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볼바를 이용한 TCP 자가 진단, 레니쇼 TRACE – 내 기계는 내가 직접 점검하고 관리한다!

동시 5축 가공에서 공구 선단점 제어란?
동시 5축 가공의 경우 회전축과 직선축의 상대 거리가 일정하게 유지되는 조건하에서, 축이 함께 움직이면서 가공한다. 이때 공구 선단점 제어라는 컨셉을 사용하는데, 테이블 위 공작물의 특정 위치와 공구 끝단의 위치를 일정하게 유지하면서 회전축이 이동해도 공구 선단점이 지령한 이송속도로 직선이동을 하는 것처럼 각축을 제어하면서 가공한다는 개념이다. 화낙에서는 TCP(Tool Center Point), 지멘스는 TRAORI, 하이덴하인은 TCPM(Tool Center Point Management), Mazak에서는 TTPC(Tool Tip Point Control)라고 부르기도 한다. 따라서 동시 5축 방식으로 윤곽(Contour)을 가공할 때에는 이 공구 선단점 제어가 잘 이루어지지 않을 경우 공작물의 품질에 영향을 줄 수밖에 없다.

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왜 회전축의 윤곽제어 정밀도 평가가 필요한가?
국제표준화기구 ISO10791는 스핀들 속도, 수치제어가 이루어지는 직선축의 이송속도, 직선축 또는 회전축을 포함하는 2축 이상 동시제어가 이루어지는 경로의 정확도 등 공작기계에 대한 운동학적 테스트를 정의하고 있다. 일반적으로 5축 가공을 하는 경우 CAM에서 공구 각도 변화의 움직임을 반영하기 위하여 NC 데이터의 미세 분할이 필요했는데, 공구 선단점 제어를 사용하는 경우 가공 시작점과 종료점의 주축 자세와 좌표만 입력하면 되므로 프로그램이 매우 단순해진다. 또한 공구 선단을 기준으로 점 대 점 간 일정한 이송 속도로 직선으로 동작하기 때문에 가공 효율이 높아져 생산성이 향상된다.
그런데 공구 선단점 제어를 통한 윤곽가공 시 공구 선단과 공작물 간에 설정된 일정한 간격을 유지하지 못하고, 다양한 원인에 의하여 미세한 변위가 발생한다고 하면 공작물의 표면 가공상태 등에 큰 영향을 미칠 수 있다.

어떻게 측정하는가?
공구 선단점 제어가 잘 이루어지고 있는지를 측정하는 방법으로 현재 ISO10791-6 규정에서는 기준구와 터치프로브를 사용하거나 텔레스코픽 볼바를 이용하는 방법이 명시되어 있다. 하지만 관련 제품들을 이용한 상용화된 측정 솔루션이 많지 않기 때문에 일부 공작기계 업계에서는 가공품의 표면 조도를 검사하여 공구 선단점 제어의 윤곽가공 정밀도를 평가하는 방식을 사용하기도 한다. 이 경우 가공 부하, 공구 형태, 마모, 가공 조건 등 다양한 원인에 의하여 표면 조도가 결정되기 때문에 순수하게 공구 선단점 제어 시 경로상의 오차로 보기는 어렵다.

레니쇼의 QC20-W 볼바와 관련 소프트웨어를 이용하면 쉽게 동시 5축 공구 선단점 제어 시 윤곽 가공 정밀도를 평가할 수 있다. 종전에는 두 개의 직선축이 함께 구동하면서 원호 보간을 할 때 발생하는 원의 파형을 보고 장비에 어떤 문제가 있는지 진단하는 용도로 쓰였던 QC20-W 볼바를 그대로 사용하면서 샌터링 디바이스와 섕크를 추가하고, 볼바 트레이스(Ballbar Trace)라는 소프트웨어를 이용하여 측정하고, ISO10791-6 규정에 부합하는 측정 결과를 보여주는 XCal-View 소프트웨어를 사용해 공구 선단점 제어 시 윤곽 정밀도를 평가하게 된다. 볼바 트레이스는 시간 단위 데이터를 취득하여 CNC 공작기계의 위치결정 정밀도를 검증하는 소프트웨어로 ISO10791-6을 위한 공구 선단점 제어 성능을 측정하는데 적합하다. 또한 XCal-View는 다양한 평가 기준에 맞춰 모든 측정데이터를 분석할 수 있는 소프트웨어로 볼바 트레이스로 측정한 데이터를 ISO10791-6 기준에 맞춰 분석이 가능하다.

