KR0155777B1 - 레이저 측정기를 사용한 피치 에러 보정 장치 및 피치 에러 보정 데이터 설정 방법 - Google Patents

Abstract

수치 제어 가공 기계의 피치 에러 보정 장치와 피치 에러 보정 데이터 설정 방법이 개시되어 있다.

피치 에러는, 가공 공구의 가공점까지의 이동에서, 기계 자체의 구동수단에서 발생되는 오차에 기인한 에러를 말하며, 이를 효율적으로 보정하는 것이 정밀 가공에서 중요한 과제의 하나였다. 특히, 조작자의 직접 계산 등에 의해 오차 보정이 수행될 경우, 오류의 발생 가능성과 시간 소요 등의 문제가 있다.

따라서, 레이저 측정기와 RS232를 이용한 측정과 통신에 의해 각각의 가공점에서의 피치 에러를 절대값 방식으로 산출하고 피치 에러 보정 데이터를 설정하여 메모리 수단에 기억시켜둠으로써 기계 가공에서 직접 활용하게 되며, 이와 같은 설정 작업이 마이크로 프로세서에서 일련의 프로그램에 따라 자동 수행되게 된다.

이와 같은 피치 에러 보정 데이터를 설정하는 장치와 방법은 수치 제어 가공 기계에 적용될 수 있으며, 특히 대량 생산의 경우에 더 적합하다.

Description

레이저 측정기를 사용한 피치 에러 보정 장치 및 피치 에러 보정 데이터

제1도는 본 발명의 피치 에러 보정 장치의 전체적인 구성을 보여 주는 블럭도.

제2도는 디스플레이 장치인 CRT에 표시되는 메뉴의 형태를 보여 주는 도면.

제3도는 피치 에러를 보정하기 위해 설정된 피치 에러 보정점들을 보여 주는 도면 그리고,

제4도는 피치 에러 보정값을 설정하기 위한 흐름도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 마이크로 프로세서 2 : 비휘발성 메모리

3 : ROM 4 : RAM

5 : CRT 6 : 키보드

7 : 동작 제어반(MCB) 회로 8 : 서어보 증폭기

9 : 서어보 모우터 10 : 위치 검출기

12 : 테이블 13 : 체크 마스터

14 : 레이저 측정기 15 : 레이저 측정기 증폭기

본 발명은 수치 제어(NC) 공작 기게에서 피치 에러(pitch error)를 보정하는 데 있어서, 피치 에러 데이터를 자동으로 설정하게 하는 피치 에러 보정 데이터 설정 방법에 관한 것으로, 특히, 공작 기계를 생산하는 업체에서 작업 공수를 줄일 수 있는 동시에 정확한 보정이 가능한 피치 에러 보정 데이터 설정 방법에 관한 것이다.

일반적으로 기계 가공에서의 오차는 여러 가지로 발생할 수 있지만 기계 자체에 내재되어 있는 오차가 제거되거나 보정되는 것이 중요하다. 수치 제어 공작 기계의 용도에 따라 오차 보정의 방법이나 그 중요성은 차이가 있을 수 있지만, 오차 보정은 필수 불가결하다. 즉, 수치 제어 공작 기계는 다양한 가공 위치를 갖는 복잡한 형상의 가공물의 소량 생산, 비교적 간단한 가공물의 대량 생산, 단일의 가공물의 생산 등 다양한 가공 요구에 적합하며, 요구되는 정밀도와 물량에 따라 효율적인 오차 보정 방법이 달라질 수 있다.

오차의 문제와 관련하여 수치 제어 공작 기계에서는 공구의 가공 위치를 정확히 결정하는 것이 매우 중요하며, 특히 복구의 가공이 이루어질 경우, 하나의 가공 위치에서 다음의 가공 위치가 상대적으로 결정되거나 또는 소정의 기준점에 대해 정확히 결정되어 실제로 정확한 거리 이동이 이루어지는 것이 중요하다. 다시 말해서, 정밀 가공에서 가공의 허용 오차 한도 내에서 가공이 이루어져야 하는 것과 마찬가지로 포괄적 개념에서 위치 결정이 매우 정밀하게 이루어져야 한다. 위치 결정 제어 방식에는 증분 방식과 절대값 방식이 있다.

