CNC 공작기계의 기준점 복귀 결함에 대한 분석 및 제거 방법
초록: 본 논문은 CNC 공작기계의 원점 복귀 원리를 폐루프, 반폐루프, 그리고 개루프 시스템을 포함하여 심층적으로 분석합니다. 구체적인 사례를 통해 CNC 공작기계의 다양한 원점 복귀 결함 유형을 자세히 살펴보고, 결함 진단, 분석 방법 및 제거 전략을 제시하며, 머시닝센터 공작기계의 공구 교환 지점에 대한 개선 방안을 제시합니다.
I. 서론
수동 원점 복귀 작업은 공작기계 좌표계 구축의 필수 조건입니다. 대부분의 CNC 공작기계는 시동 후 첫 번째로 원점 복귀를 수동으로 조작합니다. 원점 복귀 오류는 프로그램 처리를 방해할 뿐만 아니라, 부정확한 원점 위치는 가공 정밀도에 영향을 미치고 심지어 충돌 사고를 유발할 수도 있습니다. 따라서 원점 복귀 오류를 분석하고 제거하는 것은 매우 중요합니다.
II. CNC 공작기계의 원점 복귀 원리
(A) 시스템 분류
폐쇄 루프 CNC 시스템: 최종 선형 변위를 감지하기 위한 피드백 장치가 장착되어 있습니다.
반폐쇄형 CNC 시스템: 위치 측정 장치가 서보 모터의 회전축이나 리드 스크류 끝에 설치되고, 피드백 신호는 각도 변위로부터 가져옵니다.
개방 루프 CNC 시스템: 위치 감지 피드백 장치가 없습니다.
(B) 참조점 반환 방법
기준점 반환을 위한 그리드 방식
절대 격자법: 절대 펄스 인코더 또는 격자자를 사용하여 원점으로 복귀합니다. 공작기계 디버깅 시에는 파라미터 설정 및 공작기계 원점 복귀 동작을 통해 원점을 결정합니다. 검출 피드백 소자의 백업 배터리가 작동하는 한, 기계가 시동될 때마다 원점 위치 정보가 기록되므로 원점 복귀 동작을 다시 수행할 필요가 없습니다.
증분형 그리드 방식: 증분형 인코더 또는 격자자를 사용하여 원점으로 복귀하며, 기계가 시동될 때마다 원점 복귀 작업이 필요합니다. 특정 CNC 밀링 머신(FANUC 0i 시스템 사용)을 예로 들어, 영점으로 복귀하는 증분형 그리드 방식의 원리와 과정은 다음과 같습니다.
모드 스위치를 "기준점 복귀" 기어로 전환하고, 기준점 복귀할 축을 선택한 후, 해당 축의 조그 버튼을 누릅니다. 축이 기준점을 향해 빠른 속도로 이동합니다.
작업대와 함께 움직이는 감속 블록이 감속 스위치의 접점을 누르면 감속 신호가 켜짐(ON)에서 꺼짐(OFF)으로 전환됩니다. 작업대 이송은 감속되고 파라미터에 설정된 저속 이송 속도로 계속 이동합니다.
감속 블록이 감속 스위치를 해제하고 접점 상태가 OFF에서 ON으로 변경되면 CNC 시스템은 인코더에 첫 번째 그리드 신호(1회전 신호 PCZ라고도 함)가 나타날 때까지 기다립니다. 이 신호가 나타나면 작업대의 이동이 즉시 중단됩니다. 동시에 CNC 시스템은 원점 복귀 완료 신호를 전송하고, 원점 램프가 켜지면서 공작 기계 축이 원점으로 성공적으로 복귀했음을 나타냅니다.
기준점 복귀를 위한 자기 스위치 방식
개방 루프 시스템은 일반적으로 원점 복귀 위치 지정을 위해 자기 유도 스위치를 사용합니다. 특정 CNC 선반을 예로 들어, 원점 복귀를 위한 자기 스위치 방식의 원리와 과정은 다음과 같습니다.
첫 번째 두 단계는 참조점 복귀를 위한 그리드 방법의 작업 단계와 동일합니다.
