KR100438762B1

KR100438762B1 - 공작기계의변위보정장치

Info

Publication number: KR100438762B1
Application number: KR10-1998-0704540A
Authority: KR
Inventors: 도시히로 우에타; 가즈오 나가시마
Original assignee: 도시바 기카이 가부시키가이샤
Priority date: 1996-01-09
Filing date: 1997-01-08
Publication date: 2004-08-16
Also published as: US6341245B1; KR19990072181A; JP3911296B2; WO1997025183A1

Abstract

현시점을 기준으로 하여, 과거의 각 시간범위에 있어서의 주축회전수의 함수 값의 이력을 이력테이블(22D)에 기억시킴과 동시에 이 이력 데이터 테이블(22D)의 기억위치에 관련시켜 보정계수를 보정계수 테이블(22C)에 미리 기억시킨다. 보정계수 테이블(22C)로부터 각 기억위치와 보정계수를 읽어냄과 동시에 이력 데이터 테이블(22D)로부터 상기 기억장치에 대응하는 주축회전수의 함수값을 읽어내어, 각 기억장치에 있어서의 함수값과 보정계수와의 각 곱의 총합으로부터 보정값을 산출하여, 이 보정값으로 NC 지령위치를 보정한다.

Description

공작기계의 변위보정장치

종래, 공작기계의 주축의 회전에 따른 발열에 기인하여 발생하는 열변위를 보정하는 열변위 보정장치로서, 주축의 온도변화를 기초로 하여, 주축의 열변위를 보정하는 장치가 알려져 있다.

이것은 온도변화에 의하여 열변위가 가장 생기기 쉬운 부위와 온도변화가 비교적 적은 부위와의 온도차, 예를 들면 주축 근방과 베드와의 온도차와, 주축변위와의 상관관계를 미리 구해놓고, 이 상관 관계로부터 온도차에 대응하는 보정값을 산출하여, 이 보정값을 기초로 하여, 주축의 열변위를 보정하는 구성이다.

그러나, 종래의 열변위 보정에서는 주축이 랜덤(random)한 회전수로 구동되는 경우, 주축의 열변위량이 온도차로부터 보정계산에 의하여 구해진 보정값에 대하여 차이가 생기는 경우가 많다는 결점이 있었다.

이것은 예를 들면 주축을 40분씩 1000rpm, 3000rpm, 0(정지), 2000rpm, 3000rpm, 1000rpm으로 회전시킨 후, 120분간 정지시켰을 때의 주축의 변위를 실측하여, 이 실측값과 종래의 보정계산에 의한 보정값을 대비시킨 경우, 도 8에 도시한 바와 같이, 큰 어긋남이 생기고 있는 것으로부터도 알 수 있다.

그런데, 주축이 회전하면 주축은 원심력으로 팽창한다. 주축이 원심력으로 팽창하면, 보아슨 효과에 의하여 주축의 길이가 단축되기 때문에 그만큼 공구의 위치가 피가공물에 대하여 후퇴해버리는 결점이 있다.

상술한 종래의 열변위 보정에서는 보정값을 온도차로부터 구하고 있기 때문에 이와 같이 주축의 회전수의 변화에 따라 즉시적으로 발생하는 변위를 보정하는 것은 불가능하였다.

본 발명의 목적은 주축이 랜덤하게 회전되는 경우라도 주축의 회전에 따른 원심력이나 발열에 기인하여 발생하는 변위를 고정밀도로 보정할 수 있는 공작기계의 변위보정장치를 제공하는데 있다.

본 발명은 공작기계의 주축의 회전에 따른 원심력이나 발열에 기인하여 발생하는 변위를 보정하는 공작기계의 변위보정장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 관계되는 변위보정장치의 1실시형태를 도시한 가공시스템을 도시한 블록도.

도 2는 위와 같은 실시형태에 있어서의 NC 장치를 도시한 블록도.

도 3은 위와 같은 실시형태에 있어서의 보정계수 테이블을 도시한 도면.

도 4는 위와 같은 실시형태에 있어서의 보정계수의 산출방법을 도시한 블록도.

도 5는 위와 같은 실시형태에 있어서의 이력 데이터 테이블을 도시한 도면.

도 6은 위와 같은 실시형태에 있어서의 이력 데이터 테이블의 갱신후의 상태를 도시한 도면.

도 7은 위와 같은 실시형태에 있어서, 주축의 회전수의 변화와, 보정계산에 의하여 구한 변위량(보정값) 및 변위 실측값과의 관계를 도시한 그래프.

도 8은 종래의 보정방법에 의한 보정값과 실측값과의 관계를 도시한 그래프.

본 발명의 공작기계의 변위보정장치는 공작기계의 주축의 회전에 따르는 원심력이나 발열에 기인하여 발생하는 변위를 보정하는 공작기계의 변위보정장치로서, 현시점을 기준으로 하여, 과거의 각 시간범위에 있어서의 주축회전수의 함수값의 이력을 기억한 이력 데이터 테이블과, 이 이력 데이터 테이블의 기억위치와 관련시켜 보정계수를 미리 기억한 보정계수 테이블과, 보정처리수단을 구비하고, 상기 보정처리수단은 상기 보정계수 테이블 중에서 각 기억위치와 그것에 대응하는 각 보정계수를 읽어냄과 동시에 상기 이력 데이터 테이블 중에서 각 기억위치에 있어서의 주축회전수의 함수값을 읽어내어, 각 기억위치에 있어서의 함수값과 이것에 대응하는 보정계수로부터 보정값을 산출하여, 이 보정값에 의거하여 상기 공작기계의 각 축의 지령위치를 보정하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 보정계수는 주축의 회전수를 랜덤하게 변화시켜 주축을 회전시켰을 때의 주축의 변위실측값 데이터와 주축의 회전시간 데이터 및 회전수 데이터를 수집 기억하여, 이들 데이터를 기초로 하여 회귀 계산처리를 하여 구한다. 즉, 보정 계수를 주축의 회전시간, 회전수, 경과시간을 고려한 계수로서 구한다.

