3.1 서보(Servo)기구
인간에 비유했을 때 손과 발에 해당하는 서보기구는 두뇌에 해당되는 정보처리회로로부터의 지령에 따라 NC공작기계의 테이블 등을 움직이는 역할을 담당하며 정보처리회로에서 지령한 대로 정확히 동작한다. 또한, NC의서보기구에 필요한 기능은 기계의 속도와 위치를 동시에 제어하는 것이며,그림 3. 1은 NC의 서보기구를 나타낸 것이다.
서보기구라 함은 속도와 위치를 제어할 수 있는 구동기구라야 한다. 예를들면 직류모터(DC motor)는 속도의 제어는 가능하나 위치제어가 불가능하므로 서보기구라고 할 수 없는 반면에 펄스모터(Pulse motor or Steppingmotor)는 펄스의 수에 상당하는 각도만큼 펄스의 주파수에 상당하는 속도로 회전할 수 있으므로 서보기구라 할 수 있다. 그러나 직류모터도 위치검출기와 결합시키면 즉시 서보기구의 역할을 하게 된다.
3.2 서보(Servo)기구의 종류
구동모터의 회전에 따라, 기계본체의 테이블이나 주축헤드가 동작하는기구(메카니즘)를 서보기구라 부른다. CNC공작기계에서 서보기구에 요구되는 성능은 동작의 안정성과 응답성이다. 그러나 안정성과 응답성은 상반되는 성질이므로, 현재까지 이 두 가지의 성능 개선을 위한 기술 개발이 한창이다
현재 사용되고 있는 NC서보기구에는 기계를 직접 움직이는 구동모터로써우수한 특징을 지닌 DC서보모터가 널리 사용되고 있으나 범용성이 있는AC서보모터로 점차 대치되고 있다.
NC서보기구는 서보모터의 제어방식에 따라서 다음과 같은 종류가 있다.
① 개방회로 방식(Open loop system)
② 반폐쇄회로 방식(Semi-closed loop system)
③ 폐쇄회로 방식(Closed loop system)
④ 복합회로 방식(Hybrid loop system)
이중에서 반폐쇄회로 방식이 가장 많이 사용되고 있으며 특별히 고정밀도가 요구되는 경우나 대형 공작기계는 폐쇄회로 방식 및 복합회로 방식이 사용된다.
1. 개방회로 방식(Open loop system){개방회로 방식의 펄스모터는 지령 펄스의 주파수에 상당하는 속도로 지령펄스의 수에 상당하는 위치까지 기계를 움직일 수 있으며, 현재는 정밀도가 오늘날 CNC공작기계에서는 거의 사용되지 않는다. 그림 3.4 낮기 때문에는 개방회로 방식을 나타낸 것이다.
2. 반폐쇄회로 방식(Semi-closed loop system)
모터 축의 회전 각도를 검출하거나 볼스크루의 회전 각도를 검출하는 방식으로, 테이블 직선운동을 회전운동으로 바꾸어 검출한다. 오늘날 대부분 CNC공작기계에서는 높은 정밀도의 볼스크루가 개발되어 있어 실용상의 정밀도가 문제되지 않아 대부분 이 방식을 채택하고 있다.
위치 검출은 그 측정 장소에 따라 Semi-closed에서는 서보모터나 볼스크루의 회전각을 측정하여 위치를 구하고, Closed 방식에서는 직접 공구대나 테이블 등의 이동위치를 측정한다.
3. 폐쇄회로 방식(Closed loop system)
테이블에 직선형 스케일(Linear Scale)을 부착하여 위치를 검출한 후 위치 편차를 피드백 하여 사용한다. 즉 이 방식은 볼스크루의 백래시량의 변화 등을 정확히 제어 할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 이 방식은 기계의 강성을 높이고 마찰 상태를 원활하게 하여 비틀림이 없어야 된다. 특별히 정밀도를 요하는 정밀 공작기계나 대형기계에 사용된다.
속도 검출기 : 직류 타코제너레이터나 펄스제너레이터를 F/V변환(주파수/전압 변환)하는 것으로 이용된다.
