CNC 공작 기계

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배경

CNC 또는 "컴퓨터 수치 제어" 기계는 현대 기술에서 요구하는 복잡한 부품을 생성할 수 있는 정교한 금속 가공 도구입니다. 컴퓨터의 발전과 함께 빠르게 성장하는 CNC는 선반, 밀링 머신, 레이저 절단기, 연마 제트 절단기, 펀치 프레스, 프레스 브레이크 및 기타 산업용 도구로 작업을 수행하는 것을 볼 수 있습니다. CNC 용어는 컴퓨터 논리를 사용하여 움직임을 제어하고 금속 가공을 수행하는 이러한 기계의 큰 그룹을 나타냅니다. 이 기사에서는 가장 일반적인 유형인 선반과 밀링 머신에 대해 설명합니다.

연혁

목공 선반은 성서 시대부터 사용되었지만 최초의 실용적인 금속 가공 선반은 1800년 Henry Maudslay에 의해 발명되었습니다. 작업 중인 재료 조각이나 공작물을 클램프 또는 스핀들에 고정하고 회전시켜 절삭 공구가 원하는 윤곽으로 표면을 가공할 수 있는 단순한 공작 기계였습니다. 절삭 공구는 크랭크와 핸드휠을 사용하여 작업자가 조작했습니다. 치수 정확도는 핸드휠의 눈금 다이얼을 관찰하고 절삭 공구를 적절한 양만큼 이동시킨 작업자에 의해 제어되었습니다. 생산된 각 부품은 작업자가 동일한 순서와 동일한 치수로 동작을 반복해야 했습니다.

첫 번째 밀링 머신은 절삭 공구가 회전하는 스핀들에 배치된 것을 제외하고는 거의 동일한 방식으로 작동되었습니다. 공작물을 기계 베드 또는 작업대에 장착하고 다시 핸드휠을 사용하여 절삭 공구 아래로 이동하여 공작물 윤곽을 가공했습니다. 이 초기 밀링 머신은 1818년 Eli Whitney에 의해 발명되었습니다.

공작 기계에서 사용되는 동작을 "축"이라고 하며 "X"(보통 왼쪽에서 오른쪽), "Y"(보통 앞에서 뒤로), "Z"(상하)라고 합니다. 작업대는 수평 또는 수직 평면에서 회전하여 네 번째 운동 축을 생성할 수도 있습니다. 일부 기계에는 스핀들이 비스듬히 회전할 수 있는 다섯 번째 축이 있습니다.

이러한 초기 기계의 문제점 중 하나는 작업자가 각 부품을 만들기 위해 핸드휠을 조작해야 한다는 것이었습니다. 단조롭고 육체적으로 고된 작업일 뿐만 아니라 동일한 부품을 만드는 작업자의 능력도 제한적이었습니다. 작동상의 약간의 차이로 인해 축 치수가 변경되어 제대로 맞지 않거나 사용할 수 없는 부품이 생성되었습니다. 작업의 스크랩 수준이 높아 원자재와 노동 시간이 낭비되었습니다. 생산량이 증가함에 따라 작업자당 하루에 생산하는 사용 가능한 부품 수가 더 이상 경제적이지 않았습니다. 필요한 것은 기계의 움직임을 자동으로 작동시키는 수단이었습니다. 이러한 작업을 "자동화"하려는 초기 시도는 연결을 통해 도구나 작업대를 이동시키는 일련의 캠을 사용했습니다. 캠이 회전하면 링크가 캠 면의 표면을 따라가며 일련의 동작을 통해 절삭 공구나 공작물을 움직입니다. 캠 면은 링키지 움직임의 양을 제어하도록 형성되었으며 캠이 회전하는 비율은 도구의 이송 속도를 제어했습니다. 이 초기 기계는 올바르게 설정하기 어려웠지만 일단 설정되면 당시에 탁월한 반복성을 제공했습니다. 일부는 오늘날까지 살아남아 정밀 가공의 대명사인 "스위스" 기계라고 불립니다.

