KR100427326B1 - Method of compensating thermal displacement of main spindle for a machine tool - Google Patents
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Abstract
공작기계 주축계의 열변위 보정방법이 개시된다. 개시된 공작기계 주축계의 열변위 보정방법은, 대상 공작기계의 주축계의 운전조건별 온도변화 특성을 측정하여 각 운전조건에 따른 최대 온도변화량 및 시정수를 구하는 것에 의해 상기 운전조건을 매개변수로 하는 주축의 온도변화(θ)에 대한 수학적 모델을 아래의 수학식 1,2와 같이 구축하고, 이를 상기 공작기계의 열변위 보정장치의 컨트롤러에 내장하여 상기 공작기계 주축계의 열변위를 보상할 수 있도록 한 것을 그 특징으로 한다.Disclosed is a method for correcting thermal displacement of a machine tool spindle system. The disclosed method for correcting the thermal displacement of a spindle of a machine tool includes measuring the temperature change characteristic of the spindle system of a target machine tool by operating conditions and obtaining a maximum temperature change amount and a time constant according to each operating condition. A mathematical model for the temperature change (θ) of the main shaft is constructed as shown in Equation 1 and 2 below, and built into the controller of the thermal displacement compensator of the machine tool to compensate for the thermal displacement of the spindle of the machine tool. It is characterized by what was made possible.
θ=(a x rpm) θ = (ax rpm)
θ= (a x rpm) θ = (ax rpm)
상기한 수학식 1, 2에서,In Equations 1 and 2 described above,
rpm: 주축 회전속도,rpm: spindle speed,
t: 운전시간,t: driving time,
T: 주축속도별 온도시정수,T: temperature time constant by spindle speed,
a: 주축속도에 대한 보정 계수a: correction factor for spindle speed
본 발명에 따르면, 별도의 하드웨어 추가 없이도 기존의 기술과 동등한 성능을 발휘할 수 있음으로 원가절감의 이점이 있다.According to the present invention, it is possible to exhibit the same performance as the existing technology without additional hardware, there is an advantage of cost reduction.
Description
본 발명은 공작기계 주축계의 열변위 보정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원가절감이 이루어질 수 있고, 공작기계의 정밀화 및 고정도화가 이루어질 수 있도록 개선된 공작기계 주축계의 열변위 보정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for correcting the thermal displacement of a machine tool spindle system, and more particularly, to a cost reduction, and to a method for correcting the thermal displacement of a machine tool spindle system improved to enable precision and precision of a machine tool. will be.
공작기계의 가공정도는 공작기계를 구성하고 있는 각 구성요소들의 조립상태와 기하학적인 상태에 의해서 발생하는 위치오차, 각변위 오차, 진직도, 및 직각도 등에 의해서 일차적으로 영향을 받는다. 그 이외에, 가공 중에 발생하는 절삭열과 스핀들(spindle)의 고속회전에 의한 발열과 이송축의 반복적인 이송에 의해서 발생하는 마찰열 및 주위온도 변화에 의한 열변형 오차에 의해서 가공정도는 직접적인 영향을 받는다.The degree of machining of the machine tool is primarily influenced by the positional error, the angular displacement error, the straightness, and the squareness caused by the assembly and geometrical states of the components constituting the machine tool. In addition, the degree of cutting is directly affected by cutting heat generated during machining, heat generated by high-speed rotation of the spindle, and heat deformation errors caused by frictional heat and ambient temperature changes caused by repeated feeding of the feed shaft.
일반적으로 많은 실험결과에 기초해서 보면 열변형 오차는 공작기계의 기하오차에 비해서 가공정도에 큰 영향을 미치며, 공작기계에서 발생하는 오차의 40~70%는 열변형 오차에 의해서 발생한다.In general, based on the results of many experiments, the thermal deformation error has a greater effect on the machining accuracy than the geometrical error of the machine tool, and 40-70% of the error in the machine tool is caused by the thermal deformation error.
그리고 공작기계의 기하오차는 조립한 후에 품질관리와 위치오차의 보정 (compensation)을 통해서 설계단계의 정도를 유지하지만, 발생열에 의한 열변형 오차는 작업조건과 가공특성에 따라서 직접적인 영향을 받고, 발생온도에 의해서 복잡한 형태로 나타나기 때문에 오차 보정이 곤란하다.The geometric error of the machine tool is maintained after the assembly through the quality control and position error compensation, but the thermal deformation error due to the generated heat is directly affected by the working conditions and processing characteristics. The error correction is difficult because it appears in a complicated form by temperature.
