1) CNC의 역사1. N C란 : NC (수치제어)란 Numerical Control의 약어로 우리나라에서는 KSB0125 -75에 수치제어 공작기계 용어로서, KSB0126-77에 수치제어 공작기계의 좌표축과 운동기호로서 1975년과 1977년에 각각 제정되었다. 부호와 수치로써 구성된 수치정보로 기계의 운전을 자동제어 하는 것? 을 의미한다. 즉, 사람이 이해할 수 있게 작성된 설계나 도면을 기계가 받아들일 수 있는 고유의 언어로 정보화(파트 프로그램)하고 이를 천공 테이프 또는 플로피 디스크 등을 이용하여 수치 제어 장치에 입력시켜 입력된 정보대로 기계를 자동제어 하는 것을 말한다. 우선 가공물의 도면을 기준으로 공구의 경로 및 이송속도 등을 결정하고 그 작동 순서대로 프로그래밍한다. 즉 NC장치는 작성된 프로그램에 의해 시스템으로 전송되고 시스템에서는 NC공작기계로 전송하여 자동적으로 공작물이 가공하게 된다. 최근에는 컴퓨터의 발달로 NC공작기계에 컴퓨터를 내장한 CNC 공작기계가 널리 이용되고 있으며 통상 NC라고 하면 CNC를 가르키고 있다.CNC(Computer Numerical Control)는 여러 분야의 기계에 적용되어 사용되고 있으며 특히 현대사회의 급격한 정보화, 전문화에 따른 다품종 소량생산 체제가 요구되고 원가절감 및 생산성 향상으로 경쟁력을 갖추기 위해 NC공작기계가 널리 사용되고 있으며 특히 여러 대의 CNC공작기계에 공작물이나 공구 등을 운반하는 자동 반송 장치와 자동화 창고, 로봇 등과 연결해서 이들을 컴퓨터로 관리하는 공장 자동화도 급속도로 보급되고 있다.(CF - CNC (Computer Numerical Control)소형 컴퓨터를 내장하여 NC 기능을 소프트웨어로 실현한 것.반도체 기술이 발달함에 따라 현재의 NC는 CNC를 의미한다.- DNC (Direct Numerical Control)1대의 중앙 컴퓨터에 여러 대의 NC공작기계를 연결하여 컴퓨터측에 NC지령 정보를 기억시키고 이 지령정보를 각각의 공작기계로 배분하), 직류 및 교류 서보모타(servp motor)- 유압식 : 서보벨브와 유압모타2. NC 공작기계의 특징(1) 다품종 소량생산의 자동화(2) 품질의 균일성 확보 -- 반복작업가능(3) 복잡한 형상가공의 능률화 및 정밀도 개선:1회의 가공준비로 기준에 대한 관련치수의 정밀도 향상 NC code제작과 기하학적 형상 해석기능 (computer): cam, gear, 금형가공(2 차원), 자유곡면(3차원)(4) 성력화(省力化)- 작업시간 일정, 작업조건 설정, 작업시간 단축, 치공구 표준화--> 작업의 표준화, 관리용이, 작업자수 감소, 치수불량 감소3) CNC 공작기계1) CNC 공작기계의 정밀도- 안내면의 진직도, 직각도 (모방의 원리): 정밀도, 내구성 -- table 및 이송장치 설계 및 제작기술 ball screw의 구조 및 정밀도- 공작기계 (hardware)의 강성 : 절삭저항에 의한 변형: 정적, 동적 강성,- 제어장치 (controller) : table의 위치 및 속도 제어 -- servo mechanism정밀도 유지2) 종류- CNC 선반- CNC 밀링- 머시닝센터 : CNC 밀링 + (자동공구교환장치, 가공물 자동착탈기)- 연삭기, punch press, laser 가공기, EDM3) CNC 공작기계의 발달- computer 의 발달 : micro processor의 발달, 범용 computer의 고속화 소형화- Module NC(MNC) : hard wired NC회로를 바꿈으로 다른 작업기능을 보유- Computerized NC(CNC) : softwired NC프로그램을 바꿈으로서 다양한 작업기능을 보유최근에는 computer를 내장함으로서 연산기능이 향상software 고정형 -- 일반범용 CNCsoftware 가변형 -- 특수용도, 전용기 4) CNC 공작기계의 구성- 입출력 장치- 메모리 (RAM/ROM)- Servo -system5) DNC system- 1대의 computer로 여러대의 NC 공작기계를 활용 및 관리(현재는 각 ble Machining System)을 나타내는 데 사용되기도 했다. 