5축 가공기
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2012. 8. 29<br />
박정환<br />
영남대학교 기계공학부
<strong>5축</strong> 가공 개요<br />
<strong>5축</strong> <strong>가공기</strong><br />
<strong>5축</strong> 가공 tool path 생성<br />
적용 사례<br />
◦ 자동차 사출금형 가공<br />
◦ 선박용 프로펠러 가공<br />
◦ 프로펠러 그라인딩 로봇 OLP 시스템<br />
전망 및 토의<br />
© 박정환, 영남대학교
© 박정환, 영남대학교
© 박정환, 영남대학교<br />
3축, attachment 가공<br />
Positional 5-axis<br />
(고정형 <strong>5축</strong>, 3+2축, indexing work)<br />
Simultaneous 5-axis<br />
(동시 <strong>5축</strong>, continuous 5-axis)
© 박정환, 영남대학교
Reduced set-up work<br />
◦ Eliminating extra fixturing & time<br />
Accuracy<br />
◦ fewer clamping & unclamping<br />
Better surface finishes<br />
◦ Shorter tools less tool deflection, vibration<br />
◦ Cutting condition (ball nose end mill)<br />
Machining complex parts<br />
◦ Undercut machining<br />
Time savings in hole drilling<br />
◦ 3+2 axis machining<br />
© 박정환, 영남대학교
Ideal for machining deep cores and cavities<br />
High Speed Machining (all linear axis)<br />
Locked rotary axis mode rigid, accurate<br />
Simultaneous multiaxis work is inevitably less accurate than indexing work because the<br />
machine must be run in a loose mode with the rotary drives unlocked. (Apro 2009)<br />
© 박정환, 영남대학교
© 박정환, 영남대학교<br />
From Secrets of 5-Axis Machining by Karlo Apro
© 박정환, 영남대학교
© 박정환, 영남대학교
3 linear axes + 2 rotary axes<br />
•Table/Table type<br />
•Head/Table type<br />
•Head/Head type<br />
© 박정환, 영남대학교<br />
Dedicated machine<br />
Robots (6- or more axis)
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Tool with<br />
orientation<br />
Tool and workpiece<br />
with orientation<br />
Workpiece with<br />
orientation
Head/head machines<br />
(with long X- or Y-axis linear travel,<br />
but limited rotary axis travel)<br />
•Airplane wings and fuselage panels<br />
•Long extrusions<br />
© 박정환, 영남대학교<br />
From Secrets of 5-Axis Machining by Karlo Apro<br />
Head/table machines<br />
(with long X-axis travel)<br />
•Long rotary parts
Tilting head/Rotary table machines<br />
© 박정환, 영남대학교<br />
•Universal parts<br />
From Secrets of 5-Axis Machining by Karlo Apro<br />
Table/table machines<br />
•Universal parts (not so big)
© 박정환, 영남대학교<br />
Gantry type head/head machines 4-axis machines<br />
•Large parts<br />
(aerospace, mold & dies, etc)<br />
6- or more-axis machines<br />
From Secrets of 5-Axis Machining by Karlo Apro<br />
•Multi-faced indexing,<br />
rotational parts
RTCP (rotary tool control/center point)<br />
Optimum work envelope<br />
Feedrate for tool-tip points<br />
Post-processor<br />
Tool tip<br />
© 박정환, 영남대학교<br />
Workpiece<br />
Tool Centre Point Programming<br />
X
© 박정환, 영남대학교
© 박정환, 영남대학교
© 박정환, 영남대학교<br />
A = 0,30,60,90<br />
B = 0<br />
A = 0,30,60,90<br />
B = -90<br />
A = 0,30,60,90<br />
B = -30<br />
A = 30<br />
B = 0,-30,-60,-90<br />
A = 0,30,60,90<br />
B = -60
0<br />
L/G<br />
© 박정환, 영남대학교<br />
L/G<br />
L<br />
G<br />
F<br />
L/C<br />
L<br />
L/G/C<br />
a<br />
L: limit-over<br />
G: gouging<br />
C: collision<br />
F: feasible<br />
b<br />
180<br />
-30 0 30<br />
-180<br />
Feasible CL<br />
region<br />
Optimal (a,b)<br />
a<br />
Infeasible CL<br />
region
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a CC<br />
a) Sturz-cut (a = sturz angle)<br />
a) Skive-cut b) Ruled-milling<br />
