KR100506793B1 - 초정밀 가공을 위한 진직도 측정시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초정밀 가공을 위한 진직도 측정시스템에 관한 것으로, 고정밀의 레이저 변위센서를 이용하여 실시간으로 진직도를 계측하는 한편, 이에 대한 오차를 실시간으로 보상하여 폐루프(closed loop) 제어가 가능하게 함으로써 외란이나 가공오차를 줄여 가공 정밀도를 확보할 수 있도록 함에 그 목적이 있다. 이를 위해 구성되는 본 발명은 스핀들의 일측에 일체로 부착 설치되어 발광후 수광된 레이저 광량의 많고 적음을 통해 변위를 계측하는 레이저 변위센서; 레이저 변위센서와 대향되는 스핀들의 후방측에 설치되어 레이저 변위센서로부터 발광된 레이저를 반사하는 스트레이트 에지(Straight Edge-Long Mirror); 레이저 변위센서로부터 계측된 변위를 진직도 오차 데이터 신호로 검출하는 신호 검출부; 신호 검출부에 의해 검출된 진직도 오차 데이터를 입력받아 제어입력을 계산하는 제어부; 및 제어부에 의해 계산된 제어입력 신호를 통해 구동되어 미세이송 공구대를 이송시키는 구동부를 포함하여 이루어진다.

Description

초정밀 가공을 위한 진직도 측정시스템{Straightness measurement system}

본 발명은 선삭가공의 정밀도를 높이기 위한 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고정밀 레이저 변위센서를 이용하여 초정밀 선삭 가공시 발생하는 진직도 오차를 실시간으로 측정함으로써 이에 대한 오차 데이터를 미세이동 공구대에 제공하여 진직도 오차를 보상할 수 있도록 한 초정밀 가공을 위한 진직도 측정시스템법에 관한 것이다.

일반적으로 소품종 대량 가공시스템의 경우에는 가공된 부품의 형상이나 치수를 측정하거나 검사하기 위한 별도의 공정과 장비를 두는 것이 유리하다. 반면, 다품종 소량 가공시스템에서 생산되는 부품의 경우에는 이와 같은 방식은 비효율적일 수가 있다.

따라서, 다품종 소량 가공시스템에서는 3차원 측정기(Coordinate Measuring Machine; CMM)를 설치하여 운용하고 있으나 투자비가 많이 들고 운용상 특별한 관리가 필요하며, 가공기와 측정기가 서로 다른 환경에서 운용되기 때문에 이를 고려하기 위한 열평형 시간 등이 필요해 비경제적 요인이 되고 있다.

특히, 3차원 측정기의 한정된 크기 때문에 대형 가공물이라든지 제조공정 특성상 가공물의 분리가 어려운 경우에는 마땅한 측정 방법이 없는 실정이다. 다음은 일반적인 선삭가공장치를 보인 것이다.

도 1 은 일반적인 선삭가공장치를 개략적으로 보인 구성도이다.

도 1 에 도시된 바와 같이 공작물(20)을 지지하여 회전하는 스핀들(12), 스핀들(12)이 회전하는 가운데 공작물(20)을 선삭 가공하는 선삭 가공기(14), 선삭 가공기(14)를 지지하여 공작물(20)로부터 선삭 가공기(14)를 원근 방향으로 미세이송시키는 미세이송 공구대(16)로 이루어진 일반적인 선삭가공장치는 회전하는 스핀들(12)에 부착되어 있는 공작물(20)을 선삭 가공기(14)를 통해 가공을 할 경우 대칭적인 형상의 제품을 만들게 된다. 이때. 선삭 가공기(14)는 미세이송 공구대(16)의 운동방향으로만 작동되고, 공작물(20)을 지지하고 있는 스핀들(12)은 X축 방향으로 동작(80)을 하게 되는데, X축 방향의 동작선(30)을 진직도라 한다.

