KR101257275B1 - 자동가공기능을 갖는 지능형 ｃｎｃ공작기계 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동가공기능을 갖는 지능형 CNC공작기계 및 그 제어방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 CNC공작기계에 공작물의 모델링정보를 입력하면 가공시 필요한 가공순서, 공구, 공구의 이동경로가 자동으로 선정되어 NC데이터를 생성하고, 생성된 NC데이터에 의해 공작물의 가공이 이루어지도록 하며, 가공시 가공상태를 실시간으로 측정하여 오차 확인시 즉시 보정이 이루어지도록 하여 최적의 가공상태를 유지시킴으로써 품질과 생산성을 향상시키는 자동가공기능을 갖는 지능형 CNC공작기계 및 그 제어방법에 관한 것이다.

Description

자동가공기능을 갖는 지능형 ＣＮＣ공작기계 및 그 제어방법{INTELLIGENT CNC MACHINE TOOL WITH AUTOMATIC PROCESSING FUNCTION AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 자동가공기능을 갖는 지능형 CNC공작기계 및 그 제어방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 CNC공작기계에 공작물의 모델링정보를 입력하면 가공시 필요한 가공순서, 공구, 공구의 이동경로가 자동으로 선정되어 NC데이터를 생성하고, 생성된 NC데이터에 의해 공작물의 가공이 이루어지도록 하며, 가공시 가공상태를 실시간으로 측정하여 오차 확인시 즉시 보정이 이루어지도록 하여 최적의 가공상태를 유지시킴으로써 품질과 생산성을 향상시키는 자동가공기능을 갖는 지능형CNC공작기계 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 공작기계는 여러 가공을 수행하는 장치를 통칭하는 것으로 가공범위에 따라 여러 종류가 알려져 있으며, 대표적으로는 CNC(Computerized Numerical Control) 공작기계가 있다. 상기 CNC 공작기계는 공작물의 절삭가공을 하는 경우 가공치수, 형상, 필요한 공구, 이송속도 등을 선택적으로 지시하는 수치 데이터를 기록한 프로그램을 컴퓨터와 직접 연결시켜 자동적으로 절삭공구의 위치를 결정하거나 자동절삭을 수행하도록 한 것이다.
이러한 CNC 공작기계와 관련된 기술로 특허문헌 1 내지 4가 있다.

이러한 종래 CNC 공작기계를 구동시키는 방법으로는 소정의 응용프로그램을 이용하여 가공할 제품에 대한 모델링작업(제품 모델링)을 수행한 후, 이에 생성된 제품 모델링을 이용하여 가공할 제품의 금형을 설계하는 가공 모델링을 수행한다. 그리고 상기 생성된 가공 모델링 정보(데이터: 파일 등)를 이용하여 제품을 생산하기 위한 공작물에 대한 가공(tooling) 작업을 수행하게 된다. 상기 가공작업은 매우 정밀한 작업으로, 제품의 종류나 사이즈, 또는 제품의 복잡성에 따라 가공시간이 차이나며, 특히 숙련자와 비숙련자의 능력에 따라 매우 많은 시간차이가 발생된다. 예를 들어, 같은 종류의 제품가공시 비숙련자와 숙련자의 시간 차이는 최대 6~10시간 이상 차이나는 제품도 있으므로, 숙련도가 CNC 공작기계를 이용하여 공작물을 가공할 때 생산 효율을 좌우하는 중요한 변수로 자리 잡고 있었다.

이에 근래에는 숙련도에 따른 제품생산 효율의 차이를 최소화하기 위해 CNC공작기계에 필요작업에 따른 사용가능 공구 정보와, 각 공구의 이동경로 등 정보를 DB로 데이터화하여 저장되도록 하고 있다. 이와같이 공구 정보가 DB화되면 작업자는 CNC공작기계에 가공 모델링 정보를 입력한 후 작업순서를 정하고, 각 작업순서에 필요한 공구를 내부의 기준DB에서 선택하여 지정하기만 하면, 공작물에 대한 가공은 수동으로 설정한 각 작업순서에 따른 설정된 가공데이터(NC데이터)에 의해 자동으로 수행됨으로 품질의 오차를 최소화하면서 대량생산이 가능하도록 한다.

그러나 이러한 방법도 작업자가 작업 순서 및/또는 작업에 필요한 공구의 선택을 수동으로 선택하여야 함으로 작업자의 선택정도에 따라 가공시간이 변화될 수 있다. 즉, 작업순서와 공구 선택에 따라 공구이동 시간차가 발생됨으로 대량 가공시 최종 생산량에 차이가 발생될 수 있다.

따라서, 작업자의 수동선택 빈도를 최소화해 가공생산속도를 일정하게 유지되도록 하면서, 가공된 제품의 품질을 향상시킬 수 있는 자동가공기능을 갖는 CNC공작기계 및 그 제어방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.

