KR100198238B1 - 고속태핑가공을 위한 자동이득조절장치 및 이득조정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 태핑가공을 실시하기 위한 서보위치지령 및 스핀들위치지령을 발생시키는 가공위치궤적발생기와, 상기한 서보위치지령 및 스핀들위치지령이 보내지는 가산기와, 그 가산기에 의해 발생되는 위치오차에 곱하여지는 서보위치이득 및 스핀들위치이득을 조정하는 자동이득조절장치와, 상기한 자동이득조절장치에 의해 조절된 서보위치이득에 의해 속도를 제어하는 속도제어서보와, 상기한 속도제어서보에 의해 제어된 속도로 구동되는 모터와, 상기한 자동이득조절장치에 의해 조절된 스핀들위치이득에 의해 속도를 제어하는 스핀들드라이버와, 상기한 스핀들드라이버에 의해 제어된 속도로 구동되는 스핀들과, 상기한 모터의 구동을 신호로 변환하여 현재의 서보위치를 상기한 가산기로 되돌려보내는 엔코더 및 상기한 스핀들의 구동을 신호로 변환하여 현재의 스핀들 위치를 상기한 가산기로 되돌려보내는 엔코더로 구성되는 자동이득조절장치 및 이득조절방법에 관한 것이다.

Description

고속태핑가공을 위한 자동이득조절장치 및 이득조정방법

본 발명은 CNC(Computerized Numerical Control)공작기계에서 고속태핑가공이 가능하도록 자동적으로 서보모터와 스핀들의 이득(gain)을 조정해주는 자동이득조정장치에 관한 것이다.

종래의 공작기계제어는 도 1에 표시한 바와 같이, 가공위치 궤적발생기에서 각 모터와 스핀들의 궤적을 발생시키기 위해 서보위치지령과 스핀들위치지령을 발생시키고, 상기한 가공위치 궤적발생기에 의해 형성된 서보위치지령과, 실제 서보위치와, 서보위치의 이득을 형성한 후, 속도제어서보에 의하여 속도를 제어하여, 그 제어된 속도로 서보모터를 구동시키고, 상기한 서보모터의 구동이 엔코더를 거쳐서 신호화되어, 실제의 서보위치를 감지하여 형성된 실제의 서보위치와의 차이는 적절한 비례위치이득이 곱하여져서 속도추종 서보시스템으로 전달되는 것이 반복되도록 되어 있다.

또한, 상기한 가공위치 궤적발생기에 의해 형성된 스핀들위치지령과, 스핀들현재위치와 서보위치의 이득을 형성한 후, 스핀들드라이버를 거쳐서 스핀들을 회전시키고, 상기한 스핀들의 회전이 엔코더를 거쳐서 신호화되어, 실제의 스핀들위치를 감지하므로써 형성된 실제의 스핀들위치와 지령값과의 차이는 적절한 비례위치이득이 곱하여져서 속도추종 서보시스템으로 전달되는 것이 반복된다.

도 2는, 스핀들 궤적에 대한 서보궤적비를 표시한 것이다. 참조궤적비는 정상적인 태핑가공을 실시하기 위한 궤적비이고, 실제궤적비는 실제로 움직인 궤적비를 표시한다. 도면에 표시되어 있는 바와 같이, 참조궤적비는 나사구멍의 나사산과 나사산의 거리인 피치가 1.25㎜를 유지하고 있으나, 실제궤적비는 상기한 참조궤적비를 많이 벗어나고 있다.

종래의 기술에서 가공에 필요한 서보모터와 스핀들의 이득조정은 기계의 특성에 맞추어 최대출력을 낼 수 있도록 설정한다. 그러나, 이러한 종래의 기술에 의해 설정된 이득은 특성이 서로 다른 서보모터와 스핀들의 추종력의 차이를 심화시켜, 가공에 필요한 동기를 방해하고, 리지드태핑가공시에는 스핀들과 서보모터의 속도비가 가공하는 나사구멍의 피치가 되므로, 틀려진 동기는 위치오차로 누적되어 나사구멍을 파괴하게 된다는 문제점이 발생한다.

본 발명은 가공정밀도를 높이기 위해 툴홀더에 일반적인 콜렛(collet)을 사용하고, 가공에 사용되는 서보모터와 스핀들을 보간(interpolation)하는 리지드태핑에서, 특성이 다른 모터와 스핀들의 이득을 자동으로 조정하여 고속리지드태핑을 가능하게 하는 자동이득조정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 가공위치 궤적발생기에서 각 모터와 스핀들의 궤적을 발생시키기 위해 서보위치지령과 스핀들위치지령을 발생시키고, 상기한 가공위치 궤적발생기에 의해 서보위치지령이 형성되고, 자동이득조절장치에 의해 추종력의 차이를 최소화 하는 최적의 서보위치이득을 형성한 후, 속도제어서보에 의하여 속도를 제어하여, 그 제어된 속도로 서보모터를 구동시키고, 상기한 서보모터의 구동이 엔코더를 거쳐서 신호화되어, 실제의 서보위치를 감지하여 형성된 실제의 서보위치와, 상기한 궤적발생기에 의해 발생된 서보위치이득과의 차이는 적절한 비례위치이득이 곱하여져서 속도추종 서보시스템으로 전달되는 것이 반복된다.

