KR100415832B1 - 간접측정에 의한 고속회전체 시스템의 오차측정과보상장치 및 방법 - Google Patents

간접측정에 의한 고속회전체 시스템의 오차측정과보상장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 간접측정에 의한 고속회전체 시스템의 오차 측정과 보상 장치 및 방법은, 고속회전체를 이용한 가공시스템에서 속력을 조종하는 전달신호의 크기를 측정하고 이를 통하여 사용자가 입력치와 오차를 측정하고 차이에 대한 보정을 수행하는 측정 보상 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 장치는 간접적인 측정방식을 통해 인가되는 작동신호에 의해 동작하는 서보모터의 회전수를 검출하는 검출센서와, 검출센서에서 검출한 현재의 가공치를 오차 측정 및 보상의 연산을 위해 디지털신호로 변환시키는 A/D변환모듈을 포함하며, 입력시킨 목표가공치와 작동되는 연산가공치를 각각 입력받아 비례미적분연산(PID) 제어하는 가공시스템 서보증폭기의 가공연산출력을 서보모터에 재입력시킴으로써, 전체가공 과정에 대한 간접측정과 가공오차보상을 수행하도록 구성된다.
따라서 본 발명은 간접적인 측정방식을 이용하여 오차의 측정하여 보상함으로써 가공의 정확성과 효율을 증대시키는 효과를 제공함으로써, 생산성을 증대시키고 수입대체의 효과를 제공한다.

Description

간접측정에 의한 고속회전체 시스템의 오차측정과 보상장치 및 방법{An error measurement and compensation equipment for a high speed machine by an indirect measurement and the method of that}
본 발명은 오차를 보상하여 가공하는 가공시스템에 관한 것으로, 자세하게는 고속회전체를 이용한 가공시스템에서 속력을 조종하는 전달신호의 크기를 측정하고 이를 통하여 사용자가 입력치와 오차를 측정하고 차이에 대한 보정을 수행함으로써, 가공의 정확성과 효율성을 증대시키는, 간접측정에 의한 고속회전체 시스템의 오차 측정과 보상 장치 및 방법을 제시한 것이다.
일반적으로 고속가공이란 알루미늄합금 등의 가공시 주축의 회전수가 약 100,000rpm 이상의 절삭속도에서 행해지는 가공을 의미한다. 이러한 고속가공에도 기술의 발달과 산업계의 요구에 따라 최근에는 금형강 등의 고경도 재료에 대한 가공의 필요성이 대두되고 있다.
일반적으로 고속가공시에는 높은 주축회전수로 인해 주파수가 매우 높은 고주파의 절삭력신호가 발생하게 된다. 예를 들어 주축회전수가 15,000rpm이고 엔드밀의 날수가 4개인 경우, 그 절삭주파수는 (15000/60)×4 = 1kHz가 된다. 하지만 실제 가공시 공작기계의 동특성이나 주위 환경 둥 여러 변수에 의해 절삭상태는 더 높은 진동수의 영역에서 힘을 받게 된다. 아울러 이러한 주축회전수 15,000rpm으로 가공에 있어서 절삭력의 동적 특성 및 공진에 의한 진동의 영향을 받지 않는 절삭력 신호를 획득하기 위해서는 측정계의 주파수 응답특성도 1kHz부근에서 안정적이어야 한다.
일반적으로 많이 사용되고 있는 종래의 측정장치로서 고속가공용 공구동력계가 있다.
하지만, 이러한 종래의 고속가공용 공구동력계는 플렛 엔드밀 공구 등 한정적인 측면 절삭이 가능하고 일반적으로 실험용으로 사용되고 있을 뿐, 작업자에 따른 실험 오차율 발생으로 가공 D/B화가 어렵고, 가공시편이 단일해야 하는 문제점 등으로 인해 산업현장에서는 적용이 곤란하다.
