[논문]CNC 제어 이송계의 Hardware-in-the-loop 시뮬레이션

이원균; 이찬영; 김주영; 송창규; 민병권

doi:10.7736/kspe.2015.32.5.447

CNC 제어 이송계의 Hardware-in-the-loop 시뮬레이션
Hardware-in-the-loop Simulation of CNC-controlled Feed Drives 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.32 no.5, 2015년, pp.447 - 454

이원균 (연세대학교 기계공학과) , 이찬영 (연세대학교 기계공학과) , 김주영 (연세대학교 기계공학과) , 송창규 (한국기계연구원 첨단생산장비연구본부) , 민병권 (연세대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Design and application of hardware-in-the-loop simulation (HILS) for design of CNC-controlled machine tool feed drives is discussed. The CNC machine tool is a complex mechatronics system where the complexity results from the software-based controller composed of a variety of functionalities and advanced control algorithms. Therefore, using a real CNC controller in the control simulation has merits considering the efforts and accuracy of the simulation modeling. In this paper challenges in HILS for a CNC controlled feed drive, such as minimization of time delay and transmission error that are caused by discretization of the feed drive model, is elaborated. Using an experimental HILS setup of a machine tool feed drive applications in controller gain selection and CNC diagnostics are presented.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 하드웨어와의 입출력 신호 전달 과정에서 이산화와 양자화에 의해 발생하는 신호의 유실, 잡음 및 시뮬레이션과 하드웨어의 시간 동기화 문제 등에 의해 안정성과 정밀도가 떨어질 수 있다.^10,11 따라서 본 연구에서는 CNC 제어 이송계의 HILS 구성 과정에서 발생할 수 있는 문제를 분석하고, 그 해결방법을 제시하였다. 2장에서는 HILS 구성 방법, 이송계의 정밀 모델링, 이산화와 양자화에 의한 오차를 최소화하기 위한 피드백 신호의 생성 알고리즘, 이산화에 의한 시간지연 보상방법 등 CNC 제어 이송계의 HILS 구성을 위한 요소기술들에 대해 자세히 설명하였다.
CNC 제어 이송계의 시뮬레이션 기술은 기계장비의 제어성능을 예측하고, 이를 이용하여 최적의 가공 조건과 제어기 설정을 얻는 것을 목적으로 한다.^1,2 또한 CNC 공작기계를 설계하는 단계에서 제어성능을 예측하고, 이를 기반으로 기계장비 요소부품 및 제어기 파라미터를 선정함으로써 개발 시간과 비용을 효과적으로 줄이는 데 사용될 수 있다.
본 논문에서는 CNC 제어 이송계의 HILS 구성 방법과 이송계 모델링, 피드백 신호 생성방법 등 요소 기술을 정리하고, 이 과정에서 발생할 수 있는 문제와 그 해결방법에 대해 설명하였다.
이송계 모델의 정확도는 HILS 정확도를 결정하는 중요한 요소이다. 본 연구에서는 CNC 공작 기계에 일반적으로 사용되는 볼스크류 타입의 직선이송계를 정밀하게 모델링하였다. 이송계는 서보드라이브, 모터, 볼스크류, 직선이송가이드, 테이블로 구성된다.

