KR101159644B1 - 레이저 간섭계를 이용한 공작기계 인덱스 테이블의 기하학적 오차 측정장치 및 그 방법 - Google Patents

레이저 간섭계를 이용한 공작기계 인덱스 테이블의 기하학적 오차 측정장치 및 그 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101159644B1
KR101159644B1 KR1020090044951A KR20090044951A KR101159644B1 KR 101159644 B1 KR101159644 B1 KR 101159644B1 KR 1020090044951 A KR1020090044951 A KR 1020090044951A KR 20090044951 A KR20090044951 A KR 20090044951A KR 101159644 B1 KR101159644 B1 KR 101159644B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
error
measuring
index table
laser
optical system
Prior art date
Application number
KR1020090044951A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20100125967A (ko
Inventor
양승한
박성령
고동진
Original Assignee
경북대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 경북대학교 산학협력단 filed Critical 경북대학교 산학협력단
Priority to KR1020090044951A priority Critical patent/KR101159644B1/ko
Publication of KR20100125967A publication Critical patent/KR20100125967A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101159644B1 publication Critical patent/KR101159644B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/26—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes
    • G01B11/27—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes for testing the alignment of axes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02015—Interferometers characterised by the beam path configuration
    • G01B9/02027—Two or more interferometric channels or interferometers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02097—Self-interferometers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/04—Prisms
    • G02B5/045—Prism arrays
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0066—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form characterised by the light source being coupled to the light guide
    • G02B6/0073—Light emitting diode [LED]
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12083—Constructional arrangements
    • G02B2006/12123—Diode

Abstract

본 발명은 레이저 간섭계를 이용하여 공작기계에 장착되어 있는 인덱스 테이블의 기하학적 오차를 측정하는 장치 및 그 측정방법에 관한 것으로서, 인덱스 테이블의 상부에 설치되고 상기 인덱스 테이블과 반대방향으로 동일각만큼 회전하는 회전각 교정부, 상기 회전각 교정부의 상부에 설치되는 광학계, 상기 인덱스 테이블과 이격된 위치에 고정적으로 설치되고 상기 광학계로 레이저를 조사하고 상기 광학계로부터 반사되는 레이저를 수신하는 레이저 송수신부 및 상기 레이저 송수신부에서 수신된 레이저의 광 경로차에 의한 위상차를 분석하여 상기 인덱스 테이블의 기하학적 오차를 측정하는 계산부를 포함하여 구성된다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 회전 구동축의 회전각 오차를 측정하는 장치와 직선 구동축의 위치 및 각오차를 측정하는 레이저 간섭계를 조합하여 인덱스 테이블의 기하학적 오차를 정밀하게 측정하고 공작기계의 기준좌표계 기준으로 기하학적 오차를 기술할 수 있는 효과가 있다.
기하학적 오차, 직각도, 오프셋, 5축, 인덱스 테이블, 레이저, 간섭계.

