KR20180092657A - 공작기계의 매개변수 설정 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 명세서에서 제시되는 일 실시 예는 공작기계의 매개변수 설정방법으로서, 공작물이 장착된 공작기계의 주축을 자유회전 시키는 단계와, 상기 자유회전이 수행되는 동안의 주축의 회전 시간, 회전속도, 부하량의 측정값을 획득하는 단계와, 상기 획득된 시간, 회전속도, 부하량과 상기 모터의 출력(P1)으로부터 공작물의 관성모멘트를 산출하는 단계 및 관성모멘트에 대응되는 매개변수를 매칭하여 저장하고 있는 데이터로부터 상기 산출된 관성모멘트에 매칭되는 최적 매개변수를 추출하는 단계 및 추출된 최적 매개변수를 가공 매개변수로서 설정하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

공작기계의 매개변수 설정 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR SETTING PARAMETER OF MACHINE TOOL}

본 명세서의 적어도 일부의 실시 예는 공작기계의 매개변수 설정 방법 및 장치에 관한 것이다.

터닝센터, 머시닝센터, 문형머시닝센터, 스위스 턴, 방전 가공기, 수평형 NC 보링머신, CNC 선반 등을 비롯한 다양한 종류의 공작기계는 다양한 산업 현장에서 해당 작업의 용도에 맞게 널리 사용되고 있다.

도 1에 도시된 것처럼, 일반적으로 현재 사용되고 있는 다양한 종류의 공작기계는 수치제어(numerical control, NC) 또는 CNC(computerized numerical control) 기술이 적용되는 조작반(9)을 구비하며, 이러한 조작반(9)은 다양한 기능스위치(또는 조작버튼)와 작동상태를 사용자에게 시각적으로 보여주기 위한 모니터를 구비하고 있다.

또한, 도 1에 도시된 것처럼 일반적으로 공작기계(1)의 주축(2), 주축(2)을 구동하는 주축모터(3), 주축(2)을 지지하는 컬럼(4), 공작물(W)이 위치되는 테이블(5)은 대부분 금속으로 형성된다.

오늘날의 공작기계는 공작물을 가공할 때 필요한 여러가지 파라미터를 사용자로부터 직접 입력받거나, 출하된 표준 매개변수를 그대로 사용하고 있다. 표준 매개변수는 제조시 조작자가 작업환경의 변경은 고려하지 않은 불특정 공용 공작물을 대상으로 설정해 놓은 것이다. 이와 같이 표준 매개변수를 사용하는 범용 공작기계에서 공작물의 무게가 과다한 경우 매개변수를 최적화하지 못해 최적의 가공조건을 만족하기가 어려웠다. 또한, 변화 공작물, 척 무게 과다, 조립 오차 등에 의해 발생할 수 있는 작업 환경의 변화를 가공시 고려할 수 없어 축의 떨림이나 각오 품질 저하 등의 문제가 발생되었다.

이를 해결하기 위해 종래에는 이송축 토크 전류를 이용하여 속도 변화 패턴을 측정하거나, 설정된 매개변수를 이용하여 비슷한 값을 유추적용하는 방법을 사용하였으나, 이러한 방법을 통해서도 가공환경을 정확하게 반영하기 어려웠다.

상기 문제를 해결하기 위해 작업자가 직접 상기 조작반(9)을 통해 매개변수를 입력하기도 하였지만, 이러한 경우, 작업자는 번거로울뿐더러, 최적의 매개변수를 산출을 위한 공작물 정보의 인지 및 데이터 산출이 어렵고, 조정 준비 시간이 오래 걸리는 문제가 있다.

본 명세서의 일 실시 예는 터닝센터의 작업환경을 반영한 최적의 매개변수를 자동으로 설정하는 매개변수 설정장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 명세서의 일 실시 예에 따르는 공작기계의 매개변수 설정방법은 공작물이 장착된 공작기계의 주축을 자유회전 시키는 단계와, 상기 자유회전이 수행되는 동안의 주축의 회전 시간, 회전속도, 부하량의 측정값을 획득하는 단계와, 상기 획득된 주축의 회전 시간, 회전속도, 부하량과 상기 모터의 출력으로부터 공작물의 관성모멘트를 산출하는 단계 및 관성모멘트에 대응되는 매개변수를 매칭하여 저장하고 있는 데이터로부터 상기 산출된 관성모멘트에 매칭되는 최적 매개변수를 추출하는 단계 및 추출된 최적 매개변수를 가공 매개변수로서 설정하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 공작물이 장착된 공작기계의 주축을 자유회전 시키는 단계는 상기 주축을 회전시키는 모터를 구동시키는 단계와, 상기 모터 구동으로부터 미리 정해진 시간 이후, 상기 모터의 구동을 정지시키는 단계를 포함한다.

