머시닝 센터 기본 사항: 종합 가이드

I. 머시닝 센터의 구성 및 작동 원리

머시닝 센터는 CNC 밀링 머신에서 개발된 고도로 자동화된 가공 장비입니다. 공구 매거진과 자동 공구 교환장치(ATC)가 있는 CNC 공작 기계로, 자동 공구 교환 CNC 공작 기계 또는 다중 공정 CNC 공작 기계라고도 합니다.

공작물을 한 번 고정하면 CNC 시스템은 기계를 제어하여 다양한 공정에 따라 공구를 자동으로 선택하고 변경하며, 공작물에 대한 공구의 스핀들 속도, 이송 속도, 동작 궤적 및 기타 보조 기능을 자동으로 변경하고, 공작물의 여러 표면에서 순차적으로 다중 공정 가공을 완료할 수 있습니다.

이를 통해 공작물 클램핑, 측정 및 기계 조정 시간을 줄이고, 공작물 보관 및 취급 시간을 단축하며, 생산 효율성과 기계 활용도를 향상시킬 수 있습니다. 머시닝 센터는 자동화 공정에서 없어서는 안 될 장비이며 다음과 같은 분야에서 핵심적인 기계이기도 합니다. 유연한 제조 시스템 (FMS). 머시닝 센터의 기능을 개선하기 위해 자동 공구 매거진 교환, 자동 스핀들 헤드 교환, 자동 스핀들 박스 교환 기능을 갖춘 머시닝 센터가 등장했습니다.

자동 공구 매거진 교환 기능이 있는 머시닝 센터는 공구 매거진 용량이 더 커서 복잡한 박스형 부품의 다중 공정 가공이 용이합니다. 자동 스핀들 헤드 교환 기능이 있는 머시닝 센터는 수평 밀링, 수직 밀링, 연삭 및 인덱서블 밀링을 수행할 수 있습니다. 이 유형의 머시닝 센터에는 공구 매거진 외에도 스핀들 헤드 매거진도 있으며, 다음과 같이 변경됩니다. 산업용 로봇 또는 기계식 손.

자동 스핀들 박스 교환 기능이 있는 머시닝 센터에는 일반적으로 가공 정확도와 범위를 개선하기 위해 거친 가공 스핀들 박스와 미세 가공 스핀들 박스가 있습니다. 머시닝 센터와 일반 CNC 공작 기계의 주요 차이점은 여러 대의 기계가 필요한 작업을 한 대의 기계로 완료할 수 있다는 점입니다.

현재 머시닝 센터는 공구 매거진 용량 증가, 공구 교환 시간 단축, 높은 가공 정확도, 향상된 기능성을 갖추고 있습니다. CNC 밀링 머신(밀링 및 보링 머시닝 센터)에서 개발된 머시닝 센터 외에도 CNC 선반에서 개발된 터닝 머시닝 센터도 등장했습니다.

1. 머시닝 센터의 구성

1958년 세계 최초의 머시닝 센터가 탄생한 이래 다양한 외형 구조를 가진 다양한 유형의 머시닝 센터가 등장했지만, 일반적으로 다음과 같은 주요 부품으로 구성됩니다.

(1) 공작기계 본체

머시닝 센터의 본체는 메인 드라이브 시스템, 이송 드라이브 시스템, 베드, 컬럼 및 작업 테이블로 구성된 기계 구조 개체를 말합니다.

이러한 구성품에는 주철 부품과 용접된 강철 구조물이 포함됩니다. 머시닝 센터의 기본 구조물이며 머시닝 센터의 정하중과 가공 중에 발생하는 절삭 하중을 견뎌야 하므로 충분한 강성을 가져야 합니다.

(2) CNC 시스템

CNC 시스템은 머시닝 센터의 제어 센터이자 머시닝 센터의 영혼입니다. 주로 주 제어 시스템, PLC(프로그래머블 로직 컨트롤러), 입력/출력 인터페이스, 키보드 및 모니터로 구성됩니다. 주 제어 시스템은 주로 CPU, 메모리, 컨트롤러로 구성됩니다.

CNC 시스템의 주요 제어 대상은 위치, 각도, 속도와 같은 기계적 수량과 온도, 압력, 유량과 같은 물리적 수량입니다. 제어 방법은 데이터 연산 처리 제어와 순차 논리 제어의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다.

메인 컨트롤러의 보간 모듈은 부품 프로그램을 읽어 디코딩 및 컴파일을 통해 처리하고 해당 공구 경로 보간 계산을 수행하며 각 좌표 서보 시스템의 위치 및 속도 피드백 신호와 비교하여 공작 기계의 각 좌표축 변위를 제어합니다.

순차 논리 제어는 일반적으로 공작 기계의 가공 공정에서 필요한 동작을 조정하고 다양한 감지 신호를 기반으로 논리적으로 판단하며 공작 기계의 다양한 부품의 질서 있는 작동을 제어하는 PLC에 의해 수행됩니다.

(3) 서보 시스템

서보 시스템은 CNC 시스템과 공작 기계 본체 사이의 전기 드라이브 링크입니다. 주로 서보 모터, 드라이브 제어 시스템, 위치 감지 및 피드백 장치로 구성됩니다. 서보 모터는 시스템의 실행 구성 요소이며 드라이브 제어 시스템은 서보 모터의 전원 공급원입니다.

CNC 시스템에서 발신한 명령 신호는 위치 피드백 신호와 비교되어 변위 명령으로 사용됩니다. 드라이브 시스템에 의해 동력이 증폭된 후 모터가 회전하도록 구동되고, 모터는 기계식 변속 장치를 통해 작업대 또는 공구 홀더를 움직입니다.

(4) 보조 장치

보조 장치에는 주로 자동 공구 교환장치(ATC), 자동 팔레트 교환장치(APC), 공작물 고정 및 해제 메커니즘, 회전 작업대, 윤활 및 냉각 장치, 자동 칩 제거 시스템, 유압 시스템 등이 있습니다, 공압 시스템전기 시스템, 과부하 및 보호 장치 등으로 구성됩니다. 이들은 머시닝 센터의 작업 효율성, 가공 정확도 및 안전 신뢰성을 보장하는 역할을 합니다.

2. 머시닝 센터의 작동 원리

머시닝 센터에서 부품을 가공하려면 먼저 설계된 부품 도면을 기반으로 가공 공정 분석 및 설계를 거쳐 스핀들 시작/정지, 스핀들 속도 변경, 절삭 파라미터, 이송 경로 등 가공 공정 중에 필요한 다양한 작업을 수행합니다, 절삭유 공급 및 공구와 공작물 사이의 상대 변위는 특정 형식의 지정된 CNC 코드를 사용하여 가공 프로그램에 기록됩니다.

그런 다음 정보는 키보드 또는 기타 입력 장치를 통해 CNC 시스템으로 전송됩니다. CNC 시스템의 컴퓨터는 수신된 프로그램 명령을 처리 및 계산하고 서보 시스템 및 기타 보조 제어 회로에 명령을 전송하여 프로그램에 지정된 작업 순서, 공구 동작 궤적 및 절삭 공정 파라미터에 따라 자동 가공을 수행하도록 합니다. 공작물 가공이 완료되면 기계가 정지합니다.

머시닝 센터가 프로그램 입력, 디버깅 및 첫 번째 공작물 시험 절단을 완료하고 배치 생산에 들어가면 작업자는 일반적으로 공작물을 로드 및 언로드한 다음 프로그램 자동 사이클 시작 버튼을 누르기만 하면 머시닝 센터가 전체 가공 프로세스를 자동으로 완료할 수 있습니다.

II. 머시닝 센터의 분류 및 용도

1. 머시닝 센터의 분류

머시닝 센터에는 다양한 형태의 많은 종류가 있으며, 여러 분류 방법이 있습니다.

가공 정밀도에 따라 일반 머시닝 센터와 고정밀 머시닝 센터로 나눌 수 있고, 제어 가능한 좌표축과 연결 좌표축의 수에 따라 3축 3연결, 4축 3연결, 5축 4연결, 6축 5연결 머시닝 센터로 나눌 수 있으며, 작업 테이블의 수와 기능에 따라 단일 작업 테이블, 이중 작업 테이블 머시닝 센터, 다중 작업 테이블 머시닝 센터 등으로 나눌 수 있습니다.

일반적인 분류 방법은 기계 구조에 따라 수직 머시닝 센터, 수평 머시닝 센터, 갠트리 머시닝 센터, 5면 머시닝 센터로 구분하는 것입니다.

(1) 수직 머시닝 센터

수직 머시닝 센터는 스핀들이 수직으로 설정된 머시닝 센터를 말하며, 일반적으로 3개의 좌표축을 가지고 있고 3축 연결이 가능합니다. 일부 머시닝 센터는 5축 또는 6축 제어를 수행할 수도 있어 더 복잡한 부품을 가공할 수 있습니다.

그림 1은 수직 머시닝 센터의 외부 모습을 보여줍니다. 그 구조는 인덱싱 회전 기능이 없는 직사각형 작업대가 있는 고정 기둥 유형으로 디스크, 슬리브 및 플레이트형 부품 가공에 적합한 경우가 많습니다. 수직 머시닝 센터의 작업 테이블에 수평축 CNC 로터리 테이블을 설치하여 나선형 공작물을 가공할 수 있습니다.