초기 설계를 통해
당일 운영

현대적인 CNC 기계 디자인은 1940년대 후반과 1950년대 초반 John T. Parsons의 작업에서 비롯되었습니다. 제2차 세계 대전 후 Parsons는 복잡한 모양의 정밀 가공이 필요한 헬리콥터 로터 블레이드 제조에 참여했습니다. Parsons는 곧 초기 IBM 컴퓨터를 사용하여 수동 계산 및 레이아웃을 사용하는 것보다 훨씬 더 정확한 등고선 안내선을 만들 수 있음을 발견했습니다. 이러한 경험을 바탕으로 그는 항공기용 대형 날개 부분을 생산하는 "자동 윤곽 절단기"를 개발하는 공군 계약을 체결했습니다. 컴퓨터 카드 판독기와 정밀한 서보 모터 제어를 활용한 결과 기계는 거대하고 복잡하며 비쌌습니다. 하지만 자동으로 작동하여 항공기 산업에서 요구하는 높은 정확도의 부품을 생산했습니다.

1960년대에 이르러 자동화 기계의 가격과 복잡성은 다른 산업에서 응용할 수 있을 정도로 감소했습니다. 이 기계는 핸드휠을 조작하고 도구를 작동하기 위해 직류 전기 구동 모터를 사용했습니다. 모터는 테이프 판독기에서 전기 지침을 받았는데, 테이프 판독기는 선택한 일련의 구멍이 뚫린 너비 약 1인치(2.5cm)의 종이 테이프를 읽습니다. 구멍의 위치와 순서를 통해 독자는 정확한 시간과 속도로 모터를 돌리는 데 필요한 전기 충격을 생성할 수 있었고, 이는 실제로 인간 작업자처럼 기계를 작동했습니다. 충동은 당시 "기억" 기능이 없는 단순한 컴퓨터에 의해 관리되었습니다. 이들은 종종 "NC" 또는 수치 제어 기계라고 불렸습니다. 프로그래머는 "프로그램" 역할을 하는 초기 컴퓨터에 사용된 오래된 "펀치 카드"와 마찬가지로 타자기와 같은 기계에서 테이프를 생산했습니다. 프로그램의 크기는 특정 부품을 생산하기 위해 읽어야 하는 테이프 피트에 의해 결정되었습니다.

이 1980년대 CNC 척킹 머신은 공작 기계와 컴퓨터의 결합 기술을 보여줍니다. (헨리 포드 박물관 및 그린필드 빌리지 컬렉션에서)

컴퓨터가 어떻게 생산 기계와 처음 연결되었는지에 대한 이야기는 음모와 논쟁으로 가득 차 있습니다. 20세기에 산업, 대학, 군대가 어떻게 얽혀 있었는지 조명합니다. 이 이야기는 또한 많은 혁신을 한 개인이나 기관의 탓으로 돌리는 것이 얼마나 어려운지를 잘 보여줍니다. 누가 언제 무엇을 했는지 분류하는 것은 복잡한 기업입니다.

1947년 John Parsons는 미시간 주 트래버스 시티에서 항공 제조 회사를 이끌었습니다. 부품 모양의 복잡성 증가와 그에 따른 수학적 및 엔지니어링 문제에 직면한 Parsons는 회사의 엔지니어링 비용을 줄이는 방법을 찾았습니다. 그는 International Business Machine Corp.에게 메인 프레임 사무실 컴퓨터 중 하나를 사용하여 새로운 헬리콥터 블레이드에 대한 일련의 계산을 수행할 수 있도록 해 달라고 요청했습니다. 결국 Parsons는 IBM의 전설적인 사장인 Thomas J. Watson과 계약을 체결하여 IBM이 Parsons Corporation과 협력하여 천공 카드로 제어되는 기계를 만들었습니다. 곧 Parsons는 또한 프로펠러와 날개에 있는 것과 같은 윤곽 모양을 자를 카드나 테이프(예:피아노 연주자)로 제어되는 기계를 생산하기 위해 공군과 계약을 맺었습니다. 그런 다음 Parsons는 프로젝트에 대한 도움을 받기 위해 Massachusetts Institute of Technology Servomechanism Laboratory의 엔지니어에게 문의했습니다. MIT 연구원들은 다양한 유형의 제어 프로세스를 실험해 왔으며 제2차 세계 대전으로 거슬러 올라가는 공군 프로젝트에 대한 경험이 있습니다. 결과적으로 MIT 연구소는 이를 제어 및 피드백 메커니즘으로 자체 연구를 확장할 수 있는 기회로 보았습니다. 컴퓨터 수치 제어 공작 기계의 성공적인 개발은 군대 후원자의 요구를 충족시키려는 대학 연구원에 의해 착수되었습니다.

