While a conventional NC system treats only simple entities (such as lines and arcs) as discretized, more developed systems have a direct curve interpolation function to treat the curve itself. In this way they could reduce the data size transferred to the NC and lower the feedrate fluctuation. Finish machining of a curved surface is often carried out by an NC system with curve interpolation. This function, called a NURBS interpolation, adopts a feedrate optimizing strategy based on both the geometrical information of the curved path and dynamic properties such as the curvature of the curve, the allowable acceleration and the time constant. However, in the case of a finish cut using a ball-end mill, the curve interpolator needs to take the machining process into account for improved surface roughness, while reducing the polishing time.
This surface roughness on high-speed machining is theoretically defined by the feed per tooth and the pickfeed at the given radius of the tool, but conventional roughness model is not enough to express the topology of the surface machined with high feed conditions. In conventional finishing, the scallop height defined by the path interval on the surface texture is dominant. However, high-speed machining requires a small removal volume and a high feedrate. The effect of the cutter mark in the feed direction should no longer be negligible. Therefore, the control of the cutter mark height in the feed direction insures surface quality of high feed machining and saves time in manual polishing processing.
A feedrate adjustment scheme that depends on the inclination angle has important potential application in part finishes consistent with prescribed surface roughness. The results show that the proposed algorithm is potentially useful for roughness-controlled machining of curved surface products. To reduce the polishing time for the final product, the finish cut should meet the desired surface requirement.
This paper focuses on the particular curve interpolation that controls the surface roughness and drives the geometrical roughness model to also cover the machining by the bottom of the cutter. To get a surface with uniform roughness, an optimal feedrate is recommended by the extended geometrical roughness model and the inclination angle of the tool path.
In this study, NURBS curve interpolation scheme with a variable feedrate for the surface requirement was presented. To cope effectively with abnormal elevated peaks on surface especially in the high feed machining, the extended surface roughness model described by geometrical parameters was proposed using results from the composition of a machined surface texture. A feedrate control scheme that depends on the inclination angle of workpiece (or tool path) was implemented into a NURBS interpolator based on a PC-NC. Through the actual machining, the finished surface consistent with the prescribed surface roughness could be obtained. This result shows that the proposed algorithm is potentially useful for controlling roughness during machining a curved surface-product with a ball-end mill.
종래의 CNC에서는 곡선 경로를 직선이나 원호 같은 간단한 엔티티로 분리하여 처리하였으나, 최근 들어 해석곡선의 정의로부터 직접 공작기계를 구동하는 직접보간이 도입되었다. 이를 이용하면 CNC로 전달되는 데이터 량을 줄여서 통신부하를 경감시키고, 이송속도의 변동을 최소화하는 등의 장점이 있다. 현재까지의 연구결과는 주로 스플라인과 NURBS 곡선의 실시간 보간기의 고속, 고정밀의 구현 및 응용에 관한 것이 대부분이었다. NURBS 공구 경로는 황삭이나 중삭이 아니라 3차원 형상의 정삭에 주로 응용이 되므로 후처리 사상작업을 최소화하는 것이 중요하다. 미소한 가공량으로 급속히 빠른 이송을 추구하는 고속가공 조건에서의 가공면의 품위를 원하는 목표에 달성하도록 제어할 수 있다면, 가공면의 품위를 보장하면서 가공 효율을 크게 향상 시킬 수 있을 것이다 따라서, 본 연구에서는 실시간 NURBS 보간기를 개방형 제어기 환경에서 구현하고, NURBS 곡선 경로부터 해석적으로 얻을 수 있는 기하학적인 정보를 이용하여 가공면에서 일정 표면 거칠기를 얻을 수 있는 운동 명령을 생성하는 NURBS 보간 알고리즘을 제안하고, 이를 가공면의 Z-map 모사와 가공 실험을 통하여 확인 하였다. 이송속도 제어를 위하여 볼 엔드밀 공구의 정점에 의한 영향까지 고려한 확장 표면 거칠기 모델을 새로이 제안하였고, NURBS 곡선 경로에 대한 가공실험을 통하여 성능을 확인하였다. NURBS NC 코드에 의한 가공의 경우에 직선 코드가 매 블록마다 속도 지령을 하는 것과는 달리, 속도지령을 하나의 곡선 단위로 할 수 밖에 없으므로, 보간 단계에서 보간 주기로 미세하게 이송속도를 조정하는 것이 요구된다.
먼저, NURBS 보간 알고리즘과 소프트웨어를 실시간 처리에 바탕을 두고 설계하였고, 기존 NURBS 제어기와는 달리 하나의 주 프로세서로 처리할 수 있는 소프트웨어 NURBS 제어기를 구현하였다. 보간전 가감속을 NURBS 곡선 경로에 대하여 적용하여 고속에서 정밀도를 유지할 수 있도록 하였다.
또한, 곡선 보간기는 선형 보간기와는 달리 보간점 선정시 위치와 속도가 동시에 지정되므로 속도 정밀도와 경로 정밀도를 모두 고려하여야 하는데, 둘 모두를 허용 제한값 이하로 유지할 수 있는 알고리즘을 제시하고 적용하였으며, 그 결과 NC내부에서 지정된 보간 오차를 준수하고, 속도 오차를 1.2% 이내로 유지할 수 있음을 확인하였다.
NURBS 예제 곡선에 대한 시뮬레이션을 통하여 제안된 NURBS 보간기의 성능을 검증하였다. 보간 단계에서 고속가공에 대응할 수 있는 지능화 알고리즘인 NURBS 경로에 의한 정삭에서 가공면 거칠기를 제어하기위하여 변동이송 NURBS 보간 기법을 적용하였으며, 특히, 고이송 가공에서 공구 정점 부근의 인선이 가공면에 남기는 특이 돌출부를 효과적으로 대처할 수 있음을 보였다. 이를 위하여 확장된 표면 거칠기 모델을 기하학적인 인자로부터 유도하였고, 이를 PC-NC기반에서 NURBS 곡선 보간 알고리즘에 적용하였다. 새로이 제안된 확장된 표면 거칠기 모델은 이송 경사각의 정보만으로 표면 거칠기와 이송속도 사이의 관계를 정하므로 실시간 곡선 보간에 응용하는데 무리가 없었으며, 목표 표면 거칠기를 충분히 달성할 수 있었다. 이러한, 이송경사각에 따른 변동이송 곡선보간 기법은 미리 지정된 목표 거칠기를 균일하게 유지하므로 정삭 가공에 유효하며, 곡면을 가진 부품의 표면 거칠기를 제어할 수 있었다.
