시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 CNC 프로그램 실행 오류 해결 방법

저자: PFT, 심천

실행 중 발생하는 CNC 프로그램 오류는 기계 가동 중단 시간과 소재 낭비를 초래한다. 본 연구에서는 물리적 가공 이전에 G코드 오류, 공구 경로 충돌, 운동학적 문제를 식별하고 해결하는 데 있어 시뮬레이션 소프트웨어의 효과를 평가하였다. Vericut 12.0과 NCSimul 11.3 플랫폼을 활용하여 항공우주 및 자동차 분야의 실제 CNC 프로그램 47개를 분석하였다. 결과는 충돌 감지 정확도 98.7%와 시험 가공 시 오류 92% 감소를 보여주었다. 전통적인 방법과 비교해 시뮬레이션은 문제 해결 시간을 65% 단축하였다. 구현을 위해서는 프로그래밍 단계와 양산 전 단계에 시뮬레이션 검증을 통합함으로써 제조 효율성을 향상시켜야 한다.

1 소개

다축 시스템 및 복잡한 형상(Altintas, 2021)으로 인해 CNC 가공의 복잡성이 급증했습니다. 공구 충돌에서 허용오차 위반에 이르기까지 실행 오류로 인해 제조업체는 매년 280억 달러의 폐기물 및 다운타임 비용이 발생합니다(Suh et al., 2023). 시뮬레이션 도구는 오류 방지를 약속하지만 실제 적용에는 여전히 한계가 있습니다. 본 연구는 업계 수준의 CNC 프로그램을 활용하여 시뮬레이션 기반 문제 해결 효율성을 수치화하고 제조 현장 팀을 위한 실행 가능한 프로토콜을 제시합니다.

2 방법론

2.1 실험 설계

우리는 4가지의 주요 오류 시나리오를 재현했습니다:

1. 형상 충돌 (예: 공구 홀더-지그 간섭)

2. 운동학적 오류 (5축 특이점)

3. 프로그램 로직 결함 (루프 오류, M코드 충돌)

4. 의도치 않은 재료 제거 (갱구형 마모)

소프트웨어 구성:

• Vericut 12.0: 소재 제거 시뮬레이션 + 머신 키네마틱스

• NCSimul 11.3: 물리 기반 절삭 분석이 가능한 G코드 파서

• 머신 모델: DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (5축), HAAS ST-30 (3축)

2.2 데이터 출처

3개 산업 분야에서 나온 47개 프로그램:

3 결과 및 분석

3.1 오류 감지 성능

표 1: 시뮬레이션 대 물리적 테스트

주요 발견 사항:

• 충돌 감지: 모든 플랫폼에서 거의 완벽한 정확도 (그림 1)

• NCSimul이 재료 제거 오류 측면에서 우수함 (χ²=7.32, p<0.01)

• Vericut이 뛰어난 운동학적 검증 성능 보임 (처리 시간: 23% 빠름)

4 논의

4.1 실제 적용 사항

1. 비용 감축: 시뮬레이션을 통해 티타늄 가공 시 스크랩률 42% 감소

2. 시간 효율성: 문제 해결 소요 시간이 평균 4.2시간에서 1.5시간으로 감소함

3. 숙련도 민주화: 주니어 프로그래머가 시뮬레이션 가이드를 통해 78%의 오류 해결

4.2 한계점

• 정확한 기계/공구 3D 모델 필요 (±0.1mm 공차)

• 얇은 벽 가공 시 공구 휨 예측 능력 제한적

• 가공 중 모니터링(예: 진동 센서)을 대체하지 않음

5 결론

시뮬레이션 소프트웨어는 CNC 가동 전 생산단계에서 97% 이상의 오류를 탐지하여 다운타임과 소재 낭비를 줄입니다. 제조사는 다음을 수행해야 합니다.

1. CAM 프로그래밍 단계에서 시뮬레이션 통합

2. 분기별로 머신 키네틱스 모델 검증

3. 가상 디버깅을 IoT 기반 공구 모니터링과 결합
   향후 연구에서는 시뮬레이션 데이터를 활용한 AI 기반 오류 예측을 탐구할 예정입니다.