Description

레이저 간섭계를 이용한 공작기계 인덱스 테이블의 기하학적 오차 측정장치 및 그 방법{An Apparatus For Measuring Geometric Error of Index Table in Machine Tool Using Laser Interferometer And Method Thereof}
본 발명은 공작기계에 장착된 인덱스 테이블의 기하학적 오차를 측정하기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 회전 구동축의 회전각 오차를 측정하는 장치와 직선 구동축의 위치 및 각오차를 측정하는 레이저 간섭계를 조합하여 인덱스 테이블의 기하학적 오차를 측정하고 공작기계의 기준좌표계 기준으로 기하학적 오차를 기술 할 수 있도록 하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 반도체, 항공, 우주산업과 같은 첨단 산업의 발달로 인해 부품산업이 더욱 세밀화, 소형화됨에 따라 가공물의 치수오차와 직결되는 CNC공작기계의 정밀도 향상에 대한 관심이 높다. CNC 공작기계의 3축 가공기술은 이미 많이 보급되어 일반부품 및 금형가공에 활발히 사용되고 있으나 정밀도 및 생산성 측면에서 고부 가가치의 부품 및 금형 가공에 활용되기 어렵다. 5축 공작기계는 효율적인 자유 곡면 가공을 할 수 있다는 측면에서 이러한 단점을 보완할 수 있기 때문에 이에 대한 관심이 증가하고 있고 연구 또한 활발히 진행되고 있다. 도 1은 이러한 5축 공작기계의 개략적인 형상이 도시되어 있다. 특히 공작물에 대한 공구의 위치 및 자세조정을 위해 2개의 인덱스 테이블 축을 추가하여 보다 효율적인 공구의 접근성과 높은 소재 제거율(MRR, Material Removal Rate), 향상된 가공 표면, 셋업 소요 시간 및 생산비 절감의 효과를 가진다. 이러한 장점을 통하여 최근에는 일반 기계부품 뿐만 아니라 금형가공에도 확산 적용되어 고부가가치를 창출할 수 있는 가공기술로 각광받고 있어 국내외적으로 5축 공작기계에 대한 수요가 꾸준히 증가하고 있다.
하지만 공작기계 자체의 정적부하와 연속적인 가공에 의한 가공부하로 인해 공작기계 제조업체에서 명시하는 판매 초기의 성능을 유지하기가 어려우며 가공 시 의도한 치수와 공차에 대한 결과 값을 얻을 수 없게 된다.
실제 가공된 공작물의 치수 및 형상과 최초 설계 상 목표와의 일치정도를 나타내는 가공물 정확도에 대한 기존의 연구에 의하면 공작기계 자체의 오차(60～65%), 절삭공정(30～35%), 기타 환경적인 요인(5～10%)의 순으로 가공물의 오차에 미치는 영향은 공작기계 자체의 오차가 가장 큰 것으로 알려져 있다. 이러한 가공물의 정밀도에 영향을 미치는 오차와 관련된 기술 연구는 이미 수년전부터 이어져 왔다. 하지만 공작기계 자체 오차에 속하는 회전 구동축의 기하학적 오차를 공작기계 기준좌표계 기준으로 측정한 사례는 없다. 본 발명에서는 회전 구동축에 대한 기하학적 오차를 공작기계 기준좌표계 기준으로 측정하는 장치와 방법에 대해 다루고 있다.
회전 구동축의 기하학적 오차는 위치 및 각 오차와 축간 관계 오차인 오프셋 및 직각도 오차로 정의된다.
도 2는 도 1의 인덱스 테이블이 회전할 때 발생하는 6가지 기하학적 오차를 나타낸 것으로서, 인덱스 테이블이 좌표계 O에서 Z축을 기준으로 회전할 때 회전축으로부터 반경 방향으로 발생하는 2개의 위치 오차 δx , δy 와 회전축 방향으로 발생하는 1개의 위치 오차 δz 그리고 인덱스 테이블의 자세를 나타내는 3개의 각오차 εx, εy, εz로 정의된다.
도 3은 인덱스 테이블의 회전 시 오프셋 및 직각도 오차(축간 관계 오차)로 인한 회전 궤적을 도시한 것이다. 인덱스 테이블의 설계시 공작기계에 설정된 기준좌표계의 Z축과 회전축을 일치시키지만 실제로는 오프셋 및 직각도 오차로 인해 ab축을 중심으로 회전한다.
인덱스 테이블의 기하학적 오차를 측정하는 종래 기술로서 인덱스 테이블이 가지는 3개의 위치 오차 측정을 위해 1개의 정밀 볼(Master ball)과 3개의 LVDT(Linear Variable Differential Transformer)를 사용하고 3개의 각 오차 측정 을 위해 6각 폴리곤과 오토콜리메이터(autocollimator)를 이용한 방법이 제안된 바 있다. 그러나 이 방법은 LVDT 셋업 과정에서의 설치오차로 인해 측정값이 영향을 받을 수 있는 단점이 있다.
다른 종래기술로는 회전축의 성능을 테스트하는 방법으로 원형 테스트가 제안된 바 있으나, 이러한 방법은 간단한 셋업에 의해 연속적인 테스트를 할 수 있지만 직선 동작을 같이 하므로 순수한 기하학적 오차를 측정할 수 없는 문제점이 있다.
