수치 제어

3. 주요 특징

CNC 공작 기계는 일반적으로 최소 두 개 이상의 축(X, Y)을 제어하며,^[4] Z축으로 움직이는 공구 스핀들을 제어한다. 공구의 위치는 스테핑 모터나 서보 모터를 통해 정밀하게 제어된다. 개방 루프 제어는 힘이 충분히 작게 유지되고 속도가 너무 빠르지 않으면 작동한다. 상업용 금속 가공 기계에서는 폐쇄 루프 제어가 표준이며, 요구되는 정확도, 속도 및 반복성을 제공하는 데 필요하다.

NC 공작 기계는 각각의 축이 독립적인 메커니즘과 피드백 기구를 갖추고 있다. 예를 들어, XYZ 축을 가지는 NC 프라이즈반은 X축, Y축, Z축 각각의 방향으로 슬라이드 축을 가지며, 독립적인 서보 기구를 가지고 있다.

공작 기계를 자동으로 동작시키기 위해, 프로그램을 해석하는 컴퓨터와 결합하여 CNC로 사용된다. 현재는 CNC가 아닌 NC 공작 기계는 거의 없으며, 단순히 NC 공작 기계라고 부르는 경우는 CNC 공작 기계를 가리킨다. CNC로 사용되는 프로그래밍 언어를 '''NC프로그램'''이라고 한다.

CNC는 레이저 절단, 용접, 마찰 교반 접합, 초음파 용접, 플라즈마 절단, 굽힘 가공, 헤라 압출 가공 등 일련의 움직임과 조작으로 기술될 수 있는 임의의 공정에 사용되고 있다.

3. 1. 부품 설명

3. 2. 위치 제어 시스템

4. CNC 기계의 종류

NC 공작 기계는 각 축이 독립적인 메커니즘과 피드백 장치를 갖추고 있다. 예를 들어, XYZ 축을 가진 '''NC 프라이즈반'''은 각 축 방향으로 슬라이드 축과 독립적인 서보 기구를 가진다. X 방향으로 100.0mm 이동하라는 지령이 내려지면, X축 엔코더(encoder)를 통해 100.0mm 이동이 보장된다.

오늘날 대부분의 NC 공작 기계는 컴퓨터와 결합된 CNC(Computer Numerical Control) 형태로 사용되며, '''CNC'''가 아닌 '''NC''' 공작 기계는 거의 없다. 따라서 일반적으로 '''NC 공작 기계'''라고 하면 '''CNC 공작 기계'''를 의미한다. CNC에서 사용되는 프로그래밍 언어는 '''NC 프로그램'''이라고 불린다.

제어기 하드웨어의 발전에 따라 공작 기계 자체도 발전했다. 안전 조치로 전체 메커니즘을 큰 상자에 넣어 작동자가 안전하게 작업할 수 있도록 하는 변화가 있었다. 여기에는 작업자가 안전 거리를 유지하도록 하는 추가 안전 인터록이 포함되는 경우가 많다. CNC와 유사한 시스템은 움직임과 작동으로 설명 가능한 모든 공정에 사용된다.^[10]

CNC 기계	설명	이미지
밀링 머신	특정 숫자와 문자로 구성된 프로그램을 해석하여 스핀들(또는 공작물)을 다양한 위치와 깊이로 이동시킨다. 스핀들의 방향에 따라 수직 밀링 센터(VMC) 또는 수평 밀링 센터(HMC)로 나눌 수 있다. G-코드를 사용하며 페이스 밀링, 숄더 밀링, 태핑, 드릴링 등의 기능이 있고, 일부는 터닝도 제공한다. 3~6축을 가질 수 있다.
선반	공작물이 회전하는 동안 인덱서블 공구 및 드릴을 사용하여 빠르고 정밀하게 절단한다. G-코드를 읽을 수 있으며, 일반적으로 2축(X 및 Z)을 가지지만, 최신 모델은 더 많은 축을 갖추고 있어 더 발전된 작업을 할 수 있다.
플라즈마 절단기	플라즈마 토치를 사용하여 강철 및 기타 금속을 절단한다. 가스를 고속으로 분사하고 전기 아크를 통해 플라즈마를 생성하여 재료를 녹이고 절단한다.
방전 가공	(EDM)은 전기 방전(스파크)을 사용하여 원하는 모양을 얻는 제조 공정이다. 싱커 EDM과 와이어 EDM으로 나눌 수 있다.
멀티 스핀들 머신	대량 생산에 사용되는 자동 선반의 한 유형으로, 여러 개의 스핀들을 가진 드릴 헤드를 통해 다양한 공구 세트를 동시에 활용하여 재료를 효율적으로 절단한다.
워터 제트 커터	"워터젯"이라고도 하며, 고압의 물 제트 또는 연마재 물질과 물의 혼합물을 사용하여 금속, 화강암 등을 절단한다.
프레스	시트 금속, 합판 등 얇은 재료에 구멍을 뚫고 절단하는 데 사용된다.
기타 CNC 기계	레이저 절단, 용접, 마찰 교반 용접, 초음파 용접, 화염 절단, 굽힘, 스피닝, 구멍 펀칭, 핀 고정, 접착, 섬유 절단, 재봉, 테이프 및 섬유 배치, 라우팅, 피킹 및 배치, 톱질, 연삭반 (평면, 원통), 파이프 벤더 등이 있다.