이러한 공작기계의 열변형 오차를 최소화하기 위해서 열강성을 향상시키거나, 열원을 분리시켜 구조적으로 열적 안정성을 높이는 방법이 일본, 독일을 중심으로 개발되고 있다.In order to minimize the thermal deformation error of the machine tool, a method of improving the thermal stiffness or separating the heat source to increase the structural thermal stability has been developed mainly in Japan and Germany.
그리고 공작기계의 구조를 열적 대칭구조를 갖도록 설계하거나, 발생열을 최소화하기 위해서 주축헤드 냉각유의 온도제어방식, 모터내장형 주축의 모터와 베어링의 외부에 냉각자켓을 설치하여 주로 공냉 또는 유냉으로 강제 냉각하는 방법이 제안되고 있다.The machine tool is designed to have a thermally symmetrical structure, or to minimize the heat generated by installing a cooling jacket on the outside of the motor and bearing of the spindle head cooling oil, the motor built-in spindle, and the forced cooling by air or oil cooling. A method is proposed.
이러한 시스템이 적용되더라도 열변형은 불가피하게 발생하기 때문에 주축에 변위센서를 부착하여 열변형 오차를 측정하거나, 도 1에 도시된 바와 같이, 주축(11)이 설치된 공작기계(10)의 특정 부위에 온도센서(12)를 장착하여, 여기에서 검출되는 온도값을 이용하여 열변형을 예측하는 시스템이 제안되어 상용 공작기계에 적용되고 있다. 그리고 도 2에는 열변형 보정 알고리즘을 나타내 보인 블록선도가 도시되어 있다.Even if such a system is applied, heat deformation inevitably occurs, so that a displacement sensor is attached to the main axis to measure the heat deformation error, or as shown in FIG. 1, at a specific part of the machine tool 10 in which the main axis 11 is installed. A system for mounting a temperature sensor 12 and predicting thermal deformation using a temperature value detected therein has been proposed and applied to a commercial machine tool. 2 is a block diagram illustrating a thermal distortion correction algorithm.
열변형 오차를 최소화시키기 위한 방법으로는 공작기계 설계관점에서 열원냉각방법, 열변형이 없는 재질이나 열전도도가 낮은 재질을 사용하는 방법과 발생하는 열변형 오차를 측정하여 보정하는 방법 등이 적용되고 있다.As a method for minimizing the thermal deformation error, the method of heat source cooling, the method using a material without thermal deformation or a material with low thermal conductivity, and the method of measuring and correcting the thermal deformation error generated are applied. have.
또한 최근에는 공작기계의 열변형 오차를 최소화시키기 위한 방법으로 측정을 통한 열변형 오차 보정방법이 적용되고 있으며, Z축 방향의 열변형 오차를 예측하여 보정하기 위해서 뉴로퍼지 알고리즘을 머시닝센터에 적용한 시스템이 제안되고 있다.Recently, a method of minimizing the thermal strain error of a machine tool has been applied to the measurement of the thermal strain error through measurement, and a neuropurge algorithm is applied to the machining center to predict and correct the thermal strain error in the Z-axis direction. Is being proposed.
그러나 최적설계를 통해서 열변형 오차를 줄이는 데에는 고가의 비용과 소재개발 등의 한계가 있고, 열변형 오차를 직접 측정하여 보정하는 방법이나 온도센서에서 얻어지는 온도 변화값을 이용하여 열변위를 예측 보정하는 시스템을 구축하기위해서는 별도의 계측장치와 데이터 수집장치(A/D board) 등 추가적인 하드웨어 (hardware)가 필요하여 공작기계의 원가 상승 요인이 되고 있다.However, there are limitations in the cost and material development to reduce the thermal deformation error through the optimum design, and the method of directly measuring and correcting the thermal deformation error or predicting and correcting the thermal displacement using the temperature change value obtained from the temperature sensor. To build a system, additional hardware such as a separate measuring device and data collection device (A / D board) is required, which increases the cost of machine tools.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 별도의 하드웨어의 추가 없이도 열변위 보정을 수행하여 원가절감이 이루어질 수 있도록 한 공작기계 주축계의 열변위 보정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a thermal displacement correction method of a machine tool spindle system, which enables cost reduction by performing thermal displacement correction without adding additional hardware. .
도 1은 종래의 기술에 따른 공작기계 주축계의 열변위 보정장치를 도시한 도면.1 is a view showing a thermal displacement correction apparatus of a machine tool spindle system according to the prior art.