감속 블록이 감속 스위치를 해제하고 접점 상태가 OFF에서 ON으로 변경되면 CNC 시스템은 유도 스위치 신호가 나타날 때까지 기다립니다. 이 신호가 나타나면 작업대의 이동이 즉시 중단됩니다. 동시에 CNC 시스템은 원점 복귀 완료 신호를 전송하고, 원점 램프가 켜지면서 공작 기계가 축의 원점으로 성공적으로 복귀했음을 나타냅니다.
III. CNC 공작기계의 원점 복귀 고장 진단 및 분석
CNC 공작기계의 원점 복귀에 오류가 발생한 경우 간단한 것부터 복잡한 것까지 원칙에 따라 종합적인 검사를 실시해야 합니다.
(A) 경보 없는 고장
고정된 그리드 거리로부터의 편차
오류 현상: 공작기계가 시동되고 처음으로 수동으로 기준점을 복귀할 때 기준점에서 1개 또는 여러 그리드 거리만큼 벗어나고 이후의 편차 거리는 매번 고정됩니다.
원인 분석: 일반적으로 감속 블록의 위치가 잘못되었거나, 감속 블록의 길이가 너무 짧거나, 기준점에 사용되는 근접 스위치의 위치가 부적절한 경우입니다. 이러한 오류는 일반적으로 공작기계를 처음 설치하고 디버깅한 후 또는 대대적인 점검 후에 발생합니다.
해결 방법: 감속 블록이나 근접 스위치의 위치를 조정할 수 있으며, 참조점 복귀를 위한 빠른 이송 속도와 빠른 이송 시간 상수도 조정할 수 있습니다.
무작위 위치 또는 작은 오프셋으로부터의 편차
고장 현상: 기준점의 어느 위치에서도 벗어나는 경우, 편차값이 무작위적이거나 작으며, 기준점 복귀 작업을 수행할 때마다 편차 거리가 같지 않습니다.
원인 분석:
외부 간섭으로는 케이블 차폐층의 접지 불량, 펄스 인코더의 신호선이 고전압 케이블에 너무 가까운 경우 등이 있습니다.
펄스 인코더 또는 회절격자에서 사용하는 전원 공급 전압이 너무 낮거나(4.75V 미만) 오류가 있습니다.
속도 제어 장치의 제어판에 결함이 있습니다.
이송축과 서보 모터 사이의 결합이 느슨합니다.
케이블 커넥터의 접촉이 불량하거나 케이블이 손상되었습니다.
해결방법: 접지 개선, 전원 공급 점검, 제어 보드 교체, 커플링 조임, 케이블 점검 등 각 원인에 맞는 적절한 조치를 취해야 합니다.
(B) 경보가 있는 결함
감속 동작이 없어서 발생한 초과 이동 알람
오류 현상: 공작기계가 원점 복귀 시 감속 동작이 없고, 리미트 스위치에 닿을 때까지 계속 움직이다가 과이동으로 인해 정지합니다. 원점 복귀를 위한 녹색 표시등이 켜지지 않고 CNC 시스템에 "준비 안 됨(NOT READY)" 상태가 표시됩니다.
원인 분석: 기준점 복귀용 감속 스위치가 고장나거나, 스위치 접점을 누른 후 재설정할 수 없거나, 감속 블록이 느슨하고 변위되어 공작 기계가 기준점으로 복귀할 때 영점 펄스가 작동하지 않아 CNC 시스템에 감속 신호를 입력할 수 없습니다.
해결 방법: "초과 이동 해제" 기능 버튼을 사용하여 공작 기계의 좌표 초과 이동을 해제하고 공작 기계를 이동 범위 내로 다시 이동한 다음 기준점 복귀용 감속 스위치가 느슨하지 않은지, 해당 이동 스위치 감속 신호선에 단락 또는 개방 회로가 있는지 확인합니다.
감속 후 기준점을 찾지 못하여 발생하는 알람
고장현상: 기준점 복귀 과정에서 감속이 발생하지만, 리미트 스위치에 닿을 때까지 정지하고 알람이 발생하며, 기준점을 찾지 못해 기준점 복귀 동작이 실패합니다.
