KR20210129412A - 공작기계의 가공 조도 제어 장치 - Google Patents

공작기계의 가공 조도 제어 장치 Download PDF

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Abstract

피삭재를 가공하기 위한 공구가 설치되어 회전하는 주축; 상기 주축에 진동을 발생시키도록 회전하는 외부 전동 장치; 상기 주축의 회전에 의한 주파수와의 공진이 발생할 수 있는 회피 주파수를 결정하는 제어부; 및 상기 제어부에 의해 결정된 회피 주파수를 제외한 주파수로 회전하도록 상기 외부 전동 장치를 구동시키는 인버터를 포함하는 공작기계의 가공 조도 제어 장치가 개시된다.

Description

공작기계의 가공 조도 제어 장치{APPARATUS OF CONTROLLING WORKING ROUGHNESS OF MACHINE TOOL}
본 발명은 공작기계의 가공 조도 제어 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공작기계에서 발생하는 공진을 방지하여 가공물의 표면에 조도 불량이 발생하는 것을 방지할 수 있는 공작기계의 가공 조도 제어 장치에 관한 것이다.
공작기계는 기계 공작의 기초가 되는 절단, 절삭, 드릴링, 보링 등의 가공에 의해 금속 및 기타 소재들을 가공하여 필요한 형태로 만들어내는 것으로서, 크게 범용 공작기계와 전용 공작기계로 분류된다.
이러한 공작기계의 작동시에는 설계의 오차뿐만 아니라 외부 요인에 의해서 진동이 필연적으로 발생되는데, 이 진동은 가공과정에서 가공물 표면에 일정한 무늬를 발생시켜 가공 조도의 불량을 발생시킬 수 있다.
일반적으로, 공작기계의 가공 조도는 주축의 가공 회전수, 공구 날수, 절삭 이송 속도, 피삭재의 재료, 쿨런트(coolant) 등 여러 조건에 의해 좌우될 수 있다. 또한, 공작기계에는 베어링 등에 오일을 공급하기 위한 유압 펌프나 과열된 주축 등을 냉각 시키기 위한 쿨런트를 제공하기 위한 펌프, 냉각을 위한 공기를 송풍하기 위한 팬을 구동하는 모터 등과 같이 외부 전동 장치가 부가될 수 있다.
적절한 가공 조도를 제어를 위해, 주축 가공 회전수, 공구 날수, 절삭 이송 속도, 피삭재의 재료 및 쿨런트 등 여러 조건들을 적절하게 설정한다고 하더라도 외부 전동 장치의 진동에 의한 영향에 의해 피삭재의 조도가 원하는 대로 형성되지 않을 수 있다. 특히 공작기계의 주축 또는 그에 구비된 공구에 의한 가공 주파수와 외부 전동 장치의 구동 주파수가 일치하게 되면 공진이 발생하여 피삭재 표면에 일정한 가공 무늬가 생성되는 조도 불량이 발생하는 문제가 발생한다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
이에 본 발명은, 공작기계에 설치된 외부 전동 장치의 구동 주파수를 조정하여 공작기계의 가공 주파수와 외부 전동 장치의 구동 주파수가 일치함에 의해 발생하는 공진을 방지함으로써 가공물의 표면에 조도 불량이 발생하는 것을 방지할 수 있는 공작기계의 가공 조도 제어 장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
피삭재를 가공하기 위한 공구가 설치되어 회전하는 주축;
상기 주축에 진동을 발생시키도록 회전하는 외부 전동 장치;
상기 주축의 회전에 의한 주파수와의 공진이 발생할 수 있는 회피 주파수를 결정하는 제어부; 및
상기 제어부에 의해 결정된 회피 주파수를 제외한 주파수로 회전하도록 상기 외부 전동 장치를 구동시키는 인버터;