또, 주축회전수의 함수값으로서는 주축회전수의 제곱에 비례하는 값, 또는 주축회전수의 제곱에 비례하는 값을 주체로 하여, 이것을 다른 수치로 보정한 값을 사용한다.

예를 들면, 1예로서 주축회전수의 제곱을 16384로 나누고, 이것으로부터 주축회전수의 0.1배를 뺀 값을 함수값으로서 사용한다. 이 경우, 함수식은 다음과 같이 표시된다.

또, 다른 예로서 주축회전수의 제곱을 16384로 나누고, 이것을 다시 회전수를 25000으로 나눈 값의 자연대수의 역수의 3배에 1을 더한 값으로 나눈 값을 함수 값으로서 사용한다. 이 경우, 함수식은 다음과 같이 표시된다.

일반적으로, 원심력은 주축회전수의 제곱에 비례하기 때문에 원심력에 비례하는 변위도 주축회전수의 제곱에 비례하게 된다. 또, 주축에 작용하는 힘과 마찰계수가 일정하면, 마찰토오크가 주축회전수에 비례한다. 마찰동력은 마찰토오크와 주축회전수의 곱이기 때문에 주축회전수의 제곱에 비례한다. 발열은 마찰에 의하여 소비한 에너지의 결과이기 때문에 마찬가지로 주축회전수의 제곱에 비례한다. 따라서, 주축회전수의 함수값으로서 주축회전수의 제곱에 비례하는 값을 사용하면 보정 정밀도를 높일 수 있다.

다만, 현실적으로는 주축회전수의 증가에 따라 작용력이 증가하는 경향이 있기 때문에 발열은 주축회전수의 제곱의 비례관계 이상으로 급각도(急角度)로 변화한다. 따라서, 주축회전수의 함수값으로서는 주축회전수의 제곱에 비례하는 값을 주체로 하여 다른 수치에 의하여 보정한 값을 사용하면 보정 정밀도를 더한층 높일 수 있다.

보정에 있어서는 보정계수 테이블 중에서 각 기억위치와 함께 보정계수를 읽어냄과 동시에 이력 데이터 테이블 중에서 각 기억위치에 있어서의 주축회전수의 함수값을 읽어내어 각 기억위치에 있어서의 함수값과 이것에 대응하는 보정계수로부터 보정값을 산출한다.

지금, 보정계수 테이블 중에서 읽어낸 각 기억 위치를 k₀₀, k₀₁, k₀₂, … km, 이것에 대응하는 각 보정계수를 b₀₀, b₀₁, b₀₂, … b_m로 한다. 또, 이력 데이터 테이블 중에서 읽어낸, 각 기억위치에 있어서의 주축회전수의 함수값을

으로부터 산출하여 이 변위량(δ)의 부호를 반전하여 보정값(ε)을 구한다.

구체적으로는 상기 식(3)에 있어서의 보정계수의 값은 미소한 값이 되므로, 보정계수의 4194304배의 값을 보정 데이터 테이블에 기억해 두고, 계산후에 4194304로 나누어 변위량(δ)을 구한다.

예를 들면, X, Y, Z의 3축에 대하여 보정하는 경우, 보정계수 테이블 중에서 읽어낸 각 기억위치를 k₀₀, k₀₁, k₀₂, … k_m, 이것에 대응하는 X축의 각 보정계수를 b_00X, b_01X, b_02X, … b_mx, Y축의 각 보정계수를 b_00y, b_01y, b_02y, … b_my, Z축의 각 보정계수를 b_00Z, b_01Z, b_02Z, … bm_Z로 한다. 또, 이력 데이터 테이블 중에서 읽어낸 각 기억위치에 있어서의 주축회전수의 함수값을 R(k₀₀), R(k₀₁), R(k₀₂) ‥‥ R(k_m)로 하였을 때, 각 축에 대한 변위량 δ_x, δ_y, δ_z는 다음 식으로부터 구할 수 있다.

보정값은 변위량과 절대 값이 똑같이 부호를 반전으로 한 것이기 때문에 각 축(X, Y, Z축)의 보정값을 ε_x, ε_y, ε_z로 하여, 다음 식으로부터 구한다.

따라서, 주축의 회전시간, 회전수, 경과시간을 고려한 보정계수와, 주축회전수의 함수값으로부터 보정값을 구하고, 이 보정값에 의거하여 공작기계의 지령위치를 보정하고 있기 때문에 주축이 랜덤하게 회전되는 경우라도, 주축의 회전에 따른 원심력이나 발열에 기인하여 발생하는 변위를 고정밀도로 보정할 수 있다.

