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문제 정의
- 본 논문에서는 NC 제어기와 기계결합 후 조정 이전과 이후 공작기계 위치 정밀도 특성 연구와 NC 제어기의 위치 오차 성능을 평가한다. 서보모터에서 출력되는 토크의 과도한 변화로 인한 공작 물형 상오 차에 미치는 영향에 대해 분석하고, 형 상오차감 소를 위한 되먹임 정도를 조정할 수 있는 실시간 위치 정밀도 모니터링 실험장치를 통하여 작업시간 단축과 NC의 고정도 성능을 유지하도록 한다.
- 실험용 NC 제어기의 제어상수값과 가감속 시정 수에 의한 NC 제어기의 위치 정밀도 및 서보모터에 입력되는 전류 파형을 분석하여 특정 공작기계의 특성을 파악하고 위치 정밀도가 개선될 수 있는 공작기 계의 특성값을 찾기 위한 실험 이다. 공작 기계의 축 이송은 G-code에 입력되는 명령에 의해 수행되며 각각의 위치는 1축에 대해 주어진 거리를 이동하도록 하였다.
- 주어진 속도에 맞게 순차적인 명령을 수행하게 되는데 각 명령 사이의 가감속시간과 유한한 가공 시간은 필연적인 위치 오차를 수반하게 된다. 위치 오차에 영향을 주는 제어기 파라미터인 축 모델링 상수(a), 속도제어 기적분/비례 이득 비(0), 가감속 시정 수를 변화 시 켜 위치 오차가 감소하는 상수 값을 얻고자 한다.
제안 방법
- CNC 공작기계가 무부하인 상태에서 동일한 이송속도인 경우 파라미터인 X축 (a) 값에 따른 속 도 응답실험을 수행하였다. Fig.
- 앞서 실험 및 분석된 동일 NC 제어기를 대상으로 하여 실험 결과를 통해 얻은 즉 위치 정밀도 가 개선되는 제어 입력값인 a =1.5, 。=220과 모터 시정 수 T=200으로 NC 제어기의 입력값으로 설정한 후 무부하와 알루미늄 시편을 이용한 가공 시 위치 정밀도와 서보모터에 인가되는 전류 형태를 측정 및 분석하였다. 가공재료로는 알루미늄이 사용되었으며 엔드밀 직경은 6 8, 절입 깊이는 5mm로 하여 가공 형상이 직각이 되도록 G-code를 작성하여 각각의 축의 위치 정밀도 및 전류 파형을 분석하기 위해 X축 이송 후 Y축 이송이 이루어지도록 하였다.
- 실험용 NC 제어기의 제어상수값과 가감속 시정 수에 의한 NC 제어기의 위치 정밀도 및 서보모터에 입력되는 전류 파형을 분석하여 특정 공작기계의 특성을 파악하고 위치 정밀도가 개선될 수 있는 공작기 계의 특성값을 찾기 위한 실험 이다. 공작 기계의 축 이송은 G-code에 입력되는 명령에 의해 수행되며 각각의 위치는 1축에 대해 주어진 거리를 이동하도록 하였다. 주어진 속도에 맞게 순차적인 명령을 수행하게 되는데 각 명령 사이의 가감속시간과 유한한 가공 시간은 필연적인 위치 오차를 수반하게 된다.
- 가공물과 공구의 절삭 날의 접촉 방향 그리고 절삭력의 분 산정도에 따라서 공구의 휨이 각 축 방향으로 발생하며 이러한 원인으로 인해 형상 오차가 발생하게 된다. 따라서 본 연구에서는 서보모터의 입력 전류변화를 측정하여 토크 변화에 따른 위치 정밀 도 특성을 분석하였으며 전류의 크기를 측정하기 위하여 홀센서(Hall sensor)가 이용되었다. 홀센서 는 교류 전류가 흐르는 도체의 주위에 형성되는 전기장에 의해 유도되는 유도 전류를 이용하여 상대적인 전류 값을 측정하게 된다.
- 본 연구에서 소개되는 방법으로 NC 가공 중 서보모터에 입력되는 토크와 NC에 되먹임되는 신호를 모니터링하여 이송속도와 각 이득 상수들과의 관계, 과도한 절삭력에 의한 공구마 모, 공구 손실 및 형상 오차를 평가하여 최소화할 수 있을 것이다. 또한 공작기계의 현장의 온도 등 환경변화, 시간 경과에 의해 발생하는 부하 등 특성 변화와 각 상수들 간의 관계를 분석할 수 있고, 이송 가감속에 따라 적절한 값을 찾아 보정할 수 있도록 하여 NC 제어기에 의한 공구 위 치 오차가 최소가 되도록 한다.