4. 1. CNC 선반

4. 1. 1. 준비 기능 (G 코드)

• '''ONE Shot G-코드''' : 지령된 블록에 한해서 유효한 기능 (G04, G10 등)
• '''Modal G-코드''' : 한번 지령되면 다른 G코드로 변경하기 전까지 유효한 기능

4. 1. 2. 보조 기능 (M 코드)

4. 2. CNC 밀링 머신

4. 2. 1. 준비 기능 (G 코드)

• G00: 공구를 급속 이송한다.^[1]
• G01: 절삭 이송을 한다.^[2]
• G02/G03: 원호를 보간하여 가공한다.^[3]

4. 2. 2. 보조 기능 (M 코드)

4. 3. 기타 CNC 기계

이 외에도 레이저 절단, 용접, 마찰 교반 용접, 초음파 용접, 화염 절단, 굽힘, 스피닝, 구멍 펀칭, 핀 고정, 접착, 섬유 절단, 재봉, 테이프 및 섬유 배치, 라우팅, 피킹 및 배치, 톱질 등 다양한 CNC 기계가 존재한다.^[10]

5. 코딩

코딩은 수치 제어 프로그래밍에서 기계의 동작을 지시하는 명령어 집합을 의미한다. NC 프로그래밍에는 G 코드와 M 코드가 주로 사용된다.^[25]

'''G 코드'''는 "G"라는 문자와 2~3자리의 숫자로 구성되며(예: G01^[14]), 기계의 특정 움직임을 명령하는 데 사용된다. 밀링 머신과 선반 응용 프로그램 간에는 약간의 차이가 있다. G 코드는 지령된 블록에 한해서 유효한 '''ONE Shot G 코드'''와 한번 지령되면 다른 G 코드가 나올때 까지 유효한 '''Modal G 코드'''로 나뉜다.

'''M 코드'''는 축의 움직임을 제어하지 않는 기타 기계 명령어를 나타낸다. M 코드의 형식은 문자 M 뒤에 두세 자리 숫자가 오는 것이다.^[13]

5. 1. G-코드

• G00: 급속 이송 위치 지정
• G01: 선형 보간 이송
• G02: 원형 보간 이송 (시계 방향)
• G03: 원형 보간 이송 (반시계 방향)
• G04: 정지 (그룹 00) 밀
• G10: 오프셋 설정 (그룹 00) 밀
• G12: 원형 포켓 가공 (시계 방향)
• G13: 원형 포켓 가공 (반시계 방향)

• '''ONE Shot G-코드''' : 지령된 Block에 한해서 유효한 기능 ("00" Group ; G04, G10)
• '''Modal G-코드''' : 지령된 Block에 한해서 유효한 기능 ("00" 이외의 Group)

• O - 프로그램 번호
• N - 블록이름(시궨스 번호)
• S - 주축기능
• F - 이송기능
• M - 보조기능
• T - 공구기능

최근에는 파라메트릭 프로그래밍(매크로 프로그래밍)이라고 불리는 논리 명령을 지원하는 CNC 인터프리터도 등장하고 있다. 파라메트릭 프로그램에는 장치 제어 명령과 동시에 BASIC풍의 제어 언어가 포함되어 있다. if문, 루프, 서브루틴, 각종 산술 연산, 변수 등을 사용할 수 있어 프로그램의 자유도가 향상되었다.