즉, 종래의 보정방법에서는 그 시점에서의 온도차에 의하여 보정값을 산출하고 있기 때문에 주축이 랜덤하게 회전되는 경우, 주축의 열변위에 대하여 보정값이 커지기도 작아지기도 할 뿐만 아니라, 주축의 회전수의 변화에 따라 발생하는 변위도 보정불가능하나, 본 발명의 장치에서는 주축이 랜덤하게 회전되는 경우라도 주축의 변위와 보정값과의 오차가 적고, 또한 원심력에 기인하여 발생하는 변위도 보정할 수 있으므로, 고정밀한 보정을 달성할 수 있다.

이상에 있어서, 이력 데이터 테이블에 기억되는 함수값의 이력은 주축회전중에는 상대적으로 짧은 시간간격으로 기억되고, 주축회전 정지중에는 상대적으로 긴 시간간격으로 기억되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, 주축회전 중에는 20초∼1분 간격으로 함수값을 기억하고, 주축회전 정지 중에는 1분∼3분 간격으로 함수값을 기억하는 것이 바람직하다.

이와 같이 하면, 1개의 테이블로 주축회전중에도 주축회전 정지중에도 정확히 변위의 보정을 실현할 수 있다. 덧붙여 말하면, 주축회전중의 변위특성과 주축 회전 정지중의 변위특성이 다르다. 이것을 같은 시간간격으로 함수값을 갱신·기억하도록 하면, 오차가 생기기 쉬운 결점이 생각될 수 있으나, 본 발명과 같이 하면, 1개의 테이블로 주축회전 중에도 주축회전 정지 중에도 정확히 변위의 보정을 실현할 수 있다.

또, 이력 데이터 테이블의 기억위치는 현재까지의 경과시간과는 반대의 순서로 배열되어 있는 것이 바람직하다.

현재 이용할 수 있는 계산기용 집적회로소자(이하, MPU라고 약칭한다)의 대부분은 메모리의 기억내용의 일괄전송기능을 구비하고 있다. 개개의 수치를 이동원(移動元)으로부터 읽어내어서는 이동선(移動先)으로 입력하는 처리를 프로그램으로 기술하기보다도 MPU에 구비되어 있는 일괄전송기능을 이용하면, 단시간에 처리가 완료된다. 그러나, 이 기능은 저위(低位)의 번지로부터 고위(高位)의 번지를 향하여 차례로 처리가 수행되므로, 전송원의 범위와 전송선의 범위가 겹쳐져 있는 경우에 전송선이 전송원보다도 고위에 있으면, 겹쳐진 범위가 바르게 처리되지 않는다. 본 발명은 이력 데이터 테이블의 기억위치가 현재까지의 경과시간과는 반대의 순서로 배열되어 있기 때문에 상기 문제를 회피할 수 있다.

또, 이력 데이터 테이블에는 데이터 갱신시에 과거에 시간범위에 있어서의 특정의 복수의 기억위치의 함수값의 유동 평균값을 기억하고, 상기 보정계수 테이블에는 상기 시간범위에 대응하여 1개의 보정계수를 기억하도록 하여도 좋다.

이와 같이 하면, 보정계수 테이블의 사이즈(행수)를 절감할 수 있음과 동시에 보정계산의 연산처리를 고속화할 수 있다.

또, 이력 데이터 테이블에 기억하는 값은 주축회전수의 함수값 대신에 주축 회전수를 직접 사용하여도 좋다.

이 경우, 보정처리 수단은 보정계수 테이블 중에서 이력 데이터 테이블의 기억위치와, 이것에 대응하는 보정계수를 읽어냄과 동시에 이력 데이터 테이블 중에서 그 기억위치에 있어서의 주축회전수를 읽어내어, 이 각 기억위치에 있어서의 주축회전수로부터 필요에 따라 함수값을 구하여, 이것에 대응하는 보정계수로부터 보정값을 산출하여, 이 보정값에 의거하여 상기 공작기계의 각 축의 지령위치를 보정한다.

이하, 본 발명의 1실시형태를 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 변위보정장치를 적용한 가공시스템을 도시하고 있다. 동가공시스템은 공작기계인 보오링 선반(1)과, 이 보오링 선반(1)의 구동을 제어함과 동시에 보정연산을 실행하는 NC 장치(2)로 구성되어 있다.

상기 보오링 선반(1)은 베드(11)와 이 베드(11)위에 설치되어 X축 방향(도 1의 종이면과 직교하는 방향)으로 이동 가능한 테이블(12)과, 상기 베드(11)위에 세워 설치하여 고정된 칼럼(13)과, 이 칼럼(13)에 Y축 방향(도 1의 상하방향)으로 승강가능하게 설치된 주축헤드(14)와, 이 주축헤드(14)에 Z축 방향(도 1의 좌우방향)으로 진퇴 가능하게 설치된 램(15)과, 이 램(15) 내에 회전 가능하게 수납된 주축(16)으로 구성되어 있다. 그리고, (17)은 상기 주축(16)을 회전 구동시키는 모우터이다.

상기 NC 장치(2)는 도 2에 도시한 바와 같이 CPU(21)와, 각종의 처리프로그램이나 각종 데이터를 기억하는 메모리(22)와, 키이보드(23)와, 디스플레이(24)와, 프린터(25)와, I/O(26, 27, 28, 29)를 구비하고 있다. 각 I/O(26, 27, 28)에는 상기 보오링 선반(1)의 X, Y, Z축 구동계(18X, 18Y, 18Z)가, 상기 I/O(29)에는 상기 모우터(17)가 각각 접속되어 있다. CPU(21)는 상기 메모리(22)에 기억된 각종 프로그램에 따라 상기 X, Y, Z축 구동계(18X, 18Y, 18Z)의 구동을 제어함과 동시에 보정처리를 실행한다. 여기에 CPU(21)는 보정처리수단을 겸하고 있다.

