KR100690691B1 - 공작기계의 체적오차보상시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공작기계의 체적오차보상시스템에 관한 것으로서;

금형가공용 등의 공작기계에 의한 열체적변화에 따른 오차를 보상하기 위한 공작기계의 체적오차보상시스템에 있어서, 상기 시스템은 기상측정(On Machine Measurement)을 수행하며, 다축 평행이동식의 탄성기구를 가지는 스캐닝프로브를 장착한 상기 공작기계의 구동에 따른 데이터를 전송하는 통신수단과. 상기 통신수단으로 전송받은 점군데이터에 기반하여 형상을 해석하는 데이터해석용의 프로그램을 내장하는 게인용컴퓨터 등의 해석수단을 구비하고, 상기 시스템은 해석수단에 의하여 해석된 수정가공데이터를 상기 공작기계에 재전송하여 오차를 보정하게 하는 것을 특징으로 한다.

공작기계, 체적, 오차, 보상

Description

공작기계의 체적오차보상시스템{Conpensating system for the thermal distortion on machine measurement}

도 1 은 기상측정을 설명하기 위한 모식적인 설명도.

도 2 는 열변형 보상을 위한 보정방법을 설명하는 흐름도.

도 3 은 온도에 대한 열변형 오차를 산출하는 방법의 예시적인 도표.

도 4 는 공작기계이 주축의 운동방향을 도시하는 설명도.

도 5 는 공작기계에서의 5 개의 센서를 사용하여 각각의 열변형 오차를 평가하는 구성도.

도 6 은 본 발명의 실시예에 사용된 수직형 머시닝센터(AV45, 대우종합기계(주))의 재원표.

도 7 은 열전대를 도 6 의 공작기계의 주축 주요부에 7곳을 선택하여 장착하여 측정한 측정그래프도.

도 8 은 대기온의 상승에 따른 공작기계의 주축변위의 영향을 도시하는 그래프도.

도 9 는 주축회전수의 변화를 도시하는 그래프도.

도 10 은 공자기계의 주축회전수를 1,000, 2,000, 3,000, 4,000rpm으로 증가시킨 후 다시 반복적으로 회전수를 계속하여 증가시키면서 측정한 온도 데이터의 그랴프도.

도 11 은 도 10 에 해당하는 주축의 열변형량의 그래프도.

도 12 는 공작기계의 채널 1과 3번의 y축 방향의 데이터의 그래프도.

도 13 은 최고 주축 회전수의 75%로서 연속운전을 하는 경우 , 회전수 3,000rpm 에서의 온도상승 그래프도.

도 14 는 주축의 열변형 그래프도.

도 15 는 랜덤하게 온도를 변화시키는 상태에서의 속도변화에 대한 온도의 그래프도.

도 16 은 주축 변위를 도시하는 그래프도.

도 17 은 본 발명에서 제안되는 CAD 모델의 재설계 및 가공오류에 대한 재수정이 가능한 시스템의 전체 구성도.

도 18 은 본 발명에 채용되는 SP2-1 스캐닝 프로브(scanning probe)의 외관을 도시하는 정면도.

도 19 는 도 18 의 SP2-1 스캐닝 프로브의 사용방법을 도시하는 사진.

도 20 은 본 발명의 기상측정수단의 시스템구성도.

도 21 은 본 발명 규명에 사용된 측정용 소프트웨어인 상업용 CAM 시스템인 Z-Master 2000 의 캡쳐화면.

도 22, 23 은 도 21 의 소프트웨어의 사용을 도시하는 캡쳐도.

도 24 는 측정단계에서 입력점에 대한 측정 및 검사를 수행하여 측정결과를 실시간으로 보여주고 파일로 저장함을 설명하는 도 21 의 소프트웨어의 사용을 도 시하는 캡쳐도.

도 25 는 본 발명의 해석에 기초하는 Z-map 의 자료구조의 원리를 설명하는 설명도.

도 26 은 도 25 의 원리에 기초하여 대량의 점군 데이터를 얻기 위한 실가공물(a)의 그림.

도 27 은 도 26 에 기초하여 각각의 측정 영역으로 나누고 그 영역에 대한 연속 측정 경로를 생성한((b))상태를 도시하는 설명도.

도 28 은 본 발명의 구성원리가 적용된 예시적인 실가공기를 도시하는 사진 및 가공상태를 도시하는 사진.

