컴퓨터 수치 제어(CNC)란 무엇인가: 작동 원리 및 사용 분야

컴퓨터 수치 제어, 또는 CNC, 스탠드 지난 세기 제조업에 가장 큰 영향을 미친 발명품 중 하나로 꼽히는 기계는 노동력을 단순한 육체 노동에서 숙련된 감독으로 전환함으로써 공장과 작업장의 운영 방식을 혁신했습니다. 이러한 변화 덕분에 제조업체는 생산 속도를 높이고, 품질 관리를 강화하며, 그 어느 때보다 복잡한 설계를 수행할 수 있게 되었습니다.

이 글에서는 CNC가 무엇인지, 어떻게 작업을 수행하는지, 실제 환경에서는 어디에 사용되는지, 그리고 미래가 어떻게 될지 살펴보겠습니다.

컴퓨터 수치 제어란 무엇인가?

컴퓨터 수치 제어(CNC)는 컴퓨터가 절단 및 성형 기계의 움직임을 지시하는 시스템을 말합니다. 단일 CNC 기계 다양한 작업을 수행할 수 있습니다.드릴링, 절단, 갈기및 연마—다른 컴퓨터 프로그램을 로딩하는 것만으로 가능합니다. 이러한 유연성 덕분에 새 부품을 만들 때 하드웨어를 교체할 필요가 없습니다.

CNC에서 "수치적"이라는 용어는 기계가 좌표, 속도, 각도 등의 숫자를 읽어 공구를 제어한다는 것을 의미합니다. 제어 컴퓨터는 이러한 숫자를 해석하여 정밀한 움직임으로 변환합니다. 제조업체는 기계 자체를 건드리지 않고도 프로그램 편집만으로 부품의 크기나 모양을 조정할 수 있습니다.

CNC의 간략한 역사

초기 수치 제어 시스템은 1940년대 후반에 등장했으며, 간단한 명령을 저장하기 위해 천공 종이 테이프에 의존했습니다. 이 명령은 기계의 캠과 기어를 구동하여 기본적인 절삭 작업을 수행했습니다. 엔지니어들은 존 파슨스 그리고 프랭크 스툴렌 1950년대 시코르스키에서 헬리콥터 작업을 하면서 최초의 진정한 CNC 방식 중 하나를 개발했습니다. 1960년대와 1970년대에 현대식 컴퓨터가 등장하면서 프로그래머들은 더욱 유연한 소프트웨어를 작성할 수 있게 되었습니다. 오늘날의 CNC 기계는 물리적 테이프 대신 마이크로프로세서와 정교한 사용자 인터페이스를 사용합니다.

CNC 시스템의 핵심 부품

일반적인 CNC 설정은 4가지 주요 요소로 구성됩니다.

제어 장치

기계 제어 장치(MCU)는 CNC 기계의 "두뇌" 역할을 합니다. 기계의 작동 방식을 지시하는 프로그램을 읽고, 회전 신호를 보냅니다. 스핀들, 테이블을 이동하고, 펌프나 레이저를 작동시킵니다. 또한 센서의 피드백을 수신하여 실시간으로 동작을 조정합니다.

소프트웨어 인터페이스

디자이너가 사용하는 컴퓨터 지원 설계(CAD) 소프트웨어 2D 또는 3D로 부품을 그립니다. 그런 다음 다음으로 전환합니다. 컴퓨터 지원 제조 (CAM) 소프트웨어는 도면을 기계 코드로 변환합니다. CAM 출력은 CNC에 공구를 어떻게 이동해야 하는지 정확하게 알려줍니다.

통신 링크

파일은 이더넷 케이블, USB 드라이브 또는 직렬 링크(RS‑232, RS‑422)를 통해 설계 컴퓨터와 기계 간에 전송됩니다. 최신 "스마트 팩토리" 환경에서는 기계가 IoT 네트워크를 통해 성능 데이터를 중앙 서버로 전송할 수 있습니다.

모션 구성 요소

고정밀 볼 스크류, 리니어 가이드, 서보 또는 스테퍼 모터는 전자 신호를 여러 축을 따라 부드럽고 정확한 움직임으로 변환합니다.

입력 및 출력 장치

기계는 키보드, 터치스크린 또는 USB 드라이브를 통해 설정 정보를 받습니다. 기계의 상태 업데이트, 오류 메시지 및 사이클 시간은 모니터와 표시등에 표시됩니다. 작업자는 이러한 입력/출력 패널을 통해 이송 속도, 스핀들 속도 또는 냉각수 유량을 조정합니다.

