KR20200056635A - 지능형 가공 시뮬레이션을 이용한 가공 공정 모니터링 시스템 및 이를 이용한 모니터링 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 공작물을 3D로 가공할 때 가공물의 형상과 절삭력, 진동, 마모량 등을 시뮬레이션하고 시뮬레이션된 결과의 예측치와 가공시스템에서 측정한 측정치를 비교하여 가공 공정을 모니터링하는 시스템과 방법을 개시한다.
본 발명의 가공 공정 모니터링 시스템은 시뮬레이션 제어부에서 추출된 최고 절삭력과 최고 진동값을 절삭력 예측치 및 진동 예측치로 입력받고, 가공시스템에서 측정된 절삭력 측정치 및 진동 측정치를 비교하여 절삭력 예측치 및 진동 예측치 보다 절삭력 측정치 및 진동 측정치가 큰 경우 가공시스템의 작동을 정지시킬 수 있다.
본 발명의 가공 공정 모니터링 시스템은 시뮬레이션 제어부에서 추출된 최고 절삭력과 최고 진동값을 절삭력 예측치 및 진동 예측치로 입력받고, 가공시스템에서 측정된 절삭력 측정치 및 진동 측정치를 비교하여 절삭력 예측치 및 진동 예측치 보다 절삭력 측정치 및 진동 측정치가 큰 경우 가공시스템의 작동을 정지시킬 수 있다.
Description
본 발명은 공작물을 3D로 가공할 때 가공물의 형상과 절삭력, 진동, 마모량 등을 시뮬레이션하고 시뮬레이션된 결과의 예측치와 가공시스템에서 측정한 측정치를 비교하여 가공 공정을 모니터링하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 가상 CNC 밀링머신은 CNC 프로그램을 입력하여 시뮬레이션을 통해 공작물의 가공 형상을 예측할 수 있다. 이러한 종래의 가상 CNC 밀링머신은 CNC 프로그램에서 좌표를 읽어들여 수학적으로 블리안(Boolean) 연산을 처리하여 공작물의 가공형상을 시뮬레이션한다.
도 10은 기존의 가상 CNC 밀링머신을 통해 가공 형상을 검증하는 예를 도시한 순서도이다. 가상 CNC 밀링머신에 공구형상, 공작물 형상, 및 절삭 조건을 입력한다(S101). 그리고 CNC 프로그램에서 한 블록의 G 코드, X, Y, Z 좌표값을 입력한다(S103). 그러면 가상 CNC 밀링머신은 CNC 프로그램 한 블록 전체의 체적을 계산하고 계산된 체적을 소거한다(S105). 즉, 도 11에 도시한 바와 같이, 공작물(W)의 소거할 체적(V)을 계산하여 계산된 체적(V)을 소거한다. 그리고 가상 CNC 밀링머신은 가공형상을 화면으로 출력한다(S107). 그러면 작업자는 가공형상이 목적에 맞게 되었는지 판단할 수 있다. 그리고 CNC 프로그램의 전체 블록이 끝났는지를 판단(S109)하여 CNC 프로그램 전체의 블록이 끝나지 않은 경우에는 상술한 S103 단계에서 S107 단계를 반복하여 수행한다.
이러한 종래의 가상 CNC 밀링머신은 실제 가공 현상에서 발생하는 과도한 절삭으로 인한 공구의 파손, 마모 및 진동에 의해 발생한 공작물의 가공불량을 예측할 수 없고, 절삭력 및 진동 예측치와 절삭력 및 진동 측정치를 비교하여 가공 공정을 모니터링을 할 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로써, 본 발명의 목적은 CNC 프로그램의 한 블록에서 날 당 체적을 계산하고 이를 이용하여 절삭력을 계산하여 CNC 프로그램의 가공조건 최적화, 공구의 마모도, 공구에 작용하는 진동을 예측하여 실제 가공 중에 공작물의 과도한 절삭에 의한 공구의 파손, 마모 및 진동에 의해 발생하는 공작물의 가공불량을 줄이고, 동시에 가공의 정밀도를 향상시키는 공작물의 가공 시뮬레이션 시스템과 이를 이용한 가공 공정 모니터링 방법을 제공하는데 있다. 즉, 실제 가공 시스템에서 절삭력 및 진동 측정치와 시뮬레이션에서 예측한 절삭력 및 진동 예측치를 비교하여 가공 공정의 상태를 모니터링하는 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
가공 시뮬레이션 시스템은
공구의 형상, 공작물의 형상, 그리고 절삭조건과 CNC 프로그램에서 각각의 블록의 코드, 상기 공구의 X, Y, Z의 좌표값, 상기 공구의 이송속도, 그리고 스핀들 회전속도 데이터를 입력받는 입력부,
상기 입력부의 데이터를 이용하여 절삭력을 계산하는 시뮬레이션 제어부,
상기 시뮬레이션 제어부에 의해 입출력되며 상기 입력부를 통해 입력된 데이터가 저장되거나 또는 상기 CNC 프로그램에서 좌표값, 이송속도, 스핀들속도가 최적화되어 저장되는 기본 데이터 저장부,
상기 시뮬레이션 제어부에서 계산된 절삭력을 이용하여 공작물의 가공 시뮬레이션 형상을 출력하는 출력부를 포함하며,
상기 시뮬레이션 제어부는
상기 CNC 프로그램의 각각의 블록에서 날 당 칩체적을 계산하여 계산된 상기 날 당 칩체적을 소거하고 날 당 칩체적을 이용하여 날 당 절삭력을 계산하며,
상기 공구의 날 당 칩체적을 산출하는 날 당 칩체적 산출부,
상기 날 당 칩체적 산출부에서 산출된 값을 이용하여 상기 공구의 절삭력을 산출하는 날 당 절삭력 산출부,
상기 날 당 칩체적 산출부에서 산출된 값을 이용하여 상기 공구의 진동값을 산출하는 진동값 산출부, 그리고
상기 날 당 절삭력 산출부에서 산출된 값 중에서 최고 절삭력을 추출하고, 상기 진동값 산출부에서 산출된 값 중에서 최고의 진동값을 추출하는 추출부를 포함하며,
상기 시뮬레이션 제어부에서 추출된 최고 절삭력과 최고 진동값을 절삭력 예측치 및 진동 예측치로 입력받고, 가공시스템에서 측정된 절삭력 측정치 및 진동 측정치를 비교하여 상기 절삭력 예측치 및 상기 진동 예측치 보다 상기 절삭력 측정치 및 상기 진동 측정치가 큰 경우 상기 가공시스템의 작동을 정지시키는 가공공정 모니터링 시스템을 제공한다.
