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CAM. Computer Aided Manufacturing 전자산업의 CAM Photo-mask(film) creation for PCB, IC PCB chip mounting (assembly) … 기계산업의 CAM Machining : mother process Prototype 가공 직접 가공에 의한 부품 생산 금형 가공 Robot 등의 자동화 설비를 이용한 용접 / 조립작업 … 여타 산업의 CAM

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Presentation Transcript

  1. CAM • Computer Aided Manufacturing • 전자산업의 CAM • Photo-mask(film) creation for PCB, IC • PCB chip mounting (assembly) • … • 기계산업의 CAM • Machining : mother process • Prototype 가공 • 직접 가공에 의한 부품 생산 • 금형 가공 • Robot등의 자동화 설비를 이용한 용접/조립작업 • … • 여타 산업의 CAM • 가구 : 곡선을 따라 절단 (책상 상판등), 곡선을 따라 선반가공(다리), … • 섬유 : 자수 • …

  2. Machining? • 소재와 공구(tool, 소재보다 더 단단한 재질) 간의 상대적 운동에 의해 소재가 공구에 의해 깍여져 나가는 과정을 통해 원하는 모양을 만드는 제조 공정 Side (flank) milling Face milling • 구멍 가공 • drilling, reaming, • boring, … • 선삭 (turning) • 소재를 회전 • 공구는 위치만 이동 End milling (flat) End milling (ball) Milling

  3. Conventional machine tools Lathe (선반) Milling

  4. Synchronized Physical model (clay model) Work piece Copy milling How to get a desired shape w/ milling? • Manual operation • Manual table feed • Hard to get desired shape with accuracy • Copy milling • Physical mock-up required (typically made of clay)

  5. CNC? • NC Machine : Numerically Controlled Machine • CNC : computer numerical control Conventional Milling Machine NC Milling Machine

  6. Control panel Vertical CNC Milling Machine

  7. Z+ Y+ X- X+ Y- Z- Axis of CNC Milling Machine (3 axis machine)

  8. Other NC machine examples Plotter (2D) 철판에 다양한 모양의 구멍을 만들 때 사용 Laser cutting machine

  9. Actuators Sensors Basic components of NC system • Media • Punch card • Punched paper tape • Magnetic tape • Floppy disk • Serial port (RS232) • TCP / IP Program (set of machine instructions) MCU (machine Control Unit) • Programming tool • Manual programming • APT • Graphic / interactive CAM • CAD/CAM integration • CAPP • MCU • Hard wired NC • CNC • PC-NC • Processing equipment • Metal machining • (turning, milling, grinding, …) • Chip mounting machine • 2D plotter • Rapid Prototyping machine • Industrial Robot • Laser/flame cutting • Inspection (CMM) • Fabric cutting, wood cutting, …

  10. NC Program External Encoder Timing Belt Pulley Spindle Body MCU (Controller) Belt Spindle Motor Pulley encoder rotor Control panel (Monitor,Keyboard,Buttons, …) NC machine 기본 구조 CAM Manual NC Programming

  11. Punched card Punched paper tape Magnetic tape Floppy disk Serial communication Distributed NC RS 232C LAN with TCP/IP Programs Central Host LAN Central Host Programs CNC controller & machine CNC controller & machine CNC controller & machine CNC controller & machine LAN Satellite PC Satellite PC RS232C RS232C Program 전달 매체

  12. NC Program? • NC machine이 움직여야 할 위치/경로/속도등이 계획된 Program • NC machine이 받아들일 수 있는 언어(low level machine language)로 작성됨 • ‘Assembly어 programming’ 같은 level의 programming • NC-code, G-code, G&M code 라고 부름 • ISO 6983 표준 • NC controller 제작사별로 약간의 차이가 있음 • 예 :

  13. NC program (= part program) = { NC Blocks } NC Block = { NC Words } NC Words = Address + number Address : word의 의미를 결정 Manual NC programming • 앞 page의 예 • N20 G01 X100. Y200. F800 • N20, G01, … • N, G, X, Y, F

