KR100290766B1 - 컴퓨터수치제어공작기계의작업공간에존재하는오차측정구및그측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 컴퓨터 수치제어(CNC) 공작기계의 작업공간에 걸쳐 다르게 존재하는 기하학적 구조와 조립에 의한 기하오차 및 절삭가공 중에 발생하는 열에 의한 열변형오차를 측정하기 위한 측정구 및 측정방법에 관한 것이다.

본 발명의 측정구는 컴퓨터 수치제어 공작기계의 팔렛 위에 설치되는 수직 또는 수평형의 치구와, 상기 수직 또는 수평형의 치구에 직선운동이 가능하도록 사선방향으로 설치되는 기준판과, 상기 기준판에 바(Bar)를 통하여 3차원적으로 배열되게 설치되는 복수개의 고진구도를 갖는 구(Ball)와, 상기 구의 전방에 위치하며 공작기계의 스핀들에 설치되어 구의 중심좌표를 측정하는 접촉식프로브로 구성된다.

본 발명의 방법은 공작기계의 팔렛 위에 측정구를 설치하여 이 측정구의 구가 X, Y, Z축에 대하여 3차원적으로 배열되게 설치하고, 접촉식프로브를 사용하여 상기 구의 중심좌표를 측정한 후 이 측정값을 검출유니트를 통하여 데이터처리기에 보내며, 공작기계의 발생온도는 온도검출장치를 통하여 데이터처리기에 보내므로써 상기 데이터처리기에서 측정구의 측정값을 이용하여 오차를 해석하고, 그 해석결과를 공작기계제어기로 보내 기하오차 및 열변형오차의 보정에 사용되도록 하는 것이다.

Description

컴퓨터 수치제어 공작기계의 작업공간에 존재하는 오차 측정구 및 그 측정방법

본 발명은 컴퓨터 수치제어(CNC) 공작기계의 작업공간에 걸쳐 다르게 존재하는 기하학적 구조와 조립에 의한 기하오차 및 절삭가공 중에 발생하는 열에 의한 열변형오차를 작업자의 도움없이 신속하게 측정할수 있는 측정구(Spherical Ball Artifact) 및 이 측정구를 이용하여 오차를 측정하는 측정방법에 관한 것이다.

더욱 상세하게는, 한 번의 셋업으로 공작기계가 가지고 있는 기하오차와 열변형오차를 3차원으로 측정하는데 기준이 되는 측정구 및 이 측정구를 이용하여 모든 오차를 신속하게 측정할수 있는 방법을 제공 하므로써 머시닝센터(수평형, 수직형 포함)를 포함한 컴퓨터 수치제어 공작기계 뿐만 아니라 3차원 측정기의 오차측정 및 오차보상(Calibration) 분야에도 유용하게 사용할수 있도록 한 컴퓨터 수치제어 공작기계의 작업공간에 존재하는 오차 측정구 및 그 측정방법에 관한 것이다.

일반적으로 컴퓨터 수치제어 머시닝센터와 같은 공작기계는 기하학적인 구조와 조립에 의해 발생하는 기하오차 및, 장시간의 절삭가공시 발생하는 열에 의한 열변형오차가 존재하게 된다.

이중, 기하오차는 기계의 정밀도와 조립성에 관계되는 것으로 어떠한 기종이라도 주축의 회전정밀도, 테이블과 새들 등 운동부위의 평활도, 운동의 진직도, 운동과 주축 중심선과의 평행도 및 직각도와 같은 기계본체의 정적 및 동적인 기하학적 정밀도에 따라 좌우되며, 기계에 따라 그 값이 대략 정해져 있다.

그러나, 열변형오차는 공작기계의 절삭가공이 장시간 지속됨에 따라 기계의 온도가 점진적으로 올라가서 발생하는 오차로서 공작기계의 특성에 의해 시간 및 장소에 따라 다르며, 공작기계의 정도에 상당한 영향을 주게 된다.

따라서, 공작기계의 열변형을 방지하기 위해서는 열원의 제거와 함께 열대칭을 꾀하고, 온도를 균일하게 분포시킬 필요가 있다.

