KR100674683B1 - 고속주축의 동특성 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 고속주축의 동특성 측정시스템은, 주축공구단의 외경에 설치되어 외력에 대한 주축의 변위를 측정하도록 된 제1원통형 정전용량 변위센서와, 상기 주축공구단과 마주하는 공작기계의 테이블 상에 설치된 공구동력계와 결합되어 상기 주축에 대한 가진을 가하는 동시에 주축과 연결된 마스터 실린더의 변위를 측정하도록 된 제2원통형 정전용량 변위센서 내장형 비접촉식 마그네틱 가진기로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명은 비접촉식 마그네틱 가진기를 통해 주축이 고속 회전중이더라도 주축의 동특성에 전혀 영향을 미치지 않고, 실제 가공조건에서와 동일한 상태의 가진을 가할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 마그네틱 가진기의 착탈이 용이하기 때문에 주축을 분해하는 등의 번거로움 없이, 간편하게 설치할 수 있고 및 주축에 대한 정동 특성의 측정이 용이하게 이루어지는 효과가 있다.

Description

고속주축의 동특성 측정 시스템 {Dynamic Characteristics Identification System of High-Speed M/T Spindles}

도 1은 본 발명에 따른 고속주축의 동특성 측정시스템을 보인 개략도.

도 2는 본 발명에 따른 정전용량 변위 센서 내장형 비접촉식 마그네틱 가진기의 구조를 보인 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 정전용량 변위 센서 내장형 비접촉식 마그네틱 가진기의 구조를 보인 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10: 주축 공구단 20: 제1원통형 정전용량 변위센서

30: 공작기계 테이블 40: 공구 동력계

50: 마그네틱 가진기 60: 액츄에이터

61: 제1하우징 63: 전자석

70: 제2원통형 정전용량 변위센서 71: 제2하우징

73: 센서면 80: 마스터 실린더

본 발명은 고속 공작기계의 주축에 관한 것으로서, 특히 고속주축의 동특성 측정을 위한 동특성 측정시스템에 관한 것이다.

현재, 주축의 정동특성을 파악하기 위한 방법으로, 공작기계의 주축의 공구단에 별도의 베어링을 장착하고, 상기 베어링의 외륜을 접촉식 가진기를 이용하여 회전중인 주축을 가진, 주축의 동특성을 파악하고, 또한 파악된 동특성을 기반으로 주축에 내장된 3축 가속도계를 이용, 절삭 중인 주축의 가속도를 측정하여 절삭력을 예측하는 방법이 사용되었다.

그러나, 상기와 같은 측정방법은 주축의 가진 시, 베어링의 동특성이 주축의 동특성에 포함되어 나타날 수 있고, 회전하는 베어링의 외륜을 가진한다 하더라도 접촉식 가진기를 이용하기 때문에 주축과 베어링, 가진기의 정렬이 정밀하게 이루어지지 않으면 고속에서의 가진이 불가능하다는 문제점이 있다.

또한, 회전체의 축방향의 여러 지점에서 가진을 하고 또한 해당 위치에서 변위 또는 가속도를 측정하는 다중 입력-다중 출력(multi-input-multi-output ; MIMO) 회전체-베어링 시스템 식별 방법을 사용하기 위해서는, 주축 전체가 외부로 노출되어야 하는 문제가 있다.