상기 가공공정 모니터링 시스템은
입력되는 절삭력의 센서 보상값 및 진동의 센서 보상값을 로딩하는 센서 보상값 로딩부, 상기 가공시스템의 절삭력을 측정하는 전류 신호 측정부, 상기 전류 신호 측정부의 값과 상기 절삭력의 센서 보상값을 이용하여 절삭력을 계산하는 절삭력 계산부, 상기 가공시스템의 진동을 측정하는 가속도 측정부, 상기 가속도 측정부의 값과 상기 진동의 센서 보상값을 이용하여 진동을 계산하는 진동 계산부, 상기 가공 시뮬레이션 시스템의 절삭력 예측치 및 진동 예측치와 상기 절삭력 계산부에서 계산된 절삭력 측정치 및 상기 진동 계산부에서 계산된 진동 측정치를 비교하는 모니터링 판단부, 그리고 상기 모니터링 판단부에서 상기 절삭력 예측치 및 상기 진동 예측치 보다 상기 절삭력 측정치 및 상기 진동 측정치가 큰 경우 그의 신호를 입력받아 가공시스템을 정지시키는 제어를 수행하는 알람 제어부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은
가공 시뮬레이션 시스템의 시뮬레이션 제어부는
공구의 형상, 공작물의 형상, 그리고 절삭조건을 입력받는 단계,
상기 공구의 형상, 공작물의 형상, 그리고 절삭조건을 입력받는 단계 후에 CNC 프로그램에서 순차적으로 한 블록의 코드, 상기 공구의 X, Y, Z의 좌표값, 상기 공구의 이송속도, 그리고 스핀들 회전속도를 기본 데이터 저장부에서 로딩하는 단계,
상기 한 블록의 코드, 상기 공구의 X, Y, Z의 좌표값, 상기 공구의 이송속도, 그리고 스핀들의 회전속도를 읽어들이는 단계 후에 상기 공구의 절삭력을 계산하는 단계,
상기 공구의 절삭력을 계산하는 단계 후에 상기 공구가 상기 공작물에 충돌하거나 과도한 절삭력이 발생하는가를 판단하는 단계,
상기 공구가 상기 공작물에 충돌하거나 과도한 절삭력이 발생하는가를 판단하는 단계에서 상기 공구가 상기 공작물에 충돌하거나 과도한 절삭력을 발생하는 경우에는 경고 메시지를 출력하는 단계,
상기 상기 공구가 상기 공작물에 충돌하거나 과도한 절삭력이 발생하는가를 판단하는 단계 후에 상기 공구가 상기 공작물에 충돌하지 않거나 과도한 절삭력이 발생하지 않는 경우에는 CNC 프로그램의 한 블록이 끝났는가를 판단하여 한 블록이 끝나지 않은 경우에는 상기 절삭력을 계산하는 단계 이전으로 이동시키는 블록 수행 종료를 판단하는 단계,
상기 블록 수행 종료를 판단하는 단계에서 한 블록의 수행이 끝난 경우에는 그 과정에서 발생한 최고 절삭력, 최고 진동값을 추출하는 단계,
상기 최고 절삭력과 최고 진동값을 추출하는 단계 후에 가공형상 출력, 최고 절삭력, 최고 진동크기를 출력하고 데이터 저장부에 저장하는 단계, 그리고
상기 가공형상 출력, 최고 절삭력, 최고 진동크기를 출력하고 데이터 저장부에 저장하는 단계 후에 CNC 프로그램이 모두 수행이 되었는지 확인하여 CNC 프로그램이 모두 수행된 경우 프로그램을 종료시키고, 수행이 완료되지 않은 경우 상기 CNC 프로그램에서 한 블록의 G 코드, X, Y, Z 좌표값, 이송속도, 스핀들 속도를 입력받는 단계 이전으로 리턴시키는 단계를 포함하고,
상기 절삭력을 계산하는 단계는
CNC 프로그램 한 블록에서 날 당 칩체적을 계산하여 가상 공작물의 체적을 소거하고 절삭력을 계산하며,
상기 시뮬레이션 제어부는 상기 절삭력 최고치와 진동 최고치를 각각 절삭력 예측치 및 진동 예측치를 변환하여 가공공정 모니터링 시스템에 전송하고,
상기 가공공정 모니터링 시스템은
입력되는 절삭력의 센서 보상값 및 진동의 센서 보상값을 로딩하는 단계,
상기 센서 보상값을 로딩하는 단계 후에 가공시스템의 절삭력과 진동을 계산하기 위해 가공시스템의 전류신호와 가속도를 측정 측정하는 단계,
상기 가공시스템의 절삭력과 진동을 측정하는 단계 후에 전류 신호 측정부의 값과 상기 절삭력의 센서 보상값을 이용하여 절삭력과 진동을 계산하는 단계,
상기 절삭력과 진동을 계산하는 단계 후에 상기 가공 시뮬레이션 시스템의 절삭력 예측치 및 진동 예측치를 입력받아 절삭력 측정치 및 진동 측정치를 비교하여 절삭력 측정치 및 진동 측정치가 큰가를 판단하는 단계, 그리고
상기 절삭력 측정치 및 진동 측정치가 절삭력 예측치 및 진동 예측치 보다 큰가를 판단하는 단계 후에 상기 절삭력 측정치 및 진동 측정치가 절삭력 예측치 및 진동 예측치 보다 큰 경우 상기 가공시스템을 정지시키는 제어를 수행하는 단계를 포함하는 가공공정 모니터링 방법을 제공한다.
