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5축 가공, 컨트롤러가 가져야할 덕목은? – 하이덴하인 컨트롤러 TNC640

[그림1] TNC640

 

MOVE/TURN/STAY
세 개의 직교축(X, Y, Z축) 방향으로 움직이는 3축 가공에서는 좌표계 회전이 이루어지지 않는다. 반면 5축 가공에서는 1°든 180°든 회전축이 이동한 만큼 좌표평면도 회전 한다. 이를 평면틸팅이라고 한다. 동시 5축 장비로 임펠러처럼 형상이 복잡한 제품을 가공하는 모습을 본 적 있을 것이다. 이때 공구 끝은 가공물이 어떤 방향으로 회전하든 가공물 표면에 바짝 붙어 패스를 따라 움직인다.
여기서 5축 가공과 동시 5축 가공의 차이를 발견할 수 있다. 일반적인 5축 가공 장비는 회전축을 포함해 다섯 개의 축을 갖고 있지만, 여러 개의 축을 동시에 움직일 수는 없다. 따라서 일련의 가공을 마친 뒤 다른 가공면이 공구 방향으로 오게끔 회전축을 돌려 가공을 진행해야 한다. 하지만 회전 축을 조금씩 돌려가며 복잡한 형상을 가공할 때에는 다섯 개 축이 동시에 움직여야 생산성을 극대화할 수 있다. 단 회전축이 움직일 때마다 공구 끝의 중심점을 유지해야 하기 때문에 동시 5축 가공은 가공 프로그램이 복잡하고 강성이 뛰어난 장비를 필요로 한다. 또 회전축을 움직이다 보면 공구가 장비나 가공물에 부딪힐 수도 있다.
이때 턴(Turn)과 스테이 (Stay) 옵션을 활용할 수 있다. 무브(Move) 옵션에서는 회전축 이동에 따라 좌표계가 바뀌는 동시에 공구 끝이 좌표 상의 현재 위치로 이동한다. 턴 옵션에서는 그 자리에서 고정된 채 회전축만 돌아간다. 스테이 옵션을 사용하면 좌표계만 바뀌고 회전축은 움직이지 않는다. 세 가지 옵션은 가공물과 장비의 간섭에 따라 알맞게 선택할 수 있다.

Tool Center Point
동시 5축 장비에서 복잡한 형상을 가공할 경우, 회전축의 움직임에 따라 공구 끝이 계속 따라다닌다. 이를 TCPM(Tool Center Point Management)이라고 한다.
그림(1, 2)는 헤드 틸팅 장비에서 B축을 -30° 회전시키면서 X축 방향으로 100mm 이동하는 프로그램을 가리킨다. 차이점은 TCPM 기능의 적용 여부다. 1번 그림과 같이 TCPM 기능을 적용하지 않으면 프로그램 그대로 직교축이 100mm 이동하면서 B축이 회전하기 때문에 공구가 가공표면에서 들뜨게 된다. 반면 TCPM 기능을 적용하면 2번 그림처럼 직교축(Z축)이 회전축을 따라 동기되기 때문에 공구 끝이 가공표면을 따라 움직인다.

TCPM 기능을 적용하지 않으면[1] 프로그램 그대로 직교축이 100mm 이동하면서 B축이 회전하기 때문에 공구가 가공표면에서 들뜨게 된다. 반면 TCPM 기능을 적용하면[2] 직교축(Z축)이 회전축을 따라 동기되기 때문에 공구 끝이 가공표면을 따라 움직인다.
TCPM 기능을 적용하지 않으면[1] 프로그램 그대로 직교축이 100mm 이동하면서 B축이 회전하기 때문에 공구가 가공표면에서 들뜨게 된다. 반면 TCPM 기능을 적용하면[2] 직교축(Z축)이 회전축을 따라 동기되기 때문에 공구 끝이 가공표면을 따라 움직인다.
3D Tool Compensation
볼 엔드밀은 5축 가공에서 흔히 사용하는 공구 중 하나다. 작업자는 가공 프로그램을 작성하는 데 있어 볼 엔드밀의 끝부분이 진원이라고 가정하기 마련이다. 실제로 진원을 이루고 있다면 공구 끝이 가공 표면에 어떤 각도로 닿더라도 같은 양을 깎아낼수 있다. 하지만 가공을 거듭하다 보면 자주 가공하는 부분을 중심으로 편마모(one- sided wear)가 일어난다. 3축과 달리 5축 가공은 회전축을 갖고 있기 때문에, 어긋난 좌표 중심이나 공구 편마모를 놓치고 지나 가면 이는 큰 가공오차로 이어진다.
따라서 일부 컨트롤러는 공구 각 부위의 마모량을 바탕으로 가공을 보정해준다. 우선 레이저 공구 측정장치로 공구 끝을 측정한다. 테이블 형태로 정리된 측정값을 컨트롤러에 넣어주면 컨트롤러는 볼 엔드밀이 어떤 각도로 가공물에 닿고 있는지를 계산해 5축 직교 축 오차량을 보정해주는 식이다. 따라서 공구 끝이 진원이 아니더라도 5축 가공 정밀도를 크게 높일 수 있다.