따라서, 이러한 종래 기술에서의 측정방법은, 회전체의 설계 및 제작 단계에서만 수행할 수 있는 것으로서, 실제 구동 중에 있는 고가의 주축을 분해하기란 불가능한 문제가 있다.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 주축의 동특성을 파악하기 위해 주축의 가진 중 주축의 동특성에 영향을 미치지 않고 고속의 회전 중에도 가진을 가할 수 있도록 하는 비접촉 방식의 마그네틱 가진기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고속주축의 동특성 측정시스템은, 주축공구단의 외경에 설치되어 외력에 대한 주축의 변위를 측정하도록 된 제1원통형 정전용량 변위센서와, 상기 주축공구단과 마주하는 공작기계의 테이블 상에 설치된 공구동력계와 결합되어 상기 주축에 대한 가진을 가하는 동시에 주축과 연결된 마스터 실린더의 변위를 측정하도록 된 제2원통형 정전용량 변위센서 내장형 비접촉식 마그네틱 가진기로 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 비접촉 마그네틱 가진기는 가진력을 발생시키는 전자석으로 이루어진 고정자인 액츄에이터와, 상기 액츄에이터 중앙에 하단부가 삽입되고 상단부가 주축에 결합되어 가진력을 주축에 전달하는 회전자 역할을 하는 마스터 실린더와, 상기 마스터 실린더를 감싸도록 액츄에이터 상단에 결합되어 마스터 실린더와 이를 감싸는 센서면 사이에 형성되는 정전용량의 변화를 통해 주축의 동강성이 측정되도록 한 제2원통형 정전용량 변위센서로 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 액츄에이터는 중앙에 적정 직경의 내경을 갖는 제1하우징과, 상기 제1하우징 내경면에 설치되는 전자석으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 액츄에이터와 마스터 실린더의 반경방향 틈새는 약 0.15 mm로 형성하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제2원통형 정전용량 변위센서는 제1하우징 상면에 결합되고, 중앙에 적정 직경의 내경을 갖는 제2하우징과, 상기 제2하우징의 내경면에 마스터 실린더의 원주면을 감싸도록 설치되는 다수개의 센서면으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 센서면은 4조각 또는 8조각으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 첨부도면을 참조하여 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 고속주축의 동특성 측정시스템을 보인 개략도로서, 동 도면에서 보여지는 바와 같은 고속주축의 동특성 측정시스템은 주축공구단(10)의 외경에 부착되는 제1원통형 정전용량 변위센서(20)와, 상기 주축공구단과 마주보는 공작기계의 테이블(30)에 설치되는 공구동력계(40)와 결합되는 비접촉식 마그네틱 가진기(50)로 구성된다.

이때, 상기 제1원통형 정전용량 변위센서(20)는 주축의 변위를 측정하게 된다. 또한, 상기 비접촉식 마그네틱 가진기(50)는 임의의 가진력을 발생시켜 실제 가공조건에서와 유사한 환경의 특성이 파악될 수 있도록 하는데, 이때의 가진력은 공구동력계(40)에 의하여 간접적으로 측정된다.

상기 비접촉 마그네틱 가진기(50)의 자세한 구성에 대해 도 2내지 도 3을 통해 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명에 따른 정전용량 변위 센서 내장형 비접촉식 마그네틱 가진 기의 구조를 보인 사시도 이고, 도 3은 본 발명에 따른 정전용량 변위 센서 내장형 비접촉식 마그네틱 가진기의 구조를 보인 단면도이다.

동 도면에서 보여 지는 바와 같은 본 발명에 따른 비접촉식 마그네틱 가진기(50)는 가진력을 발생시키는 전자석(63)으로 이루어진 고정자인 액츄에이터(60)와, 상기 액츄에이터(60) 중앙에 하단부가 삽입되고 상단부가 주축에 결합되어 가진력을 주축에 전달하는 회전자 역할을 하는 마스터 실린더(80)와, 상기 마스터 실린더(80)를 감싸도록 액츄에이터(60) 상단에 결합되어 마스터 실린더(80)와 이를 감싸는 센서면 사이에 형성되는 정전용량의 변화를 통해 주축의 동강성이 측정되도록 한 제2원통형 정전용량 변위센서(70)로 구성된다.

상기 액츄에이터(60)는 마그네틱 베어링과 같은 원리로 제작되는데, 개략적 구성을 살펴보면, 중앙에 적정 직경의 내경을 갖는 제1하우징(61)과, 상기 제1하우징(61) 내경면에 설치되는 전자석(63)으로 구성된다.

상기 마스터 실린더(80)는 일단이 주축단에 장착되도록 구성되는데, 크게 두가지의 역할을 한다. 하나는 가진력이 전달되는 회전자(rotor)의 역할이며, 또 하나는 주축의 흔들림을 측정하기 위한 주축의 마스터 실린더의 역할을 한다.