공구 선단점 제어, 얼마나 잘 이루어지고 있는가?
레니쇼의 XCal-View 소프트웨어에서 결과를 분석해 보면, 공구 선단점 제어를 통한 동시 5축 이송 시 시간 단위 공구 경로 그래프와 이상적인 경로를 벗어난 정도를 확인할 수 있다. 최대오차는 경로에서 플러스(+) 방향으로 가장 많이 벗어난 정도이고 최소오차는 경로에서 마이너스(-) 방향으로 가장 많이 벗어난 정도이다. 이 두 값의 합으로 공구 선단점 제어의 성능을 평가할 수 있다. 아직은 평가 결과를 바탕으로 장비의 어떤 요소가 공구 선단점 제어에 영향을 주는지를 판단하는 기능은 제공되지 않아 분석 방법이 제한적이다. 이 때문에 컨트롤러를 이용한 보정 방법 역시 현재로는 불가능하다. 그러나, 우선 공구 선단점 제어의 오차를 확인할 수 있다는 점, 그리고 발견한 오차의 폭을 줄이는 방향으로 장비의 정도를 바로 잡을 수 있는 기준을 제시한다는 점에서는 매우 유의미한 접근으로 생각된다. 레니쇼코리아 이찬호 부장은 “현재 국내 공작기계 메이커들도 5축 공작기계의 공구 선단점 제어 성능을 평가하기 위한 방법을 고민 중이며, 이 과정에서 레니쇼의 QC20-W 볼바와 Ballbar Trace 소프트웨어를 테스트하고 있고, 이 결과를 어떻게 장비의 정도 향상에 반영할지 검토하고 있다.”라고 밝혔다.

레니쇼와 함께한 TCP 평가 실습

레니쇼코리아의 데모룸. 화낙 컨트롤러가 장착된 화낙의 Robodrill 장비에서 실습을 진행했다.
레니쇼코리아의 데모룸. 화낙 컨트롤러가 장착된 화낙의 Robodrill 장비에서 실습을 진행했다.
볼바로 측정하기 전에 볼바의 원점을 잡는 작업이 필요하다. 이 작업에서 필요한 장치는 센터링 디바이스(Centering device), 센터 피벗(Center pivot), 세팅 볼(Setting ball)로 구성된다.
볼바로 측정하기 전에 볼바의 원점을 잡는 작업이 필요하다. 이 작업에서 필요한 장치는 센터링 디바이스(Centering device), 센터 피벗(Center pivot), 세팅 볼(Setting ball)로 구성된다.
볼바의 원점을 잡기 위한 위치 셋팅을 완료했다.
볼바의 원점을 잡기 위한 위치 셋팅을 완료했다.
세팅 볼을 이용해 기계의 센터를 측정한 값을 컨트롤러 상의 워크 좌표계에 입력시켜 주면 측정을 위한 원점 세팅이 완료된다.
세팅 볼을 이용해 기계의 센터를 측정한 값을 컨트롤러 상의 워크 좌표계에 입력시켜 주면 측정을 위한 원점 세팅이 완료된다.
C축 단일 축에 대한 TCP 오차를 확인해 본다. X축, Y축과 C축이 함께 회전하면서 TCP 변위량을 측정했다.
C축 단일 축에 대한 TCP 오차를 확인해 본다. X축, Y축과 C축이 함께 회전하면서 TCP 변위량을 측정했다.
이번에는 B축과 C축이 함께 움직이는 상황에서 TCP 오차를 측정해 보았다. 실제 동시 5축 모션에 더 가까운 측정 결과라고 할 수 있는 평가 방법이다.
이번에는 B축과 C축이 함께 움직이는 상황에서 TCP 오차를 측정해 보았다. 실제 동시 5축 모션에 더 가까운 측정 결과라고 할 수 있는 평가 방법이다.
C축 회전축만 측정한 결과. XCal-View 소프트웨어에서 ISO10791-6 규정을 만족하는 TCP 측정 결과를 분석해 보았다. 녹색 선은 CW(시계 방향), 주황색 선은 CCW(반시계 방향)에 대한 TCP 값의 변위 값을 나타낸다. 실습에서 TCP 오차의 최대값은 -95μm, 최소값은 -127μm 발생하였고, 총 변위는 32μm였다.
C축 회전축만 측정한 결과. XCal-View 소프트웨어에서 ISO10791-6 규정을 만족하는 TCP 측정 결과를 분석해 보았다. 녹색 선은 CW(시계 방향), 주황색 선은 CCW(반시계 방향)에 대한 TCP 값의 변위 값을 나타낸다. 실습에서 TCP 오차의 최대값은 -95μm, 최소값은 -127μm 발생하였고, 총 변위는 32μm였다.
B, C축 회전축을 함께 구동하며 측정한 결과. 실습에서 TCP 오차의 최대값은 -89μm, 최소값은 -121μm 발생하였고, 총 변위는 32μm였다.
B, C축 회전축을 함께 구동하며 측정한 결과. 실습에서 TCP 오차의 최대값은 -89μm, 최소값은 -121μm 발생하였고, 총 변위는 32μm였다.
TCP 측정 실습을 진행한 레니쇼코리아 이찬호 부장/공학박사
TCP 측정 실습을 진행한 레니쇼코리아 이찬호 부장/공학박사

About 이상준 기자

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