편마모가 발생한 공구로 가공했을 때의 오차량 그래프
편마모가 발생한 공구로 가공했을 때의 오차량 그래프

Simulation
시뮬레이션은 최근 5축 가공에서 뜨거운 감자로 자리매김하는 기능 중 하나다. 3축 장비는 세 개 직교축의 움직임을 직관적으로 볼 수 있는 반면, 5축 장비는 움직임이 복잡해질 경우 시뮬레이션으로 프로그램을 체크하는 과정이 필요하기 때문이다.
하이덴하인 컨트롤러 TNC640은 5축 가공이 증가하는 추세를 반영해, 시점을 돌리지 않아도 후면 가공까지 확인할 수 있는 기능을 제공하고 있다. 이는 슬롯 내부에 드릴 홀 가공을 할 때 특히 유용하게 활용할 수 있다. 시뮬레이션이 흑백으로만 지원되던 이전 버전과 달리, 각 패스가 사용한 공구에 따라 다른 색으로 표현된다는 점 역시 주목할 만하다. 또 장비를 처음 세팅할 때 기계 구조에 대한 3D 모델링을 컨트롤러에 입력하기 때문에 기계 구조 역시 시뮬레이션에 반영된다. 이는 뒤에서 설명할 충돌 방지 기능과도 관련이 있다.

하이덴하인 TNC640의 시뮬레이션 기능
하이덴하인 TNC640의 시뮬레이션 기능

Collision Monitoring
동시 5축 장비는 여러 축이 동시에 움직이기 때문에 높은 기계 강성이 필요하고 3축 장비에 비해 충돌 가능성도 높다. 기계 강성 문제는 장비 제조 업체에서 나서야 할 일이지만, 장비나 지그에 공구가 부딪히는 충돌 문제는 컨트롤러 기능으로도 해결할 수있다. 하이덴하인은 기계 구조의 3D 모델링을 컨트롤러에 입력하기 때문에 시뮬레이션 단계에서 장비에 대한 충돌을 점검할 수 있다. 하이덴하인의 TNC640 모델에서는 3D 모델링을 활용해 실제 장비 형태와 일치한 모델을 확인할 수 있다.
컨트롤러 내 사이클을 통해 충돌을 방지하는 경우도 있다. 테이블이 A축과 C축 방향으로 회전하는 5축 장비가 있을 때, 회전축을 중심으로 X축 스트로크 양쪽이 대칭되지 않는 경우가 있다. 이는 장비 크기는 줄이면서도 최대한 긴 가공물을 가공하기 위해서다. 문제는 회전 방향에 따라 가공물이 장비에 부딪힐 수 있다는 점이다. 이를 방지하기 위해 일부 컨트롤러는 프로그램을 다시 작성할 필요 없이 플러스/마이너스 설정만으로 원하는 스트로크 방향을 활용할 수 있는 기능을 제공한다.

CAD Import
일반적으로 가공에 앞서 CAD 모델링을 놓고 CAM으로 NC프로그램을 작성한 뒤 컨트롤러로 보내는 과정을 거친다. 이러한 과정이 꼭 당연한 걸까? 하이덴하인은 최신 컨트롤러에서 2D-CAD(DXF) 파일 뿐만 아니라, 3D-CAD 파일(STP, IGES)까지 직접 읽은 뒤 마우스 클릭 몇 번만으로 패스를 만들수 있는 기능을 제공하고 있다. 특히 3D-CAD 파일의 경우 모델링의 모서리를 윤곽으로 선택할 수 있고, 평면 이외 정면, 우측면, 좌측면 등에 대한 틸팅평면의 정보를 쉽게 얻을 수 있다. 동시 5축 가공에 활용하기는 힘들지만, 틸팅 평면을 활용한 가공에 활용하면 CAM 작업을 거치는 시간을 크게 줄일 수 있다. 일부 패스를 마우스로 드래그해 원하는 구역의 패스만 가공할 수 있으며, 원하는 가공 조건을 입력해 해당 조건을 충족시키는 패스만 세팅하는 것도 가능하다. 아직 우리나라에서는 익숙지 않은 기능이지만 유럽의 작업자들은 이 기능을 이용해 CAD 도면만 놓고 손쉽게 프로그램을 작성하는 사례가 드물지 않다고 한다.

CAD Import는 2D-CAD(DXF) 파일 뿐만 아니라, 3D-CAD 파일(STP, IGES)까지 직접 읽은 뒤 마우스 클릭 몇 번만으로 패스를 만들수 있다.
CAD Import는 2D-CAD(DXF) 파일 뿐만 아니라, 3D-CAD 파일(STP, IGES)까지 직접 읽은 뒤 마우스 클릭 몇 번만으로 패스를 만들수 있다.

About 이상준 기자

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