상기 메모리(22)에는 각종의 처리프로그램을 기억하는 기억 에어리어(도시생략)외에 각 축(X, Y, Z)의 좌표값을 기억하는 좌표값 테이블(22A)과, 각 축(X, Y, Z)의 보정값(ε_x, ε_y, ε_z)을 기억하는 보정값 테이블(22B), 현시점을 기준으로하여, 과거의 각 시간범위에 있어서의 공작기계의 주축회전수의 함수값의 이력을 기억한 이력 데이터 테이블(22D)과, 이 이력 데이터 테이블(22D)의 기억위치 번호에 관련시켜서 각 축(X, Y, Z)의 보정계수를 미리 기억한 보정계수 테이블(22C)이 각각 설치되어 있다.

상기 이력 데이터 테이블(22D)에의 함수값의 등록과 이력의 갱신주기는 20초∼3분의 간격마다 행한다. 구체적으로는 주축회전중에는 20초∼1분마다, 주축회전 정지중에는 1분∼3분마다 행한다. 이것에 의하여 이력 데이터 테이블(22D)에 기억되는 함수값의 이력은 주축회전중에는 상대적으로 짧은 시간간격으로 기억되고, 주축회전 정지중에는 상대적으로 긴 시간간격으로 기억된다.

여기서, 도 5 및 도 6은 이력 데이터 테이블(22D)을 도시하고 있다. 여기서는 설명의 편의상 도 5 및 도 6의 경과시간의 난에는 가령 전범위(全範圍) 1분마다 등록, 갱신한 경우의 경과시간을 기재하였으나, 실제로는 주축의 회전정지에 따라 경과시간은 변동하기 때문에 반드시 이와 같은 경과시간이 된다고는 할 수 없다. 그래서, 이 불규칙하게 변화하는 이력 데이터 테이블(22D)상의 경과시간을 X1, X2, X3, … X512라고 정의한다.

상기 보정계수 테이블(22C)에는 도 3에 도시한 바와 같이, 이력 데이터 테이블(22D)의 기억위치 번호 k₅₁₂∼k₀₀(이하, 512∼0이라고 기술하는 경우가 있다)와 관련하여 현시점부터 X4 전까지는 갱신주기마다의 각 시간범위에 있어서의 각 축의 보정계수(b_00x, b_00y, b_00z)(b_01x, b_01y, b_01Z) … (b_04x, b_04y, b_04z)가 기억되어 있다.

X4를 넘어 X12 전까지는 X2마다의 각 시간범위에 있어서의 각 축의 보정계수(b_05x, b_05y, b_05z)(b_06x, b_06y, b_06z) … (b_08x, b_08y, b_08z)가 기억되어 있다.

X12를 넘어 X24 전까지는 X4마다의 각 시간범위에 있어서의 각 축의 보정계수(b_09x, b_09y, b_09z)(b_10x, b_10y, b_10z)(b_11x, b_11y, b_11z)가 기억되어 있다.

X24를 넘어 X64 전까지는 X8마다의 각 시간범위에 있어서의 각 축의 보정계수(b_12x, b_12y, b_12z)(b_13x, b_13y, b_13z) … (b_16x, b_16y, b_16z)가 기억되어 있다.

X64를 넘어 X128 전까지는 X16마다의 각 시간범위에 있어서의 각 축의 보정계수(b_17x, b_17y, b_17z)(b_18x, b_18y, b_18z) … (b_20x, b_20y, b_20z)가 기억되어 있다.

X128을 넘어 X512 전까지는 X32마다의 각 시간범위에 있어서의 각 축의 보정계수(b_21x, b_21y, b_21z)(b_22x, b_22y, b_22z) … (b_32x, b_32y, b_32z)가 기억되어 있다.

여기서, 보정계수 테이블(22C)에 기억하는 보정계수의 구하는 법을 설명한다.

먼저, 실험에 의하여 주축(16)의 선단부의 변위실측값과 주축(16)의 회전시간 및 회전수를 데이터로서 수집한다. 여기서, 주축(16)의 회전수에 대해서는 기계의 발열 및 방열의 관계를 명확히 하기 위하여 랜덤하게 변화시킨다(올리거나 내리거나 한다).

예를 들면, 주축(16)을 30분간 5000rpm, 1시간 10000rpm, 30분간 8000rpm, 1 시간 15000rpm, 30분간 5000rpm, 30분간 15000rpm으로 회전시킨 후 정지시킨다. 관측은 회전개시전부터 계속적으로 행하고, 정지후에도 변위가 거의 복원할 때까지 계속한다.

이때, 소정시간 간격마다(예를 들면, 30초간격마다), 주축(16)의 X, Y, Z 각축 방향의 변위를 실측하여, 이것을 주축회전수 및 시각과 함께 기록한다.

이어서, 이들 데이터에 의거하여 중회귀분석(重回歸分析)의 계산을 하여 각 보정계수를 정한다.

