KR102632709B1

KR102632709B1 - 수직형 멀티스핀들 가공센터 및 이의 절삭감시방법

Info

Publication number: KR102632709B1
Application number: KR1020230083223A
Authority: KR
Inventors: 정성일
Original assignee: (주)성림엔지니어링; 정성일
Priority date: 2023-06-28
Filing date: 2023-06-28
Publication date: 2024-02-02

Abstract

본 발명은 수직형 멀티스핀들 가공센터 및 이의 절삭감시방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다수의 공작물을 동시에 가공하기 위해 복수의 주축을 수직 방향으로 설치하고, 상기 주축마다 별도의 서보모터를 구비하여 서보모터의 개별제어가 이루어지도록 함으로써 최적의 가공성을 확보할 수 있으며, 서보모터에 인가되는 전류값과 주축의 온도를 센싱하여 센싱된 전류값과 온도를 이용해 절삭공구와 주축의 이상 여부를 자동으로 확인할 수 있고 이를 이용해 주축의 회전속도를 변화시켜 절삭력이 과도하게 걸려 주축에 무리가 가거나 절삭공구가 파손되는 것을 방지함과 동시에 가장 적합한 절삭속도를 유지시켜 공작물의 가공상태를 일정하게 확보할 수 있는 수직형 멀티스핀들 가공센터 및 이의 절삭감시방법이다.

Description

수직형 멀티스핀들 가공센터 및 이의 절삭감시방법{Vertical Multi-Spindle Processing Center and Cutting Monitoring Method}

일반적으로 범용공작기계 즉, CNC선반이나 머시닝센터(MCT)는 하나의 주축(스핀들)을 사용하여 공작물을 가공하게 되며, 이로써 공작물 가공에 소요되는 시간의 소모가 많아지고 이는 곧 생산능률의 저하를 초래하게 된다.

이러한 불합리한 점을 개선하고자 전용공작기계가 개발되어 사용되고 있는데, 전용공작기계의 경우 하나의 물품만을 생산하기 위한 목적만을 가지고 만들어지게 되어 물품의 구조가 약간만 변하여도 공작기계의 설계변형이 반드시 필요하며, 심하게 변하거나 다른 물품을 생산하기 위해서는 사용이 불가능하여 생산 능률의 향상에도 불구하고 전용공작기계의 사용을 꺼리는 문제가 있었다.

한편 가공센터(특히 라인센터)는 기존 범용공작기계의 개념에서 탈피하여 생산라인에 여러 대가 동시에 연결 설치되어 생산공정이 라인화된 형태로 이루어질 수 있다는 장점으로 여러 대를 동시에 설치하는 경우가 많으나, 이러한 경우 역시 상술한 전용공작기계의 문제를 해결할 수 없다.

다축 라인센터와 관련된 종래기술로서는 본 출원인이 선출원한 특허 제10-1630144호에 제안되어 있는 수평형 다축 라인센터가 있다.

상기 특허에는 공작물을 절삭가공하기 위한 라인센터에 있어서, 상기 라인센터는 지면에 설치되는 베이스(10)와, 상기 베이스(10)의 상부에 설치되는 컬럼(30)과, 상기 컬럼(30)을 따라 움직이는 공구대(40)와, 상기 공구대(40)에 장착되며 일단에는 절삭공구(1)가 체결되는 척(42)이 결합되어 있는 스핀들(41)을 포함하여 구성되며, 상기 스핀들(41)은 베이스(10)의 설치면과 평행한 방향과 설치되며 적어도 2개 이상 복수로 구성되어 공작물에 2개 이상 복수의 공구로써 동시 가공이 가능하고, 상기 스핀들(41)은 컬럼(30)의 상부에 설치되고 원형으로 구성된 툴 매거진(60)에 의해 공구교환이 이루어지되, 상기 툴 매거진(60)은 스핀들(41) 수만큼의 절삭공구가 섹터별(S1~S4)로 나뉘어져 장착될 수 있으며, 상기 툴 매거진(60)의 회전에 의해 교환하고자 하는 공구가 스핀들(41)의 전면으로 위치되며, 교환하고자 하는 공구가 스핀들(41)의 전면으로 위치되면 스핀들(41)의 척(42)에 공구가 없는 상태에서는 스핀들(41)이 z축 방향으로 전진 이동하여 공구가 장착되고, 이후 z축 방향으로 후진한 뒤 y축 방향으로 하강하고 다시 z축 방향으로 전진하여 공작물 가공을 수행하며, 공작물 가공이 끝나면 스핀들(41)의 이동에 의해 스핀들(41)의 척(42)에 고정되어 있는 절삭공구(1)를 툴 그립바(61)에 넣으며, 상기 툴 매거진(60)과 툴 매거진 회전축(70)이 결합된 툴 매거진 바디(76)는 실린더(77)에 의해 z축 방향으로 이동시킬 수 있어, 공구의 길이가 비교적 긴 경우에도 공구교환이 용이하게 이루어질 있으며, 공구교환을 위해 툴 매거진(60)이 회전되고 나면 정확한 위치에 툴 매거진(60)이 위치하고 있는지 확인하기 위해, 툴 매거진(60)에 섹터의 수만큼 측정용 홈을 형성하고 일측에는 센서를 설치하여 상기 센서의 측정에 의해 툴 매거진(60)의 정위치를 확인한 뒤에만 컬럼(30)을 이동시켜 공구교환을 행할 수 있도록 안전장치를 마련한 것이 특징인 수평형 다축 라인센터가 개시되어 있는데, 베이스 상부에 z축모터를 구비하여 컬럼을 비롯한 컬럼과 결합되어 있는 구성들을 모두 이송시킴에 따라 구동력이 많이 들고, 툴 매거진에 의한 동시 공구교환방식이므로 가공이 끝난 절삭공구를 툴 매거진의 빈자리에 꽂고 툴 매거진을 회전시킨 다음 새로운 공구를 장착하는 방식이므로 툴 매거진이 회전하는 동안 시간의 로스가 발생하며, 툴 매거진의 구조적 한계로 인해 장착할 수 있는 공구의 수와 종류가 한정적일 수밖에 없었다.

