KR101001051B1 - 상한 돌기 방지를 위한 공작기계의 서보모터 속도루프 게인류 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공작물의 중량에 따라 최적의 동작 정밀도를 유지하기 위하여 속도 루프 게인들을 자동 조절하여 상한돌기를 억제토록 하는 것을 특징으로 하는 상한 돌기 방지를 위한 상한 돌기 방지를 위한 공작기계의 서보모터 속도루프 게인류 제어장치 및 방법에 관한 것으로,

제어변수 입력수단과; 속도이득 제어 데이터 베이스와, 진동제어에 관련된 진동제어 데이터 베이스와, 마찰제어에 관련된 마찰제어 데이터 베이스를 갖는 데이터 테이블과; 공작물의 미세 이송에 의한 부하 전류의 변동치를 측정하는 전류측정수단과; 상기 전류측정수단에서 측정된 전류값을 근거로 표준 중량 대비 비교값을 산출하는 공작물 중량변환 수단과; 상기 공작물 중량변환 수단으로부터 현재 공작물의 중량을 파악하고 이에 따른 변수 데이터를 데이터 테이블로부터 전송받아 서보모터의 동작을 제어하는 제어기를 포함하여 이루어진 것이 특징이며;

본 발명은 공작물의 중량 데이터에 따라서 자동으로 제어변수를 제공하여 서보모터의 제어에 적용함으로써, 절삭대상의 표면을 원호 가공시 동적 정밀도를 최적화시키는 효과를 제공한다.

공작기계, 서보모터, 돌기

Description

상한 돌기 방지를 위한 공작기계의 서보모터 속도루프 게인류 제어장치{Servo Moter Speed Loop Gain Control Unit of CNC}

도 1은 본 발명에 적용되는 서보모터 속도 제어장치 구성도.

도 2는 본 발명의 블록 다이어그램.

도 3은 본 발명의 동작 플로우 챠트.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100: 제어변수 입력수단

200: 데이터 테이블

210: 속도이득 데이터 베이스

220: 진동제어 데이터 베이스

230: 마찰제어 데이터 베이스

300: 서보모터 전류측정수단

400: 공작물 중량변환수단

500: 제어기

600: 서보모터

본 발명은 상한 돌기 방지를 위한 공작기계의 서보모터 속도루프 게인류 제어장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 머시닝 센터 이송축에서 공작물의 중량에 따라 최적의 동작 정밀도를 유지하기 위하여 속도 루프 게인을 자동 조절하여 원호 가공시의 상한돌기를 억제토록 하는 것을 특징으로 하는 상한 돌기 방지를 위한 공작기계의 서보모터 속도루프 게인류 제어장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 가공 정밀도 및 생산성을 향상시키기 위한 고속 가공기술(High speed machining)이 발전함에 따라 밀링머신이나 머시닝 센터에서 주축 및 이송계의 고속화를 필요로 하고 있다.

이송계의 경우 고속시의 장비의 정밀도는 동적 정밀도를 의미하고 이는 장비의 강성이 작을 경우 장비의 가감속 성능이 떨어지게 된다.

장비의 동적능력을 판단하는 기준의 하나로 DBB(Double Ball Bar) 측정을 하나 이 경우 원의 반경이 줄어들수록, 속도가 증가할수록 원의 궤적의 감소(반경감소)와 상한돌기의 증가가 발생하게 된다.

이송계의 부하의 변동에 따른 이 특성의 변동은 당연히 발생하게 되고 종래에는 이 경우 가감속 성능을 변경함으로 대응하였다.

그러나, 장비의 중량이 바뀔때마다 매번 서보모터의 속도루프게인 및 관련제어(볼 스크류 진동제어, 옵저버계수, 마찰 보정값) 데이터를 변경시켜 주어야 하므로 불편할 뿐만 아니라, 관성의 보정은 물론 마찰의 보정을 이루어야 하고 이와 동 시에 속도를 조절해야 하는데, 이들의 보정을 수동으로 하게 되면 모든 값을 다 보정하지 못할 경우 상한 돌기가 당연히 발생되게 되며, 나중에는 보정하지 않은 값이 무엇인지를 찾아내기도 어려워지는 문제점이 있다.

