CAM and CNC

Posted on 2020-09-02 In Etc.

Introduction

유연생산시스템(FMS)

생산성과 유연성의 양립을 목적으로 한 시스템으로서, 가공, 반송, 자재의 착탈, 제어의 기능을 유기적으로 결합한 자동화된 생산시스템

FMS(Flexible Manufacturing System) : 기계와 외부적인 연결
- 다양한 순서의 자동 재료흐름
- AGV(Automatic Guidied Vehicle), 산업용 Robot, Tooling, Pallet, Fixture
- 공장무인화
FMC(Flexible Manufacturing Cell) : 독자적으로 작동
- Machining center : 공작기계 내에서의 Pallet를 이용한 자동생산, 자동공구교환
- 기계간 Pallet는 도움 필요
- 40 ~ 800 부품
FTL(Flexible Transfer Line) : 기계와 내부적인 연결
- 자동재료 이송시스템, NC 공작기계, 자동헤드 교환장치
- 직접적인 재료흐름, 공작물의 순환운동
- 1,500 ~ 15,000

특성\종류	Transfer Line(FTL)	FMS	Standard-alone NC machines(FMC)
생산량	상	중	하
제품종류/유연성	하	중	상

FMS 구성요소
- A group of workstations(CNC machine tools)
  - Machining centers
  - Milling modules
  - Turning modules
  - Assembly workstations
  - Inspection stations
  - Sheet metal processing machines
  - Forging stations
- Automated material handling and storage systems
  - AGV(Automated Guided Vehicle)
  - Tool transporter
  - Industrial robots
  - Pallet and fixture
  - Conveyor
  - Stacker crane
- Computer control systems
  - Control of each workstation(CAM)
  - Distribution of control instructions to workstation
  - Production control
  - Traffic control
  - Work handling system monitoring
  - Tool control
  - System performance monitoring and reporting
  - Production planning and management

CAD / CAM

CIM : Computer Integrated Manufacturing, 통합생산시스템
- 공장 자동화 기술
- Database(EDB, MDB)
- 통신기술
- Web based
FMS : Flexible Manufacturing System, 유연생산시스템
- 공장 자동화 기술 : CAD / CAM, CNC machining
CAD / CAM : Computer Aided Design and Computer Aided Manufacturing
- CAD : Computer를 이용한 부품의 모델링
  - Wire frame : 제도용
  - Surface model : 금형가공용
  - Solid model : 해석용
- CAM : 기계가공을 위한 모델링과 CNC machine을 작동시키기 위한 NC code 생성
  - Input : CAD
  - Output : NC code
- NC code
  - NC 가공을 위한 표준화된 수치데이터 형식
  - Machining center의 Controller 명령문
- Part program : 가공을 위한 일련의 NC code
CAD / CAM의 데이터 교환 : IGES, DXF, STEP
CAPP : Computer Aided Process Plan

절삭 가공

절삭 가공이란?
- 상대적으로 경도가 높은 날끝공구(Cutting Tool)를 사용하여 피가공물(Workpiece)의 불필요한 부분을 칩(Chip)의 형태로 제거하여 원하는 형태로 만드는 작업
절삭 가공의 특징
- 정밀 가공 가능
- 가공에 따른 소재 내부의 물성 변화 적음
- 다양한 형상가공(Flexible Process)
- 칩의 발생에 따른 재료 손실
절삭 가공을 수행하기 위한 3요소
- 공작기계
- 공구
- 공작물

공작기계

공작기계란?
- 기계를 만드는 기계
- 일반적으로는 절삭, 연삭 등과 같이 재료를 가공하여 원하는 형상으로 만들어 내는 기계
공작기계의 분류
- 비절삭 공작기계 : 주조, 소성가공, 용접 등과 같이 Chip을 발생하지 않고 가공
- 절삭 공작기계 : 선삭, 밀링, 연삭 등 Chip을 발생시키면서 가공
- 좁은 의미의 공작기계 : 절삭 공작기계를 의미