본 명세서의 일 실시 예에 따르는 공작기계의 매개변수 설정장치는, 공작물이 장착된 공작기계의 주축의 자유회전 명령을 입력받는 입력부와, 상기 자유회전이 수행되는 동안의 상기 자유회전이 수행되는 동안의 주축의 회전 시간, 회전속도, 부하량, 모터의 출력을 획득하는 공구측정부와, 관성모멘트 매칭 매개변수 테이블 및 관성모멘트를 산출하기 위한 관계식을 저장하는 메모리부 및 상기 획득된 시간, 회전속도, 부하량과 상기 모터의 출력(P1)으로부터 공작물의 관성모멘트를 산출하고, 산출된 관성모멘트에 대응되는 매개변수를 상기 테이블로부터 최적 매개변수를 추출하여, 매개변수를 설정하는 제어부를 포함한다.

여기서, 관성모멘트 매칭 매개변수 테이블은 각각의 관성모멘트와 매개변수 사이의 관계식으로부터 미리 도출하여 저장된 값을 기록한 테이블인 것을 특징으로 한다.

본 명세서의 일 실시 예에 따르면 터닝센터에서, 변화 공작물, 척 무게 과다, 조립 오차 등에 의해 발생할 수 있는 작업 환경의 변화를 고려한, 작업환경을 반영한 최적의 매개변수를 자동으로 설정할 수 있다. .

도 1은 종래 공작기계의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공작기계의 매개변수 설정 장치의 블록도이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 공작기계의 매개변수 설정 과정의 순서도이다.

이하, 본 명세서의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

실시 예를 설명함에 있어서 본 명세서가 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 명세서와 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 명세서의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.

마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.

이하, 본 명세서의 실시 예들에 의하여 공작기계의 매개변수 설정 방법 및 장치를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 명세서에 대해 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 공작기계의 매개변수 설정 장치의 블록도이다.

도 2를 참고하여, 실시예에 따른 공작기계 보다 구체적으로, 터닝센터의 매개변수 설정 장치를 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 공작기계의 매개변수 설정 장치(100)는 입력부(110), 공구측정부(120), 제어부(140) 및 메모리부(130)를 포함할 수 있다.

입력부(110)는 도 1의 조작반(9)과 같이 사용자로부터 데이터 입력에 이용되며, 사용자의 조작에 따라 입력 신호를 발생시키고, 발생된 신호를 제어부(140)에 전달한다.

입력부(110)는 터치스크린의 터치 센서, 키보드, 키패드, 마우스 기타 현재까지 알려져 있거나 향후 개발될 입력 장치를 포함한다.

본 명세서의 일 실시예에서 입력부(110)는 사용자 조작에 따라 자유회전명령을 위해 모터 구동시작 신호 및 모터 구동정지 신호를 생성하여 제어부(140)에 전달한다.

공구측정부(120)는 주축의 회전 시간, 회전속도, 부하량을 측정할 수 있다. 공구측정부(120)는 각종 센서를 포함할 수 있다. 공구측정부(120)는 측정한 값을 제어부(140)에 전달한다. 예컨대, 주축 모터 또는 공작물이 위치하는 테이블에 마련된 부하감지센서가 부하량을 측정하고, 측정된 부하량을 제어부(140)에 전달한다.

공구측정부(120)는 자유회전명령을 위한 모터 구동시작 신호 입력 후 모터 구동전지 신호가 입력되면, 주축의 회전 시간, 회전속도, 부하량을 측정한다. 주축의 회전 시간, 회전속도, 부하량을 측정방법에 대하여는 이미 널리 알려져 있으므로 여기서는 더 자세한 설명을 생략한다.

