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KR101123395B1 - 고속 주축의 절삭 부하값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법 - Google Patents

고속 주축의 절삭 부하값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법 Download PDF

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KR101123395B1
KR101123395B1 KR1020110082353A KR20110082353A KR101123395B1 KR 101123395 B1 KR101123395 B1 KR 101123395B1 KR 1020110082353 A KR1020110082353 A KR 1020110082353A KR 20110082353 A KR20110082353 A KR 20110082353A KR 101123395 B1 KR101123395 B1 KR 101123395B1
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KR
South Korea
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cutting
load
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rotational speed
value
Prior art date
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KR1020110082353A
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Inventor
최현진
Original Assignee
(재)대구기계부품연구원
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Abstract

본 발명의 목적은 절삭 가공 장치에서의 가공 상태를 절삭 공구용 주축에 걸리는 부하값을 모니터링하고, 이 부하값을 사용하여 절삭 가공 장치의 회전 속도 및 이송 속도를 제어함으로써 최소의 측정 및 계산에 의한 제어만으로 절삭 가공 상태 조건들을 개선시키는, 고속 주축의 절삭 부하값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법을 제공함에 있다.

Description

고속 주축의 절삭 부하값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법 {Monitoring and Controlling Method for Condition of Machining System with Load Value of Spindle}
본 발명은 고속 주축의 절삭 부하값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법에 관한 것이다.
과거에 비하여 현재 제조 환경에 있어서 자동화를 통한 인원 감축, 생산 시간 단축, 고품질화, 비용 절감 경향이 점점 강해지고 있다. 제조업에서 절삭 가공(machining)은 여전히 제품 생산에 있어 많은 시간과 비용을 차지하고 있으며, 앞서 설명한 바와 같은 경향과 더불어 절삭 가공을 수행하는 공작 기계에 있어서 고성능화 및 각종 계측 장비를 이용한 절삭 가공 상태의 감시에 대한 관심과 필요성이 증대되고 있다. 특히 제품의 주기가 짧아지고 다품종 소량 가공물이 증가하는 추세여서 가공 시간 단축이 생산성에서 차지하는 비중이 날로 늘어가고 있다. 따라서 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 센서 시스템의 신뢰성 및 적용성과 관련하여, 정교한 제조 시스템의 높은 가용성 수준과 더불어 높은 제조 요소 품질을 달성해야 하는 새로운 난관이 드러나고 있다. 이를 달성하기 위해서는 지능형 센서 기반 제조 시스템이 매우 중요한 것으로 광범위하게 인정되고 있다.
이러한 요구는 신호 처리 기술과 접목된 고급 센서 적용을 통해 가공 공정 상태에 관한 고급 정보 확보를 통하여 가공 공정 최적화 및 제어를 구현함으로써 실현되고 있다. 도 1은 종래 절삭 가공 장치에 적용되는 다양한 센서들을 도시하고 있는데, 이와 같이 다양한 정보를 수집하여 모니터링하고 이를 통한 제어를 수행함으로써 절삭 정밀도 향상, 배기가스ㆍ폐기물 최소화, 절삭 환경 개선 등의 효과를 얻고 있다. 최근에는 지능형, 자율대응, 전문가형과 같은 개념이 중요시되고 있는데, 이에 따라 절삭 조건에 관한 유연성이 내재된 자동화에 따른 절삭 상태 감시에 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다. 그런데, 도 1과 같은 종래의 모니터링 시스템은 대부분 공구 상태와 관련된 정보밖에는 얻을 수 없어, 절삭 가공에 있어서 최적인 조건을 찾아 제어할 수 있는 상태 감시를 이룰 수 없는 한계가 있다.
일반적으로 절삭 가공품의 가공 조도(표면 거칠기)에 영향을 미치는 절삭 조건의 중요성은 절삭 속도, 이송 속도, 절삭 깊이 순으로 커지며, 이러한 요소들은 절삭물의 가공 조도와 더불어 절삭 가공 치수 정밀도에도 영향을 미친다는 점이 잘 알려져 있다. 따라서 절삭 가공 상태를 적절히 모니터링하여 절삭 조건을 제어해 줌으로써, 고품질의 가공물을 얻는 것과 동시에 절삭 가공 장치의 마모, 파손 등을 방지하여 장치 내구성을 높일 수 있을 것임을 예상할 수 있다.
이와 같은 절삭 가공 장치의 상태 모니터링을 위하여 다양한 연구가 이루어지고 있다. 도 2는 종래의 절삭 가공 장치의 모니터링 기술들의 예시들을 보여주고 있다.
현재 실제 주축 부하를 바탕으로 NC(Numerically Controlled) 프로그램 상으로 이송 속도를 실시간 제어하고, 공구의 마모, 파손 등 절삭공구 상태를 지속적인 감시를 통해 한계값에 이르렀을 때 알람 발생 및 긴급 정지를 시키는 시스템이 국외에서 개발 진행되고 있다. 이러한 연구의 일환으로서 2010 동경국제공작 기계전시회에서 국외 S사에 의하여 상용 주축 유닛을 위해 3축 진동 센서(속도 센서), 파손 감지 센서(Crash Sensor), 온도 센서 등을 내장한 주축 파손 감지 시스템(Crash Detection System for Spindle)이 소개되었으며, 도 2(A)는 이러한 센서들이 장착되는 주축 시스템을 보여준다. 이와 같이 가공 시스템의 절삭력과 진동 가속도는 공구 동력계와 가속도계로 직접 측정이 가능하다. 그러나 거친 기계적 환경에서 견딜 수 있는 측정 장치의 가격이 워낙 비싸다는 문제점과, 공구 동력계 설치로 인한 강성의 감소로 떨림 현상과 치수 오차 발생에 따른 가공 품질의 저하 등으로 인해 공구 동력계를 이용하는 것이 항상 가능한 것은 아니라는 문제점이 남아 있다.
국내의 경우 아직까지는 앞서 설명한 바와 같은 공구 상태를 감시하는 방향의 연구가 가장 활발하게 이루어지고 있다. 도 2(B)는 한국특허공개 제2002-0016178호("뉴로퍼지를 이용한 절삭작업에서의 공구상태 모니터링 시스템", 2002.03.04)로서, 지능형 공작기계의 절삭 가공중 상태를 모니터링하고 이상진단을 파악하는데 있어서, 센서 데이터와 절삭 변수 지수를 이용하여 공구의 상태를 판별할 수 있도록 뉴럴 네트워크를 학습시킨 학습된 뉴럴 네트워크 단계, 상기 학습된 뉴럴 네트워크를 재학습시키는 퍼지 추론 시스템(FIS) 단계, 상기 퍼지 추론 시스템을 통해 지식으로 학습된 뉴럴 네트워크를 이용하여 공정의 모든 특성과 복잡함을 언어적으로 표현하기 위한 퍼지 규칙 또는 멤버쉽 함수를 조절할 수 있는 최적화 단계로 구성되는 모니터링 기술을 개시한다. 도 2(C)는 한국특허등록 제0936263호("마이크로 엔드밀 공구용 측정 장치", 2010.01.04)로서, 정면공구측정카메라, 측면공구측정카메라, 레이져변위센서 등을 이용하여 가공 전에 공구 상태를 정확하게 측정하여, 절삭 가공 이후에 가공 오차 및 가공 불량에 따른 비용 손실이 발생하는 것을 방지하도록 한다. 그러나 이러한 기술들은 상술한 바와 같이 공구 자체의 상태를 모니터링하는데 그치고 있어, 절삭 가공의 정밀도를 충분히 개선하지 못한다.
도 2(D)는 한국특허등록 제0934337호("ＣＮＣ 호빙 머신의 공구 파손 방지 방법", 2009.12.18)로서, 기어 절삭 가공을 수행하는 중에 CNC 호빙 머신에 트러블이 발생하거나 비상정지 명령이 입력되면, 후퇴축으로 설정된 X축을 설정된 이송 속도로 설정된 후퇴 이송량만큼 후퇴시킨 후, 동기회전축인 C축과 동기되어 있는 동기축 Z축, B축, Y축 및 이송축 A축이 모두 정지하면, CNC 호빙 머신의 구동을 정지시키도록 구성되어, 기어 절삭 가공 중에 발생된 트러블 또는 비상정지로 인한 절삭 공구의 파손을 방지할 수 있게 한다. 이러한 기술을 통해 트러블 또는 비상정지 발생 시의 자동 대처가 가능해지는 장점은 있으나, 역시 절삭 가공의 정밀도 개선에는 큰 효과를 기대하기 어렵다.