또한, 상기한 가공위치 궤적발생기에 의해 스핀들위치지령이 형성되고, 자동이득조절장치에 의해 추종력의 차이를 최소화하는 스핀들위치지령 서보위치의 이득을 형성한 후, 스핀들드라이버를 거쳐서 스핀들을 회전시키고, 상기한 스핀들의 회전이 엔코더를 거쳐서 신호화되어, 실제의 스핀들위치를 감지하므로써 형성된 실제의 스핀들위치와 상기한 궤적발생기에 의해 발생된 스핀들위치지령과의 차이는 적절한 비례위치이득이 곱하여져서 속도추종 서보시스템으로 전달되는 것이 반복된다.

따라서, 본 발명은 종래의 서보제어시스템에 위치지령과, 실제위치를 이용하여 모터와 스핀들에 필요한 이득을 조정하는 자동이득조절장치가 추가로 구성되는 것이다. 상기한 자동이득조절장치는 두 개의 추종력의 차이를 최소화하는 서보위치이득과, 스핀들위치이득을 찾아내므로써 고속태핑에서의 보간오차의 차이를 최소화시킬 수 있다.

도 1은, 종래의 서보제어시스템의 구성을 표시하는 블록도이다.

도 2는, 종래장치의 스핀들궤적에 대한 서보궤적비를 표시하는 도면이다.

도 3은, 본 발명에 있어서의 서보제어시스템을 표시하는 블록도이다.

도 4는, 본 발명의 작동을 설명하는 플로우챠아트이다.

도 5는, 본 발명에 있어서의 학습태핑과정을 표시하는 플로우챠아트이다.

도 6은, 본 발명의 스핀들궤적에 대한 서보궤적비 오차를 표시하는 도면이다.

도 7은, 본 발명의 궤적오차비의 절대값의 누적을 표시하는 도면이다.

도 8은, 초기이득과 학습후의 결과를 비교한 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

(1) -------------------- 가공위치 궤적발생기,

(2),(3) ----------------------------- 가산기,

(4) ----------------------- 자동이득조절장치,

(5) --------------------------- 서보위치이득,

(6) --------------------------- 속도제어서보,

(7) ------------------------------- 서보모터,

(8),(12) ---------------------------- 엔코더,

(9) ------------------------- 스핀들위치이득,

(10) ------------------------ 스핀들드라이버,

(11) -------------------------------- 스핀들.

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하면서 설명한다.

도 3은 본 발명인 자동이득조절장치의 구성을 표시하는 것으로, 가공위치 궤적발생기(1)에서 각 모터와 스핀들의 궤적을 발생시키기 위해 서보위치지령과 스핀들위치지령을 발생시키고, 상기한 가공위치 궤적발생기(1)에 의해 서보위치지령이 형성되고, 자동이득조절장치(4)에 의해 추종력의 차이를 최소화하는 최적의 서보위치이득(5)을 형성한 후, 속도제어서보(6)에 의하여 속도를 제어하여, 그 제어된 속도로 서보모터(7)를 구동시키고, 상기한 서보모터(7)의 구동이 엔코더(8)를 거쳐서 신호화되어, 실제의 서보위치를 감지하여 형성된 실제의 서보위치와, 상기한 궤적발생기(1)에 의한 서보위치지령과의 차이는 적절한 비례위치이득이 곱하여져서 가산기(2)로 전달되는 것이 반복된다.

또한, 상기한 가공위치 궤적발생기(1)에 의해 스핀들위치지령이 형성되고, 자동이득조절장치(4)에 의해 추종력의 차이를 최소화하는 스핀들위치이득(9)을 형성한 후, 스핀들드라이버(10)를 거쳐서, 스핀들(11)을 회전시키고, 상기한 스핀들(11)의 회전이 엔코더(12)를 거쳐서 신호화되어, 실제의 스핀들위치를 감지하므로써 형성된 실제의 스핀들위치와, 상기한 궤적발생기(1)에 의해 발생된 스핀들위치이득과의 차이는 적절한 비례위치이득이 곱하여져서 가산기(3)로 전달되는 것이 반복된다.

도 4는 본 발명의 동작을 설명하는 플로우챠아트이다. 기계의 특성에 적합한 초기 서보게인, 초기 스핀들게인을 정하여(S1), 참조궤적비와 실제궤적비를 구하기 위한 학습태핑가공을 실시하고(S2), 이번 단계에서 계산된 궤적비절대치오차합 CSAER(cumalative sum of abs error ratio)과 K(오차누적량의 하한치)를 비교하여(S3), CSAER＜K이면, 현재의 이득을 태핑의 최적이득(서보이득, 스핀들이득)으로 설정한다(S4). 또, CSAER＞K이면, 서보이득을 낮춰서(n단계에서의 서보이득＝n－1단계에서의 서보이득－eta(CSAER－K))(S5), S2로 되돌아간다.