본 발명은 공작기계의 체적오차보상시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 금형제조 등의 공작기계 가공에서의 가공불량을 저감하고 가공정도를 증대할 수 있는 시스템의 제공에 관한 것이다.

금형 제조업 분야에서 금형 가공 후 측정/검사 및 역공학 (reverse engineering)에 대한 실제적인 요구가 증대되고 있는 실정이다.

현재 금형 제작 공수의 많은 부분은 NC 가공이 차지하며, 일반적으로 가공 불량은 NC 데이터 제작 오류 및 가공 오류에서 기인한다.

이와 같은 오류는 실 가공 전 소프트웨어적인 모의가공, 가공 후 제반 수치 측정으로 확인이 가능하며, 본 발명은 일차적으로 스캐닝프루브를 이용하여 가공 직후 NC 기계 상에서 금형 곡면의 수치 측정 및 검사를 통하여 가공 오류를 파악할 수 있는 시스템을 개발하였다. 일반 고가의 CMM 장비를 필요로 하지 아니하므로, 측정 및 검사 시간을 대폭 단축할 수 있다. 또한 본 발명은 기존 기상 측정 시스템의 단점인 공작기계 체적오차를 측정, 보상함으로써 정밀도를 향상시키는 발명을 수행하였다.

이하의 부수된 도면과 함께 본 발명의 공작기계의 체적오차보상시스템의 구성과 작동을 더욱 더 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 본 발명 기술이 적용되는 기본적인 원리와 본 발명이 구현하고자 하는 기술적인 구성을 서술적으로 이론을 기본으로 순차 설명한다.

기상측정(機上測定: On Machine Measurement)은 가공이 완료된 가공물에 대해서 가공물을 기계에서 분리하지 않은 상태에서 가공을 마친 공작기계에 측정용 센서를 부착하여 측정 및 평가를 하는 것을 말한다.

즉, 도 1 에서 보는 바와 같이 가공을 완료후 측정을 할 때 가공을 한 가공기를 직접 측정기로 사용하는 기술이다.

기상측정기술은 가공물을 공작기계에서 분리하지 않고 측정을 할 수 있기 때문에 무엇보다도 측정의 생산성을 높일 수 있다는 점에서 많은 관심의 대상이 되고 있다.

그러나 가공계와 측정계가 동일함에 의해서 측정의 신뢰성을 확보할 수 없다는 것이 최대의 단점이 된다.

즉, 공작기계가 가지고 있는 정적 또는 준정적인 오차와 함께 운동으로 인하여 발생하는 동적인 오차를 포함한 상태에서 측정을 하게 된다.

그러나 측정 시에는 정적인 상태에서 측정이 이루어지기 때문에 공작기계에는 기하학적인 오차와 발열에 의한 변형이 주로 포함되게 된다. 이중 공작기계의 기하학적인 오차는 구조물의 부정확한 제작, 부정확한 조립, 이송 유니트의 부정확성, 서보 시스템 등으로부터 발생된다.

한편 공작기계는 가공중에 주축과 이송계의 계속적인 운동으로 인하여 발열이 일으나며, 이로 인하여 구조물 또는 주축의 변형이 발생하고 또한 이송계의 원점을 변화시키게 된다. 이러한 열변형을 일으키는 원인은 주축 베어링, 이송체와 안내부, 이송나사, 이송나사용 베어링부의 마찰과 함께, 절삭영역에서의 절삭열, 그리고 각종 모터류가 중요한 발열부가 되기 때문이다.

이러한 발열에 의하여 가장 많은 영향을 받는 부위가 주축부이며, 상대적으로 구조물의 열변형은 이에 비하여 작은 편이다. 또한, 발열은 이송계의 기하학적 오차성분을 변화시키게 되며, 이로 인하여 이송계의 오차는 매우 복잡한 양상을 띄게 된다. 이 중에서 특히 주축계의 열변형은 전체 공작기계의 열변형의 70% 이상을 차지하기 때문에 대단히 중요한 오차의 요인으로 손꼽히고 있다.

이상과 같이 공작기계에 존재하는 기하학적인 오차와 열적인 변형을 고려하여 기상계측을 한다면 상당한 부분까지 기계의 정밀도를 향상시킬 수가 있고 이에 따라서 기상계측의 평가 신뢰도를 높일 수가 있다.

이를 보상하기 위한 방법을 정리하면 도 2 와 같다. 즉, 열변형을 예측하기 위하여 특정부위의 발열을 측정하여야 한다.