대한민국 등록특허공보 제10-1630144호(2016. 06. 14. 공고)

따라서 본 발명은 공작물을 절삭가공하기 위해 설치되는 가공센터에 3축의 이송구동부를 각각 설치하여 공작물의 상하방향과 전후방향 및 좌우방향으로 주축(스핀들)이 탑재된 새들을 이동시키되 각 구동부 간의 동기제어를 통해 주축의 이동경로를 최소화하여 주축의 이동에 따른 소모동력을 줄이고, 상기 주축의 수를 여러 개로 구성하여 다수의 공작물을 동시에 가공할 수 있으며, 여러 개의 주축에 고정되어 공작물을 절삭 가공하는 절삭공구에 대해서는 주축의 하부에 ATC를 설치하고, ATC에 수납되어 있는 절삭공구를 여러 개의 주축이 동시에 공구교환을 행하도록 함으로써 공구교환속도를 향상시켜 생산효율을 향상시킨 수직형 멀티스핀들 가공센터를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 상기 주축의 회전동력을 발생시키는 서보모터에 인가되는 전류값을 실시간 측정하여 기준 부하곡선을 만들고, 만들어진 기준 부하곡선에서 일정 범위의 가중치를 곱하여 상한 곡선값과 하한 곡선값을 만들어서 측정된 전류값이 상한 곡선값과 하한 곡선값을 벗어날 경우 절삭공구에 이상이 있는 것으로 파악하여 가공을 중단시키는 수직형 멀티스핀들 가공센터의 절삭감시방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

또한, 검출된 전류값을 이용해 주축의 이동속도를 변화시켜 공작물의 가공속도를 변화시킴으로써 가공품질을 일정하게 유지할 수 있는 수직형 멀티스핀들 가공센터의 절삭감시방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

또한, 주축의 일측에 온도센서를 설치하여 주축에 설치된 절삭공구에 의해 공작물의 가공이 진행되는 동안 주축의 온도를 모니터링하여 모니터링 온도가 설정된 범위를 벗어날 경우 주축의 이상으로 파악하여 가공을 중단시켜 불량품의 발생을 미연에 방지할 수 있는 수직형 멀티스핀들 가공센터의 절삭감시방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명에 의한 수직형 멀티스핀들 가공센터는 공작물을 절삭 가공하기 위한 주축이 복수로 구성되어 있는 가공센터에 있어서, 상기 다축 가공센터는 지면에 고정 설치되는 베이스와, 상기 베이스 상부에 설치되며 Z축 구동부에 의해 공작물의 전후방향으로 이동되는 칼럼과, 상기 칼럼에 설치되어 Z축 구동부에 의해 공작물의 좌우방향으로 이동되는 새들과, 상기 새들에 설치되어 Y축 구동부에 의해 공작물의 높이 방향으로 이동되는 복수의 주축과, 상기 주축의 일측에 설치되어 주축을 회전시키기 위한 동력을 발생시키는 서보모터와, 상기 주축의 전면에 설치되며 공작물을 고정하기 위한 턴테이블로 구성되며, 상기 주축의 하부에는 복수의 절삭공구를 수납할 수 있는 ATC가 구성되어 있는 것이 특징이다.