1. 한국특허공개 제2002-0016178호("뉴로퍼지를 이용한 절삭작업에서의 공구상태 모니터링 시스템", 2002.03.04) 2. 한국특허등록 제0936263호("마이크로 엔드밀 공구용 측정 장치", 2010.01.04) 3. 한국특허등록 제0934337호("ＣＮＣ 호빙 머신의 공구 파손 방지 방법", 2009.12.18)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 절삭 가공 장치에서의 가공 상태를 절삭 공구용 주축에 걸리는 부하값을 모니터링하고, 이 부하값을 사용하여 절삭 가공 장치의 회전 속도 및 이송 속도를 제어함으로써 최소의 측정 및 계산에 의한 제어만으로 절삭 가공 상태 조건들을 개선시키는, 고속 주축의 절삭 부하값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고속 주축의 절삭 부하값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법은, 절삭 가공 장치(100), 상기 절삭 가공 장치(100)의 절삭 가공 대상물 위치에 구비되어 상기 절삭 가공 장치(100)의 주축에 걸리는 절삭 부하를 측정하는 부하 센서(510), 상기 부하 센서(510)로부터 부하 신호를 전달받으며, 상기 절삭 공구 주축 구동 모터의 회전 속도 및 이송 속도를 포함하는 상기 절삭 가공 장치(100)의 상태를 제어하는 제어부(500)를 포함하여 이루어지는 시스템에 의하여 이루어지는 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법에 있어서, 상기 제어부(500)에 의하여 상기 부하 센서(510)에서 측정된 부하값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 모니터링 단계; 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우, 부하값이 기준치 이하가 될 때까지 상기 제어부(500)에 의하여 회전 속도 및 이송 속도가 순차적으로 저감되는 제어 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 모니터링 단계는, a1) 상기 절삭 가공 장치(100)에 절삭 가공을 위한 절삭 공구 주축 구동 모터의 회전 속도 및 이송 속도가 입력되어 세팅되는 단계(S01); a2) 상기 절삭 가공 장치(100)에 의하여 절삭 가공이 개시되는 단계(S02); a3) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 부하 센서(510)에서 측정된 부하값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 단계(S03); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 부하값의 상기 기준치는 상기 a1) 단계에서 세팅되는 회전 속도 및 이송 속도 값에 의하여 미리 결정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어 단계는, b1) 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(S03-No), 상기 제어부(500)에 의하여 회전 속도가 저감되고, 회전 속도 저감 후 상기 부하 센서(510)에서 측정된 부하값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 단계(SA); b2) 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(SA-No), 상기 제어부(500)에 의하여 이송 속도가 저감되고, 이송 속도 저감 후 상기 부하 센서(510)에서 측정된 부하값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 단계(SB); b3) 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(SB-No), 상기 제어부(500)에 의하여 가공이 중단되는 단계(SC); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 제어 단계는 b1) 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(S03-No), 미리 결정된 회전 속도 및 이송 속도와 부하 간 관계식에 따라 상기 제어부(500)에 의하여 회전 속도 및 이송 속도가 산출되는 단계(SA1); b2) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 b1) 단계에서 산출된 회전 속도가 미리 결정된 회전 속도 한계 범위 내의 값인지 판단되는 단계(SA2); b3) 회전 속도가 한계 범위 내일 경우(SA2-Yes), 상기 제어부(500)에 의하여 회전 속도가 미리 결정된 저감량만큼 저감되어 제어되는 단계(SA3); b4) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 부하 센서(510)에서 측정된 부하값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 단계(SA4); b5) 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(SA4-No), 상기 제어부(500)에 의하여 상기 b1) 단계부터 상기 단계들을 순차적으로 반복하는 단계; 를 포함하여 이루어져 회전 속도를 저감하고, b6) 상기 b2) 단계 이후, 회전 속도가 한계 범위 내가 아닐 경우(SA2-No), 상기 제어부에 의하여 상기 b1) 단계에서 산출된 이송 속도가 미리 결정된 이송 속도 한계 범위 내의 값인지 판단되는 단계(SB1); b7) 회전 속도가 한계 범위 내일 경우(SB1-Yes), 상기 제어부(500)에 의하여 이송 속도가 미리 결정된 저감량만큼 저감되어 제어되는 단계(SB2); b8) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 부하 센서(510)에서 측정된 부하값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 단계(SB3); b9) 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(SB3-No), 상기 제어부(500)에 의하여 상기 b1) 단계부터 상기 단계들을 순차적으로 반복하는 단계; 를 포함하여 이루어져 이송 속도를 저감하는 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 제어 단계는 c1) 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(S03-No), 미리 결정된 회전 속도 및 이송 속도와 부하 간 1차 관계식에 따라 상기 제어부(500)에 의하여 회전 속도 및 이송 속도가 산출되는 단계(SA11); c2) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 c1) 단계에서 산출된 회전 속도가 미리 결정된 회전 속도 한계 범위 내의 값인지 판단되는 단계(SA12); c3) 회전 속도가 한계 범위 내일 경우(SA12-Yes), 상기 제어부(500)에 의하여 회전 속도가 미리 결정된 저감량만큼 저감되어 제어되는 단계(SA13); c4) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 부하 센서(510)에서 측정된 부하값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 단계(SA14); 를 포함하여 이루어져 회전 속도를 1차 저감하고, c5) 상기 c4) 단계 이후, 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(SA14-No), 미리 결정된 회전 속도 및 이송 속도와 부하 간 다차 관계식에 따라 상기 제어부(500)에 의하여 회전 속도 및 이송 속도가 산출되는 단계(SA21); c6) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 c5) 단계에서 산출된 회전 속도가 미리 결정된 회전 속도 한계 범위 내의 값인지 판단되는 단계(SA22); c7) 회전 속도가 한계 범위 내일 경우(SA22-Yes), 상기 제어부(500)에 의하여 회전 속도가 미리 결정된 저감량만큼 저감되어 제어되는 단계(SA13); c8) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 부하 센서(510)에서 측정된 부하값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 단계(SA14); c9) 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(SA4-No), 상기 제어부(500)에 의하여 상기 c5) 단계부터 상기 단계들을 순차적으로 반복하는 단계; 를 포함하여 이루어져 회전 속도를 2차 저감하고, c10) 상기 c9) 단계 이후, 회전 속도가 한계 범위 내가 아닐 경우(SA2-No), 상기 제어부에 의하여 상기 c5) 단계에서 산출된 이송 속도가 미리 결정된 이송 속도 한계 범위 내의 값인지 판단되는 단계(SB1); c11) 회전 속도가 한계 범위 내일 경우(SB1-Yes), 상기 제어부(500)에 의하여 이송 속도가 미리 결정된 저감량만큼 저감되어 제어되는 단계(SB2); c12) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 부하 센서(510)에서 측정된 부하값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 단계(SB3); c13) 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(SB3-No), 상기 제어부(500)에 의하여 상기 c5) 단계부터 상기 단계들을 순차적으로 반복하는 단계; 를 포함하여 이루어져 이송 속도를 저감하는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 1차식 및 다차식은 최소자승법에 의하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
또한 이 때, 회전 속도 또는 이송 속도 각각의 상기 한계 범위는 상기 절삭 가공 장치(100) 사양, 절삭 가공 가능 여부, 요구되는 생산 품질, 요구되는 생산량, 요구되는 생산 시간을 포함하는 가공 조건 중 선택되는 적어도 하나 이상의 가공 조건에 따라 미리 결정되는 것을 특징으로 한다.
