CNC 선반이란

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오늘은 CNC 선반에 대해서 알아보자.

1. CNC 선반

(1) NC 란
Numerical Control의 약자로서 "공작물에 대한 공구의 위치를 그것에 대응하는 수치정보로 지령하는 제어"를 말한다. 즉, 가공물의 형상이나 가공조건의 정보를 펀치한 지령테이프를 만들고 이것을 정보처리회로가 읽어들여 지령펄스를 발생시켜 서보기구를 구동시킴으로써 지령한대로 가공을 자동적으로 실행하는 제어방식이다.

(2) CNC 란
computer Numerical Control의 약자로서 Computer 를 내장한 NC를 말한다. NC와 CNC는 다소 차이는 있으나 최근 생산되는 CNC를 통상 NC라 부르고, NC와 CNC를 외관상으로 쉽게 구별하는 방법은 모니터가 있는 것과 없는 것으로 구별할 수 있다.

2. NC의 분류

- NC는 공구 이동경로와 형상에 따라 다음 3가지로 분류할 수 있다.

(1) 위치결정 NC
공구의 최후 위치만을 제어하는 것으로 도중의 경로는 무시하고 다음 위치까지 얼마나 빠르게, 정확하게 이동시킬 수 있는가 하는 것이 문제가 된다. 정보처리회로는 간단하고 프로그램이 지령하는 이동거리 기억회로와 테이블의 현재위치 기억회로, 그리고 이 두가지를 비교하는 회로로 구성되어 있다.

ex) 보링 가공, 탭 가공, 드릴 가공 등

(2) 직선절삭 NC
위치결정 NC와 비슷하지만 이동중에 소재를 절삭하기 때문에 도중의 경로가 문제된다. 단, 그 경로는 직선에만 해당된다. 공구치수의 보정, 주축의 속도변화, 공구의 선택등과 같은 기능이 추가되기 때문에 정보처리회로는 위치결정 NC보다 복잡하게 구성되어 있다.

(3) 연속절삭 NC
S자형 경로나 크랭크형 경로 등 어떠한 경로라도 자유자재로 공구를 이동시켜 연속절삭을 한다. 위치결정 NC, 직선절삭 NC의 정보처리회로는 가감산을 할 수 있는 회로에 불과하지만 연속절삭 NC는 가감산은 물론 승제산까지 할 수 있는 회로를 갖추고 있다. 그러므로 일종의 컴퓨터가 필요하게 되었고 그러한 연산을 하면서 항상 공구의 이동을 감시하고 있으므로 S자형과 같은 복잡한 경로를 이동 시킬수 있는 것이다.

3. NC 공작기계란?

종래의 범용 공작기계에서 공구의 움직임은 수동핸들 조작에 의해 이루어졌지만 NC 공작기계는 그 움직임을 가공 지령정보에 의해 자동 제어한다. 또한 종래의 기계는 복잡한 2차원, 3차원 형상을 가공할 때는 동시에 2개 혹은 3개의 핸들을 서로 관련을 유지하면서 조작해야만 했다. 때문에 작업이 어려울 뿐 아니라 정밀도도 좋지 않고 작업시간도 많이 소모되었다. 반면에 NC 공작기계는 수동핸들 대신 서보 모터를 구동시켜 2축, 3축을 동시에 제어하여 복잡한 형상도 정밀하게 단시간에 가공할 수 있게 되었다. 이와 같이 프로그램에 의하여 자동으로 작동되는 공작기계를 NC 공작기계라 한다.

4.NC 공작기계의 이점

- 제품의 균일성을 향상시킬 수 있다.
- 생산능률 증대를 꾀할 수 있다.
- 제조원가 및 인건비를 절감할 수 있다.
- 특수공구 제작의 불필요 등 공구 관리비를 절감할 수 있다.
- 작업자의 피로감소를 꾀할 수 있다.
- 제품의 난이성과 비례로 가공성을 증대시킬 수 있다.

5. 머시닝 센타 (Machining Center)

범용 밀링기계에 CNC 장치가 장착된 기계를 CNC 밀링이라 하고 CNC 밀링기계에 자동 공구 교환장치를 부착하여 여러 공정의 연속적인 작업을 자동으로 공구교환하면서 공작물을 가공하는 차원높은 공작기계를 머시닝센타라 한다. 최근에 확대되고 있는 무인화 공장의 기초 장비로서 자동화는 물론 성력화의 필수 장비로 많이 사용되고 있다. 또한 기계의 정밀도를 높이기 위하여 특수한 구조의 베드면과 볼스크류를 이용하여 정밀한 위치결정을 할 수 있고 4축, 5축의 부가축을 설치하여 원통캠, 비행기의 프로페라와 같은 복잡한 형상의 공작물도 쉽게 가공할 수 있다. 머시닝센타는 여러종류가 있지만 일반적으로 주축의 방향에 따라 수직형 머시닝센타와 수평형 머시닝센타로 크게 구분한다.

