위치 측정 정확도가 5축 공작 기계 성능에 미치는 영향 ①

Heidenhain

생산성과 정확성은 공작 기계 경쟁에서 중요한 속성이다. 5축 가공은 생산성을 증가시킬 상당한 잠재력이 있다. 대부분 3축 가공보다 금속 제거율이 높다. 예를 들어 리셋에 필요한 시간을 단축하거나 한 번의 설치로 다중 작업 머시닝이 가능해 생산 시간을 크게 줄일 수 있다. 점점 복잡해지는 공작물 형상 때문에 5축 가공이 공정의 필수 요소가 되었다.
5축 가공에는 보통 더 큰 이송 축 범위가 필요하다. 때문에 기계는 작업 공간 전체에서 높은 정확성을 제공해야 한다. 또한 5축 공작 기계의 두 회전축은 달성할 수 있는 공작물 정확도에 크게 영향을 준다.

대부분 로터리 축 외에도 선형 축을 이동시켜 커터의 방향을 공작물 표면으로 변경해야 한다. 이로 인해 공작물 표면의 작은 영역에서 최대 5축의 이송 범위 안에 눈으로 확인할 수 있는 폭이 발생할 수 있다. 5축 가공에서 스크루 피치, 변속 오류, 역전 오류 또는 열에 의한 변위와 같은 드라이브의 정밀도 제한 효과는 스크랩을 훨씬 더 빠르게 생산한다. 리니어 축과 회전축의 위치 결정 정확도가 5축 공작 기계 성능에서 결정적인 노릇을 한다.

지금까지 5축 가공은 많은 금속 절삭 가공 분야에서 꼭 있어야만 하는 요소가 됐다. 설정 하나로 공작물을 완전히 가공할 수 있다는 경제적인 이점이 있다. 이를테면 부품의 출입문 시간이 크게 단축되며, 동시에 부품 정확도가 크게 높아진다.

이 밖에도 추가 로터리 축을 쓰면 다이(dies) 또는 몰드(molds)의 캐비티(Cavities)와 같이 복잡한 공작물 윤곽에 더 잘 접근할 수 있다. 종종 금속 제거 속도를 더 높이도록 채터링(chattering) 경사가 작은 짧은 공구를 허용한다.

5축 동시 가공으로 복잡한 형상에서도 좁은 영역에서 공구 날의 절삭 속도를 유지할 수 있다. 이는 표면 품질 달성에 상당히 유리하다. 또한 5축 동시 가공 없이 자유 형상을 밀링 작업할 생산성이 높은 공구(예: toroid cutters)를 쓸 수 없다.

5축 가공을 위한 응용 분야

항공 우주 산업 부품

높은 강도와 ​​낮은 무게는 항공 우주 산업에 필수이다. 일체형 구조는 ‘항공’ 부품의 무게를 최소화하는 방법으로 자리매김했다. 복잡한 구조의 부품은 하나의 블랭크로 완전히 제조된다. 금속은 95%까지 제거할 수 있다. 이렇게 높은 ‘공정률’은 원자재의 높은 비용을 초래한다.

구조 부속품 영역에서 5축 가공은 부속품 강도의 손실 없이 무게를 줄이는 새로운 가능성을 열어준다. 먼저, 부속품의 기하 구조를 각각의 부하에 적응시키는, 컴퓨터로 구현된 토폴로지 최적화가 수행된다. 그 결과 기계 부하가 가장 높은 곳으로 재료가 치우친다. 다른 영역에서는 재료가 현저히 줄어든다. 예를 들어, 보강용 벽의 두께는 부품의 하중에 따라 쉽게 결정된다. 벽 두께는 높이가 증가하면 감소한다. 이 공작물 형상은 5축 포켓 밀링을 통해 간단한 방법으로 실현된다.

5축 가공은 오랫동안 제트 엔진 제작의 표준이 됐다. 높은 효율성이 필요하므로, 모든 제트 엔진 유량 특성이 계속해서 향상된다. 결과로 생성되는 부품의 형상은 매우 복잡하므로 5축 동시 밀링 공정으로만 독점으로 제조된다.