윌리엄 S. 프레처

통합 전자 장치의 발전으로 테이프가 제거되거나 프로그램을 자기 메모리에 로드하는 데만 사용되었습니다. 사실, 현대 CNC 기계의 메모리 용량은 여전히 ​​"메모리 피트"라고 합니다.

최신 CNC 기계는 프로그램 컴퓨터 메모리에 저장된 수천 비트의 정보를 읽어서 작동합니다. 이 정보를 메모리에 저장하기 위해 프로그래머는 기계가 이해할 수 있는 일련의 명령을 생성합니다. 프로그램은 컨트롤러에 스핀들을 새 위치로 이동하도록 지시하는 "M03" 또는 기계 내부의 일부 프로세스에서 보조 입력을 읽도록 컨트롤러에 지시하는 "G99"와 같은 "코드" 명령으로 구성될 수 있습니다. 코드 명령은 CNC 공작 기계를 프로그래밍하는 가장 일반적인 방법입니다. 그러나 컴퓨터의 발전으로 공작 기계 제조업체는 지침이 일반 단어에 더 가까운 "대화 프로그래밍"을 제공할 수 있었습니다. 대화형 프로그래밍에서 "M03" 명령은 단순히 "MOVE"로 입력되고 "G99" 명령은 단순히 "READ"입니다. 이러한 유형의 프로그래밍을 사용하면 프로그래머가 코드 의미를 덜 기억하고 더 빠르게 훈련할 수 있습니다. 그러나 업계가 프로그래밍 형식에 상당히 의존하기 때문에 대부분의 대화형 기계는 여전히 코드 프로그램을 읽습니다.

컨트롤러는 또한 프로그래머에게 기계 사용 속도를 높이는 데 도움을 제공합니다. 예를 들어, 일부 기계에서 프로그래머는 형상의 위치, 직경 및 깊이를 간단히 입력할 수 있으며 컴퓨터는 공작물에 형상을 생성하기 위한 최상의 가공 방법을 선택합니다. 최신 장비는 컴퓨터 생성 엔지니어링 모델을 사용할 수 있습니다. 정확한 공구 속도, 이송 및 경로를 계산합니다. 도면이나 프로그램을 작성하지 않고도 부품을 생산할 수 있습니다.

현대적인 디자인 및 원시
재료

기계의 기계적 구성 요소는 빠르게 움직이는 부품을 지지할 수 있도록 단단하고 강해야 합니다. 스핀들은 일반적으로 가장 강한 부품이며 큰 베어링으로 ​​지지됩니다. 스핀들이 공작물을 고정하든 공구를 고정하든, 자동 클램핑 기능을 통해 프로그램 실행 중에 스핀들이 빠르게 클램핑 및 클램핑을 풀 수 있습니다.

금속 가공 기계에 사용되는 재료는 주철 또는 미하나이트였습니다. 오늘날 대부분의 기계는 비용을 줄이고 보다 복잡한 프레임 디자인을 제작할 수 있도록 열간 압연 강철 및 스테인리스강과 같은 단조 제품의 용접물을 자유롭게 사용합니다.

