공작기계의 눈부신 발전과 함께 이와 관련된 콘셉트나 가공 노하우도 현저히 발전되었을 것으로 예상하기 쉽다. 하지만 생산성 향상이나 자동화와 관련해서는 기계의 능력만으로 그치지 않고 계측기술을 어떻게 기계에 도입할 것인지에 대해서도 고려해야 한다. 이를 위해 기상(機上) 계측을 정착시키면서 고품질 제품을 만드는 것이 생산성을 높일 수 있을 것이다.

가공품의 정밀도 보증을 공작기계 상으로 불가능한 것인지, 최적의 가공조건을 모니터링할 수 없을지, 지금까지 없었던 측정방법의 제공 가능 여부를 모색하여 정밀도 유지를 위한 가공, 계측 프로세스를 고려하여 중간 역할을 하는 것을 바라면서, 후공정에 영향을 주지 않기 위해서라도 기상 계측을 효과적으로 활용해야 한다.

3차원 형상계측 소프트웨어 FormControl

기존 금형의 형상측정은 3차원 측정기(CMM)로 실시했다. 워크를 공작기계에서 떼어내어 측정기에 세트한 후 계측하고 계측 결과에서 재가공이 필요하다고 판단된 경우 다시 기계에 장착시켜야 했다.

그러나 PC의 성능 향상, 3차원 모델 데이터 취급의 용이성, 주변기기의 정비로 3차원 모델형상을 기상에서 스핀들 프로브로 계측할 수 있게 되었다. FormControl(그림 1)을 사용하면 기계에서 워크를 떼어내지 않고 PC 상의 간단한 조작으로 계측지시를 할 수 있다. 따라서 대폭적인 시간 단축이 가능하다. 재가공이 필요한 경우에도 그대로 프로브를 가공공구로 교환하여 가공을 지속시킬 수 있기 때문에 생산효율이 큰 폭으로 향상된다. 게다가 최종 마무리 가공 전후로 동일 계측점의 계측 결과를 비교하여 기대하는 가공이 실시되었는지에 대한 판단도 쉬워졌다.

▲ 그림 1. FormControl 시스템 구성도

이것은 가공 완료 워크를 공작기계 상으로 치수 정밀도 확인까지 가능한 툴로, 생산성 향상에 크게 기여할 것으로 예상된다.

FormControl은 계측 워크형상의 판독, 계측점 지시, 계측을 위한 NC로의 데이터 전송, 계측 결과 표시와 같은 일련의 처리를 PC 상의 간단한 조작으로 실시할 수 있기 때문에 3차원 측정기와 같은 전문 오퍼레이터를 필요로 하지 않는다.

스핀들 프로브를 사용할 때 필요한 계측정보를 부가한 프로그램 호출지령(예 : G65P9700A1…)을 사용하지 않으며 기계 오퍼레이터로 간단하게 조작할 수 있으며, 생산현장에서의 3차원 형상계측에서 높은 성능을 발휘하는 시스템이다. 특히 가공용 워크좌표계, 스핀들 프로브 길이는 NC 기능을 그대로 사용하고 있기 때문에 기계 오퍼레이터는 친숙한 시스템이 될 것이다.

3차원 형상계측에서는 스핀들 프로브의 특성, 계측용 패스에 충분한 주의를 기울여야 한다. 계측용 패스는 계측면에 대해 법선 방향 벡터를 만들어야 하지만, 이것도 FormControl에서는 PC 상 소프트웨어로 대응이 가능하다(그림 2).

▲ 그림 2. FormControl 계측점 지시/계측패스 표시

스핀들 프로브는 어떤 계측 방향에 대해서도 Pre-Travel량에 큰 차이가 없는 타입이 요구된다. 이것은 스핀들 프로브와 워크의 접촉 방향이 임의의 방향이 된다는 점에서 최종적인 접촉점을 구할 때의 보정량 오차를 최소한으로 하기 위함이다. 이를 위해서도 스핀들에 장착된 프로브는 처음에 링게이지, 또는 완전한 구를 이용한 교정(Calibration)을 해야 한다. 이것으로 스핀들 중심과 스타일러스 중심의 편차, 스타일러스가 움직인 다음 접촉신호가 나올 때까지의 Pre-Travel량이 확정된다. 워크와 스핀들 프로브의 접촉 방향 차이에 따른 Pre-Travel량의 차이를 파악하여 정확한 계측 결과를 산출해야 한다.

최종적인 워크계측/정밀도 보증은 CMM으로 실시하지만, 동일 워크의 기상 계측값과 CMM 계측값의 조합으로 가공기의 특성/워크 클램프의 영향 등을 수치로 하여 파악할 수 있다.

