수치 제어 기술 및 CNC 공작 기계
수치 제어 기술(NC, Numerical Control)은 디지털 정보를 이용하여 기계의 움직임과 가공 과정을 제어하는 방식입니다. 현대 수치 제어는 컴퓨터 제어를 주로 채택하고 있어, 컴퓨터 수치 제어(Computerized Numerical Control, CNC)라고도 합니다.
기계 운동 및 가공 공정의 디지털 정보 제어를 구현하려면 해당 하드웨어와 소프트웨어가 필수적입니다. 디지털 정보 제어를 구현하는 데 사용되는 하드웨어와 소프트웨어의 총체를 수치 제어 시스템(Numerical Control System)이라고 하며, 수치 제어 시스템의 핵심은 수치 제어 장치(Numerical Controller)입니다.
수치 제어 기술로 제어되는 기계를 CNC 공작 기계(NC 공작 기계)라고 합니다. 이는 컴퓨터 기술, 자동 제어 기술, 정밀 측정 기술, 공작 기계 설계 등 첨단 기술을 종합적으로 통합한 대표적인 메카트로닉스 제품입니다. 현대 제조 기술의 초석입니다. 공작 기계 제어는 수치 제어 기술이 가장 오래되고 널리 적용되는 분야입니다. 따라서 CNC 공작 기계의 수준은 현재 수치 제어 기술의 성능, 수준, 그리고 발전 추세를 크게 반영합니다.
CNC 공작 기계에는 드릴링, 밀링, 보링, 터닝, 연삭, 방전 가공, 단조, 레이저 가공, 그리고 특정 용도를 가진 특수 CNC 공작 기계 등 다양한 유형이 있습니다. 수치 제어 기술로 제어되는 모든 공작 기계는 NC 공작 기계로 분류됩니다.
회전 공구 홀더가 있는 CNC 선반을 제외하고, 자동 공구 교환 장치(ATC, Automatic Tool Changer)가 장착된 CNC 공작기계를 머시닝 센터(Machine Center, MC)라고 합니다. 공구의 자동 교체를 통해 공작물은 한 번의 클램핑으로 여러 가공 과정을 완료할 수 있어 공정의 집중화와 복합화를 실현합니다. 이를 통해 보조 가공 시간을 효과적으로 단축하고 공작기계의 작업 효율을 향상시킵니다. 동시에 공작물 설치 및 위치 조정 횟수를 줄여 가공 정확도를 높입니다. 머시닝 센터는 현재 CNC 공작기계 중 가장 높은 생산량과 가장 광범위한 적용 분야를 가진 기계입니다.
CNC 공작기계를 기반으로 다중 작업대(팔레트) 자동 교환 장치(자동 팔레트 교환기 - APC) 및 기타 관련 장치를 추가하여 생성된 처리 단위를 유연 제조 셀(FMC - Flexible Manufacturing Cell)이라고 합니다. FMC는 공정 집중화 및 공정 결합을 실현할 뿐만 아니라, 작업대(팔레트) 자동 교환 및 비교적 완벽한 자동 모니터링 및 제어 기능을 통해 일정 기간 무인 가공을 수행하여 장비의 가공 효율을 더욱 향상시킵니다. FMC는 유연 제조 시스템(FMS, Flexible Manufacturing System)의 기반일 뿐만 아니라, 독립적인 자동화 가공 장비로도 활용될 수 있어 개발 속도가 매우 빠릅니다.
FMC와 머시닝 센터를 기반으로 물류 시스템, 산업용 로봇 및 관련 장비를 추가하고 중앙 제어 시스템에 의해 중앙 집중적이고 통합적으로 제어 및 관리하는 제조 시스템을 유연 제조 시스템(FMS, Flexible Manufacturing System)이라고 합니다. FMS는 장기간 무인 가공을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 유형의 부품 및 구성품 조립의 완벽한 가공을 달성하여 작업장 제조 공정의 자동화를 실현합니다. 고도로 자동화된 첨단 제조 시스템입니다.
