KR101486732B1 - 대형 환형 시편의 진원도 측정장치 및 방법 - Google Patents

대형 환형 시편의 진원도 측정장치 및 방법 Download PDF

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심종엽
오정석
박천홍
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한국기계연구원
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Abstract

대형 환형 시편의 진원도 측정장치 및 방법이 개시되어 있다.
이 중, 대형 환형 시편의 진원도 측정장치는 본체; 상기 본체의 선단에 좌우 이동이 가능하게 설치되며, 소정의 간격을 갖도록 나란하게 설치된 채, 상기 턴테이블의 회전각도에 따른 변위를 측정하기 위한 제1 및 제2 변위센서; 상기 제1 및 제2 변위센서를 좌측 또는 우측으로 직선 조작하기 위한 조절부재; 상기 본체에 설치된 채 상기 제1 변위센서 및 제2 변위센서로부터 각각 출력되는 센싱신호의 시차에 따라 두 변위센서 간의 간격 값을 분해능으로 측정하는 리니어 스케일; 및 상기 턴테이블의 반경방향 회전운동 오차값과 환형 시편의 진원도 오차값을 연산하여 상기 환형시편의 진원도를 산출하는 연산부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

대형 환형 시편의 진원도 측정장치 및 방법{Roundness measuring apparatus and method of the large annular specimen}
본 발명은 턴테이블의 반경방향 회전 오차값, 대형 환형시편의 진원도 오차값 및 제1, 2 변위센서 간의 간격값을 이용하여 대형 환형 시편의 진원도 오차를 측정할 수 있는 대형 환형 시편의 진원도 측정장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 어떠한 공작물을 설계상의 제품으로 제작하는 과정 중에는 많은 측정과정을 거치게 된다. 단순한 외형적인 치수측정, 원형 홈에 대한 지름 및 깊이 측정, 두께측정, 갭(gap) 측정, 그리고 진원도 측정 등이 있다.
여기에서 진원도 측정이라 함은 어떠한 원기둥형 물체 혹은 원통형 물체들에 있어서 그 외면 또는 내면의 원형 가공의 정도를 측정하는 것, 즉 중심축선에 대해서 일정한 반지름으로 정밀하게 가공되어 있는 정도를 측정하는 것이다. 이와 같은 진원도 측정은 특히 고도의 정밀도를 요하는 경우가 많으므로 결코 수월한 작업이 아니므로 전용의 측정장치, 또는 범용 삼차원 측정장비를 이용하여 진원도를 측정하고 있다.
그런데, 종래의 그와 같은 전용 측정장비, 또는 범용 삼차원 측정장비를 이용한 진원도 측정방식은 비교적 소형의 피 측정물을 대상으로 하고 있어서 대형 피 측정물의 진원도 측정에는 적합하지 않았다.
이에, 국내특허등록 제10-0920308호 등에서 대형 슬리브 베어링의 외경 측정 및 형상 검출기가 개시되어 큰 직경의 환형 피 측정물의 진원도를 검출할 수 있도록 하였으나, 내용을 살펴본 바, 진원도 측정장치 및 방법에 있어서 본원 장치의 방법과는 궤를 달리하고 있음이 확인된다.
선행문헌 : 국내특허등록 제10-0920308호
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 본 발명의 주요 목적은, 턴테이블의 반경방향 회전 오차값, 대형 환형시편의 진원도 오차값 및 제1, 2 변위센서 간의 간격값을 이용하여 대형 환형 시편의 진원도 오차를 측정할 수 있는 대형 환형 시편의 진원도 측정장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 관점에 따르면,
일방향으로 회전되는 턴테이블 상에 안착된 대형 환형시편의 진원도 오차 데이터 및 턴테이블의 반경방향 회전오차 데이터를 이용하여 대형 환형 시편의 정확한 진원도를 산출하기 위한 대형 환형 시편의 진원도 측정장치로서,