원인 분석:
인코더(또는 회절격자)는 기준점 복귀 작업 동안 기준점이 복귀되었음을 나타내는 제로 플래그 신호를 보내지 않습니다.
기준점 복귀의 0점 위치가 실패합니다.
참조점 복귀의 제로 플래그 신호는 전송이나 처리 중에 손실됩니다.
측정 시스템에 하드웨어 오류가 발생하여 기준점 복귀의 제로 플래그 신호가 인식되지 않습니다.
해결방법: 신호추적법을 사용하고 오실로스코프를 사용하여 엔코더 기준점 복귀의 제로 플래그 신호를 확인하여 고장 원인을 판단하고 해당 처리를 진행합니다.
부정확한 기준점 위치로 인한 알람
고장현상: 원점복귀 과정에서 감속이 발생하고, 원점복귀 제로 플래그 신호가 나타나며, 제동을 통해 영점으로 향하는 과정도 있으나, 원점의 위치가 부정확하여 원점복귀 동작이 실패합니다.
원인 분석:
기준점 복귀의 제로 플래그 신호가 누락되었고, 측정 시스템은 이 신호를 찾아서 펄스 인코더가 한 바퀴 더 회전한 후에야 멈출 수 있습니다. 이렇게 하면 작업대가 기준점으로부터 선택된 거리에 있는 위치에서 멈출 수 있습니다.
감속 블록이 기준점 위치에 너무 가까워서, 좌표축이 지정된 거리까지 이동하지 못하고 리미트 스위치에 닿으면 정지합니다.
신호 간섭, 블록 느슨함, 기준점 복귀의 제로 플래그 신호 전압이 너무 낮은 등의 요인으로 인해 작업대가 정지하는 위치가 부정확하고 규칙성이 없습니다.
해결 방법: 감속 블록의 위치를 조정하고, 신호 간섭을 제거하고, 블록을 조이고, 신호 전압을 확인하는 등 다양한 이유에 따라 처리합니다.
파라미터 변경으로 인해 기준점으로 복귀하지 못하여 발생하는 알람
고장 현상: 공작기계가 원점 복귀 시, "원점 복귀 불가" 알람이 발생하고, 공작기계는 원점 복귀 동작을 실행하지 않습니다.
원인 분석: 명령 배율비(CMR), 검출 배율비(DMR), 원점 복귀를 위한 빠른 이송 속도, 원점 근처 감속 속도를 0으로 설정하는 등의 설정 매개변수를 변경하거나, 공작기계 조작 패널의 빠른 배율 스위치와 이송 배율 스위치를 0%로 설정한 경우 발생할 수 있습니다.
해결 방법: 관련 매개변수를 확인하고 수정하세요.
IV. 결론
CNC 공작기계의 기준점 복귀 오류는 크게 두 가지 상황으로 나뉩니다. 알람 발생 시 기준점 복귀 실패와 알람 발생 시 기준점 드리프트입니다. 알람 발생 시 CNC 시스템은 가공 프로그램을 실행하지 않아 다량의 폐기물 발생을 방지할 수 있습니다. 반면, 알람 발생 시 기준점 드리프트 오류는 쉽게 무시할 수 있어 가공 부품의 폐기물 발생이나 심지어 다량의 폐기물 발생으로 이어질 수 있습니다.
머시닝 센터 기계의 경우, 많은 기계가 좌표축 기준점을 공구 교환점으로 사용하기 때문에 장시간 운전 시 기준점 복귀 오류, 특히 알람이 발생하지 않는 기준점 드리프트 오류가 발생하기 쉽습니다. 따라서 두 번째 기준점을 설정하고 기준점으로부터 일정 거리에 있는 G30 X0 Y0 Z0 명령을 사용하는 것이 좋습니다. 이 방법은 공구 매거진과 매니퓰레이터 설계에 어려움을 야기하지만, 공작 기계의 기준점 복귀 오류율과 자동 공구 교환 오류율을 크게 줄일 수 있으며, 공작 기계 시동 시 기준점 복귀를 한 번만 수행하면 됩니다.