덧붙여 말하자면, 중회귀분석의 계산은 예를 들면 도 4에 도시한 순서로 행할 수 있다.

먼저, 주축회전수의 함수값을 독립변수로서 세트한다. 이 경우, 최근의 몇 회는 각 회마다의 변화가 크므로, 1회마다의 함수값을 독립변수로서 세트한다. 경과시간이 X5이상이 되면, 각 회마다의 변화가 약간 완만하게 되므로, X2간의 평균의 주축회전수의 함수값을 독립변수로서 세트한다. 또한, 경과시간이 X12를 넘으면, 각 회마다의 변화는 더욱 완만하게 되므로, X4간의 평균의 주축회전수의 함수 값을 독립변수로서 세트한다. 이와 같이 시간의 경과와 더불어 변위의 변화가 완만하게 되는 정도에 맞추어, 평균하는 시간범위를 차츰 확대한다. 마지막은 X481로부터 X512까지의 X32간의 평균값을 33번째의 독립변수로 한다.

이와 같이, 함수값을 평균화한 값을 독립변수로 하는 이유는 ① 독립변수의 개수를 절약하고, ② 독립변수 상호의 교락(交給)을 방지하는 것이다.

즉, 독립변수의 개수가 많으면, 그 개수의 원래의 연립방정식을 풀어야 한다. 현상의 이른바 배(倍)의 정밀도라는 부동소수(浮動小數)를 사용하는 계산환경에서는 독립변수의 개수가 70을 넘으면 급격히 계산곤란에 빠진다. 33개는 이 반정도이기 때문에 문제가 없다.

덧붙여 말하자면, 교락이란 독립변수 상호간의 상관이 독립변수와 종속변수와의 사이의 상관보다도 현저히 강해진 상태를 말한다. 교락이 있는 경우에는 데이터의 수치의 근소한 변동에 의하여 회귀계수가 대폭적으로 변동하고, 극단적인 경우에는 연립방정식의 풀이가 되지 않는 케이스가 발생한다.

이어서, 주축의 변위 실측값을 종속변수로서 세트한 후, 곱더하기 계산을 한다. 즉, 이들 독립변수와 종속변수의 각각에 대하여 합과 평균을 구하고, 그들 상호관계에 있어서 곱의 합을 계산한다. 이것을 데이터 수만큼 반복한다.

다음으로, 곱의 합의 데이터를 합의 데이터로 보정하여 곱더하기를 계산하여, 연립 1차방정식의 계수를 결정하고, 이어서 수렴값 판정값을 설정한 후, 가우스의 소출법에 의하여 연립 1차방정식을 풀어서 회귀(보정)계수를 구하여, 이 회귀(보정)계수를 인쇄한다. 이것을 독립변수의 수만큼 반복하여, 회귀(보정)계수를 인쇄한다.

상기 이력 데이터 테이블(22D)에는 도 5에 도시한 바와 같이, 기억위치번호 512∼0에 현시점을 기준으로 하여, 과거의 각 시간범위에 있어서의 주축회전수의 함수값의 이력이 기억되도록 되어 있다. 그리고, 주축회전수의 함수값의 산출은 상기 식(1)에 의거한다.

여기서, 이력 데이터 테이블(22D)을 차례로 갱신하면서 주축회전수의 함수값을 기억하고, 동시에 유동평균을 계산하는 방법에 대하여 설명한다. 그리고, 도 6은 갱신후의 이력 데이터 테이블(22D)의 상태를 도시하고 있다.

최초에 기계의 전원을 투입하였을 때에는 그 이전에는 주축이 회전하고 있지 않으므로, 모든 경과시간에 대한 함수값을 제로로 초기화한다. 이후, 1회마다 다음의 (1)(2)(3)의 계산을 하여, 이것을 반복한다. 그리고, 전원을 단절한 경우, 전원 단절중에는 이력 데이터 테이블(22D)의 갱신을 할 수 없으나, 전원이 다시 투입된 시점에서 전원 단절중에 상당하는 회수의 갱신을 실시한다. 다만, 전원 단절시간이 이력 데이터 테이블(22D)의 범위를 넘는 경우에는 최초의 전원투입시와 마찬가지로 모든 경과시간에 대한 함수값을 제로로 초기화한다.

(1) 합의 계산

① 기억위치번호 507의 함수값과, 기억위치번호 508의 함수값을 합계하여, 그 합을 메모리 A₂에 보존한다.

② 기억위치번호 497의 함수값과, 기억위치번호 499의 함수값을 합계하여, 그 합을 메모리 A₄에 보존한다.

③ 기억위치번호 481의 함수값과, 기억위치번호 485의 함수값을 합계하여, 그 합을 메모리 A₈에 보존한다.

④ 기억위치번호 433의 함수값과, 기억위치번호 441의 함수값을 합계하여, 그 합을 메모리 A₁₆에 보존한다.

⑤ 기억위치번호 353의 함수값과, 기억위치번호 369의 함수값을 합계하여,그 합을 메모리 A₃₂에 보존한다.

(2) 시프트

기억위치번호 1부터 512개의 함수값을 기억위치번호 0에 시프트한다.

(3) 평균의 계산

① 메모리 A₂의 값을 2로 나누고, 그 몫을 기억위치번호 506에 입력한다.

② 메모리 A₄의 값을 2로 나누고, 그 몫을 기억위치번호 496에 입력한다.