한편, 전술한 바와 같은 일반적인 선삭가공장치는 미세이동 공구대(16)에 가공기(14)가 장착되어 제어 개념상 오픈루프(open loop)제어를 수행하도록 되어 있다. 다시 말해서 작동자는 원하는 형상을 미세이동 공구대(16) 및 스핀들(12)에 프로그램으로 입력시키면 그에 따라 미세이동 공구대(16)와 스핀들(12)이 동작을 하는데, 외부에서 외란이 발생하거나 가공오차가 생겨도 그 오차를 줄이는 제어동작을 할 수 없다.

이를 좀더 자세히 설명한 도면이 도 3 과 도 4a 인데, 공작물을 가공하는 상태에서 스핀들의 움직임을 자세히 살펴보면 도 3 의 a,b,c,d,e 의 위치에서의 진직도 오차는 도 4a 와 같이 나타난다. 이처럼 스핀들의 진직도 오차가 생긴다면 원하는 형상을 가공할 수가 없게 된다.

따라서, 공작물을 가공을 했을 때 공작물의 전체적인 형상이 움푹 파인 형태이거나 그와 비슷한 형상을 초래하게 된다. 만약, 공작물의 구경이 작을 경우에는 그 오차가 크게 나타나지 않을 수 있지만, 근래에 와서는 고기능의 우주항공용 관측시스템에 대한 요구와 더불어 반사경의 대구경화가 필요하므로 진직도를 측정하는 장치 및 그 진직도에 대한 오차를 보상하는 방법 등이 필요하게 되었다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 고정밀의 레이저 변위센서를 이용하여 실시간으로 진직도를 계측하는 한편, 이에 대한 오차를 실시간으로 보상하여 폐루프(closed loop) 제어가 가능하게 함으로써 외란이나 가공오차를 줄여 가공 정밀도를 확보할 수 있도록 한 초정밀 가공을 위한 진직도 측정시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 분해능 10nm(나노미터)의 레이저 변위 센서를 사용하여 이송축과 평행하게 설치된 스트레이트 에지를 기준으로 실시간으로 측정하여 진직도를 보상할 수 있도록 함에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해 구성되는 본 발명은 다음과 같다. 즉, 본 발명에 따른 초정밀 가공을 위한 진직도 측정시스템은 공작물을 지지하여 회전하는 스핀들, 스핀들이 회전하는 가운데 공작물을 선삭 가공하는 선삭 가공기, 선삭 가공기를 지지하여 공작물로부터 선삭 가공기를 원근 방향으로 미세이송시키는 미세이송 공구대로 이루어진 선삭가공장치의 진직도 측정시스템에 있어서, 스핀들의 일측에 일체로 부착 설치되어 발광후 수광된 레이저 광량의 많고 적음을 통해 변위를 계측하는 레이저 변위센서; 레이저 변위센서와 대향되는 스핀들의 후방측에 설치되어 레이저 변위센서로부터 발광된 레이저를 반사하는 스트레이트 에지(Straight Edge-Long Mirror); 레이저 변위센서로부터 계측된 변위를 진직도 오차 데이터 신호로 검출하는 신호 검출부; 신호 검출부에 의해 검출된 진직도 오차 데이터를 입력받아 제어입력을 계산하는 제어부; 및 제어부에 의해 계산된 제어입력 신호를 통해 구동되어 미세이송 공구대를 이송시키는 구동부를 포함하여 이루어진다.

전술한 바와 같은 구성에서 레이저 변위센서는 10㎚ 이상의 정밀도로 이루어짐이 양호하다.

이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2 는 본 발명에 따른 초정밀 가공을 위한 진직도 측정장치를 포함한 시스템을 개략적으로 보인 구성도이다.

도 2 에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 초정밀 가공을 위한 진직도 측정시스템은 수광된 레이저 광량의 많고 적음을 통해 변위를 계측하는 레이저 변위센서(100), 레이저 변위센서(100)로부터 발광된 레이저를 반사하는 스트레이트 에지(110, Straight Edge-Long Mirror), 레이저 변위센서(100)에 의해 계측된 변위를 진직도 오차 데이터 신호로 검출하는 신호 검출부(120), 신호 검출부(120)의 진직도 오차 데이터를 입력받아 제어입력을 계산하는 제어부(130) 및 제어부(130)의 제어입력 신호를 통해 구동되어 미세이송 공구대(16)를 이송시키는 구동부(140)로 이루어진다.