초록: 본 논문은 CNC 공작기계의 원점 복귀 원리를 폐루프, 반폐루프, 그리고 개루프 시스템을 포함하여 심층적으로 분석합니다. 구체적인 사례를 통해 CNC 공작기계의 다양한 원점 복귀 결함 유형을 자세히 살펴보고, 결함 진단, 분석 방법 및 제거 전략을 제시하며, 머시닝센터 공작기계의 공구 교환 지점에 대한 개선 방안을 제시합니다.
I. 서론
수동 원점 복귀 작업은 공작기계 좌표계 구축의 필수 조건입니다. 대부분의 CNC 공작기계는 시동 후 첫 번째로 원점 복귀를 수동으로 조작합니다. 원점 복귀 오류는 프로그램 처리를 방해할 뿐만 아니라, 부정확한 원점 위치는 가공 정밀도에 영향을 미치고 심지어 충돌 사고를 유발할 수도 있습니다. 따라서 원점 복귀 오류를 분석하고 제거하는 것은 매우 중요합니다.
II. CNC 공작기계의 원점 복귀 원리
(A) 시스템 분류
폐쇄 루프 CNC 시스템: 최종 선형 변위를 감지하기 위한 피드백 장치가 장착되어 있습니다.
반폐쇄형 CNC 시스템: 위치 측정 장치가 서보 모터의 회전축이나 리드 스크류 끝에 설치되고, 피드백 신호는 각도 변위로부터 가져옵니다.
개방 루프 CNC 시스템: 위치 감지 피드백 장치가 없습니다.
(B) 참조점 반환 방법
기준점 반환을 위한 그리드 방식
절대 격자법: 절대 펄스 인코더 또는 격자자를 사용하여 원점으로 복귀합니다. 공작기계 디버깅 시에는 파라미터 설정 및 공작기계 원점 복귀 동작을 통해 원점을 결정합니다. 검출 피드백 소자의 백업 배터리가 작동하는 한, 기계가 시동될 때마다 원점 위치 정보가 기록되므로 원점 복귀 동작을 다시 수행할 필요가 없습니다.
증분형 그리드 방식: 증분형 인코더 또는 격자자를 사용하여 원점으로 복귀하며, 기계가 시동될 때마다 원점 복귀 작업이 필요합니다. 특정 CNC 밀링 머신(FANUC 0i 시스템 사용)을 예로 들어, 영점으로 복귀하는 증분형 그리드 방식의 원리와 과정은 다음과 같습니다.
모드 스위치를 "기준점 복귀" 기어로 전환하고, 기준점 복귀할 축을 선택한 후, 해당 축의 조그 버튼을 누릅니다. 축이 기준점을 향해 빠른 속도로 이동합니다.
작업대와 함께 움직이는 감속 블록이 감속 스위치의 접점을 누르면 감속 신호가 켜짐(ON)에서 꺼짐(OFF)으로 전환됩니다. 작업대 이송은 감속되고 파라미터에 설정된 저속 이송 속도로 계속 이동합니다.
감속 블록이 감속 스위치를 해제하고 접점 상태가 OFF에서 ON으로 변경되면 CNC 시스템은 인코더에 첫 번째 그리드 신호(1회전 신호 PCZ라고도 함)가 나타날 때까지 기다립니다. 이 신호가 나타나면 작업대의 이동이 즉시 중단됩니다. 동시에 CNC 시스템은 원점 복귀 완료 신호를 전송하고, 원점 램프가 켜지면서 공작 기계 축이 원점으로 성공적으로 복귀했음을 나타냅니다.
기준점 복귀를 위한 자기 스위치 방식
개방 루프 시스템은 일반적으로 원점 복귀 위치 지정을 위해 자기 유도 스위치를 사용합니다. 특정 CNC 선반을 예로 들어, 원점 복귀를 위한 자기 스위치 방식의 원리와 과정은 다음과 같습니다.
첫 번째 두 단계는 참조점 복귀를 위한 그리드 방법의 작업 단계와 동일합니다.