를 포함하는 공작기계의 가공 조도 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어부는, 식 'fA = S/60 - α'에 의해 상기 회피 주파수를 결정할 수 있다. 여기에서, fA는 상기 회피 주파수이고, S는 상기 주축의 회전수(RPM)이며, α는 사전 설정된 회피 주파수 연산 계수이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어부는, 식 'fB = (S/60)*N - β'에 의해 상기 회피 주파수를 결정할 수 있다. 여기에서, fB는 상기 회피 주파수이고 S는 상기 주축의 회전수(RPM)이며, N은 상기 공구의 팁의 개수이고, β는 사전 설정된 회피 주파수 연산 계수이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어부는, 식 'fC = X/60/I'에 의해 상기 회피 주파수를 결정할 수 있다. 여기에서, fC는 상기 회피 주파수이고, X는 상기 피삭재의 이송 속도(mm/min)이며, I는 상기 피삭재의 가공 이후 그 표면에 형성된 가공 무늬 간격(mm)이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어부는, 상기 주축의 회전에 의한 주파수와의 공진이 발생할 수 있는 기준 회피 주파수를 결정하고, 상기 기준 회피 주파수의 양의 정수배에 해당하는 값 또는 상기 기준 회피 주파수를 양의 정수로 나눈 값을 추가 회피 주파수로 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 외부 전동 장치는, 상기 주축을 냉각시키기 위한 쿨런트를 공급하는 펌프, 상기 공작기계 내에 마련된 유압에 의해 동작하는 장비에 오일을 공급하기 위한 유압 펌프 및 상기 공작기계 내에서 발생하는 열의 배출을 위해 냉풍을 공급하는 팬을 구동하기 위한 모터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 공작기계의 가공 조도 제어 장치에 따르면, 주축의 회전에 의한 가공 주파수와 외부 전동 장치의 구동에 의한 주파수 사이의 공진 현상 발생을 방지함으로써 피삭재에 형성되는 가공무늬 발생을 제거하여 가공된 피삭재의 표면 조도를 양호하게 확보할 수 있다.
특히, 상기 공작기계의 가공 조도 제어 장치에 따르면, 피삭재를 가공하는데 필요한 제어 요소들(예를 들어, 공구, 주축 회전수, 이송 속도 등)을 변경하지 않고 외부 전동 장치의 회전 주파수를 조정함으로써, 추가적인 제어 설정을 위한 연산 또는 비용 발생 없이 간단히 공진을 회피하여 우수한 가공 조도를 확보할 수 있다.
더하여, 상기 공작기계의 가공 조도 제어 장치에 따르면, 진동 방지를 위한 추가적인 하드웨어 변경이나 추가(외부 전동 장치 교환, 방진 패드 설치, 부품 탈거 등) 없이 간단히 회피 주파수로 외부 전동 장치가 동작하는 것을 차단하는 것만으로 용이하게 공진을 회피할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 공작기계의 가공 조도 제어 장치가 적용되는 공작기계의 개략도이다.
도 2는 공작기계의 주축 또는 공구에 의한 가공 주파수와 외부 전동 장치의 회전 주파수 사이의 공진에 의해 발생한 피삭재 표면의 가공 무늬 및 그 분석 데이터를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 공작기계의 가공 조도 제어 장치를 도시한 블록 구성도이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 다양한 실시 형태에 따른 공작기계의 가공 조도 제어 장치를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 공작기계의 가공 조도 제어 장치가 적용되는 공작기계의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 공작기계(10)는 피삭재(O)를 가공하기 위한 공구(T)가 설치된 주축(11)과 주축(110)에 진동을 발생시킬 수 있는 외부 전동 장치(12-13)을 포함할 수 있다.
주축(11)은 내부에 설치된 스핀들 모터의 회전에 의해 회전할 수 있으며 주축(11)에 설치된 공구(T)는 주축의 회전에 의해 회전하면서 피삭재(O)를 가공하게 된다. 공구(T)는 피삭재(O)의 표면에 직접 닿아 피삭재(O)를 가공하는 복수개의 팁(tip)을 포함할 수 있다.