기존에는 단지 가공물의 형상만을 예측하였으나, 이와 같은 본 발명의 실시예는 실제 밀링머신의 절삭상황과 동일하게 날 당 칩 체적을 제거하여 가공 형상을 시뮬레이션하고, 공구의 절삭력을 정밀하게 예측할 수 있어 공작물의 가공 전에 절삭상황을 정밀하게 검증하고 CNC프로그램을 최적화하여 가공 후의 공작물의 정밀도를 향상시킬 수 있고, 절삭시스템의 측정값과 시뮬레이션의 예측값을 비교하여 절삭시스템을 모니터링할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 가공 시스템, 공작물의 가공 시뮬레이션 시스템 그리고 가공공정 모니터링 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명에 적용되는 가공공정 시뮬레이션 시스템을 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 가공공정 시뮬레이션 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 본 발명에 적용되는 가공공정 시뮬레이션 시스템의 공구의 매 날 당 절삭력을 계산하여 디스플레이로 출력한 그림이다.
도 5는 본 발명에 적용되는 가공공정 시뮬레이션 시스템의 검증결과 CAD모델과 가상 CNC 프로그램으로 검증한 형상을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명에 적용되는 가공공정 시뮬레이션 시스템의 날 당 절삭력을 계산하여 디스플레이로 출력한 그림이다.
도 7은 본 발명의 가공공정 모니터링 시스템을 도시한 구성도이다.
도 8은 본 발명의 가공공정 모니터링 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 9는 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 공구의 직경과 길이를 표시한 도면이다.
도 10은 종래의 가상 CNC 밀링머신을 이용하여 가공형상을 예측하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 11은 종래 기술에 의해 가공물의 체적을 소거하는 내용을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 적용되는 가공공정 시뮬레이션 시스템을 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 가공공정 시뮬레이션 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 본 발명에 적용되는 가공공정 시뮬레이션 시스템의 공구의 매 날 당 절삭력을 계산하여 디스플레이로 출력한 그림이다.
도 5는 본 발명에 적용되는 가공공정 시뮬레이션 시스템의 검증결과 CAD모델과 가상 CNC 프로그램으로 검증한 형상을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명에 적용되는 가공공정 시뮬레이션 시스템의 날 당 절삭력을 계산하여 디스플레이로 출력한 그림이다.
도 7은 본 발명의 가공공정 모니터링 시스템을 도시한 구성도이다.
도 8은 본 발명의 가공공정 모니터링 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 9는 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 공구의 직경과 길이를 표시한 도면이다.
도 10은 종래의 가상 CNC 밀링머신을 이용하여 가공형상을 예측하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 11은 종래 기술에 의해 가공물의 체적을 소거하는 내용을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 다른 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하기로 한다.
본 발명의 실시예에 적용되는 가공공정 시뮬레이션 시스템에서 가상의 공구를 T로 표시하고 가상의 공작물은 W로 표시하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 블록도로, 가공 시스템(1), 공작물의 가공 시뮬레이션 시스템(3, 이하, '가공 시뮬레이션 시스템' 또는 '시뮬레이션 시스템' 이라 함), 그리고 가공공정 모니터링 시스템(5, 이하, '모니터링 시스템' 이라고 함)을 도시하고 있다.
가공 시스템(1)은 공구를 이용하여 절삭을 하기 위한 공작기계이다. 가공 시스템(1)은 공작기계 제어부(11), 전류 측정센서(13), 가속도 센서(15), 그리고 알람표시부(17)를 포함한다.
공작기계 제어부(11)는 공작물 가공에 필요한 입력된 데이터를 이용하여 공작물을 가공하는 공구가 결합된 주축의 이송속도 등을 직접 제어하는 역할을 할 수 있다. 또한, 공작기계 제어부(11)는 가공공정 모니터링 시스템(5)에서 절삭력 예측치와 절삭력 측정치를 비교하거나 또는 진동 예측치와 진동 측정치를 비교하여 예측치보다 실제 측정치가 큰 경우 가공공정 모니터링 시스템(5)에서 제어신호를 입력받아 가공시스템(1)을 정지시킬 수 있다.
전류측정센서(13)는 공작기계의 공구의 실제 절삭력을 측정할 수 있는 센서이다. 전류측정센서(13)는 측정된 센싱값을 가공공정 모니터링 시스템(5)에 전송할 수 있다. 그리고 가속도센서(15)는 공작기계의 공구의 실제 진동을 측정할 수 있는 센서이다. 가속도센서(15)는 측정된 센싱값을 가공공정 모니터링 시스템(5)에 전송할 수 있다.
알람표시부(17)는 부저 또는 경광등일 수 있으며, 가공공정 모니터링 시스템(5)에서 판단되는 신호에 의해 작동될 수 있다. 즉, 알람표시부(17)는 가공공정 모니터링 시스템(5)에서 절삭력 예측치와 절삭력 측정치를 비교하거나 또는 진동 예측치와 진동 측정치를 비교하여 예측치보다 실제 측정치가 큰 경우 제어신호를 입력받아 작동될 수 있다.
공작물의 가공 시뮬레이션 시스템(3)은 입력부(31), 시뮬레이션 제어부(33), 출력부(35), 그리고 데이터 저장부(37)를 포함할 수 있다.