상기 열원을 제거하는 방법으로는 열발생원인 모터 등을 기계본체와 분리시키고, 윤활유를 냉각시키거나 주축냉각용 오일을 냉각시키기 위한 쿨러를 갖추며, 또다른 열발생원인 칩(Chip)을 냉각시키기 위해 다량의 절삭액을 이용하여 칩을 신속하게 배제하고, 실내온도의 변화와 기계에 가해지는 직사광선 및 통풍 등 기계의 설치환경을 정비할 필요가 있다.

또한, 열대칭을 꾀하고 온도분포를 균일하게 유지하기 위해서는 발열원을 기계본체에 적당히 배치하여 균형을 잡고 열적대칭성을 갖도록 설계하며, 열팽창의 기점을 적절히 선택하여 열팽창 대상물의 길이를 짧게 하는 것 등이 있다.

그러나, 상기의 모든 방법을 갖춘 기계라 할지라도 근본적으로 기계에 존재하는 기하오차와 열변형오차를 완전히 제거할 수는 없으며, 오히려 이들 기하오차와 열변형오차를 정확히 측정하여 공작물에 반영하는 것이 바람직하다 할 것이다.

종래, 컴퓨터 수치제어 공작기계의 기하오차를 측정하는 방법으로는 레이저간섭계를 이용하는 방법과, 회전원판 시험법(Circular Test) 및, 더블 볼바(Double Ball Bar)를 이용한 방법 등이 있었다.

이중, 레이저간섭계의 경우는 각각의 단위오차(위치오차, 각변위오차, 진직도, 직각도 등 약 21개에 달하는 오차)를 측정한 후 별도의 오차모델을 사용하여 공간상의 오차를 구하는 것으로서 측정시간이 약 1일 이상 소요되어 현장에서는 사용하지 못하고, 주로 공작기계를 제작하는 제작업체의 표준실에서만 이용하는 정도이다.

또한, 회전원판 시험법과 더블 볼바를 이용한 방법은 비교적 오차측정이 간단하나, 정해진 특정위치의 오차측정만 가능하고 공간상의 오차측정은 곤란한 문제점이 있으며, 열변형오차는 측정할 수 없다는 단점이 있다.

그리고, 이들 방법들은 비용면에서 매우 고가인 결점이 있다.

한편, 컴퓨터 수치제어 공작기계의 열변형오차는 공작기계에서 발생하는 오차의 약 60∼70% 정도를 차지하고 있다.

그러나, 이 열변형오차는 비선형적(Non-Linear)인 특성을 가지고 있기 때문에 지금까지 여러 가지 방법이 연구되고 있으나, 아직 생산현장에는 직접 실용화되지 못하고 있는 실정이다.

상기 열변형오차를 측정하는 방법으로는 테스트바(Test Bar)와 다이알게이지(Dial gage)를 조합하여 이용하는 방법과, 기준품〔Artifact, 측정기준으로 사용하는 기준품으로서 콘(Corn)형태, 사각형태, 제품모델〕을 이용하는 방법 등이 있다.

도 1은 테스트바(270)와 다이알게이지를 이용한 방법을 나타낸 것으로 공작기계의 베드(210) 전면에 테이블(260)을 구비하는 프레임(250)이 설치되고, 상기 베드 상단에는 새들(220), 칼럼(230)이 위치하며, 상기 칼럼에 주축(240)이 설치된 통상의 공작기계에 있어, 상기 주축(240) 하단에 테스트바(270)를 테이블(260)과 수직하게 부착한 후 다이알게이지를 통하여 테스트바의 오차변화를 연속적으로 측정하는 것이다.

이 방법은 공작기계를 생산하는 업체에서 공작기계를 제작 및 조립한 후 공작기계의 제반 오차특성을 측정하기 위한 목적으로 사용하며, 주로 측정실에서만 이루어진다.

