工學碩士學位論文 G-code Analysis/Control 을이용한웹기반금형가공공정 모니터링 & 컨트롤시스템개발 Development of Web-based Mold Manufacturing Process Monitoring & Control System Using G-code Control/Analysis 2005 年 2 月 仁荷大學校大學院 機械工學科 ( 固體및生産工學專攻 ) 金建熙
工學碩士學位論文 G-code Analysis/Control 을이용한웹기반금형가공공정 모니터링 & 컨트롤시스템개발 Development of Web-based Mold Manufacturing Process Monitoring & Control System Using G-code Control/Analysis 2005 年 2 月 指導敎授 趙明寓 이論文을碩士學位論文으로提出함仁荷大學校大學院機械工學科 ( 固體및生産工學專攻 ) 金建熙
이論文을金建熙의碩士學位論文으로認定함 2005 年 2 月 主審 ( 印 ) 副審 ( 印 ) 委員 ( 印 )
요약문 이논문의목적은금형가공공정의무인자동화기반을마련하고, 공정상경제적이고효율적인개선을위한웹기반금형가공공정모니터링 / 컨트롤시스템을개발하는데있다. 일반적인기계모니터링시스템과는달리, 본연구에서개발된시스템은단순히기계상태를모니터링하는것이상으로금형가공공정의특성에맞게공정흐름과매칭된모니터링신호를웹상에서보여줌으로써원격지에서도금형생산공정을효율적으로모니터링할수있으며, 부가적으로각가공단계의절삭력경향을웹상에서 Client에게열람할수있도록하여후공정에대한유연한대처와불필요한측정공정소요를막음으로써원격지에서도효율적으로공정계획을할수있다. 이로써금형가공공정의무인자동화에대한기반을마련하였다고사료된다. 이시스템개발에서주력한부분은금형을가공중인공작기계로부터수신되는신호를원격지에서좀더효율적으로평가하기위함을목적으로하는 G-code 컨트롤 / 분석모듈로서 G-code를분석하여, 각종금형가공정보를추출하고, 원격지의 Client가확인후직접가공시작을컨트롤할수있게구현되어있다. i
Abstract The purpose of this paper is the development of Web-based moniotoring/control system which is based on an unmanned aotumation of a mold manufacturing process and is for an improvement of process economically and efficiently. The developed system can provide the signal on web which is matched with the flow of a mold manufacturing process in comparision with the existing system which provides the received signal from a machine by the G-code analysis/control module. With the advantage, it is possible to monitor the mold manufacturing process efficiently. In additional, a trend of the cutting force is certified to client on web by the result analysis module and the plan of a mold manufacturing process is made with effect in remote place, that is, it is possible to deal with a process after one stage flexibly and decrease the unessential inspection process. In view of these, it is thought that the developed system provides the restraint of an unmanned automation. The main part is the G-code analysis/control module which is concentrated on the development of this system. The purpose of this module is for evaluate the signal from CNC machine efficiently. The roles of this module are to extract the information of a mold manufacturing from G-code, transmit it to a client, and make a client to be able to control the outset of the process. ii
