KR100437964B1 - 위치제어장치 - Google Patents

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수주키 마사루
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Abstract

본 발명은 제어된 물품의 제어점의 위치와 목표위치 사이의 위치편차가 기계적으로 연관된 제어축들 사이의 상대위치관계의 변화에 따라 보정되어지고, 지주에 의해 지지되어지는 주샤프트스탠드를 포함하여 수직방향으로 이동가능하면서 주샤프트스탠드에 구비된 주샤프트와 스크류샤프트의 회전에 의해 구동되어져 수평방향으로도 이동가능한 위치제어장치에 관한 것으로, 위치제어시에 주샤프트스탠드에 대한 주샤프트의 위치에 따라 계산되어진 수직방향의 목표위치로부터 주샤프트의 위치편차를 보정하기 위한 위치보정이 주샤프트스탠드에 대한 주샤프트의 위치에 따라 조절되어지며, 주샤프트스탠드의 목표위치로부터 수평방향으로의 위치편차는 상기 위치보정을 근간으로 보정되어진다.

Description

위치제어장치
본 발명은 예컨대 수치제어장치 또는 산업용 로봇장치내에 있는 위치제어장치와 그 제어방법에 관한 것으로, 특히 제어부의 중량과 방법으로 인해 변형 등으로 초래되는 위치편차를 보정함으로써 고정밀도로 위치제어를 수행할 수 있는 위치제어장치에 관한 것이다.
예컨대 수치제어공작기계의 위치제어에서, 절단공구와 같은 제어된 대상의 위치는 절단공구나 제어된 다른 부분을 통상 서보(servo)모터에 부착된 인코더와같은 회전감지기에 의해 이동시키는 이동장치를 구동하는 서보모터의 회전위치를 감지하고, 이 감지된 값을 근간으로 서보모터의 회전을 제어함으로써 제어된다.
상기 수치제어공작기계에서는 서보모터의 회전의 제어가 정확하게 수행되어지는 경우에라도 절단공구 또는 다른 제어된 대상의 정확한 위치의 제어가 수치제어공작기계를 구성하는 기계요소내에 초래된 탄성변형 등으로 인한 위치의 편차나 비틀림 등의 이유로 인해 불가능하게 되는 경우가 종종 있었다.
이러한 문제를 해소하는 방법이 있기는 하지만 정밀하지 못하고 복잡하며, 다른 문제를 야기하는 것이었다.
이에 본 발명은 제어된 대상 자체의 중량으로 인해 제어된 대상의 위치적인 편차(또는 변형이나 굽힘)를 수반하는 위치편차의 보정과 제어된 대상과 기계적으로 결합된 부분을 구부림으로써 고정밀도로 위치제어를 수행하는 위치제어장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따르면 상승수단에 의해 수직방향으로 상승가능한 제 1부재와, 제 1부재의 상승을 따라 수직방향으로 이동가능하면서 수평이동수단에 의해 제 1부재에 대해 수평방향으로 이동가능한 제 2부재를 구비한 기계의 제 2부재를 정위(定位)하는 위치제어장치를 제공하게 되는데, 이는 상기 제 1부재의 위치를 감지하는 제 1위치감지수단과; 제 1위치제어수단으로부터 제 1입력위치데이타를 수용하고, 상승수단을 제어하며, 제 1부재를 제 1목표위치까지 정위시키게 되는 제 1제어수단; 제 1부재의 위치를 감지하는 제 2위치감지수단; 제 2위치제어수단으로부터 제2입력위치데이타를 수용하고, 수평이동수단을 제어하며, 제 2부재를 제 2목표위치까지 정위시키는 제 2제어수단 및; 제 1부재의 위치와 제 2부재의 위치를 근간으로 하여 제 2부재의 정면선단의 위치보정값을 계산함으로써 이 위치보정값에 의해 제 1제어수단의 제 1목표위치를 보정하는 위치보정수단;을 구비한다.
바람직하기로, 위치보정수단의 위치보정은 미리 위치편차를 측정하고 이를 근간으로 위치보정을 보간(補間)함으로써 계산되어진다.
더욱 바람직하기로는, 위치보정수단은 제 1부재의 목표위치신호와 제 2부재의 목표위치신호를 사용하거나, 제 1위치감지신호와 제 2위치감지신호를 사용하여 위치보정을 계산하게 된다.
또한 바람직하기로, 제 1부재와 제 2부재는 스크류부안으로 나사조절되는 스크류샤프트에 의해 결합되어지며, 수직이동수단은 서보모터에 의해 구동되는 한편, 수평방향 구동수단은 서보모터에 의해 구동되어지고, 제 1제어수단과 제 2제어수단 및 위치보정수단은 컴퓨터에 의해 구성된다.
본 발명에 따른 위치제어장치에서, 수직방향으로의 제 2부재의 보정은 수평방향으로의 제 2부재의 위치에 따라 계산되어지는데, 이러한 보정은 이동가능한 제 1부재의 위치에 따라 조정되어지며, 결과적으로 제 1부재와 제 2부재 사이의 기계적인 결합관계로 인한 제 2부재의 비틀림과, 3차원의 기계적인 비틀림이 정밀하게 보정되어질 수 있게 된다.
