KR100563250B1 - 하이브리드 방식의 절삭력 평준화를 통한 공구마모모니터링 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가공 오류와 생산성 저하를 일으키는 공구마모의 효과적인 모니터링을 위한 시스템에 관한 것으로 그 목적은 CNC 가공을 통한 금형 가공이나 주물 가공에서의 공구 모니터링을 통한 무인화 및 자동화의 구현이며, 이를 통해 궁극적으로 안정한 가공을 바탕으로 높은 생산성의 고능률 가공을 이룰 수 있다.

본 발명은 절삭력 평준화를 위해 하이브리드(오프라인/실시간) 방식을 적용한다. NC Data의 가공 조건에 대한 절삭력을 예측하여 오프라인 이송속도 최적화를 통해 가공 조건에 대한 절삭력을 평준화하고 이로부터 가공 중 변화하는 절삭력에서 가공 조건에 의한 요인을 배제시켜 공구마모에 의한 절삭력 변화 신호만을 감지할 수 있다. 공구마모에 의해 증가하는 절삭력 역시 가공 안정화를 위해 DSP(Digital Signal Processor)로 구성된 실시간 이송속도 제어 모듈의 이송속도 오버라이드 조정으로써 평준화되며, 이때 결과적으로 감소하게 되는 이송속도 오버라이드의 평균값의 변화를 통해 공구마모를 모니터링 할 수 있다. 본 발명을 통해, 가공 조건 및 공구마모로 변화하는 절삭력을 각각 하이브리드 방식의 평준화로부터 가공 시 안정성과 생산성의 극대화를 이루는 공구마모 모니터링 시스템을 통하여 CNC 가공에서 요구되는 가공 무인화 및 자동화가 이루어 질 수 있다.

공작기계, 공구, 공구마모, NC, 모니터링, 절삭력, 이송속도, 오버라이드

Description

하이브리드 방식의 절삭력 평준화를 통한 공구마모 모니터링 시스템{Tool Wear Monitoring System with Hybrid Approach to Cutting Force Regulation}

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.

도 1은 본 발명의 하이브리드 방식 절삭력 평준화를 통한 공구마모 모니터링 시스템의 구성도.

도 2는 본 발명에 따라 오프라인으로 절삭력을 평준화하는 연산 흐름도.

도 3은 본 발명에 따라 실시간으로 절삭력을 평준화하는 연산 흐름도.

도 4는 본 발명의 실시간 절삭력 평준화의 과정을 도시한 그래프.

도 5는 본 발명의 하이브리드 방식에 따른 절삭력 평준화를 나타내는 그래프.

도 6은 본 발명에서의 순수 공구마모에 따른 절삭력의 증가를 나타내는 그래프.

도 7은 본 발명에서 공구마모 모니터링을 위한 이송속도 오버라이드 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101 : CNC 머시닝 센터 102 : 오프라인 이송속도 최적화 모듈

103 : 실시간 이송속도 제어 모듈 104 : 가공 상태 모니터링 모듈

201 : 초기조건 입력부분 202 : 가공 기준 절삭력 선정

203 : 가공 조건에 대한 절삭력 예측을 위한 캠 데이터 입력

204 : 가공 기준 절삭력과 가공 조건 절삭력의 비교부분

205 : 절삭력 비교를 통한 최적 이송속도 생성부분

301 : 스핀들 구동 감지 302 : 에어컷 감지

303 : 가공 추천 조건을 통한 가공 기준 절삭력 선정부분

304 : 실시간 이송속도 제어 모듈로의 절삭력 신호 전송

305 : 이송속도 오버라이드 변경부분

401 : 주축 전류 402 : 스핀들 구동 시 주축 피크

403 : 에어컷 404 : 공구와 공작물의 초기 접촉 전류

405 : 실시간 이송속도 오버라이드 선도.

501 : 절삭력 평준화 전 주축 전류 선도.

502 : 오프라인 이송속도 최적화를 통한 절삭력 평준화 후 주축 전류 선도.

503 : 하이브리드 절삭력 평준화 후 주축 전류 선도.

601 : 공구 마모에 의한 절삭력 증가 선도.

602 : 공구 마모에 의한 절삭력 이동 평균 값 선도.

603 : 공구 마모와 절삭력간의 선형 관계 선도.

701 : 이송속도 오버라이드 이동 평균 값 선도.

