Home

CNC는 스핀들모터 부하를 작업자가 확인할 수 있도록 HMI (Human Machine Interface) 화면에 표시해주고 있다. 스핀들부하는 모터의 소비전류와 전압을 기반으로 연산하여 가공장비의 사양에 맞게 백분율(%) 형식으로 표시되고 있다. 스핀들모터 부하는 스핀들모터 토크와 밀접한 관련이 있으며, 스핀들모터 토크 특성은 모터 제작사에서 제공하는 토크선도를 통해 확인할 수 있다. 모터토크는 출력(Power)과 회전속도(RPM)를 통해 계산하기 때문에 두 요소에 따라 종속적으로 변하게 되며, 스핀들부하 역시 장착된 모터의 사양(회전속도, 출력, 토크)을 고려하여 산출한다. 본 연구에서는 DMGMORI사의 NVD4000DCG CNC머시닝센터를 사용하였고, 해당 장비의 스핀들모터 특성은 Fig. 1과 같다. Table 1은 스핀들모터 회전속도별 스핀들부하(%)와 출력(kW), 토크(Nm)와의 상관관계를 보여주고 있으며, 정격 스핀들부하 대비 정격 스핀들출력의 비율(스핀들부하/스핀들출력)을 부하율(Load ratio)로 규정하였다. 본 연구에 사용한 스핀들모터는 낮은 회전속도에서는 와이(Wye) 결선으로 전력을 공급하고 높은 회전속도에 이르면 델타(Delta) 결선으로 변환하여 전력을 공급하기 때문에 부하율도 변하게 된다. 장비제조사가 설정한 전력공급방식 변환(Winding switch over) 구간을 기준으로 사양에 맞는 RPM의 부하율을 적용해야 한다. Fig. 1의 토크선도를 살펴보면 본 연구에 사용한 스핀들모터는 3568 RPM에서 결선방식이 변한다는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 1 
Spindle motor torque curves (DMGMORI)

스핀들부하는 CNC의 HMI화면을 통해 제공되는 것이 일반적이나 최근 대부분의 CNC제조사에서는 CNC가 생성하는 정보를 제공하는 모듈을 제공하고 있으며, 본 연구에서는 FANUC사의 Focas2 라이브러리를 통해 Fig. 2와 같이 스핀들부하를 취득하였다. CNC와 이더넷통신으로 연결된 PC를 이용해 스핀들부하를 얻을 수 있기 때문에 스핀들전류 측정을 위한 센서 및 DAQ를 사용하지 않아 시스템 구성이 간단하다.

Fig. 2 
Spindle load acquisition (Focas2 interface)

공구동력계를 이용하여 절삭력을 측정할 때는 공구가 피삭재에 접촉하여 소재를 제거할 때만 절삭력이 발생하지만, 스핀들부하를 이용하는 경우에는 공구만 회전하는 상태에서도 부하가 발생한다. 따라서 무부하 상태에서의 스핀들부하를 손실로 규정하고 실가공에서의 절삭력을 추정하기 위해 무부하 스핀들부하를 제외하기 위한 실험을 수행하였다. Fig. 3(a)는 대상 스핀들의 회전속도를 최대속도인 20,000 RPM까지 1,000 RPM씩 증가시키면서 스핀들부하를 취득한 결과를 보여주고 있으며, Fig. 3(b)는 스핀들 회전속도가 변경할 때 순간적으로 발생하는 기동전류를 제외한 안정된 구간의 스핀들부하의 평균값을 1,000 RPM 간격으로 보여주고 있다. 스핀들 회전속도가 상승함에 따라 스핀들부하가 상승하는 경향을 보였으며, 11,000 RPM을 전후로 큰 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 연구에서는 절삭력을 추정할 때 11,000 RPM을 중심으로 공구가 회전만 하고 있을 경우의 무부하 스핀들부하를 Table 2와 같이 회귀분석을 통해 도출하여 제거하였다.

