KR100319116B1 - 엔씨 공작기계의 3차원 위치오차 측정방법 및 장치 - Google Patents

엔씨 공작기계의 3차원 위치오차 측정방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 NC공작기계의 3차원 위치오차 측정방법 및 장치에 관한 것으로, 3차원의 공간상에서 스핀들의 이동 좌표점을 측정할 수 있도록 함으로서 3축 이송 공작기계에 있어서 스핀들의 공간상 위치를 정확히 검증할 수 있는 목적이 있다.
따라서, 테이블에 장착된 제 1기준구의 좌표를 측정하여 이를 제어부에 원점좌표로 입력하는 기준좌표 입력단계와, 제 2기준구을 Y축상에 장착하고 제 3기준구을 X,Y축이 이루는 평면상에 장착하여 상기 제 2,3기준구의 좌표 및 상기 고정홀더의 각 볼 간의 거리를 제어부에 입력하는 초기 세팅단계와, 상기 고정홀더가 장착된 스핀들을 3차원 공간상에서 작동시켜 제 1,2,3 볼바의 LVDT를 통해 각 거리를 측정하는 실 측정단계와, 제어부를 통해 상기의 단계에서 얻어진 제 1,2,3 볼바의 측정거리와 상기 제 1,2,3 기준구의 각 좌표 및 상기 각 볼 간의 거리를 함수로 하여 스핀들의 위치좌표를 얻어 디스플레이시키는 좌표점 표시단계로 진행되는 3차원 위치오차 측정방법을 특징으로 하는 한편, 3축 이송 공작기계에 있어서, 상부 중앙에는 상기 스핀들에 고정되는 삽입축이 형성되고 하부에는 제 1,2,3 볼이 장착되어 있는 고정홀더와, 상기 테이블의 상면에 부착되며 상단에는 제 1,2,3 기준볼이 장착되어 있는 제 1,2,3 기준구와, 양측에 상,하부소켓 장착되며 상기 제 1,2,3 볼과 제 1,2,3 기준볼 사이에 장착되는 제 1,2,3 볼바로 구성됨을 특징으로 하는 것이다.

Description

엔씨 공작기계의 3차원 위치오차 측정방법 및 장치{A method and an apparatus for measuring the 3-D position error of a NC machine tool}
본 발명은 NC공작기계의 3차원 위치오차 측정방법 및 장치에 관한 것으로, 좀더 구체적으로 설명하면, 3차원 공간상에서 스핀들의 이동 좌표점을 측정할 수있도록 함으로서 3축 이송 공작기계에 있어서 스핀들의 공간상 위치를 정확히 검증할 수 있는 NC공작기계의 3차원 위치오차 측정방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 볼바(Ball-bar)라 함은, NC 공작기계(머시닝센터, 밀링 등)와 3차원 좌표측정기 및 로봇등의 위치 정밀도를 측정하는 장치의 일종으로서, 사용의 간편성과 경제성으로 인하여 타 측정장치(레이저 인터페로미터등)에 비하여 널리 보급되어 사용중에 있으며, 본 발명은 상기 볼바를 개량한 것으로서, 먼저 기존에 사용되고 있는 길이측정(1차원측정)이 가능한 볼바를 설명하면 다음과 같다.
도 6은 종래의 길이측정용 볼바를 나타낸 것으로서, 튜브(101)와 이 튜브(101)의 내경에 장착되는 트렌스 듀서(102)로 이루어진 단일의 LVDT(Linear Variable Differential Transformer; 전자 마이크로미터)와, 상기 튜브(101)와 트렌스 듀서(102)의 측단에 장착되는 볼(b)로 이루어진 것이다.
따라서, 상기와 같이 구성된 볼바를 사용할 경우에는 도 7에 도시된 바와 같이, 먼저, 테이블(T)의 상면에 기준구(103)을 장착하고, 스핀들(S)에는 이동구(104)을 장착한후, 상기 LVDT(100)의 일단에 고정된 볼(b)은 상기 기준구(103)에 장착하고, 타단에 고정된 볼(b)은 상기 이동구(104)에 장착한다.