이때, 상기 고정자인 액츄에이터(60)와 회전자인 마스터 실린더(80)의 반경방향 틈새는 약 0.15 mm로 형성하는 것이 바람직하다.
이는, 일반적으로 자기력에는 인력과 척력이 있으나, 액츄에이터(60)의 전자석(63)에서 발생하는 자기력은 인력에 한정되어 있어, 마스터 실린더(80)를 정현파 가진하기 위해서는 전자석(63)의 극을 양방향으로 배치하여야 한다. 또한 이러한 자기력은 마스터 실린더(80)와 전자석(63)의 극 사이의 반경 방향 틈새에 대해 비선형적인 특성을 지니고 있어, 액츄에이터(60)에 마스터 실린더(80)를 삽입할 때 동심 정렬이 이루어지지 않을 경우, 정현파의 가진이 이루어지지 않게 된다.
따라서, 액츄에이터(60)와 마스터 실린더(80)의 조립시 동심 정렬을 확보하기 위해 액츄에이터(60)에 내장된 제2원통형 정전용량 변위센서(70)의 신호를 측정하여 동심 정렬을 맞추는 방법을 사용하여야 한다.
이러한 방법을 사용하기 위해서는 제2원통형 정전용량 변위센서(70)와 전자석(63)의 극이 서로 동심정렬을 이루어 있어야 하며, 이를 위해 액츄에이터(60)의 기계 가공 시 제2원통형 정전용량 변위센서(70)와 전자석(63)의 내경을 같은 직경으로 동시 연마하여야 한다. 즉, 액츄에이터(60)와 마스터 실린더(80)와의 반경방향 틈새는 제2원통형 정전용량 변위센서(70)의 틈새 특성에 의해 결정되어야 하며, 통상 0.1 ∼ 0.2㎜ 의 틈새를 갖도록 설계된다.
틈새를 위와 같이 규정한 이유는, 제2원통형 정전용량 변위센서(70)의 특성상, 센서(70)의 출력 신호가 틈새가 감소하면 센서(70)의 민감도가 향상되지만, 비선형성이 증가하며 마스터 실린더(80)의 최대 변위가 제한된다. 반대로, 틈새가 증가하면 센서(70)의 선형성은 증가하지만, 센서(70)의 민감도가 감소하게 된다.
다시 말해서, 틈새가 0.1㎜ 이하인 경우에는 센서(70)의 비선형성이 증가하며 가진을 수행할 때 마스터 실린더(80)와 전자석(63)의 충돌이 발생하게 된다. 그리고, 틈새가 0.2㎜ 이상인 경우에는 센서(70)의 민감도가 감소하여 정밀 변위 측정이 불가능하게 됩니다.
결론적으로, 0.15㎜의 반경방향 틈새는 선형성과 민감도를 모두 확보할 수 있도록 최적화된 수치인 것이다.

상기 제2원통형 정전용량 변위센서(cylindrical capacitive sensor; CCS)(70)는 회전중인 주축의 동강성을 측정하기 위한 것으로서, 제1하우징(61) 상면에 결합되고, 중앙에 적정 직경의 내경을 갖는 제2하우징(71)과, 상기 제2하우징(71)의 내경면에 마스터 실린더(80)의 원주면을 감싸도록 설치되는 다수개의 센서면(73)으로 구성된다.

상기 센서면(73)은 4조각 또는 8조각으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 제2원통형 정전용량 변위센서(70)는 표면 형상오차의 영향이 적고, 대역폭이 약 10 kHz에 이르며, 약 50 nm 이상의 변위 분해능을 가지도록 제작된다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 비접촉식 마그네틱 가진기(50)는 주축이 고속 회전중이더라도 주축의 동특성에 전혀 영향을 미치지 않고, 실제 가공조건에서와 동일한 상태의 가진을 가할 수 있게 된다.

상기 비접촉식 마그네틱 가진기(50)는 고속 주축에 실제 가공이 이루어질 때와 유사한 수준의 가진이 이루어지기 위해서 다음 표 1에서와 같은 설계 사양을 갖도록 한다.