4. 복합회로방식(Hybrid loop system)
반폐쇄 및 폐쇄회로 방식을 절충한 것으로 정밀도를 향상시킬 수 있어 대형의 공작기계에서 많이 사용되고 있다. 표 3. 1은 각 회로방식의 회로를 위치검출기별로 분류하였다.
3.3 절삭제어방식
공구경로의 모양, 즉 가공형식 혹은 제어대상에 따라 NC시스템에서는 다음과 같은 세 가지 제어방식으로 분류할 수 있다.
3.3.1 위치결정제어(Positioning control 또는 Point-to-pointcontrol)
위치결정 NC는 공구의 최종 위치만을 찾아 제어하므로 정보처리가 매우 간단하다. 이동 중에는 공구가 가공물에 접촉하지 않기 때문에 PTP(Point To Point control) 제어라고도 하며, 드릴링이나 스폿(Spot) 용접기 등에 사용된다. 그림 3.8은 위치결정제어의 예를 나타낸 것이다.
3.3.2 직선절삭제어(Straight cutting control)
직선절삭 NC는 이동 중에 직선절삭하는 동안에 축 방향으로 가공할 수있는 제어로써 위치결정제어보다 다소 차원은 높으나, 직선절삭(X, Y, Z축에 평행)이외에는 할 수 없고 주축속도, 공구선택, 공구보정 등의 보조기능이 필요하다. 그림 3. 9는 직선절삭제어의 예를 나타낸 것이다.
3.3.3 윤곽절삭제어(Contouring cutting control)
공작물의 형상은 X축이나 Y축에 평행한 직선만으로 되어 있지 않고 임의의 방향의 직선과 원호로 구성되어 있다. 윤곽절삭 NC는 복잡한 형상을 연속적으로 윤곽 제어할 수 있는 가장 복잡한 시스템으로 점과 점의 위치결정과 직선절삭작업을 할 수 있고, 여러 축의 움직임을 동시에 제어할 수 있으며 2차원 또는 3차원 이상의 제어에 사용된다.
보간방식에는 MIT 방식, DDA 방식, 그리고 대수연산방식 등이 있으며, 초기에는 대수연산 방식을 이용하였지만 현재는 DDA 방식이 주류를 이루고 있다.
3.4 CNC장치의 구성
CNC장치의 구성을 나타낸 그림으로, 마이크로프로세서(CPU)는 데이터 버스를 통하여 들어오는 정보를 처리하여 어드레스 버스(Address bus)를 통하여 지령 펄스를 낸다.
(1) CPU:Central processing unit
ROM에 입력되어 있는 Software에서 Address bus, Data bus를 통하여각 Block을 제어한다.
(2) ROM(고정기억장치):Read only memory
임의로 적어 넣을 수 없는 기억장치로 Read 전용으로 사용되는 것 통상Control program 정수 등이 기억되어 있다.
(3) RAM(등속호출 기억장치):Random access memory
임의의 기억장소를 호출하는 경우에 호출할 시간이 그 값 앞에 호출한 기억장소에 관계없이 일정한 기억장치
(4) CRT/MDI:CRT Display/Manual data input 수동입력과 표시를행하는 Block이다.
(5) MPG(수동 Pulse 발생기) :Manual pulse generator
1회전 100개의 눈금이 새겨져 있고 Handle을 돌려서 Pulse을 발생시켜
수동으로 이송할 때 사용된다.
(6) Digital input:기계측 조작반의 각종 S/W 입력되는 신호
(7) Digital output: 기계측 강전반의 보조기능 Lamp 등 출력되는 신호(8) 위치제어: CPU에서 지령한 지령위치와 검출기에서의 Feed-backpulse에서 검출된 기계 위치가 일치하도록 제어하는 Block이다.
(9) 속도제어: 검출기에서의 속도 Feed-back 신호를 써서 Motor의 속도가 지령속도 값이 되도록 제어하는 Block이다.
(10) BUS(Address bus/Data bus):CPU 주변회로의 Address 및Data의 통로