이를 위하여 발열량을 이론적으로 구할 수도 있고, 경우에 따라서는 특정부위의 온도를 측정하는 방법을 사용할 수도 있다. 이론적으로 발열량을 구한다는 것은 각종 계수의 부정확성, 발열 모델과 경계조건 등의 모호성 등에 의해서 부정확할 수 밖에 없다.

따라서 대부분의 경우에는 특정 영역에 열전대를 심어놓고 그 부위의 온도를 측정하는 방법을 사용하고 있으나, 이 또한 상업성을 고려한다면 설계상의 제약, 발열위치와 오프셋됨에 의해 정확한 발열량의 평가가 불가능함과 동시에 열이 전달될 때까지 걸리는 시간지연요소에 의한 모델의 부정확성 등의 문제를 드러내고는 있으나 많은 경우 이 방법을 채택하고 있다.

한편 계산된 발열량이나 또는 측정된 온도 정보를 이용하여 열변형량을 예측할 수가 있다.

열변형의 예측은 해석적인 방법과 실험적인 방법에 의해 이루어질 수가 있다. 해석적인 방법은 유한요소법 또는 유한차분법 등을 적용하게 되지만, 기계의 경계조건이나 입력조건 등에 대한 부정확한 정보에 의해 많은 오차를 수반하게 된다.

실험적인 방법으로는 대부분 온도데이터와 열변형 데이터를 상호간에 매핑을 함에 의해 임의의 온도에 대한 변형을 예측하게 된다.

현재 도3 의 도표에서와 같은 여러 가지 방법이 시행되어지고 있으나 각각의 장단점이 명확하기 때문에 결정에 있어서는 주의를 요한다.

한편, 열변형량이 예측이 되어지면 이 데이터를 이용하여 보정을 하게 된다. 보정을 하는 방법은 여러 가지가 있으나 기계 서보루프의 위치 피이드백 신호에 아나로그 전압을 삽입하는 아날로그 보상이나 디지털 I/O 포트를 이용한 기계의 구동신호 수정을 통한 원점 이동보상법 등을 이용하여 기계를 보정하여 오차를 줄인다.

그러나 본 발명에서는 실시간 보정보다는 측정한 결과에 대해서 보상을 하는 방식을 사용해야 하기 때문에 측정시 기록된 온도 데이터를 바탕으로 열변형량을 예측하고 예측된 열변형량을 측정된 결과에 보상하는 방법을 채택한다.

열변형 다음으로 측정정밀도에 영향을 미치는 것은 공작기계 이송계의 기하학적인 정밀도이다.

이 정밀도는 위치의 함수로 나타나기 때문에 각축의 위치에 대해서 체적오차를 구한 후 이를 보상하는 방법이 가장 현실적이다. 이를 위한 방법은 각 축에서 나타나는 오차성분을 동차좌표변환을 통하여 공구 끝단으로 매핑시킴에 의해 공구의 끝단 또는 측정기의 끝단에서 발생할 오차를 계산적으로 구하는 방법이다.

이런 방법으로 체적오차가 구해지면 주축의 열변형과 같이 직접적으로 측정데이터를 보상하는 방법을 사용하면 된다.

한편 이때 문제가 되는 것은 이송계의 열적인 영향이다. 사실 기하학적 오차를 보상하기 위하여 측정하는 3축 공작기계에서의 21개 오차 성분은 기계가 가동되지 않은 정적인 상태에서 측정이 이루어진 것이고, 가공 중에는 이들 오차 성분들 도 온도에 따라서 변화하기 때문에 이에 대한 고찰이 필요하다.

따라서 본 발명에서는 이들의 영향을 별도로 평가하여 봄으로써 온도에 대해 변화하는 이들 성분의 영향을 동시에 평가하여 대안을 제시하고자 한다.

이상의 내용을 정리하자면, 기상측정 방법에서 측정한 데이터는 공작기계 본연의 오차를 내포하고 있기 때문에 이 오차를 측정된 측정결과에 보상을 하여 줌으로써 측정의 정밀도를 향상시키고자 하는 것이다.

이를 위하여 주축의 열변형과 공작기계의 기하학적 오차를 주요 오차요인으로 잡고, 이를 보상하는 총괄적인 방안에 대한 발명을 하게 되었다.

(1) 주축의 열변형 평가

[실험예]

전술하였듯이 주축의 열변형은 공작기계의 정밀도에 가장 많은 영향을 미친다. 이러한 오차를 1 차적으로 측정된 결과에 대해서 보상을 한다면 상당한 측정 정밀도를 향상시킬 수가 있을 것이다.

