Bong-Kee Lee
School of Mechanical Systems Engineering Chonnam National University
7. NC Machine Tool
NC Machine Tool
CNC 공작기계
– NC, Numerical Controller: 수치제어장치
• 수치와 부호로 구성된 지령으로 1대의 공작기계에 있어서 각 축의 동작을 제어하는 장치
– CNC, Computerized Numerical Controller: 컴퓨터화 시킨 수치제어장치
• 기존의 NC 장치를 컴퓨터화하여 자료의 편집, 저장, 보상 등의 각 종 역할을 수행할 수 있도록 한 장치
– DNC, Direct Numerical Controller
• 여러 대의 독립적인 NC 공작기계를 제어하기 위하여 대형 컴퓨터 를 이용하는 장치
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CNC 공작기계
NC Machine Tool
CNC 공작기계
– CNC 공작기계
• 기존의 범용 공작기계에 CNC 장치와 구동장치를 부착하여 설계 도면대로 각 이송축을 움직여 가공하는 공작기계
• 선반, 밀링, 머시닝 센터, 연삭기, 태핑 머신, 드릴링 머신, 방전가 공기, 와이어 방전가공기, 레이저 가공기, 나사 가공기, 펀칭기 등 에 적용
• 최근 동시에 제어 가능한 축의 수가 늘어남에 따라 일반적인 공작 기계의 군분류에 적용하기 어려운 복합적인 가공이 가능한 형태 의 CNC 공작기계가 출현하고 있음
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NC의 역사
– 1947: 미국의 John Parson이 NC의 개념을 선보임 – 1949: Parson사 미공군의 연구용역 수탁
– 1951: MIT 미공군으로부터 수탁
– 1952: MIT 서보기구연구소 최초의 수직형 밀링머신 개발 – 1960년대: 트랜지스터를 이용한 FANUC controller 보급 – 1970년대: CNC 보급
– 1974: 한국에 NC 공작기계 도입
– 1977: KIST와 화천공업(주) 한국 최초의 NC 공작기계 출 시
NC Machine Tool
NC의 역사
The first NC machine tool, which was demonstrated at the Massachusetts
Institute of Technology in 1952 “The Father of the Second Industrial Revolution”
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NC의 역사
NC generation year feature
hard wired
1G 1954 vacuum tube, relay, analog circuit 2G 1959 transistor, digital circuit 3G 1965 IC components, digital circuit
soft wired
4G 1970 soft wired, LSI, MSI, minicom 5G 1974 soft wired, one-chip, micro processor 6G 1979 bubble memory, VLSI, CRT 7G 1981 interactive, custom, FA, FMS 8G 1986 digital, MAP 9G 1995 PC-NC, open NC
NC Machine Tool
NC의 원리
– 스텝모터(stepping motor)에 입력되는 펄스 신호에 따라 모터축이 일정한 각도로 회전
– BLU(Basic Length Unit): 최소 이동단위
• 예. “하나의 전기 펄스 → 스텝 모터 1° 회전 → 테이블 1μm 이송”
의 경우, 1 BLU = 1 μm
NC 제어 이송축의 구성
NC 가공에서 정보의 흐름
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NC의 분류: 제어 모드
– 위치결정 제어(point to point control)
• 공구가 한 점에서 규정된 점으로 이동하는 동작
• 드릴링, 보링, 리밍, 태핑 등 구멍가공을 하는 공정에 사용
위치결정 제어
축경로 45도 선형경로 선형경로
NC Machine Tool
NC의 분류: 제어 모드
– 연속윤곽제어(continuous path)
• 미리 정해진 직선 또는 원호의 경로를 따라가기 위하여 각 축의 운동을 동기화시킨 경우
• 최소한 2축 이상이 동시에 제어되어야 함 (자유곡면의 효율적인 가공을 위해서 3축 이상의 동시제어를 요구하는 경우도 있음)
4축 동시제어 윤곽가공
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NC의 분류: CNC 보간
– 정해진 경로를 따라서 움직이기 위하여 각 축의 속도를 계산하고 중간점을 생성하는 것
• NC: 하드웨어적 보간
• CNC: 소프트웨어적 보간
– 보간의 종류: 직선, 원호, 헬리컬, 포물선, Cubic, NURBS 등
NC Machine Tool
NC의 분류: CNC 보간
– 직선보간(linear interpolation)
• 출발점에서 끝점까지 직선으로 움직임
3축 직선보간
- X, Y, Z 방향의 증분값(dx, dy, dz)를 계산하여 직접적으로 위치제어회로에 사용
- 속도제어회로에서 그 비에 해당하는 변화률로 속도를 제어함
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NC의 분류: CNC 보간
– 원호보간(circular interpolation)
• 원호구간을 최소설정단위(BLU)의 작은 직선운동의 연결로 분해한 것으로 볼 수 있음
• 즉, 보간기는 각 축에 대한 속도와 도달점까지 각 축에 대한 펄스 를 계산하여 제어함
R V t
V t dt R
V dy
t V t dt R
V dx
t R
y R x
y
x
with cos
cos
sin sin
, sin , cos
NC Machine Tool
NC의 제어방식
– 각 축의 위치 및 속도를 제어하기 위한 서보 구동기(개회 로 혹은 폐회로) 이용
– 개회로(open loop) 시스템
• 위치 및 속도에 대한 아무런 되먹임(feedback)을 하지 않음
• 가격은 저렴하지만 위치결정 정밀도가 나쁨
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NC의 제어방식
– 폐회로(closed loop) 시스템
• 모터 축에 연결된 tachometer와 encoder를 이용하여 주어진 명령 대로 위치와 속도를 검출하여 그 차이를 보정하는 제어 시스템
– 반 폐회로(semi-closed loop) 제어: 모터 축에 직결시키는 회전형 센 서 적용
– 완전 폐회로(full closed loop) 제어: 직선형 센서(직선 엔코더, 인덕토 신 스케일, 마그네 스케일, 그래스 스케일 등) 추가
NC Machine Tool
NC 공작기계의 구성과 특징
– NC 공작기계의 구성요소
• 절삭을 위한 동작을 수행하는 공작기계
• 서보기구
• 제어부(NC장치)
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NC 공작기계의 구성과 특징
– NC 공작기계의 구성요소
• 구동기구: 주로 볼스크류 이송시스템으로 구성
• 서보모터 및 서보 드라이브 유니트: 이송 및 속도제어를 위해 강 력하게 제어할 수 있는 모터 및 제어장치
NC Machine Tool
NC 공작기계의 구성과 특징
– NC 공작기계의 구성요소
• CNC 장치
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NC 공작기계 기계좌표 축
– 주 직선운동 축
• Z축: 공작기계의 주축이 가리키는 방향
– (+)방향: Z축에서 공구가 공작물과 멀어지는 방향
• X축: 움직이는 테이블 중에서 가장 이송이 긴 방향
• Y축: 테이블의 이송이 짧은 방향
선반 수직형 밀링머신
NC Machine Tool
NC 공작기계 기계좌표 축
– 주 직선운동 축
• U, V, W축: X, Y, 및 Z축을 중심으로 회전하는 축
오른손 법칙에 의한 회전축의 정의
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각종 CNC 공작기계