감속 블록이 감속 스위치를 해제하고 접점 상태가 OFF에서 ON으로 변경되면 CNC 시스템은 유도 스위치 신호가 나타날 때까지 기다립니다. 이 신호가 나타나면 작업대의 이동이 즉시 중단됩니다. 동시에 CNC 시스템은 원점 복귀 완료 신호를 전송하고, 원점 램프가 켜지면서 공작 기계가 축의 원점으로 성공적으로 복귀했음을 나타냅니다.
III. CNC 공작기계의 원점 복귀 고장 진단 및 분석
CNC 공작기계의 원점 복귀에 오류가 발생한 경우 간단한 것부터 복잡한 것까지 원칙에 따라 종합적인 검사를 실시해야 합니다.
(A) 경보 없는 고장
고정된 그리드 거리로부터의 편차
오류 현상: 공작기계가 시동되고 처음으로 수동으로 기준점을 복귀할 때 기준점에서 1개 또는 여러 그리드 거리만큼 벗어나고 이후의 편차 거리는 매번 고정됩니다.
원인 분석: 일반적으로 감속 블록의 위치가 잘못되었거나, 감속 블록의 길이가 너무 짧거나, 기준점에 사용되는 근접 스위치의 위치가 부적절한 경우입니다. 이러한 오류는 일반적으로 공작기계를 처음 설치하고 디버깅한 후 또는 대대적인 점검 후에 발생합니다.
해결 방법: 감속 블록이나 근접 스위치의 위치를 조정할 수 있으며, 참조점 복귀를 위한 빠른 이송 속도와 빠른 이송 시간 상수도 조정할 수 있습니다.
무작위 위치 또는 작은 오프셋으로부터의 편차
고장 현상: 기준점의 어느 위치에서도 벗어나는 경우, 편차값이 무작위적이거나 작으며, 기준점 복귀 작업을 수행할 때마다 편차 거리가 같지 않습니다.
원인 분석:
외부 간섭으로는 케이블 차폐층의 접지 불량, 펄스 인코더의 신호선이 고전압 케이블에 너무 가까운 경우 등이 있습니다.
펄스 인코더 또는 회절격자에서 사용하는 전원 공급 전압이 너무 낮거나(4.75V 미만) 오류가 있습니다.
속도 제어 장치의 제어판에 결함이 있습니다.
이송축과 서보 모터 사이의 결합이 느슨합니다.
케이블 커넥터의 접촉이 불량하거나 케이블이 손상되었습니다.
해결방법: 접지 개선, 전원 공급 점검, 제어 보드 교체, 커플링 조임, 케이블 점검 등 각 원인에 맞는 적절한 조치를 취해야 합니다.
(B) 경보가 있는 결함
감속 동작이 없어서 발생한 초과 이동 알람
오류 현상: 공작기계가 원점 복귀 시 감속 동작이 없고, 리미트 스위치에 닿을 때까지 계속 움직이다가 과이동으로 인해 정지합니다. 원점 복귀를 위한 녹색 표시등이 켜지지 않고 CNC 시스템에 "준비 안 됨(NOT READY)" 상태가 표시됩니다.
원인 분석: 기준점 복귀용 감속 스위치가 고장나거나, 스위치 접점을 누른 후 재설정할 수 없거나, 감속 블록이 느슨하고 변위되어 공작 기계가 기준점으로 복귀할 때 영점 펄스가 작동하지 않아 CNC 시스템에 감속 신호를 입력할 수 없습니다.
해결 방법: "초과 이동 해제" 기능 버튼을 사용하여 공작 기계의 좌표 초과 이동을 해제하고 공작 기계를 이동 범위 내로 다시 이동한 다음 기준점 복귀용 감속 스위치가 느슨하지 않은지, 해당 이동 스위치 감속 신호선에 단락 또는 개방 회로가 있는지 확인합니다.
감속 후 기준점을 찾지 못하여 발생하는 알람
고장현상: 기준점 복귀 과정에서 감속이 발생하지만, 리미트 스위치에 닿을 때까지 정지하고 알람이 발생하며, 기준점을 찾지 못해 기준점 복귀 동작이 실패합니다.