여기서 피치 에러를 보정한다는 것은 일반적으로 테이블을 이동시키는 이송 나사로 사용되는 볼 스크류의 나사, 모우터로 구동되는 경우의 기어 등의 피치 오차로 기인한 에러를 보정하는 것을 말한다. 간단히 말해서, 가공 공구가 설치되는 공구대를 이동시키는 이동 수단에서 발생되는 오차를 보정하는 것을 말한다. 예를 들면, 공구를 소정의 기준 위치 또는 어떤 가공 위치에서 다음의 가공 위치로 이동시킬때, 실제로 이동시키고자 하는 목표 거리보다 덜 이동되거나 더 이동될 수 있다. 이것은 가공 기계 자체에 내재하는 오차에 의해 발생되는 것이며, 아무리 정밀하게 제작된 기계에도 오차는 존재한다. 또한 사용에 따라 마모 또는 외력에 의한 변형 등으로 오차는 정도의 차이는 있어도 불가피한 것이다. 따라서, 정확하고 정밀한 가공을 위해서 이를 보정해야할 필요가 있는 것이다.

종래에는 피치 에러를 조작자 자신이 직접 측정하여 보정 데이터를 저장하였다. 즉 기계 테이블 위에 체크 마스터를 설치한 후에 레이저 측정기나 지시계를 사용하여 위치 결정한 값과 실제로 테이블이 움직인 거리값의 차이를 계산한다. 이 계산된 결과에 의해서 피치 에러 값이 구해지며 이값은 MDI(manual Data Input) 모드에서 피치 에러 보정 변수에 입력하게 된다.

예를 들면, 핸드휠 또는 메모리 운전에 의해서 10mm로 위치 결정을 하였을 때, 테이블은 정확하게 10mm를 이동하여야 하나 볼 스크류의 피치 오차로 인하여 정확한 위치 결정을 하지 못하게 된다. 만약 9.997mm로 위치 결정을 하였다면 이때 피치 에러 보정값은 10.000-9.997로 계산되어 3㎛의 값이 나오며 이 값을 피치 에러 보정 변수에 입력한다. 이와 같은 방식으로 각각의 피치 간격마다 이를 반복하여 측정한다.

통상적으로, 전체 볼 스크류 길이를 피치 에러 측정 간격으로 나눈 값이 피치 에러 측정 개수가 된다. 다시 말하며, 자동 제어 기계에서 메모리 운전이나 핸드휠 등을 사용하여 조작자가 직접 기계를 위치점까지 위치 결정을 한 후 체크 마스터, 레이저 측정기 등으로 에러 값을 산출한다. 이렇게 산출된 값을 MDI 모드에서 직접 데이터를 입력하거나 테이프 판독기를 사용하여 데이터를 입력하였다.