주축의 운동은 일반적으로 6가지가 있다. 즉, x, y, z방향에 대한 3개의 선형운동과 2개의 x, y방향에 대한 틸팅운동, 그리고 회전축에 대한 틸팅운동이 도. 4처럼 존재한다.

이 중에서 회전축에 대한 틸팅운동은 자신의 운동방향과 일치하기 때문에 제외한다.

따라서 공작기계의 주축이 회전으로 인하여 발열이 일어나면 이 운동방향으로 오차가 각각 발생하게 된다. 따라서 이러한 운동을 측정하기 위해서는

도 5 처럼 5 개의 센서를 사용하여 각각의 열변형 오차를 평가해낼 수가 있는데, 이는 ISO/DIS 230-3 및 BS3800:part3:1990, 그리고 ASME B5.54-1992에 잘 나타나 있다.

도 5 에서 2번과 4번 센서는 각각 x방향의 선형오차 및 y방향의 틸팅오차를 평가하기 위한 것이고, 1번과 3번은 y방향의 선형오차 및 x방향의 틸팅오차, 그리고 센서 5는 z는 z방향의 선형오차를 측정하기 위한 센서이다.

센서는 와전류 형식의 비접촉식 센서를 사용하였다. 이 센서는 열에 의한 변형이 작도록 특별히 제작된 치구에 조립이 되며, 테스트바로 사용된 맨드렐도 열변형이 작은 강으로 제작되었으며, 두 센서와의 거리는 250mm가 되도록 게이지 기준면에서 길이가 300mm인 기준바를 사용하였다.

열변형은 일반적으로 금형가공에 많이 사용하는 크기의 도 6 의 도표와 같은 수직형 머시닝센터(AV45, 대우종합기계(주))를 이용하였다.

한편 열전대는 공작기계의 주축 주요부에 7곳을 선택하여 장착을 하였고, 나머지는 치구에 한 개 그리고 대기의 온도를 측정할 목적으로 주축 선단 근처의 높이에 한개를 설치하여 총 9개의 열전대를 사용하였다. 열전대는 K 형으로서 온도계인 IO Tech의 Tempscan/1000 에 연결하고 RS232C로 퍼스날 컴퓨터에 연결하여 온도상승을 측정, 저장하였다.

측정은 ISO 230-3에서는 최소한 5분에 한 개의 데이터를 획득하도록 되어 있으나, 본 발명은 시스템의 매핑을 통하여 온도에 대한 열변형 모델을 구성하는 것이 목적이기 때문에 12분에 한 개의 데이터를 획득하는 것으로 하였다.

열변형 데이터는 최소한 4시간에서 8시간의 데이터를 획득하도록 권장하고 있으나 예비실험결과 실제 온도상승이 포화될 때까지 최소한 4시간 이상이 걸리기 때문에 8시간동안 측정을 하는 것으로 하였다.

실험에 앞서 먼저 환경영향 평가를 실시한다. 이는 ISO에서도 규정을 하고 있는데, 가능하면 환경의 영향을 받지 않는 구역에 공작기계를 설치하는 것을 권장하고 있다.

따라서 위에 설정한 방법대로 도. 7과 같이 온도를 측정하였다. 온도의 변화는 아침 9시부터 오후 5시까지를 기준으로 측정을 하였으며, 도 5 에 지시된 9개의 온도를 모두 측정하였다. 9번이 환경온도로서(점선) 초기에 약 20도 정도였으며, 시간이 갈수록 계속하여 온도가 증가하고 있다.

이 온도의 상승에 따라서 기계본체의 온도도 동시에 상승함으로서 대기의 영향이 기계의 온도상승에 영향을 미치고 있다. 이때의 온도상승이 실제 공작기계의 주축변위에 어떠한 영향을 미치는지를 측정한 결과가 도 8 이다.

전체적으로 공작기계의 구조물 온도가 상승함에 따라서 독특한 변화양상을 나타내보이고 있다. 즉, 채널 1과 3은 y축 방향의 변위를 나타내는데, 이 값이 감소하였다가 증가를 하고 있다.

이는 매우 독특한 현상으로 이미 사전실험에서도 감지가 되었는데, 이는 공작기계 구조물이 열적 변형을 받을 때 각도변형에 의해 나타나는 현상으로 이러한 비선형성이 열적 변형을 보상하는 알고리듬을 구현하는데 많은 어려움을 주게된다.