List of Figures & Table Fig. 1-1 Schematic Diagram of E-manufacturing and MES...5 Fig. 1-2 Conception of proposed MES system...5 Fig. 1-3 Basic Structure of developed system...6 Fig. 2-1 Server/Client Structure of the developed system...14 Fig. 2-2 Basic sequence of the socket communication...14 Fig. 2-3 Example Web-based control system of Integrative environment using Ch language...15 Fig. 2-4 Ch versus other languages...16 Table 1. Environment of the developed system...28 Fig. 3-1 Detailed structure of developed system...29 Fig. 3-2 Web-based System Diagram...30 Fig. 3-3 Example model for generating G-code...31 Fig. 3-4 Generated tool-path using Powermill...31 Fig. 3-5 Server program of G-code Analysis/control module...32 Fig. 3-6 Client Viewer of web monitoring module...33 Fig. 3-7 Process flow of G-code Analysis/Control Module...34 Fig. 3-8 Server program of web monitoring module...35 Fig. 3-9 Client program of web monitoring module...36 iii
Fig. 3-10 Dynamic plot of cutting force by result analysis module...37 Fig. 3-11 Communication between HTTP server and Ch program (using Ch-CGI)...38 Fig. 3-12 CNC machining center (HiMac V-100)...39 Fig. 3-13 Current hall sensor...39 Fig. 3-14 Location of current hall sensor (spindle motor)...40 Fig. 3-15 Location of current hall sensor (X, Y, Z axis motors)...40 Fig. 3-16 Main webpage of the developed web-based system...41 Fig. 3-17 Machine webpage of the developed web-based system...42 iv
차 례 요약문...i Abstract...ii List of Figures & Table... iii 제 1 장서론...1 1.1 연구배경및목적... 1 1.2 연구내용... 3 제 2 장시스템구성및설계...7 2.1 Server/Client 구조... 7 2.2 ActiveX control... 9 2.3 Socket 통신... 10 2.4 Ch Language... 12 제 3 장시스템개발및구축...17 3.1 시스템개발환경... 17 3.2 시스템구조... 18 3.3 G-code 컨트롤 / 분석모듈... 19 3.3.1 모듈구동 Process 및예제... 21 3.4 가공모니터링모듈... 23 3.5 가공결과분석모듈... 25 v
제 4 장결론...43 참고문헌...45 감사의글...47 vi
제 1 장서론 1.1 연구배경및목적 금형생산을포함한전반적인생산현장에서 IT(Information Technology) 기술이적용되기시작하면서진보된생산기술의중요성이날로높아지고있다. 이는많은제조업들이지식집약화 (knowledge-base), 글로벌화 (globalization), 다양화 (customization), 인터넷기반화 (internet-based) 의요구에맞추어인터넷과 IT를접목하여제조업의업무프로세스, 관리방식, 거래및사업방식을혁신하고통합화를꾀하고있기때문이다. 이러한환경에맞추어최근들어 E-manufacturing 통합솔루션에관한많은연구가진행되고있는데이는인터넷을통한분산환경에서의동시정보교환기술과제품, 생산, 관리에관계된모든정보의 IT와및지식화를추구하여제조업의경쟁력을향상시키기위한기술을뜻한다. 이러한비즈니스통합프로세서로수행되는 E-manufacturing은고객과제품관계를실시간생산정보시스템과결합하여고객중심의대량맞춤제품에대한자원및제조와공급에대한비용측면에서최상의효과적인방법을구현할수있다.[1][2](Fig. 1-1) 다품종소량생산과정밀금형제작추세에따라금형공정에도많은혁신이요구되고있다. 다양한형상의금형제작을수행해야하는금형업체는 E-manufacturing의하부부류인 MES(Fig. 1-2) 등을통해공정혁신을 1
이루고제작금형의정밀도향상, 납기단축등의목적을이룰수있다. 실제로현재 CNC machine에서가공되고있는공정을모니터링하기위한많은방법이제시되었고, IT화를통해이를인터넷과접목시켜웹기반의모니터링시스템에관한많은연구가진행되고있다. K. Muto는 PC-NC를기반으로 machine과 CAD/CAM과의인터페이스를구축하고카메라등을이용하여 XML 기반의웹모니터링시스템을제작하였고 [1], 조용주, 신봉철등의연구에서는공작기계의주축모터전류를센서를이용하여추출하고이를절삭력으로환산하여자바애플릿, 비주얼베이직, HTML등을이용하여웹상에서모니터링할수있도록시스템을구축하였다.[6][7] 또한, C.F Cheung 등은각모듈을가상모듈로구현하여웹상에서가공공정전과가공후공정을전체적으로확인할수있는 Virtual Machine system을개발하였다.[4] 지금까지의연구에서공작기계의가공상태를웹상에서확인할수있는다양한방법들에대해연구되었고, FA 망에적합하도록공통된플랫폼에서구현된모니터링시스템들이개발되었다.[9] 하지만, 기존의모니터링시스템들은전체적인생산 Flow에역점을두었기때문에하나의공작기계에서의단품가공진행상태를모니터링하기에는하드웨어와소프트웨어측면에서적합하지않다. 또한최근들어, 상당부분의연구내용은실공정모니터링이나컨트롤보다는 Virtual Process가중심이되어왔고, 이를기반으로금형가공공장에 IT시스템을구축하려면많은비용과시간이소요된다. 본연구에서는이러한금형가공공정현실에비추어저렴한비용과설 2