수직 머시닝 센터는 공작물 클램핑에 편리하고 관찰, 조작 및 디버깅이 용이합니다. 또한 수직 머시닝 센터는 구조가 단순하고 컴팩트하며 설치 공간이 작고 가격이 상대적으로 저렴하여 널리 사용되고 있습니다.

그러나 기둥 높이와 공구 교환 장치의 한계로 인해 수직 머시닝 센터는 매우 높은 공작물을 가공할 수 없습니다. 캐비티 또는 오목한 표면을 가공할 때 칩 제거가 어려워 공구와 가공 표면이 심각하게 손상되어 가공의 원활한 진행에 영향을 줄 수 있습니다.

(2) 수평 머시닝 센터

수평 머시닝 센터는 스핀들이 수평으로 설정된 머시닝 센터를 말합니다. 그림 2는 수평 머시닝 센터의 외부 모습을 보여줍니다.

수평 머시닝 센터에는 일반적으로 3~5개의 좌표축(일반적으로 3개의 직선 운동 좌표축과 1개의 회전 운동 좌표축)이 있어 한 번의 클램핑으로 장착면과 윗면을 제외한 4면에서 가공을 완료할 수 있습니다. 수직 머시닝 센터에 비해 박스형 부품, 특히 홀과 기준면 또는 홀 사이의 상대 위치 정확도 요구 사항이 있는 박스형 부품 가공에 더 적합하여 가공 정확도를 쉽게 보장할 수 있습니다.

수평 머시닝 센터는 프로그램 디버깅 및 시험 절삭 중 관찰과 가공 중 모니터링에 불편함이 있습니다. 공작물 클램핑과 측정도 편리하지 않지만 가공 중 칩 제거가 쉬워 가공에 유리합니다.

수직 머시닝 센터에 비해 수평 머시닝 센터는 더 큰 공구 매거진 용량, 더 복잡한 전체 구조, 더 큰 부피와 바닥 공간, 더 높은 가격 등의 특징을 가지고 있습니다. 수평 머시닝 센터는 가장 널리 사용되는 머시닝 센터 유형입니다.

(3) 갠트리형 머시닝 센터

갠트리형 머시닝 센터의 모양은 갠트리 밀링 머신과 유사하며 스핀들이 일반적으로 수직으로 설정되어 있습니다. 자동 공구 교환 장치 외에도 교체 가능한 스핀들 헤드 어태치먼트, 포괄적인 CNC 기능을 갖추고 있으며 다양한 용도로 사용할 수 있습니다. 특히 그림 3과 같이 크거나 복잡한 모양의 공작물을 가공하는 데 적합합니다.

(4) 5면 머시닝 센터

5면 머시닝 센터는 그림 4와 같이 수직 머시닝 센터와 수평 머시닝 센터의 기능을 결합한 머시닝 센터, 즉 수직과 수평 모두에 사용할 수 있는 복합 머시닝 센터를 말합니다.

5면 머시닝 센터는 공작물을 한 번만 설치하면 장착면을 제외한 5면의 가공을 모두 완료할 수 있어 가공 정확도와 생산 효율이 크게 향상되고 경제적으로도 큰 이점이 있습니다.

5면 머시닝 센터에는 스핀들이 90° 회전하여 수직 및 수평 가공을 수행할 수 있는 것과 스핀들은 방향을 바꾸지 않지만 CNC 회전 작업대가 X축을 따라 90° 회전하여 공작물을 90° 회전시켜 공작물의 5면 가공을 완료하는 두 가지 일반적인 유형이 있습니다.

2. 머시닝 센터의 응용 분야

머시닝 센터는 고가이며, 초기 투자 비용이 많이 들고, 부품 가공 비용이 높으며, 우수한 작업자가 필요합니다. 따라서 어떤 부품이 머시닝 센터에서 가공하기에 적합한지 형상 및 정밀도 요구 사항 등 다양한 측면에서 종합적으로 고려해야 합니다.

일반적으로 머시닝 센터는 복잡한 형상, 고정밀 요구 사항, 여러 공정, 여러 유형의 기존 공작 기계와 수많은 공구 및 고정 장치가 필요한 부품에 적합하며 여러 번의 설정과 조정을 거쳐야만 완성할 수 있습니다.

(1) 박스형 부품

박스형 부품은 일반적으로 하나 이상의 홀 시스템, 특정 내부 공동, 길이, 너비, 높이가 일정 비율인 부품을 말합니다. 이러한 부품은 자동차 엔진 블록, 기어박스 하우징, 공작기계 주축, 스핀들 박스, 디젤 엔진 블록, 기어 펌프 하우징 등 기계, 자동차, 항공우주 등의 산업에서 흔히 볼 수 있습니다.

박스형 부품은 일반적으로 다중 위치 홀 시스템과 평면 가공이 필요하므로 머시닝 센터의 주요 가공 대상 중 하나입니다.

공차 요구 사항, 특히 기하학적 공차 요구 사항은 비교적 엄격하여 일반적으로 밀링, 보링, 드릴링, 리밍, 챔퍼링, 태핑 및 기타 공정이 필요합니다. 단일 설정으로 기존 공작 기계의 공정 내용 중 60%~95%를 완료할 수 있으므로 일관된 부품 정확도, 안정적인 품질, 대폭 단축된 생산 주기 및 비용 절감 효과를 얻을 수 있습니다.

가공 위치가 여러 개이고 작업대를 여러 번 회전해야 완료되는 부품의 경우 일반적으로 수평 머시닝 센터를 선택하고, 가공 위치가 적고 스팬이 크지 않은 경우 한쪽 끝에서 가공하기 위해 수직 머시닝 센터를 선택할 수 있습니다.

(2) 디스크, 슬리브 및 플레이트형 부품

키홈 또는 방사형 구멍이 있는 디스크, 슬리브 또는 샤프트와 같은 부품 또는 끝면에 분산된 구멍 시스템 또는 곡면이 있는 부품(예: 플랜지 샤프트 슬리브, 키홈 또는 사각 헤드가 있는 샤프트 등)이 있습니다. 또한 다양한 모터 커버와 같이 여러 개의 홀이 가공된 플레이트형 부품도 있습니다.

끝면에 구멍이 분산되어 있거나 곡면이 있는 디스크, 슬리브 및 플레이트형 공작물의 경우 수직 머시닝 센터가 적합하며, 방사형 구멍이 있는 공작물의 경우 수평 머시닝 센터를 선택할 수 있습니다.

(3) 복잡한 구조적 형태와 고정밀 요구 사항이 있는 부품

복잡한 구조 형상을 가진 부품은 복잡한 곡면으로 구성된 가공 표면이 여러 개 있는 경우가 많으며, 일반적으로 기존 공작 기계로는 수행하기 어렵거나 불가능한 다중 좌표 연결 가공이 필요합니다.

항공기 및 자동차 프로파일 표면, 임펠러, 프로펠러 및 다양한 곡면 성형 금형과 같은 복잡한 곡면은 기계 제조 산업, 특히 항공우주, 자동차, 조선 및 방위 산업에서 중요한 위치를 차지합니다. 머시닝 센터는 일반적으로 이러한 유형의 부품을 가공하기 위해 선택되며, 이는 일반 CNC 공작 기계의 주요 가공 대상이기도 합니다.

일반적인 부품에는 캠형 부품, 일체형 임펠러형 부품 및 금형형 부품이 포함됩니다. 고정밀 요구 사항이 있는 중소형 배치 부품 가공을 위해 머시닝 센터를 선택하면 치수 일관성과 안정적인 품질로 우수한 치수 정확도 및 형상 위치 정확도를 달성할 수 있습니다.

복잡한 곡면을 가공할 때 가공 간섭 영역이나 사각지대가 없는 경우 볼 엔드 밀링 커터를 사용하여 3좌표 연결 가공을 할 수 있습니다. 그 결과 가공 정확도는 높지만 효율성은 상대적으로 낮습니다. 공작물에 가공 간섭 영역이나 사각 지대가 있는 경우 4좌표 또는 5좌표 링크 공작 기계 사용을 고려해야 합니다.

복잡한 곡면 가공은 일반적으로 황삭 가공에서 (반)정삭 가공까지 단계를 거치며, 특히 금형과 같은 일체형 가공의 경우 더 적은 수의 공구를 사용하기 때문에 머시닝 센터에서 자동 공구 교환의 장점을 충분히 활용하지 못합니다.

(4) 불규칙한 모양의 부품

불규칙한 모양의 부품은 외부 모양이 불규칙한 부품으로, 대부분 브래킷, 베이스, 템플릿, 지그와 같이 점, 선, 표면이 있는 여러 위치에서 혼합 가공이 필요합니다. 불규칙한 모양의 부품은 일반적으로 강성이 약하고 클램핑이 복잡하며 절단 중에 변형되기 쉬우며 가공 정확도를 보장하기 어렵습니다.

기존 공작 기계를 가공에 사용하는 경우 공정이 많고 고정구가 많으며 가공 시간이 길고 가공 품질을 보장하기 어렵습니다. 이 경우 머시닝 센터의 공정 집중 기능을 충분히 활용하여 적절한 공정 조치를 채택하여 비교적 짧은 시간에 한두 번의 설정으로 가공 내용의 대부분 또는 전부를 완료할 수 있습니다.