입력부(31)는 사용자에 의한 공구의 형상, 공작물의 형상, 그리고 절삭조건을 입력받아 데이터 저장부(37)에 저장할 수 있다. 또한, 입력부(31)를 통해 CNC 프로그램에서 각각의 블록의 코드, 상기 공구의 X, Y, Z의 좌표값, 상기 공구의 이송속도, 그리고 스핀들 회전속도 데이터를 입력 받을 수 있다. 이러한 입력값들은 시뮬레이션 제어부(33)에 의해 데이터 저장부(37)에 저장될 수 있다.
시뮬레이션 제어부(33)는 입력부(31)를 통해 입력된 데이터를 이용하여 절삭력을 계산할 수 있으며, 데이터 저장부(37)에 입력된 데이터를 저장하거나 또는 로딩하여 계산된 값을 출력부(35)에 출력할 수 있다. 특히, 시뮬레이션 제어부(33)는 CNC 프로그램의 각각의 블록에서 날 당 칩체적을 계산하여 계산된 날 당 칩체적을 소거하여 절삭력을 계산할 수 있다.
이러한 시뮬레이션 제어부(33)는 데이터 로딩부(131), 날 당 칩체적 산출부(133), 날 당 절삭력 산출부(135), 진동값 산출부(137), 공구 마모량 산출부(139), 최고 절삭력과 최고 진동값을 추출하는 추출부(141), 그리고 공작물의 가공 시뮬레이션형상을 저장하고 출력하는 저장 및 출력부(143)를 포함할 수 있다.
데이터 로딩부(131)는 데이터 저장부(37)에 저장된 데이터를 로딩하는 역할을 할 수 있다.
날 당 칩체적 산출부(133)는 공구의 하나의 날이 절삭한 칩의 체적을 계산하여 구할 수 있다. 이러한 날 당 칩체적 산출부(133)는 다음과 같은 계산식에 의해 날 당 칩체적(Sth)을 산출할 수 있다.
즉, 날 당 칩체적(Sth)은,
로 표시되며,
날 당 절삭력 산출부(135)는 날 당 칩체적(S th)을 이용하여 공구의 날 당 절삭력(F th)을 계산할 수 있다. 날 당 절삭력 산출부(135)를 통해 공구의 날 당 절삭력(F th)은 다음과 같은 계산식으로 표시될 수 있다.
체적보상비는 절삭력의 계산의 정확성을 높이기 위해 다음과 같이 구한다.
진동값 산출부(137)는 가상의 공작물을 가공하는 과정에서 발생하는 공구의 진동값을 계산할 수 있다. 이러한 진동값 산출부(137)를 통해 계산되는 진동값은 다음과 같다.
공구에 의한 절삭시스템을 진동계로 모델링하면 진동방정식은 다음과 같다.
여기서 스프링 상수 k는 도 9에서 보는 것과 같이 공구직경과 공구길이를 이용하여 다음과 같이 구한다.
이 진동방정식은 다자유도계로 모델링할 수 있다. 1자유도일 경우에 예측된 절삭력 F t에 의한 강제 진동계의 정상상태의 변위 x(t)는 다음과 같다.
진동값으로 진폭 X 0를 출력한다.
공구 마모량 산출부(139)는 실제의 공작물을 가공할 때 예상되는 공구의 마모량을 계산하는 것으로, 공구 마모량(W)는 다음과 같은 식으로 계산될 수 있다.
즉, 공구 마모량(W)는
의 계산식에 의해 계산될 수 있다.
최고 절삭력과 최고 진동값(진폭값을 의미함)을 추출하는 추출부(141)는 상술한 날 당 절삭력 산출부(135)와 진동값 산출부(137)에서 계산된 값들 중에서 최고의 절삭력과 최고의 진동값을 추출하여 데이터 저장부(37)에 저장할 수 있다.
최고 절삭력은 날 당 절삭력 산출부(135)에서 산출된 각각 날 당 절삭력을 비교하여 가장 큰 값의 절삭력을 추출할 수 있다. 또한, 최고 진동값은 진동값 산출부(137)에서 계산된 값들을 비교하여 가장 큰 진동값을 추출할 수 있다.
이러한 최고 절삭력과 최고 진동값은 실제로 공작물의 가공에 영향을 미치는 요소이므로 이들 값을 통해 실제의 공작물을 가공할 때 예상되는 문제점을 미리 제거하여 가공 불량을 방지하거나 가공 정밀도를 향상시킬 수 있다.
공작물의 가공 시뮬레이션형상 저장 및 출력부(143)는 상술한 계산 방법에 의해 계산된 결과 값을 이용하여 가상으로 가공된 형상을 이미지화시켜 데이터 저장부(7)에 저장하고 출력부(5)를 통해 출력할 수 있다(도 5 및 도 6 참조). 즉, 공작물의 가공 시뮬레이션형상 저장 및 출력부(143)는 시뮬레이션 제어부(33)에서 계산된 값을 저장하고 출력하여 작업자가 이를 확인하여 실제의 공작물을 가공할 때 반영할 수 있다.
출력부(35)는 프린터(151)와 디스플레이(153)를 포함할 수 있다. 프린터(151)는 종이로 인쇄되는 일반적인 출력장치가 사용될 수 있으며, 디스플레이(153)는 컴퓨터와 연결된 모니터가 사용될 수 있다.
데이터 저장부(37)는 기본 데이터 저장부(171), 절삭력 데이터 저장부(173), 진동값 데이터 저장부(175), 그리고 공구 마모량 데이터 저장부(177)를 포함할 수 있다.
