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KR101562472B1 - 공작 기계의 공구대 위치 보정 장치 - Google Patents

공작 기계의 공구대 위치 보정 장치 Download PDF

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Publication number
KR101562472B1
KR101562472B1 KR1020140098231A KR20140098231A KR101562472B1 KR 101562472 B1 KR101562472 B1 KR 101562472B1 KR 1020140098231 A KR1020140098231 A KR 1020140098231A KR 20140098231 A KR20140098231 A KR 20140098231A KR 101562472 B1 KR101562472 B1 KR 101562472B1
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KR
South Korea
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tool
distance
stroke section
electric motor
tool rest
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KR1020140098231A
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Inventor
박진우
서우창
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현대위아 주식회사
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Abstract

본 발명은 공작 기계의 공구대 위치 보정 장치에 관한 것이다.
일례로, 소정의 스트로크 구간을 따라 이송되고, 공구가 설치된 공구대; 상기 스트로크 구간의 끝점과 인접한 위치에 설치되고, 가공물이 결합되는 주축대; 상기 공구대를 이송시키고, 상기 공구대의 이송거리에 대응하는 위치값을 출력하는 전동모터; 상기 스트로크 구간의 시작점과 인접한 위치에 설치되고, 상기 시작점에 위치한 상기 공구대와 떨어진 거리의 변화량을 측정하는 측정센서; 및 상기 전동모터를 이용하여 상기 공구대를 상기 스트로크 구간의 시작점에 주기적으로 위치시켜 상기 측정센서로부터 상기 거리 변화량을 얻고, 상기 전동모터로부터 상기 공구대의 위치값을 읽고, 상기 거리 변화량을 이용하여 상기 위치값에 비례하는 오프셋 값들을 각각 연산하며, 상기 공구대의 이송거리에 상기 오프셋 값들을 각각 반영하여 상기 공구대의 이송거리를 보정하는 컴퓨터 수치 제어부를 포함하는 공작 기계의 공구대 위치 보정 장치를 개시한다.

Description

공작 기계의 공구대 위치 보정 장치{TOOL DIE POSITION COMPENSATION DEVICE OF MACHINE TOOLS}
본 발명은 공작 기계의 공구대 위치 보정 장치에 관한 것이다.
일반적으로 CNC 선반과 같은 공작 기계는 장비의 특성상 자동화 라인에서 24시간 사용되고 있으며, 이에 따라 가공물의 정확도 확보가 중요한 요소이다. 특히, 선반의 경우 X축 방향의 정밀도가 중요한 역할을 하므로, 이 부분의 열변형 오차를 보정하기 위한 각종 주변 장치들이 사용되고 있다.
예를 들어, 대한민국 등록특허 제10-1368048호에서는 가공 중에 발생된 열변형 오차를 체크하기 위해 주축대에 터치센서를 설치하여 공구대의 이송거리에 대한 오차를 측정하고, 측정된 값을 컴퓨터 수치 제어부(예를 들면, computer numerical control machine tools)로 전송하여 상기 오차만큼 보정을 실시하고 있다.
그러나, 이러한 종래기술은 공구대를 터치센서로 이동시킬 때 상기 공구대를 터치센서와의 간섭이 없는 위치로 이동시키는 기구적 간섭 회피 과정이 반드시 필요하다. 또한, 상기 공구대의 이송을 담당하는 볼 스크류의 신장량은 어느 한 기준점에서 멀어질수록 증가하게 때문에, 상기 터치센서로부터 얻은 오프셋 값을 상기 공구대가 이동하는 범위 즉 X축의 스트로크 전구간에 걸쳐 동일하게 적용하는 것을 적절하지 않다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 상기 공구대가 위치하는 지점마다 터치센서에 의한 오프셋 값을 다르게 적용해야 한다.