상기 대형 환형 시편의 진원도 측정장치는, 본체; 상기 본체의 선단에 좌우 이동이 가능하게 설치되며, 소정의 간격을 갖도록 나란하게 설치된 채, 상기 턴테이블의 회전각도에 따른 변위를 측정하기 위한 제1 및 제2 변위센서; 상기 제1 및 제2 변위센서를 좌측 또는 우측으로 직선 조작하기 위한 조절부재; 상기 본체에 설치된 채 상기 제1 변위센서 및 제2 변위센서로부터 각각 출력되는 센싱신호의 시차에 따라 두 변위센서 간의 간격 값을 분해능으로 측정하는 리니어 스케일; 및 상기 턴테이블의 반경방향 회전운동 오차값과 환형 시편의 진원도 오차값을 연산하여 상기 환형시편의 진원도를 산출하는 연산부;를 포함하는 대형 환형 시편의 진원도 측정장치가 제공된다..
삭제
삭제
여기서, 상기 제1 및 제2 변위센서는 정전용량형 또는 와전류형 비 접촉식 변위센서로 될 수 있다.
그리고, 상기 조절부재는 모터 또는 수동의 조절노브로 될 수 있다.
한편, 본 발명의 제2 관점에 따르면, 상기한 대형 환형 시편의 진원도 측정장치를 이용하는 대형 환형 시편의 진원도 측정방법으로, 턴테이블 상에 측정 대상물인 대형 환형시편을 안착하는 단계; 상기 환형시편의 측정 외주면을 향하도록 제1 변위센서 및 제2 변위센서를 일정한 사이간격을 두고 나란하게 설치하는 단계; 및 상기 제1, 2 변위센서에 의해 센싱된 턴테이블의 회전변위에 따르는 턴테이블의 반경방향 회전 오차와 환형 시편의 진원도 오차를 상기 연산부에 의해 상기 환형시편의 진원도를 산출하는 단계;를 포함하는 대형 환형 시편의 진원도 측정방법이 제공된다.
여기서, 상기 턴테이블의 반경방향 회전 오차(et )는 아래의 [수학식 7]에 의해 산출되고, 환형 시편의 진원도 오차(δr)는 아래의 [수학식 8]에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 7] et(θi+1) = et(θi) + s1(θi+1) - s2(θi), [수학식 8] δr(θi+1) = δr(θi) - s1(θi) + s2(θi)
여기서, θi는 턴테이블의 i번째 회전각도(0≤i≤n-1), S1은 제1 변위센서의 턴테이블 회전 각도에 따른 변위측정데이터, S2는 제2 변위센서의 턴테이블 회전 각도에 따른 변위측정데이터이다.
그리고, 상기 [수학식 7] 및 [수학식 8]은, 기초식인 아래의 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 이용하여, 획득된 턴테이블의 회전각도 및 상기 제1 변위센서 및 제2 변위센서에 의한 측정점들의 회전각도 상 차이값 데이터에 적용함으로써 [수학식 3] 내지 [수학식 6]을 도출하고, 아래의 [수학식 4]에 [수학식 5]를 대입하여, 턴테이블의 회전각도에 따른 반경방향 회전운동오차를 산출하기 위한 상기 [수학식 7]이 도출하며, 아래의 [수학식 6]에 [수학식 3]을 대입하여, 턴테이블의 회전각도에 따른 진원도 오차를 산출하기 위한 상기 [수학식 8]이 도출될 수 있다.
[수학식 1] S1(θ) = et(θ) + δr(θ), [수학식 2] S2(θ) = et(θ) + δr(θ-θp), [수학식 3] S1(θi) = et(θi) + δr(θi), [수학식 4] S2(θi) = et(θi) + δr(θi+1), [수학식 5] S1(θi+1) = et(θi+1) + δr(θi+1), [수학식 4] S2(θi+1) = et(θi+1) + δr(θi+2)
여기서, θ는 턴테이블의 회전 각도, θP는 변위센서 1, 2 측정점들의 회전각도 상 차이값이다.
삭제
이상의 본 발명은, 대형 환형 시편을 진원도 오차 및 회전운동오차를 동시에 측정할 수 있고, 측정장치의 구성과 시험방법이 간단하다.
또한, 환형 시편이 큰 반경을 갖는 경우라도 가공된 상황에서 in-process 체크가 가능하고 신속하다.
