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[기술특집]NC장치 'OSP'의 동시 5축 제어 기능

입력 : 2019.04.15 16:20

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[첨단 헬로티]


우치다 유지 (內田 勇治)   오쿠마(주)


최근 금형가공의 분야에서도 여러 번의 세팅 교체를 필요로 하는 가공의 시간 단축․가공 코스트 절감 등을 달성하기 위해 동시 5축가공을 채용하는 사례가 증가하고 있으며, 앞으로 점점 더 보급되어 갈 것으로 예상된다. 그 한편으로 5축가공기는 3축가공기와 비교해 기계구성이 복잡하고, 기계 강성에 기인하는 진동이나 변형이 발생하기 쉽기 때문에 보다 매끄러운 가감속 지령으로 이송축을 구동할 필요가 있다.


또한 원하는 형상 정도․가공면 품위를 얻기 위해 필요한 동기축 수가 증가하기 때문에 각 축의 가감속 능력을 충분히 발휘할 수 있게 되어 있지 않으면, 절삭 이송 속도를 높일 수 없는 상황에 직면하는 경우가 있다. 결과적으로 동시 5축가공에서는 3축가공보다 가공 시간이 늘어나는 등의 과제가 있다.


그러나 가공 시간, 형상 정도에 대한 요구는 보다 높아지고 있다. 동사에서는 그 요구에 대응하기 위해 동시 5축가공에 관한 기능 개발을 계속해 왔다. 이 글에서는 최신의 동사 NC 장치 ‘OSP’에 탑재하고 있는 5축 제어 기능에 대해 보고한다.


OSP의 5축 제어 기능


여기에서 동시 5축가공을 하기 위해 동사 독자 기능인 NC 프로그램의 작성이 용이해지는 기능(공구 절삭점 지령 기능, 공구 측면 오프셋 기능, 공구 측면가공 기능), 가공 시간의 단축(서보 내비 AI)나 가공면 품위 향상(공구 자세 보정 기능, 서보 내비 SF)을 가능하게 하는 기능을 소개한다.

 


1. 공구 절삭점 지령 기능


동시 5축가공을 하는 NC 프로그램은 볼, 래디어스, 스퀘어 등의 공구 종류를 결정, 공구 지름․공구 길이를 의식해 CAM으로 작성하는 것이 일반적이다. 그림 1에 공구 종류에 따른 절삭점 지령을 나타냈다. 동일한 가공 워크라도 공구의 종류를 바꿔 테스트 컷하는 경우에는 NC 프로그램을 다시 작성할 필요가 있고, NC 프로그램 작성에 걸리는 공구가 많다고 하는 과제가 있었다.


공구 절삭점 지령 기능은 가공 궤적을 절삭점에서 프로그램 지령하는 것을 가능하게 하고, 공구의 종류, 공구 지름, 공구 길이를 변경해도 동일한 NC 프로그램으로 가공을 할 수 있다. 따라서 NC 프로그램 작성에 걸리는 공수를 절감할 수 있다.


2. 공구 측면 오프셋 기능


공구 측면 오프셋 기능은 동시 5축가공용으로 개발된 공구 지름 보정 기능이다. 보통의 공구 지름 보정은 XY․YZ․ZX의 어느 평면에 대해서 공구축 방향이 수직인 경우에 유효해진다. 이 기능은 앞에서 말한 각 평면에 대해 경사된 공구 자세에서 공구축에 대해 수직인 평면 상에서 공구 지름 보정을 할 수 있다.


그림 2에 공구 측면 오프셋 기능의 개요를 나타냈다. 테이퍼 각도가 붙은 포켓 홈을 동시 5축으로 다듬질가공하는 경우에, 이 기능을 사용함으로써 새로운 NC 프로그램을 CAM으로 작성하지 않고 보정량을 변경하는 것만으로 추입가공을 할 수 있다.

 


3. 공구 측면가공 기능


공구 끝단점 제어에서는 공구 날끝의 궤적만을 가공 톨러런스량 이내가 되도록 제어하기 때문에 공구축을 통과하는 면은 회전축의 동작에 동반해 만곡한다. 그림 3은 공구 끝단점은 동일하며, 공구축 방향의 기울기 유무를 나타내고 있다. 공구 측면가공 기능은 회전축이 동작해도 공구축이 통과하는 면이 가공 톨러런스량 이내가 되도록 제어하기 때문에 공구 끝단점 제어 중에 공구 측면을 사용한 가공(예를 들면 스와프 가공)을 할 수 있다.


4. 공구 자세 보정 기능


CAM 내의 근사 오차나 반올림 오차 등의 지령 형상 오차에 의해 NC 프로그램 내의 공구 자세 방향을 결정하는 회전축 지령 위치가 흩어지는 경우가 있다. 그 결과 이송 속도가 변동하고 가공 시간이 늘어나며, 가공면 품위가 악화하는 등의 과제가 있었다.

 


이 기능에서는 공구 자세 방향을 결정하는 회전축 지령 위치에 대해 지령 위치의 미소 반전이나 흔들림 등의 상태를 그 근방의 지령 위치 상태에서 자동적으로 보정(미소 반전의 제거, 흔들림의 평활화), 보다 매끄럽게 안정된 이송 속도의 가공을 실현한다. 그림 4에 공구 자세 보정 기능의 보정 내용을 나타냈다.


