CNC 기계의 5가지 핵심 시스템: 이 도표를 이해하면 CNC 작동 원리를 이해할 수 있습니다.

CNC 기계 시스템은 기계가 NC 프로그램을 읽는 방법, 각 축을 구동하는 방법, 실제 위치를 확인하는 방법, 공구 교환, 냉각수 및 기타 보조 기능을 제어하는 ​​방법을 결정합니다. 녹색 "사이클 시작" 버튼을 누르면 이 다섯 가지 시스템이 수 밀리초 내에 함께 작동하기 시작합니다.

이전 두 편의 기사에서는 CNC 공작기계의 역사적 발전 과정 과 CNC 좌표계에 대해 소개했습니다.

이 글에서는 한 단계 더 나아가 보겠습니다.

CNC 공작기계는 어떤 시스템들로 구성되어 있나요? 이러한 시스템들은 어떻게 서로 연동되나요? 여러분이 매일 사용하는 기계 내부에서는 정확히 어떤 일이 일어나나요?

CNC 기계 시스템이 사이클 시작 명령을 받으면 어떤 일이 발생합니까?

제어판의 녹색 "사이클 시작" 버튼을 누르면 CNC 프로그램에 따라 기계가 움직이기 시작합니다.

이 모든 과정은 마치 마법처럼 보일 수도 있습니다.

하지만 겉보기에 단순해 보이는 이 동작 뒤에는 고도로 조직적이고 정밀한 시스템이 숨어 있습니다.

한 구성 요소는 가공 프로그램을 읽습니다.
다른 하나는 명령을 전기 신호로 변환합니다.
다른 하나는 모터를 구동합니다.
다른 하나는 기계의 실제 위치를 지속적으로 확인합니다.
다른 하나는 냉각수, 공구 교환 및 기타 보조 작업을 제어합니다.

이러한 구성 요소들은 CNC 공작기계의 다섯 가지 핵심 시스템을 구성합니다.

이 다섯 가지 시스템을 이해하는 것은 단순히 호기심을 충족시키는 것만이 아닙니다.

기계에 오류가 발생했을 때, 이러한 지식은 시스템의 어느 부분이 문제의 원인인지 파악하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한, 고급 CNC 기술을 학습해 나가는 과정에서 이 다섯 가지 시스템은 새로운 개념을 이해하는 데 명확한 틀을 제공할 것입니다.

시스템 1: CNC 컨트롤러 — 기계의 "두뇌"

CNC 컨트롤러는 전체 공작기계의 핵심입니다. 일반적으로 CNC 시스템 , 수치 제어 장치 또는 CNC 제어 시스템 이라고 부릅니다.

그 작동 과정은 크게 다섯 단계로 설명할 수 있습니다.

프로그램 읽기

CNC 컨트롤러는 내부 메모리, CF 카드, USB 장치 또는 네트워크 인터페이스에서 NC 프로그램을 읽어옵니다.

디코딩

이 프로그램은 G 코드, M 코드 및 기타 프로그램 명령어를 내부 제어 시스템이 처리할 수 있는 데이터로 변환합니다.

보간 계산

프로그래밍된 동작 명령에 따라 CNC 컨트롤러는 각 축이 매 시간 간격 동안 얼마나 움직여야 하는지를 계산합니다.

이는 CNC 시스템에서 수행되는 가장 중요한 계산 중 하나입니다.

예를 들어, A 지점에서 B 지점으로 이동하라는 명령은 무수히 많은 아주 작은 이동 단계로 나누어져야 합니다. 컨트롤러는 이러한 단계들을 실시간으로 계산하고 조정합니다.

제어 명령 전송

각 축에 대해 계산된 이동량은 전기 제어 신호로 변환되어 서보 시스템으로 전송됩니다.

보조 기능 조정

CNC 컨트롤러는 다음과 같은 M 코드 기능도 조정합니다.