도 1은 수평형 복합공작기계의 일례의 개략도이고,
도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 위치제어장치의 구성도,
도 3은 본 발명의 제 2실시예에 따른 위치제어장치의 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 위치제어장치의 하드웨어의 일례를 도시한 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 위치제어장치의 보정데이타의 일례를 도시한 선도,
도 6은 본 발명에 따른 위치제어장치의 위치보정 조정계수의 일례를 도시한 선도이다.
바람직한 실시예들을 기술하기에 앞서서 관련기술의 더 상세한 일례를 도면을 참조로 하여 기술한다.
전술한 바와 같이 수치제어공작기계에서는 서보모터의 회전제어가 정확하게 수행되는 경우에라도 수치제어공작기계를 구성하는 기계요소내에 초래되어지는 탄성변형 등으로 인해 야기되는 위치편차나 비틀림 등으로 절단공구 등의 정확한 위치제어가 불가능하게 되는 경우가 종종 있었다.
예컨대, 도 1에 도시된 바와 같은 수평형 복합공작기계인 경우에는, 주샤프트(51)가 지주(52)내에 구비된 Y축서보모터(57)에 의해 구동되는 스크류샤프트(53)에 의해 Y축방향(수직방향)으로 이동가능한 주샤프트스탠드(54)에 의해 측방향(수평방향)으로 고정된다. 주샤프트(51)가 도시되지 않은 수평방향 Z축서보모터의 회전작용에 의해 그 위에 작업소재가 위치되어진 X축테이블(56)의 상방으로 이동되어질 때, 주샤프트(51)의 자유단이 그 자체의 중량으로 인해 구부러(비틀려)지게 되고, 수평방향으로 주샤프트(51)가 확실하게 고정되지 못하였다. 결과적으로, 주샤프트(51)에 부착된 공구의 실제위치와 지시된 목표위치 사이에 위치편차가 발생하게 된다. 또한, 작업소재가 도 1에 도시된 복합공작기계를 사용하여 처리되어질 때, X축테이블(56)상에 위치된 작업소재의 처리정밀도가 의도된 수준까지 높게 되지 못하는 경우가 있다.
최근의 복합공작기계에서는 아주 높은 처리정밀도가 요구되므로 제어대상 자체 또는 제어된 부분 자체의 중량으로 인한 구부러짐(비틀림)이 무시될 수 없게 되었다.
이하, 주샤프트(51)의 수평방향으로의 정확한 보정방법에 대해 기술하는 바,주샤프트(51)의 자유단이 하방으로 구부러지는 양은 Z축방향(수평방향)으로 주샤프트(51)의 위치에 따라 가변적이므로, Y축방향(수직방향)으로의 위치는 Z축방향에서 주샤프트(51)의 위치에 따라 보정되어져서 수평방향의 정확성을 보정하게 된다. 실제로, 예컨대 Z축방향으로 주샤프트(51)의 여러 위치에 대한 보정값은 미리 측정되고, X축테이블(56)에 위치된 작업소재를 처리할 때 Z축방향으로의 주샤프트(51)의 위치 중에서 보정값이 적절하게 선택되어져 Y축방향으로의 위치를 보정하여 작업소재의 처리정밀도를 향상시키게 된다.
그러나, 도 1에 도시된 바와 같은 수평형 복합공작기계의 형태에서 하방으로 주샤프트(51)가 구부러지는 양은 주샤프트(51)의 Y축방향으로의 위치에 따라 가변적이고, 상기 구부러짐은 X축서보모터(57)에 근접한 위치에 주샤프트가 위치한 경우보다는 스크류샤프트(53)의 하부선단부에 근접한 위치에 주샤프트(51)가 위치한 경우에 더 크게 된다. 즉, 주샤프트(51)의 하방으로의 구부러짐은 주샤프트(51) 자체의 자유단의 구부러짐만을 포함하는 것이 아니라 주샤프트(51)와 기계적으로 결합된 스크류샤프트(53)의 구부러짐도 포함하는 것이다. 따라서, 전술한 바와 같이 주샤프트(51)의 정확성의 보정이 Z축방향으로의 주샤프트(51)의 위치에 따른 Y축방향으로의 위치를 보정함으로써만 정확성을 보정하는 것이 충분하지 않고 고정밀도로 작업소재를 처리하기 위해서는 추가로 정확성의 정밀한 보정이 요구되어지는 경우가 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 위치제어장치의 실시예들을 도면을 참조로 하여 상술하기로 한다.
제 1실시예
도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 위치제어장치의 구성도이다.
도 2에 도시된 위치제어장치는 본 실시예에서 도 1에 도시된 수평형 복합공작기계의 이동가능한 부분의 위치제어를 수행한다.
도 1에 도시된 수평형 복합공작기계의 주샤프트(51)는 전술된 지주(52)내에 구비된 Y축서보모터(57)에 의해 구동되는 스크류샤프트(53)에 의해 Y축방향(수직방향)으로 이동가능한 주샤프트스탠드(54)에 의해 측방향(수평방향)으로 고정된다. 상기 주샤프트(51)는 수평방향의 Z축서보모터(도시되지 않음)의 회전작용에 의해 그 위에 작업소재가 위치되는 X축테이블(56)의 상방으로 이동되며, 주샤프트(51)의 정면선단에 부착된 공구, 예컨대 절단공구(도시되지 않음)는 X축테이블(56)상에 위치된 작업소재(도시되지 않음)를 절단하게 된다.
