머시닝센터 공구보정

왜 배우는가: 머시닝센터는 한 대의 기계에서 여러 공구를 자동으로 바꾸어 가공하므로, 공구마다 다른 길이와 반지름을 같은 프로그램 좌표로 맞추려면 공구 보정이 필수다. 공구 보정은 공구 치수 차이를 제어장치에 등록하는 기능이어서 치수 불량과 공구 교환 후 재프로그래밍을 줄이는 핵심 수단이다. 여러 차례 출제된 주제이므로 기능 구분과 보정 지령 방법을 함께 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제126회 2교시 2번, 제120회 1교시 10번, 제97회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

공구 보정은 공구의 길이와 반지름 차이를 제어장치에 등록하여 공구 경로를 실제 가공 형상에 맞게 자동으로 바꾸는 기능이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 공구 보정: 공구의 치수 차이를 프로그램의 이동량에 반영하는 기능 전체를 가리킨다.
• 공구길이 보정: 공구 끝단의 Z축 위치 차이를 보정하는 기능이다.
• 공구경 보정: 공구 반지름만큼 공구 중심 경로를 윤곽에서 옮기는 기능이다.
• 보정 번호: 보정값이 저장된 메모리 주소이며 길이는 H, 반지름은 D로 지정한다.
• 보정값: 기준 공구와 실제 공구의 치수 차이를 숫자로 등록한 값이다.
• 공구 마모 보정: 마모량을 보정값에 더해 치수 편차를 줄이는 기능이다.
• 공구 교환: 새 공구를 주축에 장착할 때 그 공구의 보정 번호를 지령하는 작업이다.

2. 개념 풀이

공구 보정은 프로그램에 지령한 공구 중심 경로를 실제 공구의 치수에 맞추어 제어장치가 축 이동량을 계산하는 기능이다. 프로그래머는 가공 형상의 좌표만 작성하고, 공구마다 다른 길이와 반지름은 보정 메모리에 등록한다. 형상 좌표와 공구 치수를 분리하기 때문에 공구를 바꾸어도 프로그램 본문을 고치지 않고 치수를 맞출 수 있다.

원리는 두 방향으로 나뉜다. 길이 방향인 Z축에서는 기준 공구 끝단을 기준으로 실제 공구 끝단이 얼마나 차이 나는지를 보정값으로 두고, 지령된 Z좌표에 그 값을 더하거나 뺀다. 반지름 방향인 XY평면에서는 공구 중심이 가공 윤곽에서 반지름만큼 떨어져 움직여야 하므로, 제어장치가 진행 방향 기준 왼쪽 또는 오른쪽으로 반지름만큼 옮긴 경로를 계산한다. 길이 보정을 식으로 쓰면 다음과 같다.

$Z = Z_{cmd} + H_{n}$

Z_cmd는 프로그램에 지령한 Z좌표[mm], H_n은 보정 번호 n에 등록된 길이 보정값[mm], Z는 실제 이동 위치이다. 이 식은 G43을 지령한 경우이며, G44를 지령하면 보정값을 빼는 방향으로 계산한다.

• 공구길이 보정은 Z축 기준면에서 공구 끝단의 위치를 맞춘다. G43은 (+) 방향 보정이고, G44는 보정값을 빼는 (-) 방향 보정이며, G49는 보정을 취소한다. 공구를 교환하면 새 공구의 보정 번호를 지령해야 이전 공구의 보정값이 적용되지 않는다.
• 공구경 보정은 XY평면에서 공구 중심을 윤곽에서 반지름만큼 떨어뜨린다. G41은 진행 방향 왼쪽, G42는 오른쪽에 공구 중심을 두며, G40은 보정을 취소한다. 윤곽을 도는 방향에 따라 G41과 G42 중 어느 쪽을 쓸지가 정해진다.
• 보정 번호는 H와 D 뒤에 붙는 번호로, 보정 화면에 등록된 값을 불러오는 주소 역할을 한다. 같은 번호를 여러 공구에 함께 쓰면 한 공구의 보정값을 바꿀 때 다른 공구의 치수도 함께 바뀌므로, 공구마다 번호를 분리하여 관리한다.
• 공구 마모 보정은 가공 중 측정한 마모량을 보정 번호의 값에 더하거나 조정하여 치수 편차를 줄이는 작업이다. 마모량은 보정값에 누적되므로 공구를 교체하면 해당 번호의 값을 새로 설정해야 한다.

보정 지령은 모달(modal) 기능이므로 G49나 G40으로 취소하기 전까지 유효하다. 따라서 공구를 교환한 뒤에도 이전 보정이 남아 있으면 치수가 어긋나므로, 프로그램에서 취소와 재지령의 순서를 명확히 구분하는 것이 필요하다. 공구길이 보정의 기준이 되는 Z 기준면은 기계 원점과 공작물 좌표계의 관계로 정해지며, 공구 보정은 이 기준면에서 공구 끝단까지의 차이를 보정값으로 등록하는 방식이다.

가상의 예로, 반지름이 5mm인 엔드밀로 외곽 윤곽을 가공하는 경우를 보자. 보정을 쓰지 않고 공구 중심을 윤곽선 위에 두면 가공물은 반지름만큼 작게 깎인다. 공구경 보정을 지령하고 보정 번호에 5mm를 등록하면 제어장치가 윤곽에서 5mm 떨어진 공구 중심 경로를 계산하므로 설계 치수가 맞는다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 NC 기계에서는 공구를 바꿀 때마다 작업자가 공구 길이와 반지름의 차이를 계산하여 프로그램의 좌표값을 직접 고쳐야 했다. 이 방식은 공구 교환마다 프로그램을 수정해야 하므로 준비 시간이 길고, 계산 실수가 생기면 치수 불량으로 이어졌다.