기본 데이터 저장부(171)에는 입력부(31)를 통해 입력된 공구형상, 공작물 형상, 그리고 절삭 조건 등의 저장될 수 있다. 또한, 기본 데이터 저장부(171)에는 CNC 파일에서 각 블록의 G 코드값, X, Y, Z 좌표값, 공구의 이송속도, 스핀들 속도 등이 입력되어 저장될 수 있다. 여기서 이송속도와 스핀들 속도는 절삭력이 일정하도록 조정한 최적값을 출력할 수 있다.
절삭력 데이터 저장부(173)는 시뮬레이션 제어부(33)의 날 당 절삭력 산출부(135)에서 계산된 값들이 저장될 수 있다.
진동값 데이터 저장부(175)는 시뮬레이션 제어부(33)의 진동값 산출부(137)에서 계산된 값들이 저장될 수 있다.
마찬가지로 공구 마모량 데이터 저장부(177)는 시뮬레이션 제어부(33)의 공구 마모량 산출부(139)에서 계산된 값들이 저장될 수 있다.
이와 같이 이루어지는 본 발명의 실시예에 적용되는 공작물의 가공 시뮬레이션 방법을 도 2와 도 3을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 사용자는 입력부(31)를 공구의 형상, 공작물의 형상, 그리고 절삭조건을 입력하고, CNC 프로그램에서 순차적으로 한 블록의 코드, 상기 공구의 X, Y, Z의 좌표값, 상기 공구의 이송속도, 그리고 스핀들 회전속도를 입력할 수 있다(S1). 입력부(31)를 통해 입력된 데이터는 데이터 저장부(37)의 기본 데이터 베이스(171)에 저장될 수 있다.
그러면 시뮬레이션 제어부(33)의 데이터 로딩부(131)는 기본 데이터 저장부(171)에서 공구의 형상, 공작물의 형상, 그리고 절삭조건과 CNC 프로그램에서 순차적으로 한 블록의 코드, 상기 공구의 X, Y, Z의 좌표값, 상기 공구의 이송속도, 그리고 스핀들 회전속도를 로딩한다(S3).
그리고 시뮬레이션 제어부(33)는 공구의 절삭력을 계산한다(S5). 이때 공구의 절삭력은 CNC 프로그램 한 블록에서 날 당 칩체적을 계산하여 칩체적을 소거(도 4 참조)하고 이 칩체적을 이용하여 절삭력을 계산한다. 여기에서 날 당 칩체적은 시뮬레이션 제어부(33)의 날 당 칩체적 산출부(133)를 통해 계산이 이루어지며 날 당 칩 체적 산출식은 상술한 칩체적 산출부(133)에 제시한 계산식으로 이루어진다. 그리고 날 당 절삭력은 시뮬레이션 제어부(33)의 날 당 절삭력 산출부(135)에 의해 계산이 이루어지며 이의 계산식은 상술한 날 당 절삭력 산출부(135)에 기술한 계산식으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에서 날 당 절삭력은 날 당 칩체적을 이용하여 계산되는 것이 바람직하다.
시뮬레이션 제어부(33)의 날 당 절삭력 산출부(135)에서 계산된 날 당 절삭력은 데이터 저장부(37)의 절삭력 데이터 저장부(173)에 저장되는 것이 바람직하다. 절삭력 데이터 저장부(173)에 저장된 데이터는 시뮬레이션 제어부(33)의 최고 절삭력과 최고 진동값 추출부(141)에서 최고의 절삭력을 추출하여 과도한 절삭력이 발생하는가를 판단한다(S7). 최고 절삭력 추출은 시뮬레이션 제어부(33)의 최고 절삭력과 최고 진동값 추출부(141)에서 절삭력 데이터 저장부(173)에 저장된 절삭력 데이터를 비교하여 최고 절삭력을 추출할 수 있다.
또한, 상술한 과도한 절삭력이 발생하는가를 판단하는 단계(S7)에서 공구의 이송속도에 의해 공구가 공작물에 충돌하는가를 판단할 수 도 있다.
공구가 상기 공작물에 충돌하거나 과도한 절삭력이 발생하는가를 판단하는 단계(S7)에서 공구가 공작물에 충돌하거나 과도한 절삭력이 발생하는 경우에는 출력부(35)의 디스플레이(153)를 통해 경고메시지를 출력한다(S9). 이 단계에서 경고 메시지를 기본 데이터 베이스(171)에 저장할 수 도 있다.
계속해서 시뮬레이션 제어부(33)는 공구가 가상의 공작물에 충돌하거나 과도한 절삭력이 발생하는가를 판단하는 단계(S7) 후에 공구가 가상의 공작물에 충돌하지 않거나 과도한 절삭력이 발생하지 않는 경우에는 CNC 프로그램의 한 블록이 끝났는가를 판단하는 블록 수행 종료 단계를 수행한다(S11). 이 단계(S11)에서 한 블록이 끝나지 않은 경우에는 절삭력을 계산하는 단계(S5)로 이동한다.
상술한 블록 수행 종료를 판단하는 단계(S11)에서 한 블록의 수행이 끝난 경우에는 그 과정에서 발생한 최고 절삭력, 최고 진동값을 추출하고, 공구 마모량을 계산한다(S13).
시뮬레이션 제어부(33)의 최고 절삭력 및 최고 진동값 추출부(141)는 추출된 최고 절삭력을 절삭력 예측치로 변환하고 절삭력 예측치를 가공공정 모니터링 시스템(5)으로 전송한다(S14, 도 3에서 A로 표시함). 또한, 시뮬레이션 제어부(33)의 최고 절삭력 및 최고 진동값 추출부(141)는 추출된 최고 진동값을 진동값 예측치로 변환하고 진동값 예측치를 가공공정 모니터링 시스템(5)으로 전송한다(S14, 도 3에서 A로 표시함)
그리고, 시뮬레이션 제어부(33)의 날 당 절삭력 산출부(135)는 상술한 식에 의해 계산된 절삭력 데이터를 절삭력 데이터 저장부(173)에 저장하고, 진동값 산출부(137)를 통해 계산된 공구의 진동값은 진동값 데이터 저장부(175)에 저장하며, 공구 마모량 산출부(139)에 의해 계산된 데이터는 공구 마모량 데이터 저장부(177)에 저장한다.
