CNC 도입과마스터캠사용에관한연구 A Study on CNC introduction and use of Mastercam S/W 신명철 Shin Myung-Chul 대구대학교산업디자인전공 Daegu Univ. Dept. of Industrial Design
CNC 도입과마스터캠사용에관한연구 A Study on CNC introduction and use of Mastercam S/W 신명철 Shin Myung-Chul 대구대학교산업디자인전공 Daegu Univ. Dept. of Industrial Design 중심어 : 자동화, 컴퓨터수치제어, 캠 Keyword: Automation, CNC, CAM. 목차 1. 서론 1.1. 연구배경과목적 1.2. 연구방법및범위 2. 디자인교육에서캠도입 2.1. 디자인교육과정에서모형제작 2.2. CNC도입과캠S/W 2.3. NC프로그램 3. 캠을이해시키기위한과정 3.1. CNC기계사용에관한이해 3.2. 기초조형물제작을통한연습 4. 가공조건설정 4.1. 황삭가공조건설정 4.2. 가공시간을단축하기위한설정 4.3. 이송속도와가공시간 5. 결론참고문헌 ABSTRACT CAM is become a key point at field of industrial automation and to be an essential factor at industrial design. It is real situation that easy to use various kinds of third dimension modeling S/W and simulation process by CAD in field of industrial design. But, CAM S/W easily can't spread of CNC machine tool to mock-up with last result of industrial design, because of difficult to learn with need to professionalism. Nevertheless, some of industrial design course make use of plan the above system. Therefore, I thought that need to lively research in education field. At this study of purpose effective tooling process that step by order to the CNC operation, after prepare to 3D modeling by Rhino S/W and change to IGS data, and then bring to the Mastercam S/W. 요약 CAM은자동화산업분야에서핵심이되고있으며, 산업디자인에서도필수적인요소가되어가고있다. 산업디자인분야에는캐드도입과함께 3차원모델제작과시뮬레이션과정등에서여러가지 S/W로쉽게사용하고있는것이지금의현실이다. 그러나산업디자인의최종결과물로 Mock-up에서 CNC공작기계를사용하기위한캠 S/W의도입은전문성이높기때문에쉽게많은보급이활발하게이루어지지못했다. 지금은일부대학산업디자인교육과정에서도입할예정으로있고, 현재사용중인일부대학도있음으로앞으로산업디자인교육분야에서활발한연구가필요하다고생각된다. 본연구에서는대학교육과정에서널리사용하고있는 3차원모델S/W인 Rhino 3D에서제작된기초조형물모델링데이터를 IGS파일로변환해서 Mastercam S/W에서불러들인다음, 가공방법설정과 CNC공작기계로명령을보내는단계에서효과적으로가공하는과정을연구하였다. 이논문은 2003 학년도대구대학교학술연구비지원에의한논문임 - 549 -