그 외에, 정격용량센서를 이용하여 압전소자로 구동되는 회전체의 반지름 방향 오차와 압전소자의 위치에 따른 회전체의 오차를 측정하는 방식이 있으나, 이러한 방법은 공작기계에 설정된 기준좌표계와의 상대적인 관계를 정의할 수 없는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 회전 구동축의 회전각 오차를 측정하는 장치와 직선 구동축의 위치 및 각오차를 측정하는 레이저 간섭계를 조합하여 인덱스 테이블의 기하학적 오차를 공작기계 기준좌표계 기준으로 정밀하게 측정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 레이저 간섭계를 이용한 공작기계 인덱스 테이블의 기하학적 오차 측정장치에 있어서, 인덱스 테이블의 상부에 설치되고 상기 인덱스 테이블과 반대방향으로 동일각만큼 회전하는 회전각 교정부, 상기 회전각 교정부의 상부에 설치되는 광학계, 상기 인덱스 테이블과 이격된 위치에 고정적으로 설치되고 상기 광학계로 레이저를 조사하고 상기 광학계로부터 반사되는 레이저를 수신하는 레이저 송수신부 및 상기 레이저 송수신부에서 수신된 레이저의 광 경로차에 의한 위상차를 분석하여 상기 인덱스 테이블의 기하학적 오차를 측정하는 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계를 이용한 공작기계 인덱스 테이블의 기하학적 오차 측정장치가 제공된다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일측면에 따르면, 공작기계에 장착된 인덱스 테이블의 기하학적 오차 측정방법에 있어서, (a) 인덱스 테이 블의 상부에 상기 인덱스 테이블과 반대방향으로 동일각만큼 회전하는 회전각 교정부를 설치하는 단계, (b) 상기 회전각 교정부의 상부에 선형 변위 오차 측정용 광학계를 설치한 상태에서 상기 인덱스 테이블을 일정 각도씩 회전시키면서 상기 선형 변위 오차 측정용 광학계에 레이저를 조사하여 Y축 방향의 변위 오차를 측정하는 단계, (c) 상기 회전각 교정부의 상부에 수평방향 진직도 오차 측정용 광학계를 설치한 상태에서 상기 인덱스 테이블을 일정 각도씩 회전시키면서 상기 수평방향 진직도 오차 측정용 광학계에 레이저를 조사하여 X축 방향의 변위 오차를 측정하는 단계, (d) 상기 회전각 교정부의 상부에 수직방향 진직도 오차 측정용 광학계를 설치한 상태에서 상기 인덱스 테이블을 일정 각도씩 회전시키면서 상기 수직방향 진직도 오차 측정용 광학계에 레이저를 조사하여 Z축 방향의 변위 오차를 측정하는 단계, (e) 상기 회전각 교정부의 상부에 제 1축 방향 회전각 오차 측정용 광학계를 설치한 상태에서 상기 인덱스 테이블을 일정 각도씩 회전시키면서 상기 제 1축 방향 회전각 오차 측정용 광학계에 레이저를 조사하여 X축 방향의 각오차를 측정하는 단계 및 (f) 상기 회전각 교정부의 상부에 제 2축 방향 회전각 오차 측정용 광학계를 설치한 상태에서 상기 인덱스 테이블을 일정 각도씩 회전시키면서 상기 제 2축 방향 회전각 오차 측정용 광학계에 레이저를 조사하여 Z축 방향의 변위 오차를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계를 이용한 공작기계 인덱스 테이블의 기하학적 오차 측정방법이 제공된다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 회전 구동축의 회전각 오차를 측정하는 장치와 직선 구동축의 위치 및 각오차를 측정하는 레이저 간섭계를 조합하여 인덱스 테이블의 기하학적 오차를 공작기계 기준좌표계 기준으로 정밀하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 본 실시예에서 레이저 간섭계는 영국 Renishaw사 제품으로 분해능 1nm와 정확도 0.5ppm를 가지고 있으며 633nm 파장의 He-Ne 광원을 사용한다.
현재 레이저 간섭계를 통해서 측정 가능한 공작기계의 기하학적 오차요소는 직선 구동축에 대해서 선형 변위 오차(Liear Displacement Error), 진직도 오차(Straightness Error), 롤(Roll)오차를 제외한 2개의 각 오차(Angular Error), 직각도 오차(Squareness Error)가 있으며 회전 구동축에 대해서는 회전각 오차(Rotational Angular Error)가 있다.
우선, 도 4 ~ 7을 참조하여 본 발명에 사용되는 레이저 간섭계의 원리를 간단히 설명한다.
도 4는 선형 변위 오차를 측정하는 원리를 도시한 개념도이다. 선형 변위 오차는 직선 구동축에서 이동축 방향으로의 위치 오차를 나타내는 것으로서, 본 발명에서는 Y축 방향 변위 오차로서 사용된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 선형 변위 오차를 측정하기 위한 광학계는 레이저 송수신부(10)의 레이저 조사 경로 상에 고정적으로 설치되어 조사된 레이저를 2방향으로 분리시키는 제 1 빔 분리기(20), 측정대상물의 일측에 설치되고 제 1 빔 분리기(20)로부터 제 1 방향(레이저 조사방향)으로 분리된 레이저를 반사시키는 제 1 반사경(40) 및 제 1 빔 분리기(20)로부터 제 2 방향(레이저 조사방향의 수직 방향)으로 분리된 레이저를 반사시키는 제 2 반사경(30)을 포함하여 구성된다.