또한 이 때, 상기 제어부(500)는 상기 절삭 가공 장치(100)와는 독립적이며 상기 절삭 가공 장치(100) 자체의 제어 수단과 연결되어 신호를 송수신 가능하게 형성되는 연산처리수단 형태로 구성되거나, 또는 상기 절삭 가공 장치(100) 자체의 제어 수단에 부가 구비되는 하드웨어적 회로 형태로 구성되거나, 또는 상기 절삭 가공 장치(100) 자체의 제어 수단에 인스톨되어 동작하는 소프트웨어 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어 단계는 회전 속도 및 이송 속도의 저감으로 부하값이 기준치 이하로 떨어지지 않는 경우, d1) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 절삭 가공 장치(100)의 절삭 공구 주축 구동 모터의 회전이 중지되는 단계(SC1); d2) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 절삭 가공 장치(100)의 절삭 공구 주축 구동 모터의 이송이 중지되는 단계(SC2); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 제어 단계는 회전 속도 및 이송 속도의 저감으로 부하값이 기준치 이하로 떨어지지 않는 경우, d3) 상기 제어부(500)에 의하여 경보가 발생되는 단계(SC3); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 절삭 가공 장치에 있어서의 상태 모니터링을 통해, 주축의 상태를 가공 공정 중 실시간으로 모니터링하고, 치수 정밀도 및 가공 조도에 영향이 미칠 경우 사전에 분석하고 절삭 조건을 제어할 수 있도록 하여, 자기 진단 기능을 갖춘 절삭 가공 시스템을 실현할 수 있게 하는 큰 효과가 있다. 보다 구체적으로는, 본 발명에서는 특히 절삭 가공 대상물 위치에 부하 센서를 구비시켜 절삭 가공 수행 시 주축에 걸리는 부하를 측정함으로써, 절삭 가공 상태를 실시간 모니터링하고, 그 모니터링 결과에 따라 모터의 회전 속도(즉 절삭 속도), 이송 속도 등을 조절한다. 즉 본 발명에 의하면 가공 상태를 실시간으로 정확하게 모니터링할 수 있으며, 이에 따른 절삭 조건의 제어가 역시 실시간으로 가능하게 되는 큰 효과가 있는 것이다.
이와 같이 절삭 조건의 실시간 모니터링 및 제어가 가능하게 됨으로써, 본 발명에 의하면 절삭 가공 품질을 더욱 향상시킬 수 있는 효과 또한 있다. 더불어 이와 같은 자동화의 실현으로 생산성 향상, 비용 절감 등의 효과 또한 얻을 수 있음은 물론이다. 특히 본 발명은 모니터링을 위한 시스템을 구성하기 위한 부품들이 저가로 구성될 수 있으며 필요 부품 수도 많지 않은 바, 종래의 상태 모니터링 방법이나 장치 기술들에 비하여 훨씬 경제적으로 시스템을 구성할 수 있다는 장점이 있어, 경제적 효과가 더욱 뛰어나다.
도 1은 종래 절삭 가공 장치에 적용되는 다양한 센서들.
도 2는 종래 절삭 가공 장치의 모니터링 기술들.
도 3은 본 발명의 고속 주축의 절삭 부하값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법에 사용되는 시스템.
도 4는 Al, Brass, S45C 소재의 절삭 가공 시 고정 회전 속도 및 다양한 이송 속도에서의 시간에 대한 부하 측정 결과.
도 5a 내지 도 5c는 각각 Al, Brass, S45C 소재에서 다양한 회전 속도 및 이송 속도에 대한 부하 및 조도 측정 결과 및 이에 대한 1차(A) 또는 다차(B) 커브 피팅(curve fitting) 결과.
도 6a 내지 도 6c는 각각 Al, Brass, S45C 소재에서 도출된 회전 속도 - 이송 속도 - 부하 간의 관계 측정 결과(A) / 측정 결과로부터 도출된 1차 피팅 관계식에 따른 그래프(B) / 측정 결과로부터 도출된 다차 피팅 관계식에 따른 그래프(C).
도 7은 본 발명의 고속 주축의 절삭 부하값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법의 한 실시예.
도 8은 본 발명의 고속 주축의 절삭 부하값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법의 다른 실시예.
도 9는 본 발명의 고속 주축의 절삭 부하값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법의 다른 실시예.
도 10은 회전 속도 및 이송 속도 - 조도 / 회전 속도 및 이송 속도 - 부하 간 상관관계를 이용하여 회전 속도 및 이송 속도에 따른 부하값 기준치 결정 과정의 한 실시예.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 고속 주축의 절삭 부하값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
현재까지 절삭 가공 장치의 상태를 감시하기 위한 연구로는 절삭 공구의 상태를 직접적으로 관찰하는 직접적인 방법과 여러 센서의 신호 특성을 이용해 가공 장비의 상태를 예측하는 간접적인 방법, 이 두 방향으로 다양한 연구가 있어 왔다. 하지만 최근 자동화되고 무인화를 지향하는 시스템의 경우는 직접적인 방법의 적용은 많은 한계를 가지고 있어 간접적인 방법에 대하여 절삭 부하, 진동 등을 측정하는 방법 등이 연구되고 있다. 그러나 앞서 설명한 바와 같이, 대부분의 경우 감시 시스템이 현장에 적용되기 위한 조건인 저가, 고신뢰성, 내구성, 유연성 등이 결여되어 있어 현장 적용에 어려움을 겪고 있다.
본 발명에서는, 고가 또는 여러 개의 센서를 사용하지 않고 오직 부하 센서만을 사용하여, 절삭 가공 장치의 공구 주축에 걸리는 부하값만을 측정함으로써, 절삭 가공 장치의 상태를 모니터링하고 또한 이를 통해 절삭 조건을 제어할 수 있도록 하고 있다. 즉 주축에 걸리는 부하값의 성분을 측정하여 측정 데이터를 바탕으로 절삭 조건의 제어 알고리즘을 적용함으로써 절삭 가공 장치의 상태를 효과적으로 모니터링할 수 있다. 이러한 본 발명의 고속 주축의 절삭 부하값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법은, 상술한 바와 같이 고가의 센서나 여러 개의 센서를 필요로 하지 않으며, 단지 부하값만을 이용해서도 절삭 가공 장치의 상태 즉 모터 주축의 회전 속도, 이송 속도 등을 제어할 수 있어, 경제적이면서도 실용화가 용이하다.
본 발명의 고속 주축의 절삭 부하값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법을 적용하기 위한 시스템은 도 3에 도시된 바와 같다. 본 발명의 절삭 가공 장치의 모니터링 방법을 위한 시스템은, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 절삭 가공 장치(100)에, 부하 센서(510) 및 제어부(500)가 더 구비되기만 하면 된다.
상기 부하 센서(510)는 상기 절삭 가공 장치(100)의 절삭 가공 대상물 위치에 구비되어, 상기 절삭 가공 장치(100)의 주축에 걸리는 절삭 부하를 측정한다. 본 발명에서 사용되는 센서는 상기 부하 센서(510) 한 가지 뿐으로, 종래의 모니터링 또는 제어 시스템들의 경우 가속도계 등의 고가의 센서를 필요로 했던 것과는 달리, 이와 같이 본 발명에서는 훨씬 저렴하게 시스템을 구성할 수 있게 된다.
상기 제어부(500)는, 상기 부하 센서(510)로부터 부하 신호를 전달받으며, 상기 절삭 공구 주축 구동 모터의 회전 속도 및 이송 속도를 포함하는 상기 절삭 가공 장치(100)의 상태를 제어하는 역할을 한다. 한편, 일반적인 현재의 절삭 가공 장치는, 사용자가 원하는 회전 속도 값, 이송 속도 값 등과 같은 초기 조건을 지정하여 입력하면 그 입력값에 맞추어 작동하도록 되어 있으며, 이와 같이 사용자에 의한 초기 조건 설정값의 입력 및 입력값에 따른 모터나 액추에이터의 구동 등을 처리하기 위한 제어 수단이 기본적으로 구비되어 있다. 따라서 상기 제어부(500)는, 상기 절삭 가공 장치(100)와는 독립적이며 상기 절삭 가공 장치(100) 자체의 제어 수단과 연결되어 신호를 송수신 가능하게 형성되는 연산처리수단 형태로 구성되거나, 또는 상기 절삭 가공 장치(100) 자체의 제어 수단에 부가 구비되는 하드웨어적 회로 형태로 구성되거나, 또는 상기 절삭 가공 장치(100) 자체의 제어 수단에 인스톨되어 동작하는 소프트웨어 형태로 구성될 수 있는 등, 그 구성 형태는 사용자의 편의 등에 따라 어떻게 구성되어도 무방하다.