이하, 도 7 및 도 8에 도시된 바와같이, 상기와 같이 볼바가 장착된 상태에서의 측정방법을 설명하면 다음과 같다.
최초에 상기 기준구(103)의 좌표(X,Y,Z)를 측정하여 이를 제어부에 원점좌표(0,0,0)로 입력하는 기준좌표 입력단계(200)와;
다음, 상기 기준구(103)를 중심으로 스핀들(S)을 반구상에서 연속으로 또는임의점으로 회전 이동시키면서 양측에 위치된 볼 사이의 거리(L1)를 LVDT(100)로 측정하는 실 측정단계(201)와;
다음, 기준구(103)와 스핀들(S)에 장착된 볼(b) 사이의 이론적인 거리(L1)는 제어기에 표시된 좌표로부터 계산한후, 상기 볼바의 측정거리(L)에서 상기 이론적인 거리(L1) 뺀 값인 거리오차(변위L = L-L1)를 산출하는 오차 산출단계(202)를 통해 공간상에서 스핀들(S)이 이동된 거리에서의 오차를 측정하는 것이다.
그러나, 상기와 같이 단일의 볼바를 사용할 경우에는 기준구(103)에서 스핀들(임의점) 까지의 거리(1차원)만을 측정함에 따라, 3축 이송 공작기계의 3차원 평면상에서 공구위치의 좌표측정이 불가능함으로서, 스핀들의 공간상 위치 및 정밀도를 정확히 검증할 수 없는 문제점을 가지고 있었다.
또한, 상기 볼바는 반구상에서만 회전이 가능함으로서, 볼바가 기준구(103)를 중심으로 회전되는 구반경 이외의 공간에서는 측정이 불가능한 문제점도 가지고 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로서, 3개의 볼바와 스핀들에 장착되는 고정홀더를 사용하여 3차원 공간상에서 스핀들 좌표점을 측정함으로서, 3축 이송 공작기계에 있어 스핀들의 공간상 위치 및 정밀도를 정확히 검증할 수 있는 NC공작기계의 3차원 위치오차 측정방법 및 장치를 제공함에 목적이 있는 것이다.
또한, LVDT의 길이를 조정가능케 함으로서, 3차원 공간상에서의 측정범위를확장할 수 있는 효과도 있는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 테이블에 장착된 제 1기준구의 좌표를 측정하여 이를 제어부에 원점좌표로 입력하는 기준좌표 입력단계와, 제 2기준구을 Y축상에 장착하고 제 3기준구을 X,Y축이 이루는 평면상에 장착하여 상기 제 2,3기준구의 좌표 및 상기 고정홀더의 각 볼 간의 거리를 제어부에 입력하는 초기 세팅단계와, 상기 고정홀더가 장착된 스핀들을 3차원 공간상에서 작동시켜 제 1,2,3 볼바의 LVDT를 통해 각 거리를 측정하는 실 측정단계와, 제어부를 통해 상기의 단계에서 얻어진 제 1,2,3 볼바의 측정거리와 상기 제 1,2,3 기준구의 각 좌표 및 상기 각 볼 간의 거리를 함수로 하여 스핀들의 위치좌표를 얻어 디스플레이시키는 좌표점 표시단계로 진행되는 3차원 위치오차 측정방법을 특징으로 하는 한편, 3축 이송 공작기계에 있어서, 상부 중앙에는 상기 스핀들에 고정되는 삽입축이 형성되고 하부에는 제 1,2,3 볼이 장착되어 있는 고정홀더와, 상기 테이블의 상면에 부착되며 상단에는 제 1,2,3 기준볼이 장착되어 있는 제 1,2,3 기준구와, 양측에 상,하부소켓 장착되며 상기 제 1,2,3 볼과 제 1,2,3 기준볼 사이에 장착되는 제 1,2,3 볼바로 구성됨을 특징으로 하는 것이다.
