KR101957711B1 - 가공좌표계상 가공시간에 따라 가공위치와 물리적 가공절삭 특성값을 매핑하는 절삭특성맵을 활용하여 절삭상태를 지능적으로 감시 및 진단하고, 절삭조건을 제어할 수 있는 지능형 cnc공작기계 제어시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 절삭상태를 지능적으로 감시, 진단하고 절삭조건을 제어할 수 있는 지능형 CNC공작기계 제어시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 CNC공작기계가 절삭가공을 수행할 때 절삭상태의 감시기능, 절삭상태의 불량 여부 등에 대한 진단 기능, 불량 및 저생산적 절삭조건을 양질 및 고생산적 절삭조건으로 변경 제어할 수 있는 기능을 수행할 수 있는 지능형 CNC공작기계 제어시스템에 관한 것이다.
특히, CNC가공좌표계상에서 가공시간에 따라서 가공위치와 그에 해당하는 가공 진동과 가공음 등 물리적 결과값을 매핑한 절삭특성맵을 이용하여 상술한 지능적 감시, 진단, 절삭조건의 변경 제어를 수행할 수 있는 지능형 CNC공작기계 시스템에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 물리적 상황의 특성값을 진행순서로 정리된 가공작업정보에 연계되도록 매핑하는 동기화매핑모듈과, 상기 동기화매핑모듈을 통해 전달된 매핑된 물리적 특성값과 미리 저장된 가공NC코드를 대비판단하여 가공품질 및 가공생산성관련 진단 로직을 통해 지능적 진단을 수행하는 진단모듈과, 상기 진단모듈의 진단결과에 따라서 가공조건을 변경하는 제어를 수행하는 제어모듈을 포함하여 이루어진다.

Description

가공좌표계상 가공시간에 따라 가공위치와 물리적 가공절삭 특성값을 매핑하는 절삭특성맵을 활용하여 절삭상태를 지능적으로 감시 및 진단하고, 절삭조건을 제어할 수 있는 지능형 CNC공작기계 제어시스템{An Intelligent CNC machine control system for smart monitering, smart diagnosis and smart control by using the physical cutting characteristic map in which the cutting characteristics are mapped in accordance to cutting location in terms of cutting time on working coordinate}

본 발명은 절삭상태를 지능적으로 감시, 진단하고 절삭조건을 제어할 수 있는 지능형 CNC공작기계 제어시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 CNC공작기계가 절삭가공을 수행할 때 절삭상태의 감시기능, 절삭상태의 불량 여부 등에 대한 진단 기능, 불량 및 저생산적 절삭조건을 양질 및 고생산적 절삭조건으로 변경 제어할 수 있는 기능을 수행할 수 있는 지능형 CNC공작기계 시스템에 관한 것이다.

특히, CNC가공좌표계상에서 가공시간에 따라서 가공위치와 그에 해당하는 가공 진동과 가공음 등 센서의 물리적 특성값을 매핑한 절삭특성맵을 이용하여 상술한 지능적 감시, 진단, 절삭조건의 변경 제어를 수행할 수 있는 지능형 CNC공작기계 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 밀링, 선삭(레이씽), 드릴링, 보링 등 절삭가공은 전용 공작기계에서 수행되거나 다양한 절삭가공이 가능한 하나의 통합장비인 머시닝센터에서 수행하고 있다. 특히 최근에는 다품종 소량 부품의 가공에 유리한 머시닝센터의 활용도가 높아지고 있으며 또한 머시닝센터 중 CNC공작 기계는 CNC(Computer Numerical Controller)의 가공제어에 의해서 치수정밀도가 미크론미터 및 서브미크론미터 수준으로 정밀한 절삭가공이 가능하다.

이러한 CNC공작 기계는 고성능 연산장치를 내장한 NC(Numerical Control)공작기계로서, 가공형상, 가공조건, 가공동작 등의 데이터를 컴퓨터에 의해 자동 프로그래밍을 하여 NC데이터로 변환시키고 변환된 NC데이터는 펄스 신호화된 상태로 공작기계를 구동한다.

상술한 바와 같이 CNC공작 기계는 가공 정밀도가 높고 다양한 형태의 절삭 가공이 가능한 장점이 있으나, 반대로 다음과 같은 문제점이 있는데 구체적으로 가공 중에 발생하는 채터진동에 의한 공구의 떨림이 발생하고 이로 인한 가공표면의 불량발생, 공구마모에 의한 과부하 및 공구파손 등과 같은 CNC절삭가공과 관련된 문제점이 있었다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 제안된 기술로는, 등록특허 제10-0724809호(2007.05.28. 등록, 이하 '종래기술1'이라 함)가 있는데, 상기 종래기술1은 자동계측 및 보정기능 등을 CNC절삭가공에 부가한 기술을 제안하고 있다. 즉, 종래기술1은 'CNC공작기계에서의 소재 가공 방법'에 관한 것으로, 특히 CNC공작기계에서 중량 보상 기능을 적용하여 다양한 중량의 소재를 가공하면서 가공 중 변하는 가공대상물의 중량 변화를 자동으로 감지하여 CNC서보계(Servo System)나 가공파라미터를 자동으로 최적화함으로써 소재의 중량 변화에 따른 사용자의 번거로운 조작을 없애며 서보계의 안정성을 유지할 수 있도록 한 것이다.