레이저 송수신부(10)의 레이저 다이오드에서 발사된 레이저빔은 제 1 빔 분리기(20)에 의해 레이저 조사방향으로 진행하는 측정 빔과 레이저 조사방향에 수직방향으로 진행하는 기준 빔으로 나뉘어 진행하게 되고, 제 1 반사경(40)으로부터 반사되어 돌아오는 측정 빔과 제 2 반사경(30)으로부터 반사되어 돌아오는 기준 빔 간의 위상차를 계산함으로써 선형 변위 오차가 측정된다.
도 5는 진직도 오차를 측정하기 위한 원리를 도시한 개념도이다. 진직도 오차는 직선 구동축에서 이동방향에 대한 직진 오차를 나타내는 것으로서, 본 발명에서는 X, Z축 방향 변위 오차로서 사용된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 진직도 오차를 측정하기 위한 광학계는 측정대상물의 일측에 설치되는 프리즘(50) 및 프리즘(50)을 통과한 레이저를 반사시켜 프리즘(50)으로 보내는 고정식의 제 3 반사경(60)을 포함하여 구성된다.
레이저 송수신부(10)의 레이저 다이오드에서 발사된 레이저빔은 프리즘(50)에서 2개의 레이저 빔으로 분리되어 제 3반사경(60)으로 입사된 후 반사되며 프리 즘(50)을 경유하여 레이저 송수신부(10)로 수신되는데 이 때 2개의 레이저 빔 간의 위상차를 계산함으로써 진직도 오차가 측정된다.
도 6은 각 오차를 측정하기 위한 원리를 도시한 개념도이다. 각 오차에는 직선 구동축에 대해 롤(Roll), 피치(Pitch) 및 요(Yaw)각 있으나 현재 레이저 간섭계로는 롤(Roll) 측정이 어렵다. 본 발명에서는 X, Z축 방향 각 오차로서 사용된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 각 오차를 측정하기 위한 광학계는 레이저 송수신부(10)의 레이저 조사 경로 상에 고정적으로 설치되어 조사된 레이저를 평행한 2개의 레이저로 분리시키는 광학수단으로서 사용되는 제 2 빔 분리기(70)와 제 4 반사경(80) 및 측정대상물의 일측에 설치되고 평행한 2개의 레이저를 반사시키는 제 5 반사경(90)을 포함하여 구성된다.
레이저 송수신부(10)의 레이저 다이오드에서 발사된 레이저빔은 제 2 빔 분리기(70)와 제 4 반사경(80)에 의해 평행한 2개의 레이저빔으로 조사되고 제 5 반사경(90)으로부터 반사되어 돌아오는 빔은 제 2 빔 분리기(70)와 제 4 반사경(80)를 경유하여 레이저 송수신부(10)로 수신되는데 이 때 2개의 레이저 빔 간의 위상차와 제 2 빔 분리기(70)와 제 4 반사경(80)에 의해 분리된 두 레이저빔간의 거리를 이용하여 각 오차가 측정된다.
도 7은 회전 구동축의 회전각 오차를 측정하기 위한 원리를 도시한 개념도이다.
회전각 오차 측정을 위해서는 공작기계의 인덱스 테이블에 일정각도(예를 들면 5??) 회전지령을 내리게 되면 인덱스 테이블은 회전각 오차를 포함하여 회전하게 되고, 회전축 교정기가 인덱스 테이블의 회전을 감지하여 반대 방향으로 1 arcsec의 회전 위치 정밀도로 회전을 하게 된다. 이때 인덱스 테이블의 회전각 오차 값은 장치 상측에 설치된 각 오차 측정용 광학계를 이용하여 측정된다.
공작기계의 기준좌표계 기준으로 회전구동축의 오프셋 및 직각도 오차(축간 관계 오차)를 정의하기 위해서는 먼저 공작기계의 기준좌표계의 도출이 선행되어야 한다. 직선 구동축으로만 구성된 3축 공작기계에 대한 기하학적 오차는 선형 변위, 진직도, 각 및 직각도 오차 측정용 광학계를 이용하여 레이저 간섭계로 측정된다. 하지만 도 1에서 공작기계의 기준좌표계와 회전 구동축의 기하학적 오차 측정시 사용되는 측정좌표계와의 상관관계를 도출하기 위해서 공작기계 테이블위에 회전각 교정부를 설치한 후 Y축 직선 구동축의 기하학적 오차를 측정하고 레이저 송수신부의 이동 없이 인덱스 테이블의 기하학적 오차를 측정해야 한다. 도 8 ~ 12는 인덱스 테이블의 기하학적 오차를 측정하는 방법을 도시하고 있다.
도 8은 인덱스 테이블의 X축 방향 위치 오차를 측정하기 위한 장치 구성도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 인덱스 테이블(1)의 X축 방향 위치 오차 측정을 위한 장치는 인덱스 테이블(1) 상에 설치된 회전축 교정기(2)의 상부에 수평방향으 로 진직도 오차 측정을 하기 위한 광학계(50, 60a)를 설치한 후 인덱스 테이블을 일정각도씩 회전하면서 X축 방향의 변위를 측정하도록 구성되어 있다.
도 9는 인덱스 테이블의 Y축 방향 위치 오차를 측정하기 위한 장치 구성도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 인덱스 테이블의 Y축 방향 위치 오차 측정을 위한 장치는 인덱스 테이블(1) 상에 설치된 회전축 교정기(2)의 상부에 선형 변위 오차 측정을 위한 광학계(20, 30, 40)를 설치한 후 인덱스 테이블(1)을 일정각도씩 회전하면서 Y축 방향의 변위를 측정하도록 구성되어 있다.