공작기계의 분류

금속공작기계(Metal Cutting Machining Tool)
- 범용 공작기계
  - 절삭공구 사용 기계
    - 고정공구 사용 기계
      - 선삭(Lathe)
      - 형삭(Shaper)
      - 평삭(Planer)
    - 회전공구 사용 기계
      - 밀링(Milling M/C)
      - 드릴링(Drilling M/C)
      - 보링(Boring M/C)
      - 쏘잉(Sawing M/C)
  - 연삭공구 사용 기계
    - 연삭(Grinding M/C)
    - 호닝(Honing M/C)
- 전용 공작기계
  - 전용기(Special Purpose M/C)
- NC 공작기계
  - NC Lathe
  - NC Drilling M/C
  - NC Milling M/C
  - NC Boring M/C
  - NC Grinding M/C
  - Machining Center
금속가공기계(Metal Forming Machine Tool)
- Press
- Rolling M/C
- Shearing M/C
- Bending M/C

NC 공작기계에 의한 가공의 특성

높은 공작 정밀도(Accuracy)
- 주축 회전정밀도
- 안내면 직선 정밀도
- 온도변화에 대한 변형
- 진동
- Etc.
우수한 가공능률(Efficiency)
- 절삭효율
  - 유효 절삭시간
  - 준비시간
  - 유휴시간
융통성(Flexibility)
- 프로그램에 의한 가공의 자동화
  - NC code
  - Controller
안전성(Safety)
- 작업자에 대한 안정성
- 기계 자체의 안정성

공작기계의 운동

공작기계의 가공 원칙
- 절삭공구와 공작물간에 적절한 상대운동을 통하여 요구되는 형상 생성
절삭운동과 이송운동 : 공작기계로부터 공급되는 상대운동
- 절삭운동(Cutting motion, 주운동)
  - 기계가공 수행을 위한 총동력의 대부분을 사용
  - Chip의 길이 방향으로 공구가 움직이는 운동
- 이송운동(Feed motion)
  - 가공물을 절삭 방향으로 피이드 하는 운동
  - 기계가공 수행을 위해 필요한 총동력의 소량을 사용

좌표계의 정의

Z축 운동
- 주운동을 제공하는 기계의 주축에 평행하게 정렬
- 주축이 없는 기계 : 공작물 지탱면에 수직으로 정렬
- +Z 운동 : 공작물과 공구대 사이의 거리를 증가시키는 방향
X축 운동
- 공작물 지탱면에 수평하고 평행
- 주축이 없는 기계 : 주절삭 방향에 평행하고 주운동 방향이 플러스 방향
- 공작물이 회전하는 기계 : 횡이송대에 방사형이고 평행
- +X 운동 : 공구가 공작물의 회전축으로부터 멀어졌을 때의 공구 운동으로 정의
Y축 운동
- 좌표계를 완성하는 방향

선삭

선반의 구성

주축에 고정한 공작물을 회전, 공구대에 설치된 공구에 절삭깊이와 이송을 주어 공작물을 절삭
베드 : 다른 구성요소들의 지지 역할
왕복대(Carriage) : 베드의 안내면(Slide way)을 따라 이동
주축대(Headstock) : 베드에 고정
정밀도에 중요한 요소
- 주축 흔들림(주축 베어링)
- 이송운동의 정밀도(베드, Linear guide 정밀도)

Lathe

선삭의 절삭운동(Cutting motion in lathe)

주운동(Primary motion) : 공작기계의 주운동으로부터 야기되는 운동
이송운동(Feed motion) : 공작기계 이송운동으로 야기되는 운동
합 절삭 운동(Resultant motion) : 공구 주운동과 이송운동의 합