Figure 3.11 Sidemill UMOs<br />
b<br />
CC<br />
b) Plunge-cut (b = plunge angle)<br />
From Choi 1999
Active coordinate system (3+2 indexing work)<br />
Cut pattern control<br />
Tool axis control<br />
Tool tip control<br />
Gouge & collision avoidance<br />
Stock recognition roughing strategies<br />
Machine simulation<br />
Post processor<br />
© 박정환, 영남대학교
© 박정환, 영남대학교<br />
From Secrets of 5-Axis Machining by Karlo Apro
© 박정환, 영남대학교<br />
From Secrets of 5-Axis Machining by Karlo Apro
© 박정환, 영남대학교<br />
From Secrets of 5-Axis Machining by Karlo Apro
Tool path plotting<br />
Cutting simulation<br />
Full machine simulation<br />
◦ Virtual machine building & G-code simulation<br />
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From Secrets of 5-Axis Machining by Karlo Apro
Surface representation<br />
Machine strip estimation<br />
Optimal tool orientation and gouge avoidance<br />
Kinematic error<br />
Tool path topology (cut pattern)<br />
Optimal workpiece setup<br />
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CNC Milling, Drilling<br />
Laser cutting<br />
Water-jet machining<br />
Wire-EDM<br />
© 박정환, 영남대학교
© 박정환, 영남대학교
© 박정환, 영남대학교<br />
금형의 대형화 추세<br />
(기존 설비 spec 초과)<br />
제품의 급경사화 추세<br />
(3축 고속가공 어려움)<br />
자동차 개발 기간 단축<br />
(금형 납기단축 요구)<br />
유럽의 금형기술 도입<br />
(<strong>5축</strong> <strong>가공기</strong>술의 보편화)<br />
금형 설계 자유도 향상<br />
(금형 품질 개선)<br />
대형<br />
<strong>5축</strong> <strong>가공기</strong>
설비 크기<br />
가공 공작물 최대 크기<br />
측면 가공을 위한 설비 HEAD의 동작 구간 고려<br />
설비 형태 및 사양<br />
<strong>5축</strong> 적용 대상 및 적용 범위, 공작물의 크기 및 중량 고려<br />
공작물과의 간섭 가능성<br />
CAM SW 선택<br />
Tool path 생성 신뢰성 및 연산 속도<br />
3축 tool path의 <strong>5축</strong> 변환 기능 (쉬운 <strong>5축</strong> 적용)<br />
Post Processor 능력 및 기술 지원 능력<br />
검증 SW 선택<br />
S/W의 신뢰성 및 기술 지원 능력, 쉬운 사용자 인터페이스<br />
공구 holder 선택<br />
홀더의 길이 및 형태, 다양한 규격의 holder 및 sleeve<br />
ATC 사용 환경을 고려한 홀더 수량 검토<br />
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구분 unit DINO-1 DINO-2<br />
MAKER FPT(ITALY)<br />
TABLE SIZE(X*Y) mm 3000*1200<br />
STROKE(X*Y*Z) mm 2800*2200*1000<br />
Speed m/min 35<br />
Spindle RPM rpm<br />
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10,000(3축)<br />
18,000(<strong>5축</strong>)<br />
18,000(<strong>5축</strong>)<br />
34,000(<strong>5축</strong>)<br />
B/C축 LIMIT Deg. B축 : ±185 C축 : -93~+273<br />
Load TON 10<br />
HOLDER TYPE HSK-A63<br />
HSK-A63<br />
HSK-E40<br />
ATC EA 60 30-30<br />
CONTROLLER HEIDENHAIN iTNC530<br />
3D measuring<br />
(M&H TOUCH PROBE)<br />
AHC<br />
(AUTO HEAD CHANGE)<br />
자동 교환<br />
OMM<br />
(On Machine Measurement)<br />
Verification
1 H/L LENS<br />
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- UPPER C/P<br />
3 H/L LENS<br />
– OPTIC M/C<br />
2 H/L & R/C BEZEL<br />
- UNDER C/P<br />
4 R/C T/STOP LENS<br />
– UPPER C/P
Die design Part modeling Tool-path generation Work instructions<br />
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Machining<br />
SOS<br />
PowerMill<br />
MCV<br />
Verification<br />
E-Worksheet<br />
Workpiece<br />
Set-up<br />
Tool-paths<br />
Tooling<br />
MC’ng Cond.<br />
Post processing
황중삭: 7 공정 (49:21)<br />
◦ 7, 0, 0<br />
중정삭: 22 공정 (23:43)<br />
◦ 12, 9, 1<br />
정잔삭: 19 공정 (9:58)<br />
◦ 2, 11, 6<br />
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Tool length optimization<br />