1. 대한민국 특허등록 제0173298호 2. 대한민국 특허등록 제0407890호 3. 대한민국 특허등록 제0256490호 4. 대한민국 특허등록 제0454717호

이에 본 발명에 따른 자동가공기능을 갖는 지능형 CNC공작기계 및 그 제어방법은,

입력되는 모델링 데이터를 분석하여 공작물의 가공할 과정과 사용되는 도구를 제어장치 내에 저장된 DB로부터 자동으로 선택하고 이를 최적화하여 NC데이터를 생성하고, 가공장치에는 공급된 공작물의 크기와 좌표를 자동측정하고, 상기 공작물의 좌표와 NC데이터의 좌표를 일치시킨 다음 공작물을 가공하도록 함으로써 가공과정에서 작업자의 수동선택 빈도와 가공품 품질오차를 최소화하고, 공구파손에 의한 오류 발생시 대체공구를 검색함과 동시에 검색된 대체공구에 따른 NC데이터를 재생성함으로써 공작물가공의 정밀도를 향상하는 지능형 CNC공작기계 및 그 제어방법의 제공을 목적으로 한다.

상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 자동가공기능을 갖는 지능형 CNC공작기계는

공작물을 가공하는 CNC공작기계에 있어서, 다수의 공구, 스핀들, 테이블, 주축대, 터릿, 측정센서가 설치되어 측정센서로 안치되는 공작물의 좌표와 크기를 측정하고, NC데이터에 의해 선택된 공구로 공작물을 순차적으로 절삭 및 가공하는 가공장치와; 상기 가공장치의 각 장치 구동과 각 부의 신호을 제어하고, 가공장치에 장착된 공구의 특성(공구 종류, 크기, 사용용도, 최적사용환경)과 공구 이동경로와 각종 가공정보가 저장된 기준DB와, 모델링데이터의 가공순서와 공구이동경로인 NC데이터가 저장하는 가공DB를 포함하고, 가공장치의 구동제어가 이루어지며, 작업오류로 대체된 공구로 재생성된 NC데이터를 가공DB로 저장하는 제어장치와; 상기 제어장치의 기준DB 또는 가공DB로부터 데이터를 추출하여 순차적으로 최적경로를 설정하고, 가공과정에서 가공부에 설치된 측정센서의 측정값과 가공허용오차인 기준값을 대비하여 차이만큼 보정이 이루어지고, 작업오류에 대한 대체솔루션이 선택되면 대체공구정보에 따른 NC데이터를 재생성하는 연산처리장치와; 가공장치의 공구정보와 가공과정에서의 정보와 오류대체 솔루션을 표시하는 디스플레이부와, 상기 표시된 내용의 선택사항 입력 및 모델링데이터를 입력하는 입력부와, 기기가공오류시 오류정보를 작업자에게 메시지 전송하는 유무선통신부를 포함하고, 제어장치의 기준 및 가공 DB데이터 정보를 디스플레이하여 편집가능하게 하고, 가공상태를 작업자에 메시지로 송출시키고, 작업오류시 대체 여부를 판단하여 교체가 이루어지도록 하고 교체정보에 의해 NC데이터의 편집 및 업데이터를 지시하는 인터페이스장치;를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 CNC공작기계의 제어방법은,

CNC공작기계의 자동제어방법에 있어서, 공작물을 가공장치로 공급하고, 레이져 또는 터치 방식의 측정센서를 이용해 공작물의 좌표와 공작물크기를 측정하여 제어장치로 저장하는 초기공작물데이터 자동 생성과정과; 인터페이스장치의 입력부를 통해 최종가공될 공작물의 모델링데이터를 입력받는 과정과; 상기 입력받은 모델링데이터를 연산처리장치로 전송하고, 연산처리장치에서는 모델링데이터의 모델 크기와 형상을 분석하는 과정과; 분석된 데이터와 초기공작물데이터를 비교하여 가공에 사용될 공구 및 소재를 설정하고 제어장치의 기준DB에서 해당공구를 선택하는 과정과; 상기 선택된 공구의 이동경로를 산출하고 공작물의 가공 순서를 설정하여 NC데이터를 생성하는 과정과; 상기 생성된 NC데이터를 분석하여 불필요한 가공경로삭제, 가공순서편집, 이동속도조절에 의해 최적화하여 제어장치의 가공DB에 저장하는 NC데이터 최적화과정과; 최적화된 NC데이터를 작업자가 인터페이스장치의 디스플레이부로 확인하고, 입력부를 통해 가공실행명령을 입력하는 과정과; 가공실행명령이 입력되면 제어장치의 NC데이터 순서에 의해 가공장치에서 공작물 가공이 이루어지게 하는 공작물 가공과정과; 공작물 가공과정에서 가공장치에 설치된 센서로 실시간 가공상태를 측정하여 센서측정값을 제어장치로 전송하는 센서측정과정과; 전송받은 센서측정값과 기준DB의 공구특성 또는 기준값과 대비하여 허용범위를 내로 가공이 이루어지도록 보정하여 최적가공상태를 유지해 가공을 완료하는 실시간 가공 최적제어과정;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 해결수단에 의한 본 발명의 자동가공기능을 갖는 지능형 CNC공작기계 및 그 제어방법은,

입력되는 모델링 데이터를 분석하여 공작물의 가공할 과정과 사용되는 도구를 제어장치 내에 저장된 DB로부터 자동으로 선택하고 이를 최적화하여 NC데이터를 생성하고, CNC공작기계의 가공장치는 공급된 공작물의 크기와 좌표를 자동측정하고, 상기 공작물의 좌표와 NC데이터의 좌표를 일치시킨 다음 공작물을 가공하도록 함으로써, 가공공정의 자동화에 의해 작업자 숙련도에 따른 생산량 차이를 최소화함과 동시에 가공과정에서의 각종 가공오차 보정에 의해 가공품의 품질을 향상시킬 수 있다.