Fig. 3 
Idle spindle load experiment

스핀들모터의 특성 및 무부하 스핀들부하를 고려하여 스핀들모터 부하로부터 절삭력을 추정하는 방안을 식 (1)과 같이 제안하였다. 절삭가공이 이루어지는 구간의 스핀들부하(Spindle load)에서 해당 스핀들 회전속도의 무부하 스핀들부하(Idle load)를 제외하여 가공 스핀들부하(Cutting load)를 구한 후 해당 스핀들 회전속도의 부하율(Load ratio)을 적용하면 출력(Power)이 계산된다. 출력을 스핀들 회전속도로 나누어 구해진 토크(Torque)를 공구반경(Tool radius)으로 나누면 접선방향의 절삭력(Tangential cutting force)이 구해진다.

where, TF : Tangential Force (N)
SL : Spindle Load (%)
LR : Load Ratio
TR : Tool Radius (mm)

본 논문에서 제시된 스핀들부하 기반의 절삭력 추정방법을 검증하기 위해서 공구동력계를 이용해서 절삭력을 직접 측정하면서 동시에 스핀들부하를 취득하였다. 공구동력계를 이용해서 절삭력을 직접 측정하는 경우에는 접선방향 절삭력이 측정되지 않아 추정된 접선방향 절삭력과 단순한 비교가 어려운 점을 고려하여 본 논문에서는 접선방향 절삭계수와 비절삭저항을 활용하였다. 접선방향 절삭계수와 비절삭저항 둘다 일정한 면적의 소재를 제거할 때 필요한 힘을 의미하는데, 본 논문에서는 절삭계수는 공구동력계를 통해 측정한 절삭력으로 구한 값으로 추정값과 비교를 위한 기준값으로 활용하였으며, 비절삭저항은 스핀들부하를 통해 추정한 절삭력을 가공면적으로 나누어 계산하였다. 가공면적은 축방향절삭깊이와 날당이송량의 곱으로 구하였다. 절삭계수와 비절삭저항 모두 소재의 특성이기 때문에 특정 실험조건에서의 절삭력간 단순한 비교를 넘어 피삭재별로 다양한 가공조건에서 절삭력을 예측해 비교가 가능하다는 장점이 있다. 본 논문에서는 Altintas가 제안한 절삭력모델을 이용해서 절삭계수(Cutting coefficient)를 구하는 방법을 사용했다^[10]. 미리 정의된 실험조건으로 가공실험을 수행하여 측정된 절삭력을 이용하여 Table 3에 정의된 6개의 절삭계수를 산출할 수 있으며 그 중 접선방향 절삭계수(K_tc)를 본 논문에서 제안한 방법으로 추정한 비절삭저항과 비교하였다.

스핀들부하로부터 접선방향 절삭력을 추정하는 방안을 검증하는 실험을 Fig. 4에 보이는 구성으로 준비하여 수행하였다. Table 4와 같이 AL6061, AL7075, SM45C 3개의 소재를 대상으로 직경 12 mm, 2날 평엔드밀(Flat endmill)을 이용하여 축방향 가공깊이(AL6061, AL7075: 3 mm, SM45C: 1.5 mm)를 고정하여 슬롯(Slot)가공으로 이송속도별 가공실험을 수행하면서 절삭력은 공구동력계를 이용하여 측정했고 스핀들부하는 CNC와의 통신으로 취득했다. 스핀들 회전속도는 공구제조사에서 제공하는 추천절삭조건을 고려하여 알루미늄합금은 5400 RPM으로 강은 2740 RPM으로 설정하였으며, 각각의 절삭속도는 약 200 m/min과 100 m/min이다.

Fig. 4 
Experimental setup

스핀들부하를 이용하여 절삭력을 추정하는 과정은 AL6061실험 조건 3의 예시를 통해 다음과 같이 확인할 수 있다. 조건 3에서 측정한 스핀들부하 5.7%에서 무부하 스핀들부하 0.3%을 제외하여 가공 스핀들부하 5.4%를 도출하고, 해당 스핀들 회전속도의 부하율 10.1을 적용하여 출력 0.53 kW를 구하였다. 구한 출력을 스핀들 속도 5400 RPM으로 나누어 토크 0.942 Nm를 계산하고 공구 반지름 0.006 m을 대입해 접선방향 절삭력 157 N을 도출했다. 모든 실험조건에 대해 스핀들부하로 추정한 접선방향 절삭력을 Table 4에 정리하였다.

Fig. 5는 AL6061 실험 조건 3의 가공실험에서 공구동력계로 측정한 3개 분력(X, Y, Z) 중 접선방향 절삭력과 관련이 없는 축방향 절삭력(Z)을 제외한 결과를 보여주고 있으며, 접선방향 절삭계수를 구하기 위해 사용할 수직분력(Normal force)의 평균값을 Table 4에 함께 정리하였다. 본 가공실험에서는 Y축 방향으로 공구가 이송했기 때문에 이송분력과 수직분력은 각각 Y축과 X축 방향의 힘이 된다.