도 2는 종래의 기술에 따른 열변형 보정 알고리즘을 나타내 보인 블록선도.Figure 2 is a block diagram showing a heat distortion correction algorithm according to the prior art.
도 3a 및 도 3b는 주축계의 온도 변화 특성을 나타내 보인 그래프.3A and 3B are graphs showing temperature change characteristics of the main shaft system.
도 4는 주축 운전조건에 따른 온도변화를 실험한 결과 그래프.4 is a graph showing the results of experiments with temperature changes according to the spindle operating conditions.
도 5는 본 발명에 따른 공작기계 주축계의 열변위 보정방법에 의해 제안된 열변위 예측 모델 블록선도.5 is a block diagram of a thermal displacement prediction model proposed by the thermal displacement correction method of the machine tool spindle system according to the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 공작기계 주축계의 열변위 보정방법의 일 실시예를 나타내 보인 도면.6 is a view showing an embodiment of a thermal displacement correction method of the machine tool spindle system according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
20. 공작기계20. Machine tool
21. 주축21. Spindle
30. 컨트롤러30. Controller
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 공작기계 주축계의 열변위 보정방법은, 대상 공작기계의 주축계의 운전조건별 온도변화 특성을 측정하여 각 운전조건에 따른 최대 온도변화량 및 시정수를 구하는 것에 의해 상기 운전조건을 매개변수로 하는 주축의 온도변화(θ)에 대한 수학적 모델을 아래의 수학식 1,2와 같이 구축하고, 이를 상기 공작기계의 열변위 보정장치의 컨트롤러에 내장하여 상기 공작기계 주축계의 열변위를 보상할 수 있도록 한 것을 그 특징으로 한다.Thermal displacement correction method of the machine tool spindle system of the present invention for achieving the above object, by measuring the temperature change characteristics of the spindle system of the target machine tool for each operation condition to determine the maximum temperature change amount and time constant according to each operation condition By constructing, a mathematical model of the temperature change (θ) of the main shaft whose operating condition is a parameter is constructed as shown in Equation 1, 2, and built into the controller of the thermal displacement compensator of the machine tool. It is characterized by the fact that the thermal displacement of the machine tool spindle system can be compensated.
[수학식 1] [ Equation 1 ]
주축의 스타트 또는 회전수 증가시When starting the spindle or increasing the number of revolutions
θ=(a x rpm) θ = (ax rpm)
[수학식 2] [ Equation 2 ]
주축의 회전수 감소 또는 정지시When spindle speed decreases or stops
θ= (a x rpm) θ = (ax rpm)
상기한 수학식 1, 2에서,In Equations 1 and 2 described above,
rpm: 주축 회전속도,rpm: spindle speed,
t: 운전시간,t: driving time,
T: 주축속도별 온도시정수,T: temperature time constant by spindle speed,
a: 주축속도에 대한 보정 계수a: correction factor for spindle speed
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 공작기계 주축계의 열변위 보정방법은, 공작기계의 주축의 온도 변화값을 얻기 위한 수단으로 종래에 제안된 온도센서 대신에 주축계의 운전조건 예컨대 주축속도, 운전시간을 매개변수로 하는 수학적 모델로 대체 적용한 공작기계 주축계의 열변위 보정방법에 관한 것이다.The method of correcting the thermal displacement of a spindle of a machine tool according to the present invention is a means for obtaining a temperature change value of a spindle of a machine tool. The thermal displacement compensation method of the machine tool spindle system which is replaced by a mathematical model.
전술한 바와 같이, 공작기계의 주축계의 열변형 특성은 도 3에 도시된 바와 같이. 스핀들 유니트의 운전조건 예컨대, 회전수 및 운전시간에 의해서 가장 큰 영향을 받는다. 주축 운전 중 주축계의 온도는 열원의 증가 예컨대, 주축 회전 시작 또는 회전수 증가, 또는 열원의 감소 예컨대 회전수 감소 또는 정지에 따라 자연대수적으로 변화한다.As described above, the thermal deformation characteristic of the main shaft system of the machine tool is shown in FIG. The driving conditions of the spindle unit are most affected by, for example, the number of revolutions and the operating time. During spindle operation, the temperature of the spindle system changes naturally logarithmically with an increase in the heat source, for example, starting or rotating the spindle, or decreasing the heat source, for example, decreasing or stopping the spindle.