또한, 이 방법은 한 번의 셋업으로 5∼6시간 정도의 오차변화를 연속적으로 측정해야 하기 때문에 측정시간이 길고, 측정 중에는 다른 작업이 곤란하다는 단점이 있으며, 항온 및 항습조건을 갖춘 측정실과 작업현장의 측정조건이 다르기 때문에 측정결과를 그대로 작업현장에 적용하기에는 문제가 있다.

그리고, 기준품을 이용한 방법은 기준품과 동일한 제품을 가공한후 기준품과 가공물의 좌표값을 비교하여 오차를 측정하는 방법으로서 기하오차를 측정하는데 사용되며, 이 엮시 측정을 위해서는 제품가공이 필수적이기 때문에 측정시간이 많이 소요된다는 문제와 함께 3차원의 공간상에 존재하는 오차측정은 할수 없다는 결점이 있다.

또한, 3차원 측정기를 이용하여 공작기계에서 가공된 제품의 좌표값과 기준품의 좌표값을 비교하는데 장시간이 소요된다는 문제점도 함께 가지고 있다.

상기의 설명에서와 같이 종래의 기하오차 및 열변형오차를 측정하는 방법은 전용 측정기를 이용해야 하고, 측정을 위해서는 공작기계를 정지시킨 후 작업자가 측정기를 공작기계에 설치하여 정확한 셋업상태를 확인한 후 측정작업을 수행해야 하기 때문에 상대적으로 작업시간이 길어질 수 밖에 없으며, 측정시에는 작업을 계속적으로 수행할 수 없다는 문제점이 있었다.

또한, 열변형오차를 측정하기 위한 방법이 수학적인 해석이나 모델링을 이용하는 방법 밖에는 없고, 이 방법의 경우도 실험실 수준에 머물러 있어 아직까지 생산현장의 공작기계를 대상으로는 거의 이용하지 못하고 있는 실정이며, 설사 이용한다 하더라도 그 값이 의문시 되어 신뢰성을 기대할수 없는 단점이 있었던 것이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로 그 기술적인 과제는 한 번의 셋업으로 공작기계가 가지고 있는 기하오차와 열변형오차를 신속하고 정확히 측정할수 있는 측정구 및 측정방법을 제공함에 있다.

또한, 하나의 측정구를 통하여 기하오차와 열변형오차를 모두 측정할수 있도록 하여 측정시간을 대폭 줄이고, 측정실 뿐만 아니라 생산현장에서도 작업에 지장을 주지 않으면서 오차를 측정할수 있도록 함에 있다.

도 1은 종래 측정방법의 일예를 도시한 컴퓨터 수치제어 공작기계의 정면도

도 2는 본 발명에 따른 수직형 측정구의 사시도

도 3은 본 발명에 따른 수평형 측정구의 사시도

도 4는 본 발명에 따른 기준판의 평면도

도 5는 본 발명에 따른 기준판의 측면도

도 6은 본 발명의 시스템을 나타낸 개략도

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 팔렛 20 : 치구

30 : 기준판 31 : 직선운동가이드

32 : 지지부 40 : 바

50 : 구 60 : 접촉식프로브

70 : 스핀들 80 : 측정값 검출유니트

90 : 온도검출장치 100 : 데이터처리기

110 : 공작기계 제어기

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 측정구는 컴퓨터 수치제어 공작기계의 팔렛 위에 설치되는 수직 또는 수평형의 치구와, 상기 수직 또는 수평형의 치구에 직선운동이 가능하도록 사선방향으로 설치되는 기준판과, 상기 기준판에 바(Bar)를 통하여 3차원적으로 배열되게 설치되는 복수개의 고진구도를 갖는 구(Ball)와, 상기 구의 전방에 위치하며 공작기계의 스핀들에 설치되는 접촉식프로브로 구성된다.

이렇게 구성된 본 발명의 측정구는 구의 중심좌표를 접촉식프로브로 측정하고, 이 측정값과 3차원 측정기의 오차보상 값을 이용하여 기하오차와 열변형오차의 해석이 가능하다.