도 5는, 상기한 도 4의 S2인 학습태핑과정을 표시하는 플로우챠아트이다. 상기한 도 4의 S1을 실시한 후, 스핀들과 서보모터를 한단계씩 동기이동(S11)시켜, 스핀들이 Ss만큼 이동했을때의 서보의 이동량비율 및 이론적으로 나사산의 피치가 되는 참조궤적비 Rr(Ss)＝Rz(Ss)/Ss를 구하고(S12), 스핀들이 실재로 Cs만큼 이동했을때 실제이송한 서보의 이동량비율을 나타내는 실제궤적비 Cr(Ss)＝Cz(Ss)/Cs를 구하여(S13), 궤적비오차 Er(Ss)＝참조궤적비 Rr(Ss)－실제궤적비 Cr(Ss)를 구하는(S14) 것에 의해, cumalative sum of abs Er(Ss)=인 가공중의 궤적비오차의 절대값을 구한 후(S15), 태핑이 완료되었는지를 확인하여(S16), 완료되었다면, 상기한 도 4의 S3으로 넘어가고, 완료되지 않았다면 S11로 되돌아간다.

도 6은, 스핀들궤적에 대한 서보궤적비의 오차를 도면으로 표시한 것으로, 서보의 참조궤적(Rz)/스핀들이 이동할 거리(Rs)인 참조궤적비(Rr)와, 서보의 실제궤적(Cz)/실제 스핀들이 이동한 거리(Cs)인 실제궤적비(Cr)와의 차이를 표시한 것이다.

도 7은, cumalative sum of abs Er(Ss)=인 궤적비오차절대합을 도면으로 표시한 것으로, 상기한 도 6에서 구한 궤적비오차가 나사구멍의 피치를 파손시키므로, 이 값의 절대값의 합을 최소화시키는 것을 이득조정의 목표가 된다.

도 8은, 기계의 특성에 따라 설정된 초기이득에 의한 태핑가공시에, 궤적비오차와 학습후의 이득에 의한 궤적비오차를 비교한 것이다. 도면에 표시되어 있는 바와 같이, 학습 후의 이득에 의한 가공의 오차량이 가공구간내에서 점차 감소됨을 알 수 있다.

본 발명은 종래의 제어기에 추종력을 증가시키는 새로운 제어기를 설치하지 않고, 기존의 위치제어기에서 서보모터와 스핀들의 이득을 각각의 특성에 맞게 조정하므로써, 동기가 필요한 리지드태핑의 가공을 정확하게 실시할 수 있고, 또한 태핑가공을 실행하므로써, 자동적으로 최적이득을 얻을 수 있는 자동학습기능을 보유하고 있다.

Claims (2)

1. 태핑가공을 실시하기 위한 서보위치지령 및 스핀들위치지령을 발생시키는 가공위치 궤적발생기와,

   상기한 서보위치지령 및 스핀들위치지령이 보내지는 가산기와,

   그 가산기에 의해 발생되는 서보위치이득 및 스핀들위치이득을 조정하는 자동이득조절장치와,

   상기한 자동이득조절장치에 의해 조절된 서보위치이득에 의해 속도를 제어하는 속도제어서보와,

   상기한 속도제어서보에 의해 제어된 속도로 구동되는 모터와,

   상기한 자동이득조절장치에 의해 조절된 스핀들위치이득에 의해 속도를 제어하는 스핀들드라이버와,

   상기한 스핀들드라이버에 의해 제어된 속도로 구동되는 스핀들과,

   상기한 모터의 구동을 신호로 변환하여 현재의 서보위치를 상기한 가산기로 되돌려보내는 엔코더 및 상기한 스핀들의 구동을 신호로 변환하여 현재의 스핀들위치를 상기한 가산기로 되돌려보내는 엔코더로 구성되는 서보제어시스템.
2. 이론적으로 스핀들이 이동했을 때의 서보의 이동비율을 나타내는 참조궤적비 및 실제 스핀들이 이동했을 때의 서보의 이동비율인 실제궤적비의 차이를 계산하므로 궤적비의 오차를 구하여, 이 궤적비오차를 누적시켜 다음 이득을 조절할 수 있는 궤적비절대치오차합을 구하는 학습태핑단계와,

   상기한 궤적비절대치오차합과 누적오차량의 하한치를 비교하는 단계와,

   상기한 궤적비절대치오차합이 누적오차량의 하한치보다 클 경우, 서보이득을 낮추는 단계 및

   상기한 궤적비절대치오차합이 누적오차량의 하한치보다 작을 경우, 현재의 이득을 태핑의 최적이득으로 설정하는 단계로 구성되는 이득조절방법.