전술한 바와 같은 진직도 측정시스템에서 레이저 변위센서(100)는 공작물(20)이 지지된 스핀들(12)의 후방 일측에 장착되고, 스트레이트 에지(110)는 레이저 변위센서(100)와 대향되는 스핀들(12)의 후방측에 설치된다. 이때, 레이저 변위센서(100)는 10㎚ 이상의 정밀도를 가지는 것을 사용하였으며, 이러한 레이저 변위센서(100)는 발광부에서 발광된 레이저를 수광부에서 받아들여 광량의 많고 적음을 통하여 변위를 계측하도록 되어 있다.

한편, 전술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 진직도 측정시스템은 레이저 변위센서(100)의 발광부로부터 대향면의 스트레이트 에지(110)에 레이저광을 발광한 후, 스트레이트 에지(110)에 의해 반사되어 레이저 변위센서(100)의 수광부로 수광된 레이저의 광량으로 변위를 계측하게 된다. 즉, 레이저 변위센서(100)의 수광부에 수신된 레이저 광량의 많고 적음을 통해 변위를 계측하게 된다.

전술한 바와 같이 수광된 레이저 광량의 많고 적음을 계측된 변위는 신호 검출부(120)에 전송되고, 신호 검출부(120)는 전송된 변위를 통해 진직도 오차 데이터를 검출하여 제어부(130)로 전송하게 되며, 제어부(130)는 전송된 진직도 오차 데이터를 통해 제어입력을 계산하여 구동부(140)를 제어하게 된다. 이때, 구동부(140)는 제어부(130)로부터 입력받은 제어입력 신호에 따라 제어거리만큼 미세이송 공구대(16)를 이송시키게 된다.

전술한 바와 같이 레이저 변위센서(100)를 통해 진직도 오차를 계측하여 이를 진직도 오차 데이터로써 검출한 후, 제어입력을 계산하여 구동부(140)를 통해 미세이송 공구대(16)에 제어거리를 입력시키게 되면, 실제로는 오차가 없는 공작물(20)의 가공이 이루어지게 된다.

본 발명에 따른 초정밀 가공을 위한 진직도 측정시스템의 구성을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 먼저, 레이저 변위센서(100)는 발광후 수광된 레이저 광량의 많고 적음을 통해 변위를 계측하는 것으로, 이 레이저 변위센서(100)는 스핀들(12)의 후방측에 일체로 부착 설치된다. 즉, 레이저 변위센서(100)는 공작물(20)이 지지되는 면과는 반대쪽인 스핀들(12)의 후방측에 설치된다.

전술한 바와 같이 설치되는 레이저 변위센서(100)는 발광부를 통해 발광되어 수광부를 통해 수광된 레이저 광량의 많고 적음을 통해 변위를 계측하게 된다. 이때, 레이저 변위센서(100)는 10 nm 이상의 것을 사용한다. 즉, 레이저 변위센서(100)는 직진도 오차를 보상하기 위하여 분해능 10 nm 이상의 것을 사용하여 이송축과 평행하게 설치된 스트레이트 에지(110)를 기준으로 실시간으로 그 변위를 계측하게 된다.

전술한 레이저 변위센서(100)로 본 발명에서는 KEYENCE사의 제품을 적용하였으며, 이 레이저 변위센서(100)는 발광부와 수광부가 포함된 레이저 헤드와 신호를 받아서 증폭하고 처리하는 컨트롤러로 구성되어 있다. 레이저 변위센서(100)에서 나오는 출력은 아날로그 값으로는 ±10V가 나오며, 디지털 값은 RS232C 인터페이스를 통해 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 진직도 측정시스템에서는 노이즈의 영향을 고려하여 시리얼 통신을 통해 디지털로 값을 전송 받아서 사용한다.