1. 서론 1.1. 연구배경및목적산업디자인에서모든디자인진행과정은다양한관련분야와밀접하게관계를맺고있으며, CAD(Computer Aided Design) 와 CAM(Computer Aided Manufacturing) 의관계는디자인의완성단계에서중요한부분을차지하고있다. 그러나산업디자인분야의 4년제대학교육에서 CAD도입과 3차원모델제작과시뮬레이션과정등은여러가지 S/W를응용해서쉽게사용되고있는것이현실이다. 그리고 CNC(Computerized Numerical Control) 공작기계를사용하기위한 CAM S/W의도입은전문성과운영하는방법에관한 Know-how 다양하고다양한경험으로얻어지는정보가필요하기때문에많은보급이이루어지지못한것이현실이다. 본연구에서는이러한어려운과정을해소하기위해쉬운단계부터접근해서이해를도와서관심을갖도록도와주는것이연구목적이며, 보다높은차원의진입은개인의노력에의해달성할수있으므로한대학을도입과정을중심으로연구한과정이현재도입해서사용하고있거나앞으로도입을예정하고있는교육기관에하나의사례로서참고가될수있다고생각한다. 롯해서양산에들어가기전에기구나전기적인특성을실험하기위한개발검토및모의실험을위한모형까지를말할수있다. 우리가흔히산업디자인 3차원교육과정에서모형제작은학생들에게최종결과물로중요한위치를차지하고있고, 학생자신의아이디어가새롭게실제화되는과정을눈으로확인하는순간이될수도있다. 이런작업을과거에는주로수작업또는수동형모형제작기계 ( 그림1) 에의존하여손으로직접제작하는과정으로진행해왔지만, 이제는컴퓨터의보급으로학생들의사고방식도과거의개념과는달리정보통신을통한디지털개념의도입으로모형이전문적으로제작하는곳못지않게새롭고, 경제적이며, 시간이절약되는제작과정을통해산업디자인에접근할수있는방법의필요성이절실함을느끼게되었다. 1.2. 연구방법및범위본연구에서대상으로선택한 S/W는대학교육과정에서일반적으로널리사용하고있는 3차원모델링 S/W인 Rhino 3D와모형제작업체는물론일반적으로많이보급된 Mastercam S/W를중심으로연구하였다. 우리가흔히우수한 S/W에대해서말할때가격과성능관계를비교해서말하는데상기 2가지 S/W가가장합리적이라고말할수는없으나, 현재널리사용되고있다는점은누구도부정할수없는것이현실이다. 더구나국내에는 3차원모델제작이나캠관련 S/W가여러나라에서개발된다양한 S/W가판매되고있으며, 사용하는입장에따라서는여러가지의견이제시될수가있다. 그러나여기서는기본적인개념으로생각한캠S/W도입과 CNC도입과운영과정을사례로제시함으로서하나의참고가되기를바랄따름이다. 그러므로연구대상으로제시된 S/W와함께모형제작을위한 CNC를도입해서, 간단한기초조형물을 3D S/W로제작한후, 실제가공까지의전체단계를연구하였다. 이런하나의사례가대학교육에서쉽게접하기어려운 CNC와관련된캠 S/W가실제로사용되어가는과정을전달해서앞으로보다활발한연구가계속되기를바란다. 2. 디자인교육에서캠도입 2.1. 디자인교육과정에서모형제작산업디자인과정에서최종결과물은모형을통해제시되고양산을위한준비에들어가지전에모형을통해검증과정을거치게된다. 즉모형이라함은단순한디자인모형을비 그림 1) 지금까지산업디자인전공계열에서수동조작으로가장많이사용하던모형제작기계. 더구나컴퓨터를통해서 3 차원모형제작과시뮬레이션이 가능한지금 CNC 와캠 S/W 를갖고 3 차원모형제작의필요 성을말한다는것은당연한일이면, 학교나외부기관의제 정지원은통해고가장비의공작기계를도입할수있는기 회는점점확대되고있다. 그러나캠 S/W 를통한제작과정 의복잡함과운영과정에서여러가지문제점으로인해누 구나도입의필요성을느끼면서실제적으로는이루어지지 못하는환경에놓여있다고생각된다. 산업디자인교육에서 모형제작의필요성을느껴서어느학교나기계식이나또는 자동화된모형제작설비를갖고있지만, 실제로모든학교 가원만하게운영이된다고볼수없으며, 새로운변화를 위한전환점에왔다고볼수있다. 지금까지의대학의산업디자인학과와산업디자인교육기관 은대다수 ( 특히전문대 ) 3D Studio MAX 를기반으로한 2, 3 차원모델링및렌더링, Photoshop, Illustrator 를기반 으로한 2D 페인팅및일러스트, 그리고 AutoCAD 를기반 으로한 2, 3 차원드로잉 ( 순수하게도면작성위주로 ) 교육하 고있다. 1) 그러나최근에는컴퓨터성능이향상되고과거 의 W/S 에서운영되던 3 차원모델링 CAD 관련 S/W 들이 일반 PC 급에서도운영이가능해짐으로지금널리사용되 고있으며, 가장호환성이좋다는 Rhino 3D 를중심으로한 1) 백창수, 이길순공업디자인을위한컴퓨터조형교육과정의인식전환과 세분화연구, 기초조형학연구 Vol.3. No.1, 2002-550 -
