KR101244264B1 - 형상 측정기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 접촉력을 변경하면서 작은 접촉력으로 피측정물의 표면 형상을 측정할 수 있는 형상 측정기를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 측정 프로브(32)가 경사각 θ를 형성하여 지지한다. 측정 프로브(32)가 후퇴하는 힘은, 경사각 θ에 의해 생기므로, 자기하중 m에 비해 훨씬 작은 mgsigθ가 된다. 한편, 가압 수단(40)으로 압출력 Fc에 의하여 가압한다. 그러므로, 공작물 W에 작용하는 측정 프로브(32)의 접촉력은, 측정자 자기하중 경사 성분 mgsigθ와 가압 수단(40)의 압출력 Fc의 차분(F = Fc - mgsigθ)이 되므로, 접촉력을 매우 작게 하는 것이 가능하다. 또한, 가압 수단(40)으로 압출력 Fc를 변경함으로써, 접촉력을 변경할 수 있다.
프로브, 주동 축, 종동 축, 베어링, 위치 검출, 접촉력, 형상 측정, 리니어 스케일

Description

형상 측정기{FORM MEASUREMENT DEVICE}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 측정기를 탑재하는 초정밀 가공기의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 2는 형상 측정기의 평면도이다.
도 3은 형상 측정기의 제어 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 형상 측정기에서의 접촉압의 설명도이다.
도 5는 형상 측정기에서의 공작물 측정에 대한 설명도이다.
도 6은 종래 기술의 형상 측정기에 대한 설명도이다.
도 7은 종래 기술의 형상 측정기에 대한 설명도이다.
[부호의 설명]
10: 초정밀 가공기 30: 형상 측정기
32: 측정 프로브 34: 주동 축
36: 종동 축 40: 가압 수단
42: 지지 수단 W: 공작물(피측정물)
[특허 문헌 1] 일본국 특개평 7-260471호 공보
[특허 문헌 2] 일본국 특표 2005-502876호 공보
본 발명은, 접촉식 측정 프로브(probe)를 구비하는 형상 측정기에 관한 것으로서, 바람직하게는 가공기에 탑재되는 기상(機上) 형상 측정기에 관한 것이다.
종래부터, 광학 렌즈 등의 표면 형상을 측정하는 형상 측정기는, 피측정물에 흠이 생기지 않게 하기 위하여 접촉압을 매우 작게 하고 있다. 이렇게 접촉압을 작게 한 형상 측정기의 예로서, 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2에 기재된 것이 있다.
상기 특허 문헌 1의 형상 측정기에 대하여, 도 6을 참조하여 설명한다.
특허 문헌 1에서는, 중력 방향으로 측정 프로브를 유지하고, 스프링 등으로 중력의 균형을 맞추어서 접촉압을 조정하고 있다. 즉, 피측정물(180)에 대해서, 수직 상방으로부터 접촉하는 측정 프로브(32), 측정 프로브(32)의 중력 분만큼 조정하는 스프링(152), 및 측정 프로브의 위치를 검출하는 위치 검출기(154)를 구비한다.
또, 특허 문헌 2에서는, 도 7에 나타낸 바와 같이 측정 프로브(32)를 지지 수단(134)에 의해 경사지게 유지함으로써, 피측정물(180)에 대한 접촉압을 작게 하고 있다. 이 접촉압의 조정은, 경사 조정 수단(136)에 의해, 측정 프로브(32)의 경사 각도를 조정함으로써 행한다.
그러나, 상기 특허 문헌 1의 형상 측정기는, 상방으로부터 측정 프로브(32) 를 피측정물(180)에 닿게하는 방식이므로, 가윗밥이 쉽게 배출되는 횡형의 초정밀 가공기에 탑재하기가 곤란하다. 또, 스프링이 비선형성이므로 측정압을 컨트롤하기 곤란하고, 측정 프로브의 스트로크 위치에 의하여 측정압이 변화되는 문제점이 있다.
한편, 특허 문헌 2의 형상 측정기는, 측정압을 측정 프로브(32)의 경사 각도를 변경하여 조정하므로, 상기 측정압을 용이하게 변경할 수 없었다. 예를 들면, 도 5에 나타내는 형상의 피측정물을 측정할 때, P1으로 나타내는 평면(측정 프로브(32)에 대해서 수직인 면) 위치를 측정하는 경우에 비하여, P2로 나타내는 경사면을 측정할 때는, 측정 프로브(32)에 우력(couple of forces)이 더해져 휨이 생겨 측정 오차가 발생하므로, 측정압을 감소시키는 것이 바람직하다. 그러나, 특허 문헌 2에 의하면, 측정 중에 측정압을 감소시키기 곤란하고, 또한 경사 조정 수단(136)으로 측정 프로브(32)의 경사 각도를 변화시켜서 측정압을 조정하면, 측정 프로브(132)가 피측정물(180)에 닿는 부분이 달라지게 되어, 오차가 발생하게 된다.