- NC 제어기의 직선 보 간 (Interpolation) 이외 원 호보간에 의한 위 치제어 성능을 평 가하기 위한 Contouring 실험은 일반적으로 Ball-bar 방법이 알려져 있으나, Ball-bar 장치는 실제 가공 중 장치 설치가 불가능한 단점이 있다. 본 논문에서는 NC 공작기계의 엔코 더 신호를 사각 파 펄스 카운터 (PCL833)를 이용하여 위치 정밀도를 측정하여 지정된 원 궤적과 비교하는 실험을 수행하였다. 측정된 원호 데이터의 위치 정밀도를 분석하기 위해 기준 원을 구하는 방법으로 최소 자승 Lima conn 방법(그이 사용되었다.
- 위 식에서와같이 일반적인 서보제어시스템의 경우에서 경로 오차는 샘플링 주기(Ts), 제어이득(Ki, KP, Kwp)에 따라 달라짐을 알 수 있다. 본 연구는 제어이득들로 이루어진 제어기 파라미터 및 샘플 링 주기를 변화시키면서 NC 제어기의 위치 정밀도 특성을 실험하였다. 실험에 사용된 NC 공작기계의 전달함수 및 속도제어 시스템에서 근사적으로 다음과 같은 전달함수를 갖는다.
- 사인파의 경우 보통 수천 개의 출력신호로 부터 NC 공작기계의 경우 하드웨어 신호처리 방법으로 고분해능을 얻을 수 있어 최근 고정 밀 서보 시스템에서 많이 사용된다. 본 연구에서는 1회전당 수천 펄스의 사인 펄스 신호를 PC로 A/D 하여 소프트웨어 알고리즘을 구성하여 고정 밀도로 분해하였다. 실험에 사용된 광전식 로타 리 엔코더는 Fig.
- 본 논문에서는 NC 제어기와 기계결합 후 조정 이전과 이후 공작기계 위치 정밀도 특성 연구와 NC 제어기의 위치 오차 성능을 평가한다. 서보모터에서 출력되는 토크의 과도한 변화로 인한 공작 물형 상오 차에 미치는 영향에 대해 분석하고, 형 상오차감 소를 위한 되먹임 정도를 조정할 수 있는 실시간 위치 정밀도 모니터링 실험장치를 통하여 작업시간 단축과 NC의 고정도 성능을 유지하도록 한다. 본 연구에서 소개되는 방법으로 NC 가공 중 서보모터에 입력되는 토크와 NC에 되먹임되는 신호를 모니터링하여 이송속도와 각 이득 상수들과의 관계, 과도한 절삭력에 의한 공구마 모, 공구 손실 및 형상 오차를 평가하여 최소화할 수 있을 것이다.
- 실험은 현재 국내에서 개발 중인 CNC 공작 기계용 제어기를 대상으로 하였다. 앞장에서 소개된 알고리즘으로 엔코더 신호 분석장치를 구성하 였으며 3상 AC 서보모터에 입력되는 전류를 측 정부분과 X, Y, Z축 엔코더 신호선을 AD Board에 연결하여 엔코더 줄력신호를 얻는 부분과 실험데이터를 모니터 링하고 분석하기 위한 PC로 구성되어 있다. 실험용 로타리 엔코더는 1024 ppr, differential, A+, A-, B+, B-, GND type이다.
- 실험에 사용된 산업용 PC는 실시간 측정과 처리가 가능하도록 구성되어 있다. 이송 위치 정밀도의 측정은 가공작업 중 각 이송 축의 최종위치 측정이 난해함으로 서보모 터의 엔코더를 이용하는 간접적인 방법을 적용하였다. 즉 서보모터의 로타리엔코더 출력값인 A+, A-, B+, B- 및 GND를 각각 A/D Board로 연결하고, 각 이송 축의 이송 거리를 연산 할 수 있는 PC 알고리즘을 이용하여 분해능 1 11 m의 위치 정밀 도를 구현 후 공작기계의 2, 3차원 위치 정밀도를 측정한다.
- 이송 위치 정밀도의 측정은 가공작업 중 각 이송 축의 최종위치 측정이 난해함으로 서보모 터의 엔코더를 이용하는 간접적인 방법을 적용하였다. 즉 서보모터의 로타리엔코더 출력값인 A+, A-, B+, B- 및 GND를 각각 A/D Board로 연결하고, 각 이송 축의 이송 거리를 연산 할 수 있는 PC 알고리즘을 이용하여 분해능 1 11 m의 위치 정밀 도를 구현 후 공작기계의 2, 3차원 위치 정밀도를 측정한다. 이송 계는 서보모터에 의해 구동되며, 서보모터의 출력 토크는 증폭기가 서보모터에 인가하는 전류의 크기에 비례하게 된다.