본 발명에 의한 수직형 멀티스핀들 가공센터는 공작물을 절삭가공하기 위해 설치되는 가공센터에 3축의 이송구동부를 각각 설치하여 공작물의 상하방향과 전후방향 및 좌우방향으로 주축(스핀들)이 탑재된 새들을 이동시키되 각 구동부 간의 동기제어를 통해 주축의 이동경로를 최소화하여 주축의 이동에 따른 소모동력을 줄이고, 상기 주축의 수를 여러 개로 구성하여 다수의 공작물을 동시에 가공할 수 있으며, 여러 개의 주축에 고정되어 공작물을 절삭 가공하는 절삭공구에 대해서는 주축의 하부에 ATC를 설치하고, ATC에 수납되어 있는 절삭공구를 여러 개의 주축이 동시에 공구교환을 행하도록 함으로써 공구교환속도를 향상시켜 생산효율을 향상시킨 현저한 효과가 있으며, 본 발명에 의한 수직형 멀티스핀들 가공센터의 절삭감시방법은 상기 주축의 회전동력을 발생시키는 서보모터에 인가되는 전류값을 실시간 측정하여 기준 부하곡선을 만들고, 만들어진 기준 부하곡선에서 일정 범위의 가중치를 곱하여 상한 곡선값과 하한 곡선값을 만들어서 측정된 전류값이 상한 곡선값과 하한 곡선값을 벗어날 경우 절삭공구에 이상이 있는 것으로 파악하여 가공을 중단시키는 효과와 함께, 검출된 전류값을 이용해 주축의 이동속도를 변화시켜 공작물의 가공속도를 변화시킴으로써 가공품질을 일정하게 유지할 수 있는 현저한 효과가 있으며, 주축의 일측에 온도센서를 설치하여 주축에 설치된 절삭공구에 의해 공작물의 가공이 진행되는 동안 주축의 온도를 모니터링하여 모니터링 온도가 설정된 범위를 벗어날 경우 주축의 이상으로 파악하여 가공을 중단시켜 불량품의 발생을 미연에 방지할 수 있는 현저한 효과가 있다.

도 1과 도 2는 본 발명의 전체구성 사시도
도 3은 본 발명의 측면구성도
도 4는 본 발명의 평면구성도
도 5는 본 발명의 일부분 구성도
도 6은 본 발명에 의한 가공부하의 이상검출곡선 그래프
도 7 내지 도 10은 본 발명에 의한 ATC의 구성도

본 발명에서 정의하는 X축 방향은 베이스의 바닥면과 수평을 이루는 주축의 좌우방향을 의미하고, Y축 방향은 베이스의 바닥면과 수직을 이루는 주축의 상하방향을 의미하며, Z축 방향은 베이스의 바닥면과 수평을 이루는 주축의 전후방향을 각각 의미한다.

이하, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1과 도 2는 본 발명의 전체구성 사시도이고, 도 3은 본 발명의 측면구성도이며, 도 4는 본 발명의 평면구성도이고, 도 5는 본 발명의 일부분 구성도로써, 본 발명에 의한 수직형 멀티스핀들 가공센터는 공작물을 절삭 가공하기 위한 주축이 복수로 구성되어 있는 가공센터에 있어서, 상기 다축 가공센터는 지면에 고정 설치되는 베이스(1)와, 상기 베이스(1) 상부에 설치되며 Z축 구동부(30)에 의해 공작물(W)의 전후방향으로 이동되는 칼럼(2)과, 상기 칼럼(2)에 설치되어 X축 구동부(10)에 의해 공작물(W)의 좌우방향으로 이동되는 새들(3)과, 상기 새들(3)에 설치되어 Y축 구동부(20)에 의해 공작물(W)의 높이 방향으로 이동되는 복수의 주축(4)과, 상기 주축(4)의 일측에 설치되어 주축(4)을 회전시키기 위한 동력을 발생시키는 서보모터(5)와, 상기 주축(4)의 전면에 설치되며 공작물(W)을 고정하기 위한 턴테이블(40)로 구성되며, 상기 주축(4)의 하부에는 복수의 절삭공구(53)를 수납할 수 있는 ATC(50)가 구성되어 있는 것이 특징이다.

먼저, 베이스(1)는 지면에 고정 설치되는 기대(機臺)이며, 상기 베이스(1) 상부에는 Z축 구동부(30)에 의해 공작물(W)의 전후방향 즉, Z축 방향으로 이동되는 칼럼(2)이 설치되며, 상기 Z축 구동부(30)는 구동동력을 발생시키는 Z축 구동모터(31)와, 상기 Z축 구동모터(31)에 의해 회전되는 스크류(32)와, 상기 스크류(32)의 회전에 따라 스크류(32)의 나사산을 따라 이동되는 이동블록(33)을 포함하여 구성되고, 상기 칼럼(2)의 일측은 이동블록(33)과 고정 결합되어 있어서 칼럼(2)은 이동블록(33)과 같이 스크류(32)의 축방향으로 움직이게 된다.

상기 칼럼(2)에는 새들(3)이 설치되어 있으며, 상기 새들(3)은 X축 구동부(10)에 의해 공작물(W)의 좌우방향 즉, X축 방향으로 이동되게 되는데, 상기 X축 구동부(10)는 구동동력을 발생시키는 X축 구동모터(11)와, 상기 X축 구동모터(11)에 의해 회전되는 스크류(12)와, 상기 스크류(12)의 회전에 따라 스크류(12)의 나사산을 따라 이동되는 이동블록을 포함하여 구성되고, 상기 새들(3)의 일측은 이동블록과 고정 결합되어 있어서 이동블록과 같이 스크류(12)의 축방향으로 움직이게 된다.