또한, 공구파손등의 오류발생시 대체가능한 공구를 자동검색하고, 검색에 의해 선택된 공구를 기준으로 NC데이터를 업데이트하고, 대체방안이 없을 경우 작업자에게 작업중단 및 중단이유를 메시지를 전송하는 등 스스로 문제해결방안을 찾는 등 신속한 조치가 이루어지는 유용한 장치 및 방법의 제공이 가능하게 되었다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지능형 CNC공작기계의 전체 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지능형 CNC공작기계의 제어과정으로 도시한 블록도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 지능형 CNC공작기계에서 오류발생시의 제어과정을 도시한 블록도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 지능형 CNC공작기계의 작업흐름도.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 자동가공기능을 갖는 지능형 CNC공작기계 및 그 제어방법을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지능형CNC공작기계의 전체 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지능형 CNC공작기계의 제어과정으로 도시한 블록도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 지능형 CNC공작기계에서 오류발생시의 제어과정을 도시한 블록도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 지능형 CNC공작기계의 작업흐름도이다.

참조한 바와같이 본 발명의 CNC공작기계(10)는 가공장치(20)와, 제어장치(30)와, 연산처리장치(40)와, 인터페이스장치(50)를 포함하여 구성된다.

상기 가공장치(20)는 다수의 공구, 스핀들, 테이블, 주축대, 터릿, 측정센서가 설치되어 안치되는 공작물의 좌표와 크기를 측정센서로 측정하고, NC데이터에 의해 선택된 공구로 공작물을 순차적으로 절삭 및 가공하는 장치이다. 이러한 가공장치는 내부에 공작물을 안치하는 작업공간을 포함하고, 공구의 과열을 방지하고 절삭면을 매끄럽게 하기 위한 절삭유공급수단이 포함되는 일반적인 공작기계이며, 제어가 용이하게 이루어지도록 제어장치와 연동되는 보조제어 장치가 더 구비될 수 있으며, 일부공작기계에 적용되고 있는 공구자동교환장치, 공작물 자동공급장치가 포함되고, LM가이드로 단축 또는 다축으로 이동가능한 센서를 구비한 측정장치 등이 포함될 수 있다.

상기 제어장치(30)는 상기 가공장치의 각 장치 구동과 각 부의 신호을 제어하고, 가공장치에 장착된 공구의 특성(공구 종류, 크기, 사용용도, 최적사용환경)과 공구 이동경로와 각종 가공정보가 저장된 기준DB와, 모델링데이터의 가공순서와 공구이동경로인 NC데이터가 저장하는 가공DB를 포함하고, 가공장치의 구동제어가 이루어지며, 작업오류로 대체된 공구를 기준으로 재생성된 NC데이터를 가공DB로 저장한다. 상기 기준DB는 가공종류에 필요한 공구정보와, 다양한 온도에 따른 공구의 위치 변위량 정보와, 스핀들의 회전속도에 따른 공구의 축방향 변위량 정보등 공구의 기본적인 특성이 다양하게 저장된다. 또한, 상기 가공DB는 NC데이터 이외에 가공장치로 공급된 공작물의 초기공작물데이터가 저장되는 등 임시저장용으로 사용될 수 있다. 여기서 상기 기준DB와 가공DB는 제어부와는 별도로 구성된 저장장치일 수 있으나, 본 발명에서는 이를 하나의 실행군으로 하여 설명한다.

다음으로 상기 연산처리장치(40)는 제어장치의 기준DB 또는 가공DB로부터 데이터를 추출하여 순차적으로 최적경로를 설정하고, 가공과정에서 가공부에 설치된 측정센서의 측정값과 가공허용오차인 기준값을 대비하여 차이만큼 보정이 이루어지도록 하고, 작업오류에 대한 대체솔루션이 선택되면 대체공구정보에 따른 NC데이터를 재생성하여 가공DB로 업데이트가 이루어지도록 한다. 상기 연산처리장치는 연산처리를 위한 CPU, RAM, ROM이 별도로 구비된 독립객체일 수 있으며, 제어장치와 일체로 형성된 형태로도 제공될 수 있다.

아울러 상기 인터페이스장치(50)는 작업자에 각종 기기 정보를 제공하고, 선택사항을 입력받는 장치이고, 상기 정보를 지정된 연락처로 메시지 전송하여 작업과정을 실시간으로 통지 가능하도록 하는 장치이다. 상기 지능형 인터페이스장치는 가공장치의 공구정보와 가공과정에서의 정보와 오류대체 솔루션을 표시하는 디스플레이부와, 상기 표시된 내용의 선택사항 입력 및 모델링데이터를 입력하는 입력부와, 작업과정정보나, 기기가공오류시의 오류정보를 작업자에게 메시지 전송하는 유무선통신부를 포함하여 구성된다. 상기 디스플레이부는 대화방식, 흐름방식 등 다양한 방법에 의해 자동으로 설정되는 가공순서를 순차적으로 표시(이하 상기 프로그램을 'HMI ; Human Machine Interface'이라 함)할 수 있으며, 필요에 따라서는 입력부를 통해 작업자가 표시된 내용을 선택, 패스, 변경과 같은 다양한 실행명령을 입력하여 편집이 가능하도록 하고, 이를 제어장치 및 연산처리장치와 양방향 통신으로 연결되어 가공이 이루어지도록 한다. 또한, 상기 디스플레이부의 패널을 터치패널로 구성하여 화면 넘김, 되돌림, 선택입력이 가능하도록 할 수 있다.