  14. G 코드 그룹 기 능 지 령 방 법 G 코드 그룹 기 능 지 령 방 법 G43 08 공구길이 보정 + G43 Z _ H _ ; G00 01 급속위치결정 G00 G90 X _Y _ Z _ ; G44 공구길이 보정 - G44 Z _ H _ ; G01 직선보간(절삭) G01 G90 X _ Y _ Z _ F_ ; G49 공구길이 보정 무시 G49 Z _ ; G02 원호보간(시계방향) G02, G03 G90 X _ Y _ Z _ R_ F_ ; G52 00 로칼좌표계 설정 G52 G90 X _Y _ Z _ ; G03 원호보간(반시계방향) G02, G03 G90 X _Y _ Z _ R_ F_ ; G53 기계좌표계 선택 G53 G90 X _Y _ Z _ ; G04 00 Dwell (일시정지) G04 X ; G09 Exact stop G09 절삭이동 지령 ; G54 14 공작물좌표계 1번 선택 G54 G90 X _Y _ Z _ ; G15 17 극좌표지령 무시 G15 X0. Y0. Z0. ; G55 공작물좌표계 2번 선택 G55 G90 X _Y _ Z _ ; G16 극좌표 지령 G15 G90 X _Y _ Z _ ; G65 00 매크로 호출 G65 P _ ; G17 02 X-Y 평면 G17 G66 12 매크로 모달호출 G66 P _ ; G18 Z-X 평면 G18 G67 매크로 모달호출 무시 G67 ; G19 Y-Z 평면 G19 G68 16 좌표회전 G68 G90 α_ β_R_ ; G20 06 Inch 입력 G20 ; G69 좌표회전 무시 G69 ; G80 09 고정 싸이클 무시 G80 ; G21 Metric 입력 G21 ; G84 탭 싸이클 G84 G90 G98 X_ Y_ Z_ R_ F_ K_ ; G22 04 금지영역 설정 G22 X _Y _ Z _ I _ J _ K _ ; G85 보링 싸이클 G85 G90 G98 X_ Y_ Z_ R_ F_ K_ ; G23 금지영역 설정 무시 G23 ; G90 03 절대지령 G90 이동지령 ; G27 00 원점복귀 Check G27 G90 X _Y _ Z _ ; G91 상대지령 G91 이동지령 ; G28 기계원점 복귀 G28 G90 X _Y _ Z _ ; G92 00 공작물좌표계 설정 G92 G90 X _ Y _ Z _ S _ ; G30 제2,3,4 원점 복귀 G30 P _ G90 X _Y _ Z _ ; G94 05 분당이송 G94 절삭이송 ; G31 Skip 기능 G31 P _ G90 X _Y _ Z _ F_ ; G95 회전당 이송 G95 절삭이송 ; G33 01 나사절삭 G33 G90 Z _ F _ ; G96 13 주속일정제어 G96 S _ ; G37 00 자동 공구길이 측정 G37 G90 Z _ ; G97 주속일정제어 무시 G97 S _ ; G40 07 공구경보정 취소 G40 G98 10 고정싸이클 초기점 복귀 G고정싸이클 G98 고정싸이클 데이터 ; G41 공구경보정 좌측 G41 D_ 급속 또는 직선보간 ; G99 고정싸이클 R점 복귀 G고정싸이클 G99 고정싸이클 데이터 ; G42 공구경보정 우측 G42 D_ 급속 또는 직선보간 ; G-code 일람표

  15. M 코드 기 능 M00 프로그램 정지 (실행중 프로그램 일시정지) M01 선택 프로그램 정지 ( 조작판의 M01스위치가 ON일때) M02 프로그램 끝 M03 주축 정회전 M04 주축 역회전 M05 주축 정지 M06 공구 교환 M08 절삭유 ON M09 절삭유 OFF M30 프로그램 끝 & Rewind M98 보조 프로그램 호출 (M98 P_ 반복횟수 보조p/g 번호) M99 주 프로그램 호출 M-code 일람표

  16. 주요 G & M code • G-word : preparatory word • geometric motion 제어 • 공구 이동 형태를 결정 • 같은 group내에서는 modal • 한번 set된 상태 기억됨 • Group 00(*) • non-modal • 그 word가 있는 block에만 유효 • M-word : miscellaneous word • machine/program제어

  17. O, N, F, S words • Onnnn : program 번호 • CNC controller에서 ‘file name’과 같은 역할 • 예 : O1130 • Nnnnn : NC block번호 • 각 block별 고유 번호 • 생략 가능 • 있는 경우 증가순으로 있어야 함 • Fnnnn : Feed rate • 공구의 분당 이송속도 (mm/min or inch/min, depending on G20/G21) • modal • Snnnn : Spindle speed • 주축의 회전속도 (RPM, 회전수/min) • modal