본 발명은, 전술한 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 본 발명의 목적은, 접촉력을 변화시키면서 작은 접촉력으로 피측정물의 표면 형상을 측정할 수 있는 형상 측정기를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 청구항 1의 형상 측정기(30)는,
피측정물의 표면에 접촉하는 측정 프로브(32)와,
상기 측정 프로브(32)가 축 방향으로 자기하중에 의해 후퇴하도록 수평 방향에 대하여 소정의 경사각 θ를 형성하여 지지하는 지지 수단(42)과,
상기 측정 프로브(32)를 상기 피측정물 W 측에 돌출시키는 가압 수단(40)과,
상기 측정 프로브(32)의 진퇴 위치를 측정하는 위치 검출기(44)를 구비한 것을 기술적 특징으로 한다.
청구항 4의 발명은, 에어 실린더에 의해 가압되는 주동 축(34)과,
상기 주동 축(34)에 연동되어 측정 프로브(32)를 구비하는 종동 축(36)과,
상기 주동 축(34)과 종동 축(36)을, 상기 에어 실린더의 가압 방향의 반대 방향으로, 자기하중에 의해 후퇴하도록 수평 방향에 대하여 소정의 경사각 θ를 형성하여 지지하는 에어 베어링(air bearing, 지지 수단)과,
상기 종동 축의 진퇴 위치를 측정하는 리니어 스케일을 구비한 것을 기술적 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 측정기를 탑재하는 초정밀 가공기의 구성을 나타내고 있다.
초정밀 가공기(10)는 공작물 W를 고정하는 공작물 고정대(12)와, 공구(16)를 유지하는 숫돌축(14)과, 숫돌축(14)을 X 방향으로 이송하는 서보모터(22)와, Y축 방향으로 이송하는 서보모터(24)와, Z축 방향으로 이송하는 서보모터(26)를 구비한다. 공작물 W의 형상을 측정 프로브(32)에 의해 측정하는 형상 측정기(30)가 숫돌축(14)과 병설되어 있다.
형상 측정기(30)의 구성에 대하여, 도 2의 평면도를 참조하여 설명한다.
형상 측정기(30)는 가압 수단(40)에 의해 가압되는 주동 축(34)과, 상기 주동 축(34)에 브래킷(38, bracket)에 의해 연결되는 종동 축(36)을 구비한다. 종동 축(36)에는 측정 프로브(32)가 장착되어 있다. 주동 축(34) 및 종동 축(36)은, 지지 수단(42)에 의해 경사진 상태로 지지되어 있다. 즉, 지지 수단(42)이, 주동 축(34) 및 종동 축(36)의 자기하중에 의해 후퇴되도록(도면 중 좌측 방향으로 이동) 미소한 경사를 가지게 하여 지지하고 있다. 종동 축(36)에는 위치 검출기(44)로서 리니어 스케일이 형성되어 있다. 형상 측정기(30)는, 종동 축(36)의 스트로크가 1Omm로 설정되고, 후술하는 바와 같이 측정압을, 수 10mgf ~ 수 1OOmgf의 범위내에서 조정 가능하도록 구성되어 있다. 그리고, 본 실시예에서는, 주동 축(34)과 종동 축(36)을 설치함으로써, 원기둥형의 실린더가 회전하여 멈추도록 되어 있다.
형상 측정기(30)의 제어 구성에 대하여 도 3을 참조하여 설명한다.
형상 측정기(30)에는, 공기압을 발생하는 공압 기기(50)와, 형상 측정기(30)의 가압 수단(40)으로 공급되는 기압을 조정하는 실린더 공급 기압 제어 기기(52)가 접속되어 있다. 공압 기기(50)로부터의 기압은, 지지 수단(42)에 직접 공급되도록 구성되어 있다. 위치 검출기(44)로부터의 출력은, 위치 검출부(54)에 입력되고, 검출된 위치는 연산부(56) 측으로 출력된다.
도 4를 참조하여 실시예의 형상 측정기(30)에서의 측정 프로브(32)의 접촉력(측정압)에 대하여 설명한다.