주축(11)의 회전수를 S(단위: RPM)라 하고, 공구(T)가 갖는 팁의 수를 N이라고 할 때 주축(11)의 회전에 의한 주축 주파수(fm) 및 공구의 회전에 의한 공구 주파수(ft)는 다음 식 1 및 식 2와 같이 연산될 수 있다.
[식 1]
fm = S/60
[식 2]
ft = (S/60)*N
외부 전동 장치(12-14)는 공작기계의 원활한 작동을 위해 필요한 부가 기능을 제공하기 위해 마련되는 회전 전동 장치이다.
예를 들어, 외부 전동 장치로는, 회전에 의해 과열될 수 있는 주축 등을 냉각시키기 위한 쿨런트를 공급하는 펌프(12), 유압에 의해 동작하는 베어링이나 실린더에 오일을 공급하기 위한 유압 펌프(13), 공작기계 내 여러 부분에 발생하는 열의 원활한 배출을 위해 냉풍을 공급하는 팬을 구동하기 위한 모터(14) 등을 포함할 수 있다.
이러한 외부 전동 장치(12-14)의 회전 구동 시 발생하는 진동이 주축(11)에 전달될 수 있으며, 외부 전동 장치(12-14)의 회전 주파수와 주축(11)의 회전 주파수가 일치하거나 외부 전동 장치(12-14)의 회전 주파수와 공구의 주파수와 일치하는 경우 공진이 발생하여 피삭재(O)의 표면에 일정한 가공 무늬가 발생하게 된다. 즉, 피삭재(O)의 가공 조도에 불량이 발생하게 된다.
도 2는 공작기계의 주축 또는 공구에 의한 가공 주파수와 외부 전동 장치의 회전 주파수 사이의 공진에 의해 발생한 피삭재 표면의 가공 무늬 및 그 분석 데이터를 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 것과 같이, 공진이 발생하는 경우 공진 주파수에 대응되는 간격(도 2에서는 대략 0.3 mm)으로 피삭재(O)의 표면에 가공 무늬가 발생하게 된다. 피삭재(O)의 이송 속도(X)와 가공 무늬 사이의 간격(I)이 확인되면 다음의 식 3과 같이 공진 주파수(fo)가 결정될 수 있다.
[식 3]
fo = X/60/I
여기서 이송 속도의 단위는 'mm/min'이고 가공 무늬 사이의 간격의 단위는 'mm'이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 공작기계의 가공 조도 제어 장치는 도 2에 도시된 것과 같이 가공 주파수와의 공진에 의한 가공 무늬, 즉 조도 불량이 발생하지 않도록 외부 전동 장치를 조정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 공작기계의 가공 조도 제어 장치를 도시한 블록 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 공작기계 가공 조도 제어 장치는, 전술한 것과 같은 주축(11) 및 외부 전동 장치(12-14)를 구비하는 공작기계에 적용되는 것으로, 주축의 회전에 의한 주파수와의 공진이 발생할 수 있는 회피 주파수를 결정하는 제어부(100) 및 제어부(100)에 의해 결정된 회피 주파수를 제외한 주파수로 회전하도록 외부 전동 장치(12-14)를 구동시키는 인버터(220)를 포함할 수 있다.
제어부(100)는 일반적으로 공작기계 제어를 수행하는 수치 제어기(Numeric Controller)로서 가공 프로그램부(110)와 PLC(Programable Logic Control) 입출력 제어부(120)를 포함할 수 있다.
가공 프로그램부(110)는 피삭재(O)의 가공을 위한 제어 프로그램으로 가공 정보를 매크로 프로그램을 통해 PLC 입출력 제어부(120)로 제공할 수 있다. 가공 조도 제어와 관련하여, 가공 프로그램부(110)는 공진 회피를 위한 외부 전동 장치의 조정 여부를 PLC 입출력 제어부(120)로 제공하거나, 조도 제어를 위한 외부 전동 장치의 회피 주파수를 미리 매크로 프로그램을 통해 연산하여 PLC 입출력 제어부(120)로 제공할 수 있다.