(표 1)

가진력의 최대 진폭(RMS)	300 N
가진력의 최대 가진 주파수	2 kH
가진 지점에서의 run-out	2 micron
가진 지점에서의 최대 처짐	20 micron

본 발명은 도 1에서 보여지는 바와 같이 주축에서의 변위는 공구단에 부착된 제1원통형 정전용량 변위센서(20)를 통하여 측정이 되고, 비접촉식 마그네틱 가진기(50)에 의해 가해지는 가진력은 공구동력계(40)에 의하여 간접적으로 측정된다.

이때, 주축시스템의 정확한 주파수 응답 함수를 산출해내기 위해서는 주축에 실제로 인가되는 가진력과 주축의 실제 변위를 측정하여야 한다.

그러나, 제1원통형 정전용량 변위센서(20)와 공구동력계(40)에 의해 측정되는 측정값들은 각 센서들의 동특성(dynamics)과 주축의 오차운동 및 원심력에 의하여 왜곡됨에 따라, 주축 시스템에 가해지는 정확한 가진력과 주축 변위를 구하기 위해서는 제1원통형 정전용량 변위센서(20)와 가진기-공구동력계 시스템에서의 동특성과 주축의 오차운동을 파악하여 각 측정 신호들을 보정하는 절차가 필요하다.

이러한, 측정 신호의 왜곡을 보상하기 위하여 다음과 같은 방법을 사용한다.

먼저, 주축이 공회전을 하고 있을 때의 변위 신호의 주파수 특성과 가진력에 의한 주축 변위의 주파수 특성이 상호 독립적이라고 가정한다.

이러한, 가정 하에 주축에 가해지는 가진력과 원심력, 그리고 여러 가지 원인에 의해 왜곡된 변위 신호를 아래 표 2와 같이 모델링할 수 있다.

(표 2)

상기 표 2에서

는 주축의 회전 중 원심력에 의한 변위, 주축단의 오차운동, CCS 특성에 의해 발생하는 주축 변위의 주파수 스펙트럼이다.

는

일 때, 다시 말하면 가진력이 가해지지 않고 주축이 공회전할 때의 주축 변위 신호를 측정하면 간단히 얻을 수 있다.

즉, 가진이 이루어지고 있는 상태에서 주축 변위의 스펙트럼에서 주축이 공회전할 때의 주축 변위 스펙트럼을 빼면, 순수하게 가진력에 의한 주축 변위의 주 파수 스펙트럼을 구할 수 있을 것이다.

하지만,

와

가 각각 일정한 진폭 스펙트럼을 갖는다 하더라도, 가진력에 의한 응답과 왜곡 변위 신호 각각의 위상의 차이에 따라 두 신호가 합성된 신호인

의 주파수 스펙트럼이 변화하게 된다.

따라서, 가진력에 의한 변위 응답 신호의 위상 스펙트럼과 원심력, 흔들림 등에 의한 변위 신호(공회전 신호)의 위상 스펙트럼 사이의 관계를 표 3을 참조하여 자세히 설명하도록 한다.

(표 3)

우선, 주축 변위 응답을 측정할 때, 가진력에 의한 변위만 측정하지 않고 표본 시간(sampling time) 또는 표본 개수를 연장하여 가진력이 사라지고 주축이 공 회전할 동안에도 연속해서 신호를 측정한다.

그 후 표본화된 전체 데이터 중 공회전 시의 주축 변위 데이터(데이터 창의 뒷부분)로부터 주축 회전 1주기 성분에 해당하는 데이터를 절삭한 후 그 신호를 시간 축에 대하여 전방(과거)으로 덧붙여 주기 연장을 수행한다.

측정된 전체 데이터에서 주기 연장한 공회전 신호를 뺀 후 순수하게 가진력에 의한 주축의 응답 신호를 구해낸 다음 주파수 스펙트럼을 구한다.

단, 측정 시간 중 주축의 회전수가 일정하고 시간에 따라 주축 회전 1주기 성분에 해당하는 파형이 동일하게 반복되어야 한다.

또한, 본 발명에서는 가진력이 가해질 때, 가진기-공구동력계 시스템의 동특성에 의해 왜곡된 가진력 측정값을 보상하기 위해 가진기가 부착된 공구동력계를 임펄스 해머를 이용해 가진을 하여 가진기-공구동력계의 동특성을 파악하도록 한다.