본 실시예의 형상 측정기(30)에서는, 지지 수단(42)으로, 측정 프로브(32)를 구비하는 종동 축(36) 및 주동 축(34)의 자기하중 m에 의하여 후퇴되도록 경사각 θ를 형성하여 지지한다. 가압 수단(40)의 마찰력은 매우 작다. 여기서, 종동 축(36) 및 주동 축(34)이 후퇴하는 힘은, 에어 베어링에서의 경사각 θ에 의해 발생하고, 자기하중 m에 비해 훨씬 작은 mgsigθ가 된다. 한편, 가압 수단(40)으로, 측정 프로브(32)를 공작물 W 측으로 돌출시키도록 압출력 Fc로 가압한다. 그러므로, 공작물 W에 작용하는 측정 프로브(32)의 접촉력 F는, 지지 수단(42)으로 경사를 형성하여 지지된 종동 축(36) 및 주동 축(34)의 자기하중 m에 의한 후퇴력(측정자 자기하중 경사 성분) mgsigθ와, 가압 수단(40)의 압출력 Fc의 차분(F = Fc - mgsigθ)이 되므로, 접촉력 F를 매우 작게 조정할 수 있다. 그러므로, 알루미늄 제품, 수지 제품 등 소성 변형되기 쉬운 피측정물의 표면을 변형시키지 않고 측정할 수 있다. 그리고, 경사각 θ는 도 4에서는 이해를 돕기 위하여 많이 경사져 있지만, 실제로는 육안으로 수평과 구별할 수 없을 만큼 미소한 각도이다.
본 실시예의 형상 측정기(30)는, 공기압에 의해 측정 프로브(32)를 가압하는 가압 수단(40)을 사용하므로, 측정 프로브(32)에 가하는 가압력을 용이하게 조정할 수 있다. 또한, 가압 수단(40)으로 공급 기압을 발생시키는 공압 기기(50)에 의해, 지지 수단(42)을 동작시킬 수 있어 구동원을 공용할 수 있다. 또한, 본 실시예의 형상 측정기에서는, 위치 검출기(44)가 리니어 스케일로 이루어지므로 정확하게 측정 프로브(32)의 위치를 측정할 수 있다.
본 실시예의 형상 측정기(30)는, 가압 수단(40)의 가압력(압출력 Fc)을 변경함으로써, 측정 프로브(32)의 측정압을 연속적으로 변경할 수 있어서 복잡한 형상의 공작물의 표면 형상을 정확하게 측정할 수 있다. 도 5는, 공작물의 형상을 나타낸 설명도이다. 도 5에 나타내는 형상의 공작물 W를 측정할 때, P1으로 나타낸 평면(측정 프로브(32)에 대해서 수직면) 위치를 측정할 경우, 가압 수단(40)의 가압력(압출력 Fc)을 높여서, 예를 들면, 1OOmgf의 측정압을 사용함으로써, 저측정압에 의하여 생기기 쉬운 기계 진동에 기인하는 노이즈의 중첩을 방지한다.
한편, P2로 나타낸 경사면을 측정할 때는, 가압 수단(40)의 가압력(압출력 Fc)을 저하시켜서, 예를 들면, 50mgf의 측정압을 사용함으로써, 경사면으로부터 우력이 걸려 측정 프로브(32)에 휨이 생겨서 측정 오차가 발생하는 것을 방지한다. 그리고, 이 때, 저측정압으로 생기는 기계 진동에 기인하는 노이즈가 쉽게 중첩되지만, 이 오차는 측정 프로브(32)의 휨에 의한 오차보다 훨씬 작다. 또한, 본 실시예의 형상 측정기는, 도 7에서 설명한 특허 문헌 2의 형상 측정기와 달리, 측정중에 측정압을 변화시켜도, 측정 프로브(32)가 피측정물(180)에 닿아 있는 위치가 변화되지 않는다.
본 실시예의 형상 측정기는, 측정 프로브(32)를 공작물 W에 꽉 누른 상태에서, 주사용 이동 스테이지(가공기 제어축)를 구동하여 측정면을 주사한다. 측정 프로브(32)는 공작물 W의 형상을 따라서 이동하기 때문에, 그 때의 측정 프로브(32)의 궤적이 공작물 W의 형상이 된다.
정밀도가 높은 형상 측정이 요구되는 경우, 항상 일정한 측정압이 필요하다. 본 실시예의 형상 측정기에서는, 특허 문헌 1과 같이 비선형 요소가 포함되지 않으므로, 측정 프로브의 스트로크 위치에 의하여 측정압이 변화되지 않는다.