과학기술의 끊임없는 발전과 더불어 변화하는 시장 수요에 적응하기 위해 현대 제조업은 단순히 작업장 제조 공정의 자동화를 촉진하는 것뿐만 아니라 시장 예측, 생산 의사결정, 제품 설계, 제품 생산부터 판매까지 전 과정을 아우르는 포괄적인 자동화를 달성해야 합니다. 이러한 요구 사항들을 통합하여 형성되는 완전한 생산 및 제조 시스템을 컴퓨터 통합 제조 시스템(Computer Integrated Manufacturing System, CIMS)이라고 합니다. CIMS는 장기 생산 및 비즈니스 활동을 유기적으로 통합하여 더욱 효율적이고 유연한 지능형 생산을 실현하며, 오늘날 자동화 제조 기술 발전의 최고 단계를 나타냅니다. CIMS는 생산 장비의 통합뿐만 아니라, 더 중요하게는 기술 통합과 기능 통합을 정보로 특징짓습니다. 컴퓨터는 통합 도구이고, 컴퓨터 지원 자동화 장치는 통합의 기반이며, 정보와 데이터의 교환 및 공유는 통합의 다리 역할을 합니다. 최종 제품은 정보와 데이터의 실질적인 구현체라고 할 수 있습니다.
수치 제어 시스템 및 그 구성 요소
수치 제어 시스템의 기본 구성 요소
CNC 공작기계의 수치 제어 시스템은 모든 수치 제어 장비의 핵심입니다. 수치 제어 시스템의 주요 제어 대상은 좌표축의 변위(이동 속도, 방향, 위치 등)이며, 그 제어 정보는 주로 수치 제어 처리 또는 모션 제어 프로그램에서 제공됩니다. 따라서 수치 제어 시스템의 가장 기본적인 구성 요소는 프로그램 입출력 장치, 수치 제어 장치, 그리고 서보 드라이브로 구성되어야 합니다.
입출력 장치의 역할은 수치 제어 처리 또는 모션 제어 프로그램, 처리 및 제어 데이터, 공작 기계 파라미터, 좌표축 위치, 감지 스위치 상태 등의 데이터를 입출력하는 것입니다. 키보드와 디스플레이는 모든 수치 제어 장비에 필요한 가장 기본적인 입출력 장치입니다. 또한, 수치 제어 시스템에 따라 광전 판독기, 테이프 드라이브, 플로피 디스크 드라이브와 같은 장치가 장착될 수도 있습니다. 주변 장치로서 컴퓨터는 현재 가장 널리 사용되는 입출력 장치 중 하나입니다.
수치 제어 장치는 수치 제어 시스템의 핵심 구성 요소입니다. 입출력 인터페이스 회로, 컨트롤러, 연산 장치, 그리고 메모리로 구성됩니다. 수치 제어 장치의 역할은 입력 장치에서 내부 논리 회로 또는 제어 소프트웨어를 통해 입력된 데이터를 수집, 계산, 처리하고, 공작 기계의 여러 부분을 제어하여 지정된 동작을 수행하기 위한 다양한 정보와 명령을 출력하는 것입니다.
이러한 제어 정보와 명령 중 가장 기본적인 것은 좌표축의 이송 속도, 이송 방향, 이송 변위 명령입니다. 이러한 명령들은 보간 계산 후 생성되어 서보 드라이브에 전달되고, 드라이버에 의해 증폭되어 최종적으로 좌표축의 변위를 제어합니다. 이는 공구 또는 좌표축의 이동 궤적을 직접적으로 결정합니다.
또한, 시스템 및 장비에 따라, 예를 들어 CNC 공작 기계에는 스핀들의 회전 속도, 방향, 시작/정지, 공구 선택 및 교환 명령, 냉각 및 윤활 장치의 시작/정지 명령, 공작물 풀기 및 클램핑 명령, 작업대 인덱싱 및 기타 보조 명령과 같은 명령이 있을 수 있습니다. 수치 제어 시스템에서는 이러한 명령이 인터페이스를 통해 신호 형태로 외부 보조 제어 장치에 제공됩니다. 보조 제어 장치는 이러한 신호에 대해 필요한 컴파일 및 논리 연산을 수행하고 증폭하며, 해당 액추에이터를 구동하여 공작 기계의 기계 구성 요소, 유압 및 공압 보조 장치를 구동하여 명령에 지정된 동작을 완료합니다.
서보 드라이브는 일반적으로 서보 증폭기(드라이버, 서보 유닛이라고도 함)와 액추에이터로 구성됩니다. CNC 공작 기계에서는 현재 AC 서보 모터가 액추에이터로 주로 사용되고 있으며, 첨단 고속 가공 공작 기계에서는 리니어 모터가 사용되기 시작했습니다. 또한, 1980년대 이전에 생산된 CNC 공작 기계에서는 DC 서보 모터를 사용하는 경우도 있었습니다. 간단한 CNC 공작 기계에서는 스테퍼 모터가 액추에이터로 사용되기도 했습니다. 서보 증폭기의 형태는 액추에이터에 따라 다르며, 구동 모터와 함께 사용해야 합니다.
