최근 CNC 공작기계 시장에서는 고품질 가공을 위해 기술 경쟁력 확보가 중요한 요소로 강조되고 있다. 이에 따라 고속 이송 시스템 기술 개발이 점점 더 강조되고 있는데, 특히 반도체, 항공기, 전기 자동차 부품 가공 분야에서는 고객의 높은 품질 요구와 생산성 향상을 충족하기 위해 이송 시스템의 고속화가 더욱 중요해지고 있다.
이송 시스템의 고속화를 실현하기 위해서는 초정밀 제어 기술과 구조적 안정성을 기반으로 한 경량화가 필수적이다. 그러나 이송 시스템의 경량화는 급격한 가감속과 고속 이송으로 인해 진동 문제가 발생할 수 있어 초정밀 가공에서는큰 취약점이 될 수 있다. 이런 진동 문제를 해결하기 위해 다양한 방법이 적용 될 수 있지만, 입력성형기법(Input Shaping Method)은 추가적인 하드웨어나 설계변경 없이도 비교적 간단하게 구현할 수 있다.
입력성형기법은 다양한 이송 시스템에서 편의성과 유용성 측면에서 우수한 성능을 보여주고 있다. 특히 크레인과 같이 저주파 및 저감쇠 특성을 갖는 시스템에는 입력성형기법이 효과적으로 적용되어 왔다. 그러나 CNC 공작기계와 같은 고정밀 가공 시스템에는 입력성형기법이 적용된 사례는 많지 않다.
본 연구에서는 가공 정밀도를 개선하고 진동을 최소화하기 위해 CNC 공작기계의 이송 시스템에 입력성형기법을 적용하는 방법을 제안하였다. 이를 위해 실제 산업현장에서 사용되는 머시닝센터와 레이저 가공기에 입력성형기법을 적용하고, 이를 통해 시뮬레이션과 실험을 진행하여 효과를 확인하였다.
머시닝센터에서는 다음과 같이 5가지 연구를 수행하였다:
첫째로, 입력성형기법을 적용하기 위해 화낙 컨트롤러에 입력명령을 지령할 수 있도록 G-code 프로그램으로 자동 변환할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 이를 통해 자동으로 변환된 프로그램을 사용하여 머시닝센터의 이송 시스템에 입력성형기법을 적용할 수 있게 하였다.
둘째로, 머시닝센터의 이송 시스템에서 발생하는 잔류진동을 억제하기 위해 급속 위치결정(G00)에서 발생하는 고속 이송과 급격한 가감속에 대한 잔류진동을 줄이기 위해 UMZV(On-off 방식) 입력성형기를 적용하였다. 이를 통해 잔류진동을 크게 줄일 수 있음을 확인하였다.
셋째로, 머시닝센터의 직선 보간(G01)에서는 이송속도를 조절할 수 있는 기능을 고려하여 ZV 입력성형기를 적용하였다. 이는 가장 일반적으로 많이 사용되는 입력성형기법으로, 직선 보간에서 발생하는 잔류진동을 효과적으로 제거할 수 있음을 확인하였다.
넷째로, 이방성을 갖는 2축 이송계를 포함한 머시닝센터의 이송 시스템에서 직선 보간을 적용하는 과정에서 저크(Jerk)를 제한하는 방식으로 입력성형기법을 적용하여 잔류진동을 효과적으로 제거할 수 있음을 시뮬레이션과 실험을 통해 확인하였다.
다섯째로, 머시닝센터의 이송 시스템에서 직선 및 원호 복합 가공 공정에서 입력성형기법을 적용하여 가공 정밀도를 개선하는 방법을 제안하였다. 이를 위해 다양한 조건에서 실험을 수행하였으며, 재질, 이송속도, 감속비율, 가공깊이 등을 고려하여 실험을 수행하였다. 가공된 시편은 디지털 현미경, 조도 측정기, 이미지 치수 측정 시스템을 활용하여 가공 과정에서의 입력성형의 효과를 다양하게 검증하였다. 이를 통해 입력성형기법의 적용이 가공 정밀도를 높일 수 있음을 확인하였다.
CNC 레이저 가공기에서는 직선 마킹 공정과 직선 및 원호로 구성된 코너 마킹 공정에 입력성형기법을 적용하였다. 이를 위해 시뮬레이션과 실험을 통해 제안된 방법이 CNC 레이저 가공기의 가공 정밀도를 크게 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

In the recent CNC machine tool market, securing technological competitiveness for high-quality machining has been emphasized as an important factor. As a result, the development of high-speed transfer system technology is increasingly emphasized, particularly in the fields of semiconductors, aircraft, and electric vehicle component machining. The acceleration of transfer systems has become even more crucial to meet customer''s high-quality requirements and enhance productivity.
To achieve the high-speedization of transfer systems, it is essential to have precision control technology and lightweight construction based on structural stability. However, lightweighting of the transfer system can lead to vibration issues due to rapid acceleration and high-speed transfer, posing a significant vulnerability in precision machining. Various methods can be employed to address these vibration problems, and one such method is the Input Shaping Method, which can be relatively easily implemented without the need for additional hardware or design changes. The Input Shaping Method has demonstrated excellent performance in terms of convenience and utility in various transfer systems. In particular, it has been effectively applied to systems that exhibit low-frequency and low-damping characteristics, such as cranes. However, there are not many cases where the Input Shaping Method has been applied to precision machining systems like CNC machine tools.
This study proposes a method for applying the Input Shaping Method to the transfer system of CNC machine tools in order to improve machining precision and minimize vibrations. To achieve this, the Input Shaping Method was applied to machining centers and laser processing machines commonly used in industrial settings. Simulations and experiments were conducted to verify the effectiveness of the proposed approach.
In the case of machining centers, the following five studies were conducted:
Firstly, a program was developed to automatically convert the input commands into G-code programs, allowing the issuance of input commands to the motion controller for the application of the Input Shaping Method. Through this program, the automatically converted program could be used to apply the Input Shaping Method to the transfer system of the machining center.
Secondly, to suppress the residual vibrations occurring in the transfer system of the machining center, an UMZV (On-off method) input shaper was applied to reduce the residual vibrations caused by high-speed transfers and rapid acceleration/deceleration during rapid positioning (G00). Through this approach, it was confirmed that the residual vibrations could be significantly reduced.
Thirdly, for the linear interpolation (G01) in the machining center, the ZV (Zero Vibration) input shaper was applied, considering the ability to control the transfer speed. This is the most commonly used input shaping method, and it was confirmed that it effectively eliminates the residual vibrations occurring during linear interpolation.
Fourthly, in the transfer system of the machining center, which includes a 2-axis transfer mechanism with anisotropy, the input shaping method was applied to effectively eliminate residual vibrations during the application of linear interpolation by limiting jerk. This was confirmed through simulations and experiments.
Fifthly, a method was proposed to improve machining precision in the transfer system of the machining center during combined linear and circular machining processes by applying the input shaping method. To achieve this, experiments were conducted under various conditions, considering factors such as material, feed rate, reduction ratio, and depth of cut. The machined specimens were subjected to diverse validations of the effects of input shaping during the machining process using a digital microscopes, a surface roughness tester, and image dimension measurement systems. Through these validations, it was confirmed that the application of the input shaping method can increase machining precision.
In the CNC laser processing machine, the input shaping method was applied to the straight marking process and the corner marking process, which consists of linear and circular motions. Through simulations and experiments, it was confirmed that the proposed method can significantly improve the machining precision of the CNC laser processing machine.