현재에도 절삭 가공이 FMS의 가장 큰 응용 분야이다. 그러나 기계 작업뿐만 아니라, 보다 폭넓은 응용 분야를 허용하는 광의의 FMS로 해석하는 것이 바람직하다.5) C I M 및 적용사례(1) CIM 개요① CIM의 정의공장내의 모든 기능을 컴퓨터나 통신및 각종 생산 관련기술을 이용한 통합화된 시스템ComputerIntegrationManufacturing즉,컴퓨터 통합생산② CIM의 출현배경기업의 규모와 생산품목에 따라 다르겠지만, 일반적으로, 오늘날기업의무대는세계화가 되고 있다.그 만큼 기업경쟁이 심하여진 것이다. 소비자들은 빠른 속도로 변하는 제품의 다양성 을 선호하고, 고품질은 물론 철저한 사후서비스를 요구하고 있다.이러한 현상은 기술발달과 더불어 기업의 전략이 보다 경쟁력을 갖출 것을 요구한다.이러한 기업여건의 변화에 대응하기 위하여 제조업에서는 끊임없는 노력을 통하여 많 은 기법들을 개발하고 활용하여 왔다.컴퓨터 기술의 발달과 더불어 개발된 기술로는, DNC, CNC, CAD, CAM, MRP, FMS 등 많은 것이 있다.이러한 기술들의 효율을 극대화시키기 위해서는 이들을 통합할 필요가 있으며, 기업내 관련 업무 및 조직의 유기적 연결을 통한 원할한 정보의 흐름이 중요하게 되었다.이러한 필요성에 따라 생긴 통합시스템은, 연구개발에서부터 설계, 제조, 판매에 이르 기까지 컴퓨터와 통신기술을 활용하여 기업의 경쟁력을 키우는데 기여하고 있다.③ CIM필요성기업의 규모와 생산품목에 따라 다르겠지만, 일반적으로, 오늘날 기업의 무대는 전 세계가 되고 있다.그 만큼 기업경쟁이 심하여진 것이다. 소비자들은 빠른 속도로 변하는 제품의 다양성 을 선호하고, 고품질은 물론 철저한 사후서비스를 요구하고 있다.이러한 현상은 기술발달과 더불어 기업의 전략이 보다 경쟁력을 갖출 것을 요구한다.이러한 기업여건의 변화에 대응하기 위하여 제조업에서는 끊임없는 노력을 통하여 많 은 기법들을 개발하고 활용하여 생산과 개발을 연계시켜 주는 수단으로 사용된다.기업의 특성에 따라 MRP(Material Requirment Planning, 자재소요계획)나 공장자동화 등의 M-CIM을 위한 요소기술이 주로 적용된 곳도 있으나, 현재와 같이 제품주기가 짧 고 고객의 요구가 다양하게 바뀌고 있는 실정에서는 엔지니어링 CIM( E-CIM)의 필요성 이 보다 강조되고 있다.② open CIM제조업체의 개방형 시스템에 대한 논의로 새로운 기술의 적용에 있어서 가장 중요한 것은 적합한 파트너을 선택하는 것이며, 고객에게 회사의 발전 방향과 목표를 잘 이해시키고 명확하게 해결방안을 제시하며, 기존 시스템의 의미를 잘 이해하고 장단기적으로 알맞은 가격에 원하는 성능을 제공하는 것은 물론, 여러 컴퓨터업체의 하드웨어와 애플리케이션 및 데이터베이스들을 통합해주는 툴들을 가지고 있는 업체를 파트너로 선택하는 것을 말 한다.6) 수치 제어 장치⑴ 수치 제어 공작 기계의 구성과 기능그림 6-3은 수치 제어 공작 기계의 구성도를 나타낸 것으로, 기계 몸체, 수치 제어 프로그램 명령문의 3요소로 구성되며, 크게 하드웨어(Hardware)와 소프트웨어 (Software)로 구분할 수 있다.수치 제어 공작 기계의 구성은 조작부를 제외하고는 종래의 공작 기계와 별로 큰 차이 가 없으나, 작업을 수행하는 속도가 빠르며 생산성을 높이기 위한 목적으로 절삭 조건 도 빠르게 되어 있다. 특히, 수치 제어 공작 기계는 조작자가 항상 기계 옆에서 절삭 상태를 계측과 관찰을 하여 조절하면서 운전하는 것이 아니므로, 공작 정밀도를 유지하 려면 기계의 움직임과 시간의 경과에 따라 기계의 특성이 변화해서는 안 된다.이와 같은 이유로 몸체, 주축대, 새들, 테이블 등에는 충분한 강성이 요구되며, 주 전동 기나 이송 전동기, 베어링부, 작동면 등에서는 열변형을 줄이기 위해서 열 발생의 원인 인 전동기 등을 기계 본체와 분리시켰으며, 다량의 절삭유를 사용하여 칩(chip)을 냉각 시키고 신속하게 제거하도록 되어 있다.