[첨단 헬로티]
카미야 타케오 (紙谷 健生) 지멘스(주)
최근 세팅 절감이나 공수 경감, 가공 정도 향상을 목적으로 5축 기계의 가공이 매우 주목받고 있다. 5축 기계의 가공은 가공대상에 따라 부품가공과 같이 가공면 분할을 하고 거기에서 2차원 형상의 가공을 하는 경사면가공과, 금형가공과 같이 돌출을 짧게 해 주속이 '0'이 되지 않도록 툴을 기울여서 3차원 자유곡면 형상의 가공을 하는 동시 5축가공으로 크게 나눠진다.
각각의 가공에 요구되는 CNC 기능은 다른 점도 있지만, 여기에서는 동사의 최신 5축가공 관련 CNC 기능을, 특히 동시 5축가공을 중심으로 소개한다.
동시 5축가공
기존 동시 5축가공 프로그램은 포스트 프로세서 상에 기계의 축 구성이나 위치 관계, 그리고 공구 보정량이나 워크 좌표계를 입력, 그 기계, 그 지그용 기계 좌표계 기준의 프로그램을 작성할 필요가 있었다. 또한 3차원 형상을 재현하기 위해서는 대량의 미소 선분의 연속 지령으로 프로그램이 작성된다
이것과는 별도로 회전축과 직선축을 보간시키면 식입이 생긴다는 것이 알려져 있다. 이 문제를 회피하기 위해 포스트 프로세서에서는 리니어라이제이션 처리를 할 필요가 있으며, 3차원 형상을 표현하는 것과는 별도로 미소 선분을 생성할 필요가 있다.
이 기계 좌표계 기준의 프로그램 작성 방식에서는 가공면 품위를 높이기 위해서는 선분 길이를 필요 이상으로 짧게 할 필요가 있다. 그 결과 가공 프로그램이 큰 사이즈가 되어 CNC에서 입력 처리, 가감속 처리 등이 제약이 되고 가공 시간의 단축이 곤란했다.
또한 좌표계나 공구 길이 등은 CNC 기능을 사용해 변경할 수 없고, 변경이 필요한 경우 포스트 프로세서로 되돌아가서 재계산이 필요하다. 동사제 CNC ‘SINUMERIK 840Dsl’에서는 ‘Advanced Surface/Top Surface’나 5축 좌표 변환 기능 ‘TRAORI’를 사용함으로써 이들 사용 상의 제약을 없애고, 동시 5축가공을 매우 사용하기 쉽게 했다.
1. Advanced Surface/Top Surface
Advanced Surface/Top Surface는 미소 선분군으로 구성되는 가공 프로그램을 실행할 때에 내부에서 매끄러운 스플라인 곡선으로 자동적으로 변환하는 기능이다(그림 1). 이 내부 변환은 운전하면서 차례로 선행 블록을 처리해 가므로 외부에서는 의식되지 않는다.
구체적으로는 복수의 미소 선분군을 설정한 톨러런스 폭(허용 폭)으로 스플라인 곡선으로 변환한다. 일반적으로 CAM에서 출력된 미소 선분군은 CAD 상의 스플라인 곡선에서 가공 톨러런스를 근거로 직선 분할되어 생성되고 있으며, 이 CNC 변환 기능은 ‘원래의 스플라인 곡선을 복원하는 기능’이라고도 해석할 수 있다. 이것은 기존에 필요 이상으로 선분을 분할하고 있던 것이 불필요하다는 것을 의미한다.
그 결과 기존의 CAD/CAM 시스템으로 작성된 보통의 G01 미소 선분군으로 기술된 가공 프로그램에서도 가공면을 매끄럽게 하는 동시에, 가공 시간의 대폭적인 단축을 동시에 실현할 수 있다. 또한 스플라인 곡선 생성 시에 NC 내부의 지령점을 균일하게 늘어놓음으로써 매끄러운 가공면을 얻을 수 있게 된다. Top Surface는 Advanced Surface의 레벨업 기능으로, 스무딩 선택에 의해 보다 미세한 지령점에 대한 거동을 선택할 수 있게 됐다(그림 2).