상기 새들(3)에는 Y축 구동부(20)에 의해 공작물(W)의 높이 방향 즉, Y축 방향으로 이동되는 복수의 주축(4) 즉, 스핀들이 설치되어 있으며, 상기 주축(4)은 공작물을 위에서 보는 방향으로 설치되어 있어서 공작물의 상부 단면 쪽에 드릴링 가공, 보링 가공 등의 작업이 편리하게 이루어질 수 있으며, 도시된 실시예는 새들(3)에 총 4개의 주축(4)이 설치되고, 상기 주축(4)은 주축박스(7) 내에 일정한 간격으로 수납되어 있으며, 각각의 주축(4)에는 개별 서보모터(5)가 설치되어 있어서 서보모터(5)의 구동동력에 의해 주축(4)이 회전되며, 상기 주축(4)에는 드릴과 같은 절삭공구(6)가 체결되어 공작물에 대해 절삭작업을 행하게 된다.

상기 주축(4)의 전면에는 공작물(W)의 고정을 위한 지그인 턴테이블(40)이 설치되며, 상기 턴테이블(40)은 공작물의 절삭작업이 완료된 다음 90~180° 회전되므로 절삭작업(40)이 완료된 공작물은 턴테이블에서 배출시키고, 절삭작업을 행할 새로운 공작물을 턴테이블에 고정시킬 수 있어서 공작물(소재)의 공급 및 배출시간을 줄일 수 있다.

상기 주축(4)의 하부에는 복수의 공구를 수납할 수 있는 ATC(Auto Tool Changer, 50)가 설치되며, 상기 ATC(50)에는 복수의 절삭공구(53)가 일정한 경로를 따라 회전하는 툴그리퍼(52)에 고정되어 있으며, 공구교환을 위해서는 툴그리퍼(52)의 빈 공간에 주축(4)에 삽입 고정되어 있던 절삭공구(6)를 넣어 주축(4)에 장착된 절삭공구를 없앤 다음, 이후 공구교환을 위한 절삭공구(53)가 ATC(50)의 특정한 위치로 이동되고, 이동이 완료된 상태에서 주축(4)이 하강하여 특정한 위치의 절삭공구(53)를 주축(4)에 삽입시켜 고정함으로써 공구교환을 완료하게 된다.

또한, 상기 ATC(50)에는 주축(4)의 수보다 많은 수의 절삭공구(53)가 툴그리퍼(52)에 의해 수납되고, 수납된 절삭공구(53)의 외부에는 커버(51)가 설치되어 있어서, 주축(4)에 장착될 절삭공구(53)의 공구교환을 행할 때는 커버(51)가 열린 상태로 전환되어 주축(4)이 Y축 구동부(20)에 의해 ATC(50) 쪽으로 하강하여 공구교환이 이루어지고, 공작물(W)에 대한 절삭작업이 진행될 때에는 상기 커버(51)가 닫힌 상태로 전환되어 공작물의 절삭으로 발생되는 칩이나 절삭유가 ATC(50) 내부로 들어오는 것을 방지하게 된다.

즉, ATC(50)에는 다수의 툴그리퍼(52)가 설치되어 있고, 상기 툴그리퍼(52)는 일정한 경로를 따라 회전되면서 이동되게 되는데, 각각의 툴그리퍼(52)에는 절삭공구(53)가 삽입되어 있어서 툴그리퍼(52)와 같이 회전되면서 이동되며, 이러한 툴그리퍼(52)의 외부에는 상황에 따라 개폐가 이루어지는 커버(51)가 설치되어 있어서 주축(51)이 하강하여 주축(51)에 장착된 절삭공구(6)를 툴그리퍼(52)에 수납하고, 툴그리퍼(52)에 수납된 절삭공구(53)를 주축(4)에 장착하는 작업 즉, 공구교환작업을 행할 때는 커버(51)가 개방된 상태를 유지하며, 공구교환이 완료되고 주축(4)이 상승되고 나면 커버(51)가 폐쇄되어 절삭공구(6)에 의한 절삭작업으로 생기는 칩과 절삭유가 ATC(50) 내부로 들어오는 것을 막아주게 된다.

도 6은 본 발명에 의한 가공부하의 이상검출곡선 그래프로써, 본 발명에 의한 수직형 멀티스핀들 가공센터의 절삭감시방법은 공작물을 절삭 가공하기 위한 주축이 복수로 구성되어 있는 가공센터의 절삭감시방법에 있어서, 서보모터(5)에 의해 최초 마모되지 않은 새로운 절삭공구로 5~10회 절삭가공을 실시하여 서보모터(5)에 인가되는 전류값을 센서에 의해 검출하고, 검출된 전류값을 이용해 평균 가공부하의 기준 부하곡선을 만든 다음, 평균 가공부하의 기준 부하곡선에서 상한 곡선값과 하한 곡선값을 산정하여 정상 가공범위로 정한 다음, 절삭공구(6)에 의해 절삭을 진행하면서 서보모터(5)에 인가되는 전류값을 센싱하여 센싱된 전류값이 상한 곡선값과 하한 곡선값을 넘어서는 경우 절삭공구(6)가 마모되거나 파손된 것으로 감지하여 가공센터에 의한 공작물의 절삭가공을 중단시키는 것이 특징이다.