한편, Y축서보모터(57)와 스크류샤프트(53)는 본 발명의 상승수단에 상응하게 되고, 주샤프트스탠드(54)는 제 1부재와 상응하게 되며, 주샤프트(51)는 제 2부재와 상응하게 되고, 도시되지 않은 Z축서보모터는 수평방향으로 제 1부재를 이동시키는 수평방향 이동수단과 상응하게 된다.
본 실시예의 위치제어장치는 도 2에 도시된 바와 같이 스크류샤프트(53)를 회전시킴으로써 주샤프트(51)를 상승시키는 Y축서보모터(57)를 제어하는 Y축제어유니트(본 발명의 제 1제어수단)와, Z축방향(수평방향)으로 주샤프트(51)를 이동시키는 Z축서보모터(58;도 1에는 도시되지 않음)를 제어하는 Z축제어유니트(본 발명의 제 2제어수단)로 구성된다 여기서, 주샤프트(51)를 상승시키는 Y축제어유니트와,주샤프트(51)를 수평방향으로 이동시키는 Z축제어유니트는 독립적으로 작동가능하다.
본 실시예에서는, Y축서보모터(57)의 회전수를 감지하고 이를 누적 가산하여 제 1위치감지장치로서 주샤프트스탠드(54)의 높이를 측정하는 회전감지기(57a)와, Z축서보모터(58)의 회전수를 감지하고 이를 누적 가산하여 제 2위치감지장치로서 수평방향으로의 주샤프트의 위치를 측정하는 회전감지기(58a)가 구비된다. 한편, 회전감지기(57a,58a)로는 예컨대 증가형 회전인코더 또는 절대 회전인코더를 사용하는데, 증가형 회전인코더는 회전감지기(57a,58a)로 사용되면서 Y축서보모터(57)와 Z축서보모터(58)의 위치신호를 매 회전마다 펄스신호로 각각 출력하게 되므로, 이러한 회전 펄스신호들을 도 2에 도시된 Y축서보제어유니트(4)와 Z축서보제어유니트(10)에서 누적하여 가산함으로써, Y축서보모터(57)와 Z축서보모터(58)의 전체 회전수에 상응하는 주샤프트스탠드(54)의 높이(Py)와 주샤프트(51)의 수평위치(Pz)를 알 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 회전감지기(57a)와 Y축서보제어유니트(4)가 제 1위치감지수단을 구성하고, 회전감지기(58a)와 Z축서보제어유니트(10)는 제 2위치감지수단을 구성한다. 여기서, Y축서보제어유니트(4)와 Z축서보제어유니트(10)는 위치감지 이외에, 하기하는 제어작용을 수행하게 된다.
한편, 절대 회전인코더가 회전감지기(57a,58a)로 사용되어질 때에는 펄스신호가 누적되어 상기 회전감지기(57a,58a)들에서 더해지고, 위치를 나타내는 신호들이 Y축방향 위치감지신호(57f)와 Z축방향 위치감지신호(58f)로 출력되어져서, 전술한 누적 가산을 Y축서보제어유니트(4)와 Z축서보제어유니트(10)에서 수행하지 않아도 된다. 이 경우에, 상기 회전감지기(57a)는 제 1위치감지수단을 구성하고, 상기 회전감지기(58a)는 제 2위치감지수단을 구성한다.
본 발명에 따른 제 1위치감지수단과 제 2위치감지수단은 전술한 증가형 회전인코더 또는 전술된 절대 회전인코더가 사용될 수 있고, 다른 위치감지수단이 사용될 수도 있다. 이하, 설명을 간단히 하기 위해서, 회전감지기(57a,58a)로 절대 회전인코더가 사용되고, 위치신호들이 회전감지기(57a,58a)로부터 Y축방향 위치감지신호(57f)와 Z축방향 위치감지신호(58f)로 직접 출력되며, 누적 가산이 Y축서보제어유니트(4)와 Z축서보제어유니트(10)에서는 수행되지 않는 경우를 기술한다.
수평방향으로 주샤프트(51)의 위치제어를 수행하는 Z축제어유니트는 Z축위치명령유니트(Z축위치참조신호생성유니트;8)와, Z축서보제어유니트(10) 및, Z축서보진폭기(12)를 구비한다. 여기서, 상기 Z축위치명령유니트(8)는 Z축방향 위치명령(Z축방향 위치참조신호,rz)을 Z축서보제어유니트(10)로 공급하며, 이 Z축위치명령유니트(8)로부터 출력된 Z축방향 위치명령(rz)은 도 2에는 도시되지 않은, 예컨대 도 3에 도시된 프로세서(21)와 같은 다른 장치로부터 주어진다. 그리고, 상기 Z축서보제어유니트(10)는 Z축서보모터(58)의 회전감지기(58a)에서 감지된 Z축방향 위치감지신호(58f)를 읽고, Z축위치명령유니트(8)로부터 공급된 Z축방향 위치명령(rz)과 Z축방향 위치감지신호(58f) 사이의 편차(에러신호)를 계산하며, 제어신호를 계산하여 편차가 0이 되도록 한다. 이 제어신호는 본 실시예에서는 Z축서보모터(58)를 구동하는 전류신호인 바, 즉 Z축서보제어유니트(10)는 0의 편차를 부여하는 전류명령을 계산하고 이를 Z축서보진폭기(12)에 공급하게 되며, 이 Z축서보진폭기(12)는 Z축서보제어유니트(10)로부터 전류명령을 증폭하여 이를 Z축서보모터(58)의 실제 구동전류로 전환하게 됨과 더불어, Z축서보모터(58)에 구동전류를 공급하여 Z축서보모터(58)를 작동하게 한다. 결과적으로, Z축서보모터(58)의 회전제어가 수행되어지며, 상기 제어처리가 연속적으로 수행되어 Z축서보모터(58)가 주샤프트(51)를 Z축방향 위치명령(rz)에 의해 지정된 위치까지 이동시키게 된다.