치가용이하고기존의하드웨어를활용할수있는시스템개발이필요하다고사료되었다. 또한, PC-NC 시대의흐름에맞추어소프트웨어측면에서통합환경의시스템이필요하다고판단되었다. 따라서, 본연구에서는누구나쉽게접근이가능하도록사용자중심의인터페이스를구축하여조작의편의성을이루고, 저렴한비용의센서를설치하여모니터링할수있도록하였으며, 시스템구성측면에서는통합환경을중심으로추후시스템내용수정이용이하고, 이식성이좋은 Web-based monitoring & control system을개발하였다. Fig. 1-3은본연구에서개발된시스템의기본적인구조를도식화한것이다. 1.2 연구내용 본연구에서구축된시스템은금형가공공장의공작기계의가공공정의효율적인관리와추후가공공정계획에유연하게대처하기위한판단기준을제시함을목적으로한다. 본시스템은가공을수행하고있는공작기계의가공데이터를획득, 처리하여 Web상에서실시간으로원격지모니터링을가능하게하고, 가공계획단계로부터각종가공정보를획득하여현재가공되는파트의진행사항에대해서알려줌으로써단순한 2차원모니터링신호도원격지에서도현재가공하고있는금형의공정진행상태를알릴수있는효율적인신호로써의역할을할수있게하였다. 아울러, 3
시스템을구성하고있는다른모듈을통해추후재가공이요구되는파트결정과측정부위선정에대한판단기준을제시해주는역할을하도록구성하였다. 본시스템에서 G-code 분석모듈은원격지에있는클라이언트측에서모니터링하고있는신호가현재가공계획상어느단계를가공하고있는지를알수있게하는역할을한다. 이로써가공완료후각가공단계의모니터링신호를분석하여이상신호가많이발생한파트에서는 OMM(On Machine Measurement) 을요청, 측정부위결정에있어서경제적인효과를얻을수있다. 또한이를통해추후재가공여부를판단함으로써유연한생산계획수립과납기단축등의효과를얻을수있다. Web-based system을구축함에있어서 Server/Client의원활한통신을위해 Socket 통신을기본으로하였고, 각종 Client-Viewer program을 ActiveX control로제작, 접속하는 Client에게배포하는방식을이용하였다. 이로써 Client측에서도 Server 측에각종요구사항을전달하여그결과를볼수있게하고, 다양한언어의장점을가진 Ch-Language를이용하여가공결과등을 Web 상에서동적으로보여줄수있도록구현하였다. 4
Fig. 1-1 Schematic Diagram of E-manufacturing and MES Fig. 1-2 Conception of proposed MES system 5
Fig. 1-3 Basic Structure of developed system 6
제 2 장시스템구성및설계 2.1 Server/Client 구조 인터넷상에서 Server의의미는 2가지의미가있다. 하나는서비스를제공하는프로그램 (software) 을가리키고다른하나는서비스를제공하는컴퓨터를의미한다. 프로그램으로서의 Server는다른프로그램들에게서비스를제공하는프로그램이다. 여기서다른프로그램들은보통네트워크로연결되어 Server와대화하는프로그램들로서 Client라고한다. 대표적인 Server 프로그램들로는 DNS, FTP server, HTTP server, NNTP server 등이있다. 이에대한 Client 프로그램들의예를들자면 FTP client, Web browser, news reader 등이있다. 컴퓨터로서의 Server는네트워크로연결된다른컴퓨터들에게서비스를제공하는컴퓨터를말한다. 물론이컴퓨터가 Server 기능을할수있는것은이컴퓨터에서 Server 프로그램이운용되고있기때문이다. 간단히말하면어떤컴퓨터가 Server 프로그램을운용하고있다면컴퓨터의사양에상관없이 Server라고할수있다. 하지만제대로된 Server의역할을하자면우선네트워크에항시연결되어있어야하고여러클라이언트들이접속하였을때의부하를감당할만한역량이있어야한다. 기존의 host/terminal 구조의네트워크에서 terminal은단지호스트가뿌 7
려주는결과만을화면에표현하고단순히커맨드를입력하는데에만사용되었다. 그러다보니호스트측에만집중적으로 I/O가발생하게되고수직적인상 / 하관계를이루게되는것이다. 또한, 사용자들은데이터를제외한사용자인터페이스와비즈니스로직등을 Client에설치하고운영하면서 Client에설치된프로그램 (software) 이업그레이드나신규프로그램설치의목적이발생할경우모든 Client마다새롭게설치작업을다시해야하는번거로움이발생하였으며, 이를관리하기위한노력또한배가되었다. 본연구에서는언급된기존시스템구조의단점을보완하기위해전체네트워크의성능 (performance) 을향상시키고, 생산현장에서도쉽게접할수있는인터넷을활용하기위해 Server/Client 구조를기본으로시스템을설계하였으며, HTTP server를구축하고 Microsoft 社에서제작한 Internet Explorer를 client 의기본프로그램으로이용하였다. 이러한네트워크환경은 Server 상의데이터와어플리케이션 (Application) 을분리함으로써사용자수와데이터크기가늘어나면서발생되는 Server의투자및관리비용을줄이기위한목적으로제시된것이다. 따라서, 이러한효율성을바탕으로기존의 OS와뷰어 (Viewer) 를이용하여용이하게 Server/Client 구조를구축할수있다. Fig. 2-1 은본연구에서개발된시스템의 Server/Client 구조를나타낸것이다. 8