대한민국 등록특허 ‘제10-1368048호’
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 센서의 위치를 변경하여 공구와 가공물 간의 간섭을 제거하고, 공구대의 위치하는 지점마다 오프셋 값을 다르게 적용하여 공구의 위치정밀도를 향상시킬 수 있는 공작 기계의 공구대 위치 보정 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 공작 기계의 공구대 위치 보정 장치는, 소정의 스트로크 구간을 따라 이송되고, 공구가 설치된 공구대; 상기 스트로크 구간의 끝점과 인접한 위치에 설치되고, 가공물이 결합되는 주축대; 상기 공구대를 이송시키고, 상기 공구대의 이송거리에 대응하는 위치값을 출력하는 전동모터; 상기 스트로크 구간의 시작점과 인접한 위치에 설치되고, 상기 시작점에 위치한 상기 공구대와 떨어진 거리의 변화량을 측정하는 측정센서; 및 상기 전동모터를 이용하여 상기 공구대를 상기 스트로크 구간의 시작점에 주기적으로 위치시켜 상기 측정센서로부터 상기 거리 변화량을 얻고, 상기 전동모터로부터 상기 공구대의 위치값을 읽고, 상기 거리 변화량을 이용하여 상기 위치값에 비례하는 오프셋 값들을 각각 연산하며, 상기 공구대의 이송거리에 상기 오프셋 값들을 각각 반영하여 상기 공구대의 이송거리를 보정하는 컴퓨터 수치 제어부를 포함한다.
또한, 상기 측정센서는, 상기 스트로크 구간의 시작점에 위치한 상기 공구대로 이동하여 접촉하는 방식으로 상기 공구대와 떨어진 거리의 변화량을 측정하는 접촉식 센서를 포함할 수 있다.
또한, 상기 거리측정센서는 광센서를 포함할 수 있다.
또한, 상기 컴퓨터 수치 제어부는, 상기 측정센서로부터 상기 거리 변화량을 입력 받는 입력부; 상기 전동모터의 회전수를 제어하는 모터 구동부; 상기 전동모터의 회전수에 따른 상기 공구대의 위치값을 출력하는 위치 검출부; 상기 거리 변화량과 상기 위치값에 기초하여 상기 오프셋 값들을 각각 연산하는 연산부; 상기 연산부를 통해 연산된 오프셋 값들을 저장하는 저장부; 및 상기 모터 구동부를 제어하여 상기 공구대를 상기 스트로크 구간의 시작점에 주기적으로 위치시키고, 상기 저장부에 저장된 오프셋 값들에 기초하여 상기 전동모터의 회전수를 보정함으로써 상기 공구대의 이송거리를 보정하는 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 연산부는, K = M/F×(±S)의 수식에 기초하여 상기 오프셋 값들을 각각 연산하고, 상기 K는 상기 오프셋 값, 상기 M은 상기 스트로크 구간의 끝점과 상기 공구대의 임의의 지점 간의 거리, 상기 F는 상기 스트로크 구간의 시작점과 끝점 간의 거리, 및 상기 S는 상기 스트로크 구간의 시작점과 상기 측정센서 간의 거리 변화량을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따르면, 센서의 위치를 변경하여 공구와 가공물 간의 간섭을 제거하고, 공구대의 위치하는 지점마다 오프셋 값을 다르게 적용하여 공구의 위치정밀도를 향상시킬 수 있는 공작 기계의 공구대 위치 보정 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공작 기계의 공구대 위치 보정 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 공작 기계의 공구대 위치 보정 방법을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 오프셋 값의 측정 방식을 나타낸 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공작 기계의 공구대 위치 보정 장치의 구성을 나타낸 도면이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 공작 기계의 공구대 위치 보정 방법을 나타낸 도면이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 오프셋 값의 측정 방식을 나타낸 흐름도이다.
우선, 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 공작 기계의 공구대 위치 보정 장치(100)는, 공구대(110), 주축대(120), 전동모터(130), 측정센서(140) 및 컴퓨터 수치 제어부(150)을 포함한다.