보급형 S/W와함께성능이좋은 PC에서사용할수있는 CDRS, UG, Alias/Wavefront, CATIA, Pro-E, I-DEAS등을교육을하고있거나할예정인대학이점점늘어나는추세이다. 이와같은현상은디자인개발에서부터제품생산까지의기간단축은물론경쟁체재에서보다손쉽고경제적인제품개발이기업의마케팅과관계가깊기때문이다. 2.2 CNC도입과캠 S/W NC(Numerical Control) 는공작기계에사용하여공작물에대한공구의위치를기억시켜놓은명령으로공작기계를제어하거나자동으로조작하는데이용된다. 제어방식으로는펀치테이프 ( 코드 ) 방식, 자기테이프 ( 디스크 ) 방식, 아날로그병용방식, 디지털방식등이있다. NC에는작업의지시수단으로지령테이프가있다. 이것은무엇인가를가공하려고할때미리정해진약속에따라그치수나가공조건을종이테이프에펀처 (Puncher) 로구멍을뚫어수치정보 ( 이것을코드데이터라고한다 ) 를기억시킨것이다. 즉수치또는기호의정보사용해서공작기계의운전을자동으로제어하는것을뜻한다. 2) NC는 1947년미국에서 T.Person 이개념을처음생각하였고, 1952년 MIT공대에서세계최초로연구제작한 NC밀링이공개되었다. 일본은 1957년에동경공대에서 NC선반 1호기가개발에성공하였고, 우리는 1976년 KIST에서국산 NC선반 1호기가개발되었다. 우리나라의본격적인상업용제품은화천기계에서 NC를개발했으며, 1981년에는통일산업에서국산 CNC 가개발되었다. 3) CNC는 Computerized NC로소형컴퓨터가내장되어있음을말한다. 반도체기술의발달로컴퓨터가발전하면서소형화되고가격이저렴해져 NC에내장하게되었다. 그러므로프로그램의작성과편집은물론입, 출력제어와연산처리등이간편해져사용의편리성을가져왔다. 모형제작방법은제작할모형의특성에따라여러가지방법에도입될수가있다. 이러한 CNC공작기기의도입의장점으로는기존공작기기 ( 일반모형조각기 ) 와차이점은기계조작이나가공이단기간에숙련될수있으며, 공정관리 PDM(Product Data Management) 또는공구관리측면에서표준화를가져올수있고설계변경시컴퓨터에의해쉽게변환이가능하며, 가공시간을절약할수있고 24시간운영이할수있다는점등이다. 이에대한상세한비교는표1 과같다. 모형제작을위한실제모형을가공할수있는기능을갖고있는 Hardware 에해당되는 CNC 사용에대한이해와모형가공명령하기위한 CAM S/W에대한정보가필요하다. 여기서 CAM S/W는 Mastercam 사용을예로들었으며, 현재국내모형제작업체에서가장많이사용하고있으며, 자체모델링등, 다양한기능을갖고있다. Mastercam 의구성은크게 4가지로되어있으며, 첫번째는 2, 3차원 CAD 및모델링기능을갖고있는 Design Module, 두번째는여러가지가공기능 Module 로되어있 으며, 2 차원밀링가공으로윤곽, 포켓, 드릴, 3 차원밀링가 공으로윤곽, 포켓, 투영및황삭, 정삭과작업명령을작성 한가공정의에대한수정과검증기능을갖고있는 Mill Module, 세번째는 2, 3 차원선반가공기능으로 Lathe Module, 네번째는와이어가공으로윤곽가공, No Core 가 공, 4 축가공기능등의기능을갖고있는 Wire Module 등 이다. 화면의구성은맨위상단에단축아이콘영역, 좌측 상단에주메뉴영역, 그아래에부메뉴영역하단의설명영 역, 화면중앙에작업화면영역등으로되어있다.( 그림 2) CNC 형모형제작기기 비교적단기간에, 기계조작이나가공이가능하다. 가공정밀도에안정성이있고, 숙련도에따른가공정밀도의실수가적다. 프로그래밍등작업전준비에시간이걸리므로중량이상의생산에적합하다. 복잡한형상의부품, 다공정부품의가공에뛰어난성능을발휘한다. 공정관리, 공구관리등작업의표준화를기할수있다. 장시간자동운전이가능하므로성력화, 무인화등에대응이용이하다. 설계변경, 재고의감소등컴퓨터에의해생산관리가용이하게되어, 시스템화가가능하다. 기술의진보에따라기계의진부화가빠르고, 설비비용이많이들고, 프로그램에의존해서작업개선의노력을태만히하게하는등마이너스요인이있다. 표1) CNC 모형제작기기와대한비교. 일반수동형모형제작기기 작업에 정통하고, 숙련자라 불리기까지는 오랜 경험이 필 요하다. 고품질, 고정밀도를요구하는부품가공에서는고도의숙련이필요하다. 도면을보면서작업할수가 있으므로, 단품가공에 적합하 다. 특수공구에의한가공등, 요령이필요한작업에적합하다. 작업이개성적으로되기쉬우므로표준화가어렵다. 소재의전가공, 치구, 고정구의제작등자동화를위한준비가필요하다. 가공의노하우의축척과전승하기가어렵다. 일반수동형모형제작기기의운영방법에 주메뉴에는측정, 그리기, 파일, 수정, 이동, 지우기, 화면, 솔리드, 가공경로가공유틸등이있으며, 부메뉴에는 Z 값 을지정하는기능, 도형의색상을지정하는기능, 현재작 2) http://kr.encycl.yahoo.com/final.html?id=97508&from=enc, 2003. 3) 박종열, 장용호저, CNC 프로그래밍 & 가공기술, 일진사, 1999 pp12-13. 그림 2) Mastercam S/W 의전체화면구성모습. - 551 -