원인 분석:
인코더(또는 회절격자)는 기준점 복귀 작업 동안 기준점이 복귀되었음을 나타내는 제로 플래그 신호를 보내지 않습니다.
기준점 복귀의 0점 위치가 실패합니다.
참조점 복귀의 제로 플래그 신호는 전송이나 처리 중에 손실됩니다.
측정 시스템에 하드웨어 오류가 발생하여 기준점 복귀의 제로 플래그 신호가 인식되지 않습니다.
해결방법: 신호추적법을 사용하고 오실로스코프를 사용하여 엔코더 기준점 복귀의 제로 플래그 신호를 확인하여 고장 원인을 판단하고 해당 처리를 진행합니다.
부정확한 기준점 위치로 인한 알람
고장현상: 원점복귀 과정에서 감속이 발생하고, 원점복귀 제로 플래그 신호가 나타나며, 제동을 통해 영점으로 향하는 과정도 있으나, 원점의 위치가 부정확하여 원점복귀 동작이 실패합니다.
원인 분석:
기준점 복귀의 제로 플래그 신호가 누락되었고, 측정 시스템은 이 신호를 찾아서 펄스 인코더가 한 바퀴 더 회전한 후에야 멈출 수 있습니다. 이렇게 하면 작업대가 기준점으로부터 선택된 거리에 있는 위치에서 멈출 수 있습니다.
감속 블록이 기준점 위치에 너무 가까워서, 좌표축이 지정된 거리까지 이동하지 못하고 리미트 스위치에 닿으면 정지합니다.
신호 간섭, 블록 느슨함, 기준점 복귀의 제로 플래그 신호 전압이 너무 낮은 등의 요인으로 인해 작업대가 정지하는 위치가 부정확하고 규칙성이 없습니다.
해결 방법: 감속 블록의 위치를 조정하고, 신호 간섭을 제거하고, 블록을 조이고, 신호 전압을 확인하는 등 다양한 이유에 따라 처리합니다.
파라미터 변경으로 인해 기준점으로 복귀하지 못하여 발생하는 알람
고장 현상: 공작기계가 원점 복귀 시, "원점 복귀 불가" 알람이 발생하고, 공작기계는 원점 복귀 동작을 실행하지 않습니다.
원인 분석: 명령 배율비(CMR), 검출 배율비(DMR), 원점 복귀를 위한 빠른 이송 속도, 원점 근처 감속 속도를 0으로 설정하는 등의 설정 매개변수를 변경하거나, 공작기계 조작 패널의 빠른 배율 스위치와 이송 배율 스위치를 0%로 설정한 경우 발생할 수 있습니다.
해결 방법: 관련 매개변수를 확인하고 수정하세요.
IV. 결론
CNC 공작기계의 기준점 복귀 오류는 크게 두 가지 상황으로 나뉩니다. 알람 발생 시 기준점 복귀 실패와 알람 발생 시 기준점 드리프트입니다. 알람 발생 시 CNC 시스템은 가공 프로그램을 실행하지 않아 다량의 폐기물 발생을 방지할 수 있습니다. 반면, 알람 발생 시 기준점 드리프트 오류는 쉽게 무시할 수 있어 가공 부품의 폐기물 발생이나 심지어 다량의 폐기물 발생으로 이어질 수 있습니다.
머시닝 센터 기계의 경우, 많은 기계가 좌표축 기준점을 공구 교환점으로 사용하기 때문에 장시간 운전 시 기준점 복귀 오류, 특히 알람이 발생하지 않는 기준점 드리프트 오류가 발생하기 쉽습니다. 따라서 두 번째 기준점을 설정하고 기준점으로부터 일정 거리에 있는 G30 X0 Y0 Z0 명령을 사용하는 것이 좋습니다. 이 방법은 공구 매거진과 매니퓰레이터 설계에 어려움을 야기하지만, 공작 기계의 기준점 복귀 오류율과 자동 공구 교환 오류율을 크게 줄일 수 있으며, 공작 기계 시동 시 기준점 복귀를 한 번만 수행하면 됩니다.