아울러 전술한 바와 같이, 최근에는 기술 등의 발달로 금형강 등 고경도 재료의 적용이 요청되고 있으나, 이러한 고속가공에 대한 절삭현상의 메카니즘이 아직도 명확하게 규명되어 있지 않아 고속의 절삭가공에 어려움이 많다.
또한 종래의 측정계는 고유진동수가 낮아 올바른 절삭력 신호를 획득하는데 많은 문제점이 있다. 따라서 종래의 측정계는 오차를 정확하게 측정하지 못하고 따라서 발생된 오차에 대한 적합한 보상을 실시해 주는 것이 어렵게 되어, 결국 정밀한 가공을 수행할 수 없는 문제점이 있다.
산업계에 있어서, 고능률·고정도의 가공을 실현한다는 측면에서도 새로운 개념의 측정장치는 그 효용가치가 매우 높으며 현재 가장 연구가 활발히 진행되고 있는 분야이다. 따라서 고속절삭시에 올바른 절삭력의 신호를 획득하기 위해 원하는 주파수 영역에서 안정된 응답특성을 가지는 새로운 개념의 측정장치 개발이 필요하다.
따라서, 전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 고속회전체를 이용한 가공시스템에서 속력을 조종하는 전달신호의 크기를 측정하고 이를 통하여 사용자가 입력치와 오차를 측정하고 차이에 대한 보정을 수행함으로써, 가공의 정확성과 효율성을 증대시키는, 간접측정에 의한 고속회전체 시스템의 오차 측정과 보상 장치 및 방법에 대한 기술을 제공함에 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 간접측정에 의한 고속회전체 시스템의 오차 측정과 보상 장치의 구조도.
도 2는 본 발명의 일실시예를 설명하기 위한 서보메카니즘의 블록도.
도 3에는 본 발명의 간접측정에 의한 고속회전체 시스템의 오차 측정 및 보상의 과정을 설명하기 위한 파형의 도면.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
11 : 가공테이블 12 : 서보모타
13 : 검출센서 14 : A/D변환모듈
15 : 서보증폭기
151 : PID연산부 152 : 파워증폭부
153 : D/A변환부
16 : 입력조종장치
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 간접측정에 의한 고속회전체 시스템의 오차 측정과 보상 장치는, 고속회전 가공용 서보모터를 구비하고 있는 가공시스템에 있어서,
(1) 고속회전 가공하는 서보모터 회전을 측정하기 위해 서보모터에 회전디스크슬릿과 고정디스크슬릿을 설치하며, 서보모터 주위에 설치된 소정 광원으로부터 빛을 방사시키고 회전디스크슬릿과 고정디스크슬릿을 관통시킨 빛을 수광하여 이로부터 얻어낸 신호를 계수하여 서보모터의 회전수를 검출하는 검출센서와, (2) 상기 검출센서에서 검출한 현재의 가공치를 오차 측정 및 보상의 연산을 위해 디지털신호로 변환시키는 A/D변환모듈을 포함하며,상기 가공시스템에 입력시킨 목표가공치와, 상기 서보모터에서 작동되는 연산가공치를 각각 입력받아 비례미적분연산(PID) 제어하는 가공시스템 서보증폭기의 가공연산출력을 상기 서보모터에 재입력시킴으로써, 전체가공 과정에 대한 간접적인 측정과 가공시의 오차보상을 수행하며,
또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 간접측정에 의한 고속회전체 시스템의 오차 측정과 보상 방법은,
(1) 고속회전 가공하는 상기 서보모터 회전을 측정하기 위해 상기 서보모터에 회전디스크슬릿과 고정디스크슬릿을 설치하며, 상기 서보모터 주위에 설치된 소정 광원으로부터 빛을 방사시키고 상기 회전디스크슬릿과 고정디스크슬릿을 관통시킨 빛을 수광하여 이로부터 얻어낸 신호를 계수하여, 상기 고속회전체시스템 서보모터의 회전수를 검출하는 단계; (2) 상기 제1단계에서 검출한 실제가공치를 오차 측정 및 보상의 연산을 위해 디지털신호로 변환시키는 단계; 및 (3) 상기 가공시스템에 입력시킨 목표가공치와, 상기 서보모터에서 작동되는 연산가공치를 각각 입력받아 비례미적분연산(PID) 제어하는 가공시스템 서보증폭기의 가공연산출력을 상기 서보모터에 재입력시키는 단계를 포함하고 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른, 간접측정에 의한 고속회전체 시스템의 오차 측정과 보상 장치 및 방법을 자세히 설명한다.