먼저, 본 발명에 의한 수직형 멀티스핀들 가공센터는 총 4개의 주축(4)이 설치되어 있고, 상기 주축(4)에 절삭력을 부여하기 위해 각각의 주축(4)에는 서보모터(5)가 설치되어 있는데, 이로써 개별 주축에 의해 동일한 절삭작업을 진행한다고 하더라도 공작물의 경도, 절삭조건 등의 차이와 절삭공구(6)의 마모 정도 등에 의해 개별 주축에 필요한 절삭력에 차이가 있을 수 있으므로, 이러한 절삭력의 변화를 자동으로 측정하고 이를 이용해 주축(4)에 장착되어 있는 개별 절삭공구(6)와 주축(4) 자체의 이상 유무를 파악할 수 있다.

따라서, 개별 주축(4)마다 최초 마모되지 않은 새로운 절삭공구를 장착하여 5~10회 절삭가공을 실시하여 서보모터(5)에 인가되는 전류값을 센서에 의해 검출하고, 검출된 전류값의 평균 가공부하의 기준 부하곡선을 만들게 되며, 이러한 평균 가공부하의 기준 부하곡선에 일정한 가중치를 곱하여 상한 곡선값과 하한 곡선값을 산정하여 정상 가공범위로 정할 수 있다.

특히, 이러한 평균 가공부하의 기준 부하곡선은 공작물에 대한 하나의 절삭공정이 이루어질 때 절삭이 시작될 때부터 끝날 때까지 시간의 흐름에 따라 절삭력의 변화를 한 눈에 파악할 수 있으며, 실제 양산품의 생산을 위해 공작물을 가공할 때 서보모터(5)에 인가되는 전류값을 센싱하여 시간의 흐름에 따라서 변화는 절삭력의 변화를 평균 가공부하의 기준 부하곡선과 대비하여 이상 여부를 파악할 수 있다.

따라서, 절삭공구(6)에 의해 절삭을 진행하면서 서보모터(5)에 인가되는 전류값을 센싱하여 센싱된 전류값이 특정한 위치 또는 구간에서 상한 곡선값과 하한 곡선값을 넘어서는 경우 절삭공구(6)의 마모가 심하게 이루어지거나 파손된 것으로 감지하여 가공센터에 의한 공작물의 절삭가공을 중단시킬 수 있으며, 이러한 감시는 단순히 디지털화된 수치로서의 전류값을 대비하는 것이 아닌 그래프로써 서로 대비하여 특정한 가공 시간에서 과부하가 걸리는 것 등을 확인할 수 있다.

또한, 상기 서보모터(5)에 인가된 전류값은 센서에 의해 검출하고, 검출된 전류값이 점진적으로 떨어질 경우 주축(4)의 이동속도를 높여 공작물의 가공속도를 높이고, 반대로 검출된 전류값이 점진적으로 상승될 경우 주축(4)의 이동속도를 낮추어 공작물의 가공속도를 낮추어 줄 수 있다.

즉, 주축(4)에 장착된 절삭공구(6)에 의해 절삭작업을 진행하면서 서보모터(5)에 인가되는 전류값을 검출하여, 검출된 전류값이 절삭이 진행될 때 하한 곡선값에 근접하거나 절삭이 진행될수록 점진적으로 떨어지면 주축(4)의 이동속도를 상대적으로 높여 절삭속도를 높이고, 반대로 검출된 전류값이 절삭이 진행될 때 상한 곡선값에 근접하거나 절삭이 진행될수록 점진적으로 높아질 경우 주축(4)의 이동속도를 상대적으로 낮추어 절삭속도를 낮출 수 있다.

부연하면, 서보모터(5)에 인가되는 전류값이 낮아진다는 의미는 절삭가공으로 발생하는 절삭력이 점차 낮아진다는 의미이므로 주축(4)의 이동속도를 높여 절삭력을 높여주고, 반대의 경우 주축(4)의 이동속도를 낮추어 절삭력을 낮추어줌으로써 과도한 절삭력이 주축(4)에 작용하여 주축이 파손되거나 절삭공구(6)가 파손되는 것을 방지하면서 절삭속도가 상대적으로 느릴 경우 주축의 이동속도를 높여 보다 빠르게 절삭작업을 진행하도록 함으로써 생산효율을 높일 수 있다.

또한, 상기 주축(4)의 일측에는 주축(4)의 온도를 실시간 측정하기 위한 온도센서가 설치되어 있고, 상기 온도센서는 최초 마모되지 않은 새로운 절삭공구로 5~10회 절삭가공을 실시하여 온도 부하곡선을 만들고, 검출된 온도를 이용해 평균 온도의 기준 온도곡선을 만든 다음, 기준 온도곡선에서 상한 곡선값과 하한 곡선값을 산정하여 정상 가공범위로 정한 다음, 절삭공구에 의해 절삭을 진행하면서 주축(4)의 온도를 실시간 센싱하여 센싱된 온도가 상한 곡선값과 하한 곡선값을 넘어서는 경우 주축(4)에 이상이 발생된 것으로 감지하여 가공센터에 의한 공작물의 절삭가공을 중단시키게 된다.