이 때, 본 발명의 고속 주축의 절삭 부하값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법은, 기본적으로는 상기 제어부(500)에 의하여 상기 부하 센서(510)에서 측정된 부하값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 모니터링 단계; 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우, 부하값이 기준치 이하가 될 때까지 상기 제어부(500)에 의하여 회전 속도 및 이송 속도가 순차적으로 저감되는 제어 단계; 를 포함하여 이루어진다. 즉, 본 발명에서는 상기 절삭 가공 장치(100)의 상기 절삭 공구 주축의 절삭 부하값을 통해 간접적으로 회전 속도 및 이송 속도를 제어하게 되는 것이다. (주축의 절삭 부하값과 회전 속도 및 이송 속도 간의 관계에 대해서는 이후에 보다 상세히 설명한다.)
일반적으로 절삭 가공에 있어서, 회전 속도가 높을수록 가공 조도가 좋아지며, 이송 속도가 높을수록 생산성이 좋아진다. 즉 실제 가공에 있어서 회전 속도와 이송 속도는 둘 다 높을수록 좋다. 그런데 주축의 절삭 부하가 지나치게 높아진다는 것은, 가공 대상의 재질이나 형태가 불량하여 가공이 제대로 이루어지지 않는다거나, 공구에 문제가 생겨서 가공이 제대로 이루어지지 않는 등과 같은 가공 상태에 관련된 문제가 발생했다는 것이며, 이럴 경우 어쩔 수 없이 회전 속도나 이송 속도를 낮추어 주어야 한다. 이 때 생산 현장에서 가장 중요시되는 것은 생산성으로, 즉 생산성과 직접적으로 관련되는 이송 속도에 있어서의 손실은 최대한 지양되어야 한다. 따라서 본 발명에서는, 가공 상태에 문제가 발생되면 회전 속도 - 이송 속도 순으로 저감을 시켜 문제를 해결한다. 즉 구체적으로 설명하자면, 먼저 회전 속도를 낮추어 문제를 해결하도록 하고, 회전 속도를 낮추어도 문제가 해결되지 않으면 그 후에 이송 속도를 낮추어 문제를 해결하도록 하는 것이다.
이제 주축의 절삭 부하값과 절삭 가공 장치의 상태(회전 속도, 이송 속도)의 관계에 대하여 보다 상세히 설명한다. 시험을 위하여 절삭 가공을 수행하면서 주축의 절삭 부하값, 회전 속도, 이송 속도를 측정해 본 결과, Al, Brass, S45C 등과 같은 다양한 소재에 대하여 모두 회전 속도 및 이송 속도가 증가함에 따라 가공 대역에서는 부하값 및 가공 대상의 표면 조도가 증가함을 확인할 수 있다. 도 4는 Al, Brass, S45C 소재의 절삭 가공 시 고정 회전 속도 및 다양한 이송 속도에서의 시간에 대한 부하 측정 결과를 도시하고 있다. 이와 같은 실험 결과로부터 회전 속도 및 이송 속도와 부하값 사이의 상관관계를 도출할 수 있는 것이다. 도 5a 내지 도 5c는 각각 Al, Brass, S45C 소재에서 다양한 회전 속도 및 이송 속도에 대한 부하 및 조도 측정 결과 및 이에 대한 1차(A) 또는 다차(B) 커브 피팅(curve fitting) 결과를 도시하고 있다. 이로부터, 회전 속도 및 이송 속도 - 부하 / 회전 속도 및 이송 속도 - 조도 간에 상관관계가 있음을 알 수 있다.
Al, Brass, S45C 소재 각각에 대한 상기와 같은 실험을 통하여, 주축 회전 속도와 이송 속도에 따른 부하값과 표면 조도 값 데이터를 바탕으로 주축 회전 속도와 이송 속도의 변화에 따라 부하값 증감량의 최종적인 관계식을 도출할 수 있다. 도 6a 내지 도 6c는 각각 Al, Brass, S45C 소재에서 도출된 회전 속도 - 이송 속도 - 부하 간의 관계 측정 결과(A) / 측정 결과로부터 도출된 1차 피팅 관계식에 따른 그래프(B) / 측정 결과로부터 도출된 다차 피팅 관계식에 따른 그래프(C)를 도시하고 있다.
도 6a(A)는 Al 소재의 절삭 가공 시 측정 결과를 바탕으로 회전 속도(x축), 이송 속도(y축), 부하(z축) 관계를 B-스플라인 곡선 형태로 피팅한 결과를 보여주고 있다. 하기의 수학식 1은 측정 결과로부터 도출된 회전 속도(x축), 이송 속도(y축), 부하(z축) 간의 1차 함수 피팅 관계식이며, 도 6a(B)는 그 결과를 도시하고 있다. 이 때 1차 함수로 피팅하여 얻어진 방정식의 RMSE(Root Mean Square Error, 평균 제곱근 오차)가 8.5로 다소 높다. 이에 회전 속도는 2차 함수로, 이송 속도는 3차 함수로 피팅한 결과 RMSE를 50% 이상 감소시킬 수 있었다. 하기의 수학식 2는 측정 결과로부터 도출된 회전 속도(x축), 이송 속도(y축), 부하(z축) 간의 다차 함수 피팅 관계식이며, 도 6a(C)는 그 결과를 도시하고 있다.
Figure 112011064035509-pat00001
(AAl=40.62, BAl=-0.001317, CAl=0.5234, RMSE : 8.54)
Figure 112011064035509-pat00002
(aAl=-631.1, bAl=0.09334, cAl=0.1636, dAl=-4.379e-006, eAl=0.0001076, fAl=-0.007248, gAl=6.589e-011, hAl=-3.082e-009, iAl=1.498e-007, RMSE : 4.23)
도 6b(A)는 Brass 소재의 절삭 가공 시 측정 결과를 바탕으로 회전 속도(x축), 이송 속도(y축), 부하(z축) 관계를 B-스플라인 곡선 형태로 피팅한 결과를 보여주고 있다. 하기의 수학식 3은 측정 결과로부터 도출된 회전 속도(x축), 이송 속도(y축), 부하(z축) 간의 1차 함수 피팅 관계식이며, 도 6b(B)는 그 결과를 도시하고 있다. 이 때 1차 함수로 피팅하여 얻어진 방정식의 RMSE는 9.24이며, 정확도를 더욱 높이기 위해서 회전 속도는 2차 함수로, 이송 속도는 3차 함수로 피팅한 결과 RMSE를 50% 이상 감소시킬 수 있었다. 하기의 수학식 4는 측정 결과로부터 도출된 회전 속도(x축), 이송 속도(y축), 부하(z축) 간의 다차 함수 피팅 관계식이며, 도 6b(C)는 그 결과를 도시하고 있다.
Figure 112011064035509-pat00003
(AB=19.48, BB=-0.0003071, CB=0.4159, RMSE : 9.24)
Figure 112011064035509-pat00004
(aB=-755.6, bB=-0.1019, cB=0.8375, dB=4.457e-006, eB=-3.301e-005, fB=0.002626, gB=-6.306e-011, hB=1.085e-009, iB=-2.283e-007, RMSE : 4.12)
도 6c(A)는 S45C 소재의 절삭 가공 시 측정 결과를 바탕으로 회전 속도(x축), 이송 속도(y축), 부하(z축) 관계를 B-스플라인 곡선 형태로 피팅한 결과를 보여주고 있다. 하기의 수학식 5는 측정 결과로부터 도출된 회전 속도(x축), 이송 속도(y축), 부하(z축) 간의 1차 함수 피팅 관계식이며, 도 6c(B)는 그 결과를 도시하고 있다. 이 때 1차 함수로 피팅하여 얻어진 방정식의 RMSE는 7.62이며, 정확도를 더욱 높이기 위해서 회전 속도는 2차 함수로, 이송 속도는 3차 함수로 피팅한 결과 RMSE를 50% 이상 감소시킬 수 있었다. 하기의 수학식 6은 측정 결과로부터 도출된 회전 속도(x축), 이송 속도(y축), 부하(z축) 간의 다차 함수 피팅 관계식이며, 도 6c(C)는 그 결과를 도시하고 있다.