선삭공구 형상

$X_r$ : 주절삭날각(Major edge angle)
$a_c$ : 미변형 칩두께(Underformed chip thickness)
- $a_c=fsin(X_r)$
$A_c$ : 한개의 철삭날에 의해 제거될 재료의 단면적(미절삭 칩 단면적, Cutting area)
- $A_c=fa_{p1}$

보링(Boring)

Drilling 또는 주조 등에서 이미 뚫린 구멍을 확대하거나 내부를 완성하는 가공
선삭과 같음
정밀도 증가

Drilling

다인공구인 Drill을 회전시키면서 축방향으로 이송을 주어 주로 구멍가공을 수행하는 공작기계를 Drilling machine이라 함
Drilling machine의 크기는 가공할 수 있는 구멍의 최대지름 및 길이 또는 Column 내측에서 주축까지의 최대거리와 주축 하단에서 Table 상면까지의 최대거리로 표시

드릴에서의 절삭(Cutting in drilling)

미변형 칩두께(Undeformed chip thickness)
- $a_c=\frac{f}{2}sin\chi_r$
- $\chi_r$ : 주절삭날
가공시간(Cutting time)
- $t_m=\frac{l_w}{fn_t}$
금속제거율(Material removal rate)
- $Z_w=\frac{\pi}{4}d_m^2v_f=\frac{\pi fd_m^2n_t}{4}$

Milling

밀링 머신의 구성과 분류

Milling

테이블(Table)
Saddle
Knee
Overarm
주축대(Head)

평면밀링에서의 기하학

공구 1회전당 공작물 이동거리(Feed per rotation)
- $f=\frac{v_f}{n_t}$
- $v_f$ : 공작물 이송속도(Feed velocity)
- $n_t$ : 절삭공구 회전속도(rpm)
이송물림(Feed per tooth)
- $a_f=\frac{f}{N}$
- $N$ : 날수
최대 미변형 칩두께(Max. undeformed chip thickness)
- $a_{cmax}=\frac{v_fsin\theta}{Nn_t}$
- $cos\theta=1-\frac{2a_e}{d_t}$
- $d_t$ : 절삭공구 지름(Cutter diameter)
- $a_e$ : 절삭깊이(Depth of cut)

정면밀링 구조

회전당 이송량(Feed per revolution)
- $f=\frac{v_f}{n_t}$
- $v_f$ : 공작물 이송속도(Work feed)
- $n_t$ : rpm of tool
미변형 칩두께(Undeformed chip thickness)
- $a_{cmax}=\frac{v_f}{Nn_t}$

연삭

연삭 숫돌 입자(Abrasive grain)의 절삭작용으로 가공물에서 미소 chip이 발생하도록하는 가공

장점
- 연삭 숫돌 입자의 경도가 높기 때문에 경질재료의 가공에 용이
- 생성되는 chip이 매우 작아 높은 가공 정밀도

NC machining center

자동화의 종류

고정 자동화(Fixed automation)
- 장비의 자동화 : 초기 투자비가 많이 듦
- 유연성이 떨어짐
- Transfer line, 자동선반(Automatic lathe), 전용장비
프로그램 자동화
- 프로그램 순차제어
  - Timer, Relay, Controller, Limit switch
  - 순차적인 자동화(PLC : Programmable Logic Controller)
- 수치제어(Numerical Control)
  - NC controller에 의한 동시제어 가능
  - 수치에 의한 제어 가능
  - NC controller, AC, DC motor, Step motor에 의해서 작동, NC code에 의한 명령문 작성
  - CNC lathe, Machining center, Robot manipulator

NC 공작기계의 구조

NC 공작기계의 구성
- 명령 프로그램(NC code)
- 제어기(Controller)
- 공작기계
명령 프로그램
- NC code : 알파벳과 수치로 구성, 공작기계의 모든 동작을 지시
- 공작기계와 무관한 Part programer에 의해서 작성
- 공구의 고동을 지시 : 위치, 속도, 가속도(G code)
- 기타 동작 지시 : 냉각제 공급, 자동공구교환(M-code)
NC controller
- NC code를 받아들여서 공작기계의 다양한 행동을 제어하는 신호로 변환
- Interpolation(보간기능 변환기)를 통하여 각 축의 모터구동을 위한 신호제작
NC 공작기계
- 스핀들과 테이블의 자동구동장치
- 다축동시제어, 자동공구교환기
- NC lathe, Machining Center, NC drilling machine, Tapping, Boring