상기의 방법과 같이 조작자가 피치 에러를 직접 계산하여 입력하면 시간 소요가 많고 데이터 설정시 오류가 발생활 확률이 높아진다. 이렇게 오류가 있는 데이터가 설정되면 기계 가공 정도에 큰 영향을 미치게 되고 정확한 가공을 할 수 없다. 따라서 조작자는 피치 에러 데이터 설정시에 신중한 작업을 하여야 하고 작업에 많은 시간과 노력이 필요하게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 수치 제어 가공 기계에서, 피치 에러를 자동으로 변수로서 설정함으로써 피치 에러를 보정할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 수치 제어 가공 기계에서, 정밀하게 피치 에러 보정 데이터를 설정할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명을 수행하기 위한 장치의 구성은 수치 제어 장치 전체를 관장하는 CPU로서 CNC 제어 프로그램이 ROM에 설치되어 있으며 CNC전체를 관장하는 마이크로 프로세서, 디스플레이 장치로서 수치 제어의 메뉴 등을 포함한 각종 자료를 화면에 표시하는 CRT, 각종 데이터가 입력되며 입력된 데이터룰 CRT와 마이크로 프로세서에 인가하는 키보드, 동작 제어반(motion control board)으로서 위치 제어 회로이며 주CPU로부터 받은 위치 명령을 PID(proportional integral and differential) 제어를 행하여 위치 결정량을 서어보 증폭기로 인가하는 MCB회로, MCB회로로부터 받은 위치량에 의해 서머보 모우터를 구동하는 서어보 증폭기, 모우터의 위치량을 MCB로 피이드백하는 위치 검출기, 서어보 모우터와 연결되어 있고 서어보 모우터의 회전 운동을 직선 운동으로 바꾸기 위한 볼 스크류와 연결되어 있는 테이블, 테이블 위에 고정되어 있는 체크 마스터, 테이블의 이동에 따라 위치량을 검출하는 레이저 측정기, 레이저 측정기로부터의 위치값을 증폭하여 시리얼 포트를 통하여 입출력 회로와 직렬 통신을 하는 레이저 측정기 증폭기, 레이저 측정기가 위치값을 읽을 수 있도록 신호를 보내주며 보내준 신호가 도달되었음을 인식하는 입출력 회로, 수치 제어 가공 기계의 정밀한 운동을 위하여 설치되어 있고 회전 운동을 통하여 테이블이 직선 운동을 하게 하는 핸드휠 및 M,S,T코드 등을 수행하고 각종 전장반 등을 제어하게 되어 있는 논리 제어기를 포함하여 구성된다.

본 발명의 장치를 이용한 피치 에러 보정 데이터 설정 방법은 가공 위치점까지 서어보 모우터의 구동에 의해 테이블의 위치 결정ㄹ하는 단계; 레이저 측정기로 테이블의 실제 위치를 측정하는 단계; 각각의 가공 위치점에서의 설정 위치값과 측정 위치값의 편차를 계산하여 피치 에러값을 구하는 단계; 및 작업시 위치 결정의 보정 데이터로 사용하기 위하여, 비휘발성 메모리에 각각의 가공 위치점에 대한 피치 에러값을 보정 데이터값으로 입력하는 단계를 포함하며, 상기의 작업이 일련의 프로그램에 의해 자동으로 수행되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 구성의 장치와 방법에 의해 피치 에러를 정확히 측정 계산하여 자동적으로 보정할 수 있게 되어, 작동자에 의한 계산과 보정에 따른 부정확성과 비능률성을 제거할 수 있게 된다.

본 발명을 첨부된 도면에 따라 상세히 설명한다.

마이크로 프로세서(1)는 수치 제어 장치 전체를 관장하는 CPU로서 CNC 제어 프로그램이 ROM(3)에 설치되어 있고 CNC 전체를 관장하며, RAM(4)에는 각종 데이터가 저장되어 있다. 비휘발성 메모리(2)에는 가공 프로그램, 변수 등이 기록되어 있고, 따라서 피치 에러 변수 등도 여기에 기억되어 있다. CRT(5)는 디스플레이 장치로서 수치 제어의 메뉴 등을 포함한 각종 자료를 화면에 표시한다. 키보드(6)는 각종 데이터를 입력할 수 있는 장치로서, 입력된 데이터를 CRT(5)와 마이크로 프로세서(1)에 인가한다. MCB 회로(7)는 동작 제어반(motion control boark)으로서 위치 제어 회로이며 주 CPU(1)로부터 받은 위치 명령을 PID 제어를 행하여 위치 결정량을 서어보 증폭기(8)로 인가한다. 서어보 증폭기(8)는 MCB 회로(7)로부터 받은 위치량에 의해 서어보 모우터(9)를 구동하며, 위치 검출기(10)는 모우터(9)의 위치량을 MCB 회로(7)로 피이드백한다. 테이블(12)은 서어보 모우터(9)와 연결되어 있고 서어보 모우터(9)의 회전 운동을 직선 운동으로 바꾸기 위해 볼 스크류와 연결되어 있다. 체크 마스터(13)는 테이블(12) 위에 고정되어 있고, 레이저 측정기(14)는 테이블(12)의 이동에 따라 테이블(12)의 위치량을 검출한다. 레이저 측정기 증폭기(15)는 레이저 측정기(14)로부터의 위치값을 증폭하여 RS232(17)를 통하여 입출력 회로(16)와 직력 통신을 한다. 입출력 회로(16)는 레이저 측정기가 위치값을 읽을 수 있도록 신호를 보내주며 보내준 신호가 도달되었음을 인식하는 회로이다. RS232(17)는 컴퓨터 등의 단거리 통신에서 인터페이스를 위해 사용되는 회로로서, 시리얼포트를 통해 레이저 측정기(14)로부터 위치 데이터를 받아들인다. 핸드휠(18)은 수치 제어 가공 기계의 정밀한 운동을 위하여 설치되어 있고 회전 운동을 통하여 테이블(12)의 직선 운동을 하게 한다. 논리 제어기(Programmable logic controller)(19)는 M,S,T 코드 등을 수행하고 각종 전장반 등을 제어하게 되어 있다.