2. 5축 좌표 변환 기능 TRAORI
기존의 기계 좌표계 기준의 동시 5축가공 프로그램은 동시 3축가공과 같이 워크 좌표계나 공구 보정량을 가공현장에서 변경할 수 없다는 것은 앞에서도 언급했다. 이것은 실제로 가공하는데 있어 5축가공기의 운용성, 조작성을 현저하게 저해하고 있다. 5축 좌표 변환 기능 TRAORI는 사용하는 공작기계의 축 구성에 의존하지 않는 워크 좌표계 기준의 가공 프로그램으로 가공하는 것이 가능해진다.
프로그램 실행 시 리얼타임에 필요한 좌표 변환 계산을 하므로 3축 가공과 동일하게 세팅 시에 워크 좌표계의 시프트나 회전 설정, 공구 보정량 변경이 가능해진다. 구체적인 프로그래밍 포맷은 5축 좌표 변환 개시 시에 TRAORI라고 기술, 이후는 그림 3에 나타낸 포맷으로 공구 끝단 궤적 및 공구의 기울기를 정의하면 된다. 5축 좌표 변환 중에서도 다른 기능과의 간섭은 없고, 앞에서 말한 Advanced Surface/Top Surface와의 병용도 가능하다.
또한, 단순히 공구를 일정하게 기울이는 가공만을 하고 싶은 경우, 앞에 나타낸 포맷과는 별도로 공구 각도를 LEAD, TILT로 직접 지령함으로써 운전 가능해진다(그림 4).
3차원 공구 지름 보정 기능
5축가공에서는 공구가 기울어진 상태에서 가공이 이루어지는 경우가 많지만, 그 때 공구 지름 보정을 하려고 하면 기울기를 고려한 보정, 즉 3차원 공구 지름 보정 기능이 필요해진다. SINUMERIK 840Dsl는 크게 2가지 보정 모드를 가지고 있으며, 하나는 측면가공용 3차원 공구 지름 보정, 또 다른 하나는 금형 등의 자유곡면 표면을 가공하는 경우의 3차원 공구 지름 보정이다. 3차원 공구 지름 보정을 사용하면, 지름의 마모분 보정을 쉽게 대응할 수 있게 된다.
또한, 지름이 다른 공구라도 동일한 프로그램을 사용할 수 있기 때문에 프로그램을 작성하는 수고가 대폭적으로 절감된다. 3차원 공구 지름 보정을 사용하는 경우 공구 형상의 인식이 필요해지는데, 공구 형상은 CNC로 미리 형상 인식할 수 있는 구조로 되어 있으며, 사용하는 공구를 정의할 때에 공구 종류를 정보로서 정의할 수 있다.
좌표 변환 정수의 자동 계측 기능 ‘CYCLE996’
5축 좌표 변환 기능에서는 미리 기계의 회전축 중심의 기계 위치 관계가 CNC 중에 등록되어, 그 정보를 기초로 CNC 내에서 좌표 변환의 계산이 이루어진다. 하지만 기계의 가동 상황에 따라 자세 변형의 영향을 받을 우려도 생각할 수 있다.
그래서 변환 정수를 얻기 위한 기계 정보를 ‘CYCLE996’라고 부르는 전용 계측 사이클(매크로)를 사용해 자동 취득할 수 있게 했다(그림 5). 기계의 특성에 의해 정기적으로 CYCLE996에 의한 계측, 데이터 갱신을 함으로써 보다 정도가 높은 5축 동시 가공을 실현할 수 있다.
시뮬레이션 기술
동시 5축가공 등의 최첨단 가공 분야에서는 CAD/CAM/포스트 프로세서/시뮬레이션 소프트웨어 등의 오프라인 소프트웨어와 CNC의 관계가 보다 밀접하게 되어 간다. 앞에서 서술한 5축 좌표 변환 기능 TRAORI에서는 ‘CAM이 아니라 CNC가 기계의 자세를 결정한다’고 하는 것이 이루어지기 때문에 오프라인의 PC 상에서 미리 가공 프로그램을 확인하기 위해서는 CNC와 완전히 동일한 기능을 가진 시뮬레이션 소프트웨어가 필수가 된다.