소프트웨어) NC 프로그램의 구성① Word의 구성NC 프로그램의 기본 단위이며 어드레스(Address)와 수치(Data)로 구성된다.① Block의 구성【 기본 어드레스의 범위 】1) 구분번호는 생략 가능하며 순서에 제한이 없으나, 낮은 번호가 위로 가는 것이 관리하기 쉽다.2) 프로그램의 실행은 Block 단위로 이루어지며 한 블록의 실행이 완료되면 다음 블록을 실행한다.3) 하나의 프로그램은 ";___"에서 부터 "M02"까지이며 블록의 갯수는 제한이 없다.4) 보통 프로그램의 맨 마지막에는 M02를 사용하지만 M30을 사용할 수 있다.◈ M-코드일람표(보조기능)3) 프로그램의 기초 및 좌표계⑴ 기계 원점과 프로그램 원점① 기계 원점 : 기계 원점은 기계의 종류 및 크기에 따른 임의의 위치(큰 기계 또는 작은 기계 등의 차이에 따라 공구가 최대로 물러설 수 있는 각각의 기계의 기준점)이다. 기계원점복귀 명령에 의해 공구가 이 위치로 이동한다. 또한 가공의 시작은 이 기계 원점에서부터 시작한다.② 프로그램 원점 : 프로그램의 작성을 쉽게 하기 위하여 공작물 중심의 임의의 점을 원점으로 한 것이다.◈다음 그림에서는 프로그램을 쉽게 작성하기 위해 정한 프로그램 원점은 완성되었을 때의 공작물의 우측 끝단을 기준으로 했다.(2) 좌표계① 기계절대좌표CNC상에서의 기계원점의 좌표를 기준으로 형성되는 좌표로서 기계가 움직일때는 이 좌표계를 기준으로 움직인다.② 프로그램좌표기계절대 좌표계 내에서 공작물의 한점을 기준으로한 좌표로 프로그램을 작성할 때 이 좌표계를 기준으로 작성한다.③ 절대치(Absolute) 지령과 증분치(Incremental) 지령1) 절대치 지령 : 이동하고자 하는 종점의 위치를 프로그램 원점을 기준으로 지령하는 것이다. 지령하는 좌표어는 X, Z이며 직경치이다.2) 증분치 지령 : 현재 바이트가 위치해 있는 이동 시작점으로부터 이동하고자 하는 종점까지의 이동량으로 지령하는 것이다. 지령하는 좌표어는 소문자이다.(3) 주축기능 (S기능)NC 선반은 기어의 단 다.
◈ 기관성능실험 ◈1.목적가솔린엔진 종합 성능실험 장치를 이용하여 엔진의 운전방법을 실습한다. 또한 기관의 종 합성능실험을 통하여 부하 및 회전수에 따라 엔지의 축 출력, 토오크, 평균유효압력 및 열 효율 등 엔진 성능에 관한 측정 및 계산을 통하여 엔진성능 평가에 관한 전반적인 지식을 습득한다.2. 준비사항기 기공 구품 명규 격수 량품 명규 격수 량내연기관종합시험장치동력계기압계온도계Amplifer111111재 료품 명규 격수 량품 명규 격수 량휘발유203. 관련지식1) Gasoline Engine Tester(1) Test engineType : Water cooled 4 cycle, gasoline engineThe No. of cylinder-bore × stroke (piston displacement)4-73 × 68mm (1138 cc)Compression ratio and starting device8.0 to 1, cell motor drivePower at specific r. p. m30 p.s./3200 r.p.m. (max.)Engine supporting mechanismChannel welding structure plate mounting systemJoining device to a dynamometerSplined, double universal joint shaftExhaust tubeStainless flexible tube attached with connection holes for pick up of exhaust gas pressure, exhaust gas temperature and exhaust gas sample attached machineries and fittingsbattery, starting, switch, cellmotor, regulator,throttle valae andemergency stop valve, choke valve and battery charinr lamp(2) dynamometal indicator , pulsation