머시닝 센타
1. 개 요
머시닝 센터는 1회의 고정으로 여러 종류의 공작기계가 처리해야 할 가공의 전체부분을 여러 종류의 공구를 자동으로 교환해 가면서 순차적으로 효율적인 가공을 한다. 따라서 수치 제어 공작 명령 정보에 의해 자동으로 운전됨에 따라, 공구의 자동 교환, 일감의 자동교화, 칩의 처리 등에 대한 자동화 장치를 필요로 한다.
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[수직형 머시닝센타]
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[수평형 머시닝센타]
2. 머시닝 센터의 특징
(1) 일감 및 공구의 탈착시간 절감으로 생산성이 향상된다.
(2) 가공조건의 변환이 신속하여 융통성이 높은 자동화가 가능하다.
(3) 가공정도의 균일화 및 품질향상으로 가공물의 호환성이 증가된다.
(4) 복잡한 형상 및 공정의 가공에 유리하고 높은 숙련도를 요구하지 않는다.
(5) 가공 공정 및 소요시간의 관리가 용이하다.
3. 구조 및 기능
(1) 컬럼 및 베드
기계의 형상을 이루는 안내면으로써, 기계의 강성을 좌우하는 중요한 요소이다.
일반적으로 상자형의 주물로 되어 있으며, 최근에는 강판용접 구조물도 많이 이용된다.
(2) 테이블 및 분할기구
1) 분할기능 : 테이블 회전기구는 웜과 웜홀에 의한 회전장치가 많이 사용되며 유압모터, 전동기 등이 구동원으로 사용된다. 분할각도 5° 분할이 표준이며, 프로그램에 의해 지령된다.
2) 위치 결정 기능 : 회전후의 위치를 결정하는 기능으로써, 분할정도의 향상을 위해 여러 가지 커플링이 사용된다.
(3) 스핀들 헤드
1) 변속 기구 : 2단 또는 3단 기어 변속 기구를 갖는 것으로 유압, 고압 실린더에 의해 시프터(Shifter)를 구동하여 기어를 슬라이드 시키는 방법이 일반적이다. 최근에는 고속화, 경절삭화에 경향에 의해 변속기구가 없는 모터 직결형이 점차 많아지고 있다.
2) 수축 전동기 : 최적 절삭조건을 위해 DC 모터에 의한 무단변속이 일반적이나, 브리쉬 교환등의 문제로 인해 최근에는 무단변속 AC 모터를 사용하고 있다.
(4) 이송 구동 기구
DC 서보모터와 볼스크류에 의한 구동이 일반적이며, 강력한 서보모터의 개발에 의해 볼스크류와의 직결구동도 일반화 되고 있다.
4. 부속 장치
(1) 자동 공구 교환 장치(Automatic Tool Changer, ATC)
1) 터릿형
① 여러 개의 공구를 공구대에 직접 설치하고 공구대를 회전 시킨 후 직선적으로 이동하여 필요한 공구를 작업 위치로 이동시키는 방법이다.
② 공구 교환시간이 짧으나 공구의 저장 갯수가 제한적이며, 공구끼리의 간접 배제를 위해 공구간 간격이 충분해야 한다.
③ 주로 CNC선반, CNC드릴링 머신에서 이용된다.
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[터릿형]
2) 저장형
① 주축으로부터 떨어진 위치에 여러 개의 공구를 저장하는 공구 보관 메거진을 두고, 공구를 교환 위치까지 이동시켜 회전 암에 의해 주축에 있는 공구와 교환하는 방식이다.
② 머니닝 센터와 같이 다양한 종류의 부품 가공을 하는 CNC 공작기계에 많이 이용된다.
③ 소형 수직 머니닝 센터에서는 ATC암을 갖지 않고 주축에 장착된 공구를 매거진의 빈 포켓에 되돌리면서, 필요한 공구를 매거진이 회전하면서 선택하는 것도 있다.
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[저장형]
(2) 자동일감 교환장치(Automatic Pallet Changer, APC)
1대의 공작기계로 한종류 또는 여러 종류의 일감을 대량으로 가공할 때, 일감이 교체될 때 마다 일감과 공구의 고정 및 위치 결정에 소요되는 시간이 많이 걸리게 되어, 일감을 고정시킨 고정지그 전체를 운반해 공작기계에 부착하고 제거하는 것이 자동 일감 교환 장치이다. 팰릿의 교환을 테이블을 파트1과2로 구분하여, 파트1 위에 있는 가공물을 가공하고 있는 사이에 파트 2의 테이블 위에 다음 가공물을 장착할 수 있다.