본 발명의 방법은 공작기계의 팔렛 위에 측정구를 설치하여 이 측정구의 구가 X, Y, Z축에 대하여 3차원적으로 배열되게 설치하고, 접촉식프로브를 사용하여 상기 구의 중심좌표를 측정한 후 이 측정값을 측정값 검출유니트를 통하여 데이터처리기에 보내며, 공작기계의 발생온도는 온도검출장치를 통하여 데이터처리기에 보내므로써 상기 데이터처리기에서 측정구의 측정값을 이용하여 오차를 해석하고, 그 해석결과를 공작기계제어기로 보내 기하오차 및 열변형오차의 보정에 사용되도록 하는 것이다.

본 발명의 측정방법의 의하면, 기하오차는 열원이 발생하기 전의 구가 갖고 있는 중심좌표 값과 3차원 측정기의 오차보상 값을 이용하여 공작기계의 각 위치에 따라 다르게 존재하는 기하오차를 측정할수 있다.

또한, 열변형오차는 절삭작업시 발생하는 열원에 의해 공작기계가 공간적으로 변형되기 때문에 구의 중심좌표가 변하는 변화량과 3차원 측정기의 오차보상 값을 이용하여 측정할수 있다.

이하에서 본 발명을 첨부된 도면에 의거 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2와 도 3은 본 발명에 따른 수직형 및 수평형 측정구의 사시도를 나타낸 것이다.

도시한 바와 같이 본 발명의 측정구는 공작기계의 팔렛(10) 위에 설치되는 수직 또는 수평형의 치구(20)와;

상기 치구에 측정구를 임의의 방향에 대해서 용이하게 설치 가능하도록 사선방향으로 설치되는 기준판(30)과;

상기 기준판에 길이가 다른 복수개의 바(40)를 통하여 3차원적으로 배열되게 설치되는 복수개의 고진구도를 갖는 구(50)와;

상기 구의 전방에 위치하며 공작기계의 스핀들(70)에 설치되는 접촉식프로브(60)로 구성된다.

치구(20)는 공작기계의 팔렛(10) 상단에 설치된다.

기준판(30)은 막대형상으로서 수직형 또는 수평형 치구의 측면이나 상면에 설치되며, 그 일측에는 도 4 및 도 5에서 보는 바와 같이 직선운동을 보장하기 위한 직선운동가이드(31)가 설치된다.

상기 기준판은 화살표와 같이 어느 일측의 기준점을 중심으로 회전이 가능하여 임의의 위치에 설치할 수 있으며, 직선운동가이드는 기준판의 직선운동을 보장하여 미소한 열변형이 발생하더라도 측정구에 미치는 영향을 제거하는 역할을 하게 된다.

복수개의 고진구도를 갖는 구(50)는 길이가 다른 복수개의 바(40)를 통하여 기준판(30)에 임의의 간격으로 설치된다.

상기 구(50)는 바(40)의 일단에 고정되고, 바의 타단은 기준판에 끼워져 고정되므로써 각각의 구와 기준판의 거리는 각각 다르게 되어 3차원 공간적으로 배열된다.

이때, 바(40)가 끼워지는 기준판의 양측에는 바와 구의 중량에 의한 굽힘모멘트가 발생하지 않도록 하기 위하여 덧살 형식의 지지부(32)를 일체로 형성한다.

접촉식프로브(60)는 상용되는 것으로서 도 6과 같이 공작기계의 스핀들(70)에 설치되어 구(50)를 향하게 된다.

상기 각각의 부품은 외부의 열원에 의한 영향을 최소화 하기 위하여 열팽창계수가 작은 재질이 사용된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 측정구는 공작기계의 형식(수직형, 수평형)에 따라 수직형 및 수평형의 측정구를 선택하여 치구(20)를 팔렛(10) 위에 설치한다.

측정구의 셋업이 완료되면, 스핀들축에 설치된 접촉식프로브(60)를 이용하여 구(50)의 중심좌표를 측정하고, 이 측정값과 3차원 측정기의 오차보상 값을 이용하여 기하오차와 열변형오차를 해석하면 된다.