채널 2와 4는 x방향의 열변위인데, 약간의 틸팅이 왼쪽방향으로 존재하고 있 으나 이는 y방향에 비교하면 비교적 선형성이 보장된다고 볼 수가 있다. 한편 채널 5는 주축의 길이방향의 변형으로 온도가 상승할수록 길이방향으로 선형적으로 늘어나고 있음을 알 수가 있다.

그러나, 모든 방향으로 전반적으로 10mum이내의 열변형이 발생하고 있기 때문에 환경에 대한 영향은 비교적 무시할 수 있다고 보며, 또한 이러한 열적인 영향은 결국 운전중에 구조물의 온도상승에 포함될 것이기 때문에 그때 보정에서 포함시키면 된다.

공운전상태에서 환경영향 평가가 완료된 후, 실제 운전조건에서 주축의 영향을 평가하고자 한다.

주축의 운전조건은 ISO/DIS 230-3에서 제시하는 두가지 방법외 1,000rpm씩 단계별로 회전수를 상승시킨 경우를 포함하여 실험을 한다. ISO/DIS 230-3에서 제시하는 두가지 방법은 랜덤하게 주축 회전수를 변경하는 방법과 최고 회전속도의 75%로 연속운전하는 경우인데, 랜덤한 경우라도 주축 최고 회전수의 25%에서 25%별로 100%까지 속도를 변경하는 경우이다.

이 경우의 속도변화 그래프는 도 9 와 같다. 이 경우 공작기계의 최고 회전수는 4,000rpm이기 때문에 각각 1,000, 2,000, 3,000, 4,000rpm으로 회전하는 경우이다.

먼저 도. 10은 회전수를 1,000, 2,000, 3,000, 4,000rpm으로 증가시킨 후 다시 반복적으로 회전수를 계속하여 증가시키면서 측정한 온도 데이터이다. 매단계 회전수가 상승될 때마다 상당히 빠른 속도로 온도가 증가함을 알 수가 있다. 특히 채널 3의 온도가 민감한데, 이 위치는 사실 주축 베어링 부의 위치가 아니고, 모터로부터 벨트로 동력을 전달받는 풀리의 위치이다. 통상 주축에서의 발열은 주축 베어링부가 높을 것이라고 추정하지만 사실은 이 풀리 부위가 온도 상승이나 민감도가 가장 높다는 것을 알 수가 있으며, 이로 인하여 주축의 휨현상이 더욱 심화됨을 알 수가 있다.

한편 대기 온도의 영향은 센서의 치구에 부착한 8번이나 공기중의 온도인 9번에 의해 감시가 되어지고 있는데, 그 영향은 거의 5도 이내로 환경영향 실험의 결과와 거의 비슷한 값으로 실험의 신뢰도는 믿을 만한 것으로 사료된다.

도 11 은 도 10 에 해당하는 주축의 열변형량이다. 측정 데이터를 살펴보면 상당한 량의 열변형이 발생함을 알 수가 있다. 특히 채널 1과 3번은 y축 방향의 데이터로서 도 12 와 같이 아래방향으로 굽는 것을 알 수가 있다.

이는 구조적인 특성으로, 예를 들어 온도 센서 2번의 온도보다는 온도센서 3번의 온도가 높기 때문에 윗부분이 더 크게 변형하고 아랫방향이 덜 변형하기 때문이다. 그 량은 무려 0.1mm로서 무시못할 큰 량이며, 이 정도의 오차는 반드시 보정이 되어야 함을 알 수가 있다.

한편 채널 3도 동시에 증가는 하지만 채널 1과는 갭을 가지고 있기 때문에 여기에는 일정량의 틸팅이 있음을 보인다. x방향의 경우 거의 열변형 영향을 받고 있지는 않으나 여전히 틸팅은 존재하고 있다.

그리고 주축의 축방향으로도 상당한 량의 열변형이 존재하고 있음을 보이며, 이러한 데이터는 다른 실험에서 수행하였던 결과와 잘 일치하고 있다.

두 번째 실험으로는 최고 주축 회전수의 75%로서 연속운전을 하는 경우이다. 이 경우 회전수는 3,000rpm이다.

도 13 은 이때의 온도상승 그래프를 나타내 보인다. 단계적으로 온도를 올리는 경우와 마찬가지로 시간의 경과에 따라서 온도는 계속 올라가며, 거의 38-40도부근에서 포화됨을 보인다.