absorbing surge with diaphragm tension chargesblesuction air thermometerRemote panel indicating thermometer (0 to 100℃/1℃)Atmospheric condition measureing deviceDial barometer ,wet and dry bulb thermometer(8) Lubricating measureing deviceLubricant pressure meterRemeote panel pressure meter(0 to 10㎏/㎠)Lubricating temperature sensor and indicatorIron costantan thermocouple detector (stinless fiezible gasprotecting tube) panel accurate thermometer (0-200℃/2℃)(9) Engine spark plug seat temperature measureing deviceTemperature measureing sensor and indicatorIron costantan thermocouple pickup (shield competsatinglead wire) panel accurate thermometer (0-200℃/2℃)(10) Engine cylinder pressure P-V diagram deviceindicator diagramAlternative cylinder pressure transducer ,amplifier,triggercathode-ray osciloscopeTools to install cylinderTransducer adaptor spark plug fixed in a spark plug hole ofgasolin engineRotational function wawe generatorFunction is equivalent to piston 성층연소에서는 공연비는 초희박과 희박 중간단계이고 양쪽의 연결을 부드럽게 한다.◇ 신기술작동하는 장치를 만들어내는 정밀가공기술, 따라서 가스의 도요다 D-4에서는 50:1이란 초희박한 공연비로부터 이론공연비까지 연속적으로 공연비가 변화한다. 이와같은 혼합기를 안정하게 연소시키기 위해서는 스로틀밸브의 개도, 연료분사시기, 연료분사압력, 스월등을 정밀하게 제어해야할 필요가 있다.따라서 정밀연료제어 기술을 초기에 전자제어 스로틀밸브, 전자제어 스월컨트롤 밸브(E-SCV)등이 신개발되었다. 이것들이 연료분사시기나 연료분사량에 대응해서 공기양이나 스월을 최적으로 제어하고 있다. 이러한 전자제어화에서 작동하는 장치가 고압 스월인젝터를 처음으로 하는 액추에이터이다. 도요다 D-4의 액추에이터 제작에는 mμ단위의 정밀가공기술이 적용되었다. 또 가스유동을 예측한다거나 이상적인 연소상태가 실현되었을까를 확인하기위해 고도의 시뮬레이션기술 및 계측기술도 활용되었다.더욱이 도요다 D-4에서는 전자제어식 EGR(E-EGR, 배기가스 재순환 장치)를 채용하여 성층연소에서 생성하기 쉬운 NOx를 억제하고 있다. 이러한 각각의 선진기술을 시스템으로서 총합하는 도요다 총합기술이 있어서 처음으로 D-4엔진이 태어나게 됐다.신기술1. 저연비를 실현하는 성층화 기술직분가솔린에서 저연비를 실현하기 위해서는 광범위한 주행상황에서 안정한 성층연비가 필요하게 된다. 도요다 D-4엔진에서는 고압스월인젝터, 깊은접시형상면 피스톤, 헤리컬포트, 스월컨트롤밸브, 정밀연료제어등에 의해서 안정한 성층연소를 실현할 수 있다. D-4의 개발에 있어서 대형 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션기술(CFD)을 구사하고 각부의 설계를 진행하였다.2. 고압스월인젝터성층연소를 실현하기 위해서는 점화직전에 연료를 분사해야만 한다. 점화직분의 압축행정후기의 실린더내에는 압력이 높으면서 연료의 분사시간은 제한되어있다. 이러한 이유 때문에 성층연소에서는 고압으로 단시간내에 연료를 분사하는 것이 필요하다.