여기에서 잠깐 FormControl의 자동 기동에 대해 언급한다. 모델 상으로 계측점을 지시하여 간섭체크를 완료시켜 파일로 저장해 두면, 가공 프로그램 내에서 스핀들 프로브를 장착 후 자동 기동지령이 가능하다. 이때 해당 파일도 함께 자동으로 불러오기를 한다. 계측 결과는 소정의 파일로 저장되며 PC 내에 남기 때문에 여러 개의 워크처리, 워크 자동교환을 할 때에도 계측 결과를 자동으로 저장할 수 있다. 계측 결과를 바탕으로 최종 가공으로의 전개도 커스터마이즈할 수 있을 것으로 예상된다.

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툴 모니터링 TMAC

여기에서는 스핀들 부하 등을 모니터링하여 공구를 관리하는 TMAC에 대해 소개한다.기계의 특성, 스핀들 타입, 패스 선택 방법, 이송속도, 스핀들 회전수, 공구 차이, 쿨런트 등, 다양한 요인이 가공에 영향을 미친다. 오랜 기간의 경험을 가진 숙련자가 가공조건을 결정하여 다양하게 고안하여 최선의 가공 프로그램이 완성되고 있다.

이에 비해 TMAC은 복잡하게 얽혀있는 가공조건을 스핀들 부하를 고정밀도로 모니터링할 수 있다면 ‘가공조건의 최적화’가 가능하다. 또한, 가공조건을 조정하여 부하 상승에 불과하도록 하면 공구수명을 연장할 수 있다. 지금까지 ‘회수로 관리’하던 공구수명을 ‘부하로 관리’하는 것으로 변경시켜 공구를 한계에 이를 때까지 사용할 수 있다. 한편, 부하가 낮다는 점에 대해서는 이송속도를 빠르게 하여 사이클타임 단축이 가능하여, 결과적으로 생산성이 향상되며 비용절감이 가능하다.

TMAC은 공구관리와 적응제어를 실시하는 모니터링 시스템으로 가공 중인 스핀들 부하를 측정하여 문제없이 가공할 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 공구가 마모되면 당연히 스핀들 부하는 상승한다. 쿨런트 유량이 줄어들면 이와 마찬가지로 스핀들 부하가 상승하여 공구 열화도 빨라진다. TMAC은 스핀들 부하의 데이터를 실시간으로 표시할 수 있으며, 마모한계 등의 Limit을 설정하여 이 값을 넘을 때 알람 발생이나 스핀들 퇴피(退避) 등의 대응을 할 수 있다. 따라서 절손검지나 마모검지로 사용할 수도 있다. 공구수명 연장, 공구경비 절감, 갑작스러운 공구절손 회피, 불량률 감소 등, 다양한 효과를 기대할 수 있어 퍼포먼스가 상당히 매우 높다.

TMAC은 3가지 아이템을 이용하여 그 기본을 구성하고 있다(그림 3). 메인 컨트롤러, 트랜스듀서, TMAC 소프트웨어이다. 메인 컨트롤러는 NC에서의 모니터링 개시지령 수신, NC에 대한 알람신호 송신, PC와의 데이터 통신, 트랜스듀서에서의 데이터 수신, 쿨런트 유량계와 스핀들 회전수의 데이터 수신 등, 모든 정보전달을 실시하는 중요한 두뇌이다. 트랜스듀서는 스핀들 모터와 앰프와의 사이에 설치하여 전력값을 측정하는 장치이다.

▲ 그림 3. TMAC 시스템 구성

TMAC 소프트웨어는 PC에 인스톨하여 사용한다. 다양한 파라미터를 이러한 소프트웨어상으로 설정할 수 있기 때문에 자유도가 상당히 높다. 또한, 주변기기를 설치할 경우에는 이러한 데이터를 메인 컨트롤러로 전송하여 스핀들 부하 데이터와 마찬가지로 PC 상으로 모니터링하는 것이 가능하다. 쿨런트 유량, 쿨런트 압력, 스핀들 회전수, 최근 들어서는 진동 등을 모니터링할 경우도 있다.

지금까지 전류값만을 측정하는 로드미터는 스핀들 부하와는 비례관계가 없으며, 정밀도가 낮다. 이에 비해 전력을 측정하는 TMAC은 스핀들 부하와 비례관계에 있기 때문에(그림 4) 정밀도가 높아진다. 4kW 이하의 부하를 모니터링할 때의 분해능은 0.001kW를 실현하고 있다.

▲ 그림 4. TMAC 스핀들 부하

TMAC의 적응 제어기능을 사용하면 가공 중의 스핀들 부하를 일정하게 유지할 수 있도록 이송속도 오버라이드를 자동으로 제어할 수 있다(그림 5). 이러한 적응제어 기능을 사용하면, 다음과 같은 효과가 있다.

▲ 그림 5. TMAC 적응 제어기능

(1) 경절삭이나 절삭을 실시하지 않는 부분에서는 자동으로 이송속도가 빨라지며, 사이클 타임을 단축시킬 수 있다.

