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알고 넘어가자! 5축 가공 지식 ② – 복잡한 5축 앵글, 어렵지 않은 이유는?

5축 장비가 3축 장비와 다른 점은? 바로 ‘회전축’의 유무다. 회전축이 있는 것은 테이블에 고정된 면을 제외한 다섯 개 면을 모두 가공하기 위해서다. 문제는 회전 축을 운용하는 것이 장비 오퍼레이터는 물론 CAM 프로그램을 작성하는 작업자에게도 매우 복잡해진다는 사실이다. 다행이도 복잡한 연산을 CNC와 CAM 프로그램을 연결하는 PP(Post process)단에서 해결해 주고 있다.  

가공이 한결 쉬워지는 스파이셜 앵글
직육면체의 가공물이 있을 때, 테이블에 수직인 두 개의 면 중 오른쪽 면에 구멍을 뚫는다고 가정해보자. 가공물을 뒤집어서 다시 고정해야 하는 3축 장비와 달리 5축 장비에서는 가공하려는 면이 위로 오게끔 회전축을 돌려주면 된다. 그렇다면 무슨 축을 얼마만큼 돌려야 할까? 정답은 바로 Y축을 중심으로 회전하는 B축(테이블)을 +90° 돌리는 것이다. (회전 방향은 공구를 기준으로할 때와 반대로 생각한다.) 문제는 내가 가진 장비가 직교축과 함께 A, C축만 갖고 있는 경우다. 이 때는 A축과 C축을 각각 마이너스 방향으로 90° 회전시키면 된다. 이러한 연산 방법을 액시스 앵글(Axis angle)이라고 한다. 액시스 앵글에서 사용자는 B축을 90° 돌린다는 간편한 해답이 있음에도 불구하고 기계 구조에 맞춰 A축과 C축을 조합해야 한다. 90°처럼 직관적인 각도라면 별 문제 없지만, 워크를 B축 방향으로 15° 회전시킨다면? 머리가 복잡해질 것이다.

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반면, 스파이셜 앵글(Spatial angle)에서 사용자는 내가 가진 장비에 B축이 있든 없든, 워크를 B축 방향으로 90°만큼 회전시키라고 명령만 내리면 된다. 장비가 갖고 있는 회전축을 조합해 동일한 결과를 내놓는 것은 어디까지나 컨트롤러 시스템의 몫으로 보는 것이다. 예전에는 NC 데이터를 뽑기위해 기계 구조에 대해 잘 알고 있는 엔지니어가 필요했지만, 컨트롤러가 스파이셜 앵글을 지원하면서 작업자는 연산에 대한 부담에서 벗어날수 있게 되었다.

또, 액시스 앵글에서는 같은 가공이라 해도 기계 구조가 바뀌면 그에 맞춰 프로그래밍을 다시 해야 한다. 테이블이 A-C축 방향으로 회전하는 장비, B-C축 방향으로 회전하는 장비, 헤드는 B축-테이블은 C축 방향으로 회전하는 장비가 있다고 치자. 액시스 앵글에서는 세 장비에 각각 다른 NC 프로그램을 입력해야 하지만, 스파이셜 앵글에서는 컨트롤러가 기계 구조를 커버해주기 때문에 하나의 프로그램을 놓고 장비들이 서로 다르게 움직인다.

스파이셜 앵글이 이렇게나 편리한데 일부 작업자는 액시스 앵글을 선호하기도 한다. 축을 90°씩 회전시키는 등의 명료한 작업은 실제로 축이 회전하는 것을 보면서 컨트롤하는 것이 신뢰도가 높기 때문이다. 스파이셜 앵글에서는 컨트롤러 시스템이 작업자를 대신해 회전각도를 계산하지만, 정작 작업자는 작업이 제대로 이루어지고 있는지 직접 확인할 수 없기 때문이다. 따라서 가공 특성이나 상황에 따라 액시스 앵글과 스파이셜 앵글 중 하나를 선택하면 된다. 

워크 좌표계 옮겨 주는 데이텀 시프트
이번에는 조금 더 복잡한 형상을 가공해보자. 그림(1)과 같은 가공물이 있을 때, 붉은색으로 칠한 면을 가공하기 위해서는 어떤 지령을 내려야 할까? ‘B축을 경사면 각도(20°)만큼 기울인 다음 X축과 Y축을 움직여 공구를 가공 위치까지 이동시킨다.’ 그 전에 X, Y, Z 좌표가 모두 0인 워크 좌표계가 어디에 있는지 살펴봐야 한다. 만약 현재 워크 좌표계를 기준으로 B축을 20° 돌린 다음 X축 방향으로 밀링 가공을 한다면 그림과 전혀 다른 모양이 될 것이다. 이와 같은 상황을 막기 위해서는 워크 좌표계를 실제로 가공할 경사면까지 옮겨야 한다. 이를 데이텀 시프트(Datum shift)라고 한다.

그림1
[그림 1] 붉은색으로 칠한 면을 가공하기 위해 서는 X, Y축이 색칠한 면에 평행하게끔 좌표계를 회전시켜야 한다. 그렇다면 A, B, C축 가운데 어떤 축을 돌려야 할까? 오른손 법칙을 사용하면 B축이 +20° 회전해야 한다는 사실을 알 수 있다. 물론 이는 테이블이 아니라 헤드가 회전할 때의 이야기다. A, C축은 그대로 두고 B축만 +20° 회전시키면 아래 그림처럼 좌표계가 틸팅된다. 이제 X, Y축을 움직여 가공하려는 지점으로 이동하면 된다.
이번에는 데이텀 시프트 기능을 통해 워크 좌표계를 X축 방향으로 70mm 옮긴다(그림 2). 옮기고 나면 해당 지점의 좌표는 X, Y, Z축 모두 0으로 바뀐다. 그 다음 B축을 20° 회전시킨뒤 X축과 Y축을 움직여 가공 지점까지 이동하면 된다. 데이텀 시프트를 적절히 활용할 경우 도면만 보고도 간단히 NC 프로그 램을 짤 수 있다. 데이텀 시프트 기능을 활용하지 않을 경우 각도를 계산하기 위해 삼각함수를 동원해야 하는데, 이 때 NC 프로그램에는 소수점 아래 네 자리까지만 입력할 수 있어 가공 오차가 뒤따르게 된다.

[그림 2] 붉은색으로 칠한 면을 가공하기 위해 서는 우선 워크 좌표계를 실제로 가공할 면까지 이동시켜야 한다. 데이텀 시프트 기능을 이용해 워크 좌표계를 X축 방향으로 70mm 이동시키면 해당 지점의 X, Y, Z 좌표는 모두 0이 된다. 그 다음에는 B축 방향으로 헤드를 틸팅한 뒤 X, Y축을 움직여 가공 위치까지 이동하면 된다.
[그림 2] 붉은색으로 칠한 면을 가공하기 위해 서는 우선 워크 좌표계를 실제로 가공할 면까지 이동시켜야 한다. 데이텀 시프트 기능을 이용해 워크 좌표계를 X축 방향으로 70mm 이동시키면 해당 지점의 X, Y, Z 좌표는 모두 0이 된다. 그 다음에는 B축 방향으로 헤드를 틸팅한 뒤 X, Y축을 움직여 가공 위치까지 이동하면 된다.
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About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.