즉, 측정구를 컴퓨터 수치제어 공작기계의 팔렛(10) 상에 셋업한 후 상용 접촉식프로브(60)를 이용하여 구(50)의 중심좌표를 측정하고, 측정결과를 이용하여 3차원 공간상의 기하오차와 열변형오차를 해석하는 것이다.

본 발명의 방법은 상기의 측정구와;

상기 측정구로 부터 측정된 측정값을 검출하여 데이터처리기(100)에 전송하는 측정값 검출유니트(80)와;

상기 공작기계의 발생온도를 검출하여 데이터처리기(100)에 전송하는 온도검출장치(90)와;

상기 측정값 검출유니트와 온도검출장치로 부터 전송받은 데이터를 분석하여 오차를 해석하고, 그 해석결과를 기하오차 및 열변형오차의 보정을 위하여 기 설치된 공작기계의 제어기(110)로 피드백시켜 주는 데이터처리기(100)를 포함하여서 된다.

이와 같이 된 본 발명은 측정방법은 측정구의 측정값이 측정값 검출유니트(80)를 통하여 데이터처리기(100)에 자동 입력되고, 공작기계의 발생온도는 온도검출장치(90)에 의해 검출된 뒤 이를 통하여 데이터처리기(100)에 자동 입력된다.

이후, 데이터처리기(100)에서는 측정구의 측정값을 이용하여 오차를 해석하고, 해석결과를 공작기계 제어기(110)에 피드백 시키므로써 기하오차 및 열변형오차의 보정에 사용된다.

즉, 측정구의 구(50)가 3차원 공간적으로 배열되어 있어 상기 구의 중심좌표에 대한 접촉식프로브(60)의 측정값과 3차원 측정기의 오차보상 값을 이용하여 기하오차와 열변형오차의 측정이 가능한 것이다.

본 발명에 의하면, 기하오차는 열원이 발생하기 전에 측정구를 구성하는 각각의 구의 중심좌표 측정값과 3차원 측정기의 오차보상 값을 이용하여 공작기계의 각 위치에 따라 다르게 존재하는 기하오차를 측정한다.

또한, 열변형오차는 절삭작업으로 인해 발생하는 열원에 의해 공작기계가 공간적으로 변형되기 때문에 구의 중심좌표의 변화량과 3차원 측정기의 오차보상 값을 이용하여 열변형오차를 측정한다.

그리고, 기하오차와 열변형오차의 측정은 한 번의 셋업으로 기하오차를 측정하고, 측정구가 설치된 상태에서도 작업을 수행할수 있으며, 작업중에는 측정구가 설치된 팔렛을 회전시켜 작업영역과 측정영역을 분리시켜서 절삭작업을 수행할수 있고(수평형), 2개의 팔렛 중에 하나의 팔렛에 측정구를 설치하여 측정할수도 있다(수직형).

또한, 절삭작업 중에 발생한 열변형오차는 다시 측정구를 작업영역으로 회전시켜 측정하므로써 공간상의 열변형오차를 측정할수 있다.

아울러, 측정구를 구성하고 있는 구, 바 및 기준판이 열팽창계수가 매우 낮은 재질로 되어 있어 작업중에 발생하는 온도변화에 의한 측정구의 영향이 최소화 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 컴퓨터 수치제어 공작기계에 측정구를 설치하여 기하오차 및 열변형오차를 공작기계 상에서 측정하기 때문에 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 신속한 오차측정으로 측정시간을 단축시킬수 있다.

둘째, 기하오차 및 열변형오차를 모두 측정할수 있다.

셋째, 작업중에도 작업자의 도움없이 자동적으로 오차측정이 가능하므로 작업에 방해를 주지 않는다.

넷째, 상용되는 접촉식프로브를 사용하기 때문에 비용이 저렴하다.

다섯째, 열변형이 거의 없는 재질과 구조로 되어 있고, 진구도가 뛰어난 구를 사용하기 때문에 측정값의 신뢰도가 높다.

여섯째, 측정 대상 공작기계에 신속하게 설치할수 있다.