(3) 칩 처리 장치
CNC 공작기계는 장시간 연속적으로 운전하게 되어 가공중 칩처리가 제대로 안될 경우에는 가공물과 일감이 손상되고 가공정도가 저하되는 등 많은 문제점이 있다. 따라서 단위 기계의 칩배출을 위해 필요한 장차를 사용하고, 칩 컨베이어나 칩 이송튜브 등을 사용하여 여러 기계에서 발생된 칩을 한 곳으로 모으는 대책이 요구된다.
(4) 성력화 무인화를 위한 기능
1) 열변위 등에 의한 가공정도 영향 방지 및 보정
① 주축 냉각 장치
② 작동유, 윤활유 냉각장치
③ 자동계측, 열변위 보정
2) 절삭 상황 감지
① 가공이상 감지
② 공구마모 및 파손 감지
③ 가공시간, 공구수명 감지
3) 절삭능률 향상
① 적응제어(가공정밀도 보증, 절삭조건의 최적화)
② 비절삭시간 단축
③ 자동 고장진단 기능
5.공구 길이 보정 방법
(1) 주축 끝에서 공구 끝까지의 길이를 보정량으로 하는 방법
(2) 기준 공구와 다른 공구와의 길이 차이값을 보정량으로 하는 방법
(3) 공구 절삭날 끝에서부터 공작물 좌표계의 z 축 원점까지의 거리를 보정량으로 하는 방법
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머시닝센터 |
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범용 밀링기계에 CNC 장치(controller)가 장착된 기계를 CNC 밀링이라 하고 CNC 밀링기계에 자동 공구 교환장치(ATC : automatic tool changer)를 부착하여 여러 공정의 연속적인 작업을 자동으로 공구를 교환하면서 공작물을 가공하는 공작기계를 머시닝센터(machining center)라 한다. 최근에 확대되고 있는 무인화 공장(FMS)의 기초 장비로서 자동화는 물론 성력화의 필수 장비로 많이 사용되고 있다. 또한 기계의 정밀도를 높이기 위하여 특수한 구조의 베드면과 볼스크류(ball screw)를 이용하여 정밀한 위치결정을 할 수 있고 4축, 5축의 부가축을 설치하여 원통캠, 비행기의 프로펠라 및 타이어 금형과 같은 복잡한 형상의 공작물도 쉽게 가공할 수 있다.
* 수직형 머시닝센터와 수평형 머시닝센터 머시닝센터는 여러 종류가 있지만 일반적으로 주축의 방향에 따라 수직형 머시닝센터(vertical machining center)와 수평형 머시닝센터(horizontal machining center)로 크게 구분한다. 수직형 머시닝센터는 주축(공구 방향)이 수직 방향으로 이동하면서 공작물의 상면을 가공하는 기계로 널리 사용되고, 수평형 머시닝센터는 박스형(기어박스 등)과 같은 공작물을 회전 테이블 위에 고정하여 동시 4면을 한번의 세팅으로 가공할 수 있는 머시닝센터의 대표적인 기계이다. |
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수직형 머시닝센터 |
자동 파렛트 교환장치(APC)
기계의 효율을 높이기 위하여 로봇(robot)을 이용하여 공작물을 자동으로 교환하는 방법과는 달리 테이블을 자동으로 교환하는 장치를 자동 파렛트 교환장치(APC : automatic pallet changer)라 한다. 비절삭 시간을 단축하기 위하여 가공된 공작물의 테이블과 소재를 고정시킨 테이블을 교환시켜 기계 가동률을 향상시키기 위한 머시닝센터의 부가장치로서 2파렛트와 여러 개의 파렛트 등 다양한 종류의 APC 장치들이 개발되어 있다.
인덱스 테이블과 로터리 테이블
㉠ 인덱스 테이블(index table)
머시닝센터의 부가축으로 공작물을 각도만 분할시키는 보조 테이블이다. 원통의 공작물에 구멍을 뚫을 경우 부가축이 회전하여 구멍을 가공하는 형태의 기능을 수행하는 장치이다. 수평형 머시닝센터의 경우 각도분할을 하는 회전 테이블과 같은 부가축을 인덱스 테이블이라 한다.
㉡ 로터리 테이블(rotary table)
인덱스 테이블과 마찬가지로 부가축 이지만 각도 분할 뿐 아니라 회전할 때 이송속도를 지령하여 동시에 절삭가공을 할 수 있다. 원통캠 가공이나 특수 한 형상의 공작물을 편리하게 가공하는 것으로 1축 로터리 테이블과 2축 로터리 틸팅 테이블(tilting table) 등이 있다.