이와같이 구성된 인터페이스장치는 제어장치의 기준 및 가공 DB데이터 정보를 디스플레이하여 작업자가 수동으로 편집가능하게 하고, 가공상태를 작업자에 메시지로 송출시키고, 작업오류시 대체 여부를 판단하여 교체가 이루어지도록 하고 교체정보에 의해 NC데이터의 편집 및 업데이터를 지시하도록 한다. 이러한 각종 상태는 작업자의 확인신호를 수신한 다음 진행이 이루어지거나, 대체가능한 오류는 스스로 대체하여 가공을 진행하게 하는 등 설정상태에 의해 선택적으로 이루어지도록 할 수 있다.

도 2와 도 4를 참조한 바와같이 상기한 바와같이 구성되는 지능형 CNC공작기계의 자동제어방법은 초기공작물데이터 자동생성과정이 수행된다.

상기 과정 이전에는 공작기계의 전원을 켜면 가공장치와 제어장치가 준비상태가 되며, 제어장치의 기본DB에 저장된 프로그램인 HMI가 실행되어 인터페이스장치 중 디스플레이부에 표시되는 과정이 이루어진다.

상기 공작기계의 준비가 완료된 상태에서 공작물이 자동공급장치에 의해 가공장치내로 공급되면 측정센서 예컨대 레이져 또는 터치방식의 측정센서를 이용하여 공작물의 좌표과 공작물크기를 측정해 제어장치의 가공DB 또는 별도의 DB에 저장한다.

이 때 상기 공작물의 체적을 판단하여 가공회전 중심을 설정함으로써 회전에 의한 가공인 선반작업시 공작물을 효율적으로 가공하도록 할 수 있다.

이와같이 공작물에 대한 초기공작물데이터를 추출하는 과정은 후술되는 모델링데이터의 분석후에 수행하도록 하는 등 순서가 가변될 수 있다.

다음으로는 인터페이스장치의 입력부를 통해 최종가공될 공작물의 모델링데이터를 입력받는 과정이 이루어진다.

상기 모델링데이터는 CAD파일와 3D이미지 파일등 다양한 포맷에 의해 가공목표인 모델의 형상 수치등의 정보를 입력하는 과정이다.

상기 모델링데이터의 입력은 USB, 개인컴퓨터, 인터넷망, 무선망 등 통상적인 입력방법에 의해 입력이 이루어지도록 할 수 있으며, 입력부를 통해 입력된 모델링데이터는 가공DB에 저장되어 기타 공정을 수행하도록 한다.

또한, 모델링데이터를 입력하기 위해 입력부에 연결하면 파일명 등의 기본정보를 디스플레이부에 표시하여 작업자가 모델링데이터를 확인한 후 정확한 데이터가 입력되도록 할 수 있다.

상기 입력받은 모델링데이터는 모델의 크기와 형상을 분석하는 과정이 수행된다.

상기 인터페이스장치의 입력부로부터 입력된 모델링데이터는 직접 연산처리장치로 전송되어 처리가 이루어지도록 하거나, 상술된 바와같이 가공DB에 저장 후 이를 추출하여 연산처리장치에서 처리가 이루어지도록 할 수 있다. 본 과정에서는 모델의 형상에 따라 가공종류를 나열하는 과정이 포함 될 있다. 예컨대 면에 암나사를 형성하기 위해서 드릴가공, 보링, 암나사깎기 등의 가공종류가 선택되도록 할 수 있다.

모델링데이터의 분석이 완료되면 가공에 필요한 공구를 선택하는 과정이 수행된다.

본 과정에서는 연산처리장치에서 입력된 모델링데이터를 분석한 데이터와, 가공DB에 저장된 초기공작물데이터를 추출하여 비교함으로써 가공에 사용될 공구 및 소재를 설정하고, 제어장치의 기준DB에서 해당공구를 선택하는 과정이다.

상기 두 데이터의 비교는 모델링데이터에서의 가공센터와 초기공작물데이터의 가공센터를 일치시켜 측면가공시 어느 일측으로 편향되지 않고 공작물 전면에 대해 가공이 이루어지도록 한 것이다.

또한 본 과정에서는 공작물의 소재를 입력하여 사용공구에 대한 절삭속도, 절삭시 절삭깊이 등의 정보를 기준DB로부터 추출하여 최적상태로 가공할 수 있는 정보를 준비하도록 할 수 있다.

상기 정보를 취합하여 NC데이터를 생성하는 과정이 이루어진다.

본 과정에서는 이전과정에서 선택된 가공종류를 효율적인 가공이 이루어지도록 순서를 결정하고, 이에 해당하는 공구의 이동경로산출과 각 장치의 구동조건 등을 설정하여 NC데이터를 생성한다.

여기서 상기 가공순서는 표준화되어 있는 저장순서에 따라 가공순서를 정열시키는 것으로, 가공형태에 따라 가공단계를 우선순위로 정형화한 데이터를 기준으로 본 발명에서 설정된 가공단계의 가공우선순위를 결정하는 것이다.

