As the requirement of High-speed and High-precision machining increases the importance of geometric shape of cutting tool and surface quality gets growing. Consequently, manufacturers adopt expensive High Precision Tool Grinding Machine abruptly to satisfy needs of High-speed and High-precision machining. But the expensive High-Precision Tool Grinding Machine has low productivity because the operation is mostly complex and the performance is highly dependent on the operator's heuristic experiences and experimental machining conditions. In this research, CNC tool grinding system has been developed with open architectural PC-NC kernel. The developed 4 axis tool grinding system is motion-controlled by PC-based controller. Because this tool grinding system controlled by PC, various systems can be added.
To reduce the machining error, machine vision system is adopted. By using the various image processing algorithms, alignment and auto-setup processes are achieved between grinding wheel and workpiece. Also, the resolution of machine vision system was improved 10-45 times with the process of image enhancement and noise reduction.
In grinding mechanism, there exist numerous parameters especially in machining conditions and processes. It is a very hard work to decide the optimal machining parameters. In this work, to optimize the grinding conditions, the grinding force was monitored using hall sensor. Since the hall sensor signal from the spindle current represents the grinding force, overloaded grinding force could be stablized by feed rate control.
In grinding process, as the wheel wear is natural phenomenon with its self-sharpening action, it is so difficult to measure the wear width during grinding process. The tracking method was developed with machine vision system. This algorithm enables the system to measure the width of wear during grinding process. It is very useful to compensate the wheel wear in real-time.
본 연구에서는 중대형 공구연삭기를 대체할 수 있는 소형의 CNC 공구연삭 시스템을 구성하였고, 기존의 공구연삭기와는 다른 테이블 뿐만 아니라, 휠이 직접 이송될 수 있으므로 가공의 자유도가 높아져 가공 뿐만 아니라, 가공중의 연삭휠이 상태를 판단하는데 매우 용이하게 되었다. 또한, PC 기반 개방형 제어기(open-architecture controller)를 소형 공구연삭 시스템에 탑재하였으므로, 소형 공구연삭기를 CNC화 하여 소형 공구연삭 가공의 자동화를 실현할 수 있는 공구연삭 전용의 개방형 4축 소형 CNC 공구연삭 시스템이 구현되었으며 동시에 다양한 사용자 정의형 시스템의 적용이 가능해졌다. 따라서, PC기반 개방형 콘트롤러를 통해 조그이송, 직선이송, 원호이송, 및 이송속도 조절, 가공코드를 통한 가공을 수행할 수 있는 응용프로그램을 개발하였고, 그 밖에 머신비젼을 통한 영상처리 소프트웨어를 직접 구현하였으며, 가공코드를 자동으로 생성하는 소프트웨어를 개발이 가능하였다.
연삭가공에 있어서, 연삭력과 주축전류와의 관계, 주축동력을 이론적으로 계산하였으며, 연삭동력과 연삭연소의 관계 및 가공 표면 거칠기식으로부터 이송속도, 주축회전속도, 가공깊이를 결정하도록 하였다. 또한, 가공시 빈번히 발생되는 인서트의 코너가공시 마멸 및 연삭연소 현상을 이론적으로 해석하였다. 해석결과, 코너가공시 연삭깊이의 증가로 인하여 연삭력이 증가됨을 기하학적으로 분석하였으며, 코너 가공시 연삭력의 분포를 계산하였다. 이론적으로 계산된 값은 실험결과를 통해 타당성을 입증하였다. 그리고, 정량적인 가공조건을 통해 코너가공시 연삭력의 증가를 22% 저감 및 직선부 대비 23% 이내까지 안정화되었고, 표면거칠기의 경우 상업용 인서트에 비해 50%의 표면거칠기를 향상시켰으며, 연삭연소 현상 및 연삭휠 마멸현상을 방지할 수 있다.
공구연삭 가공의 특성을 고려하여 고정밀도를 확보하기 위해 머신비젼 시스템의 영상처리 기법 중 명암의 대비를 증대시키는 히스토그램 균등화 및 영상 노이즈제거 방법 등의 구현을 통하여 머신비젼 시스템의 측정 정밀도가 0.2um까지 향상되었다. 또한, 연삭휠의 회전에러를 판단하고, 회전 에러량의 보정 및 연삭휠과 인서트의 사이의 얼라인먼트를 자동으로 수행토록 하였다. 그리고, 가공을 위한 이송명령을 손쉽게 하기 위한 방법으로써 그랩한 영상에서 자표정보를 통해 직접 원하는 위치로 자동으로 이송될 수 있도록 하는 알고리즘을 수행하여 공구연삭 가공에 있어 정밀도의 향상과 자동화를 실현하였다.
가공중에는 기존의 머신비젼이 문제시되었던 연삭휠의 상태를 판단하기 위해 정해진 위치로 반드시 이동시킨 후 검출하는 방법이 수행되었다. 그러나, 이 방법은 연삭휠의 악화 상태를 판단하기 위해 검출 위치로의 불필요한 이송을 매번 수행해야 하는 비생산적인 프로세스를 포함하므로, 본 연구에서는 연삭휠을 정지하지 않고 가공 온라인상에서 휠 마멸량을 모니터링할 수 있도록 트랙킹 알고리즘을 통해 마멸량을 계산하도록 하였다. 실제 실험결과를 통해 마멸량은 가공시간에 대략적으로 비례하여 마멸이 진행됨을 확인하였다. 뿐만 아니라, 마멸량 보정에 있어 다른 센서류를 이용하는 방법에 비해 변환 혹은 환산과정을 거치지 않으므로 직접적이며 동시에 계산과정이 매우 용이하다.
마지막으로, 머신비젼을 통해 연삭휠 및 인서트 형상정보로서 연삭휠의 직경, 인서트 대각길이 및 두께정보와 정량적으로 선정된 가공조건으로서 이송속도, 주축회전속도, 가공깊이등을 직접 입력받도록 구현하여 기존의 고가의 공구연삭 전용 CAD/CAM 소프트웨어의 대체할 수 있으므로 연삭가공에 있어 경제성 및 연삭공정의 단순화가 가능하다.
본 연구에서 연삭가공 시스템, 가공 모니터링 시스템, CNC 제어 시스템 및 머신 비젼 시스템 등의 다양한 시스템의 적용은 제어기의 개방성에서 기인하여 가능하게 된 것이다. 그 결과, 공구연삭가공에 있어서 연삭력 과부하 방지를 통한 안정화, PC 기반 개방형 제어기를 통한 자동화, 머신 비젼 시스템의 영상처리를 통한 고정밀화 및 이송자동화가 실현될 수 있다. 또한, 머신 비젼시스템의 영상정보와 정량적 가공조건을 가공코드 생성시 부여토록 하여 기존 CAD/CAM 소프트웨어 대체가 가능해져 연삭가공공정이 단순화될 수 있다.
마지막으로, 가공 온라인상에서의 마멸량 계산 알고리즘을 통해 마멸량 보정의 정량화 등이 가능해지므로 앞으로 공구연삭시장에서 큰 실용성을 가질것으로 기대된다.