• 스핀들 속도 제어
• 자동 도구 변경
• 냉각수 제어
• 기계 클램핑 및 해제
• 기타 보조 기계 작동

CNC 컨트롤러는 단순히 프로그램을 수동적으로 실행하는 것이 아닙니다.

또한 각 기계 축으로부터 지속적으로 위치 피드백을 받아 실시간으로 움직임 오류를 수정합니다.

작업자가 매일 사용하는 제어판과 디스플레이 화면은 CNC 컨트롤러의 인간-기계 인터페이스입니다.

이 인터페이스를 통해 작업자는 프로그램을 입력하고, 매개변수를 수정하고, 좌표를 확인하고, 가공 상태를 모니터링하고, CNC 시스템과 통신할 수 있습니다.

시스템 2: 서보 시스템 — 기계의 "근육"

CNC 컨트롤러는 다음과 같은 명령을 내릴 수 있습니다.

X축을 0.001mm만큼 이동시키세요.

하지만 이 디지털 명령은 실제 ​​기계적 움직임으로 변환되어야 합니다. 이것이 바로 서보 시스템 의 역할입니다.

서보 시스템은 주로 두 부분으로 구성됩니다.

서보 드라이브

서보 드라이브는 CNC 컨트롤러로부터 제어 신호를 받아 증폭하고, 이를 모터를 구동할 수 있는 전기 에너지로 변환합니다.

매우 정밀한 전력 증폭기처럼 작동합니다.

서보 모터

서보 모터는 전기 에너지를 기계적인 회전 운동으로 변환합니다.

서보 모터와 일반 모터의 가장 큰 차이점은 서보 모터에는 위치 엔코더가 장착되어 있다는 점입니다.

이를 통해 회전 각도를 정확하게 제어하고 매우 빠르게 반응할 수 있습니다. 서보 모터는 밀리초 단위로 시작, 정지, 가속, 감속 또는 방향 전환을 할 수 있습니다.

CNC 공작기계에는 일반적으로 여러 개의 서보 시스템이 포함되어 있습니다.

피드축 서보 시스템

일반적으로 X축, Y축, Z축은 각각 독립적인 이송 서보 시스템을 갖추고 있습니다.

이 서보 시스템은 절삭 공구, 스핀들 헤드 및 작업대의 움직임을 제어합니다.

스핀들 서보 시스템

스핀들 서보는 스핀들과 절삭 공구의 회전 속도를 제어합니다.

스핀들 서보의 초점은 이송축 서보의 초점과 약간 다릅니다.

이송축 서보 시스템은 주로 위치 정밀도 에 중점을 둡니다 . 명령된 이동 거리를 정확하게 달성해야 합니다.

스핀들 서보는 주로 속도 안정성 에 중점을 둡니다 . 절삭 작업 중 스핀들 속도는 안정적으로 유지되어야 하며, 절삭력 변화로 인해 크게 변동해서는 안 됩니다.

5축 CNC 기계의 경우, A축, B축 또는 C축과 같은 회전축을 제어하기 위해 일반적으로 두 개의 추가 서보 시스템이 필요합니다.

결과적으로 5축 가공 중에는 5개 또는 6개의 서보 시스템이 동시에 작동할 수 있습니다.

시스템 3: 기계적 구조 — 골격과 관절

서보 모터는 회전 운동을 발생시킵니다.

하지만 CNC 가공은 절삭 공구와 공작물의 정밀한 직선 운동, 회전 위치 지정 및 제어된 움직임을 필요로 합니다.

이 기계의 기계적 구조는 모터의 회전을 기계 부품의 정확한 움직임으로 변환합니다.

기계 구조의 주요 부분은 다음과 같습니다.

머신 베드 및 프레임

기계 베드는 CNC 공작기계의 기본적인 지지 구조입니다.

일반적으로 주철이나 용접된 강판으로 만들어집니다.

고품질 머신 베드는 다음과 같은 조건을 충족해야 합니다.

