KR101501409B1 - 공작기계의 가공상태 모니터링 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공작기계의 가공상태 모니터링 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공작기계의 주축 및 척에 고정된 가공물의 주변에 각각 배치되어, 상기 주축 및 가공물과의 거리에 따른 변위값을 측정하는 복수의 측정수단과, 상기 복수의 측정수단과 통신케이블로 각각 연결되고, 상기 측정수단에서 측정된 값을 토대로 주축의 회전 정밀도를 그래프 또는 임계수치로 출력하는 연산출력부와, 상기 척에 고정된 가공물의 주변에 배치되어, 상기 가공물 지정 일부분의 온도를 실시간으로 측정하는 제1온도측정수단과, 상기 척에 고정된 가공물의 주변에 배치되어, 상기 가공물의 상태를 실시간으로 촬영하는 촬영수단 및 상기 촬영수단을 통해 촬영된 화상을 실시간으로 저장하는 영상저장부를 포함하여, 가공물에 대해 실시간 모니터링 및 온도측정을 통해 실제 가공되는 가공물과 공구에서 물리적, 기계적 변화를 실시간으로 측정하여 이를 바탕으로 가공물과, 공구의 상태를 통하여 가공변수를 찾고 최적의 가공조건 및 환경을 확립할 수 있는 공작기계의 가공상태 모니터링 장치를 제공한다.

Description

공작기계의 가공상태 모니터링 장치{Unit to monitoring the processing situation of Machine tools}

본 발명은 공작기계의 가공상태 모니터링 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공작기계의 주축 및 가공물과의 거리에 따른 변위값을 측정하고, 상기 공작기계의 공구에 의해 가공되고 있는 가공물의 가공부 및 공구의 온도, 가공상태를 실시간으로 측정하여, 공작기계의 가공변수를 찾고 최적의 가공조건 및 환경을 확립하는 공작기계의 가공상태 모니터링 장치에 관한 것이다.

일반적으로 제품의 생산변화가 급변하는 가운데 이를 가공하는 가공기의 성능 또한 빠르게 변하고 있으며, 제품의 형상이나 금형을 좀 더 정확하고 빨리 가공해야 하고, 대상물의 소재 또한 다양해지고 있어 고속,고정밀 가공기에 대한 수요와 연구가 활발히 진행되어오고 있으며, 그와 더불어 이러한 고속,고정밀 가공기의 성능을 검증하기 위한 연구 또한 활발히 진행되고 있다.

공작기계는 가공기가 고속,고정밀이 됨에 따라 가공 및 이송의 유연성을 위해 스핀들은 컴팩트화됨에 따라 모터 내장형 스핀들을 사용하고 있으나, 스핀들 내부에서 발생하는 열을 외부로 방출되는 것이 쉽지 않고, 가공시 발생하는 열은 스핀들의 각 부분에 영향을 주어 최종적으로 제품의 가공정밀도에 영향을 미치게 되는 발열문제가 있었다.

이러한 열변형을 근본적으로 차단하기는 상당히 어려운 문제이기 때문에 이러한 열변형을 예측하도록 실제 가공시의 에러를 검출하기 위해 스핀들에 공구를 부착하여 실험자가 일일이 절삭깊이를 제어하는 여러 가지 실험방법이 있었다.

상기한 종래의 기술로 공개특허 제10-2010-0106087호(2010.10.01)에서는 고속으로 회전하는 스핀들의 끝단에 비적촉식 갭센서인 프로브 두 개를 구비하여 스핀들의 변위를 검출하고, 비접촉식 광센서를 구비하여 스핀들의 회전속도를 검출하며, 측정하고자 하는 위치에 열전대를 구비하여 회전속도와 열에 따른 스핀들의 회전정밀도를 파악하여 온도를 검출하고, 검출된 변위와 회전속도 및 온도는 랩뷰를 사용하여 취득하고자 하는 데이터로 변환하여 에러를 검출하는 고속회전체의 에러검출시스템를 제공하였다.