또한, 상기 주샤프트(51)를 수평방향으로 이동시키는 Y축제어유니트는 Y축위치명령유니트(Y축위치참조신호생성유니트;2)와, Y축서보제어유니트(4), Y축서보진폭기(6), Y,Z축 좌표입력유니트(14), 보정계산유니트(16), 보정조절유니트(18) 및, 신호가산기유니트(19)를 구비한다.
먼저, Y,Z축 좌표입력유니트(14)를 포함하지 않는 Y축제어유니트와, 보정계산유니트(16), 보정조절유니트(18) 및, 신호가산기유니트(19)의 기본 작동을 기술한다.
Y축제어유니트의 기본 작동은 전술한 Z축제어유니트의 작동과 유사한 바, 즉 Y축위치명령유니트(2)는 Y축서보제어유니트(4)에 신호가산기유니트(19)를 매개로 Y축방향 위치명령(ry)을 제공하게 되고, 이 Y축위치명령유니트(2)로부터 출력된 Y축방향 위치명령(Y축방향 위치참조신호;ry)은 도 2에는 도시되지 않은, 예컨대 도 3에 도시한 프로세서(21)와 같은 다른 장치로부터 주어진다. Y축서보제어유니트(4)는 Y축서보모터(57)의 회전감지기(57a)에서 감지된 Y축방향 위치감지신호(57f)를 읽고서, Y축위치명령유니트(2)로부터 공급된 Y축방향 위치명령(ry)과 Y축방향 위치감지신호(57f) 사이의 편차를 계산하며, 제어신호를 계산하여 편차가 0이 되도록 한다. 이 제어신호는 본 실시예에서는 Y축서보모터(57)를 구동하는 전류신호인 바, 즉 Y축서보제어유니트(4)는 0의 편차를 부여하는 전류명령을 계산하고 이를 Y축서보진폭기(6)에 공급하게 되며, 이 Y축서보진폭기(6)는 Y축서보제어유니트(4)로부터 전류명령을 증폭하여 이를 Y축서보모터(57)의 실제 구동전류로 전환하게 됨과 더불어, Y축서보모터(57)에 구동전류를 공급하여 Y축서보모터(57)를 작동하게 한다. 결과적으로, Y축서보모터(57)의 회전제어가 수행되어지며, 상기 제어처리가 연속적으로 수행되어 Y축서보모터(57)가 주샤프트(51)를 Y축방향 위치명령(ry)에 의해 지정된 위치까지 수직방향으로 이동시키게 된다.
그리고, 주샤프트(51)내에 비틀림 등이 없는 경우에, 이 주샤프트(51)의 정면선단에 고정된 공구 등은 Z축방향 목표위치와 Y축방향 목표위치에 정위되어 상기 제어장치에 의해 X축테이블(56)상에 위치된 작업소재의 처리를 수행할 수 있지만, 주샤프트(51)의 돌출부는 그 자체의 하중으로 인해 하방으로 걸려있게 되며, 이 주샤프트(51)의 돌출부도 기계적으로 결합된 스크류샤프트(53)의 굽힘에 의해 하방으로 걸려있게 된다. 따라서, 주샤프트(51)의 정면선단에 부착된 절단공구와 같은 처리부재는 X축테이블(56)상에 있는 작업소재에 너무 근접하게 되어 이 작업소재가 정확하게 처리될 수 없다. 또한, 주샤프트(51)의 하방으로의 굽힘(또는 변형)으로 인한 높이방향으로의 위치편차로 작업소재의 처리정밀도가 감소됨을 방지하기 위해서, 하기하는 위치보정이 Y,Z축 좌표입력유니트(14)와, 보정계산유니트(16), 보정조절유니트(18) 및, 신호가산기유니트(19)내에서 수행된다. 이하, Y,Z축 좌표입력유니트(14)와, 보정계산유니트(16), 보정조절유니트(18) 및, 신호가산기유니트(19)에서의 비틀림 보정처리와 Y축방향으로의 제어를 상술한다.
Y,Z축 좌표입력유니트(14)
Y,Z축 좌표입력유니트(14)는 Y축위치명령유니트(2)로부터 Y축방향 위치명령(ry)을, Z축위치명령유니트(8)로부터 Z축방향 위치명령(rz)을 입력으로 받아들이고, 그 결과로 Y,Z축 좌표입력유니트(14)는 제어되는 주샤프트(51)의 Y축방향위치와 Z축방향위치를 알게 된다. 이 경우에, 보정계산유니트(16)와 보정조절유니트(18)에서는 작업소재의 처리 등을 수행하는 목표 Y축위치와 목표 Z축위치에서 주샤프트(51)의 위치보정이 수행되어진다.
본 발명의 제 1실시예에서, Y,Z축 좌표입력유니트(14)가 입력으로 Y축위치명령유니트(2)로부터 Y축방향 위치명령(ry)과, Z축위치명령유니트(8)로부터 Z축방향 위치명령(rz)을 도 2에서 실선으로 표시된 바와 같이 받아들이게 된다.