2.2 ActiveX control ActiveX control은윈도우개발환경에익숙해져있는개발자들에게인터넷 / 인트라넷 (Interner/Intranet) 상에서공동으로사용할수있는객체를만들수있는환경으로서미국의 Microsoft 社가 SunMicrosystems 社의자바 (JAVA) 기술에대항하기위해개발한것으로서윈도우환경에서 Visual C++, Visual Basic, JAVA 와같은개발도구와표준프로그래밍언어를이용해서만든다양한일반응용프로그램들과웹사이트를연결시켜줄수있는역할을한다. 다양한개발툴을이용함으로써인터랙티브 (Interactive) 한웹서비스 (Webservice) 를제공할수있으며, 이와관계된기술로는 ActiveX control, ActiveX Document, ActiveX Scripting, ActiveX Server-Framework 등이있다. 이가운데 ActiveX control은자바애플릿크기의웹페이지에내장된것으로, 1000개이상이이미개발되어있으며, 다양한언어와개발툴로필요한용도의 control을직접작성할수있다. 본연구에서는 ActiveX 기술중 Visual C++ 을이용하여 G-code control 모듈과모니터링모듈을 ActiveX control로제작하였으며, 이를 Internet Explorer를통해 Server에최초접속하는 Client의 Local computer에자동으로다운로딩되어뷰어 (Viewer) 를설치하도록구축하였다. 아울러, 이프로그램이구동될수있도록필요한라이브러리파일들을 Microsoft 社에서다운받아설치하도록구현하였다. 이러한방법을통해 Client의 Local computer에 9
필요한프로그램을설치함으로써원활하고빠른접속을가능케하고, 서버와효율적인통신을가능하게할수있다. ActiveX control이 Server에접속하는 Client에설치되게하기위해서는컴퓨터 OS인윈도우의보안상정식인증을받아야한다. 이는정식인증업체인 VeriSign 社, Thawte 社등에서인증료를지불하고받을수있다. 본연구에서는상용목적이아닌연구목적의 control 이므로테스트용보안인증을통해인증절차를거쳤다. 2.3 Socket 통신 Socket은네트워크상에서클라이언트프로그램과서버프로그램사이의통신을위해 TCP/IP 프로토콜을이용하는연결형양방향통신방법이다. 소켓들은또한, 같은컴퓨터내에서프로세스들간의통신에도사용된다. 일반적인 PC의 OS인윈도우는 Socket 인터페이스 (interface) 를지원하므로, Socket을이용하여 OSI 7계층중애플리케이션계층 (Application Layer) 에서프로그램을개발할수있다. Socket통신은포트 (port) 를통하여이루어진다. 여기서, 포트는논리적인접속장소를뜻하며, 0부터 65536까지이용할수있다. 다양한프로토콜중 TCP/IP의상위프로토콜들은 IANA에서지정한포트번호에따라서비스가제공되고있으며, 그예로서 HTTP서비스는 80번포트, FTP서비스는 21번 10
포트가배정이되어있다. 1024번까지의포트는이미상용프로토콜에배정이되어있으며, 일반적으로실험목적으로하는서비스는 8000번포트이상에서이루어진다. 본연구에서는빠른데이터전송과실시간모니터링을위하여 Server/Client 간에 1:1 Socket 통신을 Visual C++ 개발툴을이용하여제작, 구축하였으며, 포트는 8080번을이용하여네트워크를구축하였다. 이시스템에서사용하는포트번호는상황에따라쉽게수정할수있다. Client 측 Socket 통신을위한기능은 ActiveX control에내장되어 Client가최초접속할경우 Client 측에설치된다. Socket 통신의특성상접속하는 Client에게는고유한 ID가부여된다. 즉, Server가포트를열고대기한상태에서 Client는 ActiveX control에의해설치된프로그램을이용하여 Server 포트에 Socket을통하여접속을하게되고, 접속이이루어졌을경우이네트워크를통하여 Client는실시간데이터와가공정보데이터를전송받게된다. 또한, Client 가모니터링하고자하는신호의선택에대한요구사항을 Server 측에요청할수있다. 11
2.4 Ch Language Ch Language는미국 UCDAVIS의 Integration Engineering Lab. 에서개발한언어로서 C/C++ interpreter와같은플랫폼에서연동할수있고, Shell 프로그래밍, 2D/3D plotting, numerical computing 등을사용자가쉽게이용할수있도록개발되었다. 또한별도로제공되는 CGI, OpenCV, OpenGL, Mechanics, Control system 등의모듈을이용하여 Web 상에서도원하는프로그램을쉽게작성할수있고, 다양한개발환경에대해서통합환경을제공한다.[3] 본연구에서는시스템의통합환경구축을목적으로 Ch Language를사용하였다. Ch Language의가장기본이되는플랫품인 Ch professional 4.7을기반으로 Ch-CGI 3.5 이용하여 Client가원격지에서인터넷을통해가공계획에따라생성한가공정보파일을 Server로업로드 (Upload) 할수있고, 모니터링신호중절삭력신호를 Web 상에서 plot하고절삭력경향을분석하기위하여 Curve Fitting을통하여나온결과값을함께 plot하는프로그램을제작하였다. 기존의 HTML, VBScript, JSP, Java Applet 등다양한개발툴을이용하여제작된웹프로그램과달리, 본연구에서개발된프로그램은 Ch Language에의해통합된환경에서개발되었고, 상호보완, 연동성이기존의프로그램보다우수하다고사료된다. 또한, 사용자의환경에따른프로그램수정이용이하다. 통합환경에서개발된프로그램은이식성이좋으며, 연동성이뛰어나므로프로그램의용량과설치면에서더효율적이 12
라고할수있다. 또한, 본연구에서 Visual C++ 개발툴로제작된 ActiveX control 역시 C/C++ 과연동된플랫폼을제공하는 Ch Language 에적합하므 로전체적인시스템의효율적인통합환경구축이이루어졌다고사료된다. 13