머시닝 센터의 툴링
자동공구교환장치(ATC)에서 사용하는 공구홀더(tool holder)의 형상은 그림 3-8과 같이 공작기계현회의 MAS규격으로 되어 있으며 공구홀더에 풀 스테드(pull stud) 나사를 조여서 고정하고 있다.
풀스테드와 공구홀더의 테이퍼부가 주축의 테이퍼 구멍에 밀착되는 위치로 가게하여 고정시틴다.
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.1.1 머시닝 센터 ( MCT : Machining Center ) 일반
MCT는 기본적으로 밀링 장비를 자동화한 개념의 장비라고 할 수 있다.
마찬가지로 밀링 장비를 자동화한 개념의 장비인 NC 밀링과는 자동 공구 교환 장치(ATC : Automatic Tool Changer)가 있고 없음으로 구분한다.
즉, 밀링 장비에 NC 장치가 부가되면 NC 밀링이 되고, 다시 NC 밀링에 ATC 장치가 부가되면 MCT가 된다고 할 수 있다.
MCT는 주축 방향에 따라 수직형과 수평형으로 구분된다.
일반적으로 대형 장비일 경우 수직형이 사용된다.
예) 대표적 대형 수직형 장비 : Gantry Type Profiler , Plano-Miller type MCT
수평형일 경우 보통 테이블 회전축(B축)이 부가된다.
1) 베드와 테이블의 구분
일반적으로 바닥에 고정되어 움직이지 않는 경우 베드(Bed), 움직이는 경우 테이블(Table)이라고 한다.
이외에, 기계 가동 중에 공작물 설치를 할 수 있도록 하기 위해 교환이 가능한 2개 이상의 테이블을 가지고 있는 장비에서는 테이블을 팔레트(Pallet)이라는 용어로 호칭한다.
예) 테이블 : 플라노 밀러(Plano-Miller) 타입 장비에 적용되는 움직이는 테이블
베드 : 갠트리(Gantry) 타입 장비에 적용되는 바닥에 고정된 베드
팔레트 : 자동 팔레트 교환 장치 (APC : Automatic Pallet Changer) 부착 MCT에 적용되는 테이블
이후는, 공통으로 적용되는 경우에는 테이블이라는 명칭을 사용하기로 한다.
3.1.2 MCT 규격 표시
일반적으로 제어축과 각 제어축 행정(Stroke) 및 최소 지령 단위(Resolution), 테이블 또는 베드 크기, 주축 테이퍼와 모터 출력 등으로 표시하며, 아래의 항목들이 주로 사용된다.
1) 제어축과 각 제어축 행정 (Stroke) 및 최소 지령 단위 (Resolution)
직선축과 회전축으로 구분해 표시하며, 가공할 수 있는 공작물의 형상과 크기를 결정하는 중요 항목이다.
수평형 장비의 경우, "B축" 최소 지령 단위는 0.001°, 1°, 5° 등 여러 가지 형태가 있으며, 가공할 제품의 형상에 따라 선택해야 된다.
2) 테이블 또는 베드 크기
상면에는 공작물이나 치구(MLFX : Milling Fixture) 설치를 위한 T- 슬롯이나 일정 간격의 탭 구멍(Hole Pattern)이 가공되어 있으며, 크기와 함께 이 규격도 치구의 형상을 결정하기 위해 검토해야할 중요한 항목이다.
치구 공용화를 위해서는 보유 장비들의 규격을 통일하는 것이 유리하다.
T- 슬롯의 경우는 좀 어렵지만, 기존 장비 테이블에 홀 패턴을 추가로 가공하는 것은 현장에서 쉽게 할 수 있으므로, 이 방법도 경우에 따라 검토해 볼 필요가 있다.
홀 패턴으로 할 경우, 보통 고정을 위한 탭 구멍과 위치 결정을 위한 정밀 공차 부쉬 구멍( Align Hole)이 교대로 있는 형태로 가공한다.
3) 주축 테이퍼
주축 테이퍼는 사용하는 공구 홀더 규격을 결정하는 중요한 항목이다.
앞에서도 설명했지만, 국내에서 제작되는 MCT는 대부분 일본 공작기계 공업회(MSA)의 BT (Bottle Grip National Taper) 규격을 따르고 있다.
단, BT의 경우도 테이퍼 규격은 국제 규격인 NT를 그대로 적용하므로, BT가 아닌 NT 공구 홀더도 풀 스터드만 교체하고 ATC를 사용하지 않으면, 테이퍼가 같을 경우 사용할 수 있다.