상기 공구대(110)는 적어도 하나의 공구(111)가 설치되며, 상기 전동모터(130)와 연결된 소정의 스트로크 구간(Table Stroke Section)을 갖는 레일(131)을 따라 X축 방향으로 이송될 수 있다. 상기 스트로크 구간은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 공구대(110)의 시작점(S)과 끝점(E)이 정의될 수 있다. 또한, 상기 도 2에 도시된 R은 상기 공구대(110)가 상기 스트로크 구간 상에 위치한 임의의 지점을 나타낸다. 상기 공구대(110)는 다수의 공구(111) 중 특정 공구(111)를 선택하여 상기 주축대(120)를 향하도록 구성될 수 있다. 이러한 공구대(110)는 당업자에게 주지된 내용이므로 여기서 더 이상의 설명은 생략한다.
상기 주축대(120)는 상기 스트로크 구간의 끝점(E)과 인접한 위치에 설치된다. 상기 주축대(120)에는 상기 공구(111)에 의해 가공되는 가공물(121)이 결합되며, 상기 가공물(121)을 고속으로 회전시키는 역할을 한다. 이러한 주축대(120) 역시 는 당업자에게 주지된 내용이므로 여기서 더 이상의 설명은 생략한다.
상기 전동모터(130)는 상기 공구대(110)를 상기 레일(131)을 따라 X축 방향으로 이송시키는 역할을 한다. 이러한 전동모터(130)는 서보모터 등이 될 수 있으며, 회전수 제어에 의해 상기 공구대(110)의 정확한 X축 이송거리를 제어할 수 있다. 상기 전동모터(130)는 상기 컴퓨터 수치 제어부(150)에 의해 제어되는 동시에, 상기 전동모터(130)의 회전수와 X축 이송거리 또는 상기 이송거리에 대응하는 상기 공구대(110)의 위치값을 컴퓨터 수치 제어부(160)에 출력할 수 있다.
상기 측정센서(140)는 상기 스트로크 구간의 시작점(S)과 인접한 위치에 설치되고, 상기 전동모터(130)에 의해 상기 시작점(S)에 위치한 공구대(110)와 떨어진 거리(D)에 대한 변화량(Δd)을 측정하는 역할을 한다. 여기서, 거리 변화량(Δd)의 초기 값은 ‘0’이 되겠지만, 공작 기계의 가공작업이 진행되면 열변위에 의한 상기 공구대(110)의 이송거리 오차 ±d가 발생하게 된다. 상기 측정센서(140)는 주기적으로 이러한 오차 ±d 즉, 상기 거리 변화량(Δd)을 측정하여 상기 컴퓨터 수치 제어부(150)로 출력할 수 있다.
상기 측정센서(140)는, 이전 주기 또는 초기에 측정된 상기 시작점(S)의 공구대(110)와 상기 측정센서(140) 간의 거리를 기준으로, 다음 주기에서 측정된 거리가 얼마나 변화하였는지를 계산할 수 있다. 예를 들어, 구동 초기에 측정된 값이 0.05mm라고 하고, 다음 주기에 측정된 값이 0.1mm라고 하면, 상기 측정센서(140)는 +0.05mm의 거리 변화량(Δd)을 출력할 수 있다.
이러한 측정센서(140)는 접촉식과 비접촉식 센서로 모두 실시 가능하다. 접촉식 센서로 구현될 경우, 상기 측정센서(140)는 상기 스트로크 시작점(S)에 위치한 공구대(110)로 이동하여 접촉할 수 있으며, 접촉할 때까지의 이동거리를 측정함으로써 상기 거리 변화량(Δd)을 측정할 수 있다. 비접촉식 센서로 구현될 경우, 상기 측정센서(140)는 광센서 등을 적용하여 상기 거리 변화량(Δd)을 측정할 수 있다.