◦ Continuous & positional 5-axis processes<br />
◦ Interference avoidance & improved machining<br />
condition<br />
Tool orientation optimization<br />
◦ Positional 5-axis processes<br />
◦ Interference avoidance & improved machining<br />
condition<br />
Machine simulation<br />
◦ Interference check, machine animation<br />
© 박정환, 영남대학교
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공구 길이 증가<br />
Tool length optimization<br />
Tool orientation verification & optimization<br />
Machine simulation<br />
37
Facet<br />
Input Model<br />
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CAD model<br />
Z-map<br />
Hybrid model<br />
Z-map Model<br />
Hybrid Model
NC-view<br />
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Machine<br />
simulation<br />
(Autotooling)<br />
SOS<br />
(Setup & Operating<br />
Supporter)<br />
System<br />
Easy<br />
editor<br />
NC<br />
Convertor
Design<br />
Accuracy<br />
Quality<br />
Delivery<br />
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•Flexible design & structure<br />
•1 Set-up<br />
•Tool-length<br />
•Deep cavity, corner cut<br />
•Machining time<br />
•Reduced EDM process<br />
30 % of productivity increase
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개발 기간<br />
◦ 1990.9~1991.2<br />
◦ 2001.1~2002.12<br />
개발 배경<br />
◦ 일본 K사에서 개발한 CAM 소프트웨어 사용으로 매년 프로펠<br />
러 매출액의 일정액을 로열티로 지출.<br />
◦ ‘90 당시 연간 150~200여대 생산, 매출액은 천억원에 달했음.<br />
◦ 로열티 지출 중지, 자체 소프트웨어 기술력 확보 등의 이유로<br />
개발<br />
결과<br />
◦ 로열티 지출 없음.<br />
◦ 자체 기술력 확보.<br />
◦ 1차 개발 후, 2001년 보완을 거쳐 2008년 현재까지 사용하고<br />
있음.<br />
© 박정환, 영남대학교
© 박정환, 영남대학교
© 박정환, 영남대학교
© 박정환, 영남대학교<br />
공구: face mill, side mill
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①Edge-F face<br />
(익탕도 가공)<br />
⑦,<br />
⑧<br />
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⑦,<br />
⑧<br />
FACE<br />
Pressure<br />
side<br />
②Edge-S face<br />
①,⑤,<br />
⑥<br />
③,<br />
④<br />
②<br />
③익면가공<br />
face<br />
⑤Anti-singing<br />
Below<br />
⑦Above Below<br />
(Back)<br />
④Middle Path<br />
(Face)<br />
⑥Edge gauge<br />
⑧Below 작업방<br />
법
Machine Spec.<br />
•MBP-110<br />
•MBP-95<br />
Snout Spec.<br />
•L, S, V<br />
•Below<br />
•Alpha<br />
Cutter Spec.<br />
•Face mill<br />
•Side mill<br />
•Round mill<br />
•Extension<br />
Propeller Spec.<br />
•CW/CCW<br />
•Blade #<br />
•r/R range<br />
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NC code List file<br />
CC-data<br />
Surface F, Fi, B, Bi<br />
Edge: Sr, S, F, T, AS<br />
Boss/Fillet<br />
Kinematics Interference check<br />
•Fwd Kinematics<br />
•Inverse Kinematics<br />
•Below machining<br />
Post-Processing<br />
•Tool-path linking<br />
•Tool Approach<br />
•Tool Retreat<br />
•NC formatting<br />
•Feed control<br />
•2Head, 1Head<br />
•Stoke-over<br />
•Gouge<br />
•Mtr/Head collision<br />
•RAM collision<br />
•Bwd C move (2 H)<br />
Solution Search<br />
•Optimal Heel/Rot<br />
Joint smoothing<br />
•Machinability chk<br />
•CC-interpolation<br />
Surface model Edge model<br />
NURBS surface for<br />
face & back<br />
Workpiece modeling<br />
•For gouge check<br />
•For collision check<br />
Fine Z-Map<br />
Rough Z-Map<br />
Tri. Facet<br />
Sf/Edge quality check<br />
•Curvature values<br />
•Boundary eval.<br />
Report<br />