측정 프로브를 지지하는 종동 축(36) 및 주동 축(34)은, 마찰력이 매우 작은 지지 수단(42)으로 지지되고, 측정압은 측정자 자기하중 경사 성분(mgsigθ)과 가압 수단(40)의 압출력 Fc의 차분(F = Fc - mgsigθ)이 되므로, 본 실시예의 형상 측정기에서는, 접촉력을 매우 작게할 수 있다.
[산업상의 이용 가능성]
전술한 실시예에서는, 측정 프로브가 공작물 W의 형상을 따라서 동작하지만, 측정 프로브 위치를 일정하게 유지하고, 기계 제어 축을 가공 프로그램에 따라 동작시키는 것도 가능하다. 이 때는 측정 프로브 위치의 변동이 가공 오차에 해당하게 된다.
전술한 실시예에서는, 위치 검출기로서 리니어 스케일을 사용하였지만, 그 대신, 레이저 간섭계, 소용돌이 전류식, 정전 용량식 등 다양한 검출기를 사용할 수 있다.
또한, 전술한 실시예에서는, 형상 측정기를 주동 실린더(주동 축)와 종동 실린더(종동 축)의 2개의 실린더에 의해 구성하였지만, 1개의 실린더로 구성할 수도 있다.
청구항 1의 형상 측정기(30)는, 지지 수단(42)으로, 측정 프로브(32)를 자기하중에 의해 후퇴하도록 경사각 θ를 형성하여 지지한다. 한편, 가압 수단(40)으로, 측정 프로브(32)를 피측정물 W 측에 돌출시키도록 가압한다. 그러므로, 피측 정물 W에 작용하는 측정 프로브(32)의 접촉력은, 지지 수단(42)으로 경사를 형성하여 지지된 측정 프로브(32)의 자기하중에 의한 후퇴력과 가압 수단(42)의 가압력의 차분이 되므로, 접촉력이 매우 작아지도록 조정하는 것이 가능하다. 또한, 가압 수단(42)의 가압력을 변경함으로써, 접촉력을 연속적으로 변경할 수 있다.
청구항 2의 형상 측정기(30)는, 가압 수단이 공기압에 의해 측정 프로브(32)를 가압하는 에어 실린더로 이루어지므로, 측정 프로브(32)에 가하는 가압력을 용이하게 조정할 수 있다.
청구항 3의 형상 측정기(30)는, 위치 검출기(44)가 리니어 스케일로 이루어지므로 정확하게 측정 프로브(32)의 위치를 측정할 수 있다.
청구항 4의 형상 측정기는, 지지 수단(42)으로, 측정 프로브(32)를 구비하는 종동 축(36) 및 주동 축(34)의 자기하중에 의해 후퇴하도록 경사각 θ를 형성하여 지지한다. 한편, 가압 수단(40)으로, 측정 프로브(32)를 피측정물 W 측으로 돌출시키도록 가압한다. 그러므로, 피측정물 W에 작용하는 측정 프로브(32)의 접촉력은, 지지 수단(42)으로 경사각 θ를 형성하여 지지된 종동 축(36) 및 주동 축(34)의 자기하중에 의한 후퇴력과 가압 수단(40)의 가압력의 차분이 되므로, 접촉력이 매우 작아지도록 조정하는 것이 가능하다. 또한, 가압 수단(40)의 가압력(에어 압력)을 변경함으로써, 접촉력을 연속적으로 변경시킬 수 있다.

Claims (4)

  1. 피측정물의 표면에 접촉하는 측정 프로브와,
    상기 측정 프로브가 축 방향으로 자기하중에 의해 후퇴하도록 수평 방향에 대하여 소정의 경사를 형성하여 지지하는 지지 수단과,
    상기 측정 프로브를 상기 피측정물 측으로 돌출시키는 가압 수단과,
    상기 측정 프로브의 진퇴 위치를 측정하는 위치 검출기를 구비하는 것을 특징으로 하는 형상 측정기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가압 수단은, 공기압에 의해 상기 측정 프로브를 가압하는 에어 실린더로 이루어지는 것을 특징으로 하는 형상 측정기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 위치 검출기는 리니어 스케일로 이루어지는 것을 특징으로 하는 형상 측정기.
  4. 에어 실린더에 의해 피측정물 측으로 가압되는 주동 축과,
    상기 주동 축에 연동되어 측정 프로브를 구비하는 종동 축과,
    상기 주동 축과 종동 축이 상기 에어 실린더의 가압 방향의 반대 방향으로 자기하중에 의해 후퇴하도록 수평 방향에 대하여 소정의 경사를 형성하여 지지하는 에어 베어링과,
    상기 종동 축의 진퇴 위치를 측정하는 리니어 스케일을 구비하는 것을 특징으로 하는 형상 측정기.
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