즉, 종래에는 장비의 중량이 바뀔 경우 이에 대응하여 바뀌는 속도루프게인 및 관련제어 데이터 값을 하나씩 교정하기 때문에 실수로 교정값이 잘못 들어갈 수가 있고, 장비가 바뀔때마다 수동조작에 의해 데이터를 변경해야 하므로 매우 불편하며, 특히 원호 가공시에는 상한 돌기가 발생되는 문제점이 있었으며, 돌기의 원인을 찾기도 어려운 문제점이 있었던 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결코자 하는 것으로, 미세이송에 의한 부하전류의 변동치를 측정하여 표준 중량대비 측정값을 산출하여 이를 장비별 측정값에 산입하여 속도루프게인과 옵저버계수, 마찰 보정값(정지마찰과 동마찰부분)의 값을 변경함으로써, 공작물의 무게에 따른 부하치의 변경이 자동적으로 이루어지도록 하여 가공시에 동적 정밀도를 최적화 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 수단으로,

본 발명은 공작물의 중량변화에 따른 이송축 서보모터의 속도와 진동 및 마찰에 대한 각종 제어변수를 입력하는 제어변수 입력수단(100)과; 상기 각종 데이터를 저장하는 데이터 테이블(200)과; 공작물의 미세 이송에 의한 부하 전류의 변동치를 측정하는 전류측정수단(300)과; 상기 전류측정수단(300)에서 측정된 전류 값을 근거로 표준 중량 대비 비교값을 산출하는 공작물 중량변환 수단(400)과; 상기 공작물 중량변환 수단(400)으로부터 현재 공작물의 중량을 파악하고 이에 따른 변수 데이터를 데이터 테이블(200)로부터 전송받아 서보모터(600)의 동작을 제어하는 제어기(500)를 포함하여 이루어진 것이 특징이다.

또한, 상기 데이터 테이블(200)은, 상기 제어변수 입력수단(100)으로부터 중량변화에 따른 제어변수 데이터를 저장하며, 속도 이득 제어에 관련된 속도이득 제어 데이터 베이스(210)와, 진동제어에 관련된 진동제어 데이터 베이스(220)와, 마찰제어에 관련된 마찰제어 데이터 베이스(230)를 포함하여 이루어진 것이 특징이다.

또한, 중량변화에 따른 속도이득과 진동 및 마찰 제어변수를 많은 시험을 통해 체크하여 서보모터 속도루프게인 및 관련제어 보정 데이터를 정량화하는 단계(S1)와; 상기 단계에서 정량화된 중량에 따른 제어변수 데이터를 데이터 테이블에 입력하는 단계(S2)와; 작업할 공작물의 중량을 센싱하기 위해 서보모터를 미세이동하여 이때 공급되는 전류량을 체크하는 단계(S3)와; 상기 전류량으로부터 공작물의 중량을 계산하는 단계(S4)와; 계산된 중량에 따른 제어변수를 데이터 테이블로부터 추출하는 단계(S5)와; 해당 제어변수를 서보모터에 적용하여 속도를 보정하는 단계(S6)로 이루어지는 것이 특징이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

먼저, 본 발명은 원호 가공시 발생하게 되는 장비의 상한 돌기(Reverse spike)의 자동 조정장치를 제공코자 하는 것으로, 장비의 중량에 따른 기준 데이터를 미리 학습 및 저정하고, 서보모터의 전류를 체크하여 이를 근거로 장비의 중량의 변동을 파악하여 미리 메모리한 데이터와 비교하여 이를 적용한다.

상기에서 장비의 중량을 파악하는 방법으로는 서보모터를 미세구간 움직이고 이때 나타나는 전류값을 파악하여 알아 낼 수 있으며, 장비별 특성에 따라 미리 메모리된 테이블에 비교하여 자동적으로 각종 제어변수들을 변경함으로 부하에 따른 최적화된 동적 정밀도의 확보가 가능하다.

이 때 측정한 값으로 정지 마찰부분과 동마찰 부분의 값들도 표준 데이터 테이블에 의해 자동적으로 변경하는 것이 가능하다.

상기 표준 데이터 테이블은 변수를 적용하기 위한 데이터 값으로 사전에 중량의 변화량에 따른 각종 속도루프게인 및 관련제어 변경 데이터를 총 망라하고, 공작물의 중량이 체크되어 중량의 변화량이 계산되면 미리 메모리된 데이터를 곧바로 적용하여 최적의 운용이 될 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명에 적용되는 서보모터의 속도 제어장치로써, 상기 블록선도에 서 1, 2, 3은 서보 전동기의 위치 및 속도 제어기의 비례(P), 비례 적분(PI) 제어기 이득들이며, 8은 마찰 보상을 위한 것이며, 4, 5, 6은 피드 포워드 제어기를 나타낸다.

그리고, 7은 관성의 변화를 보상하는 피드 포워드 블록이며, 9. 10은 서보 모터의 전기적 모델이다.