기계의 측면에는 다양한 도구의 매거진이 부착되어 있습니다. 도구 모음이라고도 하는 전송 암은 기계에서 도구를 제거하고 매거진에 넣고 매거진에서 다른 도구를 선택한 다음 프로그램의 지침에 따라 기계로 반환합니다. 이 절차에 필요한 일반적인 주기 시간은 2~8초입니다. 일부 기계는 대형 "하이브"에 최대 400개의 도구를 포함할 수 있으며, 각각은 프로그램이 실행될 때 순서대로 자동 로드됩니다.

기계의 침대 또는 작업대는 일반적으로 유연한 가드로 보호되는 경화 강철 "웨이"에서 지지됩니다.

철 주물 또는 Meehanite는 금속 가공 기계의 재료로 사용되었습니다. 오늘날 대부분의 기계는 열간 압연 강철 및 단조 용접물을 자유롭게 사용합니다. 기계의 기계적 구성요소는 빠르게 움직이는 부품을 지지할 수 있도록 단단하고 강해야 합니다. 스핀들은 일반적으로 가장 강한 부품이며 큰 베어링으로 ​​지지됩니다. 스핀들이 공작물을 고정하든 공구를 고정하든, 자동 클램핑 기능을 통해 프로그램 실행 중에 스핀들이 신속하게 클램핑 및 클램핑을 해제할 수 있습니다. 비용을 절감하고 보다 복잡한 프레임 디자인을 제작할 수 있도록 스테인리스 스틸과 같은 제품.

일부 기계는 셀로 설계되어 제조용으로 설계된 특정 부품 그룹이 있습니다. 셀 기계에는 각기 다른 부품, 대형 작업대 또는 작업대를 변경할 수 있는 기능을 모두 수행할 수 있는 충분한 도구를 운반할 수 있는 대형 도구 매거진, 다른 CNC 기계의 데이터 입력을 위한 컨트롤러의 특별 규정이 있습니다. 이를 통해 CNC 기계를 유사하게 장착된 다른 기계와 함께 유연한 머시닝 셀로 조립할 수 있으며 동시에 둘 이상의 부품을 생산할 수 있습니다. 20개 또는 30개의 기계를 포함하는 셀 그룹을 Flexible Machining System이라고 합니다. 이러한 시스템은 사람의 개입 없이 문자 그대로 수백 개의 서로 다른 부품을 동시에 생산할 수 있습니다. 일부는 "소등" 제조라고 하는 작업에서 감독 없이 밤낮으로 작동하도록 설계되었습니다.

제조
프로세스

최근까지 대부분의 머시닝 센터는 공작 기계 제조업체가 고객 사양에 맞게 제작했습니다. 이제 새로운 디자인이 대부분의 사용자에게 필요한 모든 작업을 수행할 수 있기 때문에 표준화된 툴링 디자인을 통해 재고 또는 추후 판매용으로 기계를 제작할 수 있습니다. 새로운 CNC 기계의 비용은 수직 센터의 경우 약 50,000달러에서 엔진 블록용 플렉시블 머시닝 시스템의 경우 500만 달러에 이릅니다. 실제 제작 과정은 다음과 같이 진행됩니다.

베이스 용접

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1 기계의 베이스는 함께 주조되거나 용접됩니다. 그런 다음 주조 또는 용접 응력을 제거하고 기계 가공을 위해 금속을 "정규화"하기 위해 열처리됩니다. 베이스는 대형 머시닝 센터에 고정되고 웨이의 장착 영역은 사양에 맞게 가공됩니다.

2 웨이는 평평하게 접지되고 볼트로 고정되어 베이스에 고정됩니다.

볼스크류 조이기

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3 베드 또는 스핀들을 움직이는 메커니즘을 볼스크류라고 합니다. 구동모터의 회전운동을 직선운동으로 바꾸는 것으로 나사축과 지지베어링으로 ​​구성되어 있습니다. 샤프트가 회전할 때 베어링 마운트는 샤프트의 나선형 홈을 따라 이동하며 스핀들 아래의 작업대나 스핀들 캐리어 자체를 움직이는 매우 정확한 선형 운동을 생성합니다. 이 볼스크류는 작업대 또는 스핀들 캐리어에 볼트로 고정된 베어링 마운트와 함께 베이스에 볼트로 고정됩니다.