또한, 제1, 2 변위센서가 턴테이블의 상면에 같은 높이로 배치되는 것에 기인하는 기하학적인 특성에 의해 턴테이블의 틸트(tilt) 오차에 둔감하여 측정이 정확도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 대형 환형 시편의 진원도 측정장치의 설치상태도
도 2는 본 발명에 따른 대형 환형 시편의 진원도 측정장치의 평면 구성도
도 3은 본 발명에 따른 대형 환형 시편의 진원도 측정장치에서 제1, 2 변위센서 간 간격 측정방법을 설명하기 위한 참고도면
도 4는 도 3의 측정 결과에 따른 그래프
도 5는 제1, 2 변위센서의 측정점들의 회전각도 상 차이값(θp)을 설명하기 위한 참고도면
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않음을 전제한다.
먼저, 도 1은 본 발명에 따른 대형 환형 시편의 진원도를 측정하기 위한 진원도 측정장치의 설치상태도이다.
본 발명의 진원도 측정장치(100)는 일방향으로 회전되는 턴테이블(10) 상에 안착된 대형 환형시편(1)의 진원도 오차 및 턴테이블(10)의 반경방향 회전오차 데이터를 이용하여 대형 환형 시편의 정확한 진원도를 in-process 상태에서 체크할 수 있도록 한 것이다.
이러한 진원도 측정장치(100)는 본체(110)와; 상기 본체(110)의 선단에 좌우 이동이 가능하게 설치되며, 소정의 간격을 갖도록 나란하게 설치된 채, 상기 턴테이블(13)의 회전각도에 따른 변위를 측정하기 위한 제1 및 제2 변위센서(120,130)와; 상기 제1 및 제2 변위센서(120,130)를 좌측 또는 우측으로 직선 조작하기 위한 조절부재(140)와; 상기 본체(110)에 설치된 채, 상기 제1 변위센서(120) 및 제2 변위센서(130)에서 각각 출력되는 센싱신호의 시차에 따라 두 변위센서 간의 간격 값을 분해능으로 측정하는 리니어 스케일(150)과; 상기 턴테이블(10)의 반경방향 회전운동 오차값(et) 및 환형 시편의 진원도 오차값(δr)에 두 변위센서의 간격 측정값을 반영하여 연산함으로써 상기 대형 환형시편(1)의 진원도를 산출하는 연산부(160)로 구성된다.
여기서, 상기 제1, 2 변위센서(120,130)의 좌,우 이동을 조작하기 위한 조절부재(140)는 도 2에서와 같이, 상기 제1, 2 변위센서(120,130)가 나란하게 설치되어 있는 센서블록에 미세 나사산이 형성된 나사공을 갖는 슬리브를 형성하고, 상기 슬리브의 나사공에 조절노브(141)의 마이크로 나사축을 끼워넣어 구성할 수 있다.
이에 따라, 상기 조절노브(141)를 수동으로 회전조작하게 되면, 상기 마이크로 나사축에 의해 슬리브가 마이크로 단위로 좌,우로 미세하게 이동할 수 있게 된다. 이와는 달리 상기 조절노브(141) 대신 모터에 의해 마이크로 나사축을 조작함으로써 제1, 2 변위센서(120,130)를 기계적으로 자동 조작하는 것도 가능함을 물론이다.
또한, 상기 제1 및 제2 변위센서(120,130)는 정전용량형 비 접촉식 변위센서 또는 와전류형 비 접촉식 변위센서로 될 수 있다.
알려진 바와 같이, 상기 정전용량형 비 접속식 변위센서는 2개의 극판을 마주보게 하였을 때, 정전용량 C는 C=εS/d로 계산된다. 여기에서 은 극판 사이의 평균 유전율, S는 마주보는 극판의 면적, d는 극판 사이의 간격이다. 정전용량식 변위 센서는 이러한 원리를 응용한 것으로, 유전율과 극판 면적이 일정한 상태에서 간격(d)의 변화를 측정하는 유전율형, 그리고 변위에 따라 극판의 면적(S)이 달라지도록 구성한 면적형으로 구분되며, 미소 변위, 레벨, 경사도, 토크 측정 등 다양한 용도에 이용되고 있다.
와전류형 비 접촉식 변위센서는 도전체에 발생하는 와전류에 의한 코일의 인덕턴스 변화를 이용한 센서. 고주파 전류를 흘린 코일에 도전체를 접근시키면 코일에서 발생하는 교류자계에 의하여 와전류가 흐른다. 이 와전류가 역자계를 발생하여 코일의 인덕턴스를 변화시키기 때문에 코일의 임피던스를 측정함으로써 코일과 도전체의 상대 위치관계를 알 수 있다.