계속해서 추출된 최고 절삭력 예측치와 추출된 최고 진동값을 모니터링 시스템(5)에 전송하는 단계(S14) 후에 가공형상 출력, 최고 절삭력, 최고 진동크기, 공구 마모량을 출력부(35)에 출력하고 데이터 저장부(37)에 저장한다(S15).
그리고 가공형상 출력, 최고 절삭력, 최고 진동크기, 공구 마모량을 출력하고 데이터 저장부에 저장하는 단계(S15) 후에 CNC 프로그램이 모두 수행이 되었는지 판단하여 CNC 프로그램이 모두 수행된 경우 프로그램을 종료시키고, 수행이 완료되지 않은 경우 상기 CNC 프로그램에서 한 블록의 G 코드, X, Y, Z 좌표값, 이송속도, 스핀들 속도를 입력받는 단계(S3) 이전으로 이동된다.
이와 같이 본 발명에 적용되는 가공 시뮬레이션 시스템(3)은 절삭력을 계산할 때 CNC 프로그램 한 블록에서 날 당 칩체적을 계산하여 가상 공작물의 칩체적을 소거하고 이 칩 체적을 이용하여 절삭력을 계산하여 예측한다.
이러한 본 발명의 실시예는 실제 밀링 머신의 절삭상황과 동일하게 날 당 칩 체적을 제거하여 가공형상을 시뮬레이션하고, 절삭력을 정밀하게 예측할 수 있어 작업 전에 절삭상황을 정밀하게 검증할 수 있다. 따라서 본 발명은 실제 공작물의 가공 작업 전에 가공 상황을 예측하여 가공에서 공구와 실제 공작물이 충돌하는 것을 방지할 수 있을 뿐 만 아니라 정밀한 가공작업을 수행할 수 있다.
계속해서 본 발명의 실시예의 가공공정 모니터링 시스템(5) 및 그의 수행과정을 도 7 및 도 8을 통해 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예의 가공공정 모니터링 시스템(5)은 센서 보상값 로딩부(301), 전류신호 측정부(303), 절삭력 계산부(305), 가속도 측정부(307), 진동 계산부(309), 모니터링 판단부(311), 그리고 알람 제어부(313)를 포함할 수 있다.
센서 보상값 로딩부(301)는 가공공정 모니터링 시스템(5)의 관리자에 의해 입력되는 값을 로딩하는 프로그램 모듈이다. 센서 보상값 로딩부(301)에서 로딩되는 센서 보상값은 실제 작동하는 가공시스템(1)에서 측정된 주축의 가속도 및 전류 신호의 값을 보상하여 예측치와 비교 가능한 측정치를 계산하기 위한 값이며 상수일 수 있다.
전류신호 측정부(303)는 가공시스템(1)에 설치된 전류측정 센서(13)에 의해 측정된 신호를 이용하여 실제 가공시스템(1)에서 절삭에 사용되는 공구의 절삭력을 측정할 수 있다. 전류신호 측정부(303)는 전류측정 센서(13)에서 측정된 값을 입력받을 수 있다.
절삭력 계산부(305)는 전류신호 측정부(303)에 입력된 값과 센서 보상값 로딩부(301)의 값을 이용하여 실제 공구의 절삭력을 계산하여 절삭력 측정치를 얻을 수 있다.
가속도 측정부(107)는 가공시스템(1)에 설치된 가속도 센서(15)에 의해 측정된 신호를 이용하여 실제 가공시스템(1)에서 공구의 진동을 측정할 수 있다.
가속도 측정부(307)는 가속도 센서(15)에서 측정된 값을 입력받을 수 있다.
진동 계산부(309)는 가속도 측정부(307)에 입력된 값과 센서 보상값 로딩부(301)의 값을 이용하여 실제 공구의 진동을 계산하여 진동 측정치를 얻을 수 있다.
모니터링 판단부(311)는 가공 시뮬레이션 시스템(3)에서 예측된 절삭력 예측치 및 진동 예측치를 입력받아 실제 가공시스템(1)의 절삭력 측정치 및 진동 측정치를 비교하여 표시장치에 표시함으로써 절삭작업에서 발생하는 이상상태가 발생되는지를 판단할 수 있다. 즉, 모니터링 판단부(311)는 가공 시뮬레이션 시스템(3)에서 예측된 절삭력 예측치 및 진동 예측치를 입력받아 실제 가공시스템(1)의 절삭력 측정치 및 진동 측정치를 비교하여 예측치보다 측정치가 큰 경우 표시장치에 표시하고 알람제어부(313)에 그 신호를 전송할 수 있다.
알람 제어부(313)는 모니터링 판단부(311)에서 전송된 신호에 의해 가공 시스템(1)에 설치된 알람표시부(17)에 표시하고 동시에 가공시스템(1)을 정지시킬 수 있다.
이러한 본 발명의 실시예의 가공공정 모니터링 시스템(5)의 작동 과정을 도 8을 통해 상세하게 설명하기로 한다.
센서 보상값 로딩부(301)는 입력된 절삭력 보상값 및 진동 보상값을 로딩한다(S501). 전류신호 측정부(303)는 전류측정센서(13)의 측정 신호를 입력받는다(S503). 이와 동시에 가속도 측정부(307)는 가속도 센서(15)의 측정 신호를 입력 받는다(S503).