업화일의레벨을설정하는기능, 생성될도형의요소를설정하는요소속성, 다수의도형들을하나의묶음으로설정하는그룹관리자, 지정된레벨에서만작업이가능한마스크 On, Off기능, 사용자가원하는공구평면작업평면등을지정할수있는 WCS(Work Coordinate System) 평면, 공구가이동되는면을지정하는공구평면 On, Off기능, 작업할면을지정하는작업평면, 화면의시각표시상태를지정하는메뉴로사용자가작업중인모델을원하는방향각도에서볼수있도록뷰 (View) 를설정할수있는그래픽뷰등이있다. 와방법에따라서가공하는시간과경제성에대한큰차이가있으므로많은노력이필요한부분이다. NC기계를컴퓨터에연결해서제어하는시스템으로 DNC(Direct Numerical Control) 소프트웨어가내장된컴퓨터와인터페이스가필요하게된다. DNC는컴퓨터에서프로그램한것을종이테이프나디스켓등에입력하여저장하지않고직접통신라인 ( 지금은주로광케이블 ) 통하여입력하는것을의미한다. 지금생산되는모든 CNC에는 RS-232C나 RS-422C 등의연결포트가부착되어생산되고있다. 2.3 NC프로그램일반적이공작기계와는달리 NC공작기계는컴퓨터에의해자동으로작동되기때문에작동명령을프로그래밍에의해전달된다. 1단계는 2, 3차원으로설계된도면과형상을이해한후, 2단계로가공할부분에대한 NC 가공을위해공정계획과재료를선정한다음, 가공순서와조건에따라 NC 코드를이용한프로그램을작성한후, CNC공작기계에 NC 데이터의명령을전달하여실제가공에들어가게된다. Mastercam 을이용한일반적인도형및가공데이터실행처리과정은가공대상도형생성 (*.MC9) 명-NCI파일생성 (*.NCI)- 경로확인및모의가공실행-포스트프로세서지정 (*.PST)-NC 파일생성 (*.NC)-NC 파일기계로전송-가공실행의절차를밝게된다. 그림3은 NC가공에서정보흐름체계로내용중에서테이프와테이프체크는초기 NC가펀치카드를사용해서가공명령을보내주던개념을보여주는것으로지금의의미로는컴퓨터수치가공데이터에대한정보확인및검색으로생각할수있다. 3. 캠을이해시키기위한과정 3.1 CNC기계사용에대한이해 CAM을 Software 라고한다면, Hardware 로서 CNC공작기계는컨트롤러가부착되어있어서명령 ( 지령 ) 을넣을수있는기능을갖고있다. 이명령에따른기계동작을시킬때에는공구가고속으로회전하므로안전에관한주의가필요하며, 기계를동작시킬때보안경착용과작업을하기위한단정한복장그리고기기동작과기기안전을위한사전점검과기계성능에대한이해등이가장중요한요소라고할수있다. 몰론컨트롤러자체에안전기능이부착되어있고, 경보기능이있지만다수의학생들이사용하기에는충분한사전준비교육과실습이병행되어서숙지된상태에서기계를사용할수있도록해야할것이다. 컨트롤러의주요기능으로는 CNC기계를동작시킬수있는운영에관한것으로캠S/W로부터프로그램을받아서실행할수있는기능과작업좌표설정과공구보정에대한기능그리고자체에서제작된프로그램의해서가공명령을실행하는방법과명령을실행시키기전사전점검기능및 CNC의운영상태를알수있는모니터등이있다. 그림 3) NC 가공에서정보흐름체계. 그리고 CNC가공계획에서우선고려해야할주요내용으로는다음과같다. 4) CNC가공부위선정. 가공부위에적합한 CNC기계사용, 가공할소재의설치방법, 사용할공구와가공방법. 절삭가공순서결정.( 시작점, 황삭계획, 정삭계획, 잔삭계획등.) 적당한 CNC절삭공구선정. 절삭조건결정.( 주축회전속도, 이송량및이송속도, 절삭깊이등.) 위와같은내용고려해서프로그래밍을하게되는데절차 그림 4) 모형제작실에 CNC BT-670 을설치운영중인전면모습. CNC 기계는주축 ( 주로깊이를가공하는 Z 축 ) 의운동방향 에따라수직형과수평형으로구분한다. CNC 기계의운동 은직선운동, 회전운동, 주축회전의세가지기능이있으며, 이들운동은수치제어 (NC) 서보모터와 NC 스핀들에의해 위치결정과주축속도가제어된다.5) 수평형은수직형에비 4) 권동호, 박용민, CAD. CAM 실무, 예문사, 2003. p186. 5) http://kr.encycl.yahoo.com/final.html?id=61126&from=enc, 2003. - 552 -