이러한 측면에서 본 발명에 따른 공작기계 주축계의 열변위 보정방법은, 대상 공작기계의 주축계의 운전조건별 온도변화 특성을 실험적 방법을 통하여 측정하여 도 4에 도시된 바와 같이, 각 운전조건(주축속도, 운전시간)에 따른 최대 온도변화량(A) 및 시정수(T)를 구하는 것에 의해 운전조건을 매개변수로 하는 주축의온도변화(θ)에 대한 수학적 모델을 구축함으로써 이루어진다.In this aspect, the thermal displacement correction method of the spindle of the machine tool according to the present invention, by measuring the temperature change characteristics of the operating condition of the spindle system of the target machine tool through an experimental method, as shown in Figure 4, each operating condition ( By calculating the maximum temperature change amount (A) and time constant (T) according to the spindle speed and operating time), a mathematical model for the temperature change (θ) of the main axis whose operating conditions are parameters is constructed.
본 제안의 주축 온도변화에 대한 수학적 모델은 다음과 같다. 첫째, 주축의 스타트 또는 회전수 증가시에는 아래의 수학식 1과 같이 구축된다.The mathematical model of the main shaft temperature change of this proposal is as follows. First, when starting or increasing the number of revolutions of the main axis is constructed as shown in Equation 1 below.
[수학식 1] [ Equation 1 ]
주축의 스타트 또는 회전수 증가시When starting the spindle or increasing the number of revolutions
θ=(a x rpm) θ = (ax rpm)
둘째로, 주축의 회전수 감소 또는 정지시에는 아래의 수학식 2와 같이 구축된다.Second, when the rotational speed of the main shaft is reduced or stopped, it is constructed as shown in Equation 2 below.
[수학식 2] [ Equation 2 ]
θ= (a x rpm) θ = (ax rpm)
상기한 수학식 1, 2에서,In Equations 1 and 2 described above,
rpm: 주축 회전속도rpm: spindle speed
t: 운전시간t: driving time
T: 주축속도별 온도시정수T: Temperature time constant by spindle speed
a: 주축속도에 대한 보정 계수a: correction factor for spindle speed
이다.to be.
그리고 주축 온도변화에 대한 주축의 열변위 관계도 실험적 방법을 통하여 측정을 수행 후, 통계적 방법인 리그래시브 방법(regressive method)을 이용하여 수학적 모델을 구축한다.In addition, after the measurement of the relationship between the thermal displacement of the main axis and the main axis temperature change by the experimental method, a mathematical model is constructed using the statistical method, the progressive method.
이렇게 구축된 두개의 모델을 통합하면 도 5에 도시된 바와 같이, 주축의 운전조건에 따른 열변위 예측 모델을 구축할 수 있다.By integrating the two models thus constructed, as shown in FIG. 5, a thermal displacement prediction model according to the operating conditions of the main axis may be constructed.
그리고 이것을 도 6에 도시된 바와 같이, 주축(21)이 설치된 공작기계(20)의 열변위 보정장치의 컨트롤러(PC-NC)(30)에 내장시킴으로서 종래기술에서 제안되었던 별도의 온도센서(도 1의 12 참조) 및 데이터 수집장치(A/D board) 없이도 공작기계 주축계의 열변위를 보상할 수 있다.And, as shown in Figure 6, by embedding in the controller (PC-NC) 30 of the thermal displacement correction apparatus of the machine tool 20, the spindle 21 is installed, a separate temperature sensor (Fig. Thermal displacement of machine tool spindle system can be compensated without the need of A / D board.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 공작기계 주축계의 열변위 보정방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.As described above, the thermal displacement correction method of the machine tool spindle system according to the present invention has the following effects.
주축 운전조건에 따른 열변위를 수학적 모델로 구축하여 컨트롤러(PC-NC)에 내장시킴으로써 별도의 하드웨어 추가 없이도 기존의 기술과 동등한 성능을 발휘할 수 있다. 따라서 원가절감의 효과가 있다.By constructing a mathematical model of thermal displacement according to the spindle operating conditions and embedding it in the controller (PC-NC), it can show the same performance as the existing technology without additional hardware. Therefore, there is a cost reduction effect.
그리고 공작기계의 정밀화, 고정도화 측면에서 대외 경쟁력을 확보할 수 있다.In addition, it can secure external competitiveness in terms of precision and precision of machine tools.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent embodiments are possible. Therefore, the true scope of protection of the present invention should be defined only by the appended claims.
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- 2001-08-21 KR KR10-2001-0050212A patent/KR100427326B1/en not_active IP Right Cessation
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