Figure 112011064035509-pat00005
(AS=-8.441, BS=0.0008646, CS=0.5631, RMSE : 7.62)
Figure 112011064035509-pat00006
(aS=-313.8, bS=0.04065, cS=0.04065, dS=-1.603e-006, eS=-1.99e-005, fS=-0.006999, gS=2.023e-011, hS=1.368e-010, iS=3.485e-007, RMSE : 3.34)
상술한 바와 같이 절삭 가공 시 주축의 절삭 부하와 절삭 가공 장치의 상태 즉 회전 속도 및 이송 속도 간에는 상관관계가 존재하며, 이를 본 발명의 모니터링 및 제어 시스템에 적용할 수 있다. (상기 예시에서는 회전 속도 및 이송 속도와 부하 간 관계식을 최소자승법을 이용한 다차식으로 구했으나 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 조화함수 등을 이용한 다른 방식으로 관계식을 구하여 이를 사용하도록 하여도 무방하다.) 다양한 소재들에 대하여 이러한 상관관계를 미리 구할 수 있으며, 따라서 실제 절삭 가공 수행 시 초기 세팅되는 회전 속도와 이송 속도에 대하여 이 때 나올 것으로 예상되는 부하값을 미리 구할 수 있다. 따라서 초기 세팅 회전 속도와 이송 속도에 따라 정상적인 가공 상태일 때의 부하값의 최고값, 즉 기준치를 구할 수 있는 것이다.
절삭 가공 시 가공 상태에 문제가 없으면 당연히 부하값은 기준치 이하로 나오게 될 것이다. 그런데, 가공 대상의 재질이나 형태가 불량하여 가공이 제대로 이루어지지 않는다거나, 공구에 문제가 생겨서 가공이 제대로 이루어지지 않는 등과 같은 가공 상태에 관련된 문제가 발생할 경우 부하값은 기준치 이상으로 올라가게 된다. 따라서, 부하값이 기준치 이상으로 올라가면 가공 상태에 문제가 발생했다고 판단하고, 회전 속도나 이송 속도를 저감시킴으로써 문제를 해결할 수 있는 것이다.
이제 앞서 설명한 절삭 가공 시 주축의 절삭 부하와 절삭 가공 장치의 상태(즉 회전 속도 및 이송 속도) 간의 상관관계를 이용한 본 발명의 모니터링 및 제어 방법을 구체적으로 설명한다.
도 7은 본 발명의 고속 주축의 절삭 부하값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법의 한 실시예이다. 앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 모니터링 및 제어 방법은 가공 수행 시 부하값이 기준치 이하인지 판단되는 모니터링 단계와, 부하값이 기준치 이하가 아니면 회전 속도 및 이송 속도가 저감되어 부하값을 기준치 이하로 내리는 제어 단계로 이루어진다. 이 때, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 모니터링 단계는, a1) 상기 절삭 가공 장치(100)에 절삭 가공을 위한 절삭 공구 주축 구동 모터의 회전 속도 및 이송 속도가 입력되어 세팅되는 단계(S01); a2) 상기 절삭 가공 장치(100)에 의하여 절삭 가공이 개시되는 단계(S02); a3) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 부하 센서(510)에서 측정된 부하값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 단계(S03); 를 포함하여 이루어질 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 절삭 가공을 개시할 때 작업자는 적절한 회전 속도 및 이송 속도를 상기 절삭 가공 장치(100)에 미리 결정된 값으로 입력한다. 이러한 회전 속도 및 이송 속도 값은 물론, 가공 대상의 재질이나 형상, 요구되는 생산 품질, 생산량, 생산 시간 등과 같은 다양한 변수에 따라 적절히 선택되어 결정될 수 있으며, 예를 들어 경험적으로 작업자 본인에 의하여 선택된 값일 수도 있고, 미리 매뉴얼화되어 있는 값을 참조하여 선택된 값일 수도 있는 등 다양하게 결정될 수 있다. 특히 도 5a 내지 도 5c의 시험 결과에서 알 수 있듯이 회전 속도 및 이송 속도는 가공 대상의 표면 조도와도 상관관계를 가지고 있으므로, 요구되는 생산 품질 즉 조도에 따라 회전 속도 및 이송 속도가 결정되도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 회전 속도 및 이송 속도가 입력되어 세팅(S01)되는 시점에서, 상술한 바와 같이 a1) 단계(S01)에서 결정된 회전 속도 및 이송 속도일 때 발생 예상되는 부하값, 즉 부하값의 기준치가 결정된다.
도 10을 참조하여 구체적인 부하값 기준치 결정 과정을 설명한다. 도 10은 도 5a(B)와 동일한 것으로, 즉 Al 소재에서 다양한 회전 속도 및 이송 속도에 대한 부하 및 조도 측정 결과 및 이에 대한 다차 커브 피팅(curve fitting) 결과이다. 예를 들어 Al 소재를 가공하고자 하고 또한 이 때 요구되는 표면 조도가 2.5㎛ 정도라 할 때, 작업자가 회전 속도를 15000rpm(□로 표시되는 그래프들)으로 결정했다고 가정한다. 도 10을 참조하여 볼 때, 2.5㎛에 해당하는 이송 속도는 약 50mm/s가 되고, 이 때 발생 예상되는 부하값은 약 60 정도가 됨을 알 수 있다. 즉 상술한 바와 같은 재질 및 요구 조도 조건(재질: Al / 요구 조도: 2.5㎛)에서, a1) 단계(S01)에서 회전 속도를 15000rpm 정도로 하려고 작업자가 결정했다면, 이송 속도는 최대 50mm/s 정도까지 올릴 수 있고, 이 때 부하값은 60 정도 나오게 됨을 도 10으로부터 잘 알 수 있다. 즉 이 경우 부하 기준치를 60 정도로 잡을 수 있게 되는 것이다.
이와 같이 회전 속도 및 이송 속도가 입력되어 세팅되고 나면 자연히 이에 따른 부하 기준치가 산출된다. 따라서 절삭 가공이 개시되면(S02), 상기 제어부(500)는 상기 부하 센서(510)에서 측정되는 부하값이 기준치를 넘어가는지 여부를 모니터링하게 된다(S03). 앞서 설명한 바와 같이 문제 상황이 발생하지 않으면 부하값은 이 기준치를 넘어가지 않을 것이나, 문제가 발생하면 이제 상기 제어부(500)는 문제 해결을 위하여 제어 단계에 들어가게 된다.
상기 제어 단계는, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, b1) 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(S03-No), 상기 제어부(500)에 의하여 회전 속도가 저감되고, 회전 속도 저감 후 상기 부하 센서(510)에서 측정된 부하값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 단계(SA); b2) 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(SA-No), 상기 제어부(500)에 의하여 이송 속도가 저감되고, 이송 속도 저감 후 상기 부하 센서(510)에서 측정된 부하값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 단계(SB); b3) 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(SB-No), 상기 제어부(500)에 의하여 가공이 중단되는 단계(SC); 를 포함하여 이루어진다.
상술한 바와 같이 절삭 가공 시 회전 속도는 조도와, 이송 속도는 생산량과 직접적으로 관계되며, 가능하다면 회전 속도 및 이송 속도는 둘 다 높을수록 좋다. 그런데 실제 생산 현장에서 가장 중요하게 여겨지는 조건은 생산량이며, 따라서 이송 속도는 가능한 한 줄이지 않는 것이 바람직하다. 따라서 앞서 설명한 바와 같이, 부하값이 기준치 이상으로 올라가서 문제가 발생되었음이 감지되면(S03-No), 먼저 상기 제어부(500)는 회전 속도를 저감시켜 가면서 부하값을 낮춘다(SA). 이 때 회전 속도의 저감만으로도 부하값이 기준치 이하로 떨어진다면(SA-Yes), 도 4에 도시된 바와 같이 이 저감된 회전 속도로 가공이 계속 수행되면 된다(S04).