도 10은 인덱스 테이블의 Z축 방향 위치 오차를 측정하기 위한 장치 구성도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 인덱스 테이블의 Z축 방향 위치 오차 측정을 위한 장치는 인덱스 테이블(1) 상에 설치된 회전축 교정기(2)의 상부에 수직방향으로 진직도 오차 측정을 위한 광학계(50, 60b)를 설치한 후 인덱스 테이블(1)을 일정각도씩 회전하면서 Z축 방향의 변위를 측정하도록 구성되어 있다.
도 11은 인덱스 테이블의 X축 방향 각 오차를 측정하기 위한 장치 구성도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 인덱스 테이블의 X축 방향 각 오차 측정을 위한 장치는 인덱스 테이블(1) 상에 설치된 회전축 교정기(2)의 상부에 수직방향으로 각 오차 측정을 위한 광학계(70a, 80a, 90a)를 설치한 후 인덱스 테이블을 일정각도씩 회전하면서 X축 방향의 각을 측정하도록 구성되어 있다.
도 12는 인덱스 테이블의 Z축 방향 각 오차를 측정하기 위한 장치 구성도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 인덱스 테이블의 Z축 방향 각 오차 측정을 위한 장치는 인덱스 테이블(1) 상에 설치된 회전축 교정기(2)의 상부에 수평방향으로 각 오차 측정을 위한 광학계(70b, 80b, 90b)를 설치한 후 인덱스 테이블(1)을 일정각도씩 회전하면서 Z축 방향의 각을 측정하도록 구성되어 있다.
도 13은 인덱스 테이블의 기하학적 오차를 5축 공작기계의 기준좌표계 기준으로 정의하는 방법을 개념적으로 도시한 것이다.
도 13을 참조하면, Y축 직선 구동축에 대한 기하학적 오차를 측정한 후 레이저 송수신부(10)의 위치를 바꾸지 않고 인덱스 테이블(1)의 기하학적 오차를 측정하여 동일한 측정좌표계, 즉 제 3 측정좌표계 기준으로 두 구동축(Y축 직선 구동축과 인덱스 테이블)의 기하학적 오차를 측정한다.
또한 제 1, 2 및 3 측정좌표계의 상관관계는 직선 구동축의 직각도를 측정하여 도출하고 이 상관관계를 이용하여 5축 공작기계의 기준좌표계를 설정한다. 5축 공작기계의 기준좌표계를 기준으로 인덱스 테이블의 기하학적 오차를 정의하는 것 은 제 3 측정좌표계를 기준으로 측정한 인덱스 테이블의 기하학적 오차를 기준좌표계로 데이터를 변환하면 된다.
도 14 ~ 16은 측정 데이터를 기준좌표계 기준으로 변환한 변위 데이터 (Txi, Tyi, Tzi)를 이용하여 인덱스 테이블의 축간 관계 오차인 오프셋 및 직각도 오차를 구하는 방법을 도시한 것이다.
도 14 ~ 16와 같이 X, Y, Z축 방향의 변위 데이터 (Txi, Tyi, Tzi)를 이용하여 최소자승법으로 구한 평면과 최소 자승 중심법으로 구한 원의 중심을 이용하여 인덱스 테이블의 지역좌표계를 정의한다. 여기서 인덱스 테이블 지역좌표계의 Z축을 회전축으로 정의하고 공작기계의 기준좌표계(본 실시예에서는 Z축)와 회전축의 기울어진 정도를 직각도로 정의한다. 또한 공작기계의 기준좌표계를 기준으로 인덱스 테이블의 지역좌표계 원점에 대한 좌표 값을 오프셋으로 정의한다.
도 14는 최소자승법을 이용하여 변위 데이터 (Txi, Tyi Tzi)에 있어 최소 오차 평균합을 갖는 평면을 구하는 원리를 도시한 것이다.
본 실시예에서 수학식의 유도 과정을 보면 먼저 평면의 일반식을 수학식 1과 같이 정의하고 변위 데이터 (Txi, Tyi Tzi)와의 차 εi를 이용하여 수학식 2의 편미분 과정을 거쳐 수학식 3과 같은 행렬식을 정의하고 평면의 계수 a, b, c를 계산한 후 수학식 4와 같이 최종적으로 평면의 법선 벡터를 구한다.
Figure 112009030817484-pat00001
Figure 112009030817484-pat00002
Figure 112009030817484-pat00003
Figure 112009030817484-pat00004
,
Figure 112009030817484-pat00005
,
Figure 112009030817484-pat00006
Figure 112009030817484-pat00007
법선벡터 : - a i - b j + k
수학식 1 ~ 4에 의해 생성된 평면에 변위 데이터 (Txi, Tyi, Tzi)를 정사영한 후 평면상의 데이터에 대해 최소 자승 중심법을 이용하여 원의 중심을 계산하여 기준좌표계에서 바라본 원의 중심을 계산한다.