PLC 입출력 제어부(120)는, 조도 제어를 위한 외부 전동 장치의 회피 주파수를 연산하거나, 가공 프로그램부(110)에서 미리 연산된 회피 주파수가 입력되는 경우 이를 외부의 인버터(220)로 출력할 수 있다.
디지털/아날로그(D/A) 컨버터(210)와 인버터(220)는 공작기계의 제어 패널(200) 내에 마련될 수 있다.
디지털/아날로그 컨버터(210)는 PLC 입출력 제어부(120)에서 디지털 값으로 출력되는 회피 주파수에 대한 정보를 아날로그 값으로 변환할 수 있다.
인버터(220)는 아날로그 값으로 변환된 회피 주파수에 대한 정보를 입력 받고, 이 회피 주파수를 제외한 회전 주파수로 외부 전동 장치(12-14)를 구동시킬 수 있다. 부연 설명하면, 인버터(220)는 사전에 결정된 상하한값 사이에서 회전 주파수를 갖도록 외부 전동 장치(12-14)의 구동을 제어하되, 입력 받은 회피 주파수로 회전하지 않도록 외부 전동 장치를 구동시킬 수 있다.
제어부(100)에 의해 이루어지는 회피 주파수 결정 기법을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
회피 주파수는 주축의 회전 주파수 또는 공구에 설치된 팁의 개수에 따른 공구의 회전 주파수를 기반으로 제어부(100)에서 연산될 수 있다. 전술한 바와 같이, 회피 주파수는 제어부(100) 내의 가공 프로그램부(110)에 의해 연산될 수도 있고 PLC 입출력 제어부(120)에 의해 연산될 수도 있다.
회피 주파수는 공작기계에서 공진이 발생하는 지의 여부와 상관 없이 회피 주파수를 연산하여 적용하는 방식과, 공진 발생에 의해 피삭재(O)에 가공 무늬가 발생한 경우 피삭재(O)의 가공 무늬 정보를 입력 받아 공진 주파수를 연산하고 해당 공진 주파수까지 회피 주파수로 추가하는 방식이 적용될 수 있다.
제어부(100)는, 다음의 식 4 및 식 5와 같이, 가공 무늬와 상관 없이 임의로 회피 주파수를 설정할 수 있다.
[식 4]
fA = S/60 - α
[식 5]
fB = (S/60)*N - β
여기서 α, β는 사전 설정된 회피 주파수 연산 계수로서 사전에 공진이 발생하는 주파수와 주축 또는 공구의 팁의 주파수 사이의 관계를 상호 비교하는 실험적인 방식에 의해 결정될 수 있다.
식 4는 공작기계의 주축의 회전 주파수(주축 주파수)에 회피 주파수 연산 계수(α)를 적용하여, 주축의 회전과 외부 전동 장치의 회전에 의해 공진이 발생하는 것을 방지하기 위한 회피 주파수이다.
또한, 식 5는 공작기계의 주축에 설치된 공구의 팁에 의한 회전 주파수(공구 주파수)에 회피 주파수 연산 계수(β)를 적용하여, 공구 팁의 회전과 외부 전동 장치의 회전에 의해 공진이 발생하는 것을 방지하기 위한 회피 주파수이다.