그러나, 상기 종래기술1은 단순히 가공대상물의 중량 변화에 따라 가공파라미터를 최적화하는 것으로서, 가공파라미터의 최적화 조건으로 가공대상물의 중량 변화만을 이용하기 때문에 그외의 조건변화에 따른 가공파라미터의 최적화의 개선에 한계가 있다.

다음으로 등록특허 제10-1257275(2013.04.15. 등록, 이하 '종래기술2'라 함)호가 있는데, 상기 종래기술2는 '자동가공기능을 갖는 지능형 CNC공작기계 및 그 제어방법'에 관한 것이며, CNC공작기계의 가동상태를 센서로 계측하고, 계측값을 기준DB의 기준값과 비교하여 진단함으로써 CNC공작기계의 절삭가공의 양부(良否)를 진단하고, 기준DB의 값으로 가공변수를 제어하는 가공기술을 제시하고 있다.

상기 종래기술2는 가공에 활용할 형상모델, 소재, 공구 등이 결정된 후에 기준DB에서 적합한 절삭조건을 선정해서 가공을 수행하되, 특히 가공 오류의 원인이 될 수 있는 스핀들 회전속도에 따른 축방향 변위와 가공테이블의 이송부에서 발생하는 열변형 등에 의한 가공위치 오차 등을 검출하기 위해서 공작기계의 스핀들과 이송부에 부착된 속도센서와 열센서 등으로 계측하고, 계측된 값을 기준DB의 값과 비교한 후에 보정하여 공작기계가 최적가공의 상태를 유지하는 기술이다.

그러나, 상기 종래기술2는 공작기계의 구동 및 이송부에서 발생하는 축방향변위 및 열변형 등에 의한 공작기계의 변화적 특성을 활용하는 것에 한정된 것으로, 가공공구이 가공대상물의 소재와 절삭종류, 가공공구의 마모 등에 의해서 발생하는 채터진동 등에 의한 가공오류를 개선하는데는 한계가 있었다. 또한, CNC공작기계의 기구부에 관한 이상적 조건값을 기준DB에 기초하여 모니터링, 진단, 제어를 수행하는데 동일한 물리적 특성과 조건을 보유한 CNC공작기계는 현실적으로 유일(唯一)하기 때문에 공작기계마다 그 기구부에 대한 기준DB를 구축해야하는 어려움을 가지고 있다.

다음으로 등록특허 제10-1501409호(2015.03.04. 등록, 이하 '종래기술3'이라 함)는 '공작기계의 가공상태 모니터링 장치'에 관한 것으로, 공작기계의 주축 및 척에 고정된 센서 등과 같은 측정수단을 통해서 상기 주축 및 가공물과의 거리간의 변위값을 측정함으로써 주축의 회전정밀도를 출력하는 연산출력부와 가공물의 상태를 실시간으로 촬영하는 촬영수단 등을 구비하여 가공 중에 발생하는 스핀들의 변화를 실시간으로 측정하여 이를 바탕으로 가공물과 공구의 상태에 영향을 주는 가공변수를 찾고 최적의 가공조건 등을 얻을 수 있도록 한 것이다.

그러나, 상기 종래기수3은 주축 및 척 등에 설치된 측정수단에 의해서 주축과 가공물간의 거리변위값과 가공물 상태 영상 이미지만으로 가공상태를 파악하기 때문에 정확한 가공오류를 감시 및 진단할 수 없고, 이로 인해 정확한 가공조건의 개선을 달성할 수 없는 문제점이 있었다.

0001. 등록특허 제10-0724809호(2007.05.28. 등록) 0002. 등록특허 제10-1257275호(2013.04.15, 등록) 0003. 등록특허 제10-1501409호(2015.03.04. 등록)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 가공시간에 기반해서 가공좌표계상 가공위치와 가공시간에 대응하는 절삭가공관련 물리적 특성값을 매핑하여 절삭가공맵을 구성하고, 구성된 절삭가공맵을 활용하여 절삭조건을 제어하는 지능형 CNC공작기계 제어시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이때 본 발명은 가공시간에 따라 가공위치를 동기화하고 절삭가공 중에 발생하는 공구떨림, 가공과부하 등의 불량요인들을 감지 및 진단한 후에 안정적으로 양질의 가공을 할 수 있도록 절삭조건을 제어하고, 양질의 가공이지만 가공속도가 낮은 절삭조건을 상향 제어함으로써 생산성을 제고하는 지능형 CNC공작기계 제어시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 물리적 상황의 특성값을 가공시간과 가공위치에 의한 가공순서로 연계되도록 매핑하는 동기화매핑모듈과, 상기 동기화매핑모듈을 통해 전달된 매핑된 물리적 특성값과 기존 상용화된 CAM 소프트웨어 등에서 생성한 가공NC코드를 병행 활용하여 가공품질 및 가공생산성관련 진단 로직을 통해 지능적 진단을 수행하는 진단모듈과, 상기 진단모듈의 진단결과에 따라서 가공조건을 변경하는 제어를 수행하는 제어모듈을 포함하여 이루어진다.