6. 머시닝센타의 부가장치

(1) APC-Automatic Tool Changer(자동 파레트 교환장치)
기계의 효율을 높이기 위하여 로보트를 이용하여 공작물을 자동으로 교환하는 방법은Auto-loader와 자동 파렛트 교환장치(APC)가 있다. Auto-loader은 공작물만을 자동으로 교환하므로 반복된 작업만 수행이 가능하지만 APC는 공작물이 고정되어있는 테이블 자체가 교횐되어 가공을 실행하며, 테이블 마다 다른 명령어로 제어하여 다른 형상을 가공할 수 있다.

(2) ATC-automatic tool changer(자동 공구 교환장치)
복합 공작 기계의 경우 1대가 구멍을 뚫고, 나사를 깎고, 파고, 면을 절삭하는 등 각종 공작 기능을 갖고 있는데 이를 위한 공구를 필요에 따라 자동적으로 교환하는 장치를 말한다. 최근에는 3백개의 공구를 임의 선택할 수 있는 것도 출현하고 있다. NC(numerical control)와 연동시킬 수 있어 완전 무인화(無人化)도 가능하다.

7. NC 공작기계의 제어방법

NC 공작기계의 경우 위치검출기는 테이블등 가동부에 부착되어 있고 단위 이동량 마다 펄스나 정현파 등을 발생하게 된다. 공작기계의 동작 결과는 이들이 피드백을 통하여 입력측에 되돌아온 동작 결과를 계속 감시하면서 제어한다.

(1) 개방회로 제어방식 (OPEN LOOP 제어)
이 회로의 구동모터로는 스태핑 모터가 사용된다. 1펄스에 대해 1단계 회전하는 것을 이용하여 테이블이나 새들 등을 수치로 지령된 펄스 수만큼 이동시킨다. 즉 제어모터에서 지령한 펄스가 직접 기계에 전달되며 검출기나 피드백회로를 가지지않아 정밀도가 낮다.

(2) 반폐쇄회로 제어방식 (SEMI CLOSED LOOP 제어)
이 방식의 위치와 속도검출은 서보모터의 축상에 위치와 속도검출기에 상당하는 모터의 회전각, 회전속도 검출기를 붙여 제어한다. 대부분의 NC 공작기계에 이 방식을 사용한다.

(3) 폐쇄회로 제어방식 (CLOSED LOOP 제어)
이 방식은 기계의 최종 제어 대상인 테이블에 직선형 스케일을 부착하여 테이블의 직선 방향 위치를 검출하여 제어하는 방식이다. 특별히 정도를 필요로 하는 정밀 공작기계에 사용된다.

(4) 복합회로 제어방식 (HYBRID LOOP 제어)
이 방식은 반폐쇄회로 제어방식, 폐쇄회로 제어방식을 절충한 것으로 초고정밀도로 제어가 가능하다. 일반적으로 가공조건이 나쁜 공작기계와 대형공작기계에 많이 사용된다

8. 동력전달 방법

NC 기계의 동력전달 방법은 보통 3가지 방법으로 동력을 전달한다. 기어방식은 소음이 심하고 마모로 인한 백래쉬 발생과 유지보수가 힘들고 타이밍 벨트의 노화현상으로 지속적인 정밀도 관리가 필요하지만 기계제작시 효과적인 공간활용이 장점이다. 그리고 최근에 많이 사용하는 커플링 방식은 서보모터와 볼스크류 축을 직접 연결하여 연결부위의 백래쉬 발생을 방지하고 구조가 간단하다.
1. 기어(GEAR)
2. 타이밍 벨트(TIMING BELT)
3. 커플링(COUPLING) : 서보모터와 볼스크류는 일직선상에 위치한다.

9. 자동화 시스템

(1) DNC(Direct Numerical Control)
- 여러대의 NC 공작기계를 한대의 컴퓨터에 결합시켜 제어하는 시스템으로 개개의 NC 공작기계의 작업성, 생산성을 개선함과 동시에 그것을 조합하여 NC 공작기계 군으로 운영을 제어, 관리하는 것이다.
- 컴퓨터에서 NC 공작기계로 직접 프로그램을 전송하면서 가공하는 것으로 금형 가공 프로그램등 프로그램 용량이 많은 경우에 주로 사용한다.

(2) FMS (Flexible Manufacturing System)
- CNC 공작기계와 산업용 로봇, 자동운송 시스템, 자동창고 등을 총괄하여 중앙의 컴퓨터로 제어하면서 소재의 공급 투입으로부터 가공, 조립, 출고까지 관리하는 생산방식으로 공장전체 시스템을 무인화하여 생산관리의 효율을 높이는 차원 높은 유연생산 시스템이다.

서보모터(servo motor)
서보모터(servo motor)는 정보처리회로(CPU)의 명령에 따라 공작기계 테이블(table)등을 움직이게 하는 모터(motor)이다. 일반 3상 모터와는 달리 저속에서도 큰 토오크(torque)와 가속성, 응답성이 우수한 모터로서 속도와 위치를 동시에 제어한다. 속도제어와 위치검출을 하는 장치를 엔코더(encoder)라 하고 일반적으로 모터 뒤쪽에 붙어있다. 광학식 엔코더의 구조는 발광소자에서 빛이 조사되어 회전격자와 고정격자를 통해 최종적으로 수광소자로 검출되며 수광소자는 빛 에너지를 전기에너지로 변환하여 속도와 위치를 검출한다.