변위 데이터 (Txi, Tyi, Tzi)를 생성된 평면에 정사영할 때 정사영 기준 방향에 따른 계산 값의 차가 발생할 수 있으므로 변위 데이터 (Txi, Tyi, Tzi)를 기준좌표계 Z축 방향으로 평면에 정사영한 후 평면상에서 원을 생성하는 경우와 변위 데이터 (Txi, Tyi, Tzi)를 평면의 법선 벡터 방향으로 평면에 정사영한 후 평면상에서 원을 생성하는 2가지 경우의 결과 값을 비교 분석하여 정확한 방법을 결정하는 것이 바 람직하다.
도 15는 변위 데이터 (Txi, Tyi, Tzi)를 기준좌표계 Z축 방향으로 평면에 정사영한 후 평면상에서 원을 형성하는 방법을 도시한 것이다.
도 15에 개시된 바와 같이, 공작기계의 기준좌표계를 RCS로 원을 생성하기 위한 지역 좌표계를 LCS로 정의하면, 두 좌표계 간의 관계를 균일변환 행렬(HTM, Homogeneous Transform Matrix)을 이용하여 수학식 5와 같이 정의하여 수학식 6과 같이 좌표계 LCS에 대한 평면 정사영 데이터의 좌표 값 (Txi', Tyi', 0)이 계산된다. 이 좌표 값을 바탕으로 최소 자승 중심법을 이용하여 평면상에서 원의 중심을 계산한다.
Figure 112009030817484-pat00008
여기서,
Figure 112009030817484-pat00009
,
Figure 112009030817484-pat00010
Figure 112009030817484-pat00011
도 16은 변위 데이터 (Txi, Tyi, Tzi)를 평면의 법선 벡터 방향으로 평면에 정사영한 후 평면상에서 원을 형성하는 방법을 도시한 것이다.
여기서 (T* xi, T* yi, T* zi)는 변위 데이터 (Txi, Tyi, Tzi)를 평면의 법선 벡터 - a i - b j + k를 기준으로 하여 평면에 정사영한 후 공작기계의 기준좌표계 RCS에서 바라본 좌표 값이며 변위 데이터 (Txi, Tyi, Tzi)를 수학식 7과 평면 방정식에 대입하여 계산할 수 있고 수학식 8과 같다.
(T* xi, T* yi, T* zi)는 공작기계의 기준좌표계 RCS에서 바라본 좌표 값이며 수학식 9 및 수학식 10과 같은 과정으로 LCS 좌표계에서 바라본 평면상의 좌표 값 (T＂xi, T＂yi, 0)을 계산할 수 있다. 이 좌표 값을 바탕으로 최소 자승 중심법을 이용하여 평면상에서 원의 중심을 계산한다.
Figure 112009030817484-pat00012
Figure 112009030817484-pat00013
Figure 112009030817484-pat00014
Figure 112009030817484-pat00015
Figure 112009030817484-pat00016
여기서,
Figure 112009030817484-pat00017
,
Figure 112009030817484-pat00018
Figure 112009030817484-pat00019
상기 두 가지 방법으로 구한 원 중심(LCS 좌표계 기준으로 표현)을 공작기계의 기준좌표계 RCS 기준으로 변환하면 인덱스 테이블의 오프셋이 정의된다. 이렇게 구한 오프셋을 원점으로 하고 앞서 구한 인덱스 테이블의 직각도를 이용하여 좌표계를 설정하면 인덱스 테이블의 지역좌표계가 된다. 공작기계의 기준좌표계로 기술된 변위 데이터 (Txi, Tyi, Tzi)를 회전 구동축의 지역좌표계 기준으로 표시하면 위치 및 각 오차가 정의된다.
도 1은 5축 공작기계의 개략적인 형상을 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 인덱스 테이블이 회전축을 기준으로 회전할 때 발생하는 6가지 기하학적 오차를 나타낸 것이다.
도 3은 인덱스 테이블의 회전 시 오프셋 및 직각도 오차로 인한 회전 궤적을 도시한 것이다.
도 4는 선형 변위 오차를 측정하는 원리를 도시한 개념도이다.
도 5는 진직도 오차를 측정하기 위한 원리를 도시한 개념도이다.
도 6은 각 오차를 측정하기 위한 원리를 도시한 개념도이다.
도 7은 회전각 오차를 측정하기 위한 원리를 도시한 개념도이다.
도 8은 인덱스 테이블의 기하학적 오차 중 X축 방향 위치 오차를 측정하기 위한 장치 구성도이다.
도 9는 인덱스 테이블의 기하학적 오차 중 Y축 방향 위치 오차를 측정하기 위한 장치 구성도이다.
도 10은 인덱스 테이블의 기하학적 오차 중 Z축 방향 위치 오차를 측정하기 위한 장치 구성도이다.
도 11은 인덱스 테이블의 기하학적 오차 중 X축 방향 각 오차을 측정하기 위한 장치 구성도이다.
도 12은 인덱스 테이블의 기하학적 오차 중 Z축 방향 각 오차을 측정하기 위한 장치 구성도이다.
도 13은 인덱스 테이블의 기하학적 오차를 5축 공작기계의 기준좌표계 기준으로 정의하는 방법을 개념적으로 도시한 것이다.
도 14는 최소자승법을 이용하여 변위 데이터들에 있어 최소 오차 평균합을 갖는 평면을 구하는 원리를 도시한 것이다.
도 15는 변위 데이터를 공작기계의 기준좌표계 Z축 방향으로 평면에 정사영한 후 평면상에서 원을 형성하는 방법을 도시한 것이다.
도 16은 변위 데이터를 평면의 법선 벡터 방향으로 평면에 정사영한 후 평면상에서 원을 형성하는 방법을 도시한 것이다.