이때, 상기 진단모듈은, 진단된 정보를 화면에 표시하는 진단정보 모니터링 서브모듈과, 가공상태를 정밀하게 진단하기 위한 정밀진단 로직 서브모듈을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 복수의 센서는, 가공공구가 절삭시 발생하는 가공음(音)을 수집하는 음향센서, 가공공구가 절삭시 주 축으로 전달되는 가공부하를 측정하는 전류센서, 가공공구의 가진진동을 측정하는 가속도계센서, 가공공구와 피가공물 사이에서 발생하는 열을 측정하는 IR센서 및 열화상케메라, CNC공작기계 내부에 내장되어 스핀들모터의 가공부하를 측정하는 스핀들가공부하센서 중 적어도 하나 이상을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 진단모듈은, 상기 동기화매핑모듈을 통해 전달된 정보와 가공NC코드를 병행활용하여, 가공NC코드를 통해 수학적으로 예측한 가공부하 패턴을 상기 동기화매핑모듈을 통해 전달된 물리적 특성값 중 가공공구의 가공위치와 가공시간별로 패턴분석 등을 통해서 지능적 진단 로직으로 활용한다.

예시로, 가공공구의 마모 정도와 가공공구의 파손 가능성 여부를 진단하거나, 가공공구의 절삭가공 중 가공부하가 지속적으로 증가하는 패턴을 나타낸 후 특정 위치와 시간에서 가공부하가 '0'에 근접하게 급락하는 패턴이 나타나는 경우 가공공구가 파손되어 실질적으로 절삭가공을 수행하지 못하는 상태임을 진단하거나, 가공공구의 각 날의 고유 진동특성을 FFT분석을 통해 파악하되, 날의 가진주파수와 조화주파수 대역에서 진동의 크기가 정상 가공에 의해 발생하는 진동의 크기에 비해 큰 차이가 나는 경우('0'에 가깝거나 또는 정상 가공의 진동 크기의 2배 이상이거나) 이를 근거로 가공공구의 날에 대한 이상 여부를 진단하거나, 소경공구의 절삭가공 중 발생하는 진동에 대한 FFT분석과 주 축 스핀들 모터의 진동에 대한 FFT분석을 수행한 후 상기 2개 진동의 가진주파수와 조화주파수가 겹치는 것을 제거하고 소경공구의 절삭가공 진동에 의한 주파수들만 획득한 후, 소경공구의 절삭가공 진동에 의한 주파수의 크기를 주 축 스핀들 모터의 가진주파수보다 큰 크기로 환산해서 1~6차 주파수의 패턴 및 크기로 분석하여 소경공구의 파손 여부를 진단하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 진단 후에 불량 가공조건을 양질의 절삭가공조건으로 변경 제어하거나, 양질의 가공조건이지만 생산성이 낮은 경우에는 이송속도와 주축 스핀들의 RPM를 상향 제어함으로써 양질의 가공을 고생산적으로 수행할 수 있도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어진 본 발명은, CNC공작기계가 절삭가공을 진행하는 동안, 가공시간에 대응하는 가공위치와 함께, 각 위치에서 발생하는 물리적 특성값을 파악하고 진단함으로써 물리적 절삭가공의 가공품질과 생산성 등을 개선할 수 있는 이점이 있다.

또한 CNC공작기계의 절삭가공 중에 발생하는 과도한 가공부하와 채터진동 등에 의해서 발생하는 가공불량을 줄이고 절삭가공의 품질을 향상시킬 수 있으며, 양질의 절삭가공을 고생산적으로 수행하도록 지능적으로 절삭가공제어를 수행할 수 있는 어플리케이션 등 다양한 응용작업도구를 개발할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 상기에서 수행한 진단 결과 및 물리적 특성값, 그에 대응하는 가공위치와 가공시간 등의 데이터를 활용하여 NC가공데이터를 수정할 때에, NC가공데이터내 수정에 해당하는 가공위치와 가공시간과 함께 절삭조건의 물리적 특성을 파악한 후에 물리적 원리에 근거해서 절삭조건을 수정하기 때문에, 수정 전의 기존 NC가공데이터에 비해서 양질의 가공과 고생산성의 가공을 수행할 수 있는 수정된 NC가공데이터를 용이하게 생성할 수 있으며, 이를 활용하여 가공품질 및 가공생산성 향상을 위한 절삭가공제어 어플리케이션을 개발할 수도 있다.

또한 본 발명의 지능적 감시, 지능적 진단, 지능적 제어 기능과 구현 기술을 CNC공작기계에 적용함으로써 지능형 공작기계 및 지능형 절삭가공을 수행하는 개방형 컨트롤러 등을 개발하는 용도로도 활용할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 지능형 CNC공작기계 제어시스템을 개략 도시한 구조도.
도 2는 본 발명에 따른 지능형 CNC공작기계 제어시스템의 동작상태를 개략도시한 흐름도.
도 3은 본 발명에 따른 정밀진단 로직 서브모듈을 통해 진단된 절삭공구의 떨림을 FFT분석을 통해 진단한 후 스핀들의 회전속도를 변경하여 절삭공구의 떨림을 제어한 것을 도시한 예시도.
도 4는 본 발명에 따른 정밀진단 로직 서브모듈을 통해 모서리 형상부의 가공시에 가공부하의 급상승을 방지하는 이송속도를 제어하는 방법에 대한 예시도.
도 5는 본 발명에 따른 제어모듈에서 채터 발생시에 채터가 없는 안정적 가공을 위한 스핀들의 회전속도를 제어하는 과정을 개략 도시한 예시도.