상기 컴퓨터 수치 제어부(150)는, 상기 전동모터(130)를 이용하여 상기 공구대(110)를 상기 스트로크 구간의 시작점(S)에 주기적으로 위치시켜 상기 측정센서(140)로부터 상기 거리 변화량(Δd)을 얻고, 상기 전동모터(130)로부터 상기 공구대(110)의 위치값을 읽고, 상기 거리 변화량(Δd)을 이용하여 상기 위치값에 비례하는 오프셋 값들을 각각 연산하며, 상기 공구대(110)의 이송거리에 상기 오프셋 값들을 각각 반영함으로써 상기 공구대(110)의 이송거리를 보정하는 역할을 한다.
이를 위해 컴퓨터 수치 제어부(150)는 입력부(151), 모터 구동부(152), 위치 검출부(153), 연산부(154), 저장부(155) 및 제어부(156)을 포함할 수 있다.
상기 입력부(151)는 상기 측정센서(140)로부터 상기 거리 변화량(Δd)을 입력 받고, 상기 연산부(154)로 출력할 수 있다. 상기 입력부(151)는 상기 거리 변화량(Δd)이 아날로그의 신호일 수 있으며, 디지털 신호로 변환하는 ADC 컨버터를 포함할 수 있다.
상기 모터 구동부(152)는 상기 제어부(156)에 의해 상기 전동모터(140)의 회전수 및 토크 등을 제어할 수 있다. 물론, 이에 따라 상기 공구대(110)의 X축 방향의 이송거리가 제어될 수 있다.
상기 위치 검출부(153)는 상기 전동모터(130)의 회전수에 따른 상기 공구대(110)의 이송거리에 대응하는 위치값을 상기 연산부(154)로 출력할 수 있다. 일례로, 상기 전동모터(140)가 서보모터일 경우 상기 서보모터는 엔코더를 가질 수 있다. 이러한 엔코더는 서보모터의 회전방향 및 회전수에 관한 정보를 출력하는데, 상기 위치 검출부(153)가 이러한 정보를 수신할 수 있다.
상기 연산부(154)는 상기 입력부(151)로부터 상기 거리 변화량(Δd)과, 상기 위치 검출부(153)로부터 상기 공구대(110)의 위치값을 각각 입력 받고, 입력된 데이터에 기초하여, 상기 공구대(110)의 이송거리에 비례하는 오프셋 값들을 각각 연산할 수 있다. 상기 연산부(154)에서 처리되는 연산식은 하기와 같다.
Figure 112014072769437-pat00001
도 2를 참조하면, 수학식 1에서 상기 K는 상기 오프셋 값, 상기 M은 상기 스트로크 구간의 끝점(E)과 상기 공구대(110)의 임의의 지점(R) 간의 거리, 상기 F는 상기 스트로크 구간의 시작점(S)과 끝점(E) 간의 거리, 및 상기 S는 상기 스트로크 구간의 시작점(S)과 상기 측정센서(140) 간의 거리 변화량(Δd)을 나타낸다.
예를 들어, F값이 450mm인 스크토크 구간(Table Stroke Section)에서 S값 즉 거리 변화량(Δd)이 +0.05mm로 측정되고, M값이 150mm라고 가정하면, R지점에 위치한 공구대(110)의 오프셋 값 K는 +0.016mm가 된다.
상기 저장부(155)는 상기 연산부(154)를 통해 연산된 오프셋 값(K)들을 저장한다. 이때, 상기 저장부(155)에 저장되는 오프셋 값(K)은, 상기 측정센서(140)에서 측정되는 거리 변화량(Δd)이 바뀔 때마다 업데이트될 수 있으며, 상기 공구대(110)의 위치 별로 서로 다른 값을 가질 수 있다.