해가격이저렴하며, 작업이편리하고, 테이블형가공이편리하다. 수평형은다면가공에유리하며, 절삭유의비산을방지할수있고, 탭가공에유리하다. 6) 여기서연구대상으로하는수직형 CNC공작기계는두산메카텍 BT-670제품의테이블크기가 650x700mm이며, 3축제어방식으로각축의이동거리는 X=600mm, Y=700mm, Z=300mm이며, 주축회전속도는고속가공이가능하도록최대 18,000rpm의성능을갖고있다. 부가적기능으로 12개의공구를자동으로바꿀수있는 ATC(Automatic Tool Changer) 장치와공구를자동으로보정해주는 Tool Presetter 등이있으며, CNC에명령을보내주는컨트롤러는 Fanuc 0i가우측에부착되어있다. 많은학생들에게사용의폭을넓게하기위해서는기계사용에관한기본교육이필요한데, 다음과같은항목을중점적으로사용교육을실시하였다. 기계의동작전과종료후점검할내용에대한설명. 기계원점과작업좌표 G54을설정하는방법. 절삭가공에서위험한상태나원하는방향으로가공이되지않을경우비상정지하는방법. Tool 교체방법및공구보정할경우작업방법. 기계사용에서안전한작업과종료후, 청소하는방법. 교육과정이필요하며이때에도모델링을쉽게제작할수있는솔리드를사용해서연습시키는것이바람직하다. 여기에제시된그림6은 Rhino 3D S/W를사용해서간단하게입체조형물을제작한것이며, 이런연습은초보라도 1주일 4시간씩, 1-2주의교육과정에서충분히이루어질수있다. 이러한 3D형태는 S/W에서제공되는기본적인형태의크기를갖고 Solid 풀다운메뉴와툴바에서 Box와 Cylinder 를선택해사용할수있는 Solid 생성명령을사용해서입체를만든후, 브린 (Boolean) 에사용될형태를 Polyline 과 Extrude 기능을사용해서입체를만들수있다. 7) 이런과정을습득한다음, 학생자신의노력에따라서다음단계로나아갈수있다. 처음부터장시간걸친S/W에대한기능과사용법을설명한다면, 배우는학생들에호기심을잃게되므로바람직하지못하며, 간단히배운내용을바로조형제작에들어가는것이난이도가있는다음단계를접하게하는지름길이된다. 지금은모든교육환경이컴퓨터를사용해서새로운개념을도입하고있기때문에이런과정이현재환경에가장접합한교육방법이될수있다. 재료의크기는 ABS판재로 78x118x20mm(WxDxH) 로서경제적인부담이적게하면서가공을연습할수있을것이다. 이러한교육은화면자료를만들어서사전교육을시킨다음기계가있는현장에서실습을하였다. 특히 Z축이정반에충돌하는일을방지하기위해실습대상재료는부드러운재료를사용했으며, 주축과테이블 ( 정반 ) 의안전을위해가급적 X, Y, Z축의이송은 Handle 로작업을하도록했다. 그림 6) Rhino 3D 에서제작한기초조형모델링. 그림 5) 기계의안전과정확한작업 X, Y, Z 축의위치점을설정하기위해 Handle 를사용하는모습. 3.2 기초조형물제작을통한연습 산업디자인을전공하는 1,2 학년전공기초교육과정에서조 형연습에관한강좌가대부분의대학에개설되어있다. 이런 교과과정에서학생들에게 CAM 을접할수있는기회가되 게함으로서자신이직접컴퓨터로제작한조형결과물의 최종결과물을자동화된 CNC 기기를통해얻어진다면, 전공 에대한깊은의식을고취시킬수있는계기가될수있다. 우선캠을접하기전에 3 차원모델링 S/W 에대한약간의 우선학생들에게자신의조형이자동화된기계를사용해서제작된다는것에많은호기심과함께좋은디자인이되기위한노력을더욱기울이게될것이다. 제작과정도동일한크기의치수를갖고있기때문에여러개를한꺼번에가공이이루어지므로기계사용에대한효율도높이면서많은학생의조형결과물을동시에만들어낼수있다. 이와같은과정을단계별로정리하면다음과같다. Rhino 3D 모델링에대한이해-일정한규격내에서간단한입체조형물제작 -CAM S/W사용법에대한이해-CNC공작기계동작방법실습-CNC공작기계로결과물제작-난이도있는다음과정에대한연습. 4. 가공조건설정 4.1 황삭가공조건설정대상물의가공시간을절약하기위해서통상적으로황삭가공 (Rough Toolpath) 을한다음정삭가공 (Finish Toolpath) 6) Tool Engineer 편집부, 심증수역, 머시닝센터활용매뉴얼, 성안당, 1998. p.17. 7) 윤원근, 예제로배우는라이노 3D & 플라밍고바이블, 비앤비, 2002 p351. - 553 -