CNC 시스템의 작동 방식

CNC 시스템은 설계 도면을 기계 동작으로 변환합니다. 설계자는 컴퓨터 지원 설계 (CAD) 모델. CAD 소프트웨어는 부품 형상을 2차원 또는 3차원 형태로 캡처합니다. CNC 프로그래머 해당 모델을 컴퓨터 지원 제조(CAM) 소프트웨어로 가져옵니다. CAM 소프트웨어는 소재, 공구 크기, 절삭 매개변수를 기반으로 공구 경로를 생성합니다. 결과는 G 코드와 M 코드라는 일련의 명령으로 나타납니다.

CNC 컨트롤러는 이 코드를 한 줄씩 읽습니다. 컨트롤러는 시스템의 두뇌 역할을 합니다. 각 명령을 해석하고 모터, 드라이브, 밸브에 전기 신호를 보냅니다. 모션 제어 시스템은 프로그램에 따라 X, Y, Z축 및 추가 회전축을 포함한 각 축을 이동합니다. 피드백 센서는 실제 위치를 컨트롤러로 보고하고, 시스템은 정확도를 유지하기 위해 조정합니다.

CNC가 좌표와 모션을 처리하는 방법

CNC 기계는 데카르트 좌표계라는 3차원 격자를 따릅니다. 모든 움직임은 다음을 따라 측정됩니다.

• X축: 수평으로 좌우로 움직입니다.
• Y축: 수평으로 앞에서 뒤로 움직이는 것.
• Z축: 수직으로 위아래로 움직이는 것.

많은 밀링 머신 회전 축을 추가합니다. A, B및 C—X, Y 또는 Z축을 중심으로 회전합니다. 5축 또는 6축을 사용하면 기계가 다양한 각도에서 부품에 접근하여 단일 설정으로 복잡한 형상을 제작할 수 있습니다.

CNC는 움직임을 세 가지 기본 유형으로 구분합니다.

급속 모션(G00)

컨트롤러는 G00과 같은 명령을 전송하여 최대한 빨리 새 지점으로 이동합니다. 기계는 최대 속도로 가장 안전한 경로를 따라 이동합니다. 작업자는 이 모드를 사용하여 절단 없이 위치를 변경합니다.

직선 운동(G01)

G01과 같은 명령은 공구를 두 지점 사이를 직선으로 이동합니다. 작업자는 F 코드로 이송 속도를 설정합니다. 시스템은 각 선형 세그먼트의 끝에서 잠시 멈춰 위치를 확인한 후 다음 세그먼트를 시작합니다.

원운동(G02/G03)

원형 경로는 G02 또는 G03 코드를 사용하여 지정된 반지름을 가진 호를 조각합니다. 프로그래머는 호의 중심과 방향을 지정합니다. 컨트롤러는 공구를 곡선 주위로 부드럽게 움직입니다.

기계 제어 장치 내부

MCU는 두 개의 내부 부품으로 구성됩니다.

• 데이터 처리 장치(DPU): 이 미니 컴퓨터는 계산을 담당합니다. CAM 파일을 읽고, 각 모터의 회전 속도를 계산하고, 명령을 전기 펄스로 변환합니다.
• 제어 루프 장치(CLU): 이 섹션은 기계의 센서(위치 인코더, 리미트 스위치 또는 온도 프로브)를 읽고 DPU로 피드백을 보냅니다. 그러면 DPU는 실시간으로 동작을 조정하여 경로를 유지합니다.

일반적인 CNC 프로세스 및 응용 프로그램

CNC 기술은 다양한 제조 방법을 지원합니다. 일반적인 CNC 가공의 종류 과 같습니다 :