위의 내용은 수치 제어 시스템의 가장 기본적인 구성 요소입니다. 수치 제어 기술의 지속적인 발전과 공작 기계 성능 수준의 향상으로 시스템에 대한 기능적 요구 사항도 증가하고 있습니다. 다양한 공작 기계의 제어 요구 사항을 충족하고 수치 제어 시스템의 무결성과 균일성을 보장하며 사용자 사용을 용이하게 하기 위해 일반적으로 사용되는 고급 수치 제어 시스템은 일반적으로 공작 기계의 보조 제어 장치로 내부 프로그래밍 가능 컨트롤러를 갖추고 있습니다. 또한 금속 절삭 공작 기계의 경우 스핀들 구동 장치도 수치 제어 시스템의 구성 요소가 될 수 있습니다. 폐루프 CNC 공작 기계의 경우 측정 및 감지 장치도 수치 제어 시스템에 필수적입니다. 고급 수치 제어 시스템의 경우 때로는 컴퓨터가 시스템의 인간-기계 인터페이스 및 데이터 관리 및 입출력 장치로 사용되어 수치 제어 시스템의 기능을 더욱 강력하게 만들고 성능을 더욱 완벽하게 만듭니다.
결론적으로, 수치 제어 시스템의 구성은 제어 시스템의 성능과 장비의 특정 제어 요구 사항에 따라 달라집니다. 구성과 구성에는 상당한 차이가 있습니다. 처리 프로그램의 입출력 장치, 수치 제어 장치, 서보 드라이브라는 세 가지 가장 기본적인 구성 요소 외에도 더 많은 제어 장치가 있을 수 있습니다. 그림 1-1의 점선 상자 부분은 컴퓨터 수치 제어 시스템을 나타냅니다.
NC, CNC, SV, PLC의 개념
NC(CNC), SV, PLC(PC, PMC)는 수치 제어 장비에서 매우 흔히 사용되는 영어 약어이며, 실제 적용에서는 상황에 따라 의미가 달라집니다.
NC(CNC): NC와 CNC는 각각 수치 제어(Numerical Control)와 컴퓨터화된 수치 제어(Computerized Numerical Control)의 일반적인 영어 약어입니다. 현대 수치 제어는 모두 컴퓨터 제어를 채택하고 있기 때문에 NC와 CNC의 의미는 완전히 동일하다고 볼 수 있습니다. 엔지니어링 분야에서 NC(CNC)는 사용 상황에 따라 일반적으로 세 가지 다른 의미를 갖습니다. 넓은 의미에서는 제어 기술(수치 제어 기술)을 의미하고, 좁은 의미에서는 제어 시스템의 실체(수치 제어 시스템)를 의미하며, 또한 특정 제어 장치(수치 제어 장치)를 의미하기도 합니다.
SV: SV는 서보 드라이브(Servo Drive, 줄여서 servo)의 일반적인 영어 약자입니다. 일본 JIS 규격의 규정 용어에 따르면, "물체의 위치, 방향, 상태를 제어량으로 삼아 목표값의 임의의 변화를 추적하는 제어 장치"입니다. 간단히 말해, 목표 위치와 같은 물리량을 자동으로 추종할 수 있는 제어 장치입니다.
CNC 공작 기계에서 서보 드라이브의 역할은 주로 두 가지 측면에서 나타납니다. 첫째, 수치 제어 장치가 지정한 속도로 좌표축이 작동할 수 있도록 합니다. 둘째, 수치 제어 장치가 지정한 위치에 따라 좌표축이 위치할 수 있도록 합니다.
서보 드라이브의 제어 대상은 대개 공작기계의 좌표축의 변위와 속도이고, 액추에이터는 서보 모터이며, 입력 명령 신호를 제어하고 증폭하는 부분을 서보 증폭기(드라이버, 증폭기, 서보 유닛 등으로도 불림)라고 하며, 이것이 서보 드라이브의 핵심입니다.
서보 드라이브는 수치 제어 장치와 함께 사용될 뿐만 아니라, 위치(속도)를 동반하는 시스템으로 단독으로 사용될 수도 있습니다. 따라서 서보 시스템이라고도 합니다. 초기 수치 제어 시스템에서는 위치 제어 부분이 일반적으로 CNC에 통합되어 있었고, 서보 드라이브는 속도 제어만 수행했습니다. 따라서 서보 드라이브는 속도 제어 장치라고도 불렸습니다.