그러나 이와 같이 회전 속도의 저감만으로 부하값이 기준치 이하로 떨어지지 않는다면(SA-No), 이제 상기 제어부(500)는 이송 속도도 저감시키게 된다(SB). SA 단계에서 이미 회전 속도가 어느 정도 저감되었으며, 이제 SB 단계를 통해 이송 속도가 저감됨으로써 부하값은 좀더 낮아질 수 있게 되며, 이렇게 해서 부하값이 기준치 이하로 떨어진다면(SB-Yes), 이 저감된 회전 속도 및 저감된 이송 속도로 가공이 계속 수행된다(S04). 그러나 이로써도 부하값이 기준치 이하로 떨어지지 않는다면(SB-No), 가공 상태 조건을 바꾸는 것만으로 해결할 수 있는 문제가 아닌 심각한 문제가 발생하였다고 판단하고, 상기 제어부(500)는 가공을 중단시킨다(SC).
여기에서, 상기 제어부(500)가 회전 속도를 어디까지 줄일 것인지, 또한 회전 속도만으로는 해결이 불가능하므로 이송 속도를 줄이기로 판단하는 것이 어느 시점인지 등을 결정하기 위한 구체적인 실시예를 설명한다. 도 8은 본 발명의 고속 주축의 절삭 부하값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법의 다른 실시예로서, 도 7의 실시예에서의 SA, SB 등의 단계들이 보다 구체적이고 상세하게 도시되어 있다. 도 8을 참조하여, 상기 제어부(500)에 의한 제어 단계를 보다 상세히 설명한다.
절삭 가공에 있어서 상기 절삭 가공 장치(100)는 최고 사양, 즉 발생 가능한 회전 속도 및 이송 속도의 한계치가 있다. 즉 회전 속도 및 이송 속도를 높일수록 좋지만, 상기 절삭 가공 장치(100)의 사양에 따라 그 상한값이 정해질 수 있는 것이다. 물론 소재가 너무 무른 경우 최고 사양 수준으로 가공을 수행하면 지나치게 절삭이 이루어져 버려서 문제가 생길 수 있으므로, 장치 사양만으로 상한값이 결정되는 것은 아니며, 그 외의 여러 변수들을 고려할 수 있음은 당연하다. 한편, 실제 절삭 가공이 수행되기 위해서는 (예를 들어 회전 속도가 너무 낮을 경우 절삭이 전혀 진행되지 않을 것임은 당연하므로) 어느 정도 이상의 회전 속도 및 이송 속도가 필요하며, 이로부터 하한값이 결정될 수 있다. 물론 이 하한값은, 절삭 가공이 가능한 최소한의 회전 속도 및 이송 속도로 결정되어야만 하는 것은 아니며, 요구되는 생산 품질, 생산량, 생산 시간 등에 따라 적절하게 결정될 수 있다. 즉, 절삭 가공에 있어서 회전 속도 및 이송 속도는 각각 (장치 사양 등에 의하여 결정되는) 상한값과 (절삭 가공 가능 여부, 요구되는 생산 품질, 생산량, 생산 시간 등에 의하여 결정되는) 하한값으로 이루어지는 한계 범위가 미리 적절하게 결정될 수 있다.
이에 따라, 상기 제어 단계는 도 8에 도시된 바와 같이 다음과 같이 구체화될 수 있다. 즉, 상기 제어 단계는 b1) 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(S03-No), 미리 결정된 회전 속도 및 이송 속도와 부하 간 관계식에 따라 상기 제어부(500)에 의하여 회전 속도 및 이송 속도가 산출되는 단계(SA1); b2) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 b1) 단계에서 산출된 회전 속도가 미리 결정된 회전 속도 한계 범위 내의 값인지 판단되는 단계(SA2); b3) 회전 속도가 한계 범위 내일 경우(SA2-Yes), 상기 제어부(500)에 의하여 회전 속도가 미리 결정된 저감량만큼 저감되어 제어되는 단계(SA3); b4) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 부하 센서(510)에서 측정된 부하값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 단계(SA4); b5) 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(SA4-No), 상기 제어부(500)에 의하여 상기 b1) 단계부터 상기 단계들을 순차적으로 반복하는 단계; 를 포함하여 이루어져 회전 속도를 저감하고, b6) 상기 b2) 단계 이후, 회전 속도가 한계 범위 내가 아닐 경우(SA2-No), 상기 제어부에 의하여 상기 b1) 단계에서 산출된 이송 속도가 미리 결정된 이송 속도 한계 범위 내의 값인지 판단되는 단계(SB1); b7) 회전 속도가 한계 범위 내일 경우(SB1-Yes), 상기 제어부(500)에 의하여 이송 속도가 미리 결정된 저감량만큼 저감되어 제어되는 단계(SB2); b8) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 부하 센서(510)에서 측정된 부하값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 단계(SB3); b9) 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(SB3-No), 상기 제어부(500)에 의하여 상기 b1) 단계부터 상기 단계들을 순차적으로 반복하는 단계; 를 포함하여 이루어져 이송 속도를 저감한다.
이를 구체적인 예를 들어 설명하자면 다음과 같다. 앞서 도 10을 참조한 예시에서와 같이, 재질이 Al인 가공 대상을 가공함에 있어서 요구되는 표면 조도가 2.5㎛ 정도로서 회전 속도가 15000rpm, 이송 속도가 50mm/s로 결정되어 세팅되고, 이에 따라 부하값 기준치가 60으로 미리 결정된 상태라고 가정한다. 또한, 상기 절삭 가공 장치(100)의 사양을 기준으로 회전 속도의 상한값은 50000rpm, 이송 속도의 상한값은 100mm/s로 미리 결정되고, 요구되는 생산량 및 생산 시간에 맞추어 회전 속도의 하한값은 10000rpm, 이송 속도의 하한값은 40mm/s로 미리 결정된다고 가정한다. (즉 회전 속도의 한계 범위는 10000 ~ 50000rpm으로, 이송 속도의 한계 범위는 40 ~ 100mm/s로 미리 결정되는 것이다.)
가공이 수행되다가 부하가 예를 들어 70 정도로 튀면, 상기 제어부(500)는 문제가 발생했음을 감지하고, (수학식 1 내지 6 등과 같이 미리 구해진) 관계식, 즉 미리 결정된 회전 속도 및 이송 속도와 부하 간 관계식을 이용하여 먼저 이 부하값에 해당하는 회전 속도 및 이송 속도를 산출한다(SA1). 이 예시의 경우 재질이 Al이므로 Al에 관한 관계식인 수학식 1이나 수학식 2를 사용할 수 있다. 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 상기 예시에서는 회전 속도 및 이송 속도와 부하 간 관계식을 최소자승법을 이용한 다차식으로 구했으나 앞서도 언급한 바와 같이 조화함수 등을 이용한 다른 방식으로 관계식을 구하여 이를 사용하도록 하여도 무방하다.
이렇게 산출된 회전 속도가 예를 들어 24000rpm이 나왔다고 하면, 이 회전 속도 값은 한계 범위 내이므로(SA2-Yes), 상기 제어부(500)는 일단 회전 속도를 적절하게 저감한다. 이 때 상기 제어부(500)에 의한 저감 정도는 미리 결정될 수 있는데, 예를 들어 상한값의 10%씩 낮춘다거나, 현재 측정된 회전 속도의 5%만큼 낮춘다거나, 고정적으로 5000rpm씩 낮춘다거나 하는 등 어떤 식으로 저감할 것인지는 적절하게 미리 결정될 수 있다. 이와 같이 미리 결정된 저감량만큼 저감된 회전 속도로 상기 절삭 가공 장치(100)가 제어되면(SA3), 문제 발생 시점과는 다른 부하값이 나오게 될 것이다. 이와 같이 저감된 회전 속도로 제어된 후 다시 부하값이 측정되었을 때, 부하가 기준치 내 즉 이 예시에서 60 밑으로 떨어졌다면(SA4-Yes), 도 8에 도시된 바와 같이 이 상태로 가공이 계속 수행되면 된다(S04).
그러나 이와 같이 일정량 회전 속도를 저감시켰음에도 불구하고 부하가 기준치 내로 떨어지지 않는다면(SA4-No), 상기 b1) 단계로 돌아가 다시 회전 속도 및 이송 속도를 산출하고, 회전 속도를 더 저감시켜 제어하는 상기 단계들을 순차적으로 반복 수행한다. 이와 같이 회전 속도를 저감시켜 나가다가 어느 순간 부하가 기준치 내로 떨어진다면, 이 상태로 가공이 계속 수행되도록 하면 된다(S04).