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 지능형 CNC절삭가공 제어시스템이 수치제어장치(NC : Numerical Control) 및 피엘씨(PLC : Programnable Logic Controller)가 설치된 CNC공작기계에 적용된 실시예를 통해서 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 지능형 CNC공작기계 제어시스템을 도시한 개념도이다.

도 1을 참조하면 본 발명에 따른 지능형 CNC공작기계 제어시스템(1)은, CNC공작기계에 결합되며 하기의 단계별로 구성된다.

먼저, 데이터전달모듈(10)은 CNC공작기계의 컨트롤러부터 이더넷 등의 통신인터페이스 서브모듈(11)을 통해서 가공공구의 가공위치, 가공시간 등과 같은 공작기계의 가공작업정보를 실시간으로 전달받고, 또한 복수의 센서(12)로부터 절삭가공의 물리적 특성값들을 전달받는다.

동기화매핑모듈(20)은 상기 통신인터페이스 서브모듈(11)로부터 받은 가공위치와 가공시간에 대해서 복수의 센서(12)로부터 받은 물리적 특성값들을 동기화(同期化) 매핑하며, 동기화매핑모듈(20)의 정보를 화면에 표시해주는 동기화 모니터링 서브모듈(21)을 포함한다.

진단모듈(30)은 상기 동기화매핑모듈(20)을 통해 획득한 맵핑데이터를 진단 로직을 통해서 가공상태의 불량 여부와 생산성 등을 판단하는 것으로, 진단모듈(30)의 정보를 화면에 표시하는 진단정보 모니터링 서브모듈(31)과, 가공상태를 정밀하게 진단하기 위한 정밀진단 로직 서브모듈(32)을 포함한다.

제어모듈(40)은 상기 진단모듈(30)에 근거하여 불량 가공상태를 양질 가공상태로 변경할 수 있도록 절삭가공조건을 제어하며 낮은 가공속도를 양질의 가공 범위내에서 높일 수 있도록 절삭가공조건을 제어하는 것이다.

상기 데이터전달모듈(10) 중 통신인터페이스 서브모듈(11)은 가공작업 중 가공좌표계 상 가공공구의 가공위치, 가공시간 등의 정보를 실시간으로 전달하기 위한 것으로 통신 방식은 패러럴, 시리얼, 이더넷, 광통신 등을 통해 정보를 전달할 수 있다.

상기 데이터전달모듈(10) 중 상기 복수의 센서(12)는, CNC공작기계에 설치되어 각각 서로 다른 물리적 특성값을 감지하는 것으로, 일 예로 CNC공작기계에 설치되어 가공공구의 가공음을 측정하는 음향센서, 가공 중에 가공공구과 스핀들주축에 발생하는 진동을 측정하는 가속도계센서, 가공 중에 가공공구과 스핀들 주축에 발생하는 가공부하를 측정하기 위한 스핀들주축 모터의 입력 전류량을 측정하는 전류감지센서 등이 있다.

상기 복수의 센서들은 CNC공작기계가 주축스핀들에 장착된 가공공구로 소재를 가공하면서 발생하는 가공부하와 진동 등의 물리적 특성값을 측정하며 측정 정밀도 등을 고려하여 센서의 개수 및 사양을 달리 할 수 있다.

또한, 음향센서의 경우 가공공구가 소재를 가공하는 지점에서 발생하는 물리적 특성값을 보다 정밀하게 측정하기 위해서 가공지점에 대한 지향성을 가지되 가공지점이 아닌 타 출처의 음향의 측정은 감소시키는 형상부가 더 결합되는 것이 바람직하다.

또한, 가공공구가 장착된 스핀들의 가공부하를 측정하기 위한 전류감지센서는 스핀들 모터의 입력단자에 설치되며, 가공진동을 감지하는 가속도계센서는 주축 스핀들 및 가공테이블에 장착하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 복수의 센서로부터 전달되는 신호 중 아날로그 신호는 DAS(Data Acquisition System)을 통해서 디지털 신호 데이터로 변환되어 사용되는 것이 바람직하다.

상기 동기화매핑모듈(20)은 상기 데이터전달모듈(10) 중 복수의 센서(12)로부터 획득된 센서의 측정값 및 가공공구의 가공위치(X,Y,Z)를 상기 통신인터페이스 서브모듈(11)에서 획득한 가공시간의 정보에 따라 동기화하며, 가공시간에 동기화된 가공위치별로 가공시간에 동기화된 상기 복수의 센서(12)에서 획득한 물리적 결과값을 매핑한다.

그리고 상기 동기화매핑모듈(20)에서 가공위치와 가공시간에 대응하는 물리적 가공값을 동기화 모니터링 서브모듈(21)을 통해 화면에 표시함으로써 가공관련 연구자와 작업자 등이 가공시간계열과 가공위치계열에 대한 물리적 특성값의 패턴 등을 그래프 방식으로 확인할 수 있고, 가공관련 연구자와 작업자 등은 확인된 패턴을 가공상태에 대한 분석 및 예측을 위한 자료로서 활용할 수 있다.