702 : 공구 마모와 이송속도 오버라이드간의 선형 관계 선도.

본 발명은 공작물을 가공하는 공작기계의 공구 마모를 모니터링하기 위한 시스템에 관한 것으로, 특히 공구마모에 의한 절삭력 신호만을 분리하여 실시간으로 제어되는 이송속도 오버라이드의 이동 평균값으로 공구마모의 점진적인 변화를 모니터링하는 하이브리드 방식의 절삭력 평준화를 통한 공구마모 모니터링 시스템에 관한 것이다.

가공 중 공구마모가 발생하면 절삭력이 증가하고, 동적 불안정성의 증가로 인해 표면 품위와 가공 안정성이 크게 저하된다. 본 발명은 가공 중 위와 같은 문제를 발생하는 공구마모의 모니터링에 관한 것으로, 고능률 CNC 가공의(시간당 소재제거율을 극대화시키는 가공으로 생산성과 함께 가공 안정성이 요구됨) 성능을 극대화하기 위한 가공 자동화 및 무인화를 위한 주요 과제이다.

공구마모 모니터링을 통한 가공의 자동화 및 무인화는 숙련된 작업자 없이도 가공 상태를 파악할 수 있게 하며 한 명의 작업자가 여러 대의 기계를 관리할 수 있으며 야간의 무인가공에 있어서도 생산성과 안정성을 부여할 수 있다.

그러나 기존의 공구마모 모니터링 시스템은 마모신호를 얻기 위해 고가의 센서, 혹은 점진적인 공구마모에는 적용할 수 없고 다만 극단적인 공구파손에 적용 가능한 센서를 사용하였다. 종래기술의 또 다른 문제점은 가공조건과 공구마모에 의한 신호 분리를 효과적으로 할 수 없어 공구마모에 의한 절삭력의 영향만을 파악하기 어려웠다. 상기 신호의 분리를 위해 정해진 경로의 전 구간에 대해 공구마모 혹은 파손이 없는 이상적인 조건으로 샘플링 가공하여, 전 구간에서 가공조건에 의한 신호를 저장 시켜 구간별로 그 값의 일정 상한값을 넘어선 신호에 대해 공구마모 혹은 공구파손으로 판단하였다.

그러나 이러한 기술은 새로운 가공 경로에 대해서는 반드시 샘플링 가공이 필요하므로 상당히 비생산적이며, 선삭에 비해 상대적으로 복잡한 형상을 가공하여 불규칙적으로 절삭력이 변동하는 밀링의 경우에는 공구마모 혹은 파손 기준치의 설정에 어려움이 있었다. 또 다른 접근으로는 터치센서를 통해 파손을 측정하는 것이 있었으나 이 또한 가공 중에 실시간 측정이 불가능하며 점진적으로 발생하는 공구마모의 모니터링에 적합하지 않았다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 다음과 같다.

첫째, 모든 가공 경로에 대한 비생산적인 샘플링 가공을 피하기 위해, 공구마모와 가공조건의 의한 절삭력 신호를 각각 분리하는 것이다. 이를 위해 가공조건에 대한 절삭력변화를 가공 전 오프라인 이송속도 최적화를 통해 평준화하여 가공 중에는 가공조건에 의한 절삭력의 변화가 없도록 한다.

둘째, 공구마모의 물리적인 값과 공구마모에 의한 절삭력과의 관계를 확인하는 것이다. 이를 위해 측정된 공구마모 신호 값과 실제 측정된 공구마모의 물리적인 값을 비교하며 관계를 확인한다.

셋째, 가공 안정성을 위해 최종적으로 공구마모에 의해 증가하는 절삭력을 실시간으로 평준화시키며 동시에 공구마모를 모니터링하는 것이다. 이를 위해, 가공 중 공구마모로 인한 절삭력을 이송속도 오버라이드를 통한 실시간 적응제어로써 평준화하며 이송속도 오버라이드의 변화 값으로부터 공구마모를 모니터링한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단은,

수치제어장치를 갖는 공작기계의 절삭력 평준화를 통한 공구의 마모를 모니터링하는 시스템에 있어서,

가공조건에 대한 절삭력이 일정하도록 이송속도를 전 가공구간에 대해 최적화시키고, 최적화된 캠 데이타(CAM DATA)를 상기 수치제어장치에 전송하여 평준화된 절삭력으로 이송을 유도하는 오프라인 이송속도 최적화 모듈과;