의공정을거치게되며, 황삭가공은제품형상에비해크게준비된가공재료의가공시간을절약하기위해 1단계로거치는가공이다. 황삭가공방법에는평행가공, 방사상가공, 투영가공, 면방향가공, 등고선가공, 포켓가공, 수직가공등이있으며, 여기서는산업디자인제품가공에가장많이사용하는포켓가공의대해연구하였다. Rhino에서이미 3D모델링한후 IGES파일로저장된파일를 Mastercam 으로불러오기위해서는다음과같은순서로작업할수있다. 주메뉴-파일-파일변환-IGES-파일읽기 -불러오기위한파일을찾는다. 그러나 Mastercam 으로이미작성된파일은주메뉴-파일-불러오기의순서로바로파일을찾을수있다. 그림 9) Rhino 에서만들어진 IGES 데이터를 Mastercam 에서불러오기한형태에입체사각형이만들어진화면. 그림 7) 파일변환이가능한확장자명 재료설장대화창에서대각모서리 (Select Corners) 선택은재료크기설정을하는작업화면에서설정될재료의입체사각대각모서리두점위치를지정하여설정하는기능으로버튼선택후작업화면에서대각모서리두점위치를지정하면위재료원점및 X, Y, Z, 항목값들이지정된두점위치를기준으로자동계산되어입력된다.( 그림10) 다음에는 Mastercam 에서가공명령을내리기위해서는재료설정을해야하는데여기에는크게 2가지방법이있을수있다. 우선첫번째방법은주메뉴-가공경로-재료설정에서대화상자가나타나는데여기서입체사각형을선택한후대화상자에서가공대상물의크기보다는약간크게 ( 황삭가공에서사용할공구직경을 1.2-1.5배한크기의수치 ) 축별확장길이를설정한다.( 그림8) 만일축별확장길이를 X:0, Y:0, Z:0을선택한다면가공대상물의크기에서여유가없이입체시각형이만들어지게된다. 그림 10) 재료설정대화창에서대각모서리를선택해서가공물의크기를결정한다. 그림 8) 입체사각형대화창에서가공대상물의크기를설정해준다. 또다른방법은주메뉴 - 그리기 - 다음메뉴 - 입체사각형에서 앞에서방법과같은대화상자가나오면설정한후다시주 메뉴 - 가공경로 - 재료설정에서대각모서를지정하고, 입체사 각형의두대각선꼭지점을선택하면된다.( 그림 9) 가공면을 CNC공작기계의정반과 Mastercam 화면을일치시키기위해서는 Mastercam 에서가공대상물을이동시켜줘야한다. 우선그래픽뷰를입체로, 작업평면을 3차원으로설정하고주메뉴-이동-평행이동-모든요소-요소-완료-두점간의이동에서 Z축의좌측상단꼭지점을선택하고, 원점을찍으면가공대상물이원점에놓이게된다.( 그림11) 그림 11) Mastercam 화면에서가공대상물이원점에놓여진모습. 다음은가공조건설정에들어가게되는데여기서황삭가공 에서는산업디자인제품에서가장많이사용하는포켓가공 - 554 -
을연구대상으로했다. 주메뉴-가공경로-포켓가공-체인에서화살표방향에따라가공대상도형선택한다.-체인종료 -완료를하면포켓가공에대한대화창이나온다. 이대화창에서는사용공구번호를지정해준후, 이송속도 (X, Y축 ) 와 Z축이송속도와복귀속도를넣어주어야한다보통은기계사양에서제시한최고속도보다는낮게설정하는데작업대상물의재료와한번에가공하는가공깊이그리고툴조건에따라다르게지정할수있다. 본작업에서는가공대상물이 ABS이고한번에가공하는깊이는 8mm 평엔드밀 (Square End Mill) 로 3mm씩내려갈예정이므로이송속도를 900mm/ 분와 Z축이송속도를 700mm/ 분, 그리고복귀속도를 1000mm/ 분을주웠으며, 주축회전수는 9,000rpm으로결정하였다. 이기계의최대이송속도는 30,000/min 이고, 주축회전속도는 18,000rpm이지만이조건은무부하시이며, 실제가공에서는조건에따라훨씬적은값을넣어주워야기계에무리가가지않고, 원하는가공면의조도를얻을수있다. Pocket Parameter 대화창으로평행나선형모서리잔살제거그림14) 황삭포켓가공조건설정대화창. (Parallel Spiral Clean Corners) 는앞의평행나선형절삭형태로진행되면서대상도형의모서리부의들에대한미절삭이발생하지않도록가공경로가확장되는형태로일정한오버랩나선형가공보다는미절삭영역이완벽하게제거되는장점이있음으로선택하였다.( 그림15) 그림 12) 포켓가공의공구조건설정 (Tool Parameters) 대화창. 