이와 같은 블록선도에서 그 동작을 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같은 제어계는 기본적으로 비례(P)제어에 의한 위치 제어, 비례 적분(PI) 제어에 의한 속도제어, 그리고 위치 및 속도의 피드 포워드 제어를 위한 기본 제어계이다. 상기에서 8은 비선형 마찰항을, 3은 외란을 보상하는 항이다.

즉, 위의 블록선도는 관성의 변화, 마찰, 외란등 기계에 내재된 비선형 성분을 보상하는 제어계인데 보상을 위하여 3가지 기계오차 성분을 추정한다.

전체적으로 회전각 명령

에 대하여

는 명령과 실제 이동각 θ와의 차이를 증폭하여 속도명령을 발생시키며, 이 속도명령은 실제 속도와 비교되어 토크 명령을 발생시킨다.

이 토크 명령에 4, 5, 6에 의한 피드 포워드 성분과, 7에 의한 관성성분 보정과, 8에 의한 마찰성분 보상이 더해져서 기계부 9, 10을 구동하게 되는 것이다.

본 발명은 상기와 같이 이루어지는 서보모터의 속도제어장치에 공작물의 무게에 따른 데이터를 더 부가하여 진동성분 보정과 마찰성분 보정 및 속도성분 보정이 이루어지도록 하여 가공물 중량에 따른 계수를 보정하여 상한 돌기가 형성되는 것을 차단하도록 한다.

도 2는 본 발명의 구성을 블록 다이어 그램을 나타낸 것으로, 도시하나 바와 같이 본 발명의 주요구성을 살펴보면, 제어변수 입력수단(100)과, 데이터 테이블(200)과, 서보모터 전류측정수단(300)과, 공작물 중량변환수단(400)과, 제어기(500)와, 서보모터(600)로 이루어진다.

상기 중량물 제어변수 입력수단(100)은 공작물의 중량변화에 따른 이송축 서보모터의 속도와 진동 및 마찰에 대한 각종 제어변수를 입력하는바, 상기에서 입력되는 제어변수는 많은 시간동안 실험에 의해 축적된 데이터이다.

상기 데이터 테이블(200)은 상기 제어변수 입력장치(100)로부터 중량변화에 따른 제어변수 데이터를 저장하게 되며, 특히 기준 중량을 지정하고 계산된 편차에 해당하는 데이터를 제공하여 공작물의 중량변화에 따라서 서보모터의 속도제어 변수로 이용토록 한다. 구체적으로 변환되는 제어변수는, 속도 이득 제어에 관련된 속도이득 제어 데이터 베이스(210)와, 진동제어에 관련된 진동제어 데이터 베이스(220)와, 마찰제어에 관련된 마찰제어 데이터 베이스(230) 등이 있다.

상기 전류측정수단(300)은 공작물의 미세 이송에 의한 부하 전류의 변동치를 측정하는바, 공작물을 이송하는데 따른 전류량으로서 공작물의 부하를 역산할 수 있다.

상기 공작물 중량변환 수단(400)은 상기 전류측정수단(300)에서 측정된 전류값을 근거로 표준 중량 대비 비교 중량값을 산출하는바, 전류값에 해당하는 중량변환 데이터를 미리 저장하고, 전류측정수단(300)으로부터 전류값이 공급되면 이에 해당하는 중량값을 찾아 전류값을 중량값으로 변환한다.

상기 제어기(500)는 상기 공작물 중량변환 수단(400)으로부터 현재 공작물의 중량을 파악하고 이에 따른 변수 데이터를 데이터 테이블(200)로부터 전송받아 서보모터(600)의 동작을 제어하는바, 속도이득과 진동 및 마찰에 관련된 정보를 데이터 베이스(230)로부터 입력받아 보정된 값을 삽입하여 서보모터(600)를 제어하는 역할을 한다.

이하에서 본 발명의 전체 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명의 제어변수 입력수단(100)을 통해 공작물의 중량에 따른 제어변수를 입력하여, 데이터 테이블(200)에 저장한다.

이후, 실제 작업에 사용되는 공작물의 중량을 확인하기 위해 서보모터(600)를 미세 유동시키는 조작을 한다. 그러면 공작물을 이송시키는 서보모터(600)가 작동하면서 자체 전류가 발생하게 되고, 상기 전류를 전류 측정수단(300)에서 측정하여 공작물 중량확인 수단(400)으로 출력한다.