본 발명의 구성에서 레이저 측정기(14)를 사용함으로써, 측정점에서 측정 데이터를 입력받아 피치 오차 데이터를 계산하는 것과 동시에 메모리에 설정함으로, 피치 에러 보정 데이터를 별도로 계산하지 않으며 변수 테이프 등을 작성하는 것과 같은 처리가 필요하지 않으므로 여러 가지 문제점을 제거한다.

실제로 사용함에 있어서, 메모리 운전 방식에서 기계가 자동으로 피치 오차 측정 간격 만큼 이동한 후, 레이저 측정기(14)로부터 위치를 입력받을 수 있도록 신호를 보내 준다. 레이저 측정기(14)에서는 이 신호를 받아서 현재의 값을 RS232(17)를 통한 직렬 통신에 의해 수치 제어 장치의 시리얼 포트로 데이터를 보내 준다. 그리고 데이터 송신 완료 신호를 수치 제어 장치 측에 보내준다. 수치 제어 장치는 이때 받은 데이터를 이용하여 위치 결정한 위치 데이터와 측정기로부터 받은 데이터를 사용하여 피치 에러 보정 데이터를 산출하고 이 값을 비휘발성 메모리에 입력함으로써 피치 에러 보정 데이터 입력을 끝낸다.

위치 결정을 행할 때 생길 수 있는 기계의 백래쉬(back lash)를 없애기 위해서 절대값 방식(absolute system)으로 위치 결정을 행하도록 하였다. 백래쉬는 기계가 이동하던 방향과 반대 방향으로 이동할 때 발생하는 것으로 백래쉬의 양이 피치 에러에 큰 영향을 미치므로 한 방향으로 위치 결정을 행하도록 하여 백래쉬의 개입을 방지하게 하였다.

본 발명의 피치 에러 보정 장치에 의한 피치 에러 보정 방법을 도면에 따라 상세히 설명한다.

수치 제어 메뉴에서 피치 키를 누르면 제2도와 같은 선택 메뉴가 나타나게 된다. 여기서, 일례로서 축 선택 키인 X를 누른다. 그 다음 START 키를 누르면, 수치 제어 장치는 모든 작업을 자동으로 행하게 된다.

수치 제어 장치는 비휘발성 메모리(2)로부터 피치 에러 보정을 행하는 축에 해당하는 볼 스크류의 길이와 피치 에러 보정 간격을 읽어 들인다. 볼 스크류의 전체 길이를 피치 에러 보정 간격으로 나누면 피치 에러 보정점의 개수가 계산된다. 그 다음 테이블이 원점으로 복귀되고 레이저 측정기(14)의 값을 0으로 선택하게 된다. 제3도에서 원점 복귀점 P₀에서 최초의 피치 에러 보정점인 P₁으로 자동으로 위치 결정을 행한다. 위치 결정이 종료되면 입출력 회로(16)는 레이저 측정기 증폭기(15)로 위치값 읽기 신호를 보낸다. 레이저 측정기 증폭기(15)는 이 신호를 받은 후 RS232(17)를 통해 현재의 위치를 수치 제어 장치로 보낸다. 수치 제어 장치에서는 이 위치 데이터를 처리한다.