상기 진단모듈(30)은 상기 동기화매핑모듈(20)을 통해 획득한 데이터를 분석하여 가공의 불량 여부와 생산성 등을 진단하기 위한 것으로, 상기 진단 정보를 진단정보 모니터링 서브모듈(31)를 통해 표시하며, CNC정보와 센서 데이터를 복합적으로 활용하여 진단하는 정밀진단로직서브모듈(32)은 이하의 실시예를 통해 진단모듈(30)의 사용상태와 함께 설명하도록 한다.

상기 제어모듈(40)은 상기 진단모듈(30)을 통해 획득한 데이터를 분석하여 가공의 불량여부에 대한 진단 후에 양질의 가공조건으로 이송속도와 주축 회전속도를 변경 제어하거나 생산성을 진단하여 가공속도가 낮은 경우 이송속도와 주축 회전속도를 상향 변경 제어하도록 제어한다.

먼저, 채터진동에 의한 불량은 주축 스핀들에 부착된 가속도계센서와 가공지점에 지향되게 설치된 음향센서를 통해서 획득한 센서 감지값 중 진동데이터를 FFT분석과 FRF분석 처리를 함으로써 채터진동 발생의 여부를 판단한다. 이때 FFT(Fast Fouriee Transforms)분석과 FRF(frequency Response Fumction)분석은 기존 커팅다이나믹스의 이론 등을 활용하여 처리한다.

일예로 진동데이터를 FFT분석하면 가공공구의 날 수와 주축 스핀들 RPM에 의해서 가공공구가 절삭 가공하는 가진주파수(excitation frequency)가 계산되는데, 이 가진주파수와 조화주파수(Harmonic Frequency)대역이 아닌 타 주파수에서 진동의 크기가 커지는 경우에 채터가 발생하며 이 채터에 의한 불량을 진단모듈(30)에서 진단한다.

다음, 생산성의 정도를 분석해주는 방식은 상기 복수의 센서 중 가속도계 센서로부터 획득한 진동특성, 가공소재의 비절삭저항, CNC공작기계의 주축 스핀들의 토크(CNC-메인보드로부터 획득한 데이터) 등에 기초해서 안정적 가공을 수행할 수 있는 가공부하의 최적 범위를 찾고, 특히 이 가공부하의 최적범위내 상한값을 기준으로 생산성의 정도를 진단한다. 일예로 가공부하의 최적범위내 상한값에서 20%이상 작은 가공부하를 가지면 상기 진단모듈은 생산성이 저하된 것으로 진단한다.

이때, 상기 진단모듈(30)이 산출하는 최적가공부하의 범위 및 가공부하관련 측정값 등의 진단정보를 진단정보 모니터링 서브모듈(31)을 통해 화면으로 진단관련 문자, 그래픽 등으로 표시함으로써 가공중인 피가공물의 상태 및 가공의 품질을 화면상에 표시한다.

그리고, 상기 정밀진단 로직 서브모듈(32)은, 상기 동기화매핑모듈(20)의 데이터와 상기 진단모듈(30)을 통해 진단된 진단정보를 복합적으로 분석하여 가공상태를 정밀하게 진단한다.

이때, 상기 정밀진단 로직 서브모듈(32)의 동작 상태는 일예로, 절삭공구가 절삭동작을 수행하는 과정에서 소재(피가공물)의 이물질 또는 절삭칩의 절입(切入)으로 가공공구의 날이 손상된 공구의 불량을 진단할 수 있다. 즉, 가공공구는 회전공구로 2~4개의 날을 가지고 있고 주축 스핀들에 의해서 각 날이 절삭을 위해 회전할 때 각 날의 고유 진동특성을 가지고 있으며 이를 FFT분석으로 파악할 수 있다. 그런데 상술한 불량이 발생한 경우 FFT분석을 확인하면 비정상적 날에 대한 가진주파수와 조화주파수 대역에서 진동의 크기가 거의 '0'에 가깝거나 매우 작게 확인되기 때문에 상기 FFT분석을 근거로 절삭공구의 날에 대한 이상 여부를 진단할 수 있다. 이 불량현상을 정밀하게 진단하기 위해서 비정상적 날에 의한 가공면적이 감소함에 따른 스핀들의 가공부하의 감소 등을 복합적으로 활용하여 진단할 수 있다.

도 3은 상술한 정밀진단 로직 서브모듈(32)을 통해 진단된 절삭공구의 떨림을 FFT분석을 통해 진단한 후 스핀들의 회전속도를 변경하여 절삭공구의 떨림을 제어한 것을 도시한 것이다.

한편, 상기 정밀진단 로직 서브모듈(32)의 또 다른 동작 상태의 예로써, 소경공구(Φ2 이하)로 절삭가공을 수행하는 경우에 공구의 강성이 약하기 때문에 절삭 깊이와 가공속도 등의 절삭조건을 대경공구에 비해 상대적으로 깊이는 얇고 속도는 느리게 설정한다. 이를 통해 절삭깊이가 100㎛ 이하의 미세절삭 가공이 가능하다.