도 1은 본 발명의 3차원 위치오차 측정장치를 나타낸 사시도.
도 2는 도 1의 A-A선 단면도.
도 3은 도 2의 B-B선 단면 확대도.
도 4는 본 발명의 측정방법을 설명하기 위한 개략도.
도 5는 본 발명의 측정방법을 나타낸 공정도.
도 6은 종래의 길이 측정용 볼바를 나타낸 개략도.
도 7은 종래의 측정방법을 설명하기 위한 개략도.
도 8은 종래의 측정방법을 나타낸 공정도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 고정홀더
b11 : 제 1 볼, b12 : 제 2 볼, b13 : 제 3 볼
11 : 삽입축
21 ~ 23 : 제 1 ~ 3 기준구
b21 : 제 1 기준볼, b22 : 제 2 기준볼,
b23 : 제 3 기준볼
3 : 제 1 볼바
31 : LVDT(전자 마이크로미터)
311 : 튜브, 312 : 트렌스 듀서
32 : 상부소켓
33 : 하부소켓
4 : 제 2 볼바
41 : LVDT(전자 마이크로미터)
411 : 튜브, 412 : 트렌스 듀서
42 : 상부소켓
43 : 하부소켓
5 : 제 3 볼바
51 : LVDT(전자 마이크로미터)
511 : 튜브, 512 : 트렌스 듀서
52 : 상부소켓
53 : 하부소켓
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 3차원 위치오차 측정장치를 나타내며, 도 2는 도 1의 A-A선 단면도로서, 그 구성을 설명하면 다음과 같다.
Z축으로 이동되는 스핀들(S)과 X,Y축으로 이동되는 테이블(T)을 갖는 3축 이송 공작기계에 있어서;
상부 중앙에는 상기 스핀들(S)에 고정되는 삽입축(11)이 형성되고, 하부에는 상기 삽입축(11)을 중앙으로 하여 제 1,2,3 볼(b11,b12,b13)이 장착되어 있는 정삼각형의 고정홀더(1)와;
상기 테이블(T)의 상면에 부착되며 상단에는 제 1,2,3 기준볼(b21,b22,b23)이 장착되어 있는 제 1,2,3 기준구(21,22,23)와;
양측에 상,하부소켓(32,42,52,33,43,53)이 장착되어 있으며, 상기 제 1,2,3볼(b11,b12,b13)과 제 1,2,3 기준볼(b21,b22,b23) 사이에 장착되는 제 1,2,3 볼바(3,4,5)로 구성됨을 특징으로 하는 것이다.
상기 제 1,2,3 볼바(3,4,5)는 도 3에 도시된 바와 같이, 튜브(311,411,511)와 트렌스 듀서(312,412,512)로 이루어진 단일의 LVDT(31,41,51;전자 마이크로 미터)와, 상기 튜브(311,411,511)의 일측단에 고정된 하부소켓(33,43,53)과, 상기 트렌스 듀서(312,412,512)의 일측단에 장착되어 상기 고정홀더(1)의 제 1,2,3기준볼(b11,b12,b13)이 장착되는 상부소켓(32,42,52)으로 구성되는 것이다.
특히 상기 튜브(311,411,511)는 하부소켓(33,43,53)이 장착된 제 1 튜브(311a,411a,511a)와 상기 트렌스 듀서(312,412,512)가 삽입된 제 2 튜브(311c,411c,511c)로 이루어지며, 상기 제 1튜브(311a,411a,511a)의 단부에는 나선축(311b,411b,511b)이 고정되는 한편, 상기 제 2튜브(311c,411c,511c)의 단부에는 상기 나선축(311b,411b, 511b)가 체결되는 탭공(311d,411d,411d)이 형성된다. 따라서 사용중 제 1,2,3 볼바(3,4,5)의 길이를 조정할 수 있는 것이다.
그리고 상기 상,하부소켓의 전방에는 외측에서 중앙으로 경사진 경사홈이 형성되고, 그 중앙에는 자석(M)이 끼워짐으로서, 상기 다수의 볼들이 선접촉을 통해 소켓에 장착되는 것이다.