위치 결정 후, 기계의 위치가 1000(1mm)이었고 레이저 측정기(14)가 입력받은 데이터가 995(0.995mm)였다면 1000-995의 계산으로 5 ㎛의 실제적인 피치 에러가 있었다는 것이 된다. 그 다음 기계는 다시 원점으로 되돌아 오게 되고 이와 동시에 비휘발성 메모리에서 첫번째 피치 에러에 해당하는 변수 번호에 이 값을 기억시킨다. 기계가 원점 복귀 후 P₂점으로 이동할 때는 P₁에서의 피치 에러값 5를 위치 결정 P₁까지 가산되어서 이동하게 되고 P₂까지 위치 결정을 행한다. P₂에서의 기계 좌표가 2000이고 레이저 측정기(14)로부터 피이드백되어진 위치 데이터가 2002였다면 기계가 다시 원점으로 오는 동안에 2000를 실행하여 -2㎛라는 데이터가 산출되고 피치 에러의 두번째 변수에 이 값이 등록되게 된다. 그 다음, P3로 위치 결정을 할 때 P₀~P₁구간은 5가 가산되고 P₁-P₂구간은 2가 감산되어 실행된다.

이렇게 하여 최종점까지 실행하게 되어 피치 에러 보정 데이터 설정이 끝나게 된다.

상기에서는 일반적인 수치 제어 가공 기계의 피치 에러 보정을 위한 목적으로 볼 스크류의 길이와 피치 간격에 따라 피치 에러 보정점들은 결정하였지만, 대량 생산을 하는 제품의 경우에, 제품의 각각의 가공점, 특히 정밀 가공이 요구되는 점까지의 피치 에러를 보정한다면 더욱 더 정밀한 가공을 위한 보정이 실현될 수 있게 된다. 이와 같은 보정은 어떤 각도 위치에 있는 볼 스크류에서 피치 간격에 따라 실시한 보정이 모든 회전 각도에 대한 보정을 완전히 포괄할 수는 없기 때문이다. 다시 말하면, 개개의 피치 간격에 대해 보정을 실시하는 경우에도, 하나의 피치 간격을 진행하기 위해서는 360°회전을 하게 되는 데 그사이에 개재되는 오차가 있을 수 있기 때문이다.

제4도는 피치 에러 보정 데이터 설정을 위한 흐름도이다.

왼편의 번호는 흐름도의 순서 번호이다.

1. 시작

2. 피치 에러 키 선택

3. 축 선택 키 선택

4. START키 선택을 하면 피치 에러 보정 데이터 설정이 실행된다.

5. 변수로부터 볼 스크류의 길이를 읽어 들인다.

6. 변수로부터 피치 에러 간격을 읽어 들인다.

7. 5번을 6번으로 나누어서 피치 에러 측정점의 개수를 계산한다. 만약 볼 스크류의 길이가 100mm이고 피치 에러 간격이 1mm이면 100개의 피치 에러 보정점이 계산된다.

8. 피치 에러 보정 데이터 설정이 종료되었는가를 검출하고 종료되지 않았으면 9번으로 이동하고 종료되었으면 피치 에러 보정 데이터 설정이 끝나게 된다.

9. 원점 복귀를 실행한다.

10. 각각의 측정점으로 이동한다.

11. 이동이 종료된 후, 입출력 회로는 레이저 측정기 증폭기로 신호를 보내 측정 위치를 읽을 준비를 하며, 수치 제어 장치는 레이저 측정기 증폭기로부터 위치를 읽어 들인다.