불규칙한 모양의 부품을 가공할 때 모양이 복잡하고 정밀도 요구 사항이 높을수록 머시닝 센터의 장점을 더 많이 발휘하고 활용할 수 있습니다. 머시닝 센터를 사용하여 부품을 가공할 때 공정 준비 및 프로그램 편집에 소요되는 시간은 전체 작업 시간의 큰 비중을 차지합니다. 따라서 부품의 주기적 배치 생산의 경우 동일한 프로그램을 여러 번 반복적으로 사용할 수 있어 생산 주기를 크게 단축할 수 있습니다.

III. 머시닝 센터의 가공 특성 및 적용 범위

1. 머시닝 센터의 가공 특성

머시닝 센터는 기존 CNC 공작 기계와 비교했을 때 다음과 같은 뛰어난 특성을 가지고 있습니다.

(1) 프로세스 집중도

머시닝 센터에는 공구 매거진과 자동 공구 교환 장치가 있습니다. 단일 공작물 설정 후 CNC 시스템은 기계를 제어하여 다양한 공정에 따라 공구를 자동으로 선택 및 변경하고 기계 스핀들 속도, 이송 속도, 공작물에 대한 공구 이동 궤적 및 기타 보조 기능을 자동으로 변경할 수 있습니다. 공작물의 다양한 가공 표면에서 밀링, 드릴링, 리밍, 보링, 태핑 등 여러 공정을 자동으로 연속적으로 수행할 수 있어 캠, 하우징, 브래킷, 커버 플레이트 및 금형과 같은 복잡한 표면 부품을 가공하는 데 적합합니다.

(2) 높은 가공 정확도

다른 CNC 공작 기계와 마찬가지로 머시닝 센터는 가공 정확도가 높다는 특징이 있습니다. 또한 머시닝 센터는 가공 공정이 집중되어 있기 때문에 긴 공정 흐름을 피하고 사람의 간섭을 줄여 가공 정확도와 가공 품질이 훨씬 더 높아집니다.

(3) 가공에 대한 강력한 적응성

머시닝 센터는 가공 대상에 대한 적응력, 즉 높은 유연성을 가지고 있습니다. 머시닝 센터의 생산 유연성은 특수 요구 사항에 대한 신속한 대응뿐만 아니라 배치 생산을 신속하게 달성하여 시장 경쟁력을 향상시키는 능력에도 반영됩니다.

(4) 노동 강도 감소 및 근무 조건 개선

머시닝 센터는 사전 프로그래밍된 루틴에 따라 자동으로 부품을 가공하여 부품 가공을 완료합니다. 작업자는 반복적인 수작업 없이 제어판 조작, 공작물 적재 및 하역, 공구 세팅, 주요 공정의 중간 검사, 기계 작동 관찰 등의 작업만 수행하면 됩니다. 따라서 노동 강도와 긴장이 크게 줄어들고 작업 조건도 개선됩니다.

(5) 높은 생산 효율성

머시닝 센터에는 공구 매거진과 자동 공구 교환 장치가 장착되어 있습니다. 일부 머시닝 센터에는 자동 워크스테이션 교환 기능도 있습니다. 여러 공정을 하나의 기계에 집중할 수 있어 공작물 설정, 측정 및 기계 조정 시간을 단축하고 반제품 이송, 취급 및 보관 시간을 줄여 보조 시간을 크게 단축하고 생산 효율성을 향상시킬 수 있습니다.

(6) 좋은 경제적 이익

머시닝 센터를 사용하여 부품을 가공할 때 각 부품에 할당되는 장비 비용이 비쌉니다. 그러나 높은 생산 효율, 높은 가공 정확도, 안정적인 가공으로 불량률이 낮고 공정 장비 비용이 낮아 생산 비용이 크게 절감되어 경제적 이점이 있습니다.

(7) 생산 관리의 현대화 촉진

머시닝 센터를 사용하여 부품을 가공하면 부품 가공 시간을 정확하게 계산할 수 있고 검사, 공구 및 픽스처 관리, 반제품 관리를 효과적으로 간소화하여 생산 관리를 현대화할 수 있습니다.

머시닝 센터는 위의 장점이 있지만 비용이 많이 들고 기술적으로 복잡하며 유지 관리가 어렵고 처리 비용이 높으며 고품질 관리 및 운영 인력이 필요합니다. 따라서 기업에 최상의 경제적 이익을 얻으려면 다양한 요소를 종합적으로 고려해야 합니다.

2. 머시닝 센터의 적용 범위

머시닝 센터는 고효율, 고정밀, 고도로 자동화된 공작기계로 일반 공작기계가 따라올 수 없는 많은 장점을 가지고 있습니다. 현재 머시닝 센터의 적용 범위는 지속적으로 확장되고 있습니다. 머시닝 센터의 장점을 최대한 활용하려면 다음과 같은 특성을 가진 부품 가공에 머시닝 센터가 더 적합합니다.

(1) 다품종, 소량 생산 부품

머시닝 센터의 생산 유연성은 특수 부품 가공에 대한 신속한 대응뿐만 아니라 배치 생산을 신속하게 달성하고 시장 점유율을 빠르게 확보할 수 있는 능력에도 반영됩니다.

(2) 복잡한 모양과 구조를 가진 부품

일부 부품은 모양과 구조가 복잡하여 기존 공작 기계로 가공할 때 고가의 공정 장비가 필요합니다. CNC 밀링 머신을 사용하더라도 공구와 픽스처를 여러 번 교체해야 하지만 머시닝 센터를 사용하면 한 번의 설정으로 밀링, 드릴링, 보링, 탭핑과 같은 여러 공정을 수행할 수 있습니다.

(3) 고가의 고정밀 부품

일부 부품은 수요는 적지만 고가이며 폐기할 수 없는 중요한 부품입니다. 이러한 부품은 높은 정밀도와 짧은 생산 시간이 필요합니다. 기존 공작 기계를 사용하여 가공할 경우 여러 대의 기계가 작업을 조율해야 하고 인적 요인으로 인해 불량품이 발생하기 쉽습니다.

가공에 머시닝 센터를 사용하면 생산 공정이 전적으로 프로그램에 의해 제어되므로 공정 흐름에 방해가 되는 요소를 피할 수 있어 생산 효율이 높고 품질이 안정적입니다.

(4) 주기적으로 반복되는 생산 부품

일부 제품에는 주기적이고 계절적인 시장 수요가 있습니다. 특수 생산 라인을 사용하면 수익성이 떨어집니다. 일반 장비를 사용하면 처리 효율이 낮고 품질이 불안정해집니다. 하지만 머시닝 센터를 사용하면 첫 번째 부품을 성공적으로 절단한 후에도 프로그램과 관련 정보를 유지할 수 있습니다. 다음에 제품을 생산할 때는 최소한의 준비 시간으로 생산을 시작할 수 있습니다.

(5) 잦은 수정이 필요한 부품

가공 대상이 변경되면 가공 프로그램만 수정하고 도구 매개변수만 조정하면 새 부품을 가공할 수 있습니다. 따라서 생산 준비 주기가 크게 단축되고 신제품 개발, 제품 개선 및 수정을 위한 지름길이 열립니다.

(6) 측정하기 어려운 부품

측정하기 어려운 일부 부품의 경우 머시닝 센터 자체의 고정밀 특성을 충분히 활용하여 부품의 가공 정확도를 보장할 수 있습니다.

IV. 머시닝 센터의 주요 구조 및 기술 파라미터

1. 스핀들 구성 요소

스핀들 구성품은 머시닝 센터의 중요한 부품 중 하나입니다. 스핀들의 강성과 회전 정확도는 공작물의 가공 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 스핀들 구성품은 주로 스핀들 박스, 스핀들 모터, 스핀들 및 스핀들 베어링으로 구성됩니다.

머시닝 센터의 스핀들 모터는 주로 DC 스핀들 모터와 AC 스핀들 모터를 사용하여 주 동작의 무단 속도 변화를 달성합니다. 스핀들의 시작, 정지 및 속도 변경 동작은 모두 CNC 시스템에 의해 제어되며, 절단 작업의 동력 출력 부품인 스핀들에 장착된 공구를 통해 절단이 수행됩니다.

2. 지원 시스템

(1) 침대

베드는 공작 기계의 기초로, 충분히 높은 정적 및 동적 강성과 정밀도 유지가 필요합니다. 전체 설계 요구 사항을 충족하면서 합리적인 구조와 적절한 리브 배열을 달성하고 우수한 냉간 및 고온 가공 기술을 보장하기 위해 노력해야 합니다.

터닝 머시닝 센터의 경우 일반적으로 강성을 향상시키기 위해 경사 베드를 사용합니다. 경사 베드는 절삭 중 힘 조건을 개선할 수 있으며 단면은 폐쇄형 캐비티 구조를 형성할 수 있습니다. 내부는 진동 시 상대적인 마모를 통해 진동 에너지를 소산하는 감쇠 재료로 진흙 코어와 콘크리트로 채워질 수 있습니다.

(2) 열

머시닝 센터의 컬럼은 주로 스핀들 박스를 지지하고 스핀들의 Z축 이동을 수용합니다. 컬럼은 강성과 열 안정성이 우수해야 합니다. 머시닝 센터는 기둥의 굽힘과 비틀림에 대한 저항력을 향상시키기 위해 내부 경사 판이 있는 폐쇄형 박스 구조를 사용합니다. 전체 구조는 주조를 통해 이루어집니다.