스트레이트 에지(110, Straight Edge-Long Mirror)는 레이저 변위센서(199)의 발광부로부터 발광된 레이저광을 반사하는 것으로, 이 스트레이트 에지(110)는 레이저 변위센서(100)와 대향되는 스핀들(12)의 후방측에 스핀들(12)의 이송축과 평행하게 설치된다.

신호 검출부(120)는 레이저 변위센서(100)로부터 계측된 변위를 진직도 오차 데이터 신호로 검출하는 것으로, 이 신호 검출부(120)는 레이저 변위센서(100)로부터 계측된 변위를 입력받아 이를 진직도 오차 데이터 신호로 검출하게 된다.

제어부(130)는 신호 검출부(120)에 의해 검출된 진직도 오차 데이터를 입력받아 제어입력을 계산하는 것으로, 이 제어부(130)는 신호 검출부(130)로부터 입력받은 진직도 오차 데이터를 통해 미세이송 공구대(16)를 이송시킬 거리 즉, 제어입력 신호를 계산하여 이를 토대로 구동부(140)를 제어하게 된다.

구동부(140)는 미세이송 공구대(16)를 이송시키기 위한 것으로, 이 구동부(140)는 제어부(130)에 의해 계산된 미세이송 공구대(16)를 이송시킬 거리 즉, 제어입력 신호를 통해 미세이송 공구대(16)를 공작물(20)로부터 원근으로 미세 이송시키게 된다.

본 발명에 따른 초정밀 가공을 위한 진직도 측정시스템의 작용 설명은 다음과 같다. 먼저, 도 2 에 도시된 바와 같이 본 발명의 진직도 측정시스템은 레이저 변위센서(100)의 발광부로부터 발광된 레이저광이 스트레이트 에지(110)에 반사되어 수광부에 수광되면 수광된 레이저 광량의 많고 적음을 통헤 변위를 계측하게 된다. 계측된 변위는 신호 검출부(120)에 의해 진직도 오차 데이터로써 검출되어 제어부(130)로 전송 입력되고, 제어부(130)는 입력된 진직도 오차 데이터를 통해 미세이송 공구대(16)를 이송시킬 거리를 계산하여 구동부(140)의 제어를 통해 미세이송 공구대(16)를 이송시키게 된다.

도 3 은 본 발명에 따른 초정밀 가공을 위한 진직도 측정시스템의 진직도 오차 보상방법을 설명하기 위한 구성도, 도 4a 는 실제 진직도 오차를 보인 그래프, 도 4b 는 진직도 오차에 따른 제어거리를 보인 그래프이다.

도 3 은 본 발명에 따른 적용시스템의 진직도 오차의 보상 방법을 설명하기 위한 도면으로, 실제로 공작물(20)을 가공 중인 상태에서 스핀들(12)의 진직도를 측정하기 위한 위치를 나타내고 있다. 스핀들(12)은 A지점으로부터 E지점까지 이송시킬 수 있다.

도 4a 는 실제 진직도 오차, 도 4b 는 제어거리를 나타낸 도면으로, 도 3 에서와 같이 스핀들(12)을 A지점으로부터 E지점까지 이송시키면 도 4a 와 같은 진직도 오차를 계측할 수 있다. 이러한 오차를 줄이기 위해 제어입력은 도 4b 와 같이 오차의 반대방향 거리를 이용하게 된다.

도 5 는 본 발명에 따른 진직도 오차보상을 위한 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 5 에서서와 같이 본 발명에 따른 진직도 오차 보상방법은 먼저, 도 2 에서와 같이 제어부(130)를 통해 공작물(20)을 가공하기 위해 미세이동 공구대(16)를 이송시켜 선삭 가공기(14)의 운동방향을 결정한다(S100).

전술한 바와 같이 미세이동 공구대(16)를 이송시켜 선삭 가공기(14)의 운동방향을 결정한 후에는 레이저 변위센서(100)를 작동시켜 스핀들(12)의 변위량을 계측한 후, 이에 따른 오차량을 제어부(130)에 입력시킨다.