5. 서보 내비 AI (회전축 이너셔 자동 설정)


동시 5축가공의 가공 시간은 회전축의 가감속 성능이 크게 영향을 미친다. 동사에서는 회전축의 가감속 성능은 서보 제어 파라미터에 의해 관리하고 있으며, 서보 제어 파라미터는 회전 테이블에 실은 가공 워크의 이너셔에 대응한 값을 준비하고 있다.


기존에 오퍼레이터가 가공 워크의 이너셔를 수동으로 설정해 서보 제어 파라미터를 변경하는 기능이 있었는데, 가공 워크의 이너셔를 계산하는 수고가 필요하고 오퍼레이터에 있어 부담이 되고 있었다. 결과적으로 기계가 보증하는 최대 허용 이너셔로 동작하는 서보 제어 파라미터가 많이 이용되고, 회전축의 가감속 성능을 충분히 이끌어내지 못했다.


서보 내비 AI(회전축 이너셔 자동 설정)는 유저 자신에 의한 원터치 조작으로, 테이블에 실은 가공 워크의 이너셔를 회전축의 왕복 동작에 의해 자동 결정, 그 이너셔에 대응한 서보 제어 파라미터를 설정하는 기능이다. 이 기능에 의해 가공 워크의 이너셔에 대응해 회전축의 가속도 설정을 쉽게 적정화할 수 있게 되어 가공 시간을 단축하는 것이 가능해졌다.


서보 내비 AI의 사용 전후에서, 그림 5의 펜 케이스의 동시 5축가공에 걸리는 시간을 표에 비교해 나타냈다. 기계는 동사 5축 제어 머시닝센터(MC) ‘MU-6300V’를 사용했다. 거친가공, 중다듬질, 다듬질의 3공정이 있으며, 전 가공 공정에 걸리는 가공 시간을 71분 06초에서 53분 36초(단축률 24.6%)로 단축할 수 있었다.

 

 


6. 서보 내비 SF (회전축 반전 돌기 자동 조정)


가공 중에 이송축의 이동 방향이 반전하는 워크 부위에서 반전 돌기라고 불리는 가공면의 외란이 발생하는 경우가 있다. 특히 동시 5축가공에서는 회전축의 추종 오차가 회전축 중심에서의 거리에 비례해 가공면에 전사되기 때문에 외란이 눈에 띄기 쉽다.


동시 5축에 의한 추종 성능을 평가하는 수단으로서 공구 끝단이 원뿔대의 궤적을 a는 NC 프로그램을 동작시키고, 공구 끝단을 볼바로 측정하는 방법이다. 이 NC 프로그램에는 회전축이 반전되는 동작이 포함되어 있으며, 회전축의 반전 돌기를 평가할 수 있다.


반전 돌기는 구동기구에 포함되는 로스트 모션이나 마찰력의 작용 방향 변화에 의해 발생하는 반전 시 추종 지연이 요인으로, 반전 시 추종 지연은 서보의 보상 기능에 의해 억제할 수 있다. 그러나 경시 변화 등에 의해 로스트 모션이나 마찰력이 변화하면, 반전 시 추종 지연을 억제하기 위해 출하 시에 조정한 서보 제어 파라미터가 미스 매치되기 때문에 반전 돌기가 발생해 가공면 품위가 악화되는 과제가 있었다.


서보 내비 SF(회전축 반전 돌기 자동 조정)는 반전 시 추종 지연을 보상하기 위한 서보 제어 파라미터를 유저 자신에 의한 원터치 조작으로 자동 조정하는 기능이다. 이 기능에 의해 미스 매치된 서보 제어 파라미터를 리매치할 수 있기 때문에 안정된 가공면 품위를 계속시킬 수 있게 된다.

 


그림 6에 서보 내비 SF의 사용 전후에 의한 원뿔대 진원도 비교를 나타냈다. 기계는 MU-6300V를 사용했다. 경시 변화에 의해 발생하고 있던 반전 돌기가 9μm에서 3μm로 개선됐다.

 


그림 7은 회전축 중심과 워크의 거리를 변화시킨 경우의 비교이다. 회전축의 반전 시 추종 지연은 동등해도 날끝에서는 회전축 중심에서의 거리가 가까울수록 오차가 축소되기 때문에 반전 돌기가 9μm에서 3μm로 개선된다는 것을 알 수 있다. 이것은 워크를 회전축 중심에 가까운 위치에 두는 것만으로 가공면 품위가 향상된다는 것을 의미하고 있으며, 오퍼레이터가 알아두길 바라는 정보다.


동사에서는 동시 5축가공의 고면품위화를 추구하는 한편, 가공 시간의 단축에도 힘을 기울이고 있다. 가공면 품위와 가공 시간은 트레이드 오프의 관계에 있는데, 기계․전기․정보․지식창조의 융합 기술에 의해 양립을 더욱 추진해 간다. 동시에 고객의 가공 조건에 맞는 제어 파라미터를 간단히 선택할 수 있는 등 조작성 향상을 위해 앞으로도 기능 개발을 추진해 갈 것이다.


우치다 유지 : FA시스템본부 FA개발부 서보개발과

/서재창 기자(prmoed@hellot.net)

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