즉, 서보모터(5)에 인가되는 전류값의 측정과 마찬가지로 주축(4)의 온도를 실시간 측정하여 주축(4)의 이상 유무를 파악할 수 있는데, 주축(4)에 최초 마모되지 않은 새로운 절삭공구를 장착하여 공작물에 대해 5~10회 절삭가공을 실시하여 온도 부하곡선을 만들고, 만들어진 온도 부하곡선의 평균 온도를 산출하여 기준 온도곡선으로 만든 다음, 이러한 기준 온도곡선에 가중치를 곱하여 상한 곡선값과 하한 곡선값을 산정하여 정상 가공범위로 정할 수 있다.

실제 절삭작업이 이루어질 때에는 주축(4)의 온도를 실시간 센싱하여 센싱된 온도가 상한 곡선값이나 하한 곡선값을 넘어서는 것으로 검출되면 절삭가공을 중단하는 알람 등을 띄우고 절삭작업을 중지함으로써 주축의 이상 유무를 파악할 수 있으며, 주축(4)의 주위에 냉각유로를 구비하여 주축(4)의 온도가 상한 곡선값에 근접할 경우 냉각유로를 통한 냉각수의 공급량을 늘려서 주축(4)의 온도를 일정한 범위 내로 유지할 수 있다.

여기서, 상기 주축(4)에 대한 온도의 센싱은 모든 주축마다 실시하여 특정한 주축의 센싱값이 모든 주축의 평균값보다 일정한 범위를 벗어나는 값으로 센싱될 경우 자체진단에 따른 냉각수의 공급량을 조절한 다음, 이러한 조치에도 특정한 주축에서 센싱한 센싱값이 모든 주축의 평균값보다 일정한 범위를 계속하여 벗어날 경우 특정한 주축에 이상이 있는 것으로 파악하여 알람을 띄우거나 가공센터의 작동을 중단할 수 있다.

또한, 상기 주축(4)의 일측에는 진동감지센서가 더 부착되어 있으며, 상기 진동감지센서는 주축에서 발생하는 채터(chatter)를 감지하고, 감지된 채터가 일정한 수준 이상일 경우 주축의 이동속도를 증속 또는 감속시켜 채터의 발생량을 측정한 다음, 채터의 발생량이 줄어드는 쪽으로 주축의 이동속도를 증속 또는 감속시킬 수 있다.

즉, 주축에서 기계가공으로 발생하는 소음과 진동인 채터는 주축의 회전속도와 연관되어 발생될 수 있으며, 이러한 채터의 발생량을 줄이기 위해 주축의 이동속도를 변화시켜 채터의 발생량을 낮추어 줄 수 있고, 이로써 공작물의 가공품질을 일정하게 유지할 수 있다.

미설명부호는 가이드실린더(24)로써 주축(4)이 설치되어 있는 주축박스(7)가 Y축 방향으로 이동될 때 주축박스(7)의 이동시 떨림이 발생하거나 하중에 의해 급격히 하강되는 것을 방지하고 주축박스(7)의 상승시 상승에 필요한 Y축 구동모터(21)의 부하를 줄여주기 위한 구성이다.

도 7 내지 도 10은 본 발명에 의한 ATC의 구성도로써, 상기 주축(4)의 하부에는 복수의 절삭공구(53)를 수납할 수 있는 ATC(50)가 설치되되, 상기 ATC(50)는 상부에서 보았을 때 원형의 단면을 가지는 원형 ATC프레임(54)이나 타원형의 단면을 가지는 타원형 ATC프레임(55)과, 상기 ATC프레임(54, 55)을 따라 회전되며 절삭공구가 장착되는 툴그리퍼(52)로 구성되며, 상기 툴그리퍼(52)는 주축(4)과의 공구교환을 위해 주축(4)의 직하방에 위치하게 된다.

도 7에 도시된 ATC(50)는 ATC프레임(54)이 원형의 단면을 가지는 형태로써, 도시된 실시예는 하나의 ATC프레임(54)에 총 8개의 절삭공구가 장착되는 형태이며, 도 8에 도시된 ATC(50)는 ATC프레임이 타원형의 단면을 가지는 타원형 ATC프레임(55)으로서, 하나의 타원형 ATC프레임(55)에 총 16개의 절삭공구가 장착되는 형태이다.

도 9에 도시된 ATC(50)는 4개의 주축이 하나의 ATC에 의해 공구교환이 이루어지는 방식으로써, 툴그리퍼(52)가 링크(56)를 따라 움직이게 되어 툴그리퍼가 움직이는 경로가 사각형의 링크이며, 주축과 주축 사이의 거리로 인해 특정한 위치에 있는 툴그리퍼에 장착된 공구가 제1주축(S1)과 공구교환이 이루어지고, 상기 툴그리퍼와 떨어져 있는 툴그리퍼에 장착된 공구가 제2주축(S2) 내지 제4주축(S4)과 공구교환이 이루어지게 된다.