• 선회: 회전하는 부품이 회전하는 동안 고정된 공구는 외면이나 내면을 조각합니다. 선삭된 부품에는 샤프트, 링, 콘 등이 있습니다.
• 갈기: 회전 커터는 고정된 가공물에서 재료를 제거합니다. 다축 밀링 머신은 공구를 기울이거나 회전시켜 다양한 각도로 가공할 수 있습니다.
• 방전 가공(EDM): 미세한 전기 스파크가 금속을 조금씩 부식시킵니다. EDM은 단단한 금속과 특이한 모양의 금속에 효과적입니다.
• 펀칭: 성형 다이가 있는 프레스는 금속에 구멍이나 모양을 찍어냅니다. 이 방법을 사용하면 빠르고 반복적인 절단 작업이 가능합니다.
• 라우팅 : 회전 라우터 비트는 나무, 플라스틱 또는 연질 금속을 절단합니다. CNC 라우터 가구에 장식 모양을 조각하거나 표지판을 만듭니다.
• 연마: 회전하는 휠은 표면을 매우 정밀한 공차까지 매끄럽게 다듬습니다. 연삭은 높은 정밀도와 섬세한 마감을 제공합니다.
• 플라즈마 절단: 고온 플라즈마 아크는 금속을 빠르게 절단합니다. 작업장에서는 플라즈마 절단기를 사용하여 대형 강철 부품이나 판금 패널을 제작합니다.
• 용접 : 로봇 제어 토치는 프로그램에 따라 부품들을 패턴에 맞춰 용접합니다. CNC 용접은 일관된 용접 품질을 보장합니다.
• 워터젯 절단: 때로는 연마 입자와 혼합된 물줄기가 열을 가하지 않고도 재료를 절단합니다. 워터젯은 유리부터 돌까지 모든 것을 처리합니다.
• 레이저 절단: 집중된 레이저 빔이 경로를 따라 재료를 녹이거나 증발시킵니다. 이 방법은 금속, 플라스틱 또는 목재의 얇은 판을 높은 정확도로 절단합니다.
• 3D 인쇄 : 적층 제조라고도 불리는 이 공정은 플라스틱이나 금속을 층층이 쌓아 부품을 제작합니다. CNC는 프린터 헤드를 제어하여 각 층을 추적합니다.

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CNC가 생산성을 높이는 방법

CNC 기계는 여러 가지 면에서 효율성을 혁신합니다.

• 첫 번째 실행에서 정확도가 높으므로 다시 작업하거나 버려야 할 폐기물이 줄어듭니다.
• 기계는 수 시간 동안 무인으로 작동하여 직원들이 프로그래밍, 설정 또는 검사 작업을 수행할 수 있습니다.
• 공구 매거진을 사용하면 기계에서 공구를 자동으로 교체할 수 있습니다. 드릴링에서 밀링으로 전환하는 데 몇 초밖에 걸리지 않습니다.
• 프로그램의 신뢰성이 입증되면 작업장은 최소한의 추가 설정으로 수백, 수천 개의 부품을 생산할 수 있습니다.

CNC 기계 프로그래밍: G 코드 및 M 코드

CNC 프로그래머는 두 가지 기본 코드 세트를 사용합니다.

G-코드(기하학적 코드)

G 코드 직접 공구 경로 및 동작 모드. 예를 들어, G00은 급속 이송을, G01은 선형 이송을, G02/G03은 원호 이송을 트리거합니다. 명령에는 좌표 문자(X, Y, Z), 이송 속도(F), 스핀들 속도(S), 공구 선택(T)이 포함됩니다.

예는 다음과 같습니다 :

• 빠른 이동을 위한 G00
• 선형 절단을 위한 G01
• 시계 방향 또는 반시계 방향 호의 경우 G02/G03

M‑코드(기타 코드)

M 코드 기계 유틸리티를 제어합니다. 예를 들어 M00(프로그램 정지), M03(스핀들 시계 방향 회전), M05(스핀들 회전 정지), M08(절삭유 회전), M09(절삭유 회전 정지) 등이 있습니다. M 코드는 프로그램 내에서 절삭과 관련 없는 기능을 처리합니다.

예는 다음과 같습니다 :

• 프로그램 정지를 위한 M00
• 냉각수를 시작하려면 M08을 사용하세요
• 냉각수 차단을 위한 M09
• M06 도구를 변경하려면

프로그래머는 코드를 직접 작성하거나 CAM 소프트웨어가 자동으로 생성하도록 합니다. 모든 프로그램 줄은 선택적인 줄 번호로 시작하며, 그 뒤에 G 코드, 좌표, 매개변수가 옵니다. 프로그래머는 프로그램을 기계에서 실행하기 전에 CAM 소프트웨어에서 시뮬레이션하고 디버깅합니다.