기술의 발전으로 인해 현재 일반적으로 수행되고 있는 고속가공은 알루미늄합금의 가공시 주축회전수가 100,000rpm 이상의 절삭속도에서 가공이 행하여지고 있고, 금형강 둥 고경도 재료의 적용은 최근에 이루어지고 있다.
독일의 CARL SALOMAN이 1931년 절삭속도의 증가에 따르는 절삭온도와 마모의 거동에 관하여 제시한 가설에 의하면, 절삭속도가 증가함에 따라 절삭공구의 온도와 마모는 어떤 특정값에 달할 때까지 증가하며, 이 특정영역을 지나면 가공속도가 증가함에 따라 온도와 마모는 감소한다는 것이다. SALOMAN의 이 가설은 어느 임계 절삭 속도 이후에는 절삭속도가 빠를수록 공구의 온도가 감소함으로 공구의 마모도 감소한다는 것을 의미하나 실제로 고속가공에서는 이와는 다른 양상을 보이는 것으로 밝혀지고 있다.
고속가공에 대한 체계적인 연구는 1980년대 초 미국에서 시작된 Advanced Machining Research Program을 들 수 있는데, 이 연구에서는 철, 티타늄, 니켈, 알루미늄 등에 대하여 고속밀링, 고속선삭 시 발생되는 현상들을 조사하여 고속가공 시 발생되는 제반 문제에 대한 과학적인 기초를 마련하였다.
비슷한 시기에 유럽 특히, 독일에서는 고속가공에 대한, 연구가 시작되었다.독일 과학기술청과 산업계의 지원하에 수행된 고속가공에 대한 연구는 첫 단계에서 고속주축개발과 알루미늄 고속절삭에 대해, 두 번째 단계에서는 철과 비철금속의 고속가공에 대한 연구가 이루어졌다.
이와 같이 고속가공에 대한 연구는 산업계의 요구와 첨단미래산업으로의 발전과정에 있어서 반드시 거쳐야 할 필수적인 것으로 인식되고 있으며, 전술한 국가들 이외에도 세계 각국에서 보다 정밀하고 효율적으로 동작하는 가공시스템을 위한 연구가 꾸준히 진행되고 있다.
그리고 이러한 차세대의 가공시스템을 위해 요구되는 것이, 고속가공에 대한 평가기술과, 가공성 평가를 위한 절삭력 성분의 새로운 개념에 따른 측정기법이다. 따라서 본 발명에서는 고속가공을 위한 절삭력 성분의 새로운 측정개념을 도입하고 이를 통하여 절삭과정을 보상하는 장치와 방법을 제공하고자 한다.
이송계의 전동기축에 존재하는 부하(L ; Load)는 관성부하(JL)와 토크부하(TL) 2가지로 크게 구분할 수 있다. 이 중 관성부하(JL)에 있어서 부하율의 차이는 가동부를 수평방향으로 움직이는 데 필요한 추력의 차이에 의해 영향을 받게 된다. 일반적으로 추력이란 프로펠러의 회전 또는 가스분사의 반동에 의하여 생기는 추진력과 같은 반작용 형태의 힘(力)을 의미한다.