그림 15) 황삭절삭에서평행나선형 ( 모서리잔살제거 ) 를선택한대화창. 다음은곡면가공조건설정 (Surface parameters) 대화창으로이송높이에서증분값 (Incremental) 을 50.0mm, 진입높이는 5.0mm로선택, 가공여유는 0.5mm로했다. 공구길이보정은날끝을, 가공여우는 0.5mm로공구중심영역은윤곽기준으로중간을선택한다음가공대상물의재료크기에서상단모서리선을윤곽기준으로설정하였다.( 그림13) 위와같이설정이끝난다음확인버튼을선택하면지금까지설정된모든조건에다른황삭가공경로가생성된다.( 그림16) 이렇게만들어진가공경로는가공정의관리자에서관련내용을저장및수정관리등, 종합적인기능을실행하는기능으로가공정의내용을기반으로한 NC데이터생성, 경로확인, 모의가공, 고속가공, 충돌체크실행을물론추가적인가공정의생성까지실행시킬수있으며, 이미만들어진가공정의를수정또는추가할수도있다.( 그림17) 그림 13) 곡면황삭가공 - 곡면가공조건설정의대화창에서이송높이에서증분값을선택했으며가공여유는 0.5 로했다. 그림 16) 곡면황삭포켓가공을설정한다음가공경로가생성된화면. 다음은황삭포켓가공조건설정으로최대 Z 절삭간격을 3.0mm 로가공방향은하향식을선택하였다.( 그림 14) 디음은 - 555 -
어야한다. 지금까지의작업내용이저장된 NC 파일을열어보면설정 한작업조건이명령문형식의 Text 로작성된것을확인할수있으며, 여기서작업조건수정도가능하다.( 그림 20) 그림 17) 여러가지작업을할수있는가공정의관리자대화창. 지금까지황삭가공설정이끝난다음정삭가공을해야하 는데정삭가공은가공대상물이실제품의형상에일치하게 끔재료를절삭하는가공방법으로다음같은순서로설정 할수있다. 주메뉴의가공경로 - 곡면가공 - 정삭가공 - 평행 가공 - 모든요소 - 곡면 - 완료를선택하면곡면정삭평행가공 대화창이나온다. 여기서부터는황삭가공설정과거의같은 방법으로공구조건 - 곡면가공조건설정 - 정삭평행가공조건 설정을등의대화창에서설정이끝나면정삭가공가공경로 가생성된다.( 그림 18) 그림20) 가공과정을명령문으로작성된 NC프로그램. 4.2 가공시간을단축하기위한설정곡면황삭또는정삭포켓가공대화창에서가공공차를선택하면전체공차설정대화창이나오며, 여기서거르기비율 (Filter Ratio) 을 1:1로선택하면가공시간을절약할수있다. 여기서거르기란가공경로에서두점간의간격과직선또는원호이송경로의길이가항목에입력된값과같거나작은경우해당되는경로구간을삭제해주는기능이다. 절삭순서의최적화 (Gap Settings) 는공구경보정적용방법을컨트롤러로설정한경우에만적용할수있는항목으로이항목을선택하면생성되는가공경로에서사용공구반지름값보다작거나같은원호이송이있는지를시스템이자동체크하여해당경로를삭제하면간섭이발생되는경로형태를자동으로제거해준다.( 그림21) 그림 18) 곡면정삭가공경로가생성된화면. 가공정의관리자창 ( 그림17 참조 ) 에서 NC작업실행항목을선택하면, 배치작업을실행하는과정에서 NC파일까지자동으로생성된다. 이화면의 NC파일은 NC파일조건을설정하는영역으로 NC파일저장은항목을선택하면, NC파일을생성하되해당가공정의실행과정에서설정한 NCI 파일이름과동일한 NC파일을생성한다. 그리고파일전송에서기계로전송실행항목을선택하면 OK선택후, 생성된 NC파일이가공기계의컨트롤러로전송을실행한다. 그림 21) 가공시간을단축하기위해서는전체공차설정대화창에서는거르기비육을 1:1 로선택하면, 틈새이송조건설정에 서는절삭순서의최적화를선택한다. 그림 19) NC 작업조건을 설정하는대화창. 여기서생성된 NC 파일은자동으로저장되므로파일명을지정해주 4.3. 이송속도와가공시간그림12의포켓가공의공구조건설정대화창에서이송속도 (Tool Speed) 는선택공구가작업평면의수직또는수평방향으로 XY축, XZ축, YZ축등의가공에서적용될이송거리로서환경설정에따라분 /mm 또는분 / 인치로적용된다. 이송속도는가공시간을단축시키기위한가장중요한요소이며, 지나치게이송속도의변화를빠르게한다면기계에무리가갈수있으며, 가공대상물의표면이거칠게가공되므로적절한속도로설정할필요가있다. - 556 -