메모리부(130)는 조작반(9)의 일부보다 구체적으로는 수치제어장치(NC)의 내부 메모리의 일부)에 설치되고, 매개변수 설정 장치(100)의 동작에 필요한 프로그램 및 데이터를 저장하는 역할을 수행한다.

메모리부(130)는 프로그램 영역과 데이터 영역으로 구분될 수 있다. 프로그램 영역은 매개변수 설정 장치(100)의 전반적인 동작을 제어하는 프로그램 및 매개변수 설정 장치(100)를 부팅시키는 운영체제(OS, Operating System), 관성모멘트 계산식, 관성모멘트 계산 및 출력 등에 필요한 응용 프로그램, 관성모멘트에 매칭된 매개변수 테이블(135) 등을 저장할 수 있다.

또한, 메모리부(130)는 출하시 저장된 표준 매개변수를 더 저장할 더 수 있다. 데이터 영역은 매개변수 설정 장치(100)의 동작에 따라 발생하는 데이터가 저장되는 영역으로서, 공구측정부(120)에 의해 측정된 값, 주축에 장착된 공작물의 관성모멘트 등을 저장할 수 있다. 여기서, 관성모멘트는 주축을 중심으로 자유회전시, 외부에서 힘이 작용하지 않을 때 계속해서 회전을 지속하려는 성질의 크기를 말한다.

메모리부(130)에 저장되는 관성모멘트 계산식은 다음과 같다.

<관계식 1>

P ∝ L × P1

P : 일의 양

P1 : 모터의 출력

L: 부하량

<관계식 2>

T ∝ P / V / α

P : 일의 양

V : 회전속도

α : 토크 상수

T : 토크

<관계식 3>

J ∝ T × dt / dv ×β

J : 관성모멘트

T : 토크

β : 관성모멘트 상수

메모리부(130)에 저장되는 관성모멘트에 매칭된 매개변수 테이블은 각각의 관성모멘트와 매개변수 사이의 관계식으로부터 미리 도출하여 저장된 값으로, 하기의 표 1과 같이 저장될 수 있다.

관성모멘트	게인1 ( Kp )	게인2 ( Ki )	게인3 ( Kd )	가감속
A	○1	○○1'	○1''	○1'''
B	○2	○○2'	○2''	○2'''
C	○3	○○3'	○3''	○3'''
D	○4	○○4'	○4''	○4'''
E	○5	○○5'	○5''	○5'''
F	○6	○○6'	○6''	○6'''
G	○7	○○7'	○7''	○7'''
H	○8	○○8'	○8''	○8'''
I	○9	○○9'	○9''	○9'''
. . .	. . .	. . .	. . .	. . .	. . .

표 1에 도시된 바와 같이, 관성모멘트만 획득하면 원하는 매개변수의 값을 추출할 수 있다. 예컨대 관성모멘트가 A이고, 얻고자 하는 매개변수가 게인1인 경우, '○1'의 매개변수의 값을 획득할 수 있다.

제어부(140)는 매개변수 설정 장치(100)의 각 구성 요소에 대한 전반적인 동작을 제어한다. 특히, 제어부(140)는 도 3의 실시 예에 따라 매개변수 설정 장치(100)의 매개변수 설정을 위한 동작을 제어할 수 있다.

제어부(140)는 구동제어모듈(142), 연산모듈(144) 및 설정모듈(146)을 포함할 수 있다.

본 명세서의 일 실시예에서 구동제어모듈(142)는 입력부(110)로부터 자유회전명령이 수신되면 주축의 모터에 구동을 시작시킨 후, 임의의 시간이 지나면 구동을 정지시켜 자유회전을 수행하도록 제어한다.

연산모듈(144)은 자유회전 시, 공구측정부(120)에 의해 측정된 값들을 전달받고, 현재 작업환경이 반영된 공작물의 관성모멘트를 산출한다.

설정모듈(146)은 산출된 관성모멘트로부터 최적 매개변수를 추출하고, 추출된 최적 매개변수를 가공 매개변수로 자동설정한다.

이와 같은 매개변수 자동 설정을 위한 매개변수 설정 장치(100)의 구체적인 동작은 도 3을 참조하여 상세히 후술한다.

도 3은 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 공작기계의 매개변수 설정 과정의 순서도이다.

