[NC] 1장_ 위치결정 및 이송계의 기초 (1.1 & 1.2)

   이 카테고리의 도입으로써, 위치결정 및 이송계를 이해하기 위한 기초개념 및 용어를 실례와 함께 설명한다. 또한, 위치결정 및 이송계의 기본적인 구성요소와 제어계의 구성을 설명한다.

1.1 위치결정 , 이송, 윤곽운동제어

  우리들은, 여러가지의 물리현상을 이용하여 생산활동을 하고 있다. 이때, 생산활동에 없어서는 안될 부분은, 작업하기 위한 도구 및 작업대상물의 위치 및 자세를 제어하는 시스템이라 할 수 있다. 예를 들어, 공작기계를 이용하여 공구를 운동시켜 절삭가공을 할 때를 생각해보자. Fig. 1.1 과 같이, 절삭 작업에 필요한 공구의 운동은 크게 두가지로 분류된다. Fig. 1.1 (a) 는 공구를 공작물에 대하여 접근시키는 운동을 나타내고, 이것을 위치결정 (positioning) 이라 한다. 또한, Fig. 1.1 (b) 는 공작물에서 불필요한 부분을 절삭해내는 운동이고, 이것을 이송운동 (feed motion) 이라 한다.

Fig. 1.1 위치결정과 이송운동

   위치결정이란, 어느 목표점에 공구를 이동해 정지시키는 운동이며, 위치결정 시간과 위치결정 정밀도가 문제시된다. ISO-2806에서는, 이러한 위치결정 방식의 시스템을 위치결정 제어시스템 (positioning control system) 이라 정의하고 있다. 위치결정제어는 PTP (point to point) 제어라고도 불린다.

   다음으로, 이송제어 (feed control) 에 대하여 생각해 보자. 공구의 지령경로와 운동궤적의 차이는 가공형상의 오차를 발생시킨다. 또한, 이송속도가 변화하면, 단위시간에 절삭되는 재료의 양이 변화하여, 가공형상이 변화하게 된다. 따라서, 이송에 있어서, 공구는 지정된 경로를 적절한 속도로 운동하도록 제어되어야 한다. 

   윤곽형상을 만들어내기 위한 이송운동은, 복수의 이송축을 동기시켜 운동함으로서 만들어 진다. 이러한 운동제어를 ISO-2806에서는, 윤곽제어 (contouring control) 이라 부르고 있지만, 여기에서는 운동궤적이 만드는 윤곽이라는 개념을 공작물의 윤곽형상과 구별하기위하여, 윤곽운동제어라 부르겠다. 윤곽운동제어는 CP (continous path) 제어라고도 불리운다. 이상 두가지의 제어방식을 Fig. 1.2 에 각각 도식화한다.

Fig. 1.2 위치결정제어와 윤곽운동 제어

1.2 자유도 / 제어축

   고체는 공간내에서, Fig. 1.3 에 나타내는 것처럼 직선 3 자유도와 회전 3 자유도를 가지게 된다. 세가지의 직선 자유도는 X, Y, Z 축의 좌표로 정의 되고, 회전자유도는 X, Y, Z 축을 중심으로 한 회전축인 A, B, C 축의 좌표로 정의 된다. 다만, 위치결정 및 이송의 자유도란, 공작물과 공구의 상대적인 자유도를 의미하며, 자유도는 제어축의 갯수라고 할 수 있다. 

Fig. 1.3 강체의 자유도

   1 자유도뿐인 위치결정/이송을 가지는 유닛은 축유닛이라 하며, 축유닛에는 직동유닛과 회전유닛이 있다. 축유닛을 공구측 혹은 공작물측에 복수 배치한 다자유도기구를 직렬(Serial)기구라 한다. Fig. 1.4 는 5축 제어의 직렬 기구의 예로써, 공구의 위치는 3축의 진진축, 공작물의 자세는 2 축의 회전축에 의하여 제어 된다. 

Fig. 1.4 직려기구의 예  (5축제어)

   직렬기구와 별개로 병렬(Parallel)기구라 불리는 위치결정/이송기구가 존재한다. 병렬기구란 [출력부가, 이것과 정지부 사이에 병렬식으로 배치된 복수개의 링크들에 의하여 지지되는 기구] 를 말한다. 

(예 1.1) NC (numerical contorl : 수치제어) 공작기계의 제어축　_　NC (numerical control) 란, 공구의 운동을 수치로 지령하여 제어하는 것이며, 수치제어된 공작기계를 NC공작기계라 한다. Fig. 1.5 는 5축 NC공작기계의 예를 나타낸다. 이 기계는, Fig. 1.4 와 같은 축 구성의 직렬기구를 가지고 있고,  Fig. 1.5 (b) 에 나타낸 B축과 C축에 의하여 공작물의 자세를 제어하여 Fig. 1.5 (c) 에 나타내는 것과 같은 복잡형상을 가지는 공작물을 가공하게 된다. 이런 기계에서는 Y축과 Z축 유닛에 각각의 2 세트의 서보모터 및 볼스크류를 이용하여, 피구동체의 중심을 구동시켜 자세오차를 억제하고 있다. 

Fig. 1.5 5축 NC공작기계의 제어축 (Okuma)

Fig. 1.6 은 병렬기구를 가지는 공작기계이다. 이 기구는 Hexapod 타입으로, 그림 속의 6개의 스트럿 (strut) 이, 서보모터에 구동되는 볼스크류에 의해 수축하여, 공구를 6 자유도로 고속으로 위치결정 하게 된다.

Fig. 1.6 병렬기구를 가지는 6축 NC공작기계 (okuma)