상기에서 서보모터(600)는 공작물의 중량이 많을 수록 투입되는 전류량이 늘어나게 되는바, 이는 무거운 물체를 움직일때 모터를 회전시키기 위해 전류가 많이 투입되기 때문이며, 따라서, 본 발명에서는 공작물의 무게에 따라서 비례적으로 늘어나는 소요 전류량을 체크하여 공작물의 중량을 센싱할 수 있다.

상기 제어기(500)는 센싱된 중량 데이터를 근거로 하여 상기 중량에 맞는 제어변수를 찾기 위해 데이터 테이블(200)에 접속한다.

상기 데이터 테이블(200)은 중량에 관련하여, 속도이득 데이터 베이스(210) 와, 진동 제어 데이터 베이스(220)와, 마찰 제어 데이터 베이스(230)를 포함하고 있어, 제어기(500)로부터 중량관련 신호가 입력되면 상기 중량에 해당하는 속도이득과, 진동 및 마찰 데이터를 전송한다.

그러면, 상기 제어기(500)는 상기 중량에 따른 속도이득과 진동 및 마찰 데이터를 추가하여 서보모터(600)에 제공하고, 따라서 서보모터(600)는 교정된 값을 채용하여 속도를 조절하게 된다.

상기 데이터를 적용하게 되면 호를 지나갈 때 중량변화에 따라서 적당한 속도변화를 일으키게 되어, 상한 돌기 현상을 막게 되는 것이다.

결국, 본 발명은 공작물의 중량변화에 따라서 변화가 일어나야될 속도이득과 진동 및 마찰 제어변수를 데이터 테이블(200)에 미리 내장하고, 공작물의 중량을 체크한 다음 상기 데이터 테이블(200)로부터 해당 중량의 제어변수를 읽어들여 서보모터(600)에 적용시키도록 함으로써 가공물의 호 가공시 표면에 나타나는 상한 돌기현상을 막을 수 있게 된다.

본 발명의 데이터 테이블은 되도록 한번 이상의 시험 데이터를 축적하여 최상의 보정 데이터를 제공할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 동작 플로우는 도 3에 도시한 바와 같이 정리된다.

중량변화에 따른 속도이득과 진동 및 마찰 제어변수를 한번 이상의 시험을 통해 체크하여 서보모터 속도루프게인 및 관련 제어 보정 데이터를 정량화하는 단계(S1)와;

상기 단계에서 정량화된 중량에 따른 제어변수 데이터를 데이터 테이블에 입 력하는 단계(S2)와;

작업할 공작물의 중량을 센싱하기 위해 서보모터를 미세이동하여 이때 공급되는 전류량을 체크하는 단계(S3)와;

상기 전류량으로부터 공작물의 중량을 계산하는 단계(S4)와;

계산된 중량에 따른 제어변수를 데이터 테이블로부터 추출하는 단계(S5)와;

해당 제어변수를 서보모터에 적용하여 속도를 보정하는 단계(S6)로 이루어진다.

상술한 바와 같이 본 발명은 공작물의 중량 데이터에 따라서 자동으로 제어변수를 제공하여 서보모터의 제어에 적용함으로써, 절삭대상의 표면을 원호 가공시 동적 정밀도를 최적화 시키는 효과를 제공한다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 설명과 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위 내에 속하는 그러한 수정 및 변형은 포함한 것으로 판단할 수 있다.

Claims (3)

1. 공작물의 중량변화에 따른 이송축 서보모터의 속도와 진동 및 마찰에 대한 각종 제어변수를 입력하는 제어변수 입력수단(100)과;

   각종 데이터를 저장하는 데이터 테이블(200)과;

   공작물의 미세 이송에 의한 부하 전류의 변동치를 측정하는 전류측정수단(300)과;

   상기 전류측정수단(300)에서 측정된 전류값을 근거로 표준 중량 대비 비교값을 산출하는 공작물 중량변환 수단(400)과;

   상기 공작물 중량변환 수단(400)으로부터 현재 공작물의 중량을 파악하고 이에 따른 변수 데이터를 데이터 테이블(200)로부터 전송받아 서보모터(600)의 동작을 제어하는 제어기(500)를 포함하며,

   상기 데이터 테이블(200)은,

   상기 제어변수 입력수단(100)으로부터 중량변화에 따른 제어변수 데이터를 저장하며, 속도 이득 제어에 관련된 속도이득 제어 데이터 베이스(210)와, 진동제어에 관련된 진동제어 데이터 베이스(220)와, 마찰제어에 관련된 마찰제어 데이터 베이스(230)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 상한 돌기 방지를 위한 공작기계의 서보모터 속도루프 게인류 제어장치.
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