그러나, 상술한 미세절삭 가공은 상기 소경공구의 형상이 가늘고 긴 원형보의 형상이기 때문에 주축 스핀들 모터의 진동특성과 절삭부하에 비해 상대적으로 소경공구의 강성이 약할 수 있고 이로 인해 소경공구의 파손 여부를 정확하게 감지할 수 없는 문제점이 있었다.

이를 해결하기 위해 상기 정밀진단 로직 서브모듈(32)은 소경공구의 절삭가공 진동에 대한 FFT분석과 주축 스핀들 모터의 진동에 대한 FFT분석을 수행한 후에 상기 2개 진동의 가진주파수와 조화주파수가 중첩되는 주파수대역에서는 스핀들 모터의 진동에 해당하는 값들을 제거함으로써 소경공구의 절삭가공 진동에 의한 주파수들만 획득한다. 그리고 상기 소경공구의 절삭가공 진동에 의한 주파수의 크기를 스핀들 모터의 가진진동 주파수보다 큰 크기로 환산해서 1~6차 주파수의 패턴 및 크기를 분석하면 소경공구의 파손 여부를 정확하게 파악할 수 있는 것이다.

한편, 상기 정밀진단 로직 서브모듈(32)의 동작상태의 또 다른 예로서, 가공공구로 가공을 진행할 때 일정한 가공시간이 경과되면 가공공구의 마모가 발생하고 마모가 지속적으로 진행되면 가공공구의 날이 파손되면서 심각한 가공불량이 발생하는 문제가 있는데, 현재의 CNC공작기계의 가공현장에서는 절삭유의 공급 등과 같이 작업자의 시야을 방해하는 요인에 의해 작업자가 육안으로 가공공구의 마모 및 파손을 감지하지 못하고 가공음을 통해서만 판단하기 때문에 신속하고 정확한 진단이 이루어지지 못하고 있다.

이를 해결하기 위해 상기 정밀진단 로직 서브모듈(32)은 주축 스핀들에 설치한 전류센서와 CNC의 스핀들 부하값의 패턴을 통해서 상기 가공불량의 상황을 진단할 수 있다.

즉, 가공공구의 마모가 진행되면 가공부하가 점층적으로 증가하며, 가공공구에 심각한 마모가 발생하면 가공부하가 급증하다가 일정 시점에서 가공부하가 급강하하게 된다. 이는 가공부하의 급증에 의해서 가공공구의 절삭날이 파손되어 절삭량이 감소하면서 가공부하가 감소하기 때문이다. 그런데 상기 가공부하의 패턴은 가공공구의 날이 정상적인 상태에서도 실제 가공이 아닌 급속이동이 이루어지는 구간에서 유사하게 발생할 수 있어서 급속이송구간인지 공구파손에 의한 불량인지를 정밀하게 진단할 필요가 있다.

이에 상기 정밀진단 로직 서브모듈(32)은 CNC절삭가공경로를 지령하는 가공NC코드를 미리 확보하고, 절삭이송구간(G01지령구간)과 급속이송구간(G00지령구간)을 분류한 정보를 통해 급속이송구간의 여부를 파악하며, 절삭이송구간에서 상기 전류센서와 CNC의 주 축 스핀들 가공부하의 패턴이 상기 공구 날의 파손에 의한 고강부하의 급감을 보여줄 경우에 가공공구의 마모에 의한 가공공구 날의 파손과 가공불량을 정밀하게 진단할 수 있다.

한편, 상기 정밀진단 로직 서브모듈(32)의 또 다른 동작 상태의 실시예로서, 피가공물의 가공 중에 모서리 등에 과도한 가공부하가 발생하고 그로 인해 가공공구의 파손과 가공공구의 밀림 등이 발생하며 이는 가공치수오차 등과 같은 가공불량을 초래하는 것을 진단할 수 있다.

즉, 상기 정밀진단 로직 서브모듈(32)은 가공NC코드로부터 수학적으로 계산된 가공부하 패턴과 주축 스핀들에 부착한 전류센서로부터 실제 절삭가공의 가공부하 패턴을 활용하여 모서리 부위 등과 같은 과도한 가공부하가 발생하는 부위에 가공공구가 진입하기 전에 가공공구의 이동속도를 저하시켜서 과부하의 발생을 방지한다.

이를 좀 더 상세히 설명하면, 가공NC코드로부터 계산된 가공부하 패턴은 물리적 절삭가공의 가공부하 패턴과 매우 유사하지만 가공부하의 값은 차이가 있다. 상기 두 개의 패턴에서 가공부하의 크기에서 차이가 발생하는 것은 NC코드에 반영하지 못한 가공공구의 마모 등에 의해서 물리적 가공부하가 수학적 계산값보다 더 커지기 때문이다.

가공NC코드로부터 계산된 가공부하 패턴은 가공부하의 패턴을 파악하고 예측할 때 활용 가능한 정보이며, 이를 근거로 가공NC코드로부터 계산된 가공부하 패턴을 통해서 과도한 가공부하가 발생하는 부위를 사전에 예측진단하며, 상기 진단된 정보를 통해 상기 정밀진단 로직 서브모듈(32)은 가공공구의 파손 등을 예측하고 모서리 형상부 등의 가공수행 전에 가공공구의 이동속도를 감소시키는 것이다.