Fig. 2-1 Server/Client Structure of the developed system Fig. 2-2 Basic sequence of the socket communication 14
Fig. 2-3 Example Web-based control system of Integrative environment using Ch language 15
Fig. 2-4 Ch versus other languages 16
제 3 장시스템개발및구축 3.1 시스템개발환경 본연구에서개발된시스템은기존의하드웨어와소프트웨어를이용하여경제적인비용과설치의용이함의효율성을위해일반적으로많이사용하고있는 PC와 OS(Operating System) 를이용하여개발하였다. 본연구에서개발된시스템의환경은 Table 1과같다. Web Server 구축을위해이용된 IIS 5.0 Server는 Internet Information Server 의약자로서 Microsoft 社에서 Unix의 Apache Server 에대응하기위해정책으로개발한 Window OS 전용 Web Server이다. MS 社에서개발한 OS인 Window NT, Window 2000 professional, Window2000 Server, Window XP등의구성요소로서별도로용이하게설치할수있으며, FTP Server, HTTP Server, SMTP Server 를제공한다. 본연구에서는 HTTP Server 서비스기능을이용하여 Server를구축하였다. 또한, Server 측에서는 Client에설치된 ActiveX control 프로그램과 Socket 통신을하기위해 Client Viewer와유사한인터페이스를가진프로그램을 Visual C++ 의 MFC(Microsoft Foundation Class) 로제작하여설치되어있으며, Server 상에서실행되고있다. Client가 Server에접속이될경우이 Server 프로그램과 Socket 통신을통해데이터를주고받 17
도록구현하였다. Server의메인웹페이지와각종 Web 기능들은 Ch language의 CGI 3.5를이용하여제작하였으며, 이로써 visual C++ 과이와연동이가능한 Ch language를기반으로하여통합된시스템환경을구축하였다. 3.2 시스템구조 본연구에서개발된시스템은 G-code 컨트롤 / 분석모듈, 공작기계모니터링모듈, 가공결과분석모듈등 3가지모듈로구성되어있다. Server에 Client가접속하면, 현재가공중인 CNC Machine을선택, 해당하는웹페이지로연결이된다. Server는 G-code 컨트롤 / 분석모듈에의해진행되는가공상황과이와매칭된상태에서실시간으로 CNC Machine에설치된센서로부터들어오는전류신호와계산된절삭력정보를접속한 Client에게전송한다. Web 상에서절삭력정보를실시간으로전송하기위하여 Hall Sensor를이용하여 A/D Board에서데이터를획득, 획득한데이터를주축모터토크와전류와의관계식을이용하여절삭력으로환산하는방법을이용하였다. Hall Sensor는경제적인측면에서저렴한비용으로전류신호를획득할수있는센서로서본연구의목적에부합되는센서로사료된다. 기존의모니터링시스템과는달리가공공정중 G-code 컨트롤 / 분석모듈에의해원격지에서도효율적으로현재가공진행정도를파악할수있 18
고, 이를통해신호모니터링중이상신호발생시공정상문제점이있는가공단계를용이하게파악할수있다. 또한, 결과분석모듈은 Ch-CGI 3.5를이용하여단계별로가공이완료된후공정중획득된절삭력데이터는데이터파일로저장되며, 획득된데이터의 Curve Fitting을통해 Web 상에서가공공정전체의절삭력경향을 Plot 함으로써문제가발생한가공단계를쉽게파악할수있도록구현하였다. Fig. 3-1과 3-2는본연구에서개발된시스템의세부적인구조를도식화한것이다. 3.3 G-code 컨트롤 / 분석모듈 본모듈은모니터링모듈과함께 ActiveX control로제작되어 Client 측에서구동된다. 단순히공작기계에설치된센서로부터수신되는신호를모니터링하는방법은지금현재의가공상태를알수는있지만, 실질적으로필요한현재공정흐름을알수는없다. 본연구에서제안한이모듈은이러한단점을극복하기위해서 G-code를분석하고, 또한원격지에서분석된내용을확인후가공시작을 Client가직접컨트롤할수있는인터페이스를가지고있다. 즉, 가공이시작됨과동시에수신되는신호를공정흐름과맞물려파악할수있도록, 금형가공계획에따른황삭, 중삭, 정삭등의단계및가공시간을원격지의 Client에게알려줌으로써각단계의가공완료후공정에대해유연하게대처할수있으며, 불량으로인한재가공에 19
소요되는시간, 측정공정에대한소요파악을최소한으로신속하게결정할수있는수단이될것으로사료된다. 또한, 가공중이상신호발생시에는 Client가현장의관리자에게 비상정지 나다양한정보를메시지호출의방식으로알릴수있도록구현되었다. Server 측에서는이와동일한프로그램이구동되며, 시스템의 Ch-CGI 로구현된 File Upload 기능을이용하여 Client가업로드한가공정보데이터 (G-code file) 를이용하여, 분석을통해가공조건인 Feedrate를이용하여가공소요시간을계산하고, 가공공구 (Tool) 정보, 가공단계정보등을획득한다. 획득된데이터는 Socket 통신을통하여 Client 측으로전송되며, Client 가 Client Viewer 프로그램을통하여현재수신되는모니터링데이터와함께효율적으로가공공정을파악할수있도록구현되었다. 또한, Client의요청이나 Server 측생산관리자가가공데이터를 RS232C Serial 통신을통하여 CNC machine으로전송할수있도록구현하였다. CNC machine으로전송이시작된순간부터가공시간을이용하여가공진행정도를쉽게파악할수있다. 이모듈을통해단순히신호모니터링차원을넘어서원격지에서 Client 가직접육안으로가공공정상태를확인하지않고서도현재가공진행상태를쉽게파악할수있으며, 금형가공공정의경쟁력과경제적인측면의중요한요소인가공후공정에대한유연한계획수립을할수있다. 또한, 측정이요구되는파트를쉽게파악함으로써 OMM system과의연동의기반을마련하였고, 가공물의측정계획을효율적으로수립함으로써금형의납 20