Claims (11)

  1. 레이저 간섭계를 이용한 공작기계 인덱스 테이블의 기하학적 오차 측정장치에 있어서,
    인덱스 테이블의 상부에 설치되고 상기 인덱스 테이블과 반대방향으로 동일각만큼 회전하는 회전각 교정부;
    상기 회전각 교정부의 상부에 설치되는 광학계;
    상기 인덱스 테이블과 이격된 위치에 고정적으로 설치되고 상기 광학계로 레이저를 조사하고 상기 광학계로부터 반사되는 레이저를 수신하는 레이저 송수신부; 및
    상기 레이저 송수신부에서 수신된 레이저의 광 경로차에 의한 위상차를 분석하여 상기 인덱스 테이블의 기하학적 오차를 측정하는 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계를 이용한 공작기계 인덱스 테이블의 기하학적 오차 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학계는
    선형 변위 오차 측정을 위한 광학계, 수평방향 진직도 오차 측정을 위한 광학계, 수직방향 진직도 오차 측정을 위한 광학계, 제 1축 방향 각 오차 측정을 위 한 광학계 및 제 2축 방향 각 오차 측정을 위한 광학계가 각각 교체 사용되면서 3개의 위치 오차, 2개의 각 오차, 오프셋 및 직각도 오차가 측정되는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계를 이용한 공작기계 인덱스 테이블의 기하학적 오차 측정장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 선형 변위 오차 측정용 광학계는 상기 레이저 송수신부의 레이저 조사 경로 상에 고정적으로 설치되어 조사된 레이저를 2방향으로 분리시키는 빔 분리기, 상기 회전각 교정부의 상부에 설치되고 상기 빔 분리기로부터 제 1 방향으로 분리된 레이저를 반사시키는 제 1 반사경 및 상기 빔 분리기로부터 제 2 방향으로 분리된 레이저를 반사시키는 제 2 반사경을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계를 이용한 공작기계 인덱스 테이블의 기하학적 오차 측정장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 수평방향 진직도 오차 측정용 광학계, 수직방향 진직도 오차 측정용 광학계는 상기 회전각 교정부의 상부에 설치되는 프리즘 및 상기 프리즘을 통과한 레이저를 반사시켜 상기 프리즘으로 보내는 고정식의 제 3 반사경을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계를 이용한 공작기계 인덱스 테이블의 기하학적 오차 측정장치.
  5. 제 1 항 내지 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    X축, Z축 및 Y축 직선 구동축에 대한 기하학적 오차를 각각 제 1 ~ 3 측정좌표계에서 측정하고, Y축 직선 구동축에 대한 기하학적 오차를 측정한 후 상기 레이저 송수신부의 위치를 바꾸지 않고 인덱스 테이블의 기하학적 오차를 측정하여 상기 제 3 측정좌표계 기준으로 Y축 직선 구동축과 인덱스 테이블의 기하학적 오차를 측정한 후, 상기 X축, Z축 및 Y축 직선 구동축의 직각도를 측정하여 상기 제 1, 2 및 3 측정좌표계의 상관관계를 도출하며, 도출된 상관관계를 이용하여 5축 공작기계의 기준좌표계를 설정하여 상기 인덱스 테이블의 기하학적 오차를 5축 공작기계의 기준좌표계 기준으로 정의하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계를 이용한 공작기계 인덱스 테이블의 기하학적 오차 측정장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 계산부는 상기 인덱스 테이블을 일정각도씩 회전시켜가면서 상기 선형 변위 오차 측정을 위한 광학계, 수평방향 진직도 오차 측정을 위한 광학계 및 수직방향 진직도 오차 측정을 위한 광학계를 이용하여 X축, Y축 및 Z축의 위치 오차를 측정하고,
    상기 제 1축 방향 각 오차 측정을 위한 광학계, 제 2축 방향 각 오차 측정을 위한 광학계를 이용하여 제 1축 및 제 2축의 각 오차를 측정하고,
    최소자승법을 이용하여 변위 데이터들에 있어 최소 오차 평균합을 갖는 평면의 법선 벡터를 구하여 상기 인덱스 테이블의 직각도 오차를 계산하며,
    구해진 상기 평면에 변위 데이터들을 정사영하고, 최소자승 중심법을 이용하여 기준좌표계에서 바라본 원의 중심을 계산하여 오프셋을 계산하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계를 이용한 공작기계 인덱스 테이블의 기하학적 오차 측정장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 평면의 법선벡터는 하기 수학식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계를 이용한 공작기계 인덱스 테이블의 기하학적 오차 측정장치.
    Figure 112012003655848-pat00020
    Figure 112012003655848-pat00021
    Figure 112012003655848-pat00050
    Figure 112012003655848-pat00023
    ,
    Figure 112012003655848-pat00024
    ,
    Figure 112012003655848-pat00025
    Figure 112012003655848-pat00026
    법선벡터 : - a i - b j + k
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 계산부는 상기 기준좌표계에서 바라본 원의 중심을 상기 인덱스 테이블의 좌표계에서 바라본 원의 중심으로 변환하는 연산과정을 더 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계를 이용한 공작기계 인덱스 테이블의 기하학적 오차 측정장치.
  9. 레이저 간섭계를 이용한 공작기계에 장착된 인덱스 테이블의 기하학적 오차 측정방법에 있어서,
    (a) 인덱스 테이블의 상부에 상기 인덱스 테이블과 반대방향으로 동일각만큼 회전하는 회전각 교정부를 설치하는 단계;
    (b) 상기 회전각 교정부의 상부에 선형 변위 오차 측정을 위한 광학계를 설치한 상태에서 상기 인덱스 테이블을 일정 각도씩 회전시키면서 상기 선형 변위 오차 측정을 위한 광학계에 레이저를 조사하여 Y축 방향의 변위 오차를 측정하는 단계;
    (c) 상기 회전각 교정부의 상부에 수평방향 진직도 오차 측정을 위한 광학계를 설치한 상태에서 상기 인덱스 테이블을 일정 각도씩 회전시키면서 상기 수평방향 진직도 오차 측정을 위한 광학계에 레이저를 조사하여 X축 방향의 변위 오차를 측정하는 단계;
    (d) 상기 회전각 교정부의 상부에 수직방향 진직도 오차 측정을 위한 광학계를 설치한 상태에서 상기 인덱스 테이블을 일정 각도씩 회전시키면서 상기 수직방향 진직도 오차 측정을 위한 광학계에 레이저를 조사하여 Z축 방향의 변위 오차를 측정하는 단계;
    (e) 상기 회전각 교정부의 상부에 제 1축 방향 회전각 오차 측정용 광학계를 설치한 상태에서 상기 인덱스 테이블을 일정 각도씩 회전시키면서 상기 제 1축 방향 회전각 오차 측정을 위한 광학계에 레이저를 조사하여 X축 방향의 각 오차를 측정하는 단계; 및
    (f) 상기 회전각 교정부의 상부에 제 2축 방향 회전각 오차 측정을 위한 광학계를 설치한 상태에서 상기 인덱스 테이블을 일정 각도씩 회전시키면서 상기 제 2축 방향 회전각 오차 측정을 위한 광학계에 레이저를 조사하여 Z축 방향의 각 오차를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계를 이용한 공작기계 인덱스 테이블의 기하학적 오차 측정방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 (f) 단계 이후에는
    (g) 최소자승법을 이용하여 상기 (b) ~ (d) 단계에서 측정된 변위 데이터들에 있어 최소 오차 평균합을 갖는 평면의 법선 벡터를 구하여 상기 인덱스 테이블의 직각도 오차를 계산하는 단계;
    (h) 구해진 상기 평면에 측정된 변위 데이터들을 정사영하고, 최소자승 중심법을 이용하여 측정좌표계에서 바라본 원의 중심을 계산하여 3개의 오프셋 오차를 계산하는 단계; 및
    (i) 상기 측정좌표계에서 바라본 원의 중심을 상기 인덱스 테이블의 좌표계에서 바라본 원의 중심으로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계를 이용한 공작기계의 인덱스 테이블 회전축 오차 측정방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 평면의 법선벡터는 하기 수학식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계를 이용한 공작기계의 인덱스 테이블 회전축 오차 측정방법.
    Figure 112012003655848-pat00027
    Figure 112012003655848-pat00051
    Figure 112012003655848-pat00052
    Figure 112012003655848-pat00030
    ,
    Figure 112012003655848-pat00031
    ,
    Figure 112012003655848-pat00032
    Figure 112012003655848-pat00053
    법선벡터 : - a i - b j + k
KR1020090044951A 2009-05-22 2009-05-22 레이저 간섭계를 이용한 공작기계 인덱스 테이블의 기하학적 오차 측정장치 및 그 방법 KR101159644B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090044951A KR101159644B1 (ko) 2009-05-22 2009-05-22 레이저 간섭계를 이용한 공작기계 인덱스 테이블의 기하학적 오차 측정장치 및 그 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090044951A KR101159644B1 (ko) 2009-05-22 2009-05-22 레이저 간섭계를 이용한 공작기계 인덱스 테이블의 기하학적 오차 측정장치 및 그 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20100125967A KR20100125967A (ko) 2010-12-01
KR101159644B1 true KR101159644B1 (ko) 2012-07-09