FACE: Edge-Sr, Edge-S, Edge-F, 2Head, Below(B), Anti-S (F/B), Boss/Fillet<br />
BACK: Edge-S, Edge-Tip, 2Head, Below(F), Edge-C, Boss/Fillet<br />
TE & LE sf (NURBS)<br />
Edge curve (NURBS)
M/C Library<br />
Part.STL<br />
Part.STL<br />
Axis Stroke<br />
Axis Stroke<br />
Kinematics<br />
Kinematics<br />
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M/C Inform<br />
Machine # = 095/110<br />
Snout type = L/S/V<br />
Snout angle<br />
Cutter = F/S/U<br />
Chucking = N/B<br />
Extension = 0 or 50<br />
Machine model<br />
Construction<br />
Prop Model<br />
Hb-k.nbs/Hf2-k.nbs<br />
Hf-k.nbs/Hb2-k.nbs<br />
Blade #(type) = +-4 ~ 6<br />
Propeller model<br />
Construction<br />
Structure Kinematics ZMAP ZMAP<br />
Animation Stroke chk Cutting Collision<br />
Sectioning<br />
ZM API<br />
Rendering<br />
G. Check<br />
ZMAP<br />
Log<br />
OpenGL<br />
Animation<br />
Ref<br />
NC file<br />
Pre-Processor<br />
Pass List<br />
(Std P, Cut PTs, Etc)<br />
Axis Sum Chk<br />
VERIFY ENGINE<br />
Z-Master
© 박정환, 영남대학교
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© 박정환, 영남대학교
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Sensing surface<br />
Grinding Cutter<br />
Laser Displacement Sensor
사무실 PC<br />
"프로펠라 모델러"<br />
HX165S<br />
Robot<br />
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1<br />
HYUNDAI<br />
LAN or FDD<br />
프로펠라 모델<br />
위치보정용<br />
로봇 프로그램<br />
2<br />
로봇 제어기<br />
위치보정<br />
데이타<br />
제어용 PC<br />
"로봇운영 시스템"<br />
위치보정 프로그램<br />
생성 소프트웨어<br />
4<br />
3<br />
센싱용<br />
로봇 프로그램<br />
아날로그<br />
입력<br />
계측 프로그램<br />
생성 소프트웨어<br />
5<br />
계측된 데이타<br />
(POSE.G00)<br />
Tool<br />
가공 프로그램<br />
생성 소프트웨어<br />
6<br />
OLP system<br />
가공용<br />
로봇 프로그램<br />
레이저 변위<br />
Sensor
Calibration<br />
(CAD vs. Work-piece)<br />
NURBS model<br />
© 박정환, 영남대학교
© 박정환, 영남대학교<br />
Message box<br />
Robot Program<br />
Abs. joint values (inc. values)
160 mm<br />
x<br />
T<br />
y<br />
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z<br />
z6<br />
ThDist = 215 mm x6<br />
Y = 214.5 mm<br />
X = 464 mm<br />
Sensor<br />
TCP<br />
y6<br />
x<br />
Tool<br />
TCP<br />
y<br />
z6<br />
ThDist = 215 mm<br />
x6<br />
Y = 276 mm<br />
X = 387mm<br />
z<br />
y6
충돌 (collision)<br />
공구간섭 (gouge)<br />
축 값 벗어남 (stroke-over)<br />
사용자 설정값 벗어남:<br />
◦ 로봇 Arm 간섭각, Dead-zone B축값<br />
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T<br />
CC<br />
path<br />
© 박정환, 영남대학교<br />
CC data (C,N) (a,b) Tool frame (CL data)<br />
N<br />
c<br />
p<br />
n<br />
Cutter bottom<br />
TC<br />
P p<br />
F<br />
o<br />
a<br />
F=NxT<br />
C, N: CC point<br />
T: tangent vector<br />
p: tangent plane<br />
Tf = [n o a p]<br />
Heel (a) : rotate Tf around F<br />
Rotate (b) : rotate Tf around o<br />
T<br />
CC<br />
path<br />
(a) Cutting (b) Sensing<br />
N<br />
p<br />
c<br />
o<br />
a<br />
F<br />
n
T<br />
N<br />
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c<br />
p<br />
x<br />
Cutter bottom<br />
TC<br />
P p<br />
최적 센서 자세: heel angle = 0<br />
최적 공구 자세: min. heel angle<br />
F<br />
y<br />
z<br />
Rotate angle (b)<br />
180<br />
-30 0 30<br />
-180<br />
Feasible CL<br />
region<br />
Optimal (a,b)<br />
Heel angle (a)<br />
Infeasible CL<br />
region<br />
-collision,<br />
-stroke-over,<br />
-gouge
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Area 1<br />