도 10에 도시된 ATC(50)는 체인지암 타입의 ATC로써, 타원형의 단면을 가지는 타원형 ATC프레임(55)을 따라 툴그리퍼(52)가 회전하면, ATC의 일측에 설치된 체인지암(57)이 툴그리퍼(52)에 장착되어 있던 절삭공구를 주축의 하부 쪽으로 힌지(58)를 중심으로 회동시켜 공구교환을 행하는 타입니다.

본 발명에 의한 수직형 멀티스핀들 가공센터는 도 7 내지 도 10에 도시되어 있는 다양한 형태의 ATC(50)를 모두 사용할 수 있으며, 공작물에 따라 ATC(50)를 교체할 수 있다.

즉, 상기 ATC(50)는 원형 ATC프레임(54)을 따라 절삭공구를 파지한 툴그리퍼(52)가 회전되는 원형 타입의 ATC나, 타원형 ATC프레임(55)을 따라 절삭공구를 파지한 툴그리퍼(52)가 회전되는 타원형 타입의 ATC나, 사각형으로 배치된 링크(55)를 따라 절삭공구를 파지한 툴그리퍼(52)가 회전되는 사각링크형 ATC를 교체하여 사용할 수 있으며, 상기 ATC(50)의 일측에는 공구교환을 위해 힌지(58)를 중심으로 회전되는 체인지암(57)이 설치되어 있으며, ATC(50) 전체를 베이스에서 분리하여 교체할 수 있다.

부연하면, 비교적 공정수가 작은 공작물을 주로 가공할 때에는 도 7에 도시되어 있는 원형 타입의 ATC를 설치하여 사용할 수 있고, 공정수가 많은 공작물을 주로 가공할 때에는 도 8 내지 도 10에 도시되어 있는 타원형이나 사각링크형 ATC를 교체하여 사용할 수 있고, 상기 ATC의 일측에는 힌지(58)를 중심으로 회전되는 체인지암(57)을 설치하여 공구교환의 정확성을 높이고 공구교환속도를 향상시킬 수 있으며, ATC 전체를 베이스에서 분리하여 교체할 수 있으므로, ATC(50) 자체에 대한 유지보수나 ATC(50)에 장착되어 있는 절삭공구들의 교환이나 보수를 편리하게 수행할 수 있다.

결국, 본 발명에 의한 수직형 멀티스핀들 가공센터는 공작물을 절삭가공하기 위해 설치되는 가공센터에 3축의 이송구동부를 각각 설치하여 공작물의 상하방향과 전후방향 및 좌우방향으로 주축(스핀들)이 탑재된 새들을 이동시키되 각 구동부 간의 동기제어를 통해 주축의 이동경로를 최소화하여 주축의 이동에 따른 소모동력을 줄이고, 상기 주축의 수를 여러 개로 구성하여 다수의 공작물을 동시에 가공할 수 있으며, 여러 개의 주축에 고정되어 공작물을 절삭 가공하는 절삭공구에 대해서는 주축의 하부에 ATC를 설치하고, ATC에 수납되어 있는 절삭공구를 여러 개의 주축이 동시에 공구교환을 행하도록 함으로써 공구교환속도를 향상시켜 생산효율을 향상시킨 현저한 효과가 있으며, 본 발명에 의한 수직형 멀티스핀들 가공센터의 절삭감시방법은 상기 주축의 회전동력을 발생시키는 서보모터에 인가되는 전류값을 실시간 측정하여 기준 부하곡선을 만들고, 만들어진 기준 부하곡선에서 일정 범위의 가중치를 곱하여 상한 곡선값과 하한 곡선값을 만들어서 측정된 전류값이 상한 곡선값과 하한 곡선값을 벗어날 경우 절삭공구에 이상이 있는 것으로 파악하여 가공을 중단시키는 효과와 함께, 검출된 전류값을 이용해 주축의 이동속도를 변화시켜 공작물의 가공속도를 변화시킴으로써 가공품질을 일정하게 유지할 수 있는 현저한 효과가 있으며, 주축의 일측에 온도센서를 설치하여 주축에 설치된 절삭공구에 의해 공작물의 가공이 진행되는 동안 주축의 온도를 모니터링하여 모니터링 온도가 설정된 범위를 벗어날 경우 주축의 이상으로 파악하여 가공을 중단시켜 불량품의 발생을 미연에 방지할 수 있는 현저한 효과가 있다.