이는 단계적으로 온도를 올렸던 결과와 거의 비슷하다. 따라서 비록 가혹한 운전조건일지라도 거의 8시간 이상의 운전으로 온도의 상승은 완료되는 것으로 보인다. 마찬가지로 벨트 구동부위의 온도상승이 눈에 띄며, 대기의 온도도 안정적인 범위내에서 변화되고 있음을 나타낸다.

도 14 는 이에 상응하는 주축의 열변형 그래프이다. 가혹한 조건에서와 마찬가지로 최고 열변위는 약 0.1mm정도에 도달하고 있고, 그 중에서 채널 1번이 가장 큰 값을 보이고 있다. 그 경향은 도 12 와 동일한 경향을 나타내고 있으며, x축 방향으로는 마찬가지로 미소한 틸팅만이 존재하는 것으로 나타난다.

마찬가지로 주축의 방향으로도 상당히 큰 량의 변형이 존재한다. 단계별 온도를 변화시킨 앞의 경우와 비교하여보면 결국 두 경우 모두 열변형량이나 온도상승값이 비교적 비슷하며, 따라서 발열특성을 이해하거나 모델링 등의 목적을 위해서는 결국 연속적인 회전이 보다 바람직할 것으로 보인다.

다음으로 랜덤하게 온도를 변화시키는 실험의 결과는 도 15 와 같다. 속도의 변화에 대해 온도는 비례적으로 증가하거나 감소하고 있으며, 이와 더불어서 도 16 과 같이 주축의 변위도 동시에 변화하고 있음을 보인다.

전반적인 온도상승이나 열변형의 경향과 패턴은 모두 앞의 실험들과 잘 일치하고 있음을 나타내 보인다. 그러나 랜덤하게 속도를 변화시키는 방법은 회전속도에 따라서 주축의 발열특성을 보는 것에는 유리할지라도, 전체적으로 온도에 따른 열변형 모델을 구성하는데는 어려움이 있음을 보인다.

따라서 본 발명에서는 가장 명확하게 발열과 열변형관계를 잘 파악할 수 있는 3,000rpm에서의 발열 데이터를 이용하여 모델을 만들고자 한다.

(2)측정 및 검사

최근의 생산시스템은 한 대의 공작기계 상에서 황삭, 정삭, 연삭 그리고 측정까지 이루어지는 복합가공화 추세이며 이에 대한 정확한 측정, 검사공정에 대한 요구가 점차 시급해지고 있는 실정이다.

특히 금형제조에 있어서는 가공에러확인, 금형 수정 등의 공수를 단축시킬 수 있는 방안에 대해 많은 발명이 진행중이다.

현재 가공데이터 검사 방식은 모의가공을 통한 검증 소프트웨어를 활용하는 방식과 실 가공물의 3차원 측정을 통한 검사 방식으로 나눌 수 있다.

소프트웨어를 이용한 방식은 실 가공 전에 미리 가공데이터를 검증할 수 있는 장점이 있으나 실제 가공 시 발생할 수 있는 제반상황 등에 대해 완전하게 검증하기에는 부족하다.

따라서 실 가공 후 가공곡면의 오차검사는 측정을 통한 방식이 일반적인데 대량 생산라인의 경우에는 별도의 전용 측정 및 검사공정을 따로 두고 있으나 이 같은 방식은 다품종 소량 생산라인의 경우인 금형제조와 같은 생산시스템에는 부적 절하고 할 수 있다.

정밀 측정과 유연성이 높은 3차원 측정기(Coordinate Measuring Machine : CMM)의 경우에도 측정기 자체의 한정된 크기와 값비싼 비용, 설치를 위한 별도의 공간 및 유지비용 등이 확보되어야 하며 운영 시 고도의 전문인력의 양성 및 교육의 어려움을 지니고 있다.

또한, 측정을 위해 공작물의 이동이 있어야 하며 이에 따른 정확성에 대한 신뢰도가 보장되어야 하고, 측정시간의 지연으로 인해 생산성 저하의 요인이 될 수 있다. 이 때문에 공작기계 상에서 가공 후, 즉시 측정 및 검사가 이루어지는 시스템에 대한 필요성이 증대되었다.

본 발명은 사용자로 하여금 좀더 친숙한 형태와 사용하기에 용이하며 결과 확인 후 이를 피드백하여 CAD 모델의 재설계 및 가공오류에 대한 재수정이 가능한 시스템 개발을 수행하였다 (도 17).

3차원 형상정보를 얻기 위해 현재 사용되고 있는 측정방식은 접촉식과 비접촉식으로 나누어 볼 수 있다.