기단축, 경제적인비용절감등의금형가공공정혁신의기반을마련하 였다고사료된다. 3.3.1 모듈구동 Process 및예제 본연구에서개발된 G-code Analysis/Control 모듈은원격지의 Client가작성한가공정보파일이본시스템의웹페이지의 File Upload 기능을이용하여 Server 측으로 Upload 된다. Server에서작동되는모듈은 Client 측에서 Upload 된가공정보파일에서가공에사용되는 Tool 정보 (Tool 종류, Tool 반경 ), Tool-path 정보, 가공소요시간을추출한다. 추출된정보들은 Client 가열람을요청할경우 Client 측에전송되고, 이로써원격지에있는 Client 는여러개의가공단계중현재금형공장에서진행하고자하는가공공정에대한정보를열람할수있다. Client는수신받은정보를확인후, 직접가공시작을컨트롤할수있으며, 가공이시작되면 G-code 로부터추출된가공시간정보를이용하여가공진행프로세스를실시간으로확인할수있다. 본연구에서는모듈을테스트하기위하여 DELCAM 社의 PowerMILL CAM 프로그램을이용하였다. PowerMILL을선택한이유는타 CAM 프로그램에비해생성되는 G-code에더많은가공정보를포함하고있으며, 실제현장에서도많이이용되는 CAM 프로그램이기때문이다. 이프로그램을이용하여 Fig.3-3과같은예제모델의가공중황삭가공 (Rough Cutting) 공 21
정을계획하여 G-code를생성하였다. 이때사용된공구는 5φ, Endmill이다. 이로인해생성될파일명은 1.tap 으로명명했으며, 이를 Client 측에서 Server 측으로전송하였다. 위의예제로인해추출된가공정보는 Fig. 3-4와같다. 진행상태를표현하기위하여가공소요시간은초단위로계산되며, 가공이시작되면남은가공시간을표현하여 Client와현장의관리자가공정의시간분배를효율적으로하도록인터페이스를구축하였다. 이와같은과정으로 Client는원격지에서금형공장에서현재진행되고있는금형가공에대한정보를정확히알수있으며, 이를모니터링모듈의신호와함께실시간으로금형가공공정진행상태와 CNC 공작기계의금형가공상태를동시에확인할수있다. 모니터링과정중이상신호가발생할경우는 Server 측에비상정지를요청할수있으며, 메시지를수신한 Server는호출을함으로써 Client의생산관리자에게알릴수있다. Fig. 3-7은본모듈이작동되는전체과정을도식화한것이다. 본모듈은 Server/Client 프로그램모두 Visual C++ 개발툴로작성되었으며, 가공정보를분석하고추출하는과정은 Server측프로그램에서구동된다. Client 측프로그램은 Server 측프로그램과 Socket으로연결하여정보를수신하여열람할수있도록구현되어 ActiveX Control로제작, Web 상에서배포된다. 22
3.4 가공모니터링모듈 본모듈은 CNC machine에설치된 Current Hall Sensor로부터수신되는전류신호를 A/D Board를통해실시간으로 Web 상에서 plot함으로써가공진행상태를효율적으로 Client에게보여주는역할을한다. 본연구에서는 3 축 CNC Machine의 X-axis, Y-axis, Z-axis의이송모터, Spindle Motor, Coolant Motor에센서를설치하여전류신호를획득하였다. 각축의서보모터 (Servo Motor) 의특성상 3상교류전류 (u, v, w) 중 u, v를센서를이용, 획득하여아래와같은식에의해 w를계산하고직류전류의성분을도출하는방법으로교류전류의실효값인 RMS(Root Mean Square) 를이용하였고관련식은 (1), (2) 와같다. I u + I = I (1) v w I rms 2 2 2 2 2 2 2 I u + I v + I w I u + I v + ( I u + I v ) = = (2) 3 3 기존의연구에서 Hall Sensor를이용하여획득되어진 CNC machine의주축모터의전류데이터와공구동력계의절삭력신호를분석하여전류신호를절삭력으로환산하였다. 본연구에서는센서와 A/D board 를이용해획득된 CNC machine의구동모터전류값을절삭력값으로환산하기위해 23
기존의연구에서도출된전류-절삭력환산식을이용하였고, 식 (3) 과같다. [6][8] F = 160.50838 M 2.55657 (3) 위식에서 M은주축모터전류의 RMS 값을의미한다. 본모듈은 Client가 5개의 channel을통해획득되어지는신호와획득된전류신호를이용하여계산된절삭력신호 1개를포함, 총 6개의신호중원하는신호만열람할수있도록하였고, 신호열람의시작과중단에대한요청도 Client가직접할수있도록구현하였다. 이러한인터페이스구축으로 Client의요구에맞는모니터링을가능케함으로써효율적인모니터링환경의기반을마련하였다고사료된다. Fig. 3-5는 Client 측모니터링모듈을구현한프로그램을나타낸것이고, Fig. 3-6은 Server 측구동프로그램을나타낸것이다. 이모듈에서 Server 측에서구동되는프로그램은 A/D board 를통해획득된데이터를직접적으로 plot 할수있도록하드웨어와연결되어있고, Client 측프로그램은단순히 Server 측으로부터전송받은데이터를 plot하도록구현되었다. 24