• 높은 구조적 강성
• 좋은 진동 저항
• 안정적인 치수 성능
• 움직이는 부품에 대한 안정적인 지원

기계 베드의 강성과 진동 저항성은 가공 정확도를 유지하는 데 필수적입니다.

선형 가이드 웨이

선형 가이드웨이는 작업대와 스핀들 헤드를 특정 이동 방향으로 안내합니다.

최신 가공 센터에서는 선형 롤링 가이드웨이를 흔히 사용하는데, 그 이유는 다음과 같습니다.

• 낮은 마찰
• 높은 움직임 정확도
• 빠른 반응
• 높은 이송 속도
• 위치 반복성이 우수함

고정밀 CNC 기계는 유압식 가이드웨이를 사용할 수 있습니다. 이러한 가이드웨이는 마찰이 극히 적어 탁월한 부드러움과 정밀도를 제공합니다.

볼 나사

볼 스크류는 서보 모터의 회전 운동을 작업대 또는 스핀들 헤드의 직선 운동으로 변환하는 데 필수적인 부품입니다.

볼 스크류 어셈블리 내부에서 강철 구슬은 스크류 샤프트와 너트 사이에서 굴러가면서 힘을 전달합니다.

구름 마찰이 미끄럼 마찰보다 훨씬 낮기 때문에 볼 스크류는 매우 효율적인 동력 전달과 마이크로미터 수준의 위치 정밀도를 제공할 수 있습니다.

스핀들

스핀들은 절삭 공구를 고정하고 고속으로 회전시킵니다.

스핀들 정밀도, 특히 스핀들 런아웃은 최종 가공 정밀도와 표면 품질에 직접적인 영향을 미칩니다.

최대 스핀들 속도는 기계가 지원할 수 있는 절삭 속도를 결정합니다.

고속 CNC 스핀들은 40,000rpm 또는 그 이상의 속도 에 도달할 수 있습니다.

시스템 4: 측정 및 피드백 시스템 — 폐루프 제어의 "눈"

피드백 시스템은 매우 중요하지만, 많은 CNC 초보자들은 그 기능을 완전히 이해하지 못할 수도 있습니다.

CNC 컨트롤러가 서보 모터에 10회 회전하라고 명령했다고 가정해 봅시다.

제어 시스템은 모터가 실제로 정확히 10회전을 완료했는지 어떻게 알 수 있습니까?

절삭 공구가 필요한 거리를 이동했는지 어떻게 알 수 있을까요?

해답은 측정 및 피드백 시스템 입니다.

이 장치의 기능은 기계의 실제 위치를 실시간으로 측정하고 해당 정보를 CNC 컨트롤러로 전송하는 것입니다.

컨트롤러는 실제 위치와 명령된 위치를 비교하여 편차를 자동으로 수정합니다.

이 연속적인 과정은 다음과 같이 설명할 수 있습니다.

명령 → 실행 → 실제 위치 측정 → 오차 비교 → 명령 수정

이러한 순환 과정을 폐루프 제어 라고 하며 , CNC 기계가 높은 위치 정밀도를 달성할 수 있도록 하는 핵심 메커니즘 중 하나입니다.

CNC 기계에는 일반적으로 두 가지 유형의 위치 측정 장치가 사용됩니다.

로터리 엔코더

로터리 엔코더는 일반적으로 서보 모터 샤프트에 설치됩니다.

모터의 회전 각도와 속도를 측정합니다.

하지만 로터리 엔코더는 작업대에서 직접 위치를 측정하는 것이 아니라 모터 측에서 위치를 측정하기 때문에 볼 스크류, 커플링, 열팽창 또는 탄성 변형으로 인한 오차가 여전히 발생할 수 있습니다.

이러한 구성은 반폐쇄 루프 제어 시스템 으로 알려져 있습니다.

대부분의 머시닝 센터는 이러한 유형의 피드백 시스템을 사용합니다.

원문에 따르면 일반적인 위치 측정 정확도는 대략 다음과 같습니다.