(3) 가이드

대부분의 머시닝 센터는 선형 롤링 가이드를 사용합니다. 롤링 가이드는 마찰 계수가 매우 낮고 정적 마찰 계수와 동적 마찰 계수 간의 차이가 작습니다. 크롤링 없이 부드러운 저속 이동이 가능하므로 높은 위치 결정 정확도를 달성할 수 있습니다.

그러나 이 정확도를 달성하려면 베이스의 정확한 상태를 기반으로 해야 합니다. 그렇지 않으면 수직 지지대 높이 오류로 인해 구조적 측면 왜곡이 발생하고 이동 범위 전체에 걸쳐 마찰 저항이 변화하여 위치 정확도 오류가 발생합니다.

과거에는 슬라이딩 가이드를 사용할 때 가이드의 결합 표면을 긁어내고 미세 조정해야 했습니다. 조립 과정에서 가이드 왜곡을 감지하고 조정을 통해 수정할 수 있었습니다. 롤링 가이드의 경우 보정 과정이 없기 때문에 설치 시 발생하는 베드 왜곡이나 트랙 왜곡을 피하기 어려웠습니다. 따라서 3점 지지대를 사용해야 합니다.

3. 서보 시스템

(1) 스핀들 서보 시스템

CNC 기술이 발전함에 따라 최신 CNC 공작 기계는 스핀들 변속기에 대한 요구 사항이 점점 더 높아지고 있습니다. 예를 들어, 넓은 범위에서 지속적으로 조절 가능한 속도, 넓은 범위의 정출력, 4사분면 구동 기능이 필요합니다. 머시닝 센터의 자동 공구 교환 및 특정 가공 기술의 요구 사항을 충족하려면 스핀들의 고정밀 방향 제어가 필요합니다.

스핀들 구동 속도 변화는 현재 주로 두 가지 형태를 채택하고 있습니다. 하나는 기어 세그먼트 무단 속도 변화를 가진 스핀들 모터이고, 다른 하나는 동기 톱니 벨트 또는 변속기 벨트를 통해 스핀들을 구동하는 스핀들 모터입니다. 후자의 스핀들 모터는 광범위 모터 또는 중절삭 모터라고도 하며, 넓은 범위의 일정한 출력이 특징입니다.

스핀들 방향 제어는 기계적 방향 제어와 전기적 방향 제어로 나뉩니다. 현재 국내외 중급 및 고급 CNC 시스템은 모두 전기 방향 제어를 채택하고 있습니다.

1) DC 스핀들 드라이브 시스템.

DC 스핀들 드라이브는 사이리스터 속도 제어 방식을 사용하는 경우가 많습니다. DC 피드 서보 시스템은 DC 스핀들 모터의 전기자 전압을 제어하기 위해 속도 루프와 전류 루프로 구성된 이중 루프 제어 시스템입니다. 스핀들 모터는 여자 권선과 전기자 권선이 서로 독립적인 별도의 여자 모터를 사용합니다.

모터 속도의 최소값에서 정격값까지 여자 전류는 일정하게 유지되어 정토크 제어에 속하는 전압 조절 속도 제어를 달성합니다. 정격 값에서 최대 값까지 여자 전류가 감소하여 정 전력 제어에 속하는 자속 조절 속도 제어를 달성합니다.

2) AC 스핀들 드라이브 시스템.

AC 속도 제어 기술의 발달로 CNC 공작 기계의 스핀들 드라이브는 이제 대부분 주파수 변환기가 있는 스핀들 모터의 제어 방식을 채택하고 있습니다. 전력망 측의 인버터는 6개의 사이리스터로 구성된 3상 브리지 완전 제어 정류기 회로로 구성됩니다. 이 회로는 정류 상태에서 작동하여 중간 회로에 직접 전원을 공급할 수 있으며 인버터 상태에서도 작동하여 전력망에 대한 에너지 피드백 작업을 완료 할 수 있습니다.

부하 측 인버터는 역병렬 프리휠링 다이오드가 있는 6개의 전력 트랜지스터로 구성됩니다. 자기장 컴퓨터의 제어를 통해 부하 측 인버터는 3상 정현파 펄스 폭 변조(PWM) 전압을 출력하여 모터가 필요한 토크 전류와 여자 전류를 얻을 수 있도록 합니다.

출력 3상 PWM 전압 진폭 범위는 0-430V이며 주파수 조정 범위는 0-300Hz입니다. 회생 제동 중에는 모터 에너지가 컨버터의 6개의 프리휠링 다이오드를 통해 커패시터를 충전합니다. 커패시터의 전압이 600V를 초과하면 레귤레이터와 그리드 측 인버터의 제어를 통해 커패시터의 에너지가 전력망으로 반환됩니다.

(2) 피드 서보 시스템

1) 펄스 폭 변조 피드 서보 시스템.

펄스 폭 변조 속도 제어 방식은 펄스 폭 변조기를 사용하여 고전력 트랜지스터의 스위칭 시간을 제어합니다. 속도 제어 신호를 특정 주파수의 구형파 전압으로 변환하여 DC 서보 모터의 전기자 단자에 적용합니다. 구형파의 폭을 제어함으로써 전기자 단자의 평균 전압을 변화시켜 서보 모터 속도 제어의 목적을 달성합니다.

CNC 시스템의 CPU는 보간기를 통해 일련의 펄스 신호를 출력합니다. 이 펄스는 명령 승수 CMR을 통과한 후 위치 피드백 펄스와 비교됩니다. 결과 차이는 에러 레지스터로 전송된 다음 위치 이득 및 오프셋 보정을 통해 계산되고 펄스 폭 변조를 위해 PWM으로 전송됩니다. 그 후 D/A 또는 아날로그 전압으로 변환되어 속도 제어 신호 VCMD로 속도 제어 장치로 전송됩니다.

펄스 인코더의 펄스는 단선 감지기로 신호 단선이 없는지 확인한 후 위상 감지기로 전송되어 두 그룹의 펄스 PA와 PB를 검사하여 모터의 회전 방향을 결정합니다.

위상 검출기의 한 신호는 F/V 변환을 거쳐 속도 피드백 신호 TSA가 되고, 다른 출력은 감지 승수 DMR을 통과하여 위치 피드백 신호가 됩니다. 기준점 카운터와 원턴 신호 PC는 그리드 방식 기준점 복귀 작업에 사용됩니다.

2) AC 피드 드라이브 서보 시스템.

DC 피드 서보 시스템은 속도 조절 기능이 뛰어나지만, 사용되는 모터에는 마모되기 쉬운 브러시와 정류자가 있습니다. 또한 정류 중에 발생하는 스파크는 모터의 최대 속도를 제한합니다.

또한 DC 모터는 구조가 복잡하고 제조가 어렵고 많은 양의 구리 및 철 소재를 소비하며 제조 비용이 높습니다. 그러나 AC 모터는 이러한 단점이 없습니다.

지난 20년 동안 새로운 고전력 전자 장치의 출현과 함께 새로운 주파수 변환 기술, 현대 제어 이론 및 실제 응용 분야의 마이크로 컴퓨터 디지털 제어 기술의 획기적인 발전으로 AC 피드 서보 기술의 급속한 발전이 촉진되었습니다. AC 피드 서보 시스템은 DC 피드 서보 시스템을 완전히 대체했습니다.

AC 서보 모터는 AC 영구 자석 동기 모터를 사용하기 때문에 AC 피드 구동 장치는 본질적으로 전자적으로 정류된 DC 모터 구동 장치입니다.

4. 공구 매거진 및 자동 공구 교환 장치

머시닝 센터는 공구 매거진을 사용하여 공구 교환을 수행하며, 이는 현재 머시닝 센터에서 널리 사용되는 공구 교환 방법입니다. 공구 매거진을 사용하면 기계에 고정 스핀들 하나만 있으면 공구를 고정할 수 있어 스핀들 강성을 개선하는 데 유리합니다.

독립적인 공구 매거진은 공구 저장 용량을 크게 늘려 기계의 기능을 확장하는 데 도움이 되며 가공 정확도에 영향을 미치는 다양한 요인을 더 잘 분리할 수 있습니다.

공구 매거진을 사용한 공구 교환은 기계식 암이 공정에 관여하는지 여부에 따라 기계식 암을 사용한 공구 교환과 기계식 암 없이 공구 교환의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 기계식 암을 사용한 공구 교환 공정에서는 하나의 기계식 암이 스핀들에서 완성된 공구를 제거하는 동시에 다른 기계식 암이 공구 매거진에서 대기 중인 공구를 제거합니다. 그런 다음 두 개의 기계식 암이 위치를 교환하여 공구 교환 프로세스를 완료합니다.

기계식 암이 없는 공구 교환의 경우, 매거진의 공구는 스핀들과 평행하게 보관되며 공구는 스핀들이 접근 가능한 위치에 배치됩니다. 공구를 교환하는 동안 스핀들 헤드는 매거진 위의 공구 교환 위치로 이동합니다. 스핀들의 Z축 이동을 사용하여 완성된 공구가 매거진의 필요한 빈 위치에 삽입됩니다. 그런 다음 매거진의 대기 공구가 대기 위치로 회전합니다. 스핀들이 Z 방향으로 이동하여 매거진에서 대기 공구를 가져와 스핀들에 삽입합니다.