그리고, 상기 리니어 스케일(150)은 상기 제1 변위센서(120)와 제2 변위센서(130)에서 신호가 발생하는 위치차이로 인해 두 센서 간 거리를 눈금자의 분해능 정밀도로 획득할 수 있게 된다.
부연하면, 상기 제1 변위센서(120)와 제2 변위센서(130)의 간격은 도 3에서와 같이, Δh의 단차를 갖는 보정용 시편(2)을 가공에 의해 형성하거나 또는 스페이서 포일(spacer foil)을 부착하는 방법에 의해 제작한 후, 상기 제1, 2 변위센서(120,130)를 상기 시편(2)의 단차면(2a)에 대응되게 배치하게 되면, 제1 변위센서(120)에서 먼저 신호가 발생하고, 다음 제2 변위센서(130)에서 시차를 두고 신호가 나오게 될 것이므로 이때 두 개의 신호가 나오는 시점들의 눈금자 값들의 차이에서 두 센서(120,130) 간 간격 또는 두 센서의 측정점 간의 간격이 구해지게 된다.
이하에서는 상기한 대형 환형 시편의 진원도 측정방법에 대하여 설명한다.
먼저, 측정단계를 보면, 1 단계로, 상기한 제1, 2 변위센서(120,130)를 측정하고자 하는 면에 위치시킨다. 이때, 두 센서는 같은 높이에 위치시킨다.
2 단계로, 상기 두 센서(120,130)를 0점 조절한다.
3 단계로, 턴테이블(10)을 각도 0에 위치시킨다.
4 단계로, 턴테이블(10)을 0°에서 360°로 회전시킨다.
5 단계로, 획득된 회전각도에 따른 센싱값에 따라, 제1, 2 변위센서(120,130)에 의해 센싱된 턴테이블(10)의 회전변위에 따르는 턴테이블(10)의 반경방향 회전 오차(et ) 및 환형 시편의 진원도 오차(δr)에 상기 두 변위센서의 간격 측정값을 반영하여 상기 연산부에 의해 상기 대형 환형시편(1)의 진원도를 산출하게 된다.
여기서, 상기 5 단계의 대형 환형시편(1)의 진원도 산출과정을 수식을 통해 구체적으로 살펴본다.
상기 제1, 2 변위센서(120,130)의 턴테이블(10) 회전각도에 따른 변위 측정데이터의 기초식은 아래의 [수학식 1] 및 [수학식 2]에 의한다.
Figure 112014090068068-pat00001
Figure 112014090068068-pat00002
여기서, θ는 턴테이블의 회전각도, S1은 제1 변위센서의 턴테이블 회전 각도에 따른 변위측정데이터, S2는 제2 변위센서의 턴테이블 회전 각도에 따른 변위측정데이터, et는 턴테이블의 반경방향 회전 오차, δr는 환형 시편의 진원도 오차, θP는 제1, 2 변위센서의 1, 2 측정점들의 회전각도 상 차이값이다.
다음, 상기 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 이용하여 상기 제1 변위센서(120) 및 제2 변위센서(130)에 의한 측정점들의 회전각도 상 차이값 데이터에 적용함으로써 [수학식 3] 내지 [수학식 6]을 도출한다.
Figure 112014090068068-pat00003
Figure 112014090068068-pat00004
Figure 112014090068068-pat00005
Figure 112014090068068-pat00006
여기서, 상기 θi는 i번째 회전각도(0≤i≤n-1)를 의미한다. 상기 n은 턴테이블의 360°1회전 실험에서의 데이터 개수를 의미하는 것으로, 도 5에서와 같이, 각 n개의 데이터들은 θP의 값으로 등각도로 등분된다.
그리고, θP 등간격 사이의 각도에 대한 등분은 시작 θ각도를 달리하여, 즉 도 5의 상부에 표기된 θP 와 하부에 표기된 θP 와 같이 적용하면 된다.
다음, 상기한 [수학식 4]에 [수학식 5]를 대입하여 항 정리하면, 턴테이블의 회전각도에 따른 반경방향 회전운동오차(et)에 대한 결과식인 [수학식 7]이 도출된다.
Figure 112014090068068-pat00007
단,
Figure 112014090068068-pat00008