제어부(100)는, 다음의 식 4 및 식 5와 같이, 공진이 발생하여 피삭재(O)에 가공 무늬가 발생한 경우 도 3에 의해 연산된 것과 같은 공진 주파수 자체를 회피 주파수로 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 제어부(100)는, 식 3 내지 식 5를 통해 연산한 회피 주파수를 기준 회피 주파수로 하고 추가적으로 기준 회피 주파수의 정수배(양의 값)에 해당하는 주파수 또는 기준 회피 주파수를 정수(양의 값)로 나눈 값에 해당하는 주파수를 추가적인 회피 주파수로 결정할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 공작기계의 가공 조도 제어 장치는, 주축의 회전에 의한 가공 주파수와 외부 전동 장치의 구동에 의한 주파수 사이의 공진 현상 발생을 방지함으로써 피삭재에 형성되는 가공무늬 발생을 제거하여 가공된 피삭재의 표면 조도를 양호하게 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 공작기계의 가공 조도 제어 장치는, 피삭재를 가공하는데 필요한 제어 요소들(예를 들어, 공구, 주축 회전수, 이송 속도 등)을 변경하지 않고 외부 전동 장치의 회전 주파수를 조정함으로써, 추가적인 제어 설정을 위한 연산 또는 비용 발생 없이 간단히 공진을 회피하여 우수한 가공 조도를 확보할 수 있다.
더하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 공작기계의 가공 조도 제어 장치는, 진동 방지를 위한 추가적인 하드웨어 변경이나 추가(외부 전동 장치 교환, 방진 패드 설치, 부품 탈거 등) 없이 간단히 회피 주파수로 외부 전동 장치가 동작하는 것을 차단하는 것만으로 용이하게 공진을 회피할 수 있다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 공작기계 11: 주축
12-14: 외부 전동 장치 100: 제어기
110: 가공 프로그램부 120: PLC 입출력 제어부
200: 제어 패널 210: 디지털/아날로그 컨버터
220: 인버터 T: 공구
O: 피삭재

Claims (6)

  1. 피삭재를 가공하기 위한 공구가 설치되어 회전하는 주축;
    상기 주축에 진동을 발생시키도록 회전하는 외부 전동 장치;
    상기 주축의 회전에 의한 주파수와의 공진이 발생할 수 있는 회피 주파수를 결정하는 제어부; 및
    상기 제어부에 의해 결정된 회피 주파수를 제외한 주파수로 회전하도록 상기 외부 전동 장치를 구동시키는 인버터;
    를 포함하는 공작기계의 가공 조도 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는,
    식 'fA = S/60 - α'에 의해 상기 회피 주파수를 결정하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 가공 조도 제어 장치(fA: 상기 회피 주파수, S: 상기 주축의 회전수(RPM), α: 사전 설정된 회피 주파수 연산 계수).
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는,
    식 'fB = (S/60)*N - β'에 의해 상기 회피 주파수를 결정하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 가공 조도 제어 장치(fB: 상기 회피 주파수, S: 상기 주축의 회전수(RPM), N: 상기 공구의 팁의 개수, β: 사전 설정된 회피 주파수 연산 계수).
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는,
    식 'fC = X/60/I'에 의해 상기 회피 주파수를 결정하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 가공 조도 제어 장치(fC: 상기 회피 주파수, X: 상기 피삭재의 이송 속도(mm/min), I: 상기 피삭재의 가공 이후 그 표면에 형성된 가공 무늬 간격(mm)).
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 주축의 회전에 의한 주파수와의 공진이 발생할 수 있는 기준 회피 주파수를 결정하고, 상기 기준 회피 주파수의 양의 정수배에 해당하는 값 또는 상기 기준 회피 주파수를 양의 정수로 나눈 값을 추가 회피 주파수로 결정하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 가공 조도 제어 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 외부 전동 장치는,
    상기 주축을 냉각시키기 위한 쿨런트를 공급하는 펌프, 상기 공작기계 내에 마련된 유압에 의해 동작하는 장비에 오일을 공급하기 위한 유압 펌프 및 상기 공작기계 내에서 발생하는 열의 배출을 위해 냉풍을 공급하는 팬을 구동하기 위한 모터 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 가공 조도 제어 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20150120160A (ko) * 2014-04-17 2015-10-27 두산인프라코어 주식회사 공작기계에서의 비정상 진동 판단 방법 및 장치
JP2019188578A (ja) * 2018-04-27 2019-10-31 ファナック株式会社 モータ制御装置及び工作機械

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