스핀들 장착

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4 스핀들은 가공 및 연삭되어 드라이브 모터에 장착된 다음 이동식 스핀들 캐리어에 볼트로 고정됩니다. 각 모션 축에는 대부분의 머시닝 센터에서 별도의 볼스크류와 일련의 방식이 있습니다.

컨트롤러

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5 컴퓨터 또는 컨트롤러는 기계의 나머지 부분과 분리된 전자 어셈블리입니다. 프레임 측면이나 운전자 콘솔에 온도 조절이 가능한 인클로저가 장착되어 있습니다. 여기에는 기계를 작동하기 위한 모든 작동 메모리, 컴퓨터 보드, 전원 공급 장치 및 기타 전자 회로가 포함됩니다. 다양한 배선은 컨트롤러를 기계 모터 및 위치 슬라이드에 연결합니다. 그만큼 슬라이드는 축 위치 정보를 컨트롤러에 지속적으로 전송하므로 스핀들과 관련된 작업대의 정확한 위치 항상 알려져 있습니다. 컨트롤러 전면에는 프로그램 정보, 위치, 속도 및 피드, 작업자가 기계의 성능을 모니터링하는 데 필요한 기타 데이터를 표시하는 비디오 화면이 있습니다. 또한 전면 패널에는 데이터 입력 키, 데이터 연결 포트 및 시작-정지 스위치가 있습니다.

6 조립된 기계는 정확도를 위해 테스트 실행됩니다. 각 기계에는 컴퓨터 운영 체제에서 수학적으로 수정된 약간의 물리적 차이가 있습니다. 이러한 보정값은 별도의 메모리에 저장되며 기기는 이를 지속적으로 확인합니다. 머시닝 센터를 사용하면서 마모되면 이러한 매개변수를 재보정하여 정확성을 보장할 수 있습니다. 테스트 후 완성된 기계는 도색되어 선적 준비가 완료됩니다.

품질 관리

머시닝 센터의 품질은 설계부터 납품 및 설정에 이르기까지 기본적으로 포함되어야 합니다. 작업자에 대한 주의 깊은 지시는 충돌, 즉 작업과 공구의 의도하지 않은 충돌을 방지하는 데에도 중요합니다. 충돌은 도구 손상 또는 기계 고장을 초래할 수 있습니다. 많은 컨트롤러에는 임박한 충돌을 감지하고 기계를 비상 정지시키는 하위 프로그램이 있습니다. 모든 CNC는 충격을 피하기 위해 특수 처리된 상태로 배송되며 공장 교육을 받은 기술자가 신중하게 설정합니다. 나중에 참조할 수 있도록 원래 보정 계수가 기록됩니다. 완전한 프로그래밍, 작동 및 유지보수 매뉴얼이 제공됩니다.

미래

CNC 기계의 미래가 폭발하고 있습니다. 개발 중인 한 가지 아이디어는 6개의 신축 볼스크류 스트럿으로 스핀들이 매달린 거미 같은 기계입니다. 스트럿은 기존 기계의 방식과 비슷하지만 볼스크류 어셈블리가 중앙에 있는 원형입니다. 스핀들의 움직임은 적절한 부품 윤곽을 보장하기 위해 수백만 번의 계산을 수행하는 정교한 컴퓨터에 의해 제어됩니다. 높은 수준의 독점 수학을 개발하고 사용하는 데 수백만 달러가 드는 이 기계는 금속 가공에서 이전에는 들어보지 못한 작업을 수행할 것을 약속합니다. 컴퓨터와 인공 지능의 발전으로 미래의 CNC 기계는 더 빠르고 쉽게 작동할 수 있습니다. 이것은 싸게 나오지 않을 것이며 정교한 CNC 기계의 가격은 많은 회사의 손이 닿지 않는 범위에 있을 것입니다. 그러나 원래의 3축 이동을 수행하는 기본 CNC 기계의 가격을 낮출 것입니다.