그리고 절삭력 계산부(305)는 센서 보상값 로딩부(301)의 입력된 값과 전류신호 측정부(303)의 값을 이용하여 실제 공구의 절삭력의 측정치를 산출한다(S505). 또한, 진동 계산부(309)는 센서 보상값 로딩부(301)의 입력된 값과 가속도 측정부(307)의 값을 이용하여 실제 공구의 진동의 측정치를 산출한다(S505).
모니터링 판단부(311)는 가공 시뮬레이션 시스템(3)에서 전송된 절삭력 예측치와 진동 예측치를 받아(도 3 및 도 8에서 A로 표시하고 있음) 절삭력 측정치와 진동 측정치를 비교하여 예측치에 비해 측정치가 크지 않은 경우에는 가속도 및 전류신호 측정 이전단계로 리턴시켜 정상적인 가공공정 모니터링 시스템(5)을 수행한다. 만일, 모니터링 판단부(311)에서 예측치에 비해 측정치가 큰 경우는 실제 가공시스템에서 문제가 발생한 것이므로 제어신호를 알람제어부(313)에 전송한다(S507).
그러면 알람제어부(313)는 가공시스템(1)의 작동을 정지시키는 제어를 함과 동시에 가공시스템(1)의 알람 표시부(17)를 작동시키는 제어를 한다. 따라서 작업자는 가공 시뮬레이션 시스템(3)에서 예측한 예측치와 실제 가공시스템(1)에서 축정된 측정값을 비교하여 절삭작업에서 발생하는 이상상태를 실시간으로 감시할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1. 가공시스템,
3. 가공 시뮬레이션 시스템,
5. 가공공정 모니터링 시스템,
11. 공작기계 제어부,
13, 전류측정센서,
15. 가속도 센서,
17. 알람표시부,
31. 입력부,
33. 제어부,
35. 출력부,
37. 데이터 저장부,
131. 데이터 로딩부,
133. 날 당 칩체적 산출부,
135. 날 당 절삭력 산출부,
137. 진동값 산출부,
139. 공구 마모량 산출부,
141. 최고 절삭력과 최고 진동값 추출부,
143. 공작물의 가공 시뮬레이션 형상 저장 및 출력부,
171. 기본 데이터 저장부,
173. 절삭력 데이터 저장부,
175. 진동값 데이터 저장부,
177. 공구 마모량 데이터 저장부,
301. 센서 보상값 로딩부,
303. 전류신호 측정부,
305. 절삭력 계산부,
307. 가속도 측정부,
309. 진동 계산부,
311. 모니터링 판단부,
313. 알람 제어부
3. 가공 시뮬레이션 시스템,
5. 가공공정 모니터링 시스템,
11. 공작기계 제어부,
13, 전류측정센서,
15. 가속도 센서,
17. 알람표시부,
31. 입력부,
33. 제어부,
35. 출력부,
37. 데이터 저장부,
131. 데이터 로딩부,
133. 날 당 칩체적 산출부,
135. 날 당 절삭력 산출부,
137. 진동값 산출부,
139. 공구 마모량 산출부,
141. 최고 절삭력과 최고 진동값 추출부,
143. 공작물의 가공 시뮬레이션 형상 저장 및 출력부,
171. 기본 데이터 저장부,
173. 절삭력 데이터 저장부,
175. 진동값 데이터 저장부,
177. 공구 마모량 데이터 저장부,
301. 센서 보상값 로딩부,
303. 전류신호 측정부,
305. 절삭력 계산부,
307. 가속도 측정부,
309. 진동 계산부,
311. 모니터링 판단부,
313. 알람 제어부
Claims (8)
- 가공 시뮬레이션 시스템은
공구의 형상, 공작물의 형상, 그리고 절삭조건과 CNC 프로그램에서 각각의 블록의 코드, 상기 공구의 X, Y, Z의 좌표값, 상기 공구의 이송속도, 그리고 스핀들 회전속도 데이터를 입력받는 입력부,
상기 입력부의 데이터를 이용하여 절삭력을 계산하는 시뮬레이션 제어부,
상기 시뮬레이션 제어부에 의해 입출력되며 상기 입력부를 통해 입력된 데이터가 저장되거나 또는 상기 CNC 프로그램에서 좌표값, 이송속도, 스핀들속도가 최적화되어 저장되는 기본 데이터 저장부,
상기 시뮬레이션 제어부에서 계산된 절삭력을 이용하여 공작물의 가공 시뮬레이션 형상을 출력하는 출력부를 포함하며,
상기 시뮬레이션 제어부는
상기 CNC 프로그램의 각각의 블록에서 날 당 칩체적을 계산하여 계산된 상기 날 당 칩체적을 소거하고 날 당 칩체적을 이용하여 날 당 절삭력을 계산하며,
상기 공구의 날 당 칩체적을 산출하는 날 당 칩체적 산출부,
상기 날 당 칩체적 산출부에서 산출된 값을 이용하여 상기 공구의 절삭력을 산출하는 날 당 절삭력 산출부,
상기 날 당 칩체적 산출부에서 산출된 값을 이용하여 상기 공구의 진동값을 산출하는 진동값 산출부, 그리고
상기 날 당 절삭력 산출부에서 산출된 값 중에서 최고 절삭력을 추출하고, 상기 진동값 산출부에서 산출된 값 중에서 최고의 진동값을 추출하는 추출부를 포함하며,
상기 시뮬레이션 제어부에서 추출된 최고 절삭력과 최고 진동값을 절삭력 예측치 및 진동 예측치로 입력받고, 가공시스템에서 측정된 절삭력 측정치 및 진동 측정치를 비교하여 상기 절삭력 예측치 및 상기 진동 예측치 보다 상기 절삭력 측정치 및 상기 진동 측정치가 큰 경우 상기 가공시스템의 작동을 정지시키는 가공공정 모니터링 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 가공공정 모니터링 시스템은