공작물이 장착된 공작기계의 주축을 자유회전 시킨다(S100).

입력부(도 2의 110)에 자유회전 전용버튼이 마련되어 있는 경우, 사용자가 자유회전 전용 버튼을 누르면, 공작물이 장착된 공작기계의 주축을 회전시키는 모터를 구동시키고, 임의의 시간 이후, 모터의 구동을 정지시킴으로써, 주축을 자유회전시킨다.

상기 자유회전이 수행되는 동안의 주축의 회전 시간, 회전속도, 부하량을 측정하고, 측정값을 획득한다(S110).

상기 획득된 시간, 회전속도, 부하량과 상기 모터의 출력(P1)으로부터 공작물의 관성모멘트를 산출한다(S120). 회전속도는 단위 시간당 회전수이고, 공작물의 관성모멘트를 산출하기 위해서는 상술한 관계식1을 이용한다.

먼저 획득한 부하량과 모터의 출력을 획득하여, 일의 양을 구한다.

일의 양과, 회전속도, 토크상수(미리 저장됨)를 획득하면, 다음 관계식 2를 이용하여 토크(T)를 구한다.

상기에서 도출된 값을 가지고 관계식 3을 이용하여 관성모멘트를 최종 산출한다.

관성모멘트에 대응되는 매개변수를 매칭하여 저장하고 있는 데이터로부터 상기 산출된 관성모멘트에 매칭되는 최적 매개변수를 추출한다(S130).

최종 산출된 관성모멘트를 미리 저장된 관성모멘트 매칭 테이블을 조회하여, 최적 매개변수를 추출한다.

추출된 최적 매개변수를 가공 매개변수로서 설정한다(S140).

본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서가 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 명세서의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 명세서의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

한편, 본 명세서와 도면에는 본 명세서의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 명세서의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 명세서의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 명세서의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 명세서가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

100 : 매개변수 설정 장치
110 : 입력부
120 : 공구측정부
130 : 메모리부
140 : 제어부

Claims (4)

1. 공작물이 장착된 공작기계의 주축을 자유회전 시키는 단계;
   상기 자유회전이 수행되는 동안의 주축의 회전 시간, 회전속도, 부하량의 측정값을 획득하는 단계;
   상기 획득된 주축의 회전시간, 회전속도, 부하량과 모터의 출력으로부터 공작물의 관성모멘트를 산출하는 단계; 및
   관성모멘트에 대응되는 매개변수를 매칭하여 저장하고 있는 데이터로부터 상기 산출된 관성모멘트에 매칭되는 최적 매개변수를 추출하는 단계; 및
   추출된 최적 매개변수를 가공 매개변수로서 설정하는 단계
   를 포함하는 공작기계의 매개변수 설정방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 공작물이 장착된 공작기계의 주축을 자유회전 시키는 단계는,
   상기 주축을 회전시키는 모터를 구동시키는 단계;
   상기 모터 구동으로부터 미리 정해진 시간 이후, 상기 모터의 구동을 정지시키는 단계
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 매개변수 설정방법.
3. 공작물이 장착된 공작기계의 주축의 자유회전 명령을 입력받는 입력부;
   상기 자유회전이 수행되는 동안의 주축의 회전시간, 회전속도, 부하량, 모터의 출력을 획득하는 공구측정부;
   관성모멘트 매칭 매개변수 테이블 및 관성모멘트를 산출하기 위한 관계식을 저장하는 메모리부; 및
   상기 공구측정부로부터 획득된 주축의 회전시간, 회전속도, 부하량과 상기 모터의 출력으로부터 공작물의 관성모멘트를 산출하고, 관성모멘트에 매칭되는 최적 매개변수를 상기 관성모멘트 매칭 매개변수 테이블로부터 추출하여, 최적 매개변수를 가공 매개변수로서 설정하는 제어부
   를 포함하는 공작기계의 매개변수 설정장치.
4. 제3에 있어서,
   상기 관성모멘트 매칭 매개변수 테이블은 각각의 관성모멘트와 매개변수 사이의 관계식으로부터 미리 도출하여 저장된 값을 기록한 테이블인 것을 특징으로 하는 공작기계의 매개변수 설정장치.
   
   

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