5. 2. M-코드

6. 충돌 문제

CNC 기계 작동 중 "충돌(크래시)"은 기계, 공구, 또는 가공 부품이 해로운 방식으로 움직일 때 발생한다. 이로 인해 절삭 공구, 액세서리 클램프, 바이스 및 고정구가 휘거나 파손될 수 있고, 심하면 가이드 레일이 휘거나 드라이브 스크류가 파손되는 등 기계 자체에 손상이 발생할 수 있다.^[11] 경미한 충돌은 기계나 공구에는 손상을 주지 않지만, 가공 중인 부품을 손상시켜 폐기해야 할 수도 있다.

많은 CNC 공구는 전원을 켰을 때 테이블이나 공구의 절대 위치를 알지 못한다. 따라서 작업을 시작하기 전에 수동으로 "원점 복귀" 또는 "영점 조정"을 해야 한다. 하지만 이러한 제한은 작업할 부품의 위치를 파악하기 위한 것이며, 기계 작동에 대한 엄격한 제한은 아니다. 드라이브 메커니즘의 물리적 경계를 벗어나 기계를 구동하여 자체적으로 충돌하거나 드라이브 메커니즘에 손상을 주는 경우가 많다. 많은 기계는 물리적인 리미트 스위치 외에도 특정 한계를 넘어서는 축 이동을 제한하는 제어 매개변수를 구현하지만, 작업자가 이러한 매개변수를 변경할 수 있다.

CNC 공구는 작업 환경에 대해 알지 못하는 경우가 많다. 일부 기계는 스핀들과 축 드라이브에 부하 감지 시스템을 갖추고 있지만, 그렇지 않은 기계도 있다. 이들은 제공된 가공 코드를 따르며, 충돌이 발생하거나 발생하려는 징후를 감지하고 활성 프로세스를 수동으로 중단하는 것은 작업자의 몫이다. 부하 센서가 장착된 기계는 과부하 조건에 대응하여 축 또는 스핀들 움직임을 중지할 수 있지만, 충돌 발생을 완전히 방지하지는 못하고 충돌로 인한 손상을 제한할 뿐이다.

드라이브 시스템이 기계의 구조적 무결성보다 약한 경우, 드라이브 시스템은 장애물에 밀려나고 드라이브 모터는 "제자리에서 미끄러진다". 공작 기계는 충돌 또는 미끄러짐을 감지하지 못할 수 있으므로, 예를 들어 공구는 X축에서 210mm에 있어야 하지만 실제로는 장애물에 부딪혀 32mm에 있을 수 있다. 이렇게 되면 다음 모든 공구 움직임은 X축에서 -178mm만큼 벗어나게 되고, 이후의 모든 움직임은 유효하지 않게 되어 클램프, 바이스 또는 기계 자체와 추가 충돌을 초래할 수 있다. 이는 개방 루프 스테퍼 시스템에서 흔히 발생하지만, 폐쇄 루프 시스템에서는 기계적 미끄러짐이 발생하지 않는 한 불가능하다. 폐쇄 루프 시스템에서는 드라이브 모터가 과부하 상태가 되거나 서보 모터가 원하는 위치에 도달하지 못할 때까지 기계가 계속 이동하려고 시도한다.

상업용 CNC 금속 가공 기계는 축 이동에 폐쇄 루프 피드백 제어를 사용한다. 폐쇄 루프 시스템에서 컨트롤러는 절대 또는 증분형 엔코더를 사용하여 각 축의 실제 위치를 모니터링한다. 적절한 제어 프로그래밍은 충돌 가능성을 줄여주지만, 기계를 안전하게 작동하는 것은 여전히 작업자와 프로그래머의 몫이다. 가공 시뮬레이션 소프트웨어를 통해 사이클에 충돌이 포함될지 여부를 예측할 수 있다.^[11]

7. 정밀도

CNC 프로그래밍의 수치 시스템에서 코드 생성기는 제어되는 메커니즘이 항상 완벽하게 정확하거나, 모든 절삭 또는 이동 방향에 대한 정밀 공차가 동일하다고 가정할 수 있다. 대부분의 최신 NC 기계에서는 볼 스크류를 일반적으로 사용하여 백래시를 대부분 제거하지만, 이를 고려해야 한다. 기계적 백래시가 많은 CNC 공구라도 구동 또는 절삭 메커니즘이 한 방향에서만 절삭력을 가하도록 구동되고 모든 구동 시스템이 해당 절삭 방향으로 단단히 눌려 있으면 여전히 매우 정밀할 수 있다. 그러나 백래시가 크고 절삭 공구가 무딘 CNC 장치는 커터 채터(cutter chatter)와 공작물 홈 가공을 유발할 수 있다. 백래시는 축의 이동 방향이 절삭 중에 반전되는 일부 작업, 예를 들어 축의 움직임이 사인파인 원을 밀링하는 작업의 정밀도에도 영향을 미친다. 그러나 백래시의 양이 선형 인코더 또는 수동 측정을 통해 정확하게 알려지면 이를 보상할 수 있다.^[1]