절삭가공에 있어서, 부하율의 차이는 전술한 두 가지의 부하를 절삭시와 비절삭시로 구분한 후 그에 대한 추력(Fc)을 구한 다음 이 추력의 편차를 구함으로써 얻을 수 있다. 그리고 이렇게 구해낸 추력(Fc)은 축에 대한 이송축 방향 분력도 된다.
먼저 관성부하(JL)는 다음의 [수학식 1]에 나타낸 두 식에 의해 구할 수 있다.
위의 ①, ②로부터
여기서,
Fc: 절삭력의 이송축방향 분력 [㎏·f]
Fg: 기브의 체결력 [㎏·f]
TL: 부하의 토크 [㎏·m]
Tb: 스크류의 너트부, 베어링부 등의 마찰토크 [㎏·m]
N1 ,N2: 감속치차의 잇수
μ : 미끄럼면의 마찰계수
η : 볼스크류 및 치차의 효율 ( η=0.9∼0.95 )
W : 가동부를 직선(수평)방향으로 움직이는 데 필요한 추력 [㎏·f] 이다.
[수학식 1]에서와 같이 절삭과 비절삭의 차이가 Fc의 유무임을 알 수 있다. 따라서 Fc를 측정하면 축에 절삭분력이 측정되는 것이다.
종래에는 Fc를 직접적으로 측정하여 이로부터 절삭분력을 구하는 방식을 취하고 있었기 때문에 측정의 정확성이 떨어지고 정밀한 가공의 수행에서는 문제점이 있었다.
본 발명에서는 이러한 이송축방향의 분력(Fc)을 아래의 [수학식 2]에 의해서 구하는 개념으로 진행하게 된다.
여기서, Fc는 절삭력의 이송축방향 분력이고, Sv는 목표가공치를, Pv는 현재의 실제가공치를 각각 가리킨다. 즉 이러한 이송축방향의 분력(Fc)은 절삭시의 편차(Fe1)과, 비절삭시의 편차(Fe2)의 차에 의해서 구해지며, 목표가공치(Sv)와 실제가공치(Pv)의 데이터가 필요하게 된다.
목표가공치(Sv)는 정적인 데이터이므로 측정 샘플링이 고속일 필요가 없지만, 실제가공치(Pv)는 동적인 데이터이므로 고속 측정주파수가 필요하다.
일례로 주축회전수가 20,000rpm이고 엔드밀의 날수가 4개인 경우 절삭주파수는 약 (20,000/60)×4 = 1.33kHz가 되며, 실제 가공에 있어서는 전술한 바와 같이 공작기계의 동특성이나 주위 환경 둥 여러 변수에 의해 절삭상태는 더 높은 진동수의 영역에서 힘을 받게 된다. 따라서 측정주파수는 절삭주파수보다 높아야만 안정된 신호 패턴을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 간접측정에 의한 고속회전체 시스템의 오차 측정과 보상 장치의 구조도이고 도 2는 본 발명의 일실시예를 설명하기 위한 서보메카니즘의 블록도이다.
이러한 본 실시예의 장치는 [수학식 2]에 따른 이송축방향의 분력(Fc)을 연산하여 그에 따른 차이를 측정하여 보상하는 과정으로 진행되게 된다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 고속회전체 시스템과 본 실시예의 오차측정과 보상장치에는 가공테이블(11), 서보모타(12), 검출센서(13), A/D변환모듈(14), 서보증폭기(15) 입력조종장치(16)를 포함하고 있다.
가공테이블(11)은 고속가공을 해야 하는 가공용 금속재료(X)가 위치하는 부분으로 수평방향으로 이동하면서 가공이 수행되게 된다. 이 가공테이블(11)의 상부에 고정되어 위치하고 있는 가공용 금속재료(X)는 고속으로 회전하는 절삭가공팁에 의해 가공하게 되며, 이 과정의 고속회전은 서보모터(12)의 회전력을 이용하게 된다. 가공을 수행하는 서보모터(12)의 회전은 검출센서(13)에 의해 검출된다.