입력되는 절삭력의 센서 보상값 및 진동의 센서 보상값을 로딩하는 센서 보상값 로딩부,
상기 가공시스템의 절삭력을 측정하는 전류 신호 측정부,
상기 전류 신호 측정부의 값과 상기 절삭력의 센서 보상값을 이용하여 절삭력을 계산하는 절삭력 계산부,
상기 가공시스템의 진동을 측정하는 가속도 측정부,
상기 가속도 측정부의 값과 상기 진동의 센서 보상값을 이용하여 진동을 계산하는 진동 계산부,
상기 가공 시뮬레이션 시스템의 절삭력 예측치 및 진동 예측치와 상기 절삭력 계산부에서 계산된 절삭력 측정치 및 상기 진동 계산부에서 계산된 진동 측정치를 비교하는 모니터링 판단부, 그리고
상기 모니터링 판단부에서 상기 절삭력 예측치 및 상기 진동 예측치 보다 상기 절삭력 측정치 및 상기 진동 측정치가 큰 경우 그의 신호를 입력받아 가공시스템을 정지시키는 제어를 수행하는 알람 제어부
를 포함하는 가공공정 모니터링 시스템. - 가공 시뮬레이션 시스템의 시뮬레이션 제어부는
공구의 형상, 공작물의 형상, 그리고 절삭조건을 입력받는 단계,
상기 공구의 형상, 공작물의 형상, 그리고 절삭조건을 입력받는 단계 후에 CNC 프로그램에서 순차적으로 한 블록의 코드, 상기 공구의 X, Y, Z의 좌표값, 상기 공구의 이송속도, 그리고 스핀들 회전속도를 기본 데이터 저장부에서 로딩하는 단계,
상기 한 블록의 코드, 상기 공구의 X, Y, Z의 좌표값, 상기 공구의 이송속도, 그리고 스핀들의 회전속도를 읽어들이는 단계 후에 상기 공구의 절삭력을 계산하는 단계,
상기 공구의 절삭력을 계산하는 단계 후에 상기 공구가 상기 공작물에 충돌하거나 과도한 절삭력이 발생하는가를 판단하는 단계,
상기 공구가 상기 공작물에 충돌하거나 과도한 절삭력이 발생하는가를 판단하는 단계에서 상기 공구가 상기 공작물에 충돌하거나 과도한 절삭력을 발생하는 경우에는 경고 메시지를 출력하는 단계,
상기 상기 공구가 상기 공작물에 충돌하거나 과도한 절삭력이 발생하는가를 판단하는 단계 후에 상기 공구가 상기 공작물에 충돌하지 않거나 과도한 절삭력이 발생하지 않는 경우에는 CNC 프로그램의 한 블록이 끝났는가를 판단하여 한 블록이 끝나지 않은 경우에는 상기 절삭력을 계산하는 단계 이전으로 이동시키는 블록 수행 종료를 판단하는 단계,
상기 블록 수행 종료를 판단하는 단계에서 한 블록의 수행이 끝난 경우에는 그 과정에서 발생한 최고 절삭력, 최고 진동값을 추출하는 단계,
상기 최고 절삭력과 최고 진동값을 추출하는 단계 후에 가공형상 출력, 최고 절삭력, 최고 진동크기를 출력하고 데이터 저장부에 저장하는 단계, 그리고
상기 가공형상 출력, 최고 절삭력, 최고 진동크기를 출력하고 데이터 저장부에 저장하는 단계 후에 CNC 프로그램이 모두 수행이 되었는지 확인하여 CNC 프로그램이 모두 수행된 경우 프로그램을 종료시키고, 수행이 완료되지 않은 경우 상기 CNC 프로그램에서 한 블록의 G 코드, X, Y, Z 좌표값, 이송속도, 스핀들 속도를 입력받는 단계 이전으로 리턴시키는 단계를 포함하고,
상기 절삭력을 계산하는 단계는
CNC 프로그램 한 블록에서 날 당 칩체적을 계산하여 가상 공작물의 체적을 소거하고 절삭력을 계산하며,
상기 시뮬레이션 제어부는 상기 절삭력 최고치와 진동 최고치를 각각 절삭력 예측치 및 진동 예측치를 변환하여 가공공정 모니터링 시스템에 전송하고,
상기 가공공정 모니터링 시스템은
입력되는 절삭력의 센서 보상값 및 진동의 센서 보상값을 로딩하는 단계,
상기 센서 보상값을 로딩하는 단계 후에 가공시스템의 절삭력과 진동을 계산하기 위해 가공시스템의 전류신호와 가속도를 측정 측정하는 단계,
상기 가공시스템의 절삭력과 진동을 측정하는 단계 후에 전류 신호 측정부의 값과 상기 절삭력의 센서 보상값을 이용하여 절삭력과 진동을 계산하는 단계,
상기 절삭력과 진동을 계산하는 단계 후에 상기 가공 시뮬레이션 시스템의 절삭력 예측치 및 진동 예측치를 입력받아 절삭력 측정치 및 진동 측정치를 비교하여 절삭력 측정치 및 진동 측정치가 큰가를 판단하는 단계, 그리고
상기 절삭력 측정치 및 진동 측정치가 절삭력 예측치 및 진동 예측치 보다 큰가를 판단하는 단계 후에 상기 절삭력 측정치 및 진동 측정치가 절삭력 예측치 및 진동 예측치 보다 큰 경우 상기 가공시스템을 정지시키는 제어를 수행하는 단계
를 포함하는 가공공정 모니터링 방법.
Priority Applications (1)
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KR1020180140545A KR102144420B1 (ko) | 2018-11-15 | 2018-11-15 | 지능형 가공 시뮬레이션을 이용한 가공 공정 모니터링 시스템 및 이를 이용한 모니터링 방법 |
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