기계식 암이 있는 시스템은 공구 매거진 구성, 스핀들에 대한 상대적 위치 및 공구 수 측면에서 더 유연하며 공구 교환 시간이 더 짧습니다. 기계식 암이 없는 방식은 구조가 더 단순하지만 공구 교환 시간이 더 깁니다.

(1) 머시닝 센터 공구 매거진의 종류

공구 매거진에는 다양한 유형이 있으며, 머시닝 센터에서 가장 일반적으로 사용되는 것은 디스크형과 체인형입니다.

디스크 구조(그림 5 참조)에서는 공구를 스핀들 축을 따라, 방사형으로 또는 비스듬히 보관할 수 있습니다. 공구를 축 방향으로 설치하는 것이 가장 콤팩트하지만, 공구를 스핀들에 맞춰 정렬하려면 매거진의 일부 공구를 공구 교환 위치에서 90° 회전시켜야 합니다.

공구 매거진 용량이 큰 경우 드럼형 구조를 채택하여 컴팩트한 구조를 유지하면서 보관 및 검색을 용이하게 할 수 있습니다. 현재 많은 공구 매거진은 기계 기둥의 상단 또는 측면에 설치되며, 일부는 공구 매거진 회전으로 인한 진동을 차단하기 위해 별도의 기초 위에 설치됩니다.

체인형 공구 매거진의 기본 구조는 그림 6에 나와 있습니다. 일반적으로 디스크형 매거진보다 공구 용량이 더 크고 구조가 더 유연합니다. 체인을 연장하여 공구 매거진의 용량을 늘리거나 체인을 접고 되감아 공간 활용도를 향상시킬 수 있습니다. 매우 큰 공구 용량이 필요한 경우 여러 개의 체인 구조를 채택할 수도 있습니다.

(2) 머시닝 센터용 자동 공구 교환장치

자동 툴 교환기는 터렛형, 180° 회전형, 회전 삽입형, 2축 회전형, 직접 스핀들형 등 5가지 기본 형태로 나눌 수 있습니다. 자동 공구 교환용 공구는 특수 공구 홀더에 고정할 수 있으며, 공구를 교환할 때마다 공구 홀더가 스핀들에 직접 삽입됩니다.

1) 터렛형 공구 교환장치.

터렛을 사용하여 공구를 교환하는 것은 자동 공구 교환의 가장 초창기 형태입니다. 그림 7에서 볼 수 있듯이 터렛은 밀링 머신의 파워 헤드(스핀들 박스)에 연결된 여러 개의 스핀들로 구성됩니다. 프로그램을 실행하기 전에 공구가 스핀들에 설치되고, 특정 공구가 필요하면 터렛이 해당 위치로 회전합니다.

이 장치의 단점은 스핀들 수가 제한되어 있다는 것입니다. 스핀들 개수보다 많은 공구를 사용할 경우 작업자는 사용한 공구를 제거하고 다음 프로그램에 필요한 공구를 설치해야 합니다. 터렛형 공구 교환 방식은 공구를 분해하는 것이 아니라 공구와 공구 홀더를 함께 교체하기 때문에 공구 교환 속도가 매우 빠릅니다. 현재 NC 드릴링 머신 등에서는 여전히 터렛형 공구 매거진을 사용하고 있습니다.

2) 180° 회전형 공구 교환장치.

가장 간단한 공구 교환장치는 그림 8과 같이 180° 회전형 공구 교환장치입니다.

공구 교환 명령을 받으면 기계 제어 시스템이 스핀들을 지정된 공구 교환 위치로 이동시키고, 동시에 공구 매거진이 적절한 위치로 이동하며 공구 교환장치가 회전하여 공구 매거진의 스핀들과 공구를 모두 맞물리게 합니다.

드로바는 스핀들에서 공구를 해제하고 공구 교환장치는 공구를 각 위치에서 제거하며, 공구 교환장치는 180° 회전하여 스핀들 공구와 공구 매거진 공구를 제거합니다.

공구 교환장치가 회전하면 공구 매거진이 스핀들에서 제거된 공구를 받도록 위치를 재조정하고, 다음으로 공구 교환장치가 새 공구를 스핀들에 설치하고 제거된 공구를 공구 매거진에 설치한 후 마지막으로 공구 교환장치가 원래의 "대기" 위치로 돌아갑니다.

이 시점에서 공구 교환이 완료되고 프로그램이 계속 실행됩니다. 이 공구 교환장치의 가장 큰 장점은 구조가 간단하고 움직임이 적으며 공구를 빠르게 교환할 수 있다는 점이며, 단점은 공구를 스핀들과 평행한 평면에 보관해야 하며 측면 장착형 및 후면 장착형 공구 매거진에 비해 칩과 절삭유가 공구 홀더에 쉽게 들어갈 수 있으므로 공구에 대한 추가 보호가 필요하다는 점입니다.

공구 홀더의 테이퍼 표면에 칩이 있으면 공구 교환 오류가 발생하고 공구 홀더와 스핀들이 손상될 수도 있습니다. 일부 머시닝 센터는 이송 바를 사용하고 공구 매거진을 측면에 배치합니다.

공구 교환 명령이 호출되면 이송 바가 공구 매거진에서 공구를 제거하고 기계 전면으로 회전한 후 공구 교환장치와 맞물리도록 위치를 잡습니다. 180° 회전형 공구 교환장치는 수평 및 수직 기계 모두에 사용할 수 있습니다.

3) 회전식 삽입형 공구 교환장치.

가장 일반적으로 사용되는 형태 중 하나이며 회전식 공구 교환장치의 개선된 버전입니다. 회전식 삽입 메커니즘은 공구 교환장치와 이송 바가 결합된 형태입니다. 그림 9는 수평 머시닝 센터에 적용된 로터리 삽입형 공구 교환장치의 작동 원리를 보여줍니다. 이 공구 교환장치의 구조 설계는 기본적으로 180° 회전형 공구 교환장치의 구조 설계와 동일합니다.

공구 교환 명령을 받으면 스핀들이 공구 교환 지점으로 이동하고 공구 매거진이 적절한 위치로 회전하여 공구 교환장치가 슬롯에서 원하는 공구를 꺼내고, 공구 교환장치가 회전하여 기계 측면에 있는 공구 매거진에서 공구를 꺼내고, 공구 교환장치가 기계 전면으로 회전하여 스핀들에서 공구를 제거하고 180° 회전하여 새 공구를 스핀들에 설치합니다.

한편, 공구 매거진은 스핀들에서 제거된 공구를 받기 위해 적절한 위치로 이동하고, 공구 교환장치는 기계 측면으로 회전하여 스핀들에서 제거된 공구를 공구 매거진의 슬롯에 넣습니다.

이 장치의 가장 큰 장점은 공구가 기계 측면에 보관되어 칩이 스핀들 또는 공구 홀더를 손상시킬 가능성을 피할 수 있다는 것입니다. 180° 회전식 공구 교환장치에 비해 공구 교환 과정에서 더 많은 작업이 필요해 공구 교환 시간이 길어진다는 단점이 있습니다.

4) 2축 회전식 공구 교환장치.

그림 10은 2축 회전형 공구 교환장치의 작동 원리를 보여줍니다. 이 공구 교환장치는 측면 장착형 또는 후면 장착형 공구 매거진과 함께 사용할 수 있으며, 수직 머시닝 센터에 가장 적합한 구조적 특징을 가지고 있습니다.

공구 교환 명령을 받으면 공구 교환 메커니즘이 "대기" 위치에서 움직이기 시작하여 스핀들에 있는 공구를 잡고 제거한 후 공구 매거진으로 회전하여 공구를 공구 매거진으로 반환한 다음, 공구 매거진에서 원하는 공구를 꺼내 스핀들 쪽으로 회전하여 스핀들에 장착하고 마지막으로 "대기" 위치로 돌아가 공구 교환을 완료합니다.

이 장치의 가장 큰 장점은 공구 매거진이 기계의 측면 또는 후면에 위치하여 공구를 최대한 보호한다는 것입니다. 단점은 공구의 이동과 이동이 더 많다는 것입니다. 수직 머시닝 센터의 이 장치는 점차 180° 회전형 및 직접 스핀들형 공구 교환장치로 대체되고 있습니다.

5) 다이렉트 스핀들형 공구 교환장치.

다이렉트 스핀들형 공구 교환장치는 다른 형태의 공구 교환장치와 다릅니다. 이 장치에서는 공구 매거진이 스핀들 위치로 직접 이동하거나 스핀들이 공구 매거진으로 직접 이동합니다. 그림 11은 수평 머시닝 센터에서 직접 스핀들형 공구 교환장치를 적용하는 모습을 보여줍니다.

1-메인 열
2-스핀들 박스
3-도구 매거진

공구 교환 중에 스핀들이 공구 교환 위치로 이동하고 디스크형 공구 매거진이 필요한 공구 슬롯의 위치로 회전하며 공구가 "대기" 위치에서 공구 교환 위치로 이동하여 스핀들에 설치된 공구 홀더와 맞물립니다.

드로바가 공구 홀더에서 후퇴하고 공구 매거진이 앞으로 이동하여 공구를 제거한 다음 공구 매거진이 회전하여 필요한 공구를 스핀들에 정렬하고 뒤로 이동하여 공구를 스핀들에 삽입하고 고정하고 마지막으로 공구 매거진이 스핀들에서 멀어지고 위로 이동하여 "대기" 위치로 돌아가 공구 교환이 완료됩니다.