도 4는 상기 실시예를 설명한 개념도이며, NC코드로부터 계산된 수학적 부하(하부 패턴)과 센서로 획득한 실제가공부하(상부 패턴)과 가공부하의 크기를 복합적으로 활용하여 모서리 형상부와 코너 형상부에서의 가공과부하 및 이로 인한 가공공구의 밀림과 가공공구의 파손 등을 방지하기 위해서 정밀진단 및 사전 선행제어로 이송속도를 제어하여 실제가공부하가 과부하되지 않도록 제어하는 개념을 도시한 것이다.

상기 제어모듈(40)은 상기 진단모듈(30)에서 산출하는 진단에 근거하여 불량 가공상태를 양질의 가공상태로 전환할 수 있도록 절삭가공조건을 제어하며, 낮은 생산성을 내는 절삭조건을 양질의 범위내에서 높은 생산성을 낼 수 있는 절삭조건으로 변경 제어하기 위한 것이다.

먼저 불량 가공상태를 양질의 가공상태로 전환할 수 있도록 절삭가공조건을 제어하는 것을 좀 더 상세히 설명하면, 상기 진단모듈(30)이 실시예1과 같은 채터진동에 의한 불량을 진단하면 주축 스핀들의 RPM을 변경하여 채터진동의 불량을 제거하고 양질의 가공을 수행하도록 한다. 이때 주축 스핀들이 RPM의 변경 범위는 허용 RPM 범위 내에서 최고 RPM을 선정하고, 상기 최고 RPM으로 절삭조건을 변경 제어하는 것이 바람직하다.

다음 상술한 실시예2의 경우 최적가공의 범위에서 최고 속도로 이동속도로 절삭조건을 변경 제어함으로써 가공속도를 높이고 생산성을 향상시킨다.

또한, 상술한 실시예3의 소경공구로 미세절삭하는 가공동작에서는 소경공구의 파손 전에 소경공구를 교환함으로써 피가공물의 손상과 가공 불량을 방지하도록 한다. 이는 상기 진단모듈을 통해 소경공구의 이상 진단이 발생하는 경우 상기 제어모듈(40)이 소경공구를 즉시 교환하도록 지령함으로써 구현된다.

즉, 상기 제어모듈(40)은 상술한 실시예3의 진단이 발생하는 경우 먼저 절삭공구의 교환을 지령하고, 교환된 절삭공구로 재시작하는 가공위치는 불량이 발생한 가공위치보다 가공NC코드에서 이전 3번째 가공위치에서 가공을 수행하도록 가공위치를 제어한다. 이는 피가공물에 발생할 수 있는 가공 단차를 제거하기 위한 것이다.

한편, 상술한 실시예4의 가공공구의 마모에 의한 파손과 마모된 가공공구가 발생하는 경우 이를 교환하고, 교환된 가공공구가 가공위치를 상기 실시예2의 제어와 동일하게 가공공구의 교환이 이루어진 가공위치보다 이전 3번째 가공위치에서 가공을 수행하도록 가공위치를 제어한다.

또한, 상술한 실시예5의 모서리 부위의 진단에 대해서는 상기 실시예2의 최적가공부하 범위의 상한을 넘지 않는 이송속도로 절삭조건의 변경을 제어한다.

그리고, 주축 스핀들의 속도를 제어하는 방법으로는 상기 복수의 센서(12) 중 마이크로폰을 통해 획득한 음향 주파수를 대비 판단하여 스핀들의 회전 속도를 확인할 수 있도록 한다.

이때 상기 마이크로폰을 통해 획득한 음향 주파수를 이용하여 스핀들의 회전속도를 제어하는 과정에서 사용되는 수식은 하기 수학식1과 같다.

여기서 F _t 는 가공공구의 가진진동수이며, RPM은 1분당 스핀들 회전속도, N _t 는 가공공구의 날 수이다.

또한, 상기 복수의 센서(12)를 통해 감지된 값 중 가공공구의 떨림(Chatter Vibration)이 발생하면 하기의 수학식2를 통하여 스핀들의 속도를 제어한다.

하기의 수학식2는 채터가 발생하는 스핀들 속도(RPM)를 안정적 가공이 가능한 가공공구의 가진주파수 및 하모닉 주파수에 해당하는 RPM으로 변경해주는 기능을 한다.

여기서 RPM _n 는 채터가 제거된 양질의 스핀들 속도이며, 각각 ω _c 는 채터가 발생한 스핀들 RPM,

는 가공공구의 날수 K=1,2,3,4,...이다.

도 5는 상기 수학식2를 이용하여 가공공구의 채터진동을 해결하는 것을 도시한 순서도이다.

이를 좀 더 상세히 설명하면, 먼저 제어모듈(40)에서 가공 프로그램에 대한 구동을 지령하게 되면, 해당 구동 지령을 확인한 후 가공공구의 가공 경로를 확인하고(S10), 능동 제어를 수행하는지를 확인한다(S20).

능동 제어를 수행하게 되면, 스핀들로 전달되는 부하(load)와 고속 푸리에변환(FFT)를 확인하고(S30), 떨림을 발견했는지 또는 임계를 초과했는지를 확인한다(S40).