그래서 CNC와 동등한 기능을 가지는 소프트웨어 모듈 ‘Virtual NC Kernel’(이하 VNCK)을 시뮬레이션 소프트웨어 메이커에 제공하는 시도가 이미 시작되고 있다.
실제 가공을 생각하면 G 코드의 NC 프로그램이 완성되어도 즉시 실제 가공으로 전개할 수는 없다. 특히 복합기의 경우에는 움직임 자체가 복잡하고, 지그와의 간섭 등 체크를 충분히 할 필요가 있기 때문에 그것이 현저하다. 확인이 불충분하면 기계에 막대한 데미지를 줄 우려가 있고, 본래 생산성 향상을 목적으로 도입한 기계가 전혀 의미 없는 것이 되어 버릴 우려가 있다.
사전의 동작 확인은 PC 상에서 버추얼 머신을 사용하는 시뮬레이션이 보급되고 있다. PC 상의 버추얼 머신에서는 사용 공구, 사용 지그를 미리 등록해 두고, PC 상에서 대상 프로그램의 궤적 시뮬레이션을 한다. 이 작업에 의해 공구의 간섭이나 과삭 등을 실제 가공 전에 확인할 수 있게 된다.
PC 상에서 사전에 시뮬레이션을 하는 이유는 실제 기계로 때마다 NC 프로그램 평가를 하는 것이 현저하게 생산성을 떨어트리기 때문이다. G 코드에서 해석되는 버추얼 머신의 각 축 움직임은 머신 시뮬레이션 메이커가 CNC 장치의 설명서를 보고, G 코드 해석용 인터프리터를 독자적으로 코어 소프트웨어로서 만들어 넣고 있다.
XYZ만의 단순한 기구의 기계라면, 어느 정도 정도 좋게 시뮬레이션할 수 있다. 그러나 예를 들면 공구 자세를 직접 지령하는 동시에 5축가공기 등에서는 기계 자세의 결정이 CNC에 맡겨지기 때문에 해가 2가지 존재하는 경우가 있고, CNC의 거동과 머신 시뮬레이터의 인터프리터 출력이 일치한다고는 한정되지 않는다. 이와 같은 불안 때문에 결국은 실제 기기에서 확인해야 하는 것이 실정이다.
이에 동사에서는 CNC 해석부의 코어 소프트웨어를 쉽게 머신 시뮬레이터에 실장하는 것을 목적으로 한 VNCK를 개발, 일부 머신 시뮬레이터 메이커에 제공하고 있다. 그림 6은 동사 ‘NXCAM’에 대한 적용 사례이다.
VNCK는 SINUMERIK 840Dsl의 프로그램 해석 부분을 코어 소프트웨어로 한 것으로, 실제로 가동하고 있는 기계의 머신 데이터(파라미터)나 공구 정보, 오프셋 정보를 머신 시뮬레이터의 조건 설정을 통해 VNCK에 설정한다. VNCK는 CNC의 해석부 그 자체이므로, 기계 메이커가 작성한 독자의 사이클(매크로 프로그램)이나 동사 CNC가 갖는 다항식 보간 등을 충실하게 재현하는 것이 가능해진다.
사전 평가의 대상 프로그램을 실행하면, 실제 CNC와 완전히 동일한 인터프리터로 해석하기 위해 실제 가공과 완전히 동일한 움직임을 재현할 수 있다. 이것으로 정확한 머신 시뮬레이션을 실현할 수 있고, 공구, 지그 등의 기계 간섭 체크에 위력을 발휘한다.
동시 5축 제어 관련을 중심으로 동사 CNC의 특징적이 기능을 설명해 왔는데, 이들은 유저의 사용법에 따라 최적의 것이 변해 간다. 앞으로도 유저의 요구를 반영하면서 최적의 솔루션을 제안해 갈 것이다.
카미야 타케오 : 모션 컨트롤 공작기계부 기술부 테크니컬어카운트매니저