수직 머시닝 센터의 경우 소형 장비는 일반적으로 공구 매거진을 이동하여 공구를 교환하지만, 일부 대형 장비는 공구 매거진이 너무 커서 이동이 불편하기 때문에 스핀들이 움직여 공구를 제거하고 설치하거나 로봇 팔을 사용하여 공구를 교환하는 등 공구 교환 과정이 위와 다릅니다.

그림 12는 로봇 팔과 그리퍼의 구조를, 그림 13은 로봇 공구 교환의 작업 과정을 보여줍니다.

1-도구 홀더
2-크로스 샤프트
3-Motor
4-원통형 슬롯 캠(암 위아래)
5레버
6-레벨 기어
7캠 롤러(암 회전)
8-스핀들 박스
9-툴 교환 암

1,3-스프링
2-잠금 핀
4-액티브 핀
5 그리퍼

V. CNC 시스템의 주요 기능

머시닝 센터용 CNC 시스템의 기능은 CNC 밀링 머신의 기능과 많은 유사점을 가지고 있지만, 머시닝 센터용으로 구성된 CNC 시스템은 CNC 밀링 머신에 비해 더 풍부하고 포괄적인 기능과 명령을 가지고 있습니다.

제조업체마다 생산되는 머시닝 센터에 구성된 CNC 시스템은 다양하지만 기본 기능은 거의 동일합니다. FANUC 시스템과 SIEMENS 시스템이 장착된 머시닝 센터가 널리 사용되고 있습니다. 공구 교환을 제외하고 이러한 머시닝 센터의 프로그래밍 및 작동은 기본적으로 CNC 밀링 머신과 동일합니다.

CNC 시스템의 기능에는 일반적으로 기본 기능과 옵션 기능이 있습니다. 기본 기능은 CNC 시스템의 필수 기능이며, 옵션 기능은 사용자가 기계의 특성과 목적에 따라 선택할 수 있는 기능입니다. CNC 시스템마다 기능이 다릅니다. 다음은 FANUC 시스템을 예로 들어 몇 가지 기능에 대한 간략한 설명입니다.

1. 다중 좌표 제어 기능

제어 시스템은 선형 축과 회전 축을 포함하여 CNC 시스템이 제어할 수 있는 최대 좌표축 수를 참조하여 여러 좌표축을 제어할 수 있습니다. 기본 선형 좌표축은 X, Y, Z 축이고 기본 회전 좌표축은 A, B, C 축입니다. 동시 축 수는 CNC 시스템이 가공 요구 사항에 따라 동시에 이동하도록 제어할 수 있는 좌표축의 수를 나타냅니다.

제어 기능은 CNC 장치가 제어할 수 있는 축의 수와 동시에 제어할 수 있는 축의 수를 나타냅니다. 제어 기능은 CNC 장치의 주요 성능 지표 중 하나입니다.

제어 축에는 이동 축과 회전 축, 기본 축과 추가 축이 포함됩니다. 제어할 수 있는 축이 많을수록, 특히 동시에 제어할 수 있는 축이 많을수록 CNC 장치의 기능이 강해지고 CNC 장치가 더 복잡해지며 프로그래밍이 더 어려워집니다.

2. 도구 보정 기능

공구 보정 기능에는 공구 길이 보정 및 공구 반경 보정이 포함됩니다. 공구 길이 보정에는 공구 형상 보정 및 공구 마모 보정이 추가로 포함됩니다.

(1) 도구 길이 보정 기능

공구 길이 보정은 공구의 축 방향 보정을 의미하며, 프로그래밍된 값과 비교하여 공구의 실제 위치를 축 방향에서 오프셋 값만큼 증가 또는 감소시킵니다. 이 기능은 절삭 표면의 높이를 자동으로 변경할 뿐만 아니라 축 방향 공구 설정 오류도 줄여줍니다.

(2) 공구 마모 보정 기능

공구는 사용 중에 마모되며, 공구 마모 보정을 적시에 수행하지 않으면 공작물의 가공 정확도가 저하됩니다. 공구 형상 보정은 변경하지 않고 공구 마모 보정을 조정함으로써 공구 길이 보정을 간접적으로 수정하여 공작물 가공 정확도를 보장합니다.

(3) 공구 반경 보정 기능

이 기능을 사용하면 공구 중심이 공작물 윤곽에서 공구 반경만큼 자동으로 오프셋되므로 밀링 커터 중심 궤적을 기준으로 계산하고 프로그래밍할 필요 없이 프로그래밍 중에 공작물의 실제 윤곽 치수에 따라 편리하게 계산하고 프로그래밍할 수 있습니다.

이 기능은 공구 반경 보정 값을 변경하고 공구 직경 선택 범위와 공구 재연삭의 허용 오차를 확장하여 밀링 커터의 부족한 제조 정밀도를 보정하는 데에도 사용할 수 있습니다.

공구 반경 보정 값을 변경하는 방법은 동일한 가공 프로그램으로 레이어 밀링과 황삭 및 정삭 가공을 수행하거나 부품의 가공 정확도를 향상시키는 데에도 사용할 수 있습니다. 또한 공구 반경 보정 값의 양수 및 음수 부호를 변경하면 동일한 가공 프로그램을 사용하여 서로 일치해야 하는 특정 공작물을 가공하는 데에도 사용할 수 있습니다.

3. 고정 주기 기능

고정 사이클은 메모리에 저장된 일련의 일반적인 가공 작업을 미리 프로그래밍한 것으로, 필요할 때 G 코드를 사용하여 호출할 수 있습니다. 고정 사이클 기능을 사용하면 프로그램 준비를 크게 간소화할 수 있습니다. 고정 사이클에는 드릴링 사이클, 보링 사이클, 스레딩 사이클 등이 포함됩니다.

4. 미러 가공 기능

미러 가공은 축 대칭 가공이라고도 합니다. 좌표축을 기준으로 대칭인 공작물의 경우 미러 가공 기능을 사용하면 프로그램의 한 두 사분면만 작성하면 되고 다른 사분면의 윤곽은 미러 가공을 통해 얻을 수 있습니다.

5. 회전 기능

이 기능은 프로그래밍된 가공 프로그램을 가공 평면 내에서 원하는 각도로 회전하여 실행할 수 있습니다.

6. 하위 프로그램

일부 가공 부품에서는 기하학적으로 동일한 가공 경로가 종종 나타나며, 가공 프로그램을 작성할 때 여러 프로그램에 나타나는 고정 시퀀스와 반복 패턴을 가진 프로그램 세그먼트가 있습니다.

프로그래밍을 단순화하기 위해 고정된 순서와 반복적인 패턴을 가진 이러한 일반적인 가공 프로그램 세그먼트를 특정 형식의 하위 프로그램으로 프로그래밍한 다음 메모리에 입력할 수 있습니다.

메인 프로그램이 실행 중에 특정 하위 프로그램이 필요한 경우, 특정 형식의 하위 프로그램 호출 명령을 통해 해당 하위 프로그램을 호출할 수 있습니다. 하위 프로그램이 실행된 후 메인 프로그램으로 돌아가서 다음 프로그램 세그먼트를 계속 실행합니다.

7. 매크로 프로그램 기능

사용자 매크로 프로그램은 변수가 포함된 하위 프로그램을 말합니다. 사용자 매크로 프로그램을 사용하면 변수, 산술 및 논리 연산, 조건부 전송을 사용할 수 있으므로 동일한 가공 작업에 대한 프로그램을 더 편리하고 쉽게 작성할 수 있습니다. 가공 프로그램에서 간단한 명령어, 즉 사용자 매크로 명령어를 사용하여 사용자 매크로 프로그램을 호출할 수 있습니다.

8. 준비 기능

G 기능이라고도 하는 준비 기능은 CNC 밀링 머신의 작업 모드를 지정하는 데 사용됩니다. G 함수 명령은 주소 코드 G와 두 자리 숫자로 구성됩니다.

9. 보조 기능

보조 기능은 CNC 가공에서 필수적인 보조 작업으로, 주소 코드 M 뒤에 두 자리 숫자가 붙는 것으로 표시됩니다. 시스템마다 M 기능이 다를 수 있습니다. 보조 기능은 스핀들 시작/정지, 절삭유 켜기/끄기 등을 지정하는 데 사용됩니다.

10. 피드 기능

F 기능이라고도 하는 이송 기능은 이송 속도를 나타내며 주소 코드 F와 그 뒤에 몇 개의 숫자로 표시됩니다. 실제 이송 속도는 CNC 조작 패널의 이송 속도 재정의 노브를 통해 조정할 수 있습니다.

11. 스핀들 기능

머시닝 센터의 스핀들 기능은 주로 스핀들 속도를 지정하는 것을 말합니다(공구 절단 속도) 가공 프로세스 중입니다. 스핀들 기능은 주소 코드 S와 그 뒤에 몇 자리 숫자로 표시되며 단위는 r/min입니다. 예를 들어 S1000은 스핀들 속도가 1000r/min임을 나타냅니다.

12. 그래픽 디스플레이 기능

CNC 장치에는 흑백 또는 컬러 CRT가 장착되어 소프트웨어와 인터페이스를 통해 문자 및 그래픽 디스플레이를 구현할 수 있습니다. 가공 프로그램, 파라미터, 다양한 보정 값, 좌표 위치, 알람 정보, 동적 공구 동작 궤적 등을 표시할 수 있습니다.