상기 제어부(156)는 상기 모터 구동부(152)를 제어하여 상기 공구대(110)를 상기 스트로크 구간의 시작점(S)에 주기적으로 위치시키고, 상기 저장부(155)에 저장된 오프셋 값(K)에 기초하여 상기 전동모터(140)의 회전수를 보정함으로써 상기 공구대(110)의 이송거리를 보정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 최초 오프셋 값을 측정하기 위한 센서를 공구에 대한 비간섭 위치에 설치하고, 종래와 같이 공구대의 위치 보정을 위한 오프셋 값을 스트로크 전구간에 대하여 동일하게 적용하지 않고, 오프셋 값을 공구대의 이송 거리에 비례적으로 적용함으로써, 공구대의 위치 정밀도를 높여 정밀한 제품을 안정적이고 연속적으로 생산할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 공작 기계의 공구대 위치 보정 장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100: 공구대 위치 보정 장치
110: 공구대
111: 공구
120: 주죽대
121: 가공물
130: 전동모터
140: 측정센서
150: 컴퓨터 수치 제어부
151: 입력부
152: 모터 구동부
153: 위치 검출부
154: 연산부
155: 저장부
156: 제어부

Claims (5)

  1. 소정의 스트로크 구간을 따라 이송되고, 공구가 설치된 공구대;
    상기 스트로크 구간의 끝점과 인접한 위치에 설치되고, 가공물이 결합되는 주축대;
    상기 공구대를 이송시키고, 상기 공구대의 이송거리에 대응하는 위치값을 출력하는 전동모터;
    상기 스트로크 구간의 시작점과 인접한 위치에 설치되고, 상기 시작점에 위치한 상기 공구대와 떨어진 거리의 변화량을 측정하는 측정센서; 및
    상기 전동모터를 이용하여 상기 공구대를 상기 스트로크 구간의 시작점에 주기적으로 위치시켜 상기 측정센서로부터 상기 거리 변화량을 얻고, 상기 전동모터로부터 상기 공구대의 위치값을 읽고, 상기 거리 변화량을 이용하여 상기 위치값에 비례하는 오프셋 값들을 각각 연산하며, 상기 공구대의 이송거리에 상기 오프셋 값들을 각각 반영하여 상기 공구대의 이송거리를 보정하는 컴퓨터 수치 제어부를 포함하고,
    상기 오프셋 값들은 K = M/F×(±S)의 수식에 기초하여 각각 연산되고,
    상기 K는 상기 오프셋 값, 상기 M은 상기 스트로크 구간의 끝점과 상기 공구대의 임의의 지점 간의 거리, 상기 F는 상기 스트로크 구간의 시작점과 끝점 간의 거리, 및 상기 S는 상기 스트로크 구간의 시작점과 상기 측정센서 간의 거리 변화량을 나타내는 는 것을 특징으로 하는 공작 기계의 공구대 위치 보정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정센서는, 상기 스트로크 구간의 시작점에 위치한 상기 공구대로 이동하여 접촉하는 방식으로 상기 공구대와 떨어진 거리의 변화량을 측정하는 접촉식 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작 기계의 공구대 위치 보정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정센서는 광센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작 기계의 공구대 위치 보정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 컴퓨터 수치 제어부는,
    상기 측정센서로부터 상기 거리 변화량을 입력 받는 입력부;
    상기 전동모터의 회전수를 제어하는 모터 구동부;
    상기 전동모터의 회전수에 따른 상기 공구대의 위치값을 출력하는 위치 검출부;
    상기 거리 변화량과 상기 위치값에 기초하여 상기 오프셋 값들을 각각 연산하는 연산부;
    상기 연산부를 통해 연산된 오프셋 값들을 저장하는 저장부; 및
    상기 모터 구동부를 제어하여 상기 공구대를 상기 스트로크 구간의 시작점에 주기적으로 위치시키고, 상기 저장부에 저장된 오프셋 값들에 기초하여 상기 전동모터의 회전수를 보정함으로써 상기 공구대의 이송거리를 보정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작 기계의 공구대 위치 보정 장치.
  5. 삭제
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