③ 메모리 A₈의 값을 2로 나누고, 그 몫을 기억위치번호 480에 입력한다.

④ 메모리 A₁₆의 값을 2로 나누고, 그 몫을 기억위치번호 432에 입력한다.

⑤ 메모리 A₃₂의 값을 2로 나누고, 그 몫을 기억위치번호 352에 입력한다.

그런데, 현재 이용할 수 있는 계산기용 집적회로소자(이하, MPU라고 약칭한다)의 대부분은 메모리의 기억내용의 일괄 전송기능을 구비하고 있다. 개개의 수치를 이동원으로부터 읽어내어 이동선에 입력하는 처리를 프로그램으로 기술하기보다도 MPU에 구비되어있는 일괄 전송기능을 이용하면 단시간에 처리가 완료된다. 그러나, 이 기능은 저위의 번지로부터 고위의 번지를 향하여 차례로 처리가 수행되므로, 전송원의 범위와 전송선의 범위가 겹쳐지고 있는 경우에 전송선이 전송원보다도 고위에 있으면 겹친 범위가 바르게 처리되지 않는다. 이 문제를 피하기 위하여 도 5 및 도 6에 있어서는 기억위치번호를 경과시간과는 반대의 순서로 배정하고 있다.

다음으로 본 실시형태의 작용을 설명한다.

보오링 선반(1) 및 NC 장치(2)의 전원이 온(ON)으로 되어 NC 장치(2)로부터의 지령에 의거하여 보오링 선반(1)이 운전되면, 각 축 구동계(18X, 18Y, 18Z)의 좌표값이 좌표값 테이블(22A)에 갱신 기억됨과 동시에 주축(16)의 회전수의 함수값이 이력 데이터 테이블(22D)에 기억된다.

이 사이, 일정시간 경과마다 보정처리가 실행된다. 여기에는 CPU(21)가 보정을 실행하는 시점을 기준으로 하여, 보정계수 테이블(22C)중에서 각 기억위치번호와 함께 보정계수를 읽어냄과 동시에 그 기억위치번호에 있어서의 각 주축회전수의 함수값을 이력 데이터 테이블(22D)중에서 읽어내어, 각 기억위치번호에 있어서의 주축회전수의 함수값과 이것에 대응하는 보정계수를 각각 곱셈하여, 이 각 곱의 총합을 기초로 하여 보정값을 산출한다.

지금, X, Y, Z의 3축에 대하여 보정하는 경우, 기억위치번호 512∼0으로 관련지어진 현시점 X0의 주축회전수의 함수값 및 이것에 대응하는 각 축의 보정계수를 R₅₁₂, b_00x, b_00y, b_00zX1 전의 시간범위의 주축회전수의 함수값 및 이것에 대응하는 각 축의 보정계수를 R₅₁₁, b_01x, b_01y, b_00z, X2 전의 시간범위의 주축회전수의 함수값 및 이것에 대응하는 각 축의 보정계수를 R₅₁₀, b_02x, b_02y, b_02z, … X5∼X6 전의 시간범위의 주축회전수의 함수값 및 이것에 대응하는 각 축의 보정계수를 R₅₀₆, b_05x, b_05y, b_05z, … X481∼X512 전의 시간범위의 주축회전수의 함수값 및 이것에 대응하는각 축의 보정계수를 R₀, b_32x, b_32y, b_32z로 하면, 각 축에 대한 변위량 δ_x, δ_y, δ_z를 상기 식(4)로부터 구한다.

즉, 변위량 δ_x, δ_y, δ_z를

로부터 구한다.

이어서, 이 변위량 δ_x, δ_y, δ_z를 상기 식(5)에 대입하여 보정값 ε_x(= -δ_x), ε_y(= -δ_y), ε_z(= -δ_z)를 구한다.

예를 들면, 현시점 X0의 주축회전수의 함수값 R₅₁₂가 5104, 이것에 대응하는 X축의 보정계수 b_00x가 -2687, Y축의 보정계수 b_00y가 -1080, Z축의 보정계수 b_00z가 7450,

또, X1 전의 주축회전수의 함수값 R₅₁₁이 5104, 이것에 대응하는 X축의 보정계수 b_01x가 2525, Y축의 보정계수 b_01y가 425, Z축의 보정계수 b_01z가 -6467,

또, X2 전의 주축회전수의 함수값 R₅₁₀이 5104, 이것에 대응하는 X축의 보정계수 b_02x가 1178, Y축의 보정계수 b_02y가 -206, Z축의 보정계수 b_02z가 -3456,

… X5∼X6 전의 주축회전수의 함수값 R₅₀₆이 3065, 이것에 대응하는 X축의 보정계수 b_05x가 223, Y축의 보정계수 b_05y가 2000, Z축의 보정계수 b_05z가 -3120,

… X481∼X512 전의 주축회전수의 함수값 R₀가 0, 이것에 대응하는 X축의 보정계수 b_32x가 10, Y축의 보정계수 b_32y가 100, Z축의 보정계수 b_32z가 -600이었다고 하면, 각 축의 변위량 δ_x, δ_y, δ_z는 다음과 같이 된다.

따라서, 보정값 ε x, ε y, ε z는 다음과 같이 된다.