그런데, 이와 같이 회전 속도를 계속 저감해 나가다 보면 어느 순간 회전 속도가 하한값 아래로 내려가게 될 수 있다. 즉 예를 들어 도 8의 SA3 단계에서, 고정적으로 5000rpm씩 회전 속도를 줄이기로 했다면, SA 루프가 3번만 돌아가면 회전 속도의 하한값인 10000rpm 이하로 떨어져 버리게 된다. 이 상태로 가공을 계속 수행하면 안되는 바, SA2 단계에서 회전 속도가 한계범위를 벗어났으므로(SA2-No) 상기 제어부(500)는 이제 이송 속도를 저감시키는 제어를 수행하게 된다.
이미 회전 속도 및 이송 속도는 SA1 단계에서 구해졌으므로, 일단 상기 제어부(500)는 이송 속도가 한계 범위 내인지를 판단한다(SB1). 이송 속도가 한계 범위 내에 있다면(SB1-Yes), 상기 제어부(500)는 (회전 속도의 제어와 마찬가지 방식으로) 이송 속도를 미리 결정된 저감량만큼 적절히 저감시켜 상기 절삭 가공 장치(100)를 제어한다(SB2). 이렇게 저감된 이송 속도로 제어했을 때 발생되는 부하값이 기준치 이내로 떨어졌다면(SB3-Yes), 이제 회전 속도 및 이송 속도로 가공을 계속 수행하면 된다(S04).
그러나 이와 같이 일정량 이송 속도를 저감시켰음에도 불구하고 부하가 기준치 내로 떨어지지 않는다면(SB3-No), 상기 b1) 단계로 돌아가 다시 회전 속도 및 이송 속도를 산출하고, 만일 회전 속도의 저감으로 부하가 기준치 내로 떨어진다면 그대로 가공을 계속 수행하되(SA 루프) 역시 회전 속도의 저감만으로 해결이 안될 경우(SA2-No) 이송 속도를 더 저감시켜 제어하는 상기 단계들을 순차적으로 반복 수행한다. 이와 같이 이송 속도를 저감시켜 나가다가 어느 순간 부하가 기준치 내로 떨어진다면, 이 상태로 가공이 계속 수행되도록 하면 된다(S04).
만일, 이와 같이 회전 속도와 이송 속도를 계속 저감시켜 나가면서 회전 속도와 이송 속도 둘 다 하한값 아래로 떨어졌음에도 불구하고(SB1-No) 부하가 기준치 내로 떨어지지 않는다면, 상기 제어부(500)는 이제 회전 속도나 이송 속도와 같은 가공 상태를 조절하는 것만으로는 문제 해결이 불가능한 상태라고 판단하여 가공을 중단하게 된다(SC). 가공 중단 단계(SC)는 도 8에 도시된 바와 같이 먼저 회전이 중지되고(SC1) 이송이 중지되는(SC2) 순서로 이루어질 수 있으며, 물론 회전 및 이송이 순차적으로 중지되어야만 하는 것은 아니며, 이송이 먼저 중지되고 그 후에 회전이 중지되도록 할 수도 있고, 동시에 중지되도록 할 수도 있는 등, 도시된 바로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
또한 이 경우는 사람이 직접 장치를 보고 문제를 해결해야 하는 상황이므로, 역시 도 8에 도시된 바와 같이 작업자의 개입을 유도할 수 있도록 경보를 발생시키는 단계(SC3)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 더불어, 도면에서는 일단 회전 및 이송이 중지된 후 경보가 발생되는 것으로 도시되었으나, 경보가 먼저 발생되고 그 후에 회전 및 이송이 중지되도록 할 수도 있고, 또는 회전 및 이송 중지와 동시에 경보가 발생되도록 할 수도 있는 등, 도시된 바로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
한편 상기 수학식 1 내지 6을 보면, 수학식 1, 3, 5는 1차식인 반면 수학식 2, 4, 6은 다차식이다. 실제 가공은 상당히 빠른 속도로 이루어지므로, 제어 역시 빠르게 이루어질수록 유리한데, 부하값을 가지고 회전 속도 및 이송 속도를 산출하는 과정에서 가장 차수가 낮은 1차식으로 계산할 경우 가장 빠른 속도로, 또한 가장 적은 연산 부하로 계산할 수 있어 가장 유리함은 당연하다. 그러나 도 5a 내지 5c의 설명에서 언급한 바와 같이, 1차식으로 계산했을 때 충분히 RSME가 작은 경우라면 괜찮겠지만, 1차식에 의한 산출 결과는 다차식에 의한 산출 결과보다 아무래도 정확도가 떨어지는 것이 사실이다. 이러한 관점에서는 다차식을 이용하여 계산을 수행하는 것이 좋겠으나, 이 경우 속도 및 연산 부하 면에서 불리해지게 된다.
이러한 점을 고려하여, 1차식 및 다차식을 이용하여 좀더 연산 부하를 줄이는 것이 바람직하다. 도 9는 바로 이러한 관점에서 제시된 또다른 실시예로서, 도 10의 실시예와 거의 유사하나 SA 단계에서 회전 속도가 1차 저감 / 2차 저감 단계를 거쳐 저감된다는 점이 상이하다.
즉 상기 제어 단계는 도 9에 도시된 바와 같이, c1) 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(S03-No), 미리 결정된 회전 속도 및 이송 속도와 부하 간 1차 관계식에 따라 상기 제어부(500)에 의하여 회전 속도 및 이송 속도가 산출되는 단계(SA11); c2) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 c1) 단계에서 산출된 회전 속도가 미리 결정된 회전 속도 한계 범위 내의 값인지 판단되는 단계(SA12); c3) 회전 속도가 한계 범위 내일 경우(SA12-Yes), 상기 제어부(500)에 의하여 회전 속도가 미리 결정된 저감량만큼 저감되어 제어되는 단계(SA13); c4) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 부하 센서(510)에서 측정된 부하값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 단계(SA14); 를 포함하여 이루어져 회전 속도를 1차 저감하고, c5) 상기 c4) 단계 이후, 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(SA14-No), 미리 결정된 회전 속도 및 이송 속도와 부하 간 다차 관계식에 따라 상기 제어부(500)에 의하여 회전 속도 및 이송 속도가 산출되는 단계(SA21); c6) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 c5) 단계에서 산출된 회전 속도가 미리 결정된 회전 속도 한계 범위 내의 값인지 판단되는 단계(SA22); c7) 회전 속도가 한계 범위 내일 경우(SA22-Yes), 상기 제어부(500)에 의하여 회전 속도가 미리 결정된 저감량만큼 저감되어 제어되는 단계(SA13); c8) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 부하 센서(510)에서 측정된 부하값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 단계(SA14); c9) 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(SA4-No), 상기 제어부(500)에 의하여 상기 c5) 단계부터 상기 단계들을 순차적으로 반복하는 단계; 를 포함하여 이루어져 회전 속도를 2차 저감하고, c10) 상기 c9) 단계 이후, 회전 속도가 한계 범위 내가 아닐 경우(SA2-No), 상기 제어부에 의하여 상기 c5) 단계에서 산출된 이송 속도가 미리 결정된 이송 속도 한계 범위 내의 값인지 판단되는 단계(SB1); c11) 회전 속도가 한계 범위 내일 경우(SB1-Yes), 상기 제어부(500)에 의하여 이송 속도가 미리 결정된 저감량만큼 저감되어 제어되는 단계(SB2); c12) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 부하 센서(510)에서 측정된 부하값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 단계(SB3); c13) 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(SB3-No), 상기 제어부(500)에 의하여 상기 c5) 단계부터 상기 단계들을 순차적으로 반복하는 단계; 를 포함하여 이루어져 이송 속도를 저감한다.