상기 수치제어장치로부터 절삭신호를 인가받아 공구마모에 의해 절삭력 변화를 상기 수치제어장치에 이송속도 오버라이드 지령을 통해 실시간으로 평준화시키는 실시간 이송속도 제어 모듈과;

상기 실시간 이송속도 제어 모듈에서 사용된 이송속도 오버라이드의 변화값으로부터 공구마모를 모니터링하는 가공 상태 모니터링 모듈을 포함한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따르면, 오프라인 이송속도 최적화 모듈은,

공구추천조건으로부터 가공 기준 절삭력을 구하는 단계와;

캠 데이터를 입력받아 미소절삭력 모델을 통해 절삭력을 예측하는 단계와;

예측된 절삭력과 가공 기준 절삭력을 비교하여 예측 절삭력이 작을 경우 이 송속도를 증가시키고, 그 반대로 예측 절삭력이 클 경우 이송속도를 감소시켜 이송속도를 최적화시키는 단계가 포함된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 실시간 이송속도 제어 모듈은,

주축 회전 감지후 에어컷 신호가 인지되면 가공 기준 절삭력을 선정하는 단계와;

가공 기준 절삭력과 가공 측정 절삭력을 비교하는 단계와;

가공 측정 절삭력이 가공 기준 절삭력을 증가할 경우 절삭력이 가공 기준 절삭력에 추종할 수 있도록 실시간으로 이송속도 오버라이드를 통한 이송속도 감소 지령을 하는 단계가 포함된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 가공 상태 모니터링 모듈은,

이송속도 오버라이드의 평균 이동값을 인덱스시켜 공구마모량과 선형적으로 디스플레이되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 하이브리드 방식의 절삭력 평준화를 통한 공구마모 모니터링 시스템의 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 CNC 머시닝 센터(101), 오프라인 이송속도 최적화 모듈(102), DSP(Digital Signal Processor)로 구현된 실시간 이송속도 제어모듈(103), 가공 상태 모니터링 모듈(104)과 같이 크게 4부분이 있다.

오프라인 이송속도 최적화 모듈을 통해 캠 데이터(CAM Data)의 가공조건으로부터 절삭력이 예측되며 가공 중 가공조건에 대한 절삭력이 일정하도록 이송속도가 구간별로 전 구간에 대해 최적화 된다. 최적화된 캠 데이터는 CNC 머시닝 센터의 제어부에 전송되어 절삭력이 평준화된 가공이 진행된다. 가공 중 발생하는 공구마모로 인한 절삭력의 변화는 가공 안정성을 위해 DSP로 구현된 실시간 이송속도 제어모듈을 통해 평준화된다.

여기서 이송속도 제어는 이송속도 오버라이드를 통해 이루어지며 이러한 이송속도 오버라이드의 변화는 가공 상태 모니터링 모듈을 통해 실시간으로 모니터링된다. 이송속도 오버라이드와 실제 공구마모와의 관계를 통해 이송속도 오버라이드를 통해 공구마모를 모니터링하게 된다.

도 2는 오프라인 이송속도 최적화 모듈의 주요 연산 흐름도이다. 공구와 피삭재가 선정되면 공구의 가공 추천 조건(201)으로부터 가공 기준 절삭력(202)을 구한다. 캠 데이터의 가공 조건(203)에 의한 절삭 영역에서의 절삭력을 예측하고 상기 가공 기준 절삭력으로 평준화(204)하기 위해 모든 가공 조건에서 최적 이송속도(205)를 생성한다.

도 3은 실시간으로 절삭력을 평준화하는 연산 흐름도이다. 가공 조건에 대한 절삭력은 도 2와 같이 평준화되었기 때문에 가공 중에 공구마모에 의한 절삭력 변화를 도 3과 같은 방법으로 실시간으로 평준화한다.

스핀들 구동 시 신호의 피크 값을 감지한 후(301) 에어컷을 인지하게 되고(302) 역시 가공 추천 조건으로부터 가공 기준 절삭력을 설정하고(303) 가공이 진행되면 측정되는 절삭력이 DSP로 구현된 실시간 이송속도 제어 모듈로 전송(304)된다. 가공 중 공구마모가 발생하게 되면 절삭력이 증가하므로 가공 중 절삭력이 가공 기준 절삭력에 추종할 수 있도록 실시간으로 이송속도 오버라이드를 통한 이송속도 감소 지령(305)을 한다.