그리고, 도 5에 도시한 경과시간에 해당하는 경과시간의 보정계수가 도 3중에 없는 경우에는 이것에 대응하는 계산은 행하지 않는다. 예를 들면, 도 5의 기억위치번호 499의 경과시간(X12∼X13)에 해당하는 경과시간은 도 3중에 없기 때문에 이것에 대응하는 계산은 행하지 않는다. 다만, 그 시점에서 사용되지 않는 수치도 X1마다 시프트되어 감으로써 몇회인가의 다음에 사용된다.

이와 같이 하여, 현시점을 기준으로 하여, 과거의 각 시간범위에 있어서의 주축회전수의 함수값 R₅₁₂, R₅₁₁, R₅₁₀, … R506, … R₀과, 이 시간범위에 대응하는 각 축의 보정계수

로부터 각 축의 변위량 δ_x, δ_y, δ_z를 산출한 후, 이 변위량 δ_x, δ_y, δ_z의 부호를 반전하여 각 축의 보정값 ε_x, ε_y, ε_z를 산출하여, 이 보정값 ε_x, ε_y, ε_z를 보정값 테이블(22B)에 갱신 기억시킨다.

그 결과, 그 이후에 지령된 NC 지령위치가 보정값 테이블(22B)의 보정값 ε_x, ε_y, ε_z만큼 가감되어 지령됨으로써 각 축의 변위량이 보정값 테이블(22B)에 기억된 보정값 ε_x, ε_y, ε_z에 의하여 보정된다.

본 실시형태에 의하면, 현시점을 기준으로 하여, 과거의 각 시간범위에 있어서의 주축회전수의 함수값의 이력을 이력 데이터 테이블(22D)에 기억시킴과 동시에 이 이력 데이터 테이블(22D)의 기억위치번호에 관련시켜 보정계수를 보정계수 테이블(22C)에 미리 기억시켜 두고, 보정에 있어서 보정계수 테이블(22C) 중에서 기억위치번호와 보정계수를 읽어냄과 동시에 이력 데이터 테이블(22D) 중에서 각 기억위치번호에 대응하는 주축회전수의 함수값을 읽어내어, 각 기억위치번호에 있어서의 주축회전수의 함수값과 이것에 대응하는 보정계수로부터 보정값을 산출한 후, 이 보정값에 의거하여 NC 지령위치를 보정하도록 하였으므로, 주축(16)이 랜덤하게 회전되는 경우라도, 주축(16)의 회전에 따르는 원심력이나 발열에 기인하여 발생하는 변위를 고정밀도로 보정할 수 있다.

예를 들면, 도 7(A)에 도시한 조건으로 주축(16)을 회전시켰을 때, X, Y, Z축의 변위실측값과, 본 실시형태의 보정계산에 의하여 구한 각 축의 변위량 δ_x(= -ε_X), δ_y(= -ε_y), δ_z(= -ε_z)는 도 7(B)(C)(D)과 같이 되었다. 동 도면으로부터 명백한 바와 같이, 각 변위량 δ_x(= -ε_X), δ_y(= -ε_y), δ_z(= -ε_z)가 변위 실측값에 대하여 오차가 매우 작고 근사하기 때문에 이 보정값에 의거하여 NC 지령위치를보정하면, 주축(16)이 랜덤하게 회전되는 경우라도 고정밀도의 보정을 달성할 수 있는 것을 알 수 있다.

또, 보정값 ε_x, ε_y, ε_z의 산출은 현시점을 기준으로 하여, 과거의 각 시간 범위의 있어서의 주축 회전수의 함수값을 R₅₁₂, R₅₁₁, R₅₁₀, … R₀, 보정계수를 b_00x, b_01x, b_02x, … b_32x, b_00y, b_01y, b_02y, … b_32y, b_00z, b_01z, b_02z, … b_32z로 하였을 때, 각 축에 대한 변위량 δ_x, δ_y, δ_z를

로부터 구한 후, 이 변위량 δ_x, δ_y, δ_z의 부호를 반전하여 보정값 ε_x, ε_y, ε_z를 구하도록 하였으므로, 매우 간단한 연산에 의하여 보정값 ε_x, ε_y, ε_z를 구할 수 있다.

또, 보정계수 테이블(22C)에는 예를 들면 X축에 관해서는 현시점을 기준으로하여, X4 전까지는 X1마다의 각 시간범위에 있어서의 보정계수 b_00x, b_01x, … b_04x를, X4를 넘어 X12 전까지는 X2마다의 시간범위에 있어서의 보정계수 b_05x, b_06x, … b_08x를, X12를 넘어 X24 전까지는 X4마다의 시간범위에 있어서의 보정계수 b_09x, b_10x, b_11x를, X24를 넘어 X64 전까지는 X8마다의 시간범위에 있어서의 보정계수 b_12x, b_13x,… b_16x를, X64를 넘어 X128 전까지는 X16마다의 시간범위에 있어서의 보정계수 b_17x, b_18x, … b_20x를, X128을 넘어 X512 전까지는 X32마다의 시간범위에 있어서의 보정계수 b_21x, b_22x, … b_32x를 각각 기억하도록 하였으므로, 즉, 현시점보다 과거가 될수록 보정계수의 시간범위를 크게 하였으므로, 적은 기억용량으로 장시간전의 보정계수를 기억시킬 수 있다.

또, 이력 데이터 테이블(22D)에 기억하는 주축회전수의 함수값으로서, 주축 회전수의 제곱에 비례하는 값, 또는 주축회전수의 제곱에 비례하는 값을 주체로 하여, 그것을 보정한 값을 사용하였으므로, 주축(16)의 회전에 따르는 원심력이나 발열에 기인하여 발생하는 변위를 고정밀도로 보정할 수 있다.