본 발명에서는 이러한 데이터의 검출, 즉 현재의 실제가공치(Pv)를 검출하기위해 절대(absolute) 위치검출방식을 이용한 측정방법을 도입하고 있다. 이 절대 위치검출방식은 회전축(shaft)의 회전각도에 인식이 가능하도록 지정된 특정값을 정밀하게 새겨놓고 이 새겨진 각도데이타를 검출하는 방식이다. 이러한 절대 위치검출방식에 의해 회전각도를 인식하는 경우 외부환경에 따라 변화되지 않으며, 가공 공정 중 정전이나 사고에 의해 가공머신이 동작을 멈춘 경우에도 원점보상이 불필요할 뿐 아니라, 외부로부터의 전기적인 잡음에도 아주 우수한 특성을 발휘하게 된다.
그 구성은 디지털 형태의 코드(BCD, Binaray, Gray Code)로 되어 있으며, 흔히 2의 승수로 나타낸다. 여기서 최대응답주파수는 100(KHz) 정도되며 시간에 대한 이송계의 회전 각도를 측정함으로써 축의 부하에 의한 파형 일그러짐으로 절삭력을 산출하는 방법이다.
이러한 절대 위치검출방식 이외에도 실제가공치(Pv)를 검출하기 위한 방식으로 엔코드(encode) 측정방식도 가능하다. 이 방식에서는 광원과 회전디스크 슬릿, 고정디스크 슬릿을 설치하고, 광원에서 방사된 광을 콜리메이터 렌즈로 평행광을 만들고 회전디스크 슬릿과 고정디스크 슬릿을 관통시킨 빛을 수광소자(photo cell ; 포토셀)로 입력시켜 입력된 빛을 전압으로 변환시키는 방법이다.
이렇게 검출된 신호는 A/D변환모듈(14)에서 비례적 미적분연산(PID ; Proportional Integral Differential)제어를 위해 디지털신호를 변환된다. 이렇게 변환된 값이 연산을 위한 현재의 실제가공치(Pv)이며, 목표가공치(Sv)는 입력조종장치(16)에서 가공을 위해 입력설정한 값으로, 이 두 데이터가 후단서보증폭기(15)의 PID연산부(151)로 입력된다.
PID 연산부(151)에서는 실제가공치(Pv)와 목표가공치(Sv)를 PID 연산하여 서보모터(12)에 알맞은 값을 찾아내게 된다. PID연산부(151)의 연산결과는 다음의 파워증폭부(152)로 입력되어 증폭되며, 다시 후단의 D/A변환부(153)로 입력되어 아날로그 신호로 바뀌게 된다.
이 아날로그형태의 신호가 다시 서보모터(12)에 가해져 서보모터를 회전시키게 되고, 서보모터의 회전은 가공테이블(11)로 전달되어 금속재료(X)를 가공하게 된다.
도 3에는 본 발명의 간접측정에 의한 고속회전체 시스템의 오차 측정 및 보상의 과정을 설명하기 위한 파형의 도면을 나타낸 것이다. 여기서 (A)는 비절삭시의 파형변환을, (B)는 절삭시 때의 파형변화를 각각 나타내며 (C)는 두 파형의 차이를 보상분을 나타낸 것이다.
도시한 먼저 비절삭시의 파형신호 (A)는 파형의 가공시 가해져야 하는 이상적인 수치를 의미하는 것으로, 이러한 신호를 가했을 때 실제는 (B)와 같은 신호로 절삭가공이 이루어지게 된다. 따라서 종래와 같이 가공테이블(11)에 부착하는 형태 등의 직접적인 측정방식에 의해 측정하는 것이 아니고, 본 발명에서는 가공중에 있는 서보모터(12)의 회전상태를 간접 측정하는 간접적인 측정방식을 이용함으로써 원하는 가공목표치에 도달하게 한다.