보정계산유니트(16)는 Y,Z축 좌표입력유니트(14)로부터 공급된 Y축방향으로의 주샤프트(51)의 Y축방향 위치명령(ry)을 이용하여 Y축방향으로의 주샤프트(51)의 위치편차를 보정하는 위치보정값(△Y)을 계산하고, 이 계산된 보정값(△Y)을 보정조절유니트(18)로 출력하게 된다.
보정조절유니트(18)는 Y,Z축 좌표입력유니트(14)에서 입력된 주샤프트(51)의Y축방향 위치명령(ry)을 이용하여 위치보정값(△Y)을 조정한다.
또한, 신호가산기유니트(19)는 보정조절유니트(18)에서 제어된 위치보정값(△Y')을 Y축위치명령유니트(2)로부터의 Y축방향 위치명령(ry)에 가산하여 Y축방향 위치명령(ry)을 교정하고 이 보정된 Y축방향 위치명령(ry+△Y')을 Y축서보제어유니트(4)로 공급하게 된다.
따라서, Y축서보제어유니트(4)내의 제어작동은 다음과 같이 된다:
δY = (Y축방향 위치명령(ry) + 위치보정값(△Y')) - Y축방향 위치명령(ry)
위치보정값(기본 위치보정값;△Y)과 이로부터 조정된 위치제어값(제 2위치보정값;△Y')의 계산방법은 차후에 기술될 것이다.
제 2실시예
다음으로, 도 3에 도시된 바와 같이 Y,Z축 좌표입력유니트(14)가 입력으로 Y축방향 위치감지신호(57f)와 Z축방향 위치감지신호(58f)를 받아들이는 경우를 기술하기로 한다.
회전감지기(57a,58a)로 증가형 회전인코더를 사용할 때, 도 3에 도시된 바와 같이 Y축방향 위치명령(ry)과 Z축방향 위치명령(rz)의 입력 대신에 Y,Z축 좌표입력유니트(14)는 입력으로 Y축방향 계산위치데이타(Py)를 Y축서보제어유니트(4)로부터 받아들이고 Z축서보제어유니트(10)로부터 Z축방향 계산위치데이타(Pz)를 받아들임과 더불어, 보정계산유니트(16)와 보정조절유니트(18)내의 주샤프트(51)의 위치보정을 위해 실제 위치데이타(Py,Pz)를 사용한다. 상기 Y축서보제어유니트(4)와 Z축서보제어유니트(10)는 회전감지기(57a,58a)로부터 Y축방향 위치감지신호(57f)와 Z축방향 위치감지신호(58f)를 가산하여 전술한 바와 같이 실제 위치(Py,Pz)를 계산하게 된다. 또한, 절대 회전인코더를 회전감지기(57a,58a)로 사용할 때에는 Y,Z축좌표입력유니트(14)가 입력으로 Y축방향 계산위치데이타(Py)를 회전감지기(57a)로부터 받아들이고 Z축방향 계산위치데이타(Pz)를 회전감지기(58a)로부터 받아들임과 더불어, 보정계산유니트(16)와 보정조절유니트(18)내의 주샤프트(51)의 위치보정을 위해 실제 위치데이타(Py,Pz)를 사용하게 된다.
보정계산유니트(16)는 Y,Z축 좌표입력유니트(14)로부터 공급된 주샤프트(51)의 현재 Z축방향 위치감지신호(58f)를 사용하여, Y축방향으로의 주샤프트(51)의 현재 위치편차를 보정하기 위한 위치보정값(△Ya)을 계산하고, 이렇게 계산된 보정값(△Ya)을 보정조절유니트(18)로 출력한다. 이 보정조절유니트(18)에서, 위치보정값(△Ya)은 Y,Z축 좌표입력유니트(14)에서 입력된 주샤프트(51)의 현재 Y축방향 위치감지신호(57f)를 이용하여 제어되고, 신호가산기유니트(19)는 보정조절유니트(18)에서 제어된 위치보정값(△Y'a)을 Y축위치명령유니트(2)로부터의 Y축방향 위치명령(ry)에 가산하게 되며, 그 결과를 Y축서보제어유니트(4)에 공급하게 된다.
따라서, Y축서보제어유니트(4)의 제어작동은 다음과 같이 된다:
δY = (Y축방향 위치명령(ry) + 위치보정값(△Y'a))
- Y축방향 위치감지신호(57f)
보정계산유니트(16)는 Y,Z축 좌표입력유니트(14)로부터 공급된 Y축방향으로의 주샤프트(51)의 실제 위치데이타(Py)를 이용하여 Y축방향으로의 주샤프트(51)의 위치편차를 보정하기 위한 위치보정값(△Y)을 계산하고, 이 계산된 보정값(△Y)을 보정조절유니트(18)로 출력하게 된다.
보정조절유니트(18)는 Y,Z축 좌표입력유니트(14)에서 입력된 Y축방향으로의 주샤프트(51)의 실제 위치데이타(Py)를 이용하여 위치보정값(△Y)에 대한 위치제어를 수행하게 된다.
또한, 신호가산기유니트(19)는 보정조절유니트(18)에서 조정된 위치보정값(△Y')을 Y축위치명령유니트(2)로부터의 Y축방향 위치명령(ry)에 가산하여 Y축방향 위치명령(ry)을 교정하고 이 보정된 Y축방향 위치명령(ry+△Y')을 Y축서보제어유니트(4)로 공급하게 된다.