이상에 설명한 실시형태에서는, X4 전까지는 X1마다의 보정계수를 X4를, 넘어 X12 전까지는 X2마다의 보정계수를, X12를 넘어 X24 전까지는 X4마다의 보정계수를, X24를 넘어 X64 전까지는 X8마다의 보정계수를, X64를 넘어 X128 전까지는 X16마다의 보정계수를, X128을 넘어 X512 전까지는 X32마다의 보정계수를 각각 기억시켰으나, 이들에 한정할 필요는 없고, 임의의 시간간격에 대응하는 보정계수를 기억시켜도 좋다.

예를 들면, 0분부터 512분 전까지 1분마다의 보정계수를 기억시키는 방법을 채용하면, 상기 실시형태와 비교하여 보정계수 테이블(22C)은 15배 이상의 기억용량이 필요하고, 또한 변위량 및 보정값을 계산할 때의 곱셈·덧셈회로도 15배 이상이 되나, 전술한 (1)의 합의 계산 및 (3)의 평균의 계산이 불필요하게 되어, 보정을 위한 프로그램이 간단하게 되는 이점이 있다.

또, 상기 실시형태에서는 주축회전수의 함수값을 사용하여 보정값을 산출하도록 하였으나, 주축회전수를 직접 사용하여 보정값을 산출하도록 하여도, 종래의 열변위보정에 비하여 보정정밀도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 공작기계의 열변위보정장치에 의하면, 주축이 랜덤하게 회전되는 경우라도, 주축의 회전에 따르는 원심력이나 발열에 기인하여 발생하는 변위를 고정밀도로 보정할 수 있다.

본 발명에서는 주축의 회전에 의하여 가공하는 공작기계, 예를 들면 보오링 선반이나 프라이스 선반등에 있어서, 주축의 회전에 따라 발생하는 변위를 보정하기에 적합하다.

Claims

공작기계의 주축의 회전에 따르는 원심력이나 발열에 기인하여 발생하는 변위를 보정하는 공작기계의 변위보정장치로서,

현시점을 기준으로 하여, 과거의 각 시간범위에 있어서의 주축회전수의 함수 값의 이력을 기억한 이력 데이터 테이블과,

상기 이력 데이터 테이블의 기억위치에 관련시켜 보정계수를 미리 기억한 보정계수 테이블과,

보정처리수단을 구비하고,

상기 보정처리수단은 상기 보정계수 테이블 중에서 각 기억위치와 그것에 대응하는 각 보정계수를 읽어냄과 동시에 상기 이력 데이터 테이블 중에서 각 기억위치에 있어서의 주축회전수의 함수값을 읽어내어, 각 기억위치에 있어서의 함수값과 이것에 대응하는 보정계수로부터 보정값을 산출하여, 이 보정값에 의거하여 상기 공작기계의 각 축의 지령위치를 보정하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 변위보정장치.
제1항에 있어서, 상기 보정처리수단은, 상기 보정계수 테이블 중에서 읽어낸 각 기억위치 k₀₀, k₀₁, k₀₂, … k_m에 대응하는 각 보정계수를 b₀₀, b₀₁, b₀₂, … bm, 상기 이력 데이터 테이블 중에서 읽어낸 각 기억위치에 있어서의 주축회전수의 함수값을 R(k₀₀), R(k₀₁), R(k₀₂,) … R(k_m)로 하였을 때, 변위량 δ 를

δ = R(k₀₀) x b₀₀+ R(k₀₁) x b₀₁+ R(k₀₂) x b₀₂… + R(k_m) x b_m으로부터 산출하여, 이 변위량(δ )의 부호를 반전하여 보정값(ε )을 구하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 변위보정장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 보정계수는 상기 주축의 회전수를 랜덤하게 변화시켜 주축을 회전시켰을 때의 주축의 변위실측값 데이터와 주축의 회전시간 데이터 및 회전수 테이터를 수집 기억하여, 이들 데이터를 기초로 회귀계산처리를 하여 구한 것을 특징으로 하는 공작기계의 변위보정장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 함수값으로서, 주축회전수의 제곱에 비례하는 값, 또는 주축회전수의 제곱에 비례하는 값을 주체로 하여, 다른 수치에 의하여 보정한 값을 사용하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 변위보정장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이력 데이터 테이블에 기억되는 함수값의 이력은 주축회전 중에는 상대적으로 짧은 시간간격으로 기억되고, 주축회전정지 중에는 상대적으로 긴 시간간격으로 기억되어 있는 것을 특징으로 하는 공작기계의 변위보정장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이력 데이터 테이블의 기억 위치를 현재까지의 경과시간과는 반대의 순서로 배열한 것을 특징으로 하는 공작기계의 변위보정장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이력 데이터 테이블에는 데이터 갱신시에 과거의 시간범위에 있어서의 특정의 복수의 기억장치의 함수값의 유동평균값이 기억되고, 상기 보정계수 테이블에는 상기 시간범위에 대응하여 1개의 보정계수가 기억되어 있는 것을 특징으로 하는 공작기계의 변위보정장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주축회전수의 함수값에 대신하여 주축회전수로 한 것을 특징으로 하는 공작기계의 변위보정장치.