예컨대 원기둥의 중간부분의 직경을 축소시켜 절구통형상을 형성하고, 축소된 직경을 갖는 면에 암나사구멍을 형성하는 가공의 경우에는 공작물의 표면가공과 암나사구멍가공이 이루어지는데, 이 중 표면가공을 우선순위로 함으로써 표면가공 후 암나사구멍가공이 이루어지도록 한 것이다. 또한, 암나사구멍가공도 드릴가공과 보링, 암나사깎기 등 순서로 이루어지도록 하여 암나사구멍의 가공이 신속하게 이루어지도록 한다.

이러한 과정을 수행하기 위해 각 과정에서 사용되는 드릴 바이트 등의 공구들의 이동경로를 서로 중첩되지 않도록 순차적으로 정열시켜 가공이 이루어지도록 한 것이다.

다음으로 상기 생성된 NC데이터를 최적화하는 과정이 수행된다.

본 과정에서는 이전과정에서 생성된 NC데이터를 분석하여 불필요한 가공경로(공구이동경로)삭제, 가공순서편집, 이동속도조절에 의해 최적화가 이루어지도록 하고 이를 제어부의 가공DB에 저장하게 한다.

예컨대 공작물 원기둥의 중간부분 직경을 축소시켜 절구통형상을 형성하고, 축소된 직경을 갖는 면에 암나사구멍을 형성하는 가공의 경우에는 공작물의 표면가공과 암나사구멍가공이 이루어진다.

여기서 상기 암나사구멍 가공시 공구의 이동은 가공이전의 공작물 외면으로부터 목표깊이까지 가공이 이루어지도록 하고 있으나, 이전의 표면가공에 의해 공작물의 외면 위치가 변경됨으로 상기 위치를 찾는 과정을 삭제하여 신속하게 표면가공된 면으로부터 암나사구멍 가공이 이루어지도록 공구이동경로를 단축시키는 과정이다.

또한, 생성된 NC데이터의 정보를 디스플레이부에 의해 표시되게 함으로써 작업자가 NC데이터의 가공과정을 확인하고 입력장치를 통해 작업순서를 임의로 변경가능하게 할 수 있다. 아울러 상기 디스플레이부의 패널을 터치패널로 구성하여 터치에 의해 화면 넘김 되돌림 또는 입력 등이 이루어지도록 할 수 있다.

또한, 절삭하는 공구의 이동속도 또는 공작물의 회전속도 조절에 의해 공작물 표면가공에서는 절삭량(두께)에 따라 황삭과 정삭이 이루어지도록 할 수 있다.

상기 최적화된 NC데이터를 작업자가 디스플레이부로 확인하고, 입력부를 통해 가공실행명령을 입력하는 과정이 이루어진다.

상기 디스플레이부에는 최적화된 NC데이터가 표시되어 작업과정을 작업자에게 인지시키고, 작업자가 가공실행명령을 입력하면 제어장치는 가공DB에서 최적화된 NC데이터를 로딩하여 각 제어신호를 가공장치로 전달해 가공장치에서의 공구세팅과 공작물 가공이 수행되도록 한다.

여기서 상기 가공장치의 공구세팅은 가공실행명령을 입력하기 이전에 최적화된 NC데이터에 의해 자동으로 이루어지도록 함으로써 작업자가 공구세팅완료를 확인한 다음 가공실행명령을 입력하도록 할 수 있다.

상기 공작물 가공과정에서는 가공장치에 설치된 센서로 실시간 가공상태를 측정하여 센서측정값을 제어장치로 전송하는 센서측정과정이 수행된다.

상기 가공장치에 설치되는 센서로는 속도측정센서, 온도센서 등 다양한 센서가 장착될 수 있으며, 상기 속도측정센서는 스핀들을 측정하도록 하여 스핀들의 실시간 회전속도를 측정한 속도 센서측정값을 제어장치로 전송하고, 상기 온도센서는 가공장치내의 다양한 위치 예컨대 주축이 슬라이딩 이동되는 레일, 스핀들, 테이블 등 온도변화에 따른 변형이 발생되어 공작물과 공구의 위치를 가변시키는 부분에 대한 실시간 온도 센서측정값을 제어장치로 전송하도록 한다. 이외에 레이져 조사에 의해 이전 측정된 값과 대비하여 변화량을 감지하도록 할 수 있다.

다음으로 상기 센서의 측정값을 통해 가공상태를 확인하고 이를 유지시키기 위한 실시간 가공 최적제어과정이 수행된다.

상기 가공장치로부터 전송받은 센서측정값은 기준DB의 공구특성 또는 기준값과 대비하여 측정값이 기준값의 허용범위를 벗어나면 이를 허용범위 내로 실시간 보정하여 최적가공상태가 유지되도록 한다. 여기서 상기 기준값은 공구별 특성에 의해 허용 가공속도, 허용 가공온도, 허용 변위 등 가공에서 허용되는 오차범위를 설정한 값이다.

이러한 실시간 가공최적제어과정에는 스핀들변위보정단계와, 열변위보정단계와, 절삭이송속도제어단계, 윤곽제어단계 중 어느 하나의 단계가 선택적으로 이루어질 수 있다.

