KR20200053366A - 다축 스핀들 드릴링 장비에 있어서 개별 스핀들에 작용하는 가공부하를 측정하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 절삭 선속도를 제공하는 메인스핀들 모터를 구비하고, 또한 메인스핀들에 의해서 종속적으로 구동되는 개별 서브스핀들의 축방향 이송을 제공하는 이송모터를 구비한 다축 스핀들 드릴링 장비에 있어서, 개별 서브스핀들에 가해지는 가공부하를 측정하는 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 메인스핀들 모터의 전류량과 개별 서브스핀들 이송모터의 전류량을 각각 측정하고, 상기 각각의 전류량에 가중치를 적용하되, 각각의 모터에 상응하는 가중치를 적용하여 연산식을 도출하였고,
[연산식 1]
SS_n_load = SM_c X w₁ + SS_n_c X w₂
이 연삭식을 활용하여 개별 서브스핀들에 장착된 공구에 가해지는 가공부하를 개별적으로 측정한 후, 기준값과 비교함으로써 공구마모량을 상대적으로 진단할 수 있게 된다. 또한 상기에서 진단한 개별 서브스핀들의 공구마모량에 따라서 그 공구마모량이 허용범위를 벗어났을 경우에 공구교환 등의 작동을 할 수 있는 공구교환시점 결정방법을 제공하는 것이다.

Description

다축 스핀들 드릴링 장비에 있어서 개별 스핀들에 작용하는 가공부하를 측정하는 방법{A measuring method of cutting load on individual spindle in multi-axis spindle drilling machine}

본 발명은 다축 스핀들(multi-axis spindle)을 가진 드릴링 장비를 활용할 때 각 스핀들 축에 가해지는 가공부하를 측정하는 방법에 관한 것이다. 다축 스핀들 드릴링 장비는 다 수의 동일한 부품을 동시에 가공함으로써 생산성을 높이는 목적으로 사용하는 전용장비로 대량 생산에 자주 활용되고 있다.

여기서 다축 스핀들 드릴링 장비는 하나의 메인 스핀들 모터로 드릴링 장비의 주축을 회전시키고 풀리 또는 기어로 복수개의 서브 스핀들을 회전구동 시키되, 각 서브 스핀들에는 이송모터가 장착되어 축방향이 이동이 가능한 장비로 한정한다.

기존 다축 스핀들 드릴링 장비는 개별축 스핀들에 동일한 공구를 장착하고 메인 스핀들 모터로 구동하므로 동일한 절삭조건(RPM, Feedrate 등)으로 작업을 동시에 수행하였기 때문에 스핀들 축을 개별적으로 관리하기 어려웠다.

예시로 도 1을 참고하여 설명하면, 통상적으로 1번에서 n번까지의 서브 스핀들 축에 동일한 공구가 장착되어 있고 동일한 작업조건으로 동시에 가공을 진행한다. 그런데 만일 상기 스핀들 축 중에서 2번 스핀들 축에 장착된 공구의 마모가 커서 2번 스핀들 축에 가해지는 가공부하도 커지게 되는 경우에 불구하고, 메인 스핀들 모터에서 측정되는 총 부하만을 알 수 있었다. 장비의 구동 방식상 n개의 개별축 스핀들의 회전구동을 하나의 메인스핀들 모터로 구동하기 때문이다.

상기의 이유로 인해서, 메인스핀들 모터의 부하가 커진 이유가 일부 스핀들 축의 부하가 커진 것 때문인지 모든 스핀들 축의 부하가 커진 것 때문인지 알 수 없고, 따라서 어떤 스핀들 축의 절삭공구의 마모가 심한지를 파악할 수 없었다. 결국 일괄적으로 모든 스핀들 축에 장착된 가공공구를 교환하는 방식으로 가공불량을 방지하였다.

절삭가공 제조공정에서는 생산성 향상과 함께 지능적인 공구수명관리를 위하여 절삭공구의 교환시점 결정 등을 하기 위한 품질관리 기법들에 관심을 기울이고 있다.

자동차부품과 기계부품 등은 대량생산에 있어서, 상기 다축 스핀들 드릴링 장비는 다 수의 동일한 부품을 그 수에 상응하는 스핀들로 동시에 가공을 함으로써 가공시간을 크게 단축하는 장점을 가지고 있다. 반면에 각 축 스핀들에 가해지는 개별적 가공부하를 알지 못하기 때문에 공구수명관리를 개별적으로 하지 못하고 일괄적으로 진행하게 된다. 일례로, 4축 스핀들 중에서 1개 스핀들의 가공공구가 마모되어 가공부하가 커지는 경우에 기존 방식으로는 4축 스핀들에 장착된 공구를 일괄적으로 교환해야 하므로 가공비용이 상승하게 된다.