자동차 제조에서 5축 가공

판금이나 플라스틱 공정을 위한 자동차 제조에는 무수한 몰드와 다이가 필요하다. 판금 성형용 다이 길이는 최대 6m이며, 상부/하부 다이가 정확한 간격으로 함께 작동할 수 있도록 ±0.02mm의 매우 높은 정확도로 밀링해야 한다. 또한 성형 공구의 수명을 보장하기 위해 모든 기능 표면의 표면 품질을 높여야 한다.

공구 형상을 제작할 때 기계는 높은 표면 품질에 대한 요구 사항을 충족하기 위해 절삭 경로 사이의 거리를 매우 좁게 유지해야 한다. 이렇게 하면 NC 프로그램의 실행 시간이 자동으로 길어진다. 성형 공구의 정확성은 공작 기계에서 큰 도전 과제이다. 큰 부품이 정확하게 오랜 시간 작동하려면, 기계 구조나 공급 구동 장치의 높은 열 안정성을 필요로 한다.

5축 가공은 깊이 구부러진 성형 도구의 윤곽조차 쉽게 접근할 수 있기 때문에 가공 시간 단축을 위한 새로운 시각을 제시한다. 또한, 토로이드(toroid)나 반경 커터(radius cutters)와 같은 특별한 도구를 써서 경로 간격을 크게 늘릴 수 있으므로 프로그램 실행 시간이 단축된다.

의료 기술 분야에서 5축 가공

의료 기술 분야에서는 특수 검사와 치료법에 적합한 장치에 대한 수요가 높다. 치료법이 상당히 정확해지고 환자의 후유증을 줄일 수 있기 때문이다. 이 장치는 대개 밀링 기계의 단일 부품을 5축 가공해야 하는 매우 복잡한 형상을 특징으로 한다.

기대 수명이 늘어나면 치아나 관절 임플란트에 대한 수요가 증가한다. 오늘날 고관절과 무릎 교체술은 많은 사람의 삶의 질을 크게 향상시켰다. 치아와 관절 임플란트는 인체의 특정 표면에 완전히 결합되는 형태여야 한다.

임플란트는 대부분 밀링 기계로 제조되는데, 밀링으로 작게 만들 수 있기 때문이다. 복잡한 임플란트 성형 때문에 의료 기술은 5축 가공이 가장 많이 사용되는 분야다. 정교한 부품을 경제적으로 제조하기 위해서는 정확한 기계 움직임을 위한 고정밀 위치 측정 시스템이 필요하다.

위치 측정 요구 사항

3축 밀링에서 피드 축은 공작물 치수와 공구 지름 사이에서 이동한다. 3축 가공과는 달리, 5축 가공에서 공구의 경사는 공작물 표면으로 조정할 수 있다.
TCP(tool center point, 공구 중심점)의 위치가 변경되지 않으면, 커터 방향이 변경되어 일반적으로 선형 축에서 추가 이동이 필요하다. 이러한 보상 동작은 반드시 직선 축의 횡단 범위를 증가시킨다. 이송 범위를 늘리면 위치 결정 오차가 커지므로 5축 기계의 이송 축은 훨씬 더 높은 정확도와 재현성이 필요하다.

리니어 축의 보정 이동은 X, Y, Z로 NC 프로그램에서 명령된 공구 중심의 움직임에 중첩된다. 이 중첩으로 공구 센터의 축 이송 속도가 프로그래밍이 된 것보다 상당히 초과할 수 있다.
이송 속도가 증가하면 모터, 변속기, 재순환 볼 스크루의 발열이 증가한다. 위치 측정의 원리에 따라 열이 발생하면 위치 오차가 현저하게 커질 수 있다. 불량품 방지를 위해 움직이는 기계 장치의 정확한 피드 축 위치 측정이 필수다.

리니어 축에서 위치 파악

피드 축의 위치는 로터리 엔코더와 함께 볼 스크루나 리니어 엔코더로 측정할 수 있다. 축 위치가 이송 나사와 로터리 엔코더의 피치(상단 그림 참조)로 결정되는 경우, 볼 스크루는 두 가지 작업을 수행해야 한다. 드라이브 시스템으로서 큰 힘을 전달해야 하지만, 측정 장치로서 매우 정확한 나사 피치를 제공해야 한다.