그런 다음, 파악된 동특성의 역함수를 구하고, 측정된 가진력으로부터 실제의 가진력을 구하기 위한 전달함수를 구하도록 한다.

하기 표 4는 공구동력계에서의 동특성을 그래프로 나타낸 것으로서, 임펄스해머로 가진을 하여 가진력과 공구동력계의 출력값을 측정하고 그로부터 공구동력계에서의 주파수 응답함수

을 구하여 주파수 영역에서 나타낸 것이다. 실험의 정확성을 평가하기 위하여 측정값으로부터 평균값과 표준편차를 구하였다.

(표 4)

상기 그래프를 통해 알 수 있듯이 저주파에서는 공구동력계 신호의 왜곡이 거의 없지만 약 850 Hz부근에서 1차 고유진동수를 가지며 고주파에서 신호의 왜곡이 발생하는 것을 알 수 있다.

측정 신호로부터 실제의 가진력을 구하기 위한 전달함수를 위 결과로부터 산출하여 표 5에 나타내었다.

(표 5)

상기와 같은 본 발명은 원통형 정전용량 변위센서가 내장된 비접촉식 마그네틱 가진기에 구성함에 따라, 주축의 고속 회전 중에도 주축에 자유로운 가진 및 변위 측정이 가능하고, 이로 인해, 공작기계 주축에 맞는 최적의 절삭조건을 찾을 수 있게 된다.

또한, 회전중인 주축의 정강성 측정 뿐만 아니라, 동강성 측정 및 진동 특성 측정이 가능하게 된다.

상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명의 기술내용을 통해, 당업자라면, 본 발명의 기술사상을 일탈하지 않는 범위 안에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라, 특허청구의 범위에 의해 정해져야 할 것이다.

상기 본 발명은 비접촉식 마그네틱 가진기를 통해 주축이 고속 회전중이더라도 주축의 동특성에 전혀 영향을 미치지 않고, 실제 가공조건에서와 동일한 상태의 가진을 가할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 마그네틱 가진기의 착탈이 용이하기 때문에 주축을 분해하는 등의 번거로움 없이, 간편하게 설치할 수 있고 및 주축에 대한 정동 특성의 측정이 용이하게 이루어지는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 주축공구단의 외경에 설치되어 주축의 정강특성을 측정하도록 된 제1원통형 정전용량 변위센서와, 상기 주축공구단과 마주하는 공작기계의 테이블 상에 설치된 공구동력계와 결합되어 상기 주축에 대한 가진을 가하는 동시에 주축의 동강특성을 측정하도록 된 비접촉식 마그네틱 가진기로 구성되되,

   상기 비접촉 마그네틱 가진기는 가진력을 발생시키는 전자석으로 이루어진 고정자인 액츄에이터와, 상기 액츄에이터 중앙에 하단부가 삽입되고 상단부가 주축에 결합되어 가진력을 주축에 전달하는 회전자 역할을 하는 마스터 실린더와, 상기 마스터 실린더를 감싸도록 액츄에이터 상단에 결합되어 마스터 실린더와 이를 감싸는 센서면 사이에 형성되는 정전용량의 변화를 통해 주축의 동강성이 측정되도록 한 제2원통형 정전용량 변위센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 고속주축의 동특성 측정시스템.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 액츄에이터는 중앙에 적정 직경의 내경을 갖는 제1하우징과, 상기 제1하우징 내경면에 설치되는 전자석으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고속주축의 동특성 측정시스템.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 액츄에이터와 마스터 실린더의 반경방향 틈새는 약 0.15 mm로 형성하는 것을 특징으로 하는 고속주축의 동특성 측정시스템.
5. 제 3항에 있어서,

   상기 제2원통형 정전용량 변위센서는 제1하우징 상면에 결합되고, 중앙에 적정 직경의 내경을 갖는 제2하우징과, 상기 제2하우징의 내경면에 마스터 실린더의 원주면을 감싸도록 설치되는 다수개의 센서면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고속주축의 동특성 측정시스템.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 센서면은 4조각 또는 8조각으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고속주축의 동특성 측정시스템.

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