Li et al. Exergy-based energy efficiency evaluation model for machine tools considering thermal stability
Nur et al. The effect of cutting parameters on power consumption during turning nickel based alloy
Rief et al. Evaluation and modeling of the energy demand during machining
KR20160140196A (ko) Nc 공작기계 냉각시스템의 에너지 절감을 위한 nc 데이터 작성 방법
Guo et al. A life cycle energy analysis integrated process planning approach to foster the sustainability of discrete part manufacturing
JP2007263546A (ja) 冷凍機設備の運転方法及び冷凍機を備えて成る設備
Holkup et al. Improving energy efficiency of machine tools
Taha et al. Optimization of product design to reduce environmental impact of machining

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application