4) 주축 모터 출력 및 최대 회전수
주축 모터 출력은 마력이나 kw 단위로, 보통 30분 정격과 연속으로 구분해서 표시한다.
예) 15/22.5 kw (연속/30분 정격) 또는 20/30 마력 (연속/30분 정격)
5) 기타
이외에 검토해야 할 규격으로는 아래의 항목이 있다.
- 공구 매거진 : 포트(Pot) 수, 공구 교환 시간 등
- 칩 컨베어
- 절삭유제 관련 장치 : 탱크 용량, 절삭유제 압력 등
- NC 장치 관련 규격 : 규격, 메모리 용량 등 추가 기능(Option 기능)
- 동시 제어축수
- 기타
3.1.3 MCT 무인 자동화 제약 요인 및 대책
1) 가공중 칩 처리
수직형 장비에서는 칩이 공작물 주위에 그대로 쌓이게 되므로 무인화를 위해서는 별도의 칩 제거 대책이 필요한 경우가 많다.
일부 무인화 FMS의 경우, 공구 주위를 커튼 형태의 탄력성 있는 물체로 둘러싸고 진공 청소기로 칩을 빨아 들이는 형태, 또는 공구 주위에 많은 양의 절삭유를 분사해 칩을 흘려보내는 형태 등의 방법이 사용되고 있다.
수평형 장비에서 일반적으로 칩이 바닥으로 떨어지므로, 칩 컨베어(Chip Conveyor) 만으로 칩처리가 가능하며 별도의 칩 제거 대책이 불필요해 무인화 적용이 용이하다.
반면에 공작물을 올리고 내리는 작업은 수직형이 편리하므로, 앞으로는 가공중에만 테이블이 90°로 일어서도록 하는 구조의 장비가 무인화 공정에 사용이 증가할 것으로 예상된다.
2) 공정 불안정으로 인한 작업중 감시
탭 작업, 황삭용 인서트 엔드밀(Porcupine E/M)로 주물 표피를 황삭하는 작업 등 안정화시키기 어려운 공정은 무인 자동화가 어렵다.
주축 부하 변동, 또는 가공중 발생 초음파 등을 이용한 자동 공구 감시 시스템(Tool Monitoring System) 등의 방법을 적용할 수는 있지만, 이상 발생시 조치는 사람의 판단을 필요로 하는 경우가 많아 완전한 무인 자동화에 제약 요인이 된다.
아직까지는 안정적인 가공이 가능한 공정만 무인 자동화시키는 것이 바람직할 것으로 생각된다.
3) 정밀 공차 가공으로 작업중 측정하고 보정하는 작업
이런 형태의 대표적인 작업으로 정밀 공차 구멍 가공, 또는 금형의 형상면(자유 곡면) 가공 등을 생각해 볼 수 있다.
이런 형태의 작업을 가공중 측정하고 보정하는 과정 없이 안정적으로 수행될 수 있도록 공정을 설계하는 것이 가장 바람직한 방법이라고 할 수 있다.
그러나, 여기에는 한계가 있으므로, 기계에서 풀어내기 전에 측정해 볼 수 있는 방법을 검토할 필요가 있다.
기계에서 풀어낸 상태에서 측정을 하게 되면, 이상이 있을 경우 수정을 위한 재작업에 많은 시간이 소요되는 경우가 많다.
FMS의 경우는 시스템 구성 장비 중에 3차원 측정기(CMM : Coordinate Measuring Machine)를 추가하는 방법을 많이 사용한다.
그것이 어렵거나 단독 사용 장비일 경우, MCT 자체에 자동 측정 기능을 추가하는 방법 등이 있을 수 있다.
4) 공작물을 올리고 내리는 작업
보통, 자동 팔레트 교환 장치를 사용해 장비 가동 중에 미리 다음에 가공할 소재를 다른 팔레트 위에 설치할 수 있도록 한다
FMS의 경우, 무인 가동 시간을 길게 하기 위해, 보통 팔레트 스테이션(Pallet Station)을 만들어 여러개의 팔레트가 대기할 수 있도록 하는 방법을 사용한다.
5) 가공중 공구 마모로 인한 공구 교환
FMS에서는 주로 공구 매거진(Tool Magazine)에 예비 공구를 대기시켜 두고 수명이 다 된 공구를 자동으로 교체할 수 있도록 하는 공구 관리 시스템을 적용하는 경우가 많다.
단, 정삭중 공구 교환은 가능한 한 피해야 되므로, 정삭에 많은 시간이 소요되는 공구는 CBN 등 내구성이 우수한 고경도 공구 재료를 사용하는 것이 유리하다.