Family

ID=43504000

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090044951A KR101159644B1 (ko) 2009-05-22 2009-05-22 레이저 간섭계를 이용한 공작기계 인덱스 테이블의 기하학적 오차 측정장치 및 그 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101159644B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102482634B1 (ko) 2022-03-16 2022-12-29 유환기 공작기계 수평 확인 장치
KR20240022899A (ko) 2022-08-12 2024-02-20 주식회사 우정 차량용 스티어링 샤프트 검사 장치

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106595480B (zh) * 2016-12-09 2019-03-22 北京交通大学 用于测量转轴六自由度几何误差的激光测量系统及方法
CN107490343B (zh) * 2017-09-21 2019-08-09 北京工业大学 一种用于转台六项几何误差测量方法
CN108153234B (zh) * 2018-01-30 2023-08-04 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所 机床直线运动运行态的全自由度精度检测装置
CN109933920B (zh) * 2019-03-18 2021-01-12 西南交通大学 一种旋转轴位置偏差的误差矢量建模方法
KR102344264B1 (ko) * 2021-11-02 2021-12-29 한화시스템(주) 자동 시선각 보정이 가능한 이동형 시스템에 탑재되는 전자광학추적장치 및 그 방법
CN117124483B (zh) * 2023-07-13 2024-03-08 同济大学 基于在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿加工方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004245634A (ja) 2003-02-12 2004-09-02 Tokyo Seimitsu Co Ltd 回転角度測定装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004245634A (ja) 2003-02-12 2004-09-02 Tokyo Seimitsu Co Ltd 回転角度測定装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102482634B1 (ko) 2022-03-16 2022-12-29 유환기 공작기계 수평 확인 장치
KR20240022899A (ko) 2022-08-12 2024-02-20 주식회사 우정 차량용 스티어링 샤프트 검사 장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR20100125967A (ko) 2010-12-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101159644B1 (ko) 레이저 간섭계를 이용한 공작기계 인덱스 테이블의 기하학적 오차 측정장치 및 그 방법
Ni et al. An on-line measurement technique for machine volumetric error compensation
Gao et al. Machine tool calibration: Measurement, modeling, and compensation of machine tool errors
CN2884141Y (zh) 一种激光六自由度同时测量装置
CN102303224B (zh) 一种光学零件加工与检测一体化制造装置及制造方法
CN109732402B (zh) 基于激光干涉仪的多线机床空间几何误差测量辨识方法
CN107091608B (zh) 一种基于曲面基准件的五自由度参数测量方法
CN107234487B (zh) 基于组合面型基准件的运动部件多参数检测方法
CN209842399U (zh) 机床几何误差及旋转台转角定位误差检定装置
Huang et al. Identification of geometric errors of rotary axes on 5-axis machine tools by on-machine measurement
CN109318059A (zh) 数控机床平动轴几何误差的检定装置和方法
CN107289865A (zh) 一种基于曲面基准件的二维位移测量方法
Wang et al. The method of geometric error measurement of NC machine tool based on the principle of space vector’s direction measurement
Zhang et al. Geometric error measuring, modeling, and compensation for CNC machine tools: a review
CN109520417A (zh) 机床几何误差及旋转台转角定位误差检定装置和方法
Steinkopf et al. Fly-cutting and testing of freeform optics with sub-um shape deviations
CN110640546B (zh) 用于大型齿轮在机旁置测量的被测齿轮回转轴线测定方法
EP1885520A2 (en) Apparatus and method
CN207163406U (zh) 一种基于曲面基准件的二维位移测量系统
Knapp et al. Testing the contouring performance in 6 degrees of freedom
Muelaner et al. Rapid machine tool verification
CN115922439A (zh) 数控五轴机床加工精度检测方法
Wang et al. A theoretical analysis of 4 body diagonal displacement measurement and sequential step diagonal measurement
CN211072866U (zh) 带光路漂移补偿的收发分体式五自由度测量装置
WO2020105218A1 (ja) 測定方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150603

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160526

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180529

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190529

Year of fee payment: 8