상기 스핀들변위보정단계는 스핀들 회전속도를 측정한 센서측정값과, 상기 측정된 회전속도에 따른 공구의 축방향 변위를 기준DB로부터 추출하여 추출된 변위만큼 공구위치를 보정하는 단계이다. 일반적으로 스핀들은 중공부로 형성되며 일단의 내주면에는 테이퍼부가 형성되어 공구가 안착되도록 하며, 상기 공구는 탈거를 방지하기 위해 스핀들의 중공부를 통해 축방향으로(Z축) 당겨서 고정이 이루어지도록 한다. 이러한 스핀들은 고속회전시 테이퍼부가 확장하게 되는데 이때 축방향으로 당기는 힘에 의해 공구를 확장된 테이퍼부 내측으로 더 유입되어 축방향으로 가공오차가 발생된다. 이러한 공구의 이동은 스핀들의 회전속도에 따라 가변됨으로 스핀들의 회전속도에 따른 공구의 위치변화량을 DB화하여 기준DB에 저장함으로써 상기 스핀들의 센서측정값인 회전속도와 대응되는 변위량 만큼 공구의 위치를 변화시켜 가공오차를 최소화시키는 것이다. 상기 회전에 따른 공구의 변위량 산출은 본 출원인에 의해 출원된 특허출원 10-2004-0023552호에 의해 상세히 기술되어 있으며, 본 발명은 공지된 건의 산출방법에 의해 산출된 공구 위치변화량을 접목하여 보정이 이루어지도록 한다.

다음으로 상기 열변위보정단계는 가공장치 내의 온도를 측정한 센서측정값을 온도변화에 따른 내부구성장치의 변위량이 저장된 기준DB와 대비하여 보정변위값을 추출하고 추출된 변위만큼 공구위치를 보정하는 단계이다. 가공장치에는 이송이 이루어지는 테이블 또는 주축대에는 슬라이딩면에 마찰에 의한 열이 발생되고, 회전이 이루어지는 스핀들도 회전에 의한 마찰열이 발생된다. 이와같은 다양한 요소에 의해 발생되는 열은 슬라이딩면 또는 스핀들을 미세하게 변형시켜 가공오차를 발생시킨다. 따라서, 상기 열에 의해 공구의 각도를 변경시킬 수 있는 주요부위에 온도센서를 장착하여 실시간으로 온도를 측정하여 기준DB로부터 해당온도에 따른 보정변위량을 추출하여 공구 위치를 보정하거나, 가열된 부분을 냉각시켜 가공오차발생을 최소화하도록 할 수 있는 것이다. 상기 온도에 따른 변위량 산출은 본 출원인에 의해 출원된 특허출원 10-2004-0023551호에 의해 상세히 기술되어 있으며, 본 발명은 공지된 건의 산출방법에 의해 산출된 온도에 따른 보정변위량을 DB화하여 기준DB에 저장함으로써 이로부터 신속하게 보정변위량을 추출하여 보정이 이루어지도록 한 것이다.

또한, 상기 절삭이송속도제어단계는 복잡한 형상가공시 공구의 이송속도를 실시간으로 제어하여 공구에 전달되는 절삭부하가 일정하게 유지되도록 함으로써, 급속한 절삭부하의 증가로 인한 공구파손을 방지하도록 한다.

또한, 상기 윤곽제어단계는 절삭위치의 중요도에 따라 가공속도를 증감시켜 가공정밀도를 유지하면서 가공시간을 단축시키는 단계이다. 이 때 상기 가공속도는 50단계 이상으로 세분화하여 다양한 선택에 의한 가공이 이루어지도록 할 수 있다.

이외에도 절삭하는 공구의 미세한 움직임을 감지해 공구과부하를 검출하여 공구 마모를 낮추거나, 과부하에 의한 파손방지 및 공구의 교체가 이루어지도록 하여 가공불량을 방지하도록 할 수 있다. 상기 미세한 움직임의 감지는 공구의 전류량을 검출하여 전류량 변동사항을 체크하고나 압력센서에 의해 가압의 변동정도로 감지가 이루어지도록 할 수 있다.

상기 최적제어과정에 의해 공작물은 가공오차를 최소화하여 제품을 생산하며, 가공이 완료되면 디스플레이부에 완료표시와 함께 알람이 울리도록 하여 작업자에게 신속하게 알리도록 한다.

도 3과 도 4를 참조한 바와같이 상기 공작물 가공과정 및 실시간 가공 최적제어과정에서는 공구파손에 의한 가공오류시 즉시 알람을 발생시키고 가공을 중지하는 오류알람 발생단계가 수행된다. 즉, 상기 오류알람 발생단계에서는 황삭, 정삭, 절삭 등의 가공과정에서 공구파손 또는 기타 요인으로 인한 이상 가공이 감지되면 가공작업을 중지하고 알람을 발생시켜 오류발생을 알리는 단계이다. 상기 알람은 공작기기 일측에 설치된 스피커의 경보음 및/또는 경광등의 발광으로 나타낼 수 있다.

다음으로는 오류의 정보를 분석하여 공구파손의 경우에는 기준DB에서 대체공구를 검색하여 선택하는 대체공구선택단계가 수행된다. 일반적으로 스핀들 회전속도에 의한 공구오차변위와, 온도변화에 따른 공구위치변화 등에 따른 오류는 상술된 바와같이 스핀들변위보정단계와, 열변위보정단계 등을 통해 보정하여 가공을 계속 수행하도록 할 수 있다. 그러나, 공구파손에 의한 오류일 경우에는 보정에 의해 해결되지 않으므로, 파손된 공구를 다른 공구로 변경해야 한다. 따라서, 상기 초기 가공장치의 정보를 저장한 제어장치의 기준DB를 검색하여 파손공구를 대체할 수 있는 대체공구를 검색하여 선택함으로써 가공장치의 공구교체가 자동으로 이루어지도록 할 수 있다.