따라서, 상기와 같이 구성된 볼바를 사용할 경우에는 도 4에 도시된 바와 같이, 먼저, 테이블(T)의 상면에 제 1,2,3 기준구(21,22,23)를 장착하고, 상기 스핀들(S)에는 고정홀더(1)를 장착한다. 그후, 상기 제 1,2,3 기준구(21,22,23)에 장착된 제 1,2,3 기준볼(b21,b22,b23)을 상기 제 1,2,3 볼바(3,4,5)의 하부소켓(33,43,53)에 장착하고, 제 1,2,3 볼바(3,4,5)의 상부소켓(32,42,52)을 상기 고정홀더(1)의 제 1,2,3 볼(b11,b12,b13)에 장착한다.
이하, 상기와 같이 고정홀더(1)와 제 1,2,3 기준구(21,22,23) 및 제 1,2,3 볼바(3,4,5)가 장착된 상태에서의 3차원 위치 측정방법을 설명하면 다음과 같다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 최초에 상기 제 1 기준구(21)의 좌표(x1,y1,z1)를 측정하여 이를 제어부에 원점좌표(0,0,0)로 입력하는 기준좌표 입력단계(51)와;
다음, 제 2기준구(22)을 Y축(x,z 좌표는'0')상에 장착하고, 제 3기준구(23)을 X,Y축이 이루즌 평면(z 좌표는'0')상에 장착하여, 상기 제 2기준구(22)의 좌표(0,y2,0)와 제 3기준구(23)의 좌표(x3,y3,0) 및 상기 고정홀더(1)의 각 볼(b11,b12,b13) 간의 거리(a)를 제어부에 입력하는 초기 세팅단계(52)와;
다음, 상기 고정홀더(1)가 장착된 스핀들(S)을 3차원 공간상에서 작동시켜 제 1,2,3 볼바(3,4,5)의 LVDT(31,41,51)를 통해 거리(L1,L2,L3)를 측정하는 실 측정단계(53)와;
제어부를 통해 상기의 단계에서 얻어진 제 1,2,3 볼바(3,4,5)의 측정거리(L1,L2,L3)와 상기 제 1,2,3 기준구(21,22,23)의 좌표 및 상기 각 볼(b12,b13,b14) 간의 거리(a)를 함수로 하여 스핀들의 위치좌표(Px,Py,Pz)를 얻어 디스플레이 시키는 좌표점 표시단계(54)를 통해 3차원 공간상에서 스핀들의 위치 좌표점을 측정하는 것이다.
그러므로, 상기 공간상에서 이동된 스핀들(S)의 좌표점(Px,Py,Pz)을 통해 공작기계의 오차를 측정할 수 있는 것이다.
따라서, 상기 좌표점 표시단계에서 얻어지는 좌표점(Px,Py,Pz)은 다음과 같은 공식이 적용되는 것이다.
(수학식)
단, Px = 스핀들의 X축 좌표점,
Py = 스핀들의 Y축 좌표점,
Pz = 스핀들의 Y축 좌표점,
L1 = 제 1볼바의 양측 볼 사이의 거리,
L2 = 제 2볼바의 양측 볼 사이의 거리,
L3 = 제 3볼바의 양측 볼 사이의 거리,
x3 = 제 3기준구의 X축 좌표값,
y2 = 제 2기준구의 Y축 좌표값,
y3 = 제 3기준구의 Z축 좌표값,
a = 고정홀더에 장착된 제 1,2 과 제 2,3 및 제 3,1 볼 사이의 거리이다.