12. 기계 위치에서 측정 위치를 감산하여 피치 에러값을 산출한다.

13. 결과값을 변수에 등록한다.

14. 종료

본 발명에 의해서, 모든 측정 과정이 자동적으로 이루어짐으로써 작업자에 의한 작업의 경우에 발생되는 잘못과 작업 시간을 줄일 수 있고 정확한 데이터를 설정할 수 있는 장점이 있다. 또한 초보자도 용이하게 피치 에러 보정 데이터를 설정할 수 있고 측정 작업시 한 방향으로만 위치 결정을 함으로써 백 래쉬에 의한 영향을 줄일 수 있다. 결과적으로 정밀함 기계 가공을 수행할 수 있는 수치 제어 가공 기계가 제공될 수 있다.

Claims (3)

1. 피치 에러 보정 장치에 있어서, 수치 제어 장치 전체를 관장하는 CPU로서 CNC 제어 프로그램이 ROM에 설치되어 있으며 CNC 전체를 관장하는 마이크로 프로세서; 디스플레이 장치로서 수치 제어의 메뉴등을 포함한 각종 자료를 화면에 표시하는 CRT; 각종 데이터가 입력되며 입력된 데이터를 CRT와 마이크로 프로세서에 인가하는 키보드; 동작 제어반(motion control board)으로서 위치 제어 회로이며 주 CPU로부터 받은 위치 명령을 PID(proportional integration and differentiation)제어를 행하여 위치 결정량을 서어보 증폭기로 인가하는 MCB 회로; MCB회로로부터 받은 위치량에 의해 서어보 모우터를 구동하는 서어보 증폭기; 모우터의 위치량을 MCB로 피이드백하는 위치 검출기; 서어보 모우터와 연결되어 있고 서어보 모우터의 회전 운동을 직선 운동으로 바꾸기 위한 볼 스크류와 연결되어 있는 테이블; 테이블 위에 고정되어 있는 체크 마스터; 테이블의 이동에 따라 위치량을 검출하는 레이저 측정기; 레이저 측정기로부터의 위치값을 증폭하여 시리얼 포트를 통하여 입출력 회로와 직렬 통신을 하는 레이저 측정기 증폭기; 레이저 측정기가 위치값을 읽을 수 있도록 신호를 보내주며 보내준 신호가 도달되었음을 인식하는 입출력 회로; 수치 제어 가공 기계의 정밀한 운동을 위하여 설칙되어 있고 회전 운동을 통하여 테이블이 직선 운동을 하게 하는 핸드휠; 및 M,S,T 코드 등을 수행하고 각종 전장반 등을 제어하게 되어 있는 논리 제어기를 포함하여 구성되는 레이저 측정기를 사용한 피치 에러 보정 장치.
2. 수치 제어 공작 기계의 피치 에러를 보정하는 방법에 있어서, 볼 스크류의 길이에 따라 피치 에러 보정점의 갯수와 그 위치를 결정하는 단계; 피치 에러 보정점까지 서어보모우터의 구동에 의해 테이블의 위치 결정하는 단계; 레이저 측정기와 시리얼 포트로 테이블의 실제 위치를 측정하고 통신에 의해 입력하는 단계; 각각의 피치 에러 보정점에서의 설정 위치값과 측정 위치값의 편차를 계산하여 피치 에러값을 구하는 단계; 및 작업시 위치 결정의 보정 데이터로 사용하기 위하여, 비휘발성 메모리에 각각의 피치 에러 보정점에 대한 피치 에러값을 보정 데이터값으로 입력하는 단계를 포함하며, 상기의 작업이 일련의 프로그램에 의해 자동으로 수행되는 것을 특징으로 하는 레이저 측정기를 사용한 피치 에러 보정 데이터 설정 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 피치 에러 보정점들이 대량 생산을 위한 가공품의 실제 가공 위치점들인 것을 특징으로 하는 레이저 측정기를 사용한 피치 에러 보정 데이터 설정 방법.