(2) 예상외의 중절삭 부분에서도 자동으로 이송속도를 떨어뜨려 공구의 급격한 열화·파손을 방지하여 수명을 연장시킬 수 있다. 특히 주조나 단조에서는 ‘주물에 생긴 공동’이 있거나 단단한 부분이 있어 소재가 균일하지 않은 경우가 있으며, 적응제어는 공구를 보호하기 위한 효과적인 대책이다.

(3) 이송속도가 적절하게 프로그램되어 있지 않은 경우에도 적절한 기준부하를 유지할 수 있다.

위와 같은 사항 이외에도 공구수명을 좌우하는 중요한 요인으로 쿨런트 유량과 스핀들 회전수 등이 있다. 이러한 사항은 관리가 미치지 않으면 큰 문제는 없지만, 가끔 잊어버리기 쉽다. 쿨런트에서는 오염이나 필터가 막히는 등의 원인으로 인해 유량이 떨어지는 경우도 있다. 이러한 문제를 TMAC으로 관리할 수 있으며, 유량이 떨어지면 알람으로 알려주며 위험한 경우에는 가공을 중단시켜 준다. 스핀들 능력 이상의 부하가 걸리면 회전수가 떨어질 수도 있지만, 이와 같은 경우 TMAC으로 모니터링을 한다면 알람으로 알려준다. 이러한 쿨런트나 스핀들 회전수는 공구의 수명에 직접 영향을 미치는 중요한 요인이므로 꼭 한번 모니터링 해 두어야 한다.

기계의 보전을 위해서도 TMAC은 효과적인 툴이다. 정기적으로(예를 들면 매월) 스핀들 공전 시(동일 회전수)의 부하 데이터를 수집하여 베어링 노후도를 ‘가시화’ 할 수 있다. 베어링도 공구와 마찬가지로 소모부품이며, 정기적인 메인터넌스가 필요하다. 오랜 기간 사용을 하면서 메인터넌스를 잊어 시기를 놓치는 경우도 있으며, 이렇게 되면 손해액도 갑자기 큰 폭으로 오를 수 있다. 이러한 문제가 발생하지 않게 하려면 스핀들 부하의 데이터를 정기적으로 수집하여 최적의 타이밍에서 메인터넌스를 실시해야 한다. TMAC의 최신기술을 채용하여 스핀들 부하 데이터, 쿨런트 등을 PC 상에서 ‘가시화’하여 일원 관리하면 생산성 향상에 도움 줄 수 있을 것이다.

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테크놀로지 프로브 TC64-DIGILOG

지난번 독일에서 개최된 EMO2013에서 MM AWARD를 수상한 표면 거칠기 측정 게이지 TC64-RG(그림 6)는 기존의 스핀들 프로브와 같이 ATC를 이용하여 스핀들에 장착하고 가공 후 워크 표면을 스캔하여 표면형상의 연속된 아날로그 데이터를 취득할 수 있다. 양산부품 가공 시 공구의 마모·불량 등으로 인해 발생하는 가공명의 양호/불량을 평가하여 필요에 따라 새로운 공구로 자동 교환을 실시하여 생산성을 향상시킴과 동시에 스크랩을 최소한으로 억제시킬 수 있다.

▲ 그림 6. 테크놀로지 프로브 TC64-DIGILOG

또한, Blum LMT의 다른 프로브와 마찬가지로 내부에서는 광학식 센서를 채용하고 있으며 센서부의 마찰은 전혀 없다. 물론 콘트레이트 기어를 채용하고 있다. 게다가 통신방식으로는 BRC 전파통신기술을 채용하고 있으며 신뢰성 높은 운용이 가능하다.

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접촉/비접촉 일체형 레이저 NT-H3D

복합가공기 등에서는 접촉/비접촉 양쪽의 공구길이 측정 장치가 필요하다. 기상에서 양쪽을 측정하기 위해서는 공간적으로도 유효한 레이저 컨트롤 시스템 NT-H3D(그림 7)가 최선의 수단이라고 판단된다. 밀링공구는 비접촉, 터닝공구는 접촉식으로 계측하여 가공공구의 치수관리에 따른 워크 정밀도 향상에 기여할 수 있다. 가공 전에 가공공구를 장착하여 실제 사용 회전수로 스핀들을 회전시켜(비접촉 방식인 경우) 공구길이/직경을 계측하여 공구의 마모를 보정하고 가공 후 공구절손 검지를 실시하여 해당 공구에서의 가공이 정상적으로 종료되었는지를 판정한다. 여러 종류의 가공공구를 사용할 경우, 가공단차 경감에 도움을 줄 수 있다. 더 나아가서는 스핀들 공구장착부에서의 절분(Chip) 맞물림 검출을 겸비한 회전 중 공구의 진동(비접촉 방식인 경우)을 계측할 수도 있다. 

▲ 그림 7. 레이저 컨트롤 시스템 NT-H3D

中井敦生  Blum LMT  기술서비스부 부장

本 記事는 日本工業出版이 發行하는 「機械と工具」誌와의 著作權 協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.