한편, 상기 실 측정단계(53)를 진행함에 있어서, 스핀들(S)의 이동범위는, 상기 제 1볼바(3)가 제 1기준구(21)의 제 1기준볼(b21)을 중심으로 하는 3차원상의 이동범위와 상기 제 2볼바(4)가 제 2기준구(22)의 제 2기준볼(b22)을 중심으로 하는 3차원상의 이동범위 및 상기 제 3 볼바(5)가 제 3기준구(23)의 제 3기준볼(b23)을 중심으로 하는 3차원상의 이동범위가 일치되는 부분이 됨으로서, 상기 스핀들(S)의 이동범위는 마름모꼴의 4면체 형상을 이루게 되는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명은, 3개의 볼바를 사용하여 3차원 평면상에서 스핀들 좌표점을 측정할 수 있도록 함으로서, 3축 이송 공작기계에 있어서 스핀들의 공간상 위치를 정확히 검증할 수 있는 효과를 가지는 것이다.
또한, LVDT의 길이를 조정가능케 함으로서, 3차원 공간상에서의 측정범위를 확장할 수 있는 효과도 가지는 것이다.

Claims (4)

  1. 테이블에 장착된 제 1 기준구의 좌표(x1,y1,z1)를 측정하여 이를 제어부에 원점좌표(0,0,0)로 입력하는 기준좌표 입력단계(51)와;
    제 2기준구을 Y축(x,z좌표는'0')상에 장착하고, 제 3 기준구을 X,Y축이 이루는 평면(z좌표는'0')상에 장착하여, 상기 제 2 기준구의 좌표(0,y2,0)와 제 3 기준구의 좌표(x3,y3,0) 및 상기 고정홀더의 각 볼 간의 거리(a)를 제어부에 입력하는 초기 세팅단계(52)와;
    상기 고정홀더가 장착된 스핀들을 3차원 공간상에서 작동시켜 제 1,2,3 볼바의 LVDT를 통해 각 거리(L1,L2,L3)를 측정하는 실 측정단계(53)와;
    제어부를 통해 상기의 단계에서 얻어진 제 1,2,3 볼바의 측정거리(L1,L2,L3)와 상기 제 1,2,3 기준구의 각 좌표 및 상기 각 볼 간의 거리(a)를 함수로 하여 스핀들의 위치좌표(Px,Py,Pz)를 얻어 디스플레이시키는 좌표점 표시단계(54)로 진행됨을 특징으로 하는 NC공작기계의 3차원 위치오차 측정방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 좌표점 표시단계(54)에서 얻어지는 좌표점(Px,Py,Pz)은,
    이와 같은 공식으로 얻어짐을 특징으로 하는 NC공작기계의 3차원 위치오차 측정방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 실 측정단계(53)에서의 스핀들(S)의 이동범위는, 상기 제 1 볼바가 제 1 기준구의 볼(b21)을 중심으로 하는 3차원상의 이동범위와 상기 제 2 볼바가 제 2 기준구의 볼(b22)을 중심으로 하는 3차원상의 이동범위 및 상기 제 3 볼바가 제 3기준구의 볼(b23)을 중심으로 하는 3차원상의 이동범위가 일치되는 부분이 되어 마름모꼴의 4면체 형상을 이루게 됨을 특징으로 하는 NC공작기계의 3차원 위치오차 측정방법.
  4. Z축으로 이동되는 스핀들(S)과 X,Y축으로 이동되는 테이블(T)을 갖는 3축 이송 공작기계에 있어서;
    상부 중앙에는 상기 스핀들(S)에 고정되는 삽입축(11)이 형성되고, 하부에는 상기 삽입축(11)을 중앙으로 하여 제 1,2,3 볼(b11,b12,b13)이 장착되어 있는 정삼각형의 고정홀더(1)와;
    상기 테이블(T)의 상면에 부착되며 상단에는 제 1,2,3 기준볼(b21,b22,b23)이 장착되어 있는 제 1,2,3 기준구(21,22,23)와;
    양측에 상,하부소켓 장착되어 있으며 상기 제 1,2,3 볼(b11,b12,b13)과 제 1,2,3 기준볼(b21,b22,b23)사이에 장착되는 제 1,2,3 볼바(3,4,5)로 구성됨을 특징으로 하는 NC공작기계의 3차원 위치오차 측정장치.
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