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[기술특집]절삭 시뮬레이션을 통합한 엔드밀 가공용 CAM의 개발

입력 : 2020.01.14 14:27

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[첨단 헬로티]


니시다 이사무 (西田 勇), 시라세 케이이치 (白瀨 敬一)   神戶대학


1. 서론


엔드밀 가공을 대상으로 형상해석 및 절삭량의 예측이 가능한 절삭 시뮬레이션을 통합한 CAM 소프트웨어를 개발했다. 이 소프트웨어는 공구경로의 생성과 동시에 절삭 시뮬레이션을 실현하기 때문에 저 메모리, 그리고 고속으로 처리가 가능한 시뮬레이션 기술을 새롭게 제안하고 있다.


이 소프트웨어에 의해 가공 결과를 사전에 예측함으로써 세팅 작업(시절삭)의 절감이 가능하다. 또한 절삭량에 대응해 공구 이송 속도를 수정함으로써 가공 효율의 향상과 가공 트러블 방지를 동시에 실현할 수도 있다.


2. 절삭 시뮬레이터를 통합한 CAM 시스템


(1) 저 메모리, 그리고 고속 처리를 실현하는 외형선 모델에 의한 3차원 형상 처리


절삭 시뮬레이션에 필요한 처리는 피삭재와 공구의 간섭량을 계산해 피삭재의 형상 변화를 해석하는 것 및 공구 1날당 이송량마다 제거량을 산출하는 것이다. 이전부터 피삭재 형상을 복셀 모델로 표현함으로써 피삭재와 공구의 간섭량을 산출하는 연구가 많이 이루어져 왔다.


복셀 모델에서는 3차원 형상 전체를 이산적으로 표현할 수 있고, 복잡 형상의 가공에서도 공구와 피삭재의 간섭량을 복셀 개수로 계산할 수 있어 연산처리가 간단하다는 장점이 있다.


그러나 복셀 모델을 이용한 해석에서는 고정도의 시뮬레이션을 하는 경우에는 컴퓨터의 메모리를 대량으로 소비하는 것과, 많은 복셀로부터 공구와 피삭재가 간섭하고 있는 복셀을 특정할 때에 많은 계산 시간을 필요로 하는 것이 과제였다. 이번 연구에서 목표로 하는 CAM 시스템으로 통합하는 절삭 시뮬레이터는 짧은 계산 시간의 해석이 요구된다.

 


이에 이번 연구에서는 저메모리, 고속 처리를 실현하기 위해 피식재 형상을 외형선 모델로 표현하는 방법을 새롭게 제안하고 있다. 외형선 모델은 그림 1에 나타냈듯이 피삭재 형상을 ZX 평면으로 작게 분할하고, 분할한 평면 상의 피삭재 외형선을 중복해서 표현하는 것이다.


(2) 외형선 모델에 의한 공구와 피삭재의 간섭량 산출 방법


기존의 복셀 모델을 이용한 절삭 시뮬레이션에서는 공구와 피삭재의 간섭에 의한 피삭재 형상의 갱신 및 간섭량은 공구 내부에 존재하는 복셀을 검출해 그 개수를 산출하면 되고, 연산이 용이했다.


그러나 외형선 모델에서는 분할한 평면 상의 피삭재 외형선은 불균일한 직선의 이음으로 표현되어 있기 때문에 공구와 피삭재의 간섭에 의한 피삭재 형상의 갱신 및 간섭량의 산출은 곤란하다. 이 연구에서는 이하에 나타낸 방법에 의해, 피삭재 형상의 갱신 및 간섭량의 산출을 실현하고 있다.

 


그림 2에 나타냈듯이 공구를 피삭재와 동일하게 ZX 평면으로 작게 분할하고, 분할한 평면 상의 피삭재 외형선과 공구 외형선의 간섭을 판정한다. 이 때 해석의 간격(해석 스텝당 공구 이동량)은 공구 1날당 이송량으로 하고 있다.


스퀘어 엔드밀의 경우, 분할한 평면 상에서 표현되는 공구 형상은 직사각형이 되기 때문에 동 그림에 나타냈듯이 그 직사각형과 피삭재 외형선의 교점을 산출하고, 그 교점 및 직사각형의 정점을 연결해 직사각형 내부의 불필요한 정점을 제거함으로써 피삭재의 외형선을 갱신할 수 있다.


다음으로 공구와 피삭재의 간섭량 산출 방법에 대해 설명한다. 앞에서 말한 공구와 피삭재의 간섭에 의한 피삭재 형상의 갱신에 있어, 피삭재의 외형선을 갱신할 때에 공구와 피삭재의 간섭 영역을 둘러싼 정점을 산출한다.

 


이들의 정점에서 간섭 영역의 면적을 산출할 수 있다. 그림 3에 나타냈듯이 각 분할 평면의 공구와 피삭재의 간섭 영역 면적에 분할 평면 간의 거리를 누계해, 모든 평면의 합계를 구함으로써 공구와 피삭재의 간섭량(체적)을 산출할 수 있다.


3. 케이스 스터디


그림 4에 나타낸 제품 형상을 이용해 케이스 스터디를 하고, 이 시스템의 타당성 검증을 했다. 케이스 스터디에 이용한 가공 조건을 표에 나타냈다. 동 표에 나타낸 가공 조건으로 공구경로를 산출, 산출한 공구경로에 대해 절삭 시뮬레이션을 했다.

 


공구경로는 필자 등이 이전부터 대응하고 있는 가상 모방가공 시스템을 이용해 생성했다. 생성한 공구경로를 그림 5에 나타냈다. 또한 절삭 시뮬레이터에 의한 가공 형상의 예측 결과를 동 그림에 함께 나타냈다. 또한 공구 1날당 이송량으로 산출되는 절삭량의 예측 결과를 그림 6에 나타냈다.

 


이상의 결과로부터 이 연구에서 제안한 외형선 모델에 의한 3차원 형상 처리에 의해 저 메모리, 고속 처리를 실현할 수 있고, CAM 시스템으로 통합하는 것이 가능해졌다. 이 연구에서 제안한 절삭 시뮬레이터를 통합한 CAM 시스템은 이미 대학발 벤처기업인 BESTOWS(주)에서 제품화를 하고 있다.


4. 맺음말


3차원 형상 처리를 저 메모리, 고속으로 할 수 있는 외형선 모델을 새롭게 제안하고, 공구경로의 생성과 동시에 절삭 시뮬레이션이 가능한 CAM 소프트웨어를 개발했다. 이 소프트웨어에 의해 가공 결과를 사전에 예측함으로써 세팅 작업(시험 절삭)의 절감이 가능하다.


또한 절삭량에 대응해 공구 이송 속도를 수정함으로써 가공 효율의 향상과 가공 트러블 방지를 동시에 실현할 수도 있다.

/서재창 기자(prmoed@hellot.net)

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