  18. X,Y,Z words 공구가 가야 할 target위치를 지정 Modal BLU : basic length unit 대개 0.001mm 또는 0.0001 inch 소수점이 없으면 BLU단위 있으면 mm or inch 단위 예 G00 X200. Y300 Z400.0 (200, 0.3, 400)으로 급속이동 G01 X20. Y30. F2000 (20, 30)으로 2000mm/min의 속도로 이동 Z는 현재상태 유지 R word 원호보간시 원호 반경 지정 G02/G03 Xx2 Yy2Rr I,J,K words 원호보간시 원호의 중심점 표시 현재점에 대한 상대좌표로 표시 Non modal I0.0, J0.0 등은 생략 가능 현재 작업 plane에 따라 G17 (XY plane) : I, J 사용 G18 (YZ plane) : J, K 사용 G19 (XZ plane) : I, K 사용 |현재점-중심점|  |끝점-중심점| 인 경우 error 중심점 (xc,yc) 끝점 (x2,y2) 끝점 (x2,y2) (i, j ) = (xc-x1, yc-y1) r G03 G02 …. Xx1 Yy1 G02 Xx2 Yy2 Ii Jj 현재점 (x1,y1) r 현재점 (x1,y1) Dimension words (X,Y,Z, I,J,K, A,B,C, R등)

  19. G21 G40 G90 G17 G92 X-15. Y-40. Z50. F200 S1500 M03 1 현 공구위치를 (-15, -40, 50)으로 인식하라 1 2 3 4 5 6 7 7 X-15. Y-40. M05 M02 8 Manual program 예 단위 = mm 평면 = XY 공구 반경 = 10mm

  20. Manual NC programming example

  21. N10 G21 G90 G17 G92 X-20. Y-20. Z50. M03 N20 G00 Z0. N30 Y-5. N40 G01 X45. F200 N50 Y30. N60 G03 X43.535 Y33.535 R5. N70 G01 X23.535 Y53.535 N80 G03 X20. Y55. R5. N90 X-5. Y30. R25. N100 G01 X-5. Y0. N110 G00 Z50. N120 X-20. Y-20. M05 N130 M02 (20,50,0) R 20 45° (0,30,0) (40,30,0) (0,0,0) 출발점 (-20,-20,50) 공구 반경 : 5mm Another example

  22. Synchronized Physical model (clay model) Work piece Copy milling Geometric model CAD CAM : Computer Aided Manufacturing • Copy Milling • 나무나 석고 등으로 실물모형을 제작하고, 밀링기계에서 tracer(끝이 구형인 봉)로 실물모형을 따라가게 함으로써 절삭공구(ball-endmill)의 움직임을 제어한다. • CAM (Computer Aided Manufacturing) • 수학적으로 표현된 계산모형으로부터, 공구의 위치를 계산해내고, 이 수치데이타를 NC기계의 동작제어에 이용한다. NC P/G 공정계획 CAM CAPP

  23. Point-to-Point control vs Continuous path control Continuous path control Point-to-Point control

  24. Points machining drilling, … Curves machining 2D curve contouring(윤곽가공) 3D curve contouring Pencil machining Letter engraving (2D or 3D) 2D planar area machining Face milling Pocketing Surfaces machining Flow line machining Iso-parametric machining Non-flow line machining Cartesian machining Z-level machining Projection machining Volume machining roughing 축 수에 따른 분류 2축 가공 선반 Flame or laser cutter 2.5축 가공 3개의 축이 존재하나 동시에는 2개의 축만 움직임 3축 가공 X,Y,Z 동시 제어 곡면 가공 Overhang이 있는 경우 처리 못함 다축 가공 4축 가공 5축 가공 다양/복잡한 형상가공 가능 고가의 기계 Machine rigidity : accuracy NC Programming 복잡 Machining taxonomy – basic functions of CAM

  25. Curve machining 2D contouring 3D pencil cutting

  26. CL data computation for Curve machining • CL data (Cutter location data) • 가공을 위한 공구의 위치 data • 기준점 : 공구 중심 끝점 • 공구는 Offset된 curve를 따라 움직여야 함. • 공구 반경(d)만큼 offset ro(u) = r(u) + d N(u) N(u) : 곡선의 unit normal vector T(u) = r’(u) / | r’(u) | : unit tangent N(u) : T(u)를 90도 rotate • Self intersection 주의/제거 필요 +