이에 제안기술은 다축 스핀들 드릴링 장비에서 개별축에 가해지는 가공부하를 개별적으로 측정하는 방법을 고안함으로써 다축 스핀들 드릴링 장비의 유연성을 높이고, 다축 스핀들 드릴링 장비에서의 가공품의 품질을 효율적으로 관리할 수 있도록 하였다.

0001. 등록특허 제10-0952619호(2010.04.06. 등록)

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 다축 스핀들의 드릴링장비에서 개별축 스핀들에 가해지는 가공부하를 각각 측정하는 방법을 제공하는 것이다.

또한, 이를 통해서 개별축 스핀들에 장착된 절삭공구의 마모를 진단하며, 개별축 스핀들의 절삭공구에 대한 교환 시점을 결정하는 정보로 활용하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해서, 개별축 스핀들에 가해지는 부하를 메인스핀들모터의 부하와 개별축 스핀들의 이송모터의 부하를 아래와 같은 연산식에 의하여 합산하여 구함으로써 개별축 스핀들의 부하를 개별적으로 측정하는 방법을 특징으로 한다.

[연산식 1]

SS_n_load = SM_c X w₁ + SS_n_c X w₂

이 측정방법은 가공부하의 물리량을 측정하는 방식이 아니고, 가공부하의 값에 비례관계에 있는 모터 전류량을 활용하여 측정하는 것으로서, 이는 다축 스핀들 CNC장비에 실용적이고 경제적으로 활용할 수 있는 센서가 전류센서이며 모터의 부하값이 모터에 공급되는 전류량에 비례관계에 있는 물리적 특성을 기반으로 한 것이다.

구체적으로 먼저, 메인스핀들 모터의 전류량과 개별축 스핀들 이송모터의 전류량을 합산하여 개별축 스핀들에 가해지는 개별축 스핀들의 총부하를 측정한다. 그리고 새로운 절삭공구를 장착했을 때 개별축 스핀들 모터에 공급되는 기준전류량(개별축 스핀들의 가공부하와 상관관계가 깊고, 개별축 스핀들의 가공부하를 알려주는 참고값 역할을 함)에 대하여 사용중인 마모된 절삭공구의 개별축 스핀들 모터에 공급되는 전류량을 비교함으로써 개별축 스핀들에 장착된 절삭공구의 마모 정도를 상대적으로 진단할 수 있다.

그리고 작업지시도면 또는 가공품질기준에 따라서 상대적으로 절삭공구의 마모 정도를 알려주는 전류량을 지시값으로 설정함으로써 절삭공구의 교환 시점을 결정하는데 활용할 수 있다. 즉 가공품질 허용한계치에 해당하는 전류량, 즉 가공품질 허용한계치의 가공부하가 측정된 개별축 스핀들에 대해서만 절삭공구를 교환하도록 한다.

상기와 같이 이루어진 본 발명은 다축 스핀들을 장착한 드릴링 장비에 있어서 각각의 서브 스핀들에 작용하는 가공부하를 개별적으로 측정하고 관리하므로 부품가공의 품질관리가 정확하게 되는 이점이 있다.

또한 기존에 하나의 개별축에 장착된 절삭공구만 마모되어 하나의 스핀들 축에서 가공부하가 상승해도 모든 스핀들 축의 가공부하가 커진 것으로 진단해서 모든 스핀들 축의 절삭공구를 교환함으로써 원가절감에서 약점을 가졌던 다축 스핀들의 드릴링 장비에 활용될 경우에 원가절감 등에 효과를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명이 적용가능한 다축 스핀들 드릴링 장비의 개념도
도 2는 본 발명이 적용가능한 다축 스핀들 드릴링 장비의 구조도
도 3은 본 발명에 따른 다축 스핀들 드릴링 장비에서 개별축 스핀들의 가공부하 검출 개념도
도 4는 본 발명에 따른 다축 스핀들 드릴링 장비에서 개별축 스핀들의 가공부하를 검출 및 공구마모량 진단 및 공구교환 지시에 관한 흐름도

이하, 상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하에서는 본 발명에 따른 다축 스핀들을 구비한 드릴링 장비는 스핀들 모터의 전류량을 측정하는 전류센서(유도전류방식 또는 바이패스 방식)와 오픈CNC 수치제어장치(Open CNC : Open Computational Numerical Control)가 설치된 CNC공작기계에 적용된 실시예를 통해서 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 고안이 적용될 수 있는 멀티 스핀들 드릴링 장비의 개념도와 구조도이다.

도 3은 본 발명에 따른 멀티 스핀들 드릴링 장비에서 개별 서브스핀들의 가공부하를 측정하는 시스템에 대한 개념도이다.

도 4는 본 발명에 따른 멀티 스핀들 드릴링 장비에서 개별 서브스핀들의 가공부하를 측정하는 방법을 단계별로 제시한 흐름도이다.

각 개별 서브스핀들에 작용하는 가공부하를 측정하는 방법은, 도 3에 기초하여 설명한다.