도 4는 상기 설명된 실시간 이송속도 제어모듈에서의 절삭력 변화를 절삭력과 선형관계를 보이는 주축 전류(401)를 통해서 보이고 있다. 먼저 스핀들이 구동되면 다음과 같이 주축 전류 피크(402)가 발생하고 이 후, 주축 전류로부터 에어컷을 인지하고(403) 피삭재와 공구간의 초기 접촉으로 실제 가공을 인지한다(404). 선정된 가공 기준을 고려하여 절삭력과 선형관계의 주축 전류가 평준화 될 수 있도록 이송속도 오버라이드를 지령(405)하여 절삭력이 가공 기준에 추종 될 수 있도록 한다.

도 5는 하이브리드 방식을 통한 가공 조건과 공구마모에 의한 절삭력 평준화의 결과를 보이고 있다.

첫 번째 그래프(501)는 절삭력 평준화가 이루어지지 않은 초기 CAM Data를 통한 가공의 결과를 보이고 있다. 이 그래프에서는 가공 조건 및 공구마모에 의한 절삭력 변화를 함께 보이고 있다.

두 번째 그래프(502)에서는 오프라인 이송속도 최적화 모듈을 통해 가공 조건에 의한 절삭력의 평준화를 보이고 있다. 세 번째 그래프(503)에서는 상기의 모듈을 통한 가공 조건에 의한 절삭력 평준화 후 실시간 이송속도 제어 모듈을 통해 가공 중 발생하는 공구마모에 의한 절삭력의 평준화를 보이고 있다.

이러한 가공 중 공구마모와 절삭력의 관계는 도 6의 순수 공구마모에 의한 절삭력의 증가(601)의 그래프에 나타내었다. 오프라인 이송속도 최적화로 인해, 그래프에서의 가공 중 절삭력의 변화는 공구마모에 의한 것과 피삭재의 비균질성에 의한 것이 주요요인이다. 이 중 공구마모에 의한 절삭력은 점진적으로 증가하고 피삭재의 비균질성에 의한 절삭력은 노이즈와 같이 비규칙적으로 변화한다. 이 중 공구마모만에 의한 절삭력 변화의 관계를 민감하게 하기 위해 절삭력의 이동 평균값(602)을 그래프에 나타내었다. 증가된 절삭력의 이동 평균값들에 대한 실제 측정된 공구마모량과의 관계는 그림과 같다. 공구마모와 절삭력간의 선형관계(603)를 보이고 있다.

그러나 상기의 공구마모에 의한 절삭력의 변화는 가공 안정화를 위해 실시간 이송속도 제어 모듈의 이송속도 오버라이드를 통해 평준화되므로, 도 7의 공구마모 모니터링을 위한 이송속도 오버라이드 그래프를 통해서 공구마모를 모니터링하게 된다.

상기와 같이 공구마모에 의해 증가하는 절삭력을 평준화시키는 이송속도 오버라이드를 알아보기 위해 이송속도 오버라이드의 평균 이동값(701)을 그래프에 나타내었다. 증가된 절삭력의 평준화를 위해 감소된 이송속도 오버라이드의 평균 이동값들에 대한 실제 측정된 공구마모량과의 관계는 그림과 같다. 공구마모와 이송속도 오버라이드의 평균값간의 선형관계(702)를 볼 수 있다.

여기서, 가공 중 피삭재의 비균질성 같은 요인에는 둔감하고 점진적으로 변화하는 공구 마모만을 모니터링할 수 있도록 이송속도 오버라이드를 이동 평균값으 로 표현한다.

이같이 실시간 획득되는 절삭 신호 및 이에 대해 지령되는 이송속도 오버라이드의 일정량 샘플링을 통해 평균값을 구하고 지정 시간 후에 초기 샘플 값을 구하여 공구마모와 관계없는 노이즈 요인에 의한 영향을 줄이게 된다.

예를 들어, 1000개의 데이터의 평균을 구할 때 샘플주차수가 100Hz이라 하면, 초기 10초 동안 1000개의 데이터를 받아 평균을 내고 1초 후에 1초 동안 모아진 100개의 새로운 데이터를 넣기 위해 초기 1초 동안 받았던 100개의 데이터를 버리고 새로운 이동 평균을 구하는 것이다.