이와 같은 제어 단계를 사용할 경우, 1차식을 이용하여 한 번 회전 속도를 제어하는 1차 저감만으로도 부하가 기준치 내로 떨어진다면 더 이상 제어를 수행할 필요가 없으며, 따라서 최소의 계산만으로 제어가 수행될 수 있다. 물론 이러한 1차 저감으로 부하가 기준치 내로 떨어지지 않는다면, 다차식을 이용한 회전 속도의 2차 저감 단계의 수행이 시작되며, 이후로는 도 8의 예시와 동일한 방식으로 제어가 진행되게 된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: 절삭 가공 장치
500: 제어부
510: 부하 센서

Claims (11)

  1. 절삭 가공 장치(100), 상기 절삭 가공 장치(100)의 절삭 가공 대상물 위치에 구비되어 상기 절삭 가공 장치(100)의 주축에 걸리는 절삭 부하를 측정하는 부하 센서(510), 상기 부하 센서(510)로부터 부하 신호를 전달받으며, 상기 절삭 공구 주축 구동 모터의 회전 속도 및 이송 속도를 포함하는 상기 절삭 가공 장치(100)의 상태를 제어하는 제어부(500)를 포함하여 이루어지는 시스템에 의하여 이루어지는 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법에 있어서,
    상기 제어부(500)에 의하여 상기 부하 센서(510)에서 측정된 부하값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 모니터링 단계;
    부하값이 기준치 이하가 아닌 경우, 부하값이 기준치 이하가 될 때까지 상기 제어부(500)에 의하여 회전 속도 및 이송 속도가 순차적으로 저감되는 제어 단계;
    를 포함하여 이루어지며,
    상기 제어 단계는
    b1) 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(S03-No), 미리 결정된 회전 속도 및 이송 속도와 부하 간 관계식에 따라 상기 제어부(500)에 의하여 회전 속도 및 이송 속도가 산출되는 단계(SA1);
    b2) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 b1) 단계에서 산출된 회전 속도가 미리 결정된 회전 속도 한계 범위 내의 값인지 판단되는 단계(SA2);
    b3) 회전 속도가 한계 범위 내일 경우(SA2-Yes), 상기 제어부(500)에 의하여 회전 속도가 미리 결정된 저감량만큼 저감되어 제어되는 단계(SA3);
    b4) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 부하 센서(510)에서 측정된 부하값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 단계(SA4);
    b5) 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(SA4-No), 상기 제어부(500)에 의하여 상기 b1) 단계부터 상기 단계들을 순차적으로 반복하는 단계;
    를 포함하여 이루어져 회전 속도를 저감하고,
    b6) 상기 b2) 단계 이후, 회전 속도가 한계 범위 내가 아닐 경우(SA2-No), 상기 제어부에 의하여 상기 b1) 단계에서 산출된 이송 속도가 미리 결정된 이송 속도 한계 범위 내의 값인지 판단되는 단계(SB1);
    b7) 회전 속도가 한계 범위 내일 경우(SB1-Yes), 상기 제어부(500)에 의하여 이송 속도가 미리 결정된 저감량만큼 저감되어 제어되는 단계(SB2);
    b8) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 부하 센서(510)에서 측정된 부하값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 단계(SB3);
    b9) 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(SB3-No), 상기 제어부(500)에 의하여 상기 b1) 단계부터 상기 단계들을 순차적으로 반복하는 단계;
    를 포함하여 이루어져 이송 속도를 저감하거나, 또는
    상기 제어 단계는
    c1) 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(S03-No), 미리 결정된 회전 속도 및 이송 속도와 부하 간 1차 관계식에 따라 상기 제어부(500)에 의하여 회전 속도 및 이송 속도가 산출되는 단계(SA11);
    c2) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 c1) 단계에서 산출된 회전 속도가 미리 결정된 회전 속도 한계 범위 내의 값인지 판단되는 단계(SA12);
    c3) 회전 속도가 한계 범위 내일 경우(SA12-Yes), 상기 제어부(500)에 의하여 회전 속도가 미리 결정된 저감량만큼 저감되어 제어되는 단계(SA13);
    c4) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 부하 센서(510)에서 측정된 부하값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 단계(SA14);
    를 포함하여 이루어져 회전 속도를 1차 저감하고,
    c5) 상기 c4) 단계 이후, 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(SA14-No), 미리 결정된 회전 속도 및 이송 속도와 부하 간 다차 관계식에 따라 상기 제어부(500)에 의하여 회전 속도 및 이송 속도가 산출되는 단계(SA21);
    c6) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 c5) 단계에서 산출된 회전 속도가 미리 결정된 회전 속도 한계 범위 내의 값인지 판단되는 단계(SA22);
    c7) 회전 속도가 한계 범위 내일 경우(SA22-Yes), 상기 제어부(500)에 의하여 회전 속도가 미리 결정된 저감량만큼 저감되어 제어되는 단계(SA13);
    c8) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 부하 센서(510)에서 측정된 부하값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 단계(SA14);
    c9) 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(SA4-No), 상기 제어부(500)에 의하여 상기 c5) 단계부터 상기 단계들을 순차적으로 반복하는 단계;
    를 포함하여 이루어져 회전 속도를 2차 저감하고,
    c10) 상기 c9) 단계 이후, 회전 속도가 한계 범위 내가 아닐 경우(SA2-No), 상기 제어부에 의하여 상기 c5) 단계에서 산출된 이송 속도가 미리 결정된 이송 속도 한계 범위 내의 값인지 판단되는 단계(SB1);
    c11) 회전 속도가 한계 범위 내일 경우(SB1-Yes), 상기 제어부(500)에 의하여 이송 속도가 미리 결정된 저감량만큼 저감되어 제어되는 단계(SB2);
    c12) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 부하 센서(510)에서 측정된 부하값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 단계(SB3);
    c13) 부하값이 기준치 이하가 아닌 경우(SB3-No), 상기 제어부(500)에 의하여 상기 c5) 단계부터 상기 단계들을 순차적으로 반복하는 단계;
    를 포함하여 이루어져 이송 속도를 저감하는 것을 특징으로 하는 고속 주축의 절삭 부하값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 모니터링 단계는,
    a1) 상기 절삭 가공 장치(100)에 절삭 가공을 위한 절삭 공구 주축 구동 모터의 회전 속도 및 이송 속도가 입력되어 세팅되는 단계(S01);
    a2) 상기 절삭 가공 장치(100)에 의하여 절삭 가공이 개시되는 단계(S02);
    a3) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 부하 센서(510)에서 측정된 부하값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 단계(S03);
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고속 주축의 절삭 부하값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 부하값의 상기 기준치는
    상기 a1) 단계에서 세팅되는 회전 속도 및 이송 속도 값에 의하여 미리 결정되는 것을 특징으로 하는 고속 주축의 절삭 부하값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서, 상기 1차식 및 다차식은
    최소자승법에 의하여 산출되는 것을 특징으로 하는 고속 주축의 절삭 부하값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 회전 속도 또는 이송 속도 각각의 상기 한계 범위는
    상기 절삭 가공 장치(100) 사양, 절삭 가공 가능 여부, 요구되는 생산 품질, 요구되는 생산량, 요구되는 생산 시간을 포함하는 가공 조건 중 선택되는 적어도 하나 이상의 가공 조건에 따라 미리 결정되는 것을 특징으로 하는 고속 주축의 절삭 부하값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 제어부(500)는
    상기 절삭 가공 장치(100)와는 독립적이며 상기 절삭 가공 장치(100) 자체의 제어 수단과 연결되어 신호를 송수신 가능하게 형성되는 연산처리수단 형태로 구성되거나,
    또는 상기 절삭 가공 장치(100) 자체의 제어 수단에 부가 구비되는 하드웨어적 회로 형태로 구성되거나,
    또는 상기 절삭 가공 장치(100) 자체의 제어 수단에 인스톨되어 동작하는 소프트웨어 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 고속 주축의 절삭 부하값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 제어 단계는
    회전 속도 및 이송 속도의 저감으로 부하값이 기준치 이하로 떨어지지 않는 경우,
    d1) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 절삭 가공 장치(100)의 절삭 공구 주축 구동 모터의 회전이 중지되는 단계(SC1);
    d2) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 절삭 가공 장치(100)의 절삭 공구 주축 구동 모터의 이송이 중지되는 단계(SC2);
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고속 주축의 절삭 부하값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 제어 단계는
    회전 속도 및 이송 속도의 저감으로 부하값이 기준치 이하로 떨어지지 않는 경우,
    d3) 상기 제어부(500)에 의하여 경보가 발생되는 단계(SC3);
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고속 주축의 절삭 부하값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법.
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