NC Programming

NC Programming을 Part Programming이라고도 함

NC Programming의 과정
- 설계된 도면(Part drawing)의 판독
- NC 가공을 위한 공정계획(Process plan) 작성
- NC code를 이용한 파트프로그램 작성
- NC 프로그램을 NC 기계에 입력 또는 Network를 통해 전송
NC 가공을 위한 공정계획
- 제품도면에서 NC 가공부위를 선정
- 해당 부위의 가공에 적합한 NC 기계, 공구(절삭방법), 고정구 등의 선정
- 절삭가공 순서(출발점, 황삭/중삭/정삭계획 등) 결정
- 실제 NC 공구(Cutter, Adapter, Holder 등) 선정 및 수배
- 절삭조건(Spindle, Feed rate, Coolant 등) 결정

기본 NC 코드 구성

시작과 끝 : %
주석(Comment) : ()
Word : A~Z(Address) + 수치
Block : Word로 이루어짐

NC Address

기능	Address	비고
프로그램 번호	O	프로그램 번호
문번호	N	NC 블록 번호
좌표값	X, Y, Z	좌표값
좌표값	A, B, C	회전축의 각도
좌표값	I, J, K	원호의 중심점 좌표
좌표값	R	반지름
준비기능	G	동작 모드 선정
이송속도	F	이송속도(mm/min)
주축 회전 속도	S	주축 회전 속도(rpm)
공구 번호	T	공구 번호
보조 기능	M	기계 제어 지령(다양한 보조 기능 수행)
옵셋 레지스터 번호	D, H	옵셋 레지스터 번호

좌표계

Z축 : 주축 Spindle
X축 : 수평(작업자의 좌우)
Y축 : 오른손 법칙

+ : 공구와 공작물이 멀어지는 방향

공작물 좌표계

공작물이 회전하는 공작기계(선반)
1. Z축 : 공작물의 회전축
  - + : 주축이 공구를 보는 방향
2. X축 : 공구의 운동방향
  - + : 주축의 회전 중심 -> 밀어지는 방향
3. Y축 : X축, Y축이 직교
  - + : 오른손 좌표계
공구가 회전하는 공작기계(Milling, Drilling)
1. Z축 : 주축(공구 회전축)
  - + : 공작물이 주축을 바라보는 방향
2. X축
  - Z축 수평 : 직교하는 수평축, + Y축이 윗쪽이 되도록
  - Z축 수직 : 기계 앞에 서서 오른쪽이 + X축
공작기계 좌표축
- 공구를 이동 : 표준 좌표계와 동일(Z축)
- 공작물을 이동 : 표준 좌표계와 반대방향(X축, Y축)

좌표값 워드

최소설정단위(BLU, Blank Length Unit, 장비의 정밀도) 입력 방식
- Ex) (x,y) = (50,23.4567), BLU = 0.001mm -> X50000 Y23457
소수점 입력 방식
- Ex) X50. Y23.457

공구번호 및 절삭조건의 지정(T, F, S)

T12 : 12번에 있는 공구(공구 매거진 Tool slot 번호)
F500 : 500mm/min(Feed rate, 이송속도)
S1500 : 1500rpm(Spindle speed, 주축 회전 속도)
Ex) X50. Y23.457 F200 S1000

보조 기능(Miscellaneous function : M code)