1. 베이스 2. 칼럼
3. 새들 4. 주축(스핀들)
5. 서보모터 6. 절삭공구
7. 주축박스
10; X축 구동부
11. X축 구동모터 12. 스크류
13. 가이드레일
20; Y축 구동부
21. Y축 구동모터 22. 스크류
23. 가이드레일 24. 가이드실린더
30; Z축 구동부
31. Z축 구동모터 32. 스크류
33. 이동블록 34. 가이드레일
40. 턴테이블
50; ATC
51. 커버 52. 툴그리퍼
53. 절삭공구 54. 원형 ATC프레임
55. 타원형 ATC프레임 56. 링크
57. 체인지암 58. 힌지

Claims

공작물을 절삭 가공하기 위한 주축이 복수로 구성되어 있는 가공센터에 있어서,
상기 다축 가공센터는 지면에 고정 설치되는 베이스(1)와, 상기 베이스(1) 상부에 설치되며 Z축 구동부(30)에 의해 공작물(W)의 전후방향으로 이동되는 칼럼(2)과, 상기 칼럼(2)에 설치되어 X축 구동부(10)에 의해 공작물(W)의 좌우방향으로 이동되는 새들(3)과, 상기 새들(3)에 설치되어 Y축 구동부(20)에 의해 공작물(W)의 높이 방향으로 이동되는 복수의 주축(4)과, 상기 주축(4)의 일측에 설치되어 주축(4)을 회전시키기 위한 동력을 발생시키는 서보모터(5)와, 상기 주축(4)의 전면에 설치되며 공작물(W)을 고정하기 위한 턴테이블(40)로 구성되며, 상기 주축(4)의 하부에는 복수의 절삭공구(53)를 수납할 수 있는 ATC(50)가 구성되어 있으며,
상기 ATC(50)에는 주축(4)의 수보다 많은 수의 절삭공구(53)가 툴그리퍼(52)에 의해 수납되고, 수납된 절삭공구(53)의 외부에는 커버(51)가 설치되어 있어서, 주축(4)에 장착될 절삭공구(53)의 공구교환을 행할 때는 커버(51)가 열린 상태로 전환되어 주축(4)이 Y축 구동부(20)에 의해 ATC(50) 쪽으로 하강하여 공구교환이 이루어지고, 공작물(W)에 대한 절삭작업이 진행될 때에는 상기 커버(51)가 닫힌 상태로 전환되어 공작물의 절삭으로 발생되는 칩이나 절삭유가 ATC(50) 내부로 들어오는 것을 방지하고,
상기 ATC(50)는 원형 ATC프레임(54)을 따라 절삭공구를 파지한 툴그리퍼(52)가 회전되는 원형 타입의 ATC나, 타원형 ATC프레임(55)을 따라 절삭공구를 파지한 툴그리퍼(52)가 회전되는 타원형 타입의 ATC나, 사각형으로 배치된 링크(55)를 따라 절삭공구를 파지한 툴그리퍼(52)가 회전되는 사각링크형 ATC를 교체하여 사용할 수 있으며, 상기 ATC(50)의 일측에는 공구교환을 위해 힌지(58)를 중심으로 회전되는 체인지암(57)이 설치되어 있으며,
수직형 멀티스핀들 가공센터의 절삭감시방법은 서보모터(5)에 의해 최초 마모되지 않은 새로운 절삭공구로 5~10회 절삭가공을 실시하여 서보모터(5)에 인가되는 전류값을 센서에 의해 검출하고, 검출된 전류값을 이용해 평균 가공부하의 기준 부하곡선을 만든 다음, 평균 가공부하의 기준 부하곡선에서 상한 곡선값과 하한 곡선값을 산정하여 정상 가공범위로 정한 다음, 절삭공구(6)에 의해 절삭을 진행하면서 서보모터(5)에 인가되는 전류값을 센싱하여 센싱된 전류값이 상한 곡선값과 하한 곡선값을 넘어서는 경우 절삭공구(6)가 마모되거나 파손된 것으로 감지하여 가공센터에 의한 공작물의 절삭가공을 중단시키고,
상기 서보모터(5)에 인가된 전류값은 센서에 의해 검출하고, 검출된 전류값이 점진적으로 떨어질 경우 주축(4)의 이동속도를 높여 공작물의 가공속도를 높이고, 반대로 검출된 전류값이 점진적으로 상승될 경우 주축(4)의 이동속도를 낮추어 공작물의 가공속도를 낮추며,
상기 주축(4)의 일측에는 주축(4)의 온도를 실시간 측정하기 위한 온도센서가 설치되어 있고, 상기 온도센서는 최초 마모되지 않은 새로운 절삭공구로 5~10회 절삭가공을 실시하여 온도 부하곡선을 만들고, 검출된 온도를 이용해 평균 온도의 기준 온도곡선을 만든 다음, 기준 온도곡선에서 상한 곡선값과 하한 곡선값을 산정하여 정상 가공범위로 정한 다음, 절삭공구에 의해 절삭을 진행하면서 주축(4)의 온도를 실시간 센싱하여 센싱된 온도가 상한 곡선값과 하한 곡선값을 넘어서는 경우 주축(4)에 이상이 발생된 것으로 감지하여 가공센터에 의한 공작물의 절삭가공을 중단시키고,
상기 주축(4)의 일측에는 진동감지센서가 더 부착되어 있으며, 상기 진동감지센서는 주축에서 발생하는 채터(chatter)를 감지하고, 감지된 채터가 일정한 수준 이상일 경우 주축의 이동속도를 증속 또는 감속시켜 채터의 발생량을 측정한 다음, 채터의 발생량이 줄어드는 쪽으로 주축의 이동속도를 증속 또는 감속시키는 것이 특징인 수직형 멀티스핀들 가공센터.
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