그러나 위치 제어 루프에는 로터리 엔코더만 포함된다. 마모나 온도로 인한 주행 역학의 변화는 이러한 방식으로 보상될 수 없다. 이를 세미 폐 루프(semi-closed loop)의 작동이라고 한다. 드라이브의 위치 오류는 피할 수 없게 되고 가공품의 품질에 상당한 영향을 줄 수 있다.

리니어 엔코더가 슬라이드 위치의 측정에 사용되는 경우(중간 그림), 위치 제어 루프에는 완전한 피드 메커니즘이 포함된다. 이를 폐 루프(closed-loop) 연산이라고 한다. 기계의 전달 요소의 재생과 부정확성은 위치 측정에 영향을 미치지 않는다. 즉, 측정 정확도는 거의 리니어 엔코더의 정밀도와 위치에 따라 달라진다.
증가하는 이송 속도나 힘과 함께 여러 조건이 볼 스크루의 열 상태를 지속적으로 변화시킨다. 국소 온도 영역은 볼 스크루에서 발생하며 위치의 모든 변화에 따라 변하고 세미 폐 루프의 정확도가 결정적으로 떨어진다.

따라서 리니어 축의 전체 이송 범위의 높은 재현성과 정확도는 폐 루프의 작동을 통해서만 얻을 수 있다. 결과는 정밀한 완성품과 급격한 거부율의 감소다.
리니어 모터에 리니어 피드 축이 구동될 수도 있다. 이 경우, 머신 축의 위치는 축 슬라이드에 장착된 리니어 엔코더로 직접 측정된다. 매우 역동적이고 조용한 작동을 위해 리니어 모터는 이미 고해상도의 정밀 리니어 엔코더에 의존한다. 이러한 유형의 드라이브의 경우 폐 루프 작동의 이점이 무제한으로 적용된다.

로터리 축의 위치 파악

리니어 축의 기본 원리는 로터리 축에도 적용된다. 여기서도 위치는 모터의 로터리 엔코더나 기계 축의 고정밀 앵글 엔코더로 측정할 수 있다.
기어 모터의 회전 오류는 닫힌 위치 루프를 통해 보상될 수 없기 때문에 피드 모터에서 로터리 엔코더를 써서 축 위치를 측정하는 경우 세미 폐 루프(semi-closed loop)라고도 한다.

로터리 축의 기계적 전달 오류는 다음 요소로 발생한다.
• 기어 휠의 이심률(eccentricity)
• 구동
• 변속기 샤프트의 톱니 접촉부와 베어링의 마찰과 탄성 변형

Z 이 밖에도 대부분의 예압 전송은 로터리 축을 가열하는 중요한 마찰을 받을 수 있으므로 기계 설계 결과에 따라 위치 오류가 발생할 수 있다.
세미 폐 루프에서는 로터리 축의 전송 오류로 상당한 위치 오류가 발생하고 반복이 현저히 감소한다. 로터리 축의 오류가 공작물의 형상으로 전송되어 거부되는 부품 수가 크게 늘어날 수 있다.

정확한 각도 엔코더를 써서 로터리 축의 위치 결정 정확도와 반복성을 향상할 수 있다. 축 위치는 모터에서 더 이상 측정되지 않고 기계의 회전축에서 직접 측정되기 때문에 폐 루프 작동이라고 한다. 로터리 축 전송의 오류는 위치 정확도에 영향을 주지 않는다. 오랜 기간에 걸쳐 회전축이 특정 축 위치로 이동할 수 있는 정확성 또한 확실히 높아진다. 최소한의 스크랩으로 경제적인 생산이 이뤄진다.

토크 모터로 직접 구동되는 회전축은 특별한 역할을 한다. 토크 모터의 특별한 디자인은 추가의 기계식 전동기 없이 매우 높은 토크를 허용한다. 토크 모터가 있는 로터리 축은 기계 축 바로 옆에 고해상도 각도 엔코더가 필요하다. 그것은 항상 폐 루프에서 작동된다.

<9월호에 계속>

자료 제공: Heidenhain(www.heidenhain.us)