비접촉식의 경우 레이져 스캐닝(laser scanning)방식, 비젼 시스템(vision system) 혹은 간섭무늬 해석법을 사용하여 측정하는 방식 등이 있는데 정밀도와 고가장비 등의 문제로 인하여 가장 많이 사용되는 형식은 접촉식 측정방법이다. 본 발명에서도 이러한 접촉식 방법 중 도 18 의 SP2-1 스캐닝 프로브(scanning probe)를 사용하여 측정 시스템을 구성하였다.

SP2-1 스캐닝 프로브는 탐침봉(stylus)을 도 18 에서와 같이 끝 부분에 장착 하여 측정 물체와 접촉하여 일정 거리만큼 이동시키게 된다(도 19 ).

SP2-1 스캐닝 프로브는 3축(x, y, z)이 평행 이동식 탄성기구를 가짐으로써 피 가공물에 접촉 시, 각 축에 대한 변위량을 펄스(pulse)로 발생시키게 되고 이때 프로브 측면에 달린 연결선(프로브 케이블)을 통하여 PC의 인터페이스 카드로 펄스 수를 전달하게 된다.

(3) OMM 측정 시스템의 구성은 도 20 과 같다.

가. 시스템 구성

- SP2-1 프로브 : 탐침봉(stylus) 장착 [지름 6mm]

- 프로브 인터페이스 카드 : 탐침봉의 접촉 변위량에 대한 펄스 카운트(Pulse Count)

- RS232C 케이블 : PC에서 CNC Machine으로의 NC 코드 전송

- CNC Machine : SP2-1 프로브 장착

- PC : 프로브 인터페이스 카드 장착

나. 측정 원리

OMM시스템 구성에서와 같이 PC에서 자동 생성한 NC 코드를 RS232C 통신 케이블을 통해 CNC 공작기계에 전송하여 공작기계의 위치를 제어한다. NC 코드 한 블록을 전송하기 위해서는 RS232C 통신 규약에 따라 한 문자씩을 보내며 또한 PC와 CNC 컨트롤러가 특정 신호를 주고받음으로써 DNC 통신이 이루어진다. 단, CNC 공작기계의 직렬포트 초기화 설정인자인 데이터 비트, stop 비트, 전송 속도 등이 PC와 일치해야 문자 전송이 가능하다.

펄스를 입력받기 위한 포트는 PC에서 NC 코드를 전송하기 위해 공작기계와 연결된 포트로 설정하였다.

일반적으로 컴퓨터에는 통신을 위한 각종 인터페이스가 표준 혹은 옵션으로 준비되어 있는데 이중 대표적인 것으로 데이터를 시리얼(serial)로 전송하는 RS232C, RS422, RS485등이 있다. 물론 데이터를 병렬(parallel)로 보낼 수 있는 방법으로 CPU, HDD, FDD, VIDEO 등을 이용하여 통신하는 방법도 있지만 이는 구현하기 힘들고 고가이며 거리의 제한이 있다.

이에 비해 시리얼 통신은 구현하기 쉽고, 저가이며 거리에 따른 제약도 병렬방식에 비해 크지 않다.

따라서 본 발명에서 구현한 시스템에서도 PC와 CNC 공작기계간의 DNC통신에 RS232C 통신규약을 적용하였다.

측정용 소프트웨어의 기본 틀은 상업용 CAM 시스템인 Z-Master 2000 이며(도. 21), Windows NT 환경에서 Visual C/C++를 이용하여 컴파일 되었으며, 모듈로써 Z-Master에 추가되었다.

측정 및 검사를 위한 마스터 모델 상에서 가공이 완료된 피삭재와의 비교검사를 수행할 위치를 사용자가 마우스나 키보드를 입력을 하게 되면 측정을 위한 측정경로가 생성되고, 작업자의 확인을 위해 그래픽으로 표시되고 파일로 저장이 된다(도 22, 23). 측정단계에서는 입력점에 대한 측정 및 검사를 수행하여 측정결과를 실시간으로 보여주고 파일로 저장이 된다(도. 24(a)). 측정결과는 측정된 점에서의 Normal Error를 나타내준다(도. 24 (b)).

(4) 곡면 재설계

1. Z-map 모델 생성

OMM으로부터 측정된 점군 데이터로부터 직접 NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline) 등의 매개변수형(parametric) 곡면 모델을 얻어내는 과정은 쉽지 않기 때문에, 본 발명에서는 근사 곡면모델로서 Z-map을 선택하였다. Z-map은 자료구조가 간단하고, 옵셋팅(offsetting)이나 블렌딩(blending) 등의 곡면 조작이 매우 편리하다는 장점을 가지고 있다.