PLC: PC는 Programmable Controller의 영어 약자입니다. 개인용 컴퓨터의 인기가 높아짐에 따라, 개인용 컴퓨터(PC라고도 함)와의 혼동을 피하기 위해 프로그래머블 컨트롤러는 이제 일반적으로 프로그래머블 로직 컨트롤러(Programmable Logic Controller, PLC) 또는 프로그래머블 머신 컨트롤러(Programmable Machine Controller, PMC)로 불립니다. 따라서 CNC 공작 기계에서는 PC, PLC, PMC가 정확히 같은 의미를 갖습니다.
PLC는 빠른 응답 속도, 안정적인 성능, 편리한 사용, 쉬운 프로그래밍 및 디버깅 등의 장점을 가지고 있으며, 일부 공작기계 전기 제품을 직접 구동할 수 있습니다. 따라서 수치 제어 장비의 보조 제어 장치로 널리 사용됩니다. 현재 대부분의 수치 제어 시스템은 CNC 공작기계의 보조 명령을 처리하기 위해 PLC를 내장하고 있어 공작기계의 보조 제어 장치를 크게 간소화합니다. 또한, PLC의 축 제어 모듈 및 위치 결정 모듈과 같은 특수 기능 모듈을 통해 PLC를 직접 활용하여 점 위치 제어, 선형 제어, 단순 윤곽 제어를 구현하여 특수 CNC 공작기계 또는 CNC 생산 라인을 구성할 수 있습니다.
CNC 공작기계의 구성 및 가공 원리
CNC 공작 기계의 기본 구성
CNC 공작 기계는 가장 전형적인 수치 제어 장비입니다. CNC 공작 기계의 기본 구성을 명확히 하려면 먼저 CNC 공작 기계의 부품 가공 작업 과정을 분석해야 합니다. CNC 공작 기계에서 부품 가공을 위해 다음 단계를 수행할 수 있습니다.
가공할 부품의 도면과 공정 계획에 따라, 규정된 코드와 프로그램 형식을 사용하여 공구의 이동 궤적, 가공 공정, 공정 매개변수, 절삭 매개변수 등을 수치 제어 시스템에서 인식할 수 있는 명령 형태로 작성합니다. 즉, 가공 프로그램을 작성합니다.
작성된 처리 프로그램을 수치 제어 장치에 입력합니다.
수치 제어 장치는 입력된 프로그램(코드)을 디코딩하고 처리하여 해당 제어 신호를 각 좌표축의 서보 드라이브 장치와 보조 기능 제어 장치로 전송하여 공작 기계의 각 구성 요소의 이동을 제어합니다.
이동하는 동안 수치 제어 시스템은 언제든지 공작 기계의 좌표축 위치, 이동 스위치의 상태 등을 감지하고 이를 프로그램의 요구 사항과 비교하여 합격한 부품이 처리될 때까지 다음 작업을 결정해야 합니다.
작업자는 언제든지 공작기계의 가공 조건 및 작동 상태를 관찰하고 점검할 수 있습니다. 필요한 경우 공작기계의 안전하고 안정적인 작동을 보장하기 위해 공작기계 동작 및 가공 프로그램을 조정해야 합니다.
CNC 공작기계의 기본 구성은 입출력 장치, 수치 제어 장치, 서보 드라이브 및 피드백 장치, 보조 제어 장치, 공작기계 본체 등으로 구성되는 것을 알 수 있다.
CNC 공작 기계의 구성
수치 제어 시스템은 공작기계 호스트의 가공 제어를 수행하는 데 사용됩니다. 현재 대부분의 수치 제어 시스템은 컴퓨터 수치 제어(CNC)를 채택하고 있습니다. 그림에서 입출력 장치, 수치 제어 장치, 서보 드라이브, 그리고 피드백 장치가 함께 공작기계 수치 제어 시스템을 구성하며, 그 역할은 위에서 설명했습니다. 아래에서는 다른 구성 요소들을 간략하게 소개합니다.
측정 피드백 장치: 폐루프(반폐루프) CNC 공작기계의 감지 링크입니다. 펄스 엔코더, 리졸버, 유도 동기 장치, 회절격자, 자기 스케일, 레이저 측정기 등 최신 측정 요소를 통해 액추에이터(툴 홀더 등) 또는 작업대의 실제 변위 속도와 변위를 감지하여 서보 드라이브 장치 또는 수치 제어 장치로 피드백하고, 액추에이터의 이송 속도 또는 운동 오차를 보상하여 운동 메커니즘의 정확도를 향상시키는 역할을 합니다. 감지 장치의 설치 위치와 감지 신호가 피드백되는 위치는 수치 제어 시스템의 구조에 따라 달라집니다. 서보 내장 펄스 엔코더, 타코미터, 선형 회절격자가 일반적으로 사용되는 감지 부품입니다.