Area 2<br />
Area 3<br />
Process DB<br />
-Area division<br />
-Path plans<br />
Propeller<br />
NURBS<br />
Meas. Point (C,N)<br />
Feasible Sensor TCP for<br />
- 1 point<br />
- 1 path (CL smoothing)<br />
Robot PG Generation<br />
Log<br />
Process Planning<br />
Path Planning<br />
-Path direction<br />
CC Path Generation<br />
CC paths<br />
CL Pos Generation<br />
CL points<br />
Post-Processing<br />
Robot PG<br />
Robot/Tool model<br />
Loading<br />
Facet<br />
Kin<br />
Inverse Kin<br />
Forward Kin<br />
Collision Chk<br />
Stroke chk<br />
Cutter<br />
Motion Interp.<br />
Measuring Measured Points<br />
NURBS<br />
Propeller model<br />
Construction<br />
Facet<br />
Z-Map<br />
Gouge Chk<br />
(machining)<br />
CL Computer CL Optimizer<br />
Path Linking
Robot/Tool model<br />
Loading<br />
Facet<br />
Kin<br />
Inverse Kin<br />
Forward Kin<br />
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Collision Chk<br />
Stroke chk<br />
Cutter<br />
Motion Interp.<br />
I/F check model<br />
Construction<br />
Z-Map<br />
Gouge Chk<br />
CL Computer CL Optimizer<br />
Path Linking<br />
Iso CC Cv Gen<br />
CC pos Mod<br />
Fairing Grid<br />
Propeller<br />
NURBS<br />
Propeller<br />
Model<br />
M. Surface<br />
(Tri. Facet)<br />
Depth of<br />
Cut<br />
Log<br />
Visualization<br />
Path Planning<br />
-Path direction<br />
-Depth of cut<br />
CC Path Generation<br />
CC paths<br />
CL Pos Generation<br />
CL points<br />
Post-Processing<br />
Robot PG<br />
Comparing<br />
MI Data<br />
Loading<br />
Area 1<br />
Area 2<br />
Area 3<br />
Process DB<br />
-Area division<br />
-Path plans<br />
Cutter Contact Point (C,N)<br />
Feasible Cutter TCP for<br />
- 1 point<br />
- 1 path (CL smoothing)<br />
Robot PG Generation<br />
Sensing<br />
data
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CAD model
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2,681 points<br />
(15 min)
Triangular facet<br />
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© 박정환, 영남대학교
© 박정환, 영남대학교
Hardware<br />
◦ Speed (rotary axis), Accuracy & Rigidity<br />
◦ New kinematic structure<br />
Software<br />
◦ Optimization<br />
◦ Intelligent & integrated CAPP system<br />
Design & manufacturing process<br />
◦ DFM (ex: mold design)<br />
◦ One set-up complete machining: roughing to clean-up<br />
on the machine<br />
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Why not 5-axis?<br />
◦ Expensive machine tools, software ?<br />
◦ Hard to use ?<br />
◦ Can’t or Don’t ?<br />
Quotation<br />
◦ …… As time passes, 5-axis machine technology will<br />
completely alter the landscape of manufacturing as 3axis<br />
machines move to the history books.<br />
Risk meets reward with 5-axis machining, by Glynn Fletcher,<br />
President of GF AgieCharmilles, American Machinist, 2008.2<br />
© 박정환, 영남대학교
Apro 2009<br />
◦ Secrets of 5-axis machining, Karlo Apro, IP, 2009.<br />
Choi 1999<br />
◦ Sculptured surface machining, B. K. Choi, Kluwer, 1998<br />
Makhanov 2007<br />
◦ Advanced numerical methods to optimize cutting<br />
operations of five axis milling machines, S. Makhanov,<br />
Springer, 2007<br />
American Machinist<br />
Modern Machine Shop (MMS) online<br />
Journal papers<br />
© 박정환, 영남대학교
© 박정환, 영남대학교
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