Z-map은 xy 평면상에 일정한 간격(grid-interval)으로 격자점(grid-point)을 정의하고, 각 격자점에서의 높이값을 저장하는 자료구조를 가진다.(도 25).

우선 대량의 점군 데이터를 얻기 위해 실가공물(도 26 (a))을 각각의 측정 영역으로 나누고 그 영역에 대한 연속 측정 경로를 생성한다(도. 26(b)).

이때 측정경로는 곡면의 특성을 파악하여 사용자 임의로 생성할 수 있다. 여기에서 생성된 경로를 따라 자유곡면을 측정하게 된다. 그리고 각 영역에서 얻어진 점군 데이터(도 27)를 이용하여 곡면모델을 생성하는 단계를 거치게 된다.

본 발명에서는 스캐닝 프루브를 이용하여 가공 직후 NC 기계 상에서 금형 곡면의 수치 측정 및 검사를 통하여 가공오류를 파악할 수 있는 시스템을 개발하였으며 고속가공기인 MAKINO V55를 대상으로 하여 적용하였다.

또한 수차례의 현장적용 및 이를 통한 feedback 과정을 거쳐 개발된 기상측정 시스템을 수정 보완 하였다.

개발된 OMM 시스템은 일반 고가의 CMM 장비를 필요로 하지 아니하므로, 측정 및 검사 시간을 대폭 단축할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 기존 기상 측정 시스템의 단점인 공작기계의 체적오차를 측정, 보상함으로써 정밀도를 대폭 향상하였다.

이상과 같은 본 발명은 일차적으로 스캐닝프루브를 이용하여 가공 직후 NC 기계 상에서 금형 곡면의 수치 측정 및 검사를 통하여 가공 오류를 파악할 수 있는 체적오차보상시스템을 제공하여 고가의 CMM 장비를 필요로 하지 아니하므로, 측정 및 검사 시간을 대폭 단축할 수 있고, 기존 기상 측정 시스템의 단점인 공작기계 체적오차를 측정, 보상함으로써 정밀도를 향상시킬 수 있는 등의 효과를 가진다.

Claims (2)

1. 금형가공용 등의 공작기계에 의한 열체적변화에 따른 오차를 보상하기 위한 공작기계의 체적오차보상시스템에 있어서;

   상기 시스템은 가공중의 피가공물에 대하여 기상측정(On Machine Measurement) 수단으로서 상기 피 가공물의 측정을 3축(x, y, z)이 평행 이동식 탄성기구를 구비하는 스캐닝프로브를 구비하고,

   상기 스캐닝프로브의 각 축에 대한 변위량을 펄스(pulse)로 발생시켜 개인용컴퓨터로 전송하여 상기 공작기계와 데이터송수신하기 위한 인터페이스및 케이블의 통신수단과,

   상기 펄스 데이터를 해석하는 개인용컴퓨터 및 상기 개인용컴퓨터에 실장되는 상기 변위량의 펄스의 해석수단을 포함하는 프로그램을 상기 시스템이 포함하고;

   상기 프로그램은 측정단계에서는 입력점에 대한 측정 및 검사를 수행하여 측정결과를 실시간으로 보여주고 파일로 저장하는 단계,

   상기 변위량의 대량의 점군 데이터를 얻기 위해 상기 피가공물을 각각의 측정 영역으로 나누고 그 영역에 대한 연속 측정 경로를 생성하는 단계,

   상기 생성 경로를 따라 자유곡면을 측정하여 각 영역에서 얻어진 점군 데이터를 이용하여 곡면모델을 생성하는 단계,

   상기 변위량 펄스값에 기하여 기상측정으로부터 측정된 점군 데이터로부터 직접 매개변수형(parametric) 곡면 모델을 얻기 위하여 근사 곡면모델로서 xy 평면상에 일정한 간격(grid-interval)으로 격자점(grid-point)을 정의하고, 각 격자점에서의 높이값을 저장하는 자료구조를 가지는 Z-map으로 변환하는 단계,

   상기 변환된 가공형태의 피가공물의 검사되어 얻어진 변환데이터를 상기 공작기계로 피드백하여 수행하는 단계를 더 가지는 것을 특징으로 하는 공작기계의 체적오차보상시스템.
2. 삭제

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