그래서 도요다 D-4엔진에서는 종래의 연료VT-i의 채용과 높은 압축비(10.0)에 의해 실용역의 토크를 약 10% 상승시켰다.VVT-i는 흡기밸브의 개폐 타이밍을 운전상태에 대응해서 최적으로 제어한다. 고부하시 에는 엔진의 회전수에 대응해서 흡기밸브의 타이밍을 연속적으로 변화시키고 흡기밸브 의 관성효과를 최대한으로 활용하는 것으로 체적효율을 높이고 토크와 출력을 향상시켰 다.흡기밸브의 타이밍은 저회전에서는 밸브가 닫히는 시기를 지연시킨다. 회전상승과 함께 밸브가 닫히는 시기를 빠르게하여 밸브의 오버랩(흡기밸브와 배기밸브의 모두가 열려 있는 상태) 시간을 길게한다. 이것에 의해 내부 EGR(배기가스 재순환)을 많게 하고 연 소가스 온도를 저하시켜 NOx 발생량을 저감한다. 이 내부 EGR은 외부 EGR의 부담을 경감시킨다.7. 전자제어 스로틀 밸브D-4엔진에는 전자제어 스로틀 밸브를 채용하였다. D-4엔진에서는 성층연소, 약성층연소, 희박연소, 이론공연비연소와 같이 4종류의 연소형태로 나뉘어 사용되고 있기 때문에 공연비가 크게 변화한다. 전자제어 스로틀 밸브는 이와같은 흡입공기 요구량의 복잡한 변화에 빠르게 응답해서 흡입공기량을 높은 정밀도로 제어하고 운전성을 향상시키고 있다.8. 배출가스 정화D-4엔진은 연비향상뿐만 아니라 배출가스의 정화에도 중점을 두고 있다. 성층연소, 약성층연소, 희박연소에서는 부하에 대응해서 EGR(배기가스 재순환)양을 제어하고 연소가스 온도를 낮추어서 NOx발생량을 자감하고 있다. 배기를 NOx 흡장환원형 삼원촉매로 정화하여 NOx, HC, CO의 배출량을 저감하고 있다. EGR과 NOx흡장환원형 삼원촉배를 조합시켜서 NOx의 배출량을 약 95% 저감하였다.?EGR배기가스의 일부를 배기계로부터 취출하고 적당한 온도, 시기, 유량등을 제어하여 흡 기계로 재순환시키는 것을 EGR이라고 하고, NOx 저감에 유효하다.D-4엔진에서는 최대 EGR율 약 40%의 다량 EGR을 행하고 있다. 이것은 EGR량이 많은 동안 연소가스 온도가 떨어져서 NOx 발생량을 감소시키는 것이 가능하다 오버헤드 캠(DOHC) 기관의 흡기측의 캠 축의 위상을 바꾸는 것과 저속용과 고속용의 2개의 캠의 윤곽곡선(profile)을 바꾸어 흡?배기 밸 브 타이밍과 밸브 양정(lift)을 바꾸는 것이다.2. 방식에따른 분류◇ 흡기밸브 캠의 위상을 바꾸는 방식이 방법은 가변 밸브 타이밍 기구를 내장한 캠 축 타이밍 기어를 흡기측 캠 축의 앞쪽에 설치하여 흡기밸브가 열리는 전체 기간은 일정하게 그대로 두고 캠의 위상만을 바꾸는 것이다.캠 축과 타이밍 기어는 타이밍 벨트로 구동시키는 부분과 캠 축에 고정시키는 부분으로 나누고, 그 중간에 헬리컬 스플라인(helical spline)을 내?외주에 두고, 이것을 축 방향으 로 이동시키는 타이밍 피스톤을 설치한다.가변 밸브 타이밍 스프로킷 구동 가변 밸브구동 캠 축 제어기구제어밸브는 그림과 같이 캠 축의 뒤에 설치하여 제어 유닛(unit)으로부터 신호를 받는다. 제어 솔레노이드가 OFF 일 때는 그림과 같이 캠 축 타이밍 기어내의 피스톤에 작용하는 오일을 배출시킨다. 제어 솔레노이드가 ON일 때는 제어밸브의 플런저(plunger)가 유압 통 로를 막아 타이밍 피스톤이 오른쪽 방향으로 이동한다. 이때 캠 축 타이밍 기어가 타이밍 벨트에 고정되어 있으므로 타이밍 피스톤의 외측은 피스톤이 이동하는 만큼 외주의 헬리컬 스프라인의 비틀림에 의하여 캠 축과 함께 기관의 회전 방향으로 이동(회전)한다. 동시 에 타이밍 피스톤의 이동(회전)에 의하여캠축은내주의 헬리컬 스프라인의 비틀림으로 다시 기관의 회전 방향으로 이동(회전)하여 흡기 캠의 위상이 전진 한 것과 같이 된다.◇ 캠의 윤곽곡선(profile)을 바꾸는 방식기관이 고속회전 할 때와 저속회전 할 때 모두에서 충분한 충전효율을 얻기위하여 그때마 다 윤곽곡선(profile)이 다른 캠에 각각의 밸브를 연결하여 흡?배기 밸브의 개?폐 시기와 밸 브의 양정(lift)을 변경하는 방식을 고안하였다. 즉, 기관이 고속회전 할 때는 캠의 윤 곽곡선의 양정이 높고 밸브 열림 각을 크게 하는 고속련이다.