NC 프로그램을 제어하고 기계의 ON/OFF 제어기를 제어

구분	M code	기능
프로그램 끝	M00	프로그램 정지(Stop)
프로그램 끝	M02, M30	프로그램 완료 및 재수행 준비
주축 회전	M03	시계방향으로 주축 회전(오른 공구)
주축 회전	M04	반시계방향으로 주축 회전
주축 회전	M05	주축 회전 정지
공구 교환	M06	공구 교환 명령
절삭유	M08	절삭유 ON
절삭유	M09	절삭유 OFF

준비 기능(Preparatory function : G code)

구분	G code	기능
공구 이동 형태	G00	급속 이동(위치 제어)
공구 이동 형태	G01	직선 보간(주어진 속도로 직선 이동)
공구 이동 형태	G02	원호 보간 CW
공구 이동 형태	G03	원호 보간 CCW
공구 일시 정지(One-shot)	G04	지정된 시간만큼 공구 이동 정지
평면 설정	G17	XY평면(2차원 밀링에서의 원호 보간 평면)
평면 설정	G18	ZX평면(NC 선반에서의 원호 보간 평면)
평면 설정	G19	YZ평면
좌표값 입력 단위	G20	inch 입력
좌표값 입력 단위	G21	mm 입력
공구 반경 보정	G40	반경 보정 취소
공구 반경 보정	G41	공구 진행 방향의 왼쪽으로 보정
공구 반경 보정	G42	공구 진행 방향의 오른쪽으로 보정
좌표값 입력 형태	G90	좌표의 절댓값 입력
좌표값 입력 형태	G91	좌표의 증분값 입력
공작물 좌표계 설정(One-shot)	G92	공작물 좌표계 설정

One-shot : 한 그룹 내에서는 어느 한 값이 항상 선택됨. 한 번 선택되면 다른 값으로 변경 전까지 계속 유효

3차원 자동 NC 프로그램의 장점

배우고 사용하기 쉬움
프로그램 작성 시간이 짧음
검증이 용이하고 오류가 적음
효율적인 NC 가공이 가능(효율적 경로 및 절삭 조건)

자유곡면의 NC 절삭가공

자유곡면 : 한 수식으로 정의할 수 없는 곡면

NC 가공에서의 고려사항

황삭 계획 및 허용공차 지정(Roughing plan and allowance)
가공경로 계획 및 영역가공(Tool path planning)
직선보간길이 계산(Step length calculation)
경로간 간격 계산(Path interval calculation)
공구간섭 방지(Over-cut preotection)
절삭조건 지정(Cutting condition)

곡면의 NC 가공을 위한 미분기하학

곡면의 법선벡터와 CL 데이터 계산
- $n$ : 접점 $r_c$에서의 단위법선벡터
- $r_u=\frac{\partial r(u,v)}{\partial u}$ : $u$방향의 접선벡터
- $r_v=\frac{\partial r(u,v)}{\partial v}$ : $v$방향의 접선벡터
- $r_L=r_c+R(n-u)$ : 공구의 위치를 나타내는 좌표값(CL data)
Unit normal vector
- $n=\frac{r_u\times r_v}{|r_u\times r_v|}$
곡선의 곡률(Curvature)
- $\vec r(t)=x(t)\vec{i}+y(t)\vec{j}+z(t)\vec{k}$
- $\dot{\vec{r}}(t)=\frac{dr(t)}{dt}$(곡선의 접선벡터)
- $\vec T=\frac{\dot{\vec r}}{|\dot{\vec r}|}$(단위 접선벡터)
- $s(t)=\int^t_0|\dot{r}(t)|$(곡선의 길이)
- $k=|\frac{dT}{ds}|$(곡률 : 단위접선벡터의 변화율)
- $k=\frac{|\dot{\vec r}\times\ddot{\vec r}|}{\dot s^3}$
  - $\dot{\vec r}=\frac{d\vec r}{dt},\ \ddot{\vec r}=\frac{d^2\vec r}{dt^2}$
- 곡률반경(Radius curvature) = $\frac{1}{k}$
곡면의 곡률
- $\vec u(t)=(u(t),v(t))$
- 곡면 $r(u, v)$에 놓인 3차원 곡선 $\vec r(t)$
  - $\vec r=\frac{d\vec r}{dt}=\frac{\partial \vec r}{\partial u}\frac{\partial u}{\partial t}+\frac{\partial \vec r}{\partial v}\frac{\partial v}{\partial t}=\vec r_u\dot u+\vec r_v\dot v$
- 곡선의 이송속도 $\dot s$
  - $\dot s^2=|\dot{\vec r}|^2=(\dot{\vec r}\cdot\dot{\vec r})=\dot{\vec r}^T\cdot \dot{\vec r}=\dot u^TA^T\cdot A\dot u=\dot u^TG\dot u$
  - $G=A^TA$