제안 방법

따라서 Fig. 9(a)와같이 HILS를 이용하여 파라미터 설정에 따른 스텝응답의 변화를 예측하고, 파라미터를 결정하였다. Fig.
11(a)는 구동 중 전원선의 단선 또는 충돌에 의해 이송계가 정지하는 경우에 대한 제어기의 응답이다. HILS 중 이송계의 입력신호를 차단하여 고장상황을 발생시켰다. 고장발생 후 추종오차가 증가하여 입력 전압이 가파르게 증가한다.
HILS의 정확도를 검증하기 위해 이송계 테스트베드를 구성하고, 직선이송 시 테스트베드와 HILS의 제어성능을 비교하였다.¹⁷이송계는 회전형 엔코더가 포함된 교류동기전동기(SGMAV, Yaskawa) 와 볼스크류(BNK1205, THK), 직선이송가이드 (SSR20XW, THK)로 구성하였다.
하지만 정확한 시간 차이를 측정하기 어렵다. 따라서 Fig. 7과 같이 HILS 중 이송계의 목표위치를 0으로 설정한 후 D의 원소를 하나씩 시프트하며(set1~set8) 발생하는 추종오차가 최소가 되는 점(set 3)을 찾아 그 때의 값을 적용하였다.
이송계에서 생성되는 엔코더신호의 주파수가 실시간 컴퓨터에서 생성 가능한 신호의 최대주파수(f_s)보다 클 경우 시뮬레이션이 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 f_s를 높이기 위해 이송계 모델과 피드백신호 생성모델을 서로 다른 주파수로 시뮬레이션하는 복합전송률(multi-rate) 시스템을 구성하였다. 이송계와 피드백신호 생성모델의 시뮬레이션 주파수는 각각 8 kHz, 40 kHz로, 실시간 컴퓨터에서 시뮬레이션 가능한 최대 주파수로 설정하였다.
CNC 공작기계의 윤곽제어 성능은 제품의 형상 정밀도를 결정하는 중요한 요소로, 제어기의 루프 게인에 의해 결정되는 이송계의 동특성 이외에도 가감속 시간과 같은 수치제어커널의 위치지령 생성 관련 파라미터의 영향을 받는다. 따라서 윤곽 제어 성능을 향상시키기 위해 HILS를 이용하여 가감속시간(T_a)과 루프게인의 설정에 따른 윤곽오차의 변화를 예측하고, 이를 기반으로 제어기 파라미터를 결정하였다. Fig.
3(b)와 같이 오차가 누적되지 않는다. 본 연구에서는 이송계의 위치를 참조하는 방법을 사용하여 엔코더 신호를 생성하였다. 이송계에서 생성되는 엔코더신호의 주파수가 실시간 컴퓨터에서 생성 가능한 신호의 최대주파수(f_s)보다 클 경우 시뮬레이션이 불가능하다.
6은 제안한 시간지연 보상 알고리즘의 성능을 검증하기 위한 시뮬레이션 결과 이다. 이송계 모델을 T_s 의 주기로 시뮬레이션함으로써 시간지연이 없는 시스템을 구현하고, 직선이송 시 시간지연 보상 알고리즘 적용 여부에 따른 시뮬레이션오차(시간지연이 없는 시스템의 위치 -시간지연이 있는 시스템의 위치)를 비교하였다. 시간지연 보상 적용 시 시뮬레이션오차가 감소함을 통해 제안한 방법의 효과를 확인할 수 있다.
2장에서는 HILS 구성 방법, 이송계의 정밀 모델링, 이산화와 양자화에 의한 오차를 최소화하기 위한 피드백 신호의 생성 알고리즘, 이산화에 의한 시간지연 보상방법 등 CNC 제어 이송계의 HILS 구성을 위한 요소기술들에 대해 자세히 설명하였다. 이송계 테스트베드를 구성하여 실험 결과와 시뮬레이션 결과를 비교함으로써 구성된 HILS의 정확도를 검증하였다. 3장에서는 제어성능의 예측과 이를 이용한 제어기 파라미터 결정, 실제 공작기계를 이용하여 수행하기 어려운 고장진단기능의 시험 등 HILS의 활용에 대해 정리하였다.
따라서 본 연구에서는 f_s를 높이기 위해 이송계 모델과 피드백신호 생성모델을 서로 다른 주파수로 시뮬레이션하는 복합전송률(multi-rate) 시스템을 구성하였다. 이송계와 피드백신호 생성모델의 시뮬레이션 주파수는 각각 8 kHz, 40 kHz로, 실시간 컴퓨터에서 시뮬레이션 가능한 최대 주파수로 설정하였다. 제어기 연산 주파수는 5 kHz로 설정하였다.
1은 CNC 공작기계의 제어시스템과 제어기의 HILS 구성이다. 제어기에서 출력 되는 신호를 실시간 컴퓨터에서 측정하여 이송계 모델을 구동하고, 그 결과를 센서의 출력과 동일한 형태로 변환하여 제어기에 피드백한다. CNC 제어기는 아날로그 전압, 펄스, 네트워크 등 다양한 인터페이스를 이용하여 서보드라이브에 지령을 전달하고 위치 신호를 피드백 받으므로, HILS 구성을 위해서는 실시간 컴퓨터에 제어기의 입출력 신호와 동일한 인터페이스를 구성해야 한다.
하지만 전용드라이브를 사용하는 CNC는 제어성능의 향상을 위해 일반적으로 제어기와 함께 서보드라이브, 모터를 패키지로 사용한다. 제어기에서는 보간, 각 축의 경로생성 및 위치제어를 수행하고, 각 축의 속도, 전류제어 및 필터링은 서보드라이브에서 수행한다. 이러한 경우 제어기와 드라이브는 제조사 전용 필드버스를 사용하여 데이터를 교환하므로 HILS의 구성이 어렵다.