CNC 프로그램의 각 줄은 일반적으로 줄 번호(N)로 시작하고 그 뒤에 G 코드, M 코드, 그리고 좌표(X, Y, Z)가 나열됩니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

N10 G21 ; Set units to millimeters
N20 G90 ; Use absolute coordinates
N30 G00 X0 Y0 ; Rapid move to start point
N40 M03 S1500 ; Start spindle at 1,500 rpm
N50 G01 X50 Y0 F200 ; Cut in a straight line at 200 mm/min
N60 M05 ; Stop spindle
N70 M30 ; End program

일반적인 코딩 관행

프로그래머는 디버깅을 용이하게 하기 위해 시퀀스를 블록으로 그룹화하고, 각 블록은 줄 번호(N-코드)로 시작합니다. 복잡한 동작을 설명하는 주석을 추가합니다. 실제 기계에 코드를 로드하기 전에 시뮬레이션을 실행하여 충돌이나 툴패스 오류를 확인합니다.

CNC 가공의 소프트웨어

CNC는 세 가지 주요 유형의 소프트웨어에 의존합니다.

CAD(컴퓨터 지원 설계)

CAD 소프트웨어 2차원 형상을 스케치하거나 3차원 입체를 조각할 수 있는 디지털 공간을 제공합니다. 설계자는 간단한 그리기 도구, 서피스 기능, 솔리드 모델 피처 중에서 선택할 수 있습니다. CAD 패키지에는 일반적으로 구멍, 포켓, 체결 세부 정보와 같은 표준 부품 라이브러리가 포함되어 있습니다.

CAM(컴퓨터 지원 제조)

CAM 소프트웨어는 CAD 모델을 가져와 프로그래머가 공구와 절삭 전략을 선택할 수 있도록 합니다. 이 소프트웨어는 각 공구에 대한 단계별 지침을 계산합니다. 최신 CAM 시스템은 속도, 공구 수명 또는 표면 조도를 최적화할 수 있습니다. 또한 공구 경로를 시뮬레이션하고 간섭을 확인합니다.

CAE (컴퓨터 지원 공학)

CAE 도구는 부품이 하중, 열 또는 진동에 어떻게 견디는지 평가함으로써 CAM을 넘어섭니다. 엔지니어는 CAE를 사용하여 응력 분석, 열 유동 검사 또는 동작 분석을 수행합니다. 이러한 검사는 금속을 절단하기 전에 취약점을 발견하는 데 도움이 됩니다.

CNC를 사용하는 일반적인 산업

재료를 성형하는 거의 모든 분야에서 CNC 기술을 찾아볼 수 있습니다.

• 자동차: 엔진 블록, 변속 장치, 트림 부품에 사용.
• 항공우주: 날개, 터빈 블레이드, 항공 전자 장비 케이스.
• 전자제품: 방열판, 커넥터, 하우징 부품용.
• 의료: 수술 도구, 보철물, 이식 부품.
• 가구 및 목공: 캐비닛 문, 간판, 맞춤형 목공 작업.
• 방어용: 무기 구성품, 드론, 장갑판 제조용.
• 에너지: 유전 밸브, 풍력 터빈 부품, 태양광 지지 구조물.
• 로봇공학 및 자동화: 로봇 팔, 그리퍼, 장착 브래킷.
• 보석 및 예술품: 정교한 반지, 조각품, 장식 패널을 제작합니다.

일상용품을 제작하든 중요한 안전 부품을 제작하든 CNC는 현대적 디자인이 요구하는 반복성과 정밀성을 제공합니다.

CNC를 사용하는 이유는 무엇일까요? CNC 기술의 이점

제조업체는 CNC 시스템을 사용하면 많은 이점을 얻습니다.

• CNC 기계는 사람이 손으로 도구를 조작하는 것보다 더 빠르게 절삭 공구와 작업물을 옮길 수 있습니다.
• 동일한 프로그램이 수백 또는 수천 번의 사이클에 걸쳐 동일한 부품을 생산합니다.
• CNC 기계는 올바르게 설치하면 마이크론 단위의 허용 오차를 달성합니다.
• 작업을 변경하려면 기계를 재조정할 필요 없이 새 프로그램을 로드하기만 하면 됩니다.
• 작업자는 움직이는 부품에 접근하지 않아도 됩니다. CNC 시스템에는 인터록과 비상 정지 기능이 내장되어 있습니다.
• 기계에 장착된 센서는 허용 오차를 충족하지 못하는 부품을 측정하여 거부할 수 있습니다.
• 다축 CNC 기계는 손으로는 불가능한 내부 공동과 언더컷을 조각할 수 있습니다.
• 숙련된 작업자는 수동 절단보다는 설정과 품질에 집중합니다.
• CAM 소프트웨어는 부품을 단단히 끼워 넣거나 거의 완벽한 형상의 가공을 선택하여 낭비를 줄일 수 있습니다.