위치보정값(기본 위치보정값;△Y)과 이로부터 조정된 위치제어값(제 2위치보정값;△Y')의 계산방법은 차후에 기술한다.
이하, 제 2실시예가 바람직한 실시예로 기술되는 바, 다음 설명은 제 1실시예에도 활용가능한 것이다.
도 3(도 2)에 도시된 위치제어장치는 도 4에 도시된 형태의 컴퓨터 하드웨어와 이 컴퓨터의 메모리에 저장되고 컴퓨터에 의해 작동되어지는 제어 프로그램으로 구현가능하다.
도 4에 도시된 컴퓨터 장치는 프로세서(21)와, 롬(ROM;22), 램(RAM;23), 그래픽 조절회로(25), 디스플레이장치(26), 소프트웨어 키(27), 키보드(28), Y축제어회로(30) 및, Z축제어회로(31)를 구비한다.
상기 Y축제어회로(30)는 도 2 및 도 3에 도시된 Y축서보진폭기(6)에 연결되는 한편, Y축서보모터(57)는 Y축서보진폭기(6)에 연결되어지며, Y축방향 위치감지신호(57f)는 Y축서보모터(57)에 부착된 회전감지기(57a)로부터 Y축제어회로(30)로 공급된다. 그리고, Z축제어회로(31)는 도 2와 도 3에 도시된 Z축서보진폭기(12)에 연결되는 한편, 이 Z축서보진폭기(12)에는 Z축서보모터(58)가 연결되어지며, Z축방향 위치감지신호(58f)는 Z축서보모터(58)에 부착된 회전감지기(58a)로부터 Z축제어회로(31)로 공급된다.
또한, 프로세서(21)는 롬(22)내에 저장된 제어 프로그램에 의해 전체 위치제어장치를 제어하고, 다양한 형태의 데이타 또는 입출력 신호들이 램(23)내에 저장되는데, 예컨대 후술할 보정데이타 등이 저장된다.
그래픽 조절회로(25)는 디지털신호를 디스플레이용 신호로 전환하고 이를 디스플레이장치(26)에 공급하는데, 디스플레이장치(26)로는 CRT 디스플레이장치나 액정디스플레이가 사용되며, 이는 작업자가 소프트웨어 키(27) 또는 키보드(28)를 사용하여 다이알로그 포맷에 의해 처리 프로그램을 준비할 때, 형상과, 처리상태, 생성된 처리 프로그램 등을 표시한다.
한편, 위치제어장치의 작업자는 디스플레이장치(26)상에 표시된 내용(다이알로그 데이타입력 스크린)에 따라 데이타를 입력하여 처리 프로그램을 준비한다.
그리고, 디스플레이장치(26)의 스크린상에는 이 스크린에서 처리되어질 수있는 작업 또는 데이타가 메뉴 포맷으로 표시되고, 메뉴내의 아이템은 메뉴상의 소프트웨어 키(27)를 누름으로써 선택된다.
또한, 키보드(28)는 제어장치에 필요한 데이타를 입력하는 데에 사용된다.
도 3(도 2)에 도시된 Y축위치명령유니트(2)와 신호가산기유니트(19) 및 Z축위치명령유니트(8)가 본 실시예에서는 프로세서(21)와 롬(22)내에 저장된 제어 프로그램으로 구현된다.
도 4의 Y축제어회로(30)와 Z축제어회로(31)는 도 3(도 2)에 도시된 Y축서보제어유니트(4)와 Z축서보제어유니트(10)에 각각 상응하며, Y축서보제어유니트(4)와 Z축서보제어유니트(10)를 구현한다. 이들은 Y축위치명령유니트(2)와 신호가산기유니트(19) 및 Z축위치명령유니트(8)의 작동을 위한 프로세서(21)로부터의 각 위치명령, 즉 Y축방향 위치명령(ry)과 Z축방향 위치명령(rz)을 받아들이고, 제어신호, 즉 Y축서보모터(57)의 구동전류와 Z축서보모터(58)의 구동전류를 계산하여, 상기 위치명령들에 대한 Y축서보모터(57)의 Y축방향 위치감지신호(57f)와 Z축서보모터(58)의 Z축방향 위치감지신호(58f)의 편차를 0이 되게 하고, 이를 Y축서보진폭기(6)와 Z축서보진폭기(12)에 공급하여 Y축서보모터(57)와 Z축서보모터(58)를 작동시킨다.
또한, Y축서보제어유니트(4)와 Z축서보제어유니트(10)를 하드웨어 회로로 형성하거나, 이를 마이크로 프로세서 또는 다른 컴퓨터와 여기서 작동되는 제어 프로그램을 이용하여 형성할 수 있고, 선택적으로 롬(22)내에 Z축제어회로(31)와 Y축제어회로(30)의 제어를 수행하는 제어 프로그램을 저장하여서, 이 프로그램을 프로세서(21)에서 작동시켜 Y축제어회로(30)와 Z축제어회로(31)를 구현할 수도 있다.
Y,Z축 좌표입력유니트(14)와 보정계산유니트(16) 및 보정조절유니트(18)의 처리내용이 이제 상술되는 바, Y,Z축 좌표입력유니트(14)와 보정계산유니트(16) 및 보정조절유니트(18)의 처리내용은 본 실시예에서는 롬(22)에 저장된 프로그램과 프로세서(21)에 의해 구현된다.