±0.005 ~ ±0.01mm

리니어 스케일

기계 가이드웨이 바로 옆에 선형 눈금자가 설치되어 작업대의 실제 선형 변위를 측정합니다.

이 장치는 작업대 위치를 직접 측정하기 때문에 볼 스크류 및 기타 구동 부품에서 발생하는 오차를 보정할 수 있습니다.

이러한 구성은 완전 폐쇄 루프 제어 시스템 으로 알려져 있습니다.

이 기술은 더 높은 위치 정확도를 제공하며 대략 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.

± 0.001 mm

고정밀 CNC 기계와 정밀 5축 가공 센터에는 일반적으로 선형 저울이 장착되어 있습니다.

시스템 5: 보조 기능 시스템 — 기계의 작업 완료를 지원

처음 네 가지 시스템은 절삭 공구가 정확하게 움직일 수 있도록 보장합니다.

하지만 정확한 움직임만으로는 전체 가공 공정을 완료하기에 충분하지 않습니다.

CNC 기계에는 여러 보조 시스템도 필요합니다.

자동 공구 교환기

자동 공구 교환기(Automatic Tool Changer , ATC )는 머시닝 센터의 가장 중요한 기능 중 하나입니다.

공구 매거진에는 여러 개의 절삭 공구가 보관됩니다. 공구 교체가 필요할 경우, 공구 교체 메커니즘 또는 로봇 팔이 자동으로 작업을 완료합니다.

공구 교체는 보통 몇 초밖에 걸리지 않습니다.

공구 매거진의 용량은 기계 구성에 따라 약 8개에서 100개 이상의 공구까지 다양할 수 있습니다.

냉각 시스템

가공 과정에서 절삭 공구와 공작물 사이에 많은 열이 발생합니다.

절삭유 또는 냉각제는 여러 가지 기능을 수행합니다.

• 절삭 온도 낮추기
• 절삭 영역 윤활
• 칩을 씻어내다
• 절삭 공구 보호
• 표면 품질 개선

일반적인 냉각 방식으로는 외부 냉각수 분사와 스핀들 관통 냉각이 있습니다.

스핀들 관통형 냉각수는 스핀들과 절삭 공구의 내부 통로를 통해 흐르며 절삭 영역으로 직접 공급됩니다.

공압 및 유압 시스템

공압 및 유압 시스템은 비교적 높은 힘이 필요한 기계 작동에 사용됩니다.

일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다.

• 공작물 클램핑
• 공구 교환 동작
• 공구 잠금 해제
• 스핀들 공구 해제
• 고정 장치 작동
• 유압식 위치 결정 메커니즘

PLC — 프로그래머블 로직 컨트롤러

CNC 컨트롤러는 주로 동작 제어를 담당합니다.

하지만 공작기계에는 다음과 같은 수많은 스위칭 및 순차 제어 작업도 포함되어 있습니다.

• 자동 도구 변경
• 냉각수 전환
• 보호 도어 연동 장치
• 유압 클램핑
• 윤활 제어
• 경보 감지
• 기계 안전 기능

이러한 작업은 일반적으로 통합형 프로그래밍 가능 로직 컨트롤러 (PLC) 에 의해 처리됩니다 .

PLC와 CNC 컨트롤러는 함께 작동하여 완전한 기계 제어 시스템을 구성합니다.

5대 핵심 시스템 간의 신호 흐름

전체 CNC 가공 공정은 다음 신호 체인을 통해 이해할 수 있습니다.

이는 작업자가 '사이클 시작' 버튼을 누른 후 발생하는 현상입니다.

이는 초당 수천 번 반복될 수 있는 매우 정밀한 폐루프 제어 프로세스입니다.

주요 CNC 제어 시스템 브랜드 소개

CNC 컨트롤러의 역할을 이해했으니 이제 주요 CNC 제어 시스템 브랜드 몇 가지를 간략하게 살펴보겠습니다.