모든 고급 서보가 디지털 서보 드라이브 기술(디지털 서보라고 함)을 채택하기 때문에 서보 드라이브와 수치 제어 장치 간의 연결에는 일반적으로 버스가 사용됩니다. 대부분의 경우 피드백 신호는 서보 드라이브에 연결되어 버스를 통해 수치 제어 장치로 전송됩니다. 아날로그 서보 드라이브(일반적으로 아날로그 서보라고 함)를 사용하는 경우에만 피드백 장치를 수치 제어 장치에 직접 연결해야 합니다.
보조 제어 장치 및 이송 전달 장치: 수치 제어 장치와 공작 기계의 기계 및 유압 구성 요소 사이에 위치합니다. 주요 역할은 수치 제어 장치에서 출력되는 스핀들 속도, 방향, 시작/정지 명령, 공구 선택 및 교환 명령, 냉각 및 윤활 장치의 시작/정지 명령, 공작물 및 공작 기계 구성 요소의 풀림 및 클램핑, 작업대 인덱싱, 공작 기계 감지 스위치의 상태 신호와 같은 보조 명령 신호를 수신하는 것입니다. 필요한 컴파일, 논리적 판단 및 전력 증폭 후, 해당 액추에이터를 직접 구동하여 공작 기계의 기계 구성 요소, 유압 및 공압 보조 장치를 구동하여 명령에 지정된 동작을 완료합니다. 일반적으로 PLC와 강전류 제어 회로로 구성됩니다. PLC는 CNC와 통합된 구조(내장 PLC) 또는 비교적 독립적인 구조(외부 PLC)로 구성될 수 있습니다.
공작기계 본체, 즉 CNC 공작기계의 기계 구조는 주 구동 시스템, 이송 구동 시스템, 베드, 작업대, 보조 운동 장치, 유압 및 공압 시스템, 윤활 시스템, 냉각 장치, 칩 제거 장치, 보호 시스템 및 기타 부품으로 구성됩니다. 그러나 수치 제어 요구 사항을 충족하고 공작기계의 성능을 최대한 발휘하기 위해 전체 레이아웃, 외관 디자인, 전달 시스템 구조, 공구 시스템 및 작동 성능 측면에서 상당한 변화가 있었습니다. 공작기계의 기계 구성 요소에는 베드, 박스, 컬럼, 가이드 레일, 작업대, 스핀들, 이송 장치, 공구 교환 장치 등이 포함됩니다.
CNC 가공의 원리
기존의 금속 절삭 기계에서는 부품을 가공할 때 작업자가 도면의 요구 사항에 따라 공구의 이동 궤적, 이동 속도 등의 매개변수를 지속적으로 변경하여 공구가 작업물에 절삭 가공을 수행하고 최종적으로 합격 부품을 가공해야 합니다.
CNC 공작기계의 가공은 본질적으로 "차동" 원리를 적용합니다. 그 작동 원리와 공정은 다음과 같이 간략하게 설명할 수 있습니다.
가공 프로그램에서 요구하는 공구 궤적에 따라, 수치 제어 장치는 최소 이동량(펄스당량)(그림 1-2의 △X, △Y)을 갖는 공작 기계의 해당 좌표축을 따라 궤적을 미분하고, 각 좌표축이 이동해야 하는 펄스 수를 계산합니다.
수치 제어 장치의 "보간" 소프트웨어 또는 "보간" 계산기를 통해 필요한 궤적에 "최소 이동 단위" 단위로 동등한 폴리라인을 맞추고 이론적 궤적에 가장 가까운 맞춤 폴리라인을 찾습니다.
맞춤된 폴리라인의 궤적에 따라, 수치 제어 장치는 해당 좌표축에 지속적으로 이송 펄스를 할당하고, 서보 드라이브를 통해 할당된 펄스에 따라 공작 기계의 좌표축이 이동하도록 합니다.
다음과 같은 사실을 알 수 있습니다. 첫째, CNC 공작 기계의 최소 이동량(펄스 당량)이 충분히 작다면, 사용된 피팅된 폴리라인을 이론 곡선과 등가적으로 대체할 수 있습니다. 둘째, 좌표축의 펄스 할당 방식을 변경하면 피팅된 폴리라인의 모양을 변경하여 가공 궤적을 변경하는 목적을 달성할 수 있습니다. 셋째, …의 주파수가 0이면…