대상 데이터

17 이송계는 회전형 엔코더가 포함된 교류동기전동기(SGMAV, Yaskawa) 와 볼스크류(BNK1205, THK), 직선이송가이드 (SSR20XW, THK)로 구성하였다. Fig.

성능/효과

Fig. 9(b)와 같이 결정된 파라미터를 테스트베드의 제어에 적용하여 그 결과를 확인함으로써 CNC 제어 이송계의 HILS를 동특성 향상을 위한 제어기 파라미터 결정에 활용할 수 있음을 검증하였다.
10(c)와 같이 루프게인을 높일 경우 오차가 크게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 2축 테스트베드를 구성하고 각 조건에서 실험 결과와 시뮬레이션 결과를 비교함으로써 CNC 제어 이송계의 HILS를 윤곽제어성능 향상을 위한 제어기 파라미터 결정에 활용할 수 있음을 검증하였다.
본 논문에서 제시된 예를 통해 HILS가 제어성 능의 예측뿐만 아니라 이를 기반으로 한 제어기 파라미터의 결정, 실제 공작기계를 이용하여 수행하기 어려운 고장진단기능의 성능시험 등 제어기 성능 향상 및 시험을 위한 도구로 활용될 수 있음을 보였다.
이송계 모델을 T_s 의 주기로 시뮬레이션함으로써 시간지연이 없는 시스템을 구현하고, 직선이송 시 시간지연 보상 알고리즘 적용 여부에 따른 시뮬레이션오차(시간지연이 없는 시스템의 위치 -시간지연이 있는 시스템의 위치)를 비교하였다. 시간지연 보상 적용 시 시뮬레이션오차가 감소함을 통해 제안한 방법의 효과를 확인할 수 있다.

후속연구

1,2 또한 CNC 공작기계를 설계하는 단계에서 제어성능을 예측하고, 이를 기반으로 기계장비 요소부품 및 제어기 파라미터를 선정함으로써 개발 시간과 비용을 효과적으로 줄이는 데 사용될 수 있다.^3,4 CNC 제어 이송계 시뮬레이션을 위해서는 이송계와 CNC 제어기의 모델이 필요하다.
이러한 경우 충돌이 발생할 수 있으므로, 추종오차 한계값을 줄임으로써 고장발생 후의 이동 거리를 줄일 수 있다. 이 결과를 통해 CNC 제어 이송계의 HILS를 고장진단기능의 성능시험에 활용할 수 있음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전용드라이브를 사용하는 CNC는 제어성능의 향상을 위해 무엇을 사용하는가?	상용화된 개방형 CNC 제어기는 범용 서보드라이브로 구성되는 이송계를 제어하기 위해 다양한 인터페이스를 제공하므로 HILS 구성이 용이하다. 하지만 전용드라이브를 사용하는 CNC는 제어성능의 향상을 위해 일반적으로 제어기와 함께 서보드라이브, 모터를 패키지로 사용한다. 제어기에서는 보간, 각 축의 경로생성 및 위치제어를 수행하고, 각 축의 속도, 전류제어 및 필터링은 서보드라이브에서 수행한다.
	CNC 제어 이송계의 시뮬레이션 기술의 목적은 무엇인가?	CNC 제어 이송계의 시뮬레이션 기술은 기계장비의 제어성능을 예측하고, 이를 이용하여 최적의 가공 조건과 제어기 설정을 얻는 것을 목적으로 한다.1,2 또한 CNC 공작기계를 설계하는 단계에서 제어성능을 예측하고, 이를 기반으로 기계장비 요소부품 및 제어기 파라미터를 선정함으로써 개발 시간과 비용을 효과적으로 줄이는 데 사용될 수 있다.
	CNC 제어 이송계의 시뮬레이션 기술은 어디에 사용될 수 있는가?	CNC 제어 이송계의 시뮬레이션 기술은 기계장비의 제어성능을 예측하고, 이를 이용하여 최적의 가공 조건과 제어기 설정을 얻는 것을 목적으로 한다.1,2 또한 CNC 공작기계를 설계하는 단계에서 제어성능을 예측하고, 이를 기반으로 기계장비 요소부품 및 제어기 파라미터를 선정함으로써 개발 시간과 비용을 효과적으로 줄이는 데 사용될 수 있다.3,4 CNC 제어 이송계 시뮬레이션을 위해서는 이송계와 CNC 제어기의 모델이 필요하다.

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