전술한 바와 같이 입력된 오차량을 판단(S110)하여 설정치보다 오차가 영(0) 이하이면 미세이송 공구대(16)를 (+)방향으로 작동시켜 오차를 보상하고(S112), 오차가 영(0) 이상이면 미세이송 공구대(16)를 (-)방향으로 작동시켜 오차를 보상하게 된다(S114).

전술한 바와 같이 오차량의 판단(S110)을 통해 미세이송 공구대(16)를 이송시킨 후에는 공작물(20)의 가공 작업이 완료되었는지를 판단한다(S120).

한편, 전술한 바와 같은 오차 보상과정은 공작물(20)의 가공 작업이 완료되는 시점까지 오차의 발생시마다 반복적으로 이루어진다.

이상에서와 같이 본 발명에 따르면 레이저 변위센서를 이용하여 실시간으로 진직도를 계측하여 오차를 실시간으로 보상함으로써 공작물의 가공 정밀도를 향상시킬 수가 있다.

본 발명은 전술한 실시 예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 따르면 고정밀의 레이저 변위센서를 이용하여 실시간으로 진직도를 계측하는 한편, 이에 대한 오차를 실시간으로 보상하여 폐루프(closed loop) 제어가 가능하게 함으로써 외란이나 가공오차를 줄여 가공 정밀도를 확보할 수 있는 효과가 발휘된다.

또한, 본 발명은 분해능 10nm(나노미터)의 레이저 변위 센서를 사용하여 이송축과 평행하게 설치된 스트레이트 에지를 기준으로 실시간으로 측정하여 진직도를 보상함으로써 공작물의 가공 품질을 향상시킴은 물론, 공작물 가공의 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1 은 일반적인 선삭가공시스템을 개략적으로 보인 구성도.

도 2 는 본 발명에 따른 초정밀 가공을 위한 진직도 측정장치를 포함한 시스템을 개략적으로 보인 구성도.

도 3 은 본 발명에 따른 초정밀 가공을 위한 진직도 측정시스템의 진직도 오차 보상방법을 설명하기 위한 구성도.

도 4a 는 실제 진직도 오차를 보인 그래프.

도 4b 는 진직도 오차에 따른 제어거리를 보인 그래프.

도 5 는 본 발명에 따른 진직도 오차보상을 위한 제어방법을 설명하기 위한 흐름도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

12. 스핀들 14. 선삭 가공기

16. 미세이송 공구대 100. 레이저 변위센서

110. 스트레이트 에지 120. 신호 검출부

130. 제어부 140. 구동부

Claims (2)

1. 삭제
2. 공작물을 지지하여 회전하는 스핀들, 상기 스핀들이 회전하는 가운데 상기 공작물을 선삭 가공하는 선삭 가공기, 상기 선삭 가공기를 지지하여 상기 공작물로부터 상기 선삭 가공기를 원근 방향으로 미세이송시키는 미세이송 공구대로 이루어진 선삭가공장치의 진직도 측정시스템에 있어서,

   상기 스핀들의 일측에 일체로 부착 설치되어 발광후 수광된 레이저의 광량의 많고 적음을 통해 변위를 계측하는 레이저 변위센서;

   상기 레이저 변위센서와 대향되는 상기 스핀들의 후방측에 설치되어 상기 레이저 변위센서로부터 발광된 레이저를 반사하는 스트레이트 에지(Straight Edge-Long Mirror);

   상기 레이저 변위센서로부터 계측된 변위를 진직도 오차 데이터 신호로 검출하는 신호 검출부;

   상기 신호 검출부에 의해 검출된 진직도 오차 데이터를 입력받아 제어입력을 계산하는 제어부; 및

   상기 제어부에 의해 계산된 제어입력 신호를 통해 구동되어 상기 미세이송 공구대를 이송시키는 구동부를 포함하고,

   상기 레이저 변위센서는 10㎚ 이상의 정밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 초정밀 가공을 위한 진직도 측정시스템.