상기 대체공구가 선택되면 대체공구를 이용한 가공으로 NC데이터를 업데이트하는 단계가 수행된다. 즉, 대체공구가 선택되면 기존 가공DB에 저장된 최적화된 NC데이터에서 파손된 공구를 이용한 전체 가공정보를 삭제하고, 대체공구에 의한 공구의 이동경로와 가공순서로 업데이트한다.

상기 NC데이터의 업데이트가 완료되면 공작물의 재가공단계가 수행된다. 본 단계에서는 오류가 발생된 시점부터 업데이트된 NC데이터에 의해 공작물 가공이 수행되도록 한다.

한편, 공구파손 오류시 기준DB검색에서 대체할 공구가 없으면 가공을 중지하여 작업자에게 문자메시지를 전달하는 메시지전송단계가 수행된다. 상기 메시지를 전송받은 작업자는 오류정보를 확인한 다음 필요한 조치 예컨대 공구파손의 경우에는 수동으로 공구를 교체장착하는 조치가 수행된다. 물론 상기 공구가 교체되면 공구에 대한 정보를 기본DB로 입력하고, 교체된 공구를 선택하는 단계와, 공구변경에 의한 NC데이터 업데이트단계등이 수행된 다음 재가공이 이루어지도록 한다.

상기 메시지전송단계는 상기 가공중지상태를 통보하는 것 이외에 주기적으로 실시간 가공상태를 전송함으로써 작업자가 공작기계의 작업진행상황을 확인할 수 있도록 할 수 있다. 또한, 작업과정에서의 선택상황 발생시 메시지를 전송한 다음 작업자로부터 회답을 받아 선택이 되도록 할 수 있다. 이러한 메시지(문자)전송 및 작업자로부터의 답신수신 등의 양방향통신은 인터페이스장치의 유무선통신부를 통해 이루어지며, 상기 메시지 답신에 따른 선택정보는 입력부를 통한 입력정보 및 디스플레이부의 터치에 의한 정보와 동일하게 판단되어 정보처리가 이루어지도록 한다.

아울러 정상적인 가공 또는 오류에 의한 재가공을 통해서 실시간 가공 최적제어과정을 수행하여 제조된 공작물은 가공적합여부를 판단하는 과정이 더 수행된다.

상기 가공적합여부 판단과정은 가공장치에서 공작물의 가공이 완료되면 측정센서를 이용하여 가공완료된 공작물의 사이즈를 계측하고, 계측된 정보를 입력과정에서 받은 모델링데이터와 비교하여 수치가 오차범위 내에 있는지 오차범위를 벗어났는지를 판단하는 최종 검수과정이다.

이상 상기 서술된 예는 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.

10 : 지능형 CNC공작기계
20 : 가공장치
30 : 제어장치
40 : 연산처리장치
50 : 인터페이스장치

Claims (6)