3.5 가공결과분석모듈 본모듈은모니터링모듈에의해획득된데이터를이용, 실시간으로그데이터를 plot하고데이터파일로저장하여한단계의가공이완료되거나, 현재까지의가공공정에대한확인을 Client가요청할경우기본데이터 (low data) 와이를이용하여 Curve Fitting을거친데이터를동시에 plot함으로써 Client가쉽게단계별가공의완료후진행상태를파악할수있도록하는역할을한다. 각단계별로절삭력의경향 (trend) 를쉽게확인함으로써완료된공정에대한평가와후공정에대한유연한계획수립을할수있는기반을마련하였고, 가공단계완료후불필요한측정공정소요를줄이고, 그단계의이상신호의발생이확인되는경우에는 OMM 요청할수있는판단기준을제시함으로써측정계획수립의효율성을극대화할수있는기반을마련하였다. 이모듈은 Ch language의 CGI 3.5 개발툴을이용하였으며, Web 상에서그래프를 plot 할수있도록구현하였다. CGI 3.5의 Dynamic Web plot 기능을이용하여 Server 측프로그램에의해저장되는다양한데이터파일을용이하게 Web상에서 plot 함으로써시스템의효율성을높일수있었다. 절삭력의경향을 Client가쉽게파악할수있도록 CGI 에서 Polynomial Curve Fitting을실시하였으며, 그식은다음과같다. 25
26 N 차다항식은식 (4) 와같이쓰여진다. N a N x x a x a a x g + + + + =... ) ( 2 2 1 0 (4) 각각의데이터로부터계산되는곡선의편차는식 (5) 와같으며, L i x g y r i i i,..., 2 1, ), ( = = (5) 식 (5) 에서 L 은데이터개수를의미한다. 편차의제곱의합 (R) 을최소화하기위해다항식의계수에대한 R 의편도함수를 0 으로놓으면식 (6) 과같다. ) 0,1,2,..., ( 0 1 1 N k y x a x N n L i i k i n L i k n i = = = = = + (6) 이를행렬로변환하면식 (7) 같은행렬로다항식의계수를계산할수있다. = + + + i N i i i i N N i N i N i N i N i i i i N i i i y x y x y a a a x x x x x x x x x x x L 1 0 2 2 1 1 3 2 2............ (7)
본모듈에서는식 (4) ~ (7) 을이용하여 CNC machine의밀링가공특성상나타나는절삭력의경향을잘나타내기위한 6차다항식의 Curve Fitting 을실시하였으며, 이를기본데이터와함께 plot하였다. Fig. 3-7은 Ch CGI 3.5로구현된결과분석모듈의 Web-plot을나타낸것이고, Fig. 3-8은 Ch CGI program 이 Server 측에서구동되는 flow를도시한것이다. 27
Table 1. Environment of the developed system Item Contents OS Window2000 Professional Web Server IIS 5.0 Used Language Ch language(professional 4.7, CGI 3.5) Visual C++ Testing Machine Hyundai HiMac V-100 Yasnac J50M Numerial Controller Communication Method Rs232C Serial Communication(PC CNC Machine) Internet(TCP/IP) PC A/D Board Pentium 2G RAM 512MB ADLINK 社 PCI-9112 board 12-bit Multifunction DAS Board Testing sample-rate : 1kHz 28
Fig. 3-1 Detailed structure of developed system 29
Fig. 3-2 Web-based System Diagram 30
Fig. 3-3 Example model for generating G-code Fig. 3-4 Generated tool-path using Powermill 31
Fig. 3-5 Server program of G-code Analysis/control module 32
Fig. 3-6 Client Viewer of web monitoring module 33
Fig. 3-7 Process flow of G-code Analysis/Control Module 34
Fig. 3-8 Server program of web monitoring module 35
Fig. 3-9 Client program of web monitoring module 36
Fig. 3-10 Dynamic plot of cutting force by result analysis module 37
Fig. 3-11 Communication between HTTP server and Ch program (using Ch-CGI) 38
Fig. 3-12 CNC machining center (HiMac V-100) Fig. 3-13 Current hall sensor 39
Fig. 3-14 Location of current hall sensor (spindle motor) Fig. 3-15 Location of current hall sensor (X, Y, Z axis motors) 40
Fig. 3-16 Main webpage of the developed web-based system 41
Fig. 3-17 Machine webpage of the developed web-based system 42