상기에 설명된 하이브리드 방식의 절삭력 평준화를 통한 공구마모 모니터링 시스템을 통하여 가공조건에 의한 절삭력 변화를 공구마모에 의한 절삭력 변화로부터 분리하였으며 가공 중 공구마모에 의한 절삭력 변화를 안정화시키기 위해 실시간으로 변경 지령되는 이송속도 오버라이드를 모니터링함으로써 공구마모를 모니터링할 수 있게 된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 하이브리드 방식의 절삭력 평준화를 통한 공구마모 모니터링 시스템에 따르면, 가공 시 점진적으로 발생하는 공구마모를 모니터 링할 수 있다. 이는 CNC 가공의 자동화 및 무인화에 근간이 된다.

또한 본 발명의 하이브리드 방식의 절삭력 평준화를 통한 공구마모 모니터링 시스템은 가공조건과 공구마모에 의한 절삭력 변화를 구분하는 과정에서 오프라인으로 가공조건에 대한 이송속도를 최적화하고 가공 중 변화하는 절삭력을 실시간 이송속도 제어를 통해 안정화시키며 공구마모를 모니터링을 하므로 생산성과 안정성이 향상된다.

이는 최근에 주목받고 있는 금형 분야의 고능률 가공의 요구조건을 충분히 만족시킬 수 있는 공구마모 모니터링 시스템이며, 가공 부하가 크게 변동하여 안정성이 충분히 요구되는 주물가공 분야 역시 만족시킬 수 있는 공구마모 모니터링 시스템이다.

따라서 CNC가공 분야에서의 성공적인 가공 자동화 및 무인화로 효율적인 야간 가공 역시 가능해지며 숙련자가 부족한 작업장에서도 생산적이고 객관적으로 안정된 가공을 진행할 수 있다.

Claims (4)

1. 수치제어장치(CNC)를 갖는 공작기계의 절삭력 평준화를 통한 공구의 마모를 모니터링하는 시스템에 있어서,

   가공조건에 대한 절삭력이 일정하도록 이송속도를 전 가공구간에 대해 최적화시키고, 최적화된 캠 데이타(CAM DATA)를 상기 수치제어장치에 전송하여 평준화된 절삭력으로 이송을 유도하는 오프라인 이송속도 최적화 모듈(102)과;

   상기 수치제어장치로부터 절삭신호를 인가받아 공구마모에 의해 절삭력 변화를 상기 수치제어장치에 이송속도 오버라이드를 통해 실시간으로 평준화시키는 실시간 이송속도 제어 모듈(103)과;

   상기 실시간 이송속도 제어 모듈(103)에서 사용된 이송속도 오버라이드의 변화값으로부터 공구마모를 모니터링하는 가공 상태 모니터링 모듈(104)을 포함한 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 절삭력 평준화를 통한 공구마모 모니터링 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 오프라인 이송속도 최적화 모듈(102)은,

   공구추천조건으로부터 가공 기준 절삭력을 구하는 단계와;

   캠 데이터를 입력받아 미소절삭력 모델을 통해 절삭력을 예측하는 단계와;

   예측된 절삭력과 가공 기준 절삭력을 비교하여 예측 절삭력이 작을 경우 이 송속도를 증가시키고, 그 반대로 예측 절삭력이 클 경우 이송속도를 감소시켜 이송속도를 최적화시키는 단계가 포함된 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 절삭력 평준화를 통한 공구마모 모니터링 시스템.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 실시간 이송속도 제어 모듈(103)은,

   주축 회전 감지후 에어컷 신호가 인지되면 가공 기준 절삭력을 선정하는 단계와;

   가공 기준 절삭력과 가공 측정 절삭력을 비교하는 단계와;

   가공 측정 절삭력이 가공 기준 절삭력을 증가할 경우 절삭력이 가공 기준 절삭력에 추종할 수 있도록 실시간으로 이송속도 오버라이드를 통한 이송속도 감소 지령을 하는 단계가 포함된 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 절삭력 평준화를 통한 공구마모 모니터링 시스템.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 가공 상태 모니터링 모듈(104)은,

   이송속도 오버라이드의 평균 이동값을 인덱스시켜 공구마모량과 선형적으로 디스플레이되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 절삭력 평준화를 통한 공구마모 모니터링 시스템.

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