화낙

FANUC은 일본 브랜드이며 전 세계에서 가장 널리 사용되는 CNC 제어 시스템 제조업체 중 하나입니다.

이 회사의 시스템은 안정성, 신뢰성 및 잘 구축된 기술 생태계로 잘 알려져 있습니다.

FANUC 시스템은 제조 공장에서 널리 사용되며 CNC 작업자와 프로그래머에게 적합한 시작점으로 여겨지는 경우가 많습니다.

지멘스 SINUMERIK

지멘스는 독일 브랜드이며, 지멘스의 SINUMERIK CNC 시스템은 유럽의 공작기계에 널리 사용되고 있습니다.

SINUMERIK ONE은 고급 공작기계에 일반적으로 탑재되며 5축 가공을 위한 강력한 기능과 포괄적인 지원을 제공합니다.

하지만 다른 시스템들과 비교했을 때, 학습 곡선이 상대적으로 가파를 수 있습니다.

지멘스 CNC 시스템은 자동차, 항공우주 및 첨단 제조 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

하이덴하인 TNC

하이덴하인 역시 독일 브랜드입니다.

이 회사의 TNC 제어 시스템은 주로 밀링 머신과 머시닝 센터에 초점을 맞추고 있습니다.

하이덴하인 시스템은 첨단 5축 기능으로 잘 알려져 있으며 항공우주 가공, 정밀 금형 제조 및 기타 고정밀 응용 분야에서 높은 평가를 받고 있습니다.

중국 CNC 제어 시스템 대표 브랜드

최근 몇 년 동안 중국 CNC 제어 시스템 브랜드들이 빠르게 성장해 왔습니다.

브랜드	회사	주요 장점	시장두기	5축 지원
화중 9 시리즈	화중 CNC	중국에서 개발된 CPU와 독자적으로 제어하는 ​​기술	입문-중간 수준 시스템 및 국내 대체재	보통
GSK	광저우 CNC	경쟁력 있는 가격과 완벽한 지원 제품군	경제적인 CNC 기계	보통
케데 GNC62	케데 CNC	5축 동시 가공 및 선삭/밀링 기능	중고가 시장	비교적 강하다
신텍	신텍 테크놀로지	강력한 CAM 호환성, 사용자 친화적인 인터페이스, 그리고 중국산 5축 가공기에서의 폭넓은 사용성이 장점입니다.	급속한 5축 성장을 보이는 중저가 시장	비교적 강하다

요약: CNC 기계 시스템 이해하기

CNC 공작기계는 다섯 가지 핵심 시스템으로 구성됩니다.

CNC 컨트롤러 :
기계의 두뇌 역할을 합니다. 프로그램을 읽고, 보간 계산을 수행하며, 움직임 명령을 보냅니다.

서보 시스템:
기계의 근육과 같은 역할을 합니다. 모터를 구동하고 각 축의 정밀한 움직임을 제어합니다.

기계 구조:
기계의 골격과 연결부에는 기계 베드, 가이드웨이, 볼 스크류, 작업대 및 스핀들이 포함됩니다.

측정 및 피드백 시스템:
기계의 눈이라고 할 수 있습니다. 실제 위치를 측정하고 폐루프 제어를 가능하게 합니다.

보조 기능 시스템:
기계의 손이라고 할 수 있는 부분입니다. 공구 교환, 냉각수, 유압 시스템, 공압 시스템 및 기타 보조 기능을 제어합니다.

이 다섯 가지 시스템이 함께 작동하면 CNC 기계는 디지털 가공 프로그램을 정확하고 반복 가능하며 자동화된 제조 작업으로 변환할 수 있습니다.

주조 금형을 이용한 CNC 가공 지원

캐스트 몰드에서 CNC 가공은 원스톱 제조 서비스의 중요한 부분입니다.

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• 차원 일관성
• 조립 정확도
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• 나사산 및 구멍 정밀도
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