13. 작동 제어 기능

머시닝 센터에는 일반적으로 단일 블록 작동, 드라이 런, 스킵, 기계 잠금, 그래픽 시뮬레이션 실행, 비상 정지 등의 기능이 있습니다.

14. 자가 진단 알람 기능

자가 진단 경보 기능은 CNC 시스템이 소프트웨어 및 하드웨어 결함을 자체 진단하는 기능을 말합니다. 이 기능을 사용하면 전체 공작 기계 및 전체 가공 프로세스의 정상 여부를 모니터링하고 이상 발생 시 즉시 알람을 보내 고장의 유형과 위치를 신속하게 파악하여 고장으로 인한 가동 중단 시간을 줄일 수 있습니다.

15. 통신 기능

최신 CNC 시스템에는 일반적으로 RS232C 인터페이스 또는 DNC 인터페이스가 장착되어 있어 더 높은 수준의 컴퓨터와 고속 신호 전송이 가능합니다. 고급 CNC 시스템은 인터넷에 연결하여 FMS(유연 제조 시스템) 및 CIMS(컴퓨터 통합 제조 시스템)의 요구 사항을 충족할 수도 있습니다.

VI. CNC 기술의 발전과 방향

1. CNC 시스템 개발 프로세스

CNC 공작기계는 미국에서 처음 시작되었습니다. 1952년 세계 최초의 CNC 3좌표 보링 및 밀링 머신이 출시된 이후 CNC 시스템은 2단계, 6세대에 걸쳐 발전해 왔습니다(표 1 참조).

1세대 CNC 시스템은 크기가 크고 신뢰성이 낮으며 가격이 비싼 진공관 부품을 사용했습니다. 주로 군수 산업에서 사용되었고 생산량이 적어 널리 적용되지 않았습니다.

1961년에 등장한 2세대는 트랜지스터 기반 CNC 시스템으로 구성되어 안정성이 향상되고 크기가 크게 줄어든 것이 특징입니다.

3세대는 1965년에 상용화된 집적 회로 CNC 시스템으로, CNC 장치의 크기를 크게 줄이고 안정성을 크게 개선하여 일반 사용자도 사용할 수 있게 되었습니다. CNC 공작 기계의 생산량과 다양성 모두 크게 발전했습니다.

위의 3세대 CNC 시스템은 본질적으로 다양한 제어 기능을 구현하기 위해 주로 하드웨어에 의존하는 특수 컴퓨터였습니다. 이것이 수치 제어(NC) 시스템이라고 불리는 첫 번째 단계였습니다.

1968년에는 미니컴퓨터가 CNC 시스템에 적용되어 4세대 CNC 시스템이 되었습니다. 1974년 마이크로프로세서가 적용된 것이 5세대 CNC 시스템이 되었습니다. 1990년에는 PC 플랫폼 기반의 개방형 CNC 시스템이 6세대 CNC 시스템이 되었습니다.

후자의 3세대는 컴퓨터 수치 제어(CNC) 시스템이라고 하는 두 번째 단계에 속합니다.

표 1 6세대에 걸친 CNC 시스템 개발

2. CNC 기술의 발전 동향

현재 중국은 독립적인 지적 재산권을 가진 CNC 시스템을 보유하고 있지만, 완전한 기능을 갖춘 대부분의 CNC 공작 기계는 여전히 외국산 CNC 시스템을 사용하고 있습니다. 전체 공작 기계의 관점에서 볼 때 신뢰성, 정밀도, 자동화 수준 및 생산 효율성 측면에서 외국 제품과 비교하면 여전히 상당한 격차가 있습니다.

과학 기술의 발전과 전 세계적으로 첨단 제조 기술이 부상함에 따라 CNC 가공 기술에 대한 요구 사항이 점점 더 높아지고 있습니다. 초고속 절삭, 초정밀 가공 등 관련 기술의 발전으로 공작 기계 구조, 스핀들 드라이브, CNC 시스템, 서보 시스템 등에 더 높은 성능 지표가 요구되면서 다음과 같은 7가지 CNC 공작 기계 기술 발전 동향이 나타나고 있습니다.

(1) 높은 정밀도

CNC 공작 기계의 높은 정밀도에는 공작 기계의 높은 기하학적 정확도와 높은 가공 정확도가 포함됩니다. 높은 기하학적 정확도는 가공 정확도 향상을 위한 기초입니다. 기하학적 정확도의 가장 중요한 측면은 위치 정확도입니다. 위치 정확도의 향상과 함께 기계의 구조적 특성 및 열 안정성이 향상되면서 CNC 공작 기계의 가공 정확도가 크게 향상되었습니다.

예를 들어 머시닝 센터의 가공 정확도가 이전 ±0.01mm에서 ±0.005mm 또는 그 이상으로 향상되었습니다. 더 높은 정밀도 목표를 달성하기 위해 주로 다음과 같은 조치가 채택됩니다:

1) 서보 드라이브 시스템.

디지털 AC 서보 시스템의 도입으로 이전의 아날로그 DC 서보 시스템에 비해 위치 정확도, 이송 속도 및 기타 측면에서 서보 성능이 크게 향상되었습니다. 심지어 리니어 모터를 사용하여 공작 기계 테이블을 직접 구동하는 이른바 '제로 트랜스미션' 리니어 서보 피드 방식도 등장하여 가공 정확도를 크게 향상시켰습니다.

2) 피드포워드 제어 기술.

기존 서보 시스템은 명령 위치와 실제 위치 사이의 편차에 위치 루프 이득을 곱하고 이를 모터 속도를 제어하는 속도 명령으로 사용했습니다. 이 방식은 항상 위치 추적 지연 오차가 발생하여 코너나 호를 가공할 때 가공 조건이 악화되는 결과를 초래했습니다.

소위 피드 포워드 제어는 원래 제어 시스템에 속도 명령 제어 방법을 추가하여 추적 지연 오류를 크게 줄여 코너 절단의 가공 정확도를 향상시킵니다.

3) 공작 기계의 동적 및 정적 마찰을 위한 비선형 보정 제어 기술.

공작 기계의 동적 및 정적 마찰의 비선형성은 새들 크롤링으로 이어질 수 있습니다. 새로운 디지털 서보 시스템은 기계 구조의 정적 마찰을 줄이기 위한 조치를 취하는 것 외에도 기계 시스템의 동적 및 정적 마찰의 비선형성을 자동으로 보정하는 제어 기능을 갖추고 있습니다.

4) 보상 기술의 개발 및 광범위한 적용.

최신 CNC 공작 기계는 컴퓨터 수치 제어 시스템의 소프트웨어 보정 기능을 사용하여 축 운동 고정점 오류 보정, 리드 스크류 피치 오류 보정, 백래시 보정, 열 변형 보정 등과 같은 서보 시스템에서 다양한 보정을 수행합니다.

5) 고정밀 펄스 등가물.

고정밀 펄스 등가물은 위치 정확도와 반복성을 향상시킬 수 있습니다.

6) 고해상도 위치 감지 장치 채택.

예를 들어 고해상도 펄스 인코더, 내장 마이크로 프로세서로 구성된 세분화 회로로 해상도를 크게 향상시킵니다.

(2) 빠른 속도

생산 효율성 향상은 항상 공작 기계 기술 개발의 목표 중 하나였습니다. CNC 공작 기계의 등장과 급속한 발전은 기존 공작 기계에 비해 생산 효율성이 훨씬 높았기 때문입니다.

최근 몇 년 동안 CNC 공작 기계의 생산 효율은 주로 절삭 시간과 비절삭 보조 시간을 줄임으로써 크게 향상되었습니다. 절삭 시간 단축은 절삭 속도, 즉 스핀들 회전수를 증가시킴으로써 달성할 수 있습니다.

머시닝 센터의 스핀들 속도는 10년 전 4000-6000r/min에서 현재 8000-12000r/min으로 증가했으며, 최고 속도는 100000r/min 이상에 이릅니다. CNC 선반의 스핀들 속도도 5000~20000r/min으로 증가했으며, 연삭 휠의 선형 속도도 100~200m/s로 증가했습니다.

최신 통계에 따르면 머시닝 센터의 절삭 시간은 총 작업 시간의 55%를 초과하지 않습니다. 따라서 비절삭 시간을 줄이는 것이 생산 효율성을 향상시키는 주요 수단입니다. 비절삭 시간은 두 부분으로 구성됩니다. 하나는 빠른 이동에 필요한 시간 인 급속 이송 시간이고 다른 하나는 주로 공구 교환 시간 및 공작물 교환 시간 인 보조 시간입니다.

빠른 횡단 시간을 단축하려면 빠른 이동 속도를 높여야 합니다. 현재 일반적인 급속 이동 속도는 20~24m / 분, 일부는 약 30m / 분, 가장 빠른 속도는 60m / 분에 도달 할 수 있습니다.

특히 리니어 모션 이송 서보 모터의 등장으로 이동 속도를 더욱 높일 수 있는 가능성이 열렸습니다. 또한 보조 작업 시간을 줄이기 위해 자동 공구 교환 및 자동 공작물 교환 시간을 단축할 필요가 있습니다.

현재 CNC 선반의 터렛 회전 시간은 0.4 ~ 0.6 초, 머시닝 센터의 자동 공구 교환 시간은 약 3 초에 도달했으며 가장 빠른 것은 1 초 이내에 도달 할 수 있습니다. 머시닝 센터의 팔레트 교환 시간은 과거 12~20초에서 6~10초로 단축되었으며, 가장 빠른 것은 2.5초입니다.