제 4 장결론 본연구에서는금형가공공정을원격지에서도효율적으로관리할수있고, 아울러, 금형가공자동화시스템의기반이될수있는원격지모니터링, 컨트롤시스템을구축하였다. 본시스템개발은타시스템과는달리금형가공공정에적용을목적으로금형가공의 G-code로부터가공에대한정보를추출하고, 이를모니터링신호와함께열람함으로써원격지에서도효율적인공정모니터링을할수있는기반을마련하였으며, 아울러가공의진행도원격지에서도컨트롤할수있는인터페이스의기반을구축하였다. 또한, Ch-language를이용하여가공결과를 Web을통해보여줌으로써원격지에서도가공결과에대한분석을가능하게하여추후공정계획수립에있어서 OMM 연계와재가공등에대한공정상경제적인효율을높일수있는기반을마련하였다. 소프트웨어측면에서는다양한언어와연동이가능한 Ch-language의플랫폼을이용하여유연성이좋은통합환경의소프트웨어시스템을개발하여효율적인통합환경구축에대한가능성을제시하였다. 다품종소량생산의현실에서효율적이고경제적인금형가공을위해서가공계획단계에서부터 G-code 컨트롤을 CAM과연계시켜 PowerMILL 외에현장에서많이사용되는프로그램과도일반적인연동이가능하게하고, 공정관리의효율을극대화할수있는가공계획수립및가공정보의정 43
형화, 모니터링후결과분석모듈에의한추후가공계획및측정에서 OMM system과의직접적인연계를구축함이필요하다. 아울러, 본연구에서개발된시스템을기반으로통합환경시스템에관한연구와유연성이높고이식성이좋은소프트웨어시스템개발, 경제적으로저렴한비용으로효율을극대화할수있는하드웨어에대한연구, 실시간모니터링및컨트롤을위한네트워크구축에관한연구도필요할것이다. 44
참고문헌 [1] Kazuo Muto, Advanced technology for manufacturing engineering development: XML technology on a system that enables user to view required information from the work shop through a web browser, JSAE Review 24, pp. 303 312, 2003. [2] Jay Lee, E-manufacturing fundamental, tools, and transformation, Robotics and Computer Integrated Manufacturing 19, pp. 501 507, 2003. [3] Qingcang Yu, Bo Chen, Harry H.Chang, Web-Based Control System Design and Analysis, IEEE Control Systems Magazine June, pp.45 57, 2004. [4] C.F. Cheung, W.B. Lee, A framework of a virtual machining and inspection system for diamond turning of precision optics, Journal of materials processing technology 119, pp. 27 40, 2001. [5] S.K. Ong, L. Jiang, A.Y. C. Nee, An Internet-based Virtual CNC Milling System, The international journal of advanced manufacturing technology 20, pp. 20 30, 2002. [6] 신봉철, 윤길상, 최진화, 김동우, 조명우, E-manufacturing을위한가공공정모니터링시스템개발, 한국공작기계학회추계학술대회지, pp. 30 35, 2003. [7] 조용주, 강정진, 허영무, 조명우, 신봉철, 금형공장적용을위한 MES 시스템 Framework 설계및구현, 한국정밀공학회춘계학술대회지, pp. 1239 1242, 2003. 45
[8] 신봉철, E-manufacturing을위한가공공정모니터링시스템개발, 인하대학교석사학위논문, 2004. [9] 박홍성, 정명순, 김봉선, 웹기반실시간모니터링시스템의구조, 제어 자동화 시스템공학논문지제7권 7호, pp. 632 639, 2001 46
감사의글 어느덧마냥멀게만느껴졌던석사과정 2년의생활의끝자락에서있습니다. 너무나모자란제가연구생으로서문을두드렸을때가엊그제같습니다. 많이부족한논문이지만, 이렇게마무리할수있었던것은많은분들의도움이있었기에가능했던것같습니다. 항상모자란저에게인자한가르침을주신지도교수이신조명우교수님께진심으로감사드립니다. 그리고, 논문지도를해주신김재도교수님, 이은상교수님께도진심으로감사드립니다. 아울러, 연구실선배님이신인천대서태일교수님께도감사의말씀을전하고싶습니다. 장남으로서많은역할을하지못하지만, 항상묵묵히지켜봐주신사랑하는할머니, 어머님께정말감사드립니다. 아울러저에게항상믿음을보여주셨던친지분들께도깊은감사드립니다. 아무것도모르는저를마냥귀엽게봐주신많은선배님들, 지금의제가설수있도록항상도움을주신연구실 1호박사님길상형, 졸업준비에많은도움을주신병철형, 운동좋아하시는 2호박사님성민형, 그리고박사졸업을앞두고열심히준비중이신진화형, 동우형께진심으로감사드립니다. 앞서졸업하신많은시간을같이하진못했지만항상옆에서지켜봐주신경진형, 규백형, 맏형같은대일형, C언어를알게해준양훈형, 남자는말이야 석우형, 1년간의동거생활을마치고사회에나간정권형, 항상많 47
은도움을아끼지않았던용철형, 박사과정동기가될봉철선배, 자칭고급잡부로서열심히일하고있는준식형, 그리고, 동기로서항상함께했던우철형, 석현이, 세원이, 모든연구실원들께진심으로감사드립니다. 방은다르지만, 한식구처럼항상즐거웠던레이저방식구들, 초정밀방식구들에게정말감사드립니다. 아울러기계과대학원맏형으로서많은도움을주신호준형, 지금은떨어져있지만항상가족같은이기근조교님그리고, 영원한고딩친구들영수, 주섭, 영남에게진심으로감사드립니다. 이제한걸음더나아가더넓고깊은배움의길로가려합니다. 석사과정기간내내옆에서항상챙겨주고아낌없는성원을보내준사랑하는혜란이에게진심으로감사드립니다. 앞으로도항상같이하고싶다는말을전하고싶습니다. 48