  27. Self-intersection  공구간섭 (overcut)

  28. Face milling 2D planar area machining Direction Parallel pocketing zigzag One way (box cut) Contour Parallel pocketing spiral Uncut 방지 ribbon

  29. Voronoi diagram for 2D point set • P = { p1, p2, …, pn} : a set of 2D points • Voronoi region V(pi) • pi가 지배하는 영역 • 다른 점들보다 Pi에 가장 가까운 영역 • { x : |pi-x|  |pj-x| for any jI } • pi is the ‘governor’ of V(pi) • Voronoi diagram • 두개이상의 Voronoi region에 속하는 모든 점들의 집합 • Voronoi region들의 경계상에 놓인 점들의 집합

  30. Voronoi diagram Voronoi diagram Voronoi diagram Delaunay triangulation

  31. Voronoi diagram for 2D polygon

  32. Polygon offsetting using Voronoi

  33. Surface machining – flow line machining • Iso-parametric machining • Parametric surface의 iso-parametric curve를 따라 공구 접촉점들을 정의하여 곡면을 가공 • 수치적 계산이 간단하며 규칙적인 사각형 곡면을 가공하는 경우 적합 • 곡면의 결을 따라가며 가공

  34. Surface machining – non-flow line machining • Cartesian machining • 곡면과 평면간의 교선을 따라 교선상에 공구 접촉점을 두어 공구경로를 구하는 방법 • 수치적 계산이 복잡하며, 정의된 곡면이 위상학적으로 불규칙하게 나타난 경우 이용됨. Z-level machining Projection machining

  35. u u R R (R-a)m Rn an -Ru -au a rCC rCC rCL rCL 곡면가공 CL Data의 계산 • CC (cutter contact) point – 곡면상의 공구 접촉점 • CL (cutter location) point – 공구 기준점 (NC-code 좌표) • Filleted-end mill • Ball-end mill

  36. Surface normal vector

  37. 곡면가공시 공구간섭

  38. Computational Shape model CAD CNC machining flow 공구 FROM / 0.00000, 0.00000, 100.00000 RAPID GOTO / -507.00000, -3.09698, 100.00000 GOTO / -507.00000, -3.09698, -6.99408 FEDRAT/ 100.0000 GOTO / -507.00000, -3.09698, -16.99408 GOTO / -505.99615, -13.01367, -16.89570 ... CL Data NC Prog. CL Data NC Prog. CAD model 공정계획 수립 공구경로 생성 Post Processor NC Prog. CL Data Human or CAM Human or CAPP ISO 6983 (G-code) • CL Data : Cutter Location Data • APT format의 CL data • Proprietary format N5 G01Z-5.091F1000 N6 X-69.507Y-1.415Z-5.094 N7 X-69.52Y-0.733Z-5.095 N8 X-69.525Y-0.05 N9 Y0.632Z-5.093 N10 X-69.517Y1.315Z-5.09 소재

  39. Case studies : 금형 가공 (Injection mold & Press die) • B.K.Choi & R.B.Jerard, Sculptured Surface Machining, 1998, Kluwer Academic Press • Injection mold • Plastic 제품의 성형을 위한 틀 • 용융상태의 Plastic을 금형 cavity내로 압력을 가하여 사출, 냉각후 취출 • 가전제품 case등 각종 plastic물의 대량생산 • 주로 중/소형 제품 • Box 또는 원통 type의 초기 소재에서 출발 (mold base) • 황삭/중삭/정삭/잔삭을 통해 원하는 형상을 만들어 나감 • Press (stamping) die • Sheet metal에 힘을 가하여 소성변형시켜서 원하는 모양으로 성형하는 틀 • 자동차 body panel등의 대형 제품 • 초기소재를 Casting으로 만듦 (최종 금형형상 + 가공여유) • 황삭/중삭/정삭/잔삭을 통해 원하는 형상을 만들어 나감

  40. Raw stock and final die-surface (Injection mold금형)

  41. 황삭 가공

  42. 중삭 가공

  43. 정삭 가공

  44. 잔삭 가공

  45. Raw stock and final die-surface (stamping-die) 황삭 중삭 정삭 잔삭

  46. 황삭가공

  47. 중삭 가공

  48. 정삭 가공

  49. 잔삭 가공

  50. CAM에 의한 CNC 가공 예 소재 정삭: 16B 황삭: 30F 중삭: 20B 잔삭: 6B 잔삭: 10B CAD data

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