일곱째, 컴퓨터 수치제어 공작기계의 오차변화를 수시로 감시할수 있고, 이 외에 3차원 측정기의 오차측정도 가능하다.

이 외에도, 본 발명은 컴퓨터 수치제어 공작기계인 오차측정 및 오차보상 분야에 적용할수 있으며, 3차원 측정기의 오차측정 및 오차보상에도 직접 이용할수 있다.

Claims (5)

1. 컴퓨터 수치제어(CNC) 공작기계의 팔렛(10) 위에 설치되는 수직 또는 수평형의 치구(20)와;

   상기 치구에 사선방향으로 설치되며 설치각도와 방향을 임의로 조절할 수 있는 기준판(30)과;

   상기 기준판에 길이가 다른 복수개의 바(40)를 통하여 X, Y, Z 축에 대하여 3차원적으로 배열되게 설치되는 복수개의 구(50) 및;

   상기 구의 전방에 위치하는 공작기계의 스핀들(70)에 설치되어 상기 구와 접촉하는 접촉식 프로브(60)와;

   상기 구(50)와 접촉하는 접촉식 프로브(60)를 통하여 구의 중심좌표를 검출해 내는 측정값 검출유니트(80)와;

   상기 스핀들(70)에서 발생하는 온도를 검출하는 온도 감출장치(90)와;

   상기 측정값 검출유니트(90)와 온도 검출장치(90)에서 전송된 측정값 및 온도를 연산 처리하여 오차를 해석하고, 그 해석결과를 가하오차 및 열변형 오차의 보정에 사용하는 공작기계의 제어기(110); 구성됨을 특징으로 하는 컴퓨터 수치제어 공작기계의 작업공간에 존재하는 오차 측정구.
2. 제 1항에 있어서, 상기 수직형 치구는 평판형으로 된 2개의 플레이트가 수직하게 교차된 것이고, 수평형의 경우는 1개의 플레이트가 수평으로 설치된 것임을 특징으로 하는 컴퓨터 수치제어 공작기계의 작업공간에 존재하는 오차 측정구.
3. 제 1항에 있어서, 상기 기준판(30)의 일측에는 직선운동을 보장하기 위한 직선운동가이드(31)가 설치된 것을 특징으로 하는 컴퓨터 수치제어 공작기계의 작업공간에 존재하는 오차 측정구.
4. 제 1항에 있어서, 상기 바(40)가 끼워지는 기준판의 양측에는 바와 구의 중량에 의한 굽힘모멘트를 방지하기 위한 지지부(32)를 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 컴퓨터 수치제어 공작기계의 작업공간에 존재하는 오차 측정구.
5. 컴퓨터 수치제어(CNC) 공작기계의 팔렛(10) 위에 설치되는 수직 또는 수평형의 치구(20)와, 상기 치구의 측면 또는 상면에 직선운동이 가능하도록 사선방향으로 설치되는 기준판(30)과, 상기 기준판에 길이가 다른 복수개의 바(40)를 통하여 3차원적으로 배열되게 설치되는 복수개의 고진구도를 갖는 구(50) 및, 상기 공작기계의 스핀들(70)에 설치되어 구(50)의 전방에 위치하며 상기 구의 중심좌표를 측정하는 접촉식프로브(60)로 구성되는 측정구와;

   상기 측정구로 부터 측정된 측정값을 검출하여 데이터처리기(100)에 전송하는 측정값 검출유니트(80)와;

   상기 공작기계의 발생온도를 검출하여 데이터처리기(100)에 전송하는 온도검출장치(90) 및;

   상기 측정값 검출유니트와 온도검출장치로 부터 전송받은 데이터를 분석하여 오차를 해석하고, 그 해석결과를 기하오차 및 열변형오차의 보정을 위하여 기 설치된 공작기계의 제어기(110)로 피드백시켜 주는 데이터처리기(100)를 포함하여서 됨을 특징으로 하는 컴퓨터 수치제어 공작기계의 작업공간에 존재하는 오차 측정방법.