또한, 상기한 [수학식 6]에 [수학식 3]을 대입하여 항 정리하면, 턴테이블의 회전각도에 따른 진원도 오차(δr)에 대한 결과식인 [수학식 8]이 도출된다.
Figure 112014090068068-pat00009
단,
Figure 112014090068068-pat00010

상기한 [수학식 7] 및 [수학식 8]에서 센서 데이터 S1 및 S2 는 측정결과에 의해 알고 있는 지수값이므로 초기값을 이용하고 상기 두 점화식인 [수학식 7] 및 [수학식 8]을 이용하면 턴테이블의 회전각도에 따른 반경방향 회전운동 오차 및 진원도 오차를 산출할 수 있게 된다.
이상의 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상을 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
100 : 진원도 측정장치 110 : 본체
120 : 제1 변위센서 130 : 제2 변위센서
140 : 조절부재 150 : 리니어 스케일
160 : 연산부

Claims (7)

  1. 일방향으로 회전되는 턴테이블 상에 안착된 대형 환형시편의 진원도 오차 데이터 및 턴테이블의 반경방향 회전오차 데이터를 이용하여 대형 환형 시편의 정확한 진원도를 산출하기 위한 대형 환형 시편의 진원도 측정장치로서,
    상기 대형 환형 시편의 진원도 측정장치는,
    본체;
    상기 본체의 선단에 좌우 이동이 가능하게 설치되며, 소정의 간격을 갖도록 나란하게 설치된 채, 상기 턴테이블의 회전각도에 따른 변위를 측정하기 위한 제1 및 제2 변위센서;
    상기 제1 및 제2 변위센서를 좌측 또는 우측으로 직선 조작하기 위한 조절부재;
    상기 본체에 설치된 채 상기 제1 변위센서 및 제2 변위센서로부터 각각 출력되는 센싱신호의 시차에 따라 두 변위센서 간의 간격 값을 분해능으로 측정하는 리니어 스케일; 및
    상기 턴테이블의 반경방향 회전운동 오차값과 환형 시편의 진원도 오차값을 연산하여 상기 환형시편의 진원도를 산출하는 연산부;를 포함하는 대형 환형 시편의 진원도 측정장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2 변위센서는 정전용량형 또는 와전류형 비 접촉식 변위센서인, 대형 환형 시편의 진원도 측정장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 조절부재는 모터 또는 수동의 조절노브인, 대형 환형 시편의 진원도 측정장치.
  4. 청구항 1 내지 3 중, 어느 한 청구항에 기재된 대형 환형 시편의 진원도 측정장치를 이용하는 대형 환형 시편의 진원도 측정방법으로,
    턴테이블 상에 측정 대상물인 대형 환형시편을 안착하는 단계;
    상기 환형시편의 측정 외주면을 향하도록 제1 변위센서 및 제2 변위센서를 일정한 사이간격을 두고 나란하게 설치하는 단계; 및
    상기 제1, 2 변위센서에 의해 센싱된 턴테이블의 회전변위에 따르는 턴테이블의 반경방향 회전 오차와 환형 시편의 진원도 오차를 상기 연산부에 의해 상기 환형시편의 진원도를 산출하는 단계;
    를 포함하는 대형 환형 시편의 진원도 측정방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 턴테이블의 반경방향 회전 오차(et)는 아래의 수학식 7에 의해 산출되고, 환형 시편의 진원도 오차(δr)는 아래의 수학식 8에 의해 산출되는 대형 환형 시편의 진원도 측정방법.
    [수학식 7]
    Figure 112014090068068-pat00011

    [수학식 8]
    Figure 112014090068068-pat00012

    여기서, θi는 턴테이블의 i번째 회전각도(0≤i≤n-1), S1은 제1 변위센서의 턴테이블 회전 각도에 따른 변위측정데이터, S2는 제2 변위센서의 턴테이블 회전 각도에 따른 변위측정데이터이다.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 [수학식 7] 및 [수학식 8]은,
    기초식인 아래의 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 이용하여 상기 제1 변위센서 및 제2 변위센서에 의한 측정점들의 회전각도 상 차이값 데이터에 적용함으로써 [수학식 3] 내지 [수학식 6]을 도출하고,
    아래의 [수학식 4]에 [수학식 5]를 대입하여, 턴테이블의 회전각도에 따른 반경방향 회전운동오차를 산출하기 위한 상기 [수학식 7]이 도출하며,
    아래의 [수학식 6]에 [수학식 3]을 대입하여, 턴테이블의 회전각도에 따른 진원도 오차를 산출하기 위한 상기 [수학식 8]이 도출되는, 대형 환형 시편의 진원도 측정방법.
    [수학식 1]
    Figure 112014090068068-pat00013

    [수학식 2]
    Figure 112014090068068-pat00014

    [수학식 3]
    Figure 112014090068068-pat00015

    [수학식 4]
    Figure 112014090068068-pat00016

    [수학식 5]
    Figure 112014090068068-pat00017

    [수학식 6]
    Figure 112014090068068-pat00018

    여기서, θ는 턴테이블의 회전 각도, θP는 제1, 2 변위센서의 1, 2 측정점들의 회전각도 상 차이값이다.
  7. 삭제
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