머신 내 프로빙을 활용한 CNC 공구 점검 자동화 방법

PFT, 심천

추상

자동 공구 점검은 고정밀 및 대량 생산에서 특히 중요한 현대 CNC 가공의 필수 단계가 되었습니다. 본 연구의 목적은 사이클 시간을 중단하지 않고 공구 마모와 치수 정확도를 모니터링하기 위한 기계 내 측정 시스템의 효과를 평가하는 것이었습니다. 연구 방법으로는 세 축 수직 머시닝 센터에 터치트리거 탐침을 통합하고 제어 소프트웨어에서 개발된 맞춤 점검 사이클을 함께 적용했습니다. 데이터는 500번의 가공 사이클 동안 반복된 공구 점검을 통해 직경 및 길이의 편차를 기록하여 수집되었습니다. 결과는 자동 탐침을 사용함으로써 수동 점검 시간을 65% 단축하면서도 ±2 µm 이내의 치수 정확도를 유지할 수 있음을 보여주었습니다. 오프라인 점검과 비교 분석한 결과, 기계 내 탐침 방식은 특히 점진적인 플랭크 마모를 감지하는 데 있어 동등하거나 더 높은 반복성을 달성했습니다. 본 연구는 기계 내 탐침이 CNC 환경에서 공구 점검을 자동화하는 데 있어 실용적이고 확장 가능한 솔루션을 제공하며, 공정 신뢰성과 비용 절감을 동시에 지원한다고 결론지었습니다.

1 소개

공구 마모와 파손은 CNC 생산에서 부품 편차와 기계 가동 중단의 가장 일반적인 원인 중 하나입니다. 기존에는 공구 프리세터 및 현미경과 같은 오프라인 장비를 사용하여 수동 측정에 의존해 왔습니다. 정확성은 높으나 이러한 방법은 생산을 중단시키고 인건비를 증가시키는 단점이 있습니다. 머신 내 프로빙 기술은 가공 사이클 내에서 직접 공구 측정을 자동화함으로써 이러한 문제를 해결합니다. 본 연구에서는 공구 검사를 자동화하기 위해 머신 내 프로빙이 어떻게 적용될 수 있는지를 조사하고, 설계 방법론, 성능 결과 및 실제 적용 가능성에 중점을 두고 분석하였습니다.

2 연구 방법

2.1 설계 개념

검사 시스템은 수직 머시닝 센터의 스핀들에 통합된 터치 트리거 프로브를 중심으로 구성되었습니다. 이 프로브는 각 가공 사이클 전후로 공구 길이와 지름을 측정하도록 프로그래밍되었습니다. 프로빙 루틴은 다양한 기계에서 재현이 가능하도록 표준 G코드 매크로를 사용하여 개발되었습니다.

2.2 데이터 수집

데이터는 경화된 강철 부품의 500개 가공 사이클에서 수집되었다. 공구 길이 및 지름 편차는 CNC 컨트롤러에 의해 자동으로 기록되었다. 오프라인 측정은 공구 프레세터를 사용하여 대조군으로 활용되었다.

2.3 장비 및 모델

• 기계: 3축 VMC, 12,000rpm 스핀들

• 측정기: 레니쇼 OMP60 접촉식 프로브

• 테스트된 공구: ø10mm 탄화물 엔드밀, TiAlN 코팅

• 소프트웨어: 팬덕 0i-MF 컨트롤러 및 사용자 정의 프로빙 사이클

이 설정은 재현성을 보장하며 다른 기계 구성에 이 방법론을 적용할 수 있도록 해준다.

3 결과 및 분석

3.1 공구 길이 측정

그림 1은 머신 내 프로빙과 오프라인 프리세팅을 비교한 것입니다. 결과는 ±2 µm의 최대 편차를 보였으며, 두 방법 간의 유의미한 차이는 없었습니다.

3.2 공구 직경 측정

표 1은 500 사이클 동안 측정된 공구 직경 편차를 보여줍니다. 머신 내 프로브는 플랭크 마모(flank wear)로 인한 점진적인 감소를 일관되게 감지했습니다.

표 1 500 사이클 동안의 공구 직경 편차 (µm)

데이터는 기계 내 프로빙이 수동 방법 대비 시간을 절약하면서도 동일한 정확도를 제공한다는 것을 확인시켜 준다.

3.3 시간 효율성

수동 검사는 평균적으로 공구당 45초가 소요되었으나, 자동화된 프로빙은 이를 15초로 줄여 65%의 시간 절감 효과를 보였다.

4 논의

결과는 기계 내 프로빙이 많은 CNC 응용 분야에서 오프라인 공구 검사를 대체하거나 보완할 수 있음을 시사한다. 그 효과성은 공구를 가공 환경에서 직접 측정함으로써 공구 취급으로 인한 설치 오류를 제거할 수 있는 능력에서 비롯된다. 다만, 프로브 교정 요구사항 및 냉각제가 많이 사용되는 환경에서의 신호 간섭 가능성은 한계로 작용한다. 그러나 대부분의 고용량 생산 상황에서는 이러한 제약보다 혜택이 더 크다. 본 연구 결과는 기계 내 프로빙의 광범위한 도입이 다운타임을 크게 줄이고 공정 관리를 개선할 수 있음을 시사한다.

5 결론

기계 내 프로빙을 사용한 자동 공구 점검은 오프라인 방법과 비교할 수 있는 정확도를 달성하면서 상당한 시간 절약을 제공한다. 이 방법은 실용적이고 반복 가능하며 표준 CNC 제어와 호환된다. 향후 연구는 프로빙 데이터와 실시간 마모 예측 모델을 통합하는 데 초점을 맞출 수 있으며, 이는 CNC 가공에서 예지 정비를 더욱 향상시키는 데 기여할 것이다.