1. 안치되는 공작물의 가공에 사용되는 다수의 공구, 스핀들, 테이블, 주축대, 터릿, 측정센서가 설치되는 가공장치와; 상기 가공장치의 각 장치 구동과 각 부의 신호를 제어하고, 가공장치에 장착된 공구의 특성(공구 종류, 크기, 사용용도, 최적사용환경)과 공구 이동경로와 각종 가공정보가 저장된 기준DB와, 모델링데이터의 가공순서와 공구이동경로인 NC데이터가 저장하는 가공DB를 포함하는 제어장치와; 상기 제어장치의 각 DB의 데이터를 추출하여 순차적으로 최적경로를 설정하며 가공장치에 설치된 측정센서의 측정값과 기준값을 대비하여 차이만큼 보정이 이루어지는 연산처리장치와; 각종 정보를 표시하는 디스플레이부와, 모델링데이터 및 선택사항을 입력하는 입력부와, 각종정보와 오류정보를 작업자에게 메시지 전송하는 유무선통신부가 포함되는 인터페이스장치;를 포함하여 구성되는 CNC공작기계의 자동제어방법에 있어서,
   공작물을 가공장치로 공급하고, 레이져 또는 터치 방식의 측정센서를 이용해 공작물의 좌표와 공작물크기를 측정하여 제어장치로 저장하는 초기공작물데이터 자동 생성과정과;
   인터페이스장치의 입력부를 통해 최종가공될 공작물의 모델링데이터를 입력받는 과정과;
   상기 입력받은 모델링데이터를 연산처리장치로 전송하고, 연산처리장치에서는 모델링데이터의 모델 크기와 형상을 분석하는 과정과;
   분석된 데이터와 초기공작물데이터를 비교하여 가공에 사용될 공구 및 소재를 설정하고 제어장치의 기준DB에서 해당공구를 선택하는 과정과;
   상기 선택된 공구의 이동경로를 산출하고 공작물의 가공 순서를 설정하여 NC데이터를 생성하는 과정과;
   상기 생성된 NC데이터를 분석하여 불필요한 가공경로삭제, 가공순서편집, 이동속도조절에 의해 최적화하여 제어장치의 가공DB에 저장하는 NC데이터 최적화과정과;
   최적화된 NC데이터를 작업자가 인터페이스장치의 디스플레이부로 확인하고, 입력부를 통해 가공실행명령을 입력하는 과정과;
   가공실행명령이 입력되면 제어장치의 NC데이터 순서에 의해 가공장치에서 공작물 가공이 이루어지게 하는 공작물 가공과정과;
   공작물 가공과정에서 가공장치에 설치된 센서로 실시간 가공상태를 측정하여 센서측정값을 제어장치로 전송하는 센서측정과정과;
   전송받은 센서측정값과 기준DB의 공구특성 또는 기준값과 대비하여 허용범위를 내로 가공이 이루어지도록 보정하여 최적가공상태를 유지해 가공을 완료하는 실시간 가공 최적제어과정;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 지능형 CNC공작기계의 자동제어방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 실시간 가공 최적제어과정에서는
   스핀들 회전속도를 측정한 센서측정값과, 상기 측정된 회전속도에 따른 공구의 축방향 변위를 기준DB로부터 추출하여 추출된 변위만큼 공구위치를 보정하는 스핀들변위보정단계와;
   가공장치 내의 온도를 측정한 센서측정값을 온도변화에 따른 내부구성장치의 변위량이 저장된 기준DB와 대비하여 보정변위값을 추출하고 추출된 변위만큼 공구위치를 보정하는 열변위보정단계와;
   복잡한 형상가공시 공구의 이송속도를 실시간으로 제어하여 절삭부하가 일정하게 유지되도록 하는 절삭이송속도제어단계;
   절삭위치의 중요도에 따라 가공속도를 증감시켜 가공정밀도를 유지하면서 가공시간을 단축시키는 윤곽제어단계; 중 어느 한 단계가 선택적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지능형 CNC공작기계의 자동제어방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 공작물 가공과정 및 실시간 가공 최적제어과정에서는
   공구파손에 의한 가공오류시 즉시 알람을 발생시키고 가공을 중지하는 오류알람 발생단계와;
   발생된 오류에 대한 대체공구를 기준DB에서 선택하는 대체공구선택단계와;
   기존 최적화된 NC데이터에서 파손된 공구의 전체 가공정보를 삭제하고, 대체공구에 의한 공구의 이동경로와 가공순서로 업데이트하는 NC데이터 업데이트단계와;
   업데이트된 NC데이터에 의해 오류가 발생된 시점부터의 공작물 가공을 재시작하는 재가공단계;가 포함되는 것을 특징으로 하는 지능형 CNC공작기계의 자동제어방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 대체공구선택단계에서 대체할 공구가 없으면 가공을 중지하여 작업자에게 문자메시지를 전달하여 가공중지상태를 통보하는 메시지전송단계가 이루어지는 것을 특징으로 하는 지능형 CNC공작기계의 자동제어방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 실시간 가공 최적제어과정에서 공작물의 가공이 완료되면 측정센서를 이용하여 가공완료된 공작물의 크기를 측정하고, 측정된 데이터를 입력과정에서 입력받은 모델링데이터와 비교하여 가공적합여부를 판단하는 가공적합여부 판단과정;이 더 수행되는 것을 특징으로 하는 지능형 CNC공작기계의 자동제어방법.
6. 공작물을 가공하는 CNC공작기계에 있어서,
   다수의 공구, 스핀들, 테이블, 주축대, 터릿, 측정센서가 설치되어 측정센서로 안치되는 공작물의 좌표와 크기를 측정하고, NC데이터에 의해 선택된 공구로 공작물을 순차적으로 절삭 및 가공하는 가공장치(20)와;
   상기 가공장치의 각 장치 구동과 각 부의 신호을 제어하고, 가공장치에 장착된 공구의 특성(공구 종류, 크기, 사용용도, 최적사용환경)과 공구 이동경로와 각종 가공정보가 저장된 기준DB와, 모델링데이터의 가공순서와 공구이동경로인 NC데이터가 저장하는 가공DB를 포함하고, 가공장치의 구동제어가 이루어지며, 작업오류로 대체된 공구로 재생성된 NC데이터를 가공DB로 저장하는 제어장치(30)와;
   상기 제어장치의 기준DB 또는 가공DB로부터 데이터를 추출하여 순차적으로 최적경로를 설정하고, 가공과정에서 가공부에 설치된 측정센서의 측정값과 가공허용오차인 기준값을 대비하여 차이만큼 보정이 이루어지고, 작업오류에 대한 대체솔루션이 선택되면 대체공구정보에 따른 NC데이터를 재생성하는 연산처리장치(40)와;
   가공장치의 공구정보와 가공과정에서의 정보와 오류대체 솔루션을 표시하는 디스플레이부와, 상기 표시된 내용의 선택사항 입력 및 모델링데이터를 입력하는 입력부와, 기기가공오류시 오류정보를 작업자에게 메시지 전송하는 유무선통신부를 포함하고, 제어장치의 기준 및 가공 DB데이터 정보를 디스플레이하여 편집가능하게 하고, 가공상태를 작업자에 메시지로 송출시키고, 작업오류시 대체 여부를 판단하여 교체가 이루어지도록 하고 교체정보에 의해 NC데이터의 편집 및 업데이터를 지시하는 인터페이스장치(50);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 지능형 CNC공작기계.
   

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