대상 데이터
- 5, 。=220과 모터 시정 수 T=200으로 NC 제어기의 입력값으로 설정한 후 무부하와 알루미늄 시편을 이용한 가공 시 위치 정밀도와 서보모터에 인가되는 전류 형태를 측정 및 분석하였다. 가공재료로는 알루미늄이 사용되었으며 엔드밀 직경은 6 8, 절입 깊이는 5mm로 하여 가공 형상이 직각이 되도록 G-code를 작성하여 각각의 축의 위치 정밀도 및 전류 파형을 분석하기 위해 X축 이송 후 Y축 이송이 이루어지도록 하였다. Fig.
- 본 연구에서는 1회전당 수천 펄스의 사인 펄스 신호를 PC로 A/D 하여 소프트웨어 알고리즘을 구성하여 고정 밀도로 분해하였다. 실험에 사용된 광전식 로타 리 엔코더는 Fig. 2와 같이 동일한 크기의 90 - 위상차이로 A+(sin), A-(sin ref.), B+(cos), B-(cos ref.), GND의 출력신호가 있으며 회전당 1024개의 사인파가 출력된다. 실험에 쓰이는 CNC 공작기계의 X, Y, Z 각 축의 볼스크류의 리드는 10mm이다.
- ), GND의 출력신호가 있으며 회전당 1024개의 사인파가 출력된다. 실험에 쓰이는 CNC 공작기계의 X, Y, Z 각 축의 볼스크류의 리드는 10mm이다. 이때 엔코더 출력신호로 축의 회전에 따른 이송 거리를 정밀하게 측정하기 위해, 1) 엔코더의 회전 방향 (시계방향 CW, 반시계방향 CCW) 판정,2) 출력신호의 크기 변화에 따른 이송 거리, 3) 데 이 터의 신뢰성을 위한 최소한의 샘플링 주기 등에 대한 알고리즘이 필요하다.
- 앞장에서 소개된 알고리즘으로 엔코더 신호 분석장치를 구성하 였으며 3상 AC 서보모터에 입력되는 전류를 측 정부분과 X, Y, Z축 엔코더 신호선을 AD Board에 연결하여 엔코더 줄력신호를 얻는 부분과 실험데이터를 모니터 링하고 분석하기 위한 PC로 구성되어 있다. 실험용 로타리 엔코더는 1024 ppr, differential, A+, A-, B+, B-, GND type이다.엔코더의 신호선은 5개, 실험에 사용된 Clamp meter (홀센서 : 10mV/A, AC)의 경우 2개이며 한 축에서 7개의 아날로그 신호선이 있다.
- 실험은 현재 국내에서 개발 중인 CNC 공작 기계용 제어기를 대상으로 하였다. 앞장에서 소개된 알고리즘으로 엔코더 신호 분석장치를 구성하 였으며 3상 AC 서보모터에 입력되는 전류를 측 정부분과 X, Y, Z축 엔코더 신호선을 AD Board에 연결하여 엔코더 줄력신호를 얻는 부분과 실험데이터를 모니터 링하고 분석하기 위한 PC로 구성되어 있다.
데이터처리
- 측정된 원호 데이터의 위치 정밀도를 분석하기 위해 기준 원을 구하는 방법으로 최소 자승 Lima conn 방법(그이 사용되었다. Fig. 8은 PCL-833 펄스 카운터를 이용하여 엔코더 신호를 측정한 원호데이터 로 Limacon방법에 의한 NC 제어기의 원호 궤적 위치 제어 정밀도를 비교하였다.
이론/모형
- 본 논문에서는 NC 공작기계의 엔코 더 신호를 사각 파 펄스 카운터 (PCL833)를 이용하여 위치 정밀도를 측정하여 지정된 원 궤적과 비교하는 실험을 수행하였다. 측정된 원호 데이터의 위치 정밀도를 분석하기 위해 기준 원을 구하는 방법으로 최소 자승 Lima conn 방법(그이 사용되었다. Fig.
성능/효과
- (1) X축은 정지하면서 전류가 감소하여 변화가 없고 이송이 시작되는 Y축은 입력전류가 갑자기 증가한 후 일정한 주기로 일정하게 전류 파형이 변화하고 있음을 알 수 있다. 일정 주기의 전류변화와 최초 가속 구간에서의 20% 전류크기가 증가하는 것을 알 수 있다.