만약 떨림이 발견되었거나 임계를 초과했다면, 상기 [수학식 2]를 통해 새로운 RPM을 제공하거나 가공대상물의 이송속도를 변경한다(S50). 이후 변경된 RPM을 통해 떨림이 발견되었거나 임계를 초과했는지 확인하는 단계(S40)으로 복귀하여 이를 확인하고, 떨림이 발견되거나 임계를 초과하면 새로운 RPM을 다시 제공하는 과정을 반복한다.

만약 떨림이 발견되지 않았거나 임계를 초과하지 않았다면 가공공구의 모니터링을 지속할지 판단하고(S760), 모니터링이 종료되면 상기 과정을 저장하고(S80), 다음 구동 지령을 대기하는 상태가 된다.

이때, 상기 능동 제어의 수행여부를 결정하는 과정에서 만약 능동 제어를 수행하지 않는다면, 이를 별도의 모니터링모듈을 통해 표시하고 동시에 데이터로 저장하는 단계(S21)를 더 포함하여 이루어진다.

또한 상기 지능형 CNC공작기계 제어시스템은 CAM(Computer Aieded Manufacturing) 등 절삭가공관련 교육을 수행할 때 기존 소프트웨어시스템을 통한 수학적 모델과 수학적 데이터를 위주로 보여주는 한계에서 벗어나 물리적 절삭가공에서 발생하는 특성과 가공상태 등을 수치, 패턴, 불량여부의 지시 등의 지식적 데이터로 표시할 수 있다. 이로 인해 교육생과 공작기계 작업자들에게 CNC절삭가공 교육단계에서 현장적 경험을 일부 제공할 수 있으며, 실제 가공품의 품질을 고려한 교육을 수행할 수 있다. 나아가, 공인자격증 등과 같은 관련 시험에서 가공 관련 평가 항목의 판단시 기존 평가자의 주관 및 의존적 평가에 비해 객관적이고 물리적 특성을 고려한 심층적 평가를 수행할 수 있는 효과가 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

1 : 본 발명에 따른 지능형 CNC공작기계 제어시스템
10 : 데이터전달모듈
20 : 동기화매핑모듈
30 : 진단모듈
40 : 제어모듈

Claims (6)

1. CNC공작기계의 컨트롤러와 연결된 통신인터페이스 서브모듈(11)을 통해서 가공공구의 가공위치, 가공시간 등과 같은 가공작업정보를 실시간으로 전달받고, 복수의 센서(12)를 통해 절삭가공 중 발생하는 물리적 상황에 대한 특성값을 전달 받는 데이터전달모듈(10);과,
   상기 데이터전달모듈(10)을 통해 전달된 정보 중 통신인터페이스 서브모듈(11)을 통해 전달되며 진행순서로 정리된 가공공구의 가공위치와 가공시간을 포함하는 가공작업정보에 상기 복수의 센서(12)로부터 전달된 절삭가공 중 발생하는 물리적 상황의 특성값을 진행순서로 정리된 가공작업정보에 연계되도록 매핑하는 동기화매핑모듈(20);과,
   상기 동기화매핑모듈(20)을 통해 전달된 매핑된 물리적 특성값과 미리 저장된 가공NC코드를 대비판단하여 가공품질 및 가공생산성관련 진단 로직을 통해 지능적 진단을 수행하는 진단모듈(30);과,
   상기 진단모듈(30)의 진단결과에 따라서 가공조건을 변경하는 제어를 수행하는 제어모듈(40)을 포함하는 지능형 CNC공작기계 제어시스템에 있어서,
   상기 진단모듈(30)은,
   소경공구의 절삭가공 중 발생하는 진동에 대한 FFT분석과 주 축 스핀들 모터의 진동에 대한 FFT분석을 수행한 후 상기 2개 진동의 가진주파수와 조화주파수가 중첩되는 주파수대역에서 주 축 스핀들 모터의 주파수관련 값을 제거하고, 소경공구의 절삭가공 진동에 의한 주파수들만 획득한 후, 소경공구의 절삭가공 진동에 의한 주파수의 크기를 주 축 스핀들 모터의 가진주파수보다 큰 크기로 환산해서 1~6차 주파수의 패턴 및 크기로 분석하여 소경공구의 파손 여부를 진단하는 것을 특징으로 하는 지능형 CNC공작기계 제어시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 진단모듈(30)은,
   진단된 정보를 화면에 표시하는 진단정보 모니터링 서브모듈(31)과, 가공상태를 정밀하게 진단하기 위한 정밀진단 로직 서브모듈(32)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 지능형 CNC공작기계 제어시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 센서(12)는,
   가공공구가 절삭시 발생하는 가공음(音)을 측정하는 음향센서,
   가공공구가 절삭시 주 축으로 전달되는 가공부하를 측정하는 전류센서,
   가공공구의 가진진동을 측정하는 가속도계센서,
   가공공구와 피가공물 사이에서 발생하는 열을 측정하는 IR센서 및 열화상케메라,
   CNC공작기계 내부에 구비되며 스핀들로 전달되는 가공부하를 측정하는 스핀들가공부하확인센서 중 적어도 하나 이상을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 지능형 CNC공작기계 제어시스템.
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