TCP 제어에서의 공구경로 및 공구방향을 고려한 유전자 알고리즘 기반 5축 서보게인 자동튜닝에 대한 연구 :A Study on Auto Tuning of 5-Axis Servo Gains based on Genetic Algorithm Considering Too Path and Tool Orientation in TCP Control

박재홍

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박재홍 (단국대학교, 단국대학교 대학원)

지도교수: 지성철

발행연도: 2022

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2022

TCP 제어에서의 공구경로 및 공구방향을 고려한 유전자 알고리즘 기반 5축 서보게인 자동튜닝에 대한 연구

박재홍 기계공학과 생산및제어 전공 2022.01 학위논문

2021

TCP 제어 특성을 고려한 유전자 알고리즘 기반의 5 축 서보 튜닝

박재홍 , 강정모 , 지성철 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2021.05 학술대회자료

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5축 공작기계는 복잡한 형상을 가공하기 위해 자주 쓰이고 있으며, 정밀한 가공을 위해 윤곽 정확도 향상을 목표로 다양한 연구가 진행되고 있다. 따라서 윤곽 정확도 향상을 위한 방법 중 하나로 서보게인 튜닝이 이용되고 있고, 이송계의 모션 및 모터의 특성을 고려하여 적합한 서보게인을 찾는 연구 또한 진행되고 있다. 일부 상용 CNC에서는 5축 공작기계를 구성하는 각각의 이송계에 대한 서보 튜닝 기능을 제공하고 있다. 그러나, 모터의 응답을 이용하여 각각의 이송계를 튜닝하는 단축 튜닝이나, 2차원 기준원을 이용한 2축 모션을 기준으로 두 축씩 튜닝하는 경우가 일반적이며, 3차원 기준원을 이용하여 튜닝을 진행할지라도 직선축과 회전축을 독립적으로 튜닝하는 경우가 대부분이다. 이 경우, 공구자세에 따라 직선축 모션이 유기적으로 변화하여야 하는 TCP 제어에 적용하기에는 적합하지 않다.
따라서, 본 논문에서는 TCP 제어 방식에 적합한, 공구경로 및 공구방향을 고려한 유전자 알고리즘 기반 서보게인 자동튜닝 방법을 제시한다. 제시된 방법에서는 3차원 기준원의 법선벡터, 곡률반경 및 공구자세 각도, 이송속도를 조합하여, bell shaped profile이 적용된 3차원 튜닝 기준원에 대한 경로를 생성하고, 윤곽오차 및 공구방향오차, 추종오차의 정상상태 및 과도상태를 반영하는 목적함수를 구성하고 유전자 알고리즘을 이용하여 최적의 서보게인을 추정하였다. 각 조건의 조합마다 생성된 3차원 기준원에 대한 최적의 서보게인들을 look up table로 구성하였다. 이후, NC데이터를 선독하여 공구경로 생성조건에 따른 적절한 게인들을 사전 구성한 look up table로부터 추정하여 블록 구간마다 적용시켰으며, 컴퓨터 시뮬레이션을 기반으로 제시된 방법을 평가하였다. 제시된 실시간 가변게인 적용 방법을 통해 전체 공구경로에 대한 윤곽오차, 공구방향오차 및 추종오차가 전반적으로 감소하였음을 확인하였으며, 제시된 방법의 유효성을 확인하였다.

Five-axis machine tools are often used to process complex shapes, and various studies are being conducted to improve contour accuracy for precise processing.
Therefore, as one of the methods to improve contour accuracy, servo gain tuning is being used, and the research to find an appropriate servo factor in consideration of the motion of the transfer system and the characteristics of the motor is also being conducted.
Some commercial CNC provides a servo tuning function for each transport system constituting a 5-axis machine tool. However, in general, two axes are tuned together based on two-axis motion using a two-dimensional reference circle or using a three-dimensional reference source, and in most cases, a translation axis and a rotation axis are tuned independently. In this case, it is not suitable for application to TCP control in which the translation axis motion should be organically changed according to the tool posture.
Therefore, in this paper, an automatic servo gain tuning method based on a genetic algorithm that considers a tool path and a tool direction suitable for a TCP control method is presented. The presented method combines the normal vector, curvature radius and tool posture angle, and feedrate of the 3D reference circle to generate a path to the 3D tuning reference circle to which the contour error, orientation error, and tracking error were used to estimate the optimal servo gains. The optimal servo gains for the 3D reference source generated for each combination of conditions were configured as a look-up table. Thereafter, NC data were read in advance, and appropriate gains under the tool path generation conditions were estimated from the preconfigured look-up table and applied to each NC block, and the method presented based on computer simulation was evaluated. Through the presented real-time variable servo gain application method, it was confirmed that the contour error, orientation error, and tracking error for the entire tool path were generally reduced, and the validity of the presented method was confirmed.

목 차
Ⅰ. 서론 1
1.1. 연구 배경 1
1.2. 연구 목적 2
Ⅱ. 서보게인 자동 튜닝 방법 6
2.1. 5축 튜닝 기준원 생성 조건 6
2.1.1 Tool center point(TCP)제어에 적합한 공구경로 생성조건 6
2.1.2 곡률반경 6
2.1.3 공구방향 각도 7
2.1.4 기준원의 법선 벡터 7
2.1.5 기준원 경로의 이송속도 7
2.2. 윤곽제어 성능 분석 방법과 기준원 경로 분석 11
2.2.1 5축 CNC 서보 시스템의 해석 12
2.2.2 제어기 설정에 따른 윤곽제어 성능 분석 15
2.2.3 기준원 경로 분석 17
2.3. 유전자 알고리즘 기반 서보게인 자동 튜닝 23
2.3.1 최적화 방법과 유전자 알고리즘 23
2.3.2 목적함수 선정 및 기준원 튜닝 결과 25
2.3.3 Look up table 생성 30
Ⅲ. 실시간 가변 서보게인 적용 결과 33
3.1. 실시간 가변 서보게인 적용 알고리즘 33
3.2. 시뮬레이션 결과 및 고찰 34
3.3. PC 기반 5축 CNC 시스템 구동 결과 및 고찰 45
Ⅳ. 결론 56
참고문헌 59
감사의 글 65

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