Fig. 5 
Measured cutting force (AL6061, No. 3)

축방향 절삭깊이가 동일한 경우 날당이송량이 다른 최소 2회 이상의 가공실험을 통해 접선방향 절삭계수를 산출해낼 수 있다. Fig. 6는 AL6061의 8회 가공실험에서 측정한 수직분력의 평균값을 날당이송량 기준으로 보여주고 있으며, 수직분력의 평균값과 날당이송량간의 상관관계를 회귀분석으로 구한 식을 함께 보여주고 있다. 이 회귀식의 기울기(F-nc)와 공구 날수(N), 축방향 절삭깊이(a)를 이용하여 접선방향 절삭계수를 식 (2)에서와 같이 구할 수 있다^[10].

Fig. 6 
Regression of average normal cutting forces (AL6061)

Fig. 7은 스핀들부하로 추정한 접선방향 절삭력을 이용한 접선방향 비절삭저항과 공구동력계로 측정한 절삭력을 이용한 접선방항 절삭계수를 소재절삭율을 기준으로 비교해서 보여주고 있다. 공구동력계를 이용한 경우에는 8개의 조건을 모두 이용하여 회귀분석을 통해 절삭계수를 구하기 때문에 같은 값을 갖게 되며, 스핀들부하를 이용한 경우는 각각의 조건마다 추정된 절삭력을 날당이송량과 가공깊이로 나누어서 구한 값이기 때문에 조건별로 차이가 난다.

Fig. 7 
Comparisons of tangental cutting force coefficients and specific cutting forces

Table 5는 서로 다른 8개의 가공조건에서 구해진 스핀들부하 기반의 접선방향 비절삭저항의 평균값과 공구동력계로 측정한 접선방향 절삭계수를 비교해 보여주고 있으며, 오차율은 공구동력계를 이용한 실측값을 기준으로 스핀들부하를 이용한 추정값의 비율로 표시하였다. 각 소재에 따라 실측 절삭력 기반의 접선방향 절삭계수와 스핀들부하 기반의 비절삭저항의 오차율에 차이가 있는 것을 확인할 수 있다. AL6061은 8개의 가공조건(Feed)별 오차율이 평균 15%를 보였고, AL7075는 조금 낮은 9%를, SM45C는 3개 소재 중 가장 높은 28%를 보여주고 있다. 동일한 조건들에서 가공했을 경우 비절삭저항이 큰 AL7075의 오차율이 AL6061보다 낮게 나오는 것을 통해 절삭력이 커서 스핀들부하가 높을수록 추정 오차율이 낮아지는 것을 생각해 볼 수 있다. 반면 비절삭저항이 높은 SM45C의 오차율이 높은 이유는 스핀들 회전속도의 차이에서 찾을 수 있다. SM45C는 추천절삭조건을 고려하여 스핀들속도 2740 RPM으로 가공하였는데 이 경우 모터의 최대 토크는 Table 1을 참고하면 26.2 Nm로 비교적 높은 토크를 낼 수 있는 영역에 있다. 즉, 스핀들부하가 100%인 경우 스핀들토크는 26.2 Nm가 되는데 이 경우 스핀들부하 1%는 산술적으로 0.26 Nm를 가리키게 된다. 참고로 알루미늄을 가공한 5400 RPM에서는 스핀들부하 1%는 산술적으로 0.18 Nm이며 이 차이가 추정오차를 발생하는 원인 중 하나라고 판단된다. 같은 공구를 사용한다고 가정했을 때 같은 크기의 접선방향 절삭력이 작용해서 동일한 크기의 토크가 작용할 경우에도 스핀들 회전속도에 따라 스핀들부하가 다르며 AL7075와 SM45C 가공시 유사한 절삭력이 작용하더라도 스핀들 회전속도에 따라 스핀들부하의 차이가 있다는 것을 Table 4에서 확인할 수 있다. 또한, 본 연구에서 사용한 FANUC CNC는 스핀들부하를 정수형으로만 제공하기 때문에 스핀들부하 1% 차이로 인해 발생하는 추정오차는 스핀들 회전속도가 낮을수록 커지게 된다.