현재 속도 표시기를 개선하기 위해 주로 다음과 같은 측면에서 조치를 취하고 있습니다:

1) CNC 시스템.

마이크로프로세서는 최신 CNC 시스템의 핵심 구성 요소입니다. 더 높은 비트와 주파수의 마이크로프로세서는 시스템의 기본 컴퓨팅 속도를 향상시키는 데 사용됩니다. 현재 16비트 CPU에서 32비트 CPU로 전환되었으며, 64비트 CPU를 향해 발전하고 있습니다. 32비트 마이크로프로세서와 다중 마이크로프로세서 구조는 시스템의 데이터 처리 능력 향상, 즉 보간 계산의 속도와 정확성을 높이기 위해 채택되었습니다.

2) 고속의 강력한 내장 PLC를 구성합니다.

PLC의 실행 속도를 개선하여 CNC 공작 기계의 고속 가공 요구 사항을 충족합니다. 새로운 PLC에는 기본 명령어 실행 속도가 μs/스텝에 이르는 전용 CPU가 있으며 프로그래밍 가능한 스텝은 16,000 스텝 이상으로 확장할 수 있습니다. PLC의 고속 처리 기능을 활용하여 CNC와 PLC의 유기적인 결합이 가능하여 CNC 공작 기계 작동 중 다양한 실시간 제어 요구 사항을 충족합니다.

3) 다축 제어 수준을 개선합니다.

새로운 CNC 시스템은 모두 다축 제어 기능을 갖추고 있어 다축 연결을 통해 복잡하고 특수한 표면을 가공할 수 있으며, 멀티 터렛 제어를 통해 멀티 툴 동시 가공을 채택할 수도 있습니다.

4) 초고속 절단 도구 적용.

현재 초고속 가공에는 다이아몬드 코팅 공구와 세라믹 공구가 적용되고 있습니다.

(3) 높은 자동화

마이크로프로세서 기반의 CNC 시스템으로 발전한 이후, 시스템의 기능이 지속적으로 확장되면서 CNC 공작 기계의 자동화 수준도 지속적으로 향상되었습니다.

자동 공구 교환 및 자동 공작물 교환 외에도 공구 수명 관리, 예비 공구 자동 교체, 공구 크기 자동 측정 및 보정, 공작물 크기 자동 측정 및 보정, 절삭 파라미터 자동 조정 등의 기능이 연이어 등장하여 단일 기계의 자동화가 매우 높은 수준에 이르렀습니다. 공구 마모 및 파손에 대한 모니터링 기능도 지속적으로 개선되고 있습니다.

(4) 높은 신뢰성

CNC 공작 기계 작동의 신뢰성은 주로 CNC 시스템과 다양한 서보 시스템의 신뢰성에 따라 달라집니다. 현재 신뢰성 향상을 위해 주로 다음과 같은 조치가 채택되고 있습니다:

1) CNC 시스템의 하드웨어 품질을 개선합니다.

고집적 회로 칩을 선택하고, 부품의 엄격한 선별, 안정적인 제품 제조, 포괄적인 성능 테스트를 수립 및 구현합니다.

2) 모듈화, 표준화 및 보편화.

현재 최신 CNC 시스템의 기능은 점점 더 강력해지고 있으며, 시스템의 하드웨어 및 소프트웨어 구조가 모듈화, 표준화 및 보편화를 달성하여 생산 조직, 품질 관리 및 사용자 유지 관리를 용이하게 합니다.

(5) 멀티 기능

1) CNC 공작 기계는 장비 활용도를 높이기 위해 다기능을 채택합니다.

다기능이란 서로 다른 공작 기계의 기능을 하나의 공작 기계에 결합하는 것을 의미합니다. 대표적인 예로는 자동 공구 교환 메커니즘(공구 매거진 용량 100개 이상)이 장착된 다양한 머시닝 센터가 있으며, 하나의 공작 기계에서 밀링, 보링, 드릴링, 터닝, 리밍, 태핑, 연삭 등 여러 공정을 동시에 수행할 수 있습니다.

작업 효율성을 더욱 향상시키기 위해 최신 CNC 공작 기계(다양한 5면 머시닝 센터 등)는 멀티 스핀들 및 멀티 페이스 절삭, 즉 공작물의 여러 부분에 대해 서로 다른 절삭 작업을 동시에 수행하는 방식을 채택하고 있습니다.

또한 최신 CNC 시스템의 제어 축 수는 지속적으로 증가하고 있으며 일부는 최대 31개 축에 달하며 동시에 연결된 축의 수는 7개에 달합니다. 이러한 공작 기계는 가공 정확도가 높고 작업 효율성을 크게 향상시키고 바닥 공간을 절약하며 장비 수량을 줄이고 투자를 절약할 수 있습니다.

2) 인간과 기계의 대화 기능이 우수합니다.

단일 공작 기계에서 부품 가공과 프로그램 편집을 동시에 수행 할 수 있습니다. 즉, 전경 작업과 배경 편집 기능이 있습니다. 최신 CNC 시스템은 2차원 궤적 표시를 위해 컬러 CRT를 사용하며, 더 나은 시스템은 컬러 3차원 동적 그래픽 시뮬레이션을 달성하여 프로그래밍된 코드의 가공 궤적을 표시하고 부품 프로그램의 디버깅 및 수정을 용이하게 하며 실제 가공 공정의 안전을 보장할 수 있습니다.

3) 커뮤니케이션 기능 강화.

CNC 공작 기계가 독립형 기계에서 FMC(유연 제조 셀), FMS(유연 제조 시스템)로 발전하고 더 나아가 네트워킹을 통해 CIMS(컴퓨터 통합 제조 시스템)를 형성하려면 CNC 시스템이 더 강력한 통신 기능을 갖춰야 합니다.

대부분의 CNC 시스템에는 RS232C 및 RS422 고속 장거리 직렬 인터페이스가 있어 사용자 수준 형식 요구 사항에 따라 상위 수준의 컴퓨터와 다양한 데이터를 교환할 수 있습니다. 고급 CNC 시스템에는 여러 CNC 공작 기계 간의 데이터 통신을 달성하고 여러 CNC 공작 기계를 직접 제어할 수 있는 DNC(분산 수치 제어) 인터페이스가 있어야 합니다.

자동화 기술의 발전에 적응하고 점점 더 대규모화되는 공장 자동화의 요구 사항과 다양한 제조업체 및 유형의 CNC 공작 기계를 네트워크로 연결해야 하는 필요성을 충족하기 위해 최신 CNC 공작 기계는 MAP(제조 자동화 프로토콜) 산업 제어 네트워크를 채택했습니다. 이제 MAP 버전 3.0이 구현되어 최신 CNC 공작 기계가 FMS 및 CIMS에 진입할 수 있는 여건이 조성되었습니다.

(6) CNC 프로그래밍 자동화

CAM 자동 프로그래밍은 현재 가장 진보된 CNC 가공 프로그래밍 방법입니다.

현재 CAD/CAM 그래픽 대화형 자동 프로그래밍 소프트웨어가 널리 사용되고 있습니다. CAD를 사용하여 부품 형상의 컴퓨터 도면을 완성한 다음 컴퓨터 내부 공구 경로 데이터 계산 및 후처리를 통해 NC 부품 가공 프로그램을 자동으로 생성한 다음 통신 인터페이스를 통해 CNC 공작 기계로 전송하여 자동 제어 처리를 수행함으로써 CAD/CAM 통합을 달성하고 도면 없이 설계 및 제조를 실현할 수 있습니다.

또한 CIMS 기술의 발달로 CAD/CAPP(컴퓨터 지원 공정 계획)/CAM을 통합한 완전 자동 프로그래밍 방식이 등장했습니다. CAD/CAM 시스템 프로그래밍과 가장 큰 차이점은 프로그래밍에 필요한 가공 공정 파라미터를 사람의 개입 없이 시스템 내 CAPP 데이터베이스에서 직접 가져온다는 점입니다.

(7) 지능 최신 CNC 시스템에는 적응형 제어 기술이 도입되었습니다.

적응 제어(AC) 기술은 무작위로 변화하는 가공 공정에서 가공 공정 중 측정된 작업 상태와 특성을 자동으로 조정하여 주어진 평가 지표에 따라 자체 작업 파라미터를 자동으로 수정하여 최적의 작업 상태에 도달하거나 근접하도록 하는 기술입니다.

적응형 제어 기술은 매우 높은 가공 정확도를 달성하고 더 작고 표면 거칠기도구 수명과 장비 생산 효율성을 향상시킵니다.
CNC 시스템의 지능은 주로 다음과 같은 측면에 반영됩니다:

• 공구 수명 자동 감지 및 교체, 공작물 공차 초과, 공구 마모 또는 파손에 대한 적시 경보, 자동 보상 또는 예비 공구 교체.
• 장애 발생 시 자동 진단 및 복구.
• 가공 중 열 변형으로 인한 볼 나사 및 기타 구성 요소의 팽창과 수축을 실시간으로 보정합니다.
• 패턴 인식 기술 도입, 이미지 인식 및 음성 제어 기술 적용으로 시스템이 스스로 도면을 인식하고 자연어 명령에 따라 자동 CNC 가공을 수행할 수 있습니다.