먼저 메인스핀들 모터의 전류량(SM_c)을 측정하고(S10),

각 n번째 서브스핀들 이송모터의 전류량(SS_n_c)을 측정하고(S20),

상기 메인스핀들 모터의 전류량과 서브스핀들 이송모터의 전류량에 대해서 가중치(w_1, w₂)를 부과한다(S30).

가중치는 메인스핀들 모터와 서브스핀들 이송모터의 용량을 고려하여 결정한다. 예로 메인스핀들 모터의 토크가 크고, 서브스핀들 이송모터의 토크가 작으면 메인스핀들 모터의 가중치는 낮고 서브스핀들 이송모터의 가중치는 높게 하는 방식으로 한다. 가중치는 실험값에 의한다.

상기 가중치를 활용하여 개별축 스핀들의 가공부하(SS_n_load)를 계산한다(S40).

상기에서 구한 개별축 스핀들의 가공부하값을 기준값과 비교한다.(S50)

여기에서 기준값은 서브스핀들에 장착된 공구가 새로운 인선(刃線)을 가진 공구일 때 상응하는 개별축 스핀들에 가해지는 가공부하값으로 설정한다.

상기 기준값을 기준으로 일정양 마모된 인선을 가진 공구로 가공 진행시 개별축 스핀들에 가해지는 가공부하값을 상대적으로 비교하여 가공진행시의 공구마모량을 진단한다(S60).

최종적으로 가공부하값에 의해서 공구마모량의 허용범위를 초과한 것으로 진단되면 공구교환을 지시한다(S70).

이와 같이 본 발명은 메인 스핀들 모터의 전류량을 활용하여 메인 스핀들에 가해지는 가공부하, 즉 복수개의 서브스핀들에 가해지는 절삭 선속도에 의한 가공부하 뿐만 아니라, 서브스핀들의 축방향 이송으로 인한 가공부하에 대해서도 고려하여 가공부하를 측정하도록 하는 것에 특징이 있는 것이다.

이러한 측정방법으로 말미암아, 개별 서브스핀들에 작용하는 가공부하는 메인스핀들 모터의 전류량으로 가공부하에 대한 측정값에 더하여 서브스핀들 이송모터의 전류량으로 측정한 가공부하를 합산하는 것이다.

[연산식 1]

SS_n_load = SM_c X w₁ + SS_n_c X w₂

여기서 SS_n_load는 가공진행시 발생하는 개별축 스핀들의 가공부하값이고, SM_c는 메인스핀들 모터의 전류량, SS_n_c는 각 서브스핀들 이송모터의 전류량을 말한다. 또한 w_1, w₂ 는 각각 메인스핀들 모터의 가중치와 서브스핀들 이송모터의 가중치를 말한다.

본 발명에 의해서 개별 서브스핀들에 작용하는 가공부하를 정확하게 측정함으로 인해서 개별 스핀들에 장착된 절삭공구에 작용하는 가공부하를 측정한 후, 더 나아가 마모상태를 상대적 방식으로 진단함으로써 마모된 공구에 대해서만 공구교환 등을 수행함으로써 가공비용의 절감효과를 얻을 수 있게 된다.

상기 개별축 스핀들의 공구교환 시점을 결정하기 위한 공구마모 진단 방식은 하기의 연산식 1을 활용한다. 이때 연산식은 식1과 같다.

10 : 메인스핀들 11 : 메인스핀들모터
20 : 서브스핀들 12 : 서브스핀들모터

SM: 절삭공구의 절삭선속도를 제공하는 스핀들모터
FM: 개별축 스핀들을 구동하는 이송모터
SM_c: 메인스핀들 모터의 전류량
SS_n_c: n번째 서브스핀들 이송모터의 전류량
SS_n_load: n번째 서브스핀들의 가공부하

Claims (2)

1. 복수의 서브스핀들을 구동하는 메인스핀들 모터에 의해서 절삭 선속도 제공하고, 각 서브스핀들에 구비된 이송모터에 의해서 개별 서브스핀들의 축방향 이송이 가능한 다축 스핀들 드릴링 장비에 있어서,
   하기 연산식에 의하여 개별축 스핀들에 가해지는 각각의 가공부하를 측정하는 방법.
   
   [연산식 1]
   SS_n_load = SM_c X w₁ + SS_n_c X w₂
   
   여기서 SS_n_load는 가공진행시 발생하는 개별축 스핀들의 가공부하값이고, SM_c는 메인스핀들 모터의 전류량, SS_n_c는 각 서브스핀들 이송모터의 전류량을 말한다. 또한 w_1, w₂ 는 각각 메인스핀들 모터의 가중치와 서브스핀들 이송모터의 가중치를 말한다.
   
2. 청구항 1의 방법에 의해서 계산된 개별 서브스핀들의 가공부하값을 기준 가공부하값과 비교하여 개별 서브스핀들에 장착된 절삭공구의 마모량을 상대적으로 비교하고 비교값이 한계치를 넘어서는 경우 절삭공구의 교환 시점을 결정하는 방법.

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