- (2) 실제 가공작업에서는 가공물과 절삭 날에의한 절삭력에 의해 무부하 운전 시와는 다른 전류 형태가 나타나고 이로 인하여 약 10um의 굴곡이 형성되고 이로 인한 위치 오차가 발생한다는 것을 알 수 있다. 가공실험에서 절삭력으로 인한 서보모터 입력전류의 크기는 전체 입력전류의 약 25%로 절삭력 크기 변화가 위치 오차의 원인이 됨을 알 수 있다.
- (3) 가감속 특성 실험을 통해 a(축 모델링 상 수)=1.5일 때, °(속도제어기 적분/비례 이득 비)=220일 때, T(직선가감속시간)=200 msec 일 때 빠른 속도 응답이 이루어짐을 확인할 수 있었으며, 이 경우 공구 위치 오차의 감소가 예상된다.
- Fig. 5(a) 에서 주어진 속도 600mpm의 이르는 시간 (Tr, Rising time)은 가감속 특성 실험을 통해 a=1.5일 때 88msec로 가장 빠른 속도 응답이 이루어짐을 확인할 수 있었다. 직선 가감속만을 적용하였을 경우에도 가 감속의 시작과 종료되는 지점에서 완만하게 속도가 변화하고 이로 인하여 가감속의 전체적인 형태가 완만해짐을 알 수 있다.
- CNC 공작기계 제어기의 위치 오차 제어 특성을 파악하기 위해 홀센서로 서보 모터의 전류 신호측정 및 고분해능 A/D에 의한 엔코 더 신호 분석으로 부하에 따른 위치제어 특성 측정이 가능함을 확인하였다. 구성된 장치에 의한 실험으로 NC 제어기의 위치 오차 특성 분석값을 다음과 같이 얻을 수 있었다.
- 앞서 실험과 동일한 조건에서 고정된 이송속도에서 X축 (。)를 변화하여 실험을 하였다. P=220일 때 빠른 속도 응답이 이루어진다는 것을 알 수 있었으며, 동일한 이 유로 가감속형태가 직선이 아닌 완만한 형태로 나타남을 알 수 있었다. Fig.
- (2) 실제 가공작업에서는 가공물과 절삭 날에의한 절삭력에 의해 무부하 운전 시와는 다른 전류 형태가 나타나고 이로 인하여 약 10um의 굴곡이 형성되고 이로 인한 위치 오차가 발생한다는 것을 알 수 있다. 가공실험에서 절삭력으로 인한 서보모터 입력전류의 크기는 전체 입력전류의 약 25%로 절삭력 크기 변화가 위치 오차의 원인이 됨을 알 수 있다.
- 5(b) 는 이송 축 의 속도가 주어진 이송속도에 이르는 직선 가감 속 시간 변화에 따른 실험이다. 결과에서 주어진 속도에 이르는 시간은 T=200msec, Tr=84msec 일 때 빠른 속도 응답이 이루어짐을 알 수 있다.
후속연구
- (4) 서보 엔코더 신호 분석을 통해 NC 제어기의 직선 및 원호보간 특성 분석이 가능하며, 부하에 따른 실험결과를 바탕으로 제어기의 모델링 상수 속도 게인 및 시정 수 등의 최적 조정이 가능할 것으로 보인다.
- 서보모터에서 출력되는 토크의 과도한 변화로 인한 공작 물형 상오 차에 미치는 영향에 대해 분석하고, 형 상오차감 소를 위한 되먹임 정도를 조정할 수 있는 실시간 위치 정밀도 모니터링 실험장치를 통하여 작업시간 단축과 NC의 고정도 성능을 유지하도록 한다. 본 연구에서 소개되는 방법으로 NC 가공 중 서보모터에 입력되는 토크와 NC에 되먹임되는 신호를 모니터링하여 이송속도와 각 이득 상수들과의 관계, 과도한 절삭력에 의한 공구마 모, 공구 손실 및 형상 오차를 평가하여 최소화할 수 있을 것이다. 또한 공작기계의 현장의 온도 등 환경변화, 시간 경과에 의해 발생하는 부하 등 특성 변화와 각 상수들 간의 관계를 분석할 수 있고, 이송 가감속에 따라 적절한 값을 찾아 보정할 수 있도록 하여 NC 제어기에 의한 공구 위 치 오차가 최소가 되도록 한다.
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