Y,Z축 좌표입력유니트(14)는 프로세서(21)와 롬(22)에 저장된 프로그램에 의해 구현되고, 제어 프로그램으로 프로세서(21)에서 작동하는 Y축위치명령유니트(2)와 Z축위치명령유니트(8)로부터 Y축방향 위치명령(ry)과 Z축방향 위치명령(rz)을 판독하고 도출하며, 실제로 램(23)내에 저장된 Z축방향 위치명령(rz)과 Y축방향 위치명령(ry)을 판독하고 도출한다.
먼저, Y축방향에서 주샤프트(51)의 위치를 보정하기 위한 다수의 보정데이타가 미리 측정되고 램(23)에 저장된다.
이 위치보정데이타는 Z축방향으로 다수의 위치(Pz[i];i=0,1,..,5)에 상응하는 보정값(△Y[i])을 부여하고, 이를 위한 특별한 수치가 일례로 표 1에 부여된다. 여기서, 보정데이타는 Y축방향으로 주샤프트(51)의 원위치에 있고, Pz[0]은 Z축의 음의 방향으로 주샤프트(51)의 행정제한위치이며, Pz[5]는 Z축의 양의 방향으로 행정제한위치이다.
[표 1]
Figure pat00001
예컨대, Y축방향으로 위치데이타 Py=250mm이면 프로세서(21)는 표 1에서 위치데이타 Py=100mm일 때의 보정데이타 △Y=70㎛와, 위치데이타 Py=500mm일 때의 보정데이타 △Y=50㎛를 사용하여, 위치에 따른 선형보간법에 의해 보정데이타(△Y)를 계산하는 바, 즉 △Y = 70+(70-50)/(500-100)×(250-100) = 70-7.5 = 62.5㎛이다.
도 1에 도시한 바와 같은 형태의 수평형 복합공작기계에서는 주샤프트(51)가 전술한 바와 같이 Y축서보모터(57)의 구동에 의해 Y축방향(수직방향)으로 이동하면 Y축방향으로 주샤프트(51)의 위치편차가 변화되며, 이러한 이유로 Y축방향의 주샤프트(51)의 위치에 따라 표 1에 도시된 보정데이타를 조절할 필요가 있다.
상기한 이유로, 예컨대 아래의 표 2에서와 같이 주샤프트가 1.0과 같은 Y축방향의 원위치에 위치될 때 조절계수(M[0])를 정의함으로써, Y축방향에서 주샤프트(51)의 다수의 위치(Py[n])에 상응하는 조절계수(M[n])가 미리 측정되고 램(23)에 저장된다.
[표 2]
Figure pat00002
표 1과 표 2에 도시된 보정데이타와 계수는 예컨대 도 1에 도시된 수평형 복합공작기계의 조립과 조정시에 Y축방향으로의 주샤프트(51)의 위치와 Z축방향으로의 위치를 변화시키면서, 실제적으로 주샤프트(51)의 공구위치를 측정하고, 미리 보정될 계수와 보정값을 측정함으로써 얻어진다.
또한, 수평형 복합공작기계의 위치제어가 수행될 때, 보정계산유니트(16)는 Y,Z축 좌표입력유니트(14)에서 램(23)으로부터 판독된 주샤프트(51)의 Z축방향위치(Pz)를 근간으로, 예컨대 도 5에 도시된 바와 같이 표 1에 도시된 보정데이타를 선형보간하여, Z축방향위치(Pz)에서 보정값(△Y)을 계산하게 된다. 여기서, 주샤프트(51)의 Z축방향위치(Pz)는 Pz[i]와 Pz[i+1] 사이에 위치된다.
△Y=△Y[i]+(△Y[i+1]-△Y[I])×(Pz-Pz[i])/(Pz[i+1]-Pz[i]) --- (1)
△Y는 식(1)로 계산되며, 그 값은 상기 보정계산유니트(16)로부터 보정조절유니트(18)로 출력된다.
이 보정조절유니트(18)는 먼저 Y,Z축 좌표입력유니트(14)에서 판독된 주샤프트(51)의 Y축방향위치(Py)를 근간으로, 예컨대 도 6에 도시된 바와 같이 표 2에 도시된 계수데이타를 선형보간하여 Y축방향위치(Py)에서 계수(M)를 계산한다. 여기서, 주샤프트(51)의 Y축방향위치(Py)는 Py[i]와 Py[i+1] 사이에 위치된다.
M=M[n]+(M[n+1]-M[n])×(Py-Py[n])/(Py[n+1]-Py[n]) --- (2)
보정조절유니트(18)에서, 위치(Py)에서의 계수(M)는 식(2)에 의해 계산되고, 이 계수(M)는 식(1)에 의해 계산된 보정값(△Y)과 곱해져서, 조정된 보정값(△Y')을 계산하게 된다.
이 조종되어진 보정값(△Y')은 Y축위치명령유니트(2)로부터 신호가산기유니트(19)에서 Y축방향 위치명령(rz)에 가산되어 Y축서보제어유니트(4)에 공급된다. 결과적으로, Y축서보모터(57)의 회전위치가 보정되고, Y축방향(수직방향)으로의 주샤프트(51)의 위치편차가 정밀하게 보정된다. 따라서, 주샤프트(51)의 정면선단에 부착된 공구의 3차원 위치가 주샤프트(51)의 비틀림을 보정하는 정밀한 위치가 되고, X축테이블(56)상에 위치된 작업소재의 처리가 정밀하게 수행된다.