이러한 본 실시예의 간접측정에 의한 고속회전체의 시스템오차를 보상하게 되며, 종래의 직접적인 측정시 포함될 수 있는 외부의 잡음이나 오차 등의 영향을배제할 수 있으므로 보다 정확하고 이상적인 상태로 가공을 수행할 수 있게 된다.
따라서 본 발명의 간접측정에 의한 고속회전체 시스템의 오차 측정과 보상방법에서는 회전체의 위치신호를 입력시킴에 있어 절대적인 위치측정은 물론 광원슬릿을 이용한 엔코드 측정법에 의한 위치신호의 입력이 가능하는 등, 본 발명의 기술개념을 바탕으로 보다 다양하게 실시하는 것이 가능하다.
본 발명은 간접적인 측정방식을 이용하여 오차의 측정하여 보상함으로써 가공의 정확성과 효율을 증대시키는 효과를 제공한다. 아울러 본 발명의 장치 및 방법을 이용하는 경우 이론적으로는 수천만 RPM의 고속회전에서도 정밀한 고속가공이 가능하여 산업계에서 생산성을 증대시키고 수입대체의 효과가 있는 가공기술의 발전에 기여할 것으로 예상된다.

Claims (4)

  1. 고속회전 가공용 서보모터를 구비하고 있는 가공시스템에 있어서,
    고속회전 가공하는 상기 서보모터 회전을 측정하기 위해 상기 서보모터에 회전디스크슬릿과 고정디스크슬릿을 설치하며, 상기 서보모터 주위에 설치된 소정 광원으로부터 빛을 방사시키고 상기 회전디스크슬릿과 고정디스크슬릿을 관통시킨 빛을 수광하여 이로부터 얻어낸 신호를 계수하여 상기 서보모터의 회전수를 검출하는 검출센서와,
    상기 검출센서에서 검출한 현재의 가공치를 오차 측정 및 보상의 연산을 위해 디지털신호로 변환시키는 A/D변환모듈을 포함하며,
    상기 가공시스템에 입력시킨 목표가공치와, 상기 서보모터에서 작동되는 연산가공치를 각각 입력받아 비례미적분연산(PID) 제어하는 가공시스템 서보증폭기의 가공연산출력을 상기 서보모터에 재입력시킴으로써, 전체가공 과정에 대한 간접적인 측정과 가공시의 오차보상을 수행하는 것을 특징으로 하는, 간접측정에 의한 고속회전체 시스템의 오차 측정과 보상 장치.
  2. 고속회전 가공용 서보모터를 구비하고 있는 가공시스템에 있어서,
    (1) 고속회전 가공하는 상기 서보모터 회전을 측정하기 위해 상기 서보모터에 회전디스크슬릿과 고정디스크슬릿을 설치하며, 상기 서보모터 주위에 설치된 소정 광원으로부터 빛을 방사시키고 상기 회전디스크슬릿과 고정디스크슬릿을 관통시킨 빛을 수광하여 이로부터 얻어낸 신호를 계수하여, 상기 고속회전체시스템 서보모터의 회전수를 검출하는 단계;
    (2) 상기 제1단계에서 검출한 실제가공치를 오차 측정 및 보상의 연산을 위해 디지털신호로 변환시키는 단계; 및
    (3) 상기 가공시스템에 입력시킨 목표가공치와, 상기 서보모터에서 작동되는 연산가공치를 각각 입력받아 비례미적분연산(PID) 제어하는 가공시스템 서보증폭기의 가공연산출력을 상기 서보모터에 재입력시키는 단계를 포함함으로써, 전체가공 과정에 대한 간접적인 측정과 가공시의 오차보상을 수행하는 것을 특징으로 하는, 간접측정에 의한 고속회전체 시스템의 오차 측정과 보상 방법.
  3. (삭 제)
  4. (삭 제)
KR10-2001-0065571A 2001-10-24 2001-10-24 간접측정에 의한 고속회전체 시스템의 오차측정과보상장치 및 방법 KR100415832B1 (ko)

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