가공시간 50분 40분 30분 20분 10분 800 1100 1400 1700 2000 이송속도 표2) 이송속도 ( 분 /mm) 변화에다른 가공시간과의관계. 위의표2는단순하게이송속도의가감에따른동일한조건 의가공시간의변화로서, 가공조건에따라서일정범위 ( 이송 속도 1,400-2,000) 에서 가공시간이 크게 변화하지 않음을 알수있다. 그러므로여러가지가공조건의실험을통해 경험을축척할필요가있다. 다음표3은이송속도를포함해서 Z축이송속도, 복귀속도와 주축회전수의변화에다른가공시간의변화로서주축회전 수의변화는실제로가공시간에영향을주는것은아니며, 다만가공조건에서가공면의조도와함께기계의부하를 적게하는데도움이된다. 여기서 Z축이송속도는가공깊 이에서 Z축의음 (-) 방향으로진입하는경우적용되는분당 이송거리이며, 복귀속도는 Z축의양 (+) 방향까지다음가공위 치가지이송하는거리를말한다. 이송속도 700 900 1100 1300 1500 Z축이송속도 500 700 900 1100 1300 복귀속도 800 1000 1200 1400 1600 주축회전수 7000 9000 11000 13000 15000 가공시간 32분30초 25분20초 19분7초 16분26초 14분26초 표3) 이송속도, 복귀속도, 주축회전수 변화에 따른 가공시간과관계. 가공시간에영향을또다른원인으로는가공대상물의크기 이다. 크기는 WxHxD의개념으로높이가높거나넓은면 적일경우가공시간이길어진다. 그러므로동일한높이의 부품을같은재료에포함시켜서가공시간을단축하는방 법이될수있다. 그림22) 표3의 2의조건으로황삭가공했을때소요시간은 44분 28초이다.( 제품의크기는 84x62x50mm). 그림23) 표3의 2의조건으로황삭가공했을때소요시간은 2시간 8분 20초이다.( 제품의크기는 294x133x51mm). 그림22는지금까지제시한가공대상물보다는높이가큰조형물의가공시간을표3의 2의조건으로실험을해본것이며, 그림23은그림22와높이는비슷하고넓이가큰제품의가공시간을측정해본것이다. 여기실험에서보여주는것처럼 WxHxD의개념으로부피가큰제품의가공시간이많이걸리는것을알수있다. 5. 결론 CAM S/W는대학교육기관에서도입은실무에좀더가까이접근할수있는디자이너의배출이라는점에서큰도움이되고있다. 앞으로는모든것이컴퓨터의도움없이는이루어질수없으며, 이런산업디자인환경이디자이너에게는새로운방향의경제적인요구에따라야할것이다. 산업디자인의전과정이신속하면서정확하고기업의이윤에도기여해야하므로앞으로의모든과정이경쟁적인체계에서는신제품개발환경에디자이너의역할이폭넓게역할을해야만한다. 그러므로학교교육에서 CAM과 CNC의도입은확대되어야만하면학생들에게창의적인발상단계에서부터최종결과물까지를직접해결함으로서미래의산업디자이너로서역할을수행할수있다고본다. 앞에서도논했지만도입의필요성을느끼지만지금가지의단계보다는전문성과공작기기의운영의어려움이있기때문에활발하게사용되지못했든것이현실이다. 더구나안전에관한것은아무리강조해도지나침이없으며, CNC주축이고속으로 - 557 -
회전하면서가공해나가기때문에안정에부주의하면자칫큰사고가발생할위험이크다. 그리고사용자를확대해서많은사람이사용해야하지만고가의공작기기는한번고장이나면큰수리비를지불해야하므로경제적인어려움과함께사용상의문제점을갖고있다. 결국은모든사람에게운영에관한교육이필요하지만실제로운영자는소수로한정시켜야될것이며, 교육과정속에서충분히숙달된사람으로제한해서운영하는것이바람직하다. 다수에게교육이필요한이유는기기성능에관환경을알고있어야만자신의가공대상물에대한방법적인체계를세울수있기때문이다. CAM S/W의사용이나 CNC공작기계작업에서는쉬운것부터작업해나아감으로서점점어려운단계의작업이가능해지도록, 체계를세워서교육한다면자연스럽게기기에접근해질수있고자신이산업디자인전반적인과정을이해하는데도큰도움이될수있다. 참고문헌권동호외, CAD, CAM실무, 예문사, 2003. 박종열외, CNC프로그래밍 & 가공기술, 일진사, 1999. 백창수외, 공업디자인을위한컴퓨터조형교육과정의인식전환과세분화연구, 기초조형학연구 Vol.3. No.1, 2002. Tool Engineer 편집부, 심증수역, 머시닝센터활용매뉴얼, 성안당, 1998. 윤원근, 예제로배우는라이노 3D & 플라밍고바이블, 비앤비, 2002 http://kr.encycl.yahoo.com/final.html?id=97508&from=enc, 2003. http://kr.encycl.yahoo.com/final.html?id=97508&from=enc, 2003. - 558 -