도 5와 도 6은 선형보간법의 예들이지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아닌 바, 상기 보간법은 지수함수나, 대수함수, 스프라인 함수 등을 사용하는 다른 보간방법으로 수행되어질 수도 있다.
전술된 바와 같이 본 실시예의 위치제어장치에 따르면, 목표위치로부터 주샤프트(51)의 위치편차가 Z축방향에서 주샤프트(51)의 위치를 따라 보정됨은 물론 Y축방향의 위치를 따라서도 보정되므로, 종래의 보정장치보다 고정밀도로 위치편차를 보정할 수 있게 된다.
또한, 본 실시예에 따른 위치제어장치에서는 Z축방향과 Y축방향으로 주샤프트(51)의 다수의 위치에서 위치편차 보정데이타와 조정계수가 미리 측정되고, 실제 위치제어에서 상기 보정데이타와 조정계수가 보간되어 최종 위치보정값(△Y')을 계산하므로, 램(23)이 적은 저장용량으로도 충분하다는 점에서도 바람직하다.
또, 본 실시예에 따른 위치제어장치에서는 표 1과 표 2에 도시된 보정데이타와 조정계수의 변경이 단지 램(23)의 내용을 변화시키는 것이기 때문에, 용이하게 변경가능하며 위치편차의 보정의 조정도 용이하게 된다. 특히, 위치편차를 측정하고 이를 위치제어장치의 실제 위치에서 램(23)내에 저장할 수 있게 되어, 결과적으로 제어장치의 매위치마다 위치편차의 정밀한 보정이 가능하게 된다.
한편, 본 실시예에서는 본 발명이 수평형 복합공작기계의 정확성이 보정되어지는 경우에 적용되었으나, 제어될 제어점의 위치 및 목표위치 사이의 위치편차와 제어된 대상의 제어점의 위치가 기계적으로 연관된 제어축들 사이의 상대위치관계의 변화로 변경되어지는 예컨대 산업로봇과 같은 제어될 대상에도 활용가능하다.
전술된 바와 같이 본 발명에 따른 위치제어장치에 의해, 수직방향으로 목표위치로부터의 위치편차가 이동가능한 제 2부재의 수평방향위치에 따라 보정될 수 있다는 점에 부가하여, 위치보정이 이동가능한 제 1부재의 수직방향위치에 따라 조절가능하게 되므로, 종래의 보정장치와 비교하여 고정밀도로 위치편차를 보정할 수 있게 된다.
결과적으로, 본 발명에 따른 위치제어장치가 활용되는 기계공구의 처리정밀도를 향상시킬 수 있게 된다.
이제까지 본 발명을 선택된 특정한 실시예를 참조로 기술하였지만, 당해분야의 전문가에 의해 다양한 변형이 본 발명의 범주내에서 가능하다.
본 발명에 따르면 고정밀도로 위치제어를 수행하는 위치제어장치를 제공하여, 이 위치제어장치가 활용되는 기계공구의 처리정밀도를 향상시킬 수 있는 효과가 있게 된다.

Claims (7)

  1. 상승수단에 의해 수직방향으로 상승가능한 제 1부재와, 이 제 1부재의 상승에 따라 수직방향으로 이동가능하면서 수평이동수단에 의해 제 1부재에 대한 수평방향으로 이동가능한 제 2부재를 구비한 기계의 제 2부재를 정위시키고서,
    상기 제 1부재의 위치를 감지하는 제 1위치감지수단과;
    제 1위치제어수단으로부터 입력으로 제 1위치데이타를 받아들이고, 상기 상승수단을 제어하며, 제 1목표위치까지 제 1부재를 정위시키는 제 1제어수단;
    상기 제 2부재의 위치를 감지하는 제 2위치감지수단;
    제 2위치제어수단으로부터 입력으로 제 2위치데이타를 받아들이고, 상기 수평이동수단을 제어하며, 제 2목표위치까지 제 2부재를 정위시키는 제 2제어수단 및;
    상기 제 1부재의 위치와 상기 제 2부재의 위치를 근간으로 제 2부재의 정면선단의 위치보정값을 계산함으로써 위치보정값에 의해 제 1제어수단의 상기 제 1목표위치를 보정하는 위치보정수단;을 구비하는 위치제어장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 위치보정수단의 위치보정은 미리 위치편차를 측정하고 이를 근거로 위치보정을 보간함으로써 계산되는 것을 특징으로 하는 위치제어장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 위치보정수단이 제 1부재의 목표위치신호와 제 2부재의 목표위치신호를 사용하여 위치보정값을 계산하게 되는 것을 특징으로 하는 위치제어장치.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 위치보정수단이 제 1위치감지신호와 제 2위치감지신호를 사용하여 위치보정값을 계산하게 되는 것을 특징으로 하는 위치제어장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제 1부재와 제 2부재가 스크류부안으로 나사조절되는 스크류샤프트에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 위치제어장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 수직이동수단이 서보모터에 의해 구동되고, 수평방향 구동수단은 서보모터에 의해 구동되어지는 것을 특징으로 하는 위치제어장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제 1제어수단과 제 2제어수단 및 위치보정수단이 컴퓨터로 구성된 것을 특징으로 하는 위치제어장치.
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