CNC는 장점이 있음에도 불구하고 몇 가지 단점이 있습니다.

• CNC 기계와 관련 소프트웨어에 대한 초기 투자액은 6자리 수 이상에 달할 수 있습니다.
• 회사에는 훈련이 필요합니다 CAM 가공 G코드를 작성하고 디버깅하는 방법을 아는 프로그래머.
• 고정밀 볼스크류, 리니어 가이드, 스핀들에는 정기적인 윤활, 정렬 점검, 필터 교체가 필요합니다.
• 강력한 스핀들과 서보 모터는 상당한 전력을 소모합니다. 따라서 에너지 비용이 증가할 수 있습니다.
• 매우 큰 부품은 표준 CNC 기계에 맞지 않을 수 있으며 특수한 거더나 로봇 팔이 필요할 수 있습니다.

소규모 작업장이나 취미로 하는 사람들은 예산이 빠듯하기 때문에 수동 기계나 탁상용 CNC 시스템을 선택하는 경우가 있습니다. 그러나 대규모 제조업체는 일반적으로 처리량이 높고 부품당 인건비가 낮아 투자 수익률이 더 빠릅니다.

차이점은 무엇입니까 수치 제어 그리고 컴퓨터 수치 제어?

우리가 이야기 할 때 수치 제어 (NC)와 컴퓨터 수치 제어(CNC)를 비교해 보면, 기본적으로 동일한 아이디어(프로그래밍 가능한 명령어를 사용하여 공작 기계를 구동하는 방식)의 두 세대를 살펴볼 수 있습니다. 하지만 명령어를 저장하고, 편집하고, 실행하는 방식에 있어 몇 가지 중요한 차이점이 있습니다.

특색	수치제어(NC)	컴퓨터 수치 제어 (CNC)
제어 방법	기계식/아날로그	디지털 컴퓨터 기반
프로그램 작성	펀칭 테이프 또는 카드	CAD/CAM에서 생성된 프로그램 또는 수동 G 코드 편집
프로그램 수정	모든 변경 사항에 대해 테이프를 다시 펀칭하세요	콘솔에서 텍스트를 편집하고 새 파일을 즉시 업로드하세요
유연성	낮음(프로그램 변경 어려움)	높음(수정 및 업데이트가 쉬움)
자동화	기본 자동화	피드백 및 진단을 통한 고급 자동화
다축 제어	제한된	다축 동시 제어 지원
사용자 상호 작용	최소의	대화형 그래픽 사용자 인터페이스
오류 보상	없음	실시간 오류 감지 및 수정
부품의 복잡성	제한적 - 단순하고 반복적인 모양	매우 높음 - 다축 보간, 복잡한 윤곽

CNC의 최근 발전과 미래

컴퓨팅 성능이 향상됨에 따라 CNC 시스템은 더욱 스마트해지고 있습니다. 제조업체들은 이제 기계를 사물 인터넷(IoT)에 연결합니다. 센서는 진동, 온도, 공구 마모 데이터를 중앙 서버로 스트리밍합니다. 그러면 인공지능(AI) 도구가 해당 데이터의 패턴을 파악하여 스핀들 고장이나 생산 속도 저하가 발생할 시기를 예측합니다.

이러한 연결성을 통해 관리자는 어디에서나 공장을 모니터링할 수 있습니다. 또한 기계가 실시간으로 설정을 조정하여 공구가 마모되더라도 부품을 허용 오차 범위 내에서 유지할 수 있습니다. 향후 몇 년 안에는 공작물을 이동시키지 않고도 원자재를 완제품까지 처리하는 "원스톱" CNC 기계가 더 많이 등장할 것으로 예상됩니다.

결론

컴퓨터 수치 제어(CNC) 기술은 현대 제조의 필수적인 부분이 되었습니다. 정밀성, 속도, 그리고 유연성을 제공하는 이 기술은 수많은 산업 분야에서 매우 중요한 역할을 합니다. 기술이 발전함에 따라 CNC 기계는 더욱 스마트하고, 빠르고, 더욱 강력해지면서 전 세계 생산의 미래를 바꿀 것입니다.

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