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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 />

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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 />

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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 />

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•Universal parts<br />

From Secrets of 5-Axis Machining by Karlo Apro<br />

Table/table machines<br />

•Universal parts (not so big)


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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 />

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Workpiece<br />

Tool Centre Point Programming<br />

X


© 박정환, 영남대학교


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© 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 />

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© 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 />

© 박정환, 영남대학교


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 />

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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


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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 />


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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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 />

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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 />

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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 />

© 박정환, 영남대학교<br />

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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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 />

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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 />

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