황삭계획 및 가공허용공차지정

다각형 소재로부터 황삭 가공(From polygonal shape)
- 적정 절삭깊이(Depth of cut)로 여러 차례 거쳐 황삭
- 몰드 금형의 캐비티나 코아 등 황삭 가공 시 이용
- Many cutting required to be removed
주조 금형을 통한 황삭 가공(From casted shape)
- 최종 형상과 비슷한 소재로부터 황삭 가공
- 주조와 같은 공정을 이용하여 최종 형상과 비슷한 소재
- From near shape, cutting process can be saved

Round endmill에 의한 가공

Ball endmill
- 절삭성 불량(Cutting is not good at the center)
Round endmill
- 밑날이 없음(No end cutting edge)
- 주로 R부 가공(Mainly cutting by R part)
- 상향절삭이 보장(CL 데이터 산출)

가공계획(Cutter path planning) 및 영역가공

Parametric method
- Iso parametric curve를 따라 가공($u=u_1$ or $v=v_1$)
- 공구접촉점(CC point) 기준
- 수치적 계산 간단(사각형 곡면 가공시 적합)
- 보통 곡률이 큰 방향 가공
Cartesian method
- 매개변수형 곡면시 수직평면으로 절단 후 평면 안에서 가공
- CC-Cartesian : 공구의 접촉점(CC point)을 기준으로 가공
- CL-Cartesian : 공구상의 기준점(CL point)을 기준으로 가공
- 수치적 계산 복잡
- 비 매개변수형 곡면시 절단 불필요
- 불규칙한 형상에 적합

직선보간 길이 계산

$$
\delta_i\ : \ 내부공차
$$
$$
\delta_o\ : \ 외부공차
$$

CL Cartesian의 경우 원호보간 가능(G03)
L이 작으면 접촉점의 수 증가 -> 가공시간 증가

경로간 간격(Path interval)의 계산

$l_p\ :\ 경로간\ 간격$
$h\ :\ cusp높이$
$\rho\ :\ 곡면곡률반경$

$\rho\ 고려$

$$l=\frac{|\rho|[4(R+\rho)^2(h+\rho)^2-(\rho^2+2R\rho+(h+\rho)^2)^2]^{\frac{1}{2}}}{(R+\rho)(h+\rho)}$$

$\rho>0\ :\ 볼록곡면$
$\rho<0\ :\ 오목곡면$

if $\rho \simeq \infty$

$$L=2\sqrt{h(2R-h)}$$

공구 간섭(Over cut) 방지

오목한 곡면 부위의 곡률 반경이 공구 반경보다 작을 때 발생(Over cut)
공구 간섭 방지 후 Under cut 발생
- 작은 반경의 Ball end mill 가공 또는 방전가공, 사상가공
CL data : 곡면을 공구 반경만큼 Offset 시킨 곡면이 꼬이는 경우 간섭 발생
Under cut과 Over cut을 동시에 방지 : 사용 공구반경을 최소 곡률반경보다 작게(R < 1/Km)
복합곡면의 경우 곡면이 만나는 부위에서 항상 공구 간섭 발생
- CAD/CAM 구입 시 공구간섭현상의 처리능력 평가 필요