높은 백래시 메커니즘 자체는 절삭 프로세스에 대해 반복적으로 정밀해야 할 필요는 없지만, 다른 기준 물체나 정밀한 표면을 사용하여 메커니즘을 영점 조정할 수 있으며, 기준에 압력을 가하여 모든 후속 CNC로 인코딩된 동작에 대한 영점 참조로 설정한다. 이는 마이크로미터를 기준 빔에 고정하고 해당 물체를 기준으로 사용하여 버니어 다이얼을 영점으로 조정하는 수동 공작 기계 방법과 유사하다.^[1]

8. 대중 문화

북한의 보천보 전자악단에는 "돌파하라 최첨단을"이라는 곡이 있다. 가사에 CNC의 이름이 등장하며, 전체적으로 CNC에 의한 경제·공업의 더욱 큰 도약을 노래하고 있다.^[31]

참조

_[1] 웹사이트 What Is A CNC Machine? https://cncmachines.[...] 2022-02-04
_[2] 웹사이트 Automation - Numerical Control, Robotics, Manufacturing {{!}} Britannica https://www.britanni[...] 2024-10-31
_[3] 웹사이트 What is CNC Milling and How Does it Work: Everything You Need to Know - 3ERP https://www.3erp.com[...] 2022-06-30
_[4] 간행물 Key CNC Concept #1—The Fundamentals Of CNC http://www.mmsonline[...] 1997-01-04
_[5] 웹사이트 CNC Machining Industry: new & important trend https://capablemachi[...]
_[6] 논문 Automated layer decomposition for additive/subtractive solid freeform fabrication 1999
_[7] 학술지 HYBRID ADDITIVE AND SUBTRACTIVE MANUFACTURING PROCESSES... https://bibliotekana[...] 2018
_[8] 논문 Supervision controller for real-time surface quality assurance in CNC machining using artificial intelligence 2019
_[9] 학술지 Analysis of Material Removal Rate and Electrode Wear in Sinking EDM Roughing Strategies using Different Graphite Grades 2013-01-01
_[10] 웹사이트 Multi Spindle Machines - An In-Depth Overview https://www.davenpor[...] 2017-08-25
_[11] 간행물 New users are adopting simulation software http://www.mmsonline[...] 2014-03-14
_[12] 문서 カタカナ表記は「コンピュータライズド・ニューメリカル・コントロール」
_[13] 문서 カタカナ表記は「ホワールウィンド」
_[14] 서적 1978
_[15] 서적 1978
_[16] 문서 カタカナ表記は「プロント」
_[17] 간행물 The CAD/CAM Hall of Fame: Patrick J. Hanratty http://www.americanm[...]
_[18] 서적 2001
_[19] 서적 2001
_[20] 서적 1994
_[21] 문서 カタカナ表記は「スケッチバッド」
_[22] 문서 カタカナ表記は「ディジグラフィクス」
_[23] 논문 The recent history of the machine tool industry and the effects of technological change http://www.bwl.uni-m[...] LMU 2001-11
_[24] 서적 When the Machine Stopped Harvard Business School Press 1989
_[25] 간행물 EIA Standard RS-274-D Interchangeable Variable Block Data Format for Positioning, Contouring, and Contouring/Positioning Numerically Controlled Machines Electronic Industries Association 1979-02
_[26] 문서 カタカナ表記は「マザトロール」
_[27] 웹사이트 Use of Open Source Distribution for a Machine Tool Controller https://www.nist.gov[...]
_[28] 웹사이트 LinuxCNC.org http://www.linuxcnc.[...]
_[29] 웹사이트 Home made CNC machine http://hackedgadgets[...]
_[30] 웹사이트 コンピュータの夢を広げる画期的な3次元入力デバイス 3Dスキャナ ピクザ model PIX-3 - ローランド ディー.ジー.株式会社 https://www.rolanddg[...] 1997-09-12
_[31] Youtube 「突破しよう、最先端を！（돌파하자 최첨단을!）」 「朝鮮の今日」日本語字幕付き https://www.youtube.[...]
_[32] 뉴스 큐리어스, CNC컨트롤러 ‘센트롤3’ 출시 https://news.naver.c[...]