본 발명은 공작기계 주축의 회전 및 가공정밀도 측정하여, 그 오차범위를 줄일 수 있도록 함은 물론이고, 실제 가공중에 가공물과 공구의 온도 및 상태를 실시간 모니터링하여, 가공에 있어 물리,기계적 변수를 찾아 이를 반영한 공작기계의 주축 및 공구 제어를 통해, 최적의 가공조건 및 환경을 확립하는 공작기계의 가공상태 모니터링 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 공작기계의 가공상태 모니터링 장치는 공작기계의 주축 및 척에 고정된 가공물의 주변에 각각 배치되어, 상기 주축 및 가공물과의 거리에 따른 변위값을 측정하는 복수의 측정수단과, 상기 복수의 측정수단과 통신케이블로 각각 연결되고, 상기 측정수단에서 측정된 값을 토대로 주축의 회전 정밀도를 그래프 또는 임계수치로 출력하는 연산출력부와, 상기 척에 고정된 가공물의 주변에 배치되어, 상기 가공물 지정 일부분의 온도를 실시간으로 측정하는 제1온도측정수단과, 상기 척에 고정된 가공물의 주변에 배치되어, 상기 가공물의 상태를 실시간으로 촬영하는 촬영수단 및 상기 촬영수단을 통해 촬영된 화상을 실시간으로 저장하는 영상저장부를 포함하는데, 상기 복수의 측정수단은 상기 공작기계에 설치되고, 상기 복수의 측정수단들이 각각 장착되는 제1,제2,제3,제4부재가 구비되는 지그본체를 포함하고, 상기 지그본체와 연결된 제1부재에 장착되어 상기 척에 고정된 가공물 주변의 X축 선상에 배치되고, 상기 척에 고정된 가공물과의 거리에 따른 변위값을 측정하고, 측정된 값을 실시간으로 출력하는 제1프로브와, 상기 지그본체와 연결된 제2부재에 장착되어 상기 척에 고정된 가공물 주변의 Y축 선상에 배치되고, 상기 척에 고정된 가공물과의 거리에 따라 변위값을 측정하고, 측정된 값을 실시간으로 출력하는 제2프로브와, 상기 지그본체와 연결된 제3부재에 장착되어 상기 척에 고정된 가공물 주변의 Z축 선상에 배치되고, 상기 척에 고정된 가공물과의 거리에 따라 변위값을 측정하고, 측정된 값을 실시간으로 출력하는 제3프로브 및 상기 지그본체와 연결된 제4부재에 장착되어 상기 주축의 주변에 배치되고, 상기 주축과의 거리에 따라 변위값을 측정하고, 측정된 값을 실시간으로 출력하는 제4프로브로 구성한다.

이때 본 발명에 따른 공작기계의 가공상태 모니터링 장치는 상기 척에 고정된 가공물의 주변에 배치되어, 상기 공작기계 공구의 온도를 실시간으로 측정하는 제2온도측정수단을 더 포함할 수 있다.

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그리고 본 발명에 다른 상기 온도측정수단은 적외선을 통해 어느 한 지점의 온도를 측정하는 적외선온도측정장치로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 효과는 공작기계 주축의 회전 및 가공정밀도 측정하여, 그 오차범위를 줄일 수 있도록 함은 물론이고, 실제 가공중에 가공물과 공구의 온도 및 상태를 실시간 모니터링하여, 가공에 있어 물리,기계적 변수를 찾아 이를 반영한 공작기계의 주축 및 공구 제어를 통해, 최적의 가공조건 및 환경을 확립할 수 있는 효과를 가진다.

또한 가공물과 공구의 온도 및 상태를 실시간 모니터링하여, 가공정밀도를 향상시키고, 상기 주축 고속 회전시 반경 방향 오차를 효과적으로 줄일 수 있고, 종래보다 더욱 정밀한 회전정밀도를 측정함으로써, 신뢰성 있는 주축 회전정밀도를 판정할 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명에 따른 공작기계의 가공상태 모니터링 장치의 구성을 보인 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 공작기계의 가공상태 모니터링 장치의 실시예를 보인 예시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 공작기계의 가공상태 모니터링 장치의 구성을 보인 예시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 공작기계의 가공상태 모니터링 장치의 실시예를 보인 예시도이다.

본 발명은 측정수단인 4개의 프로브(probe)로, 공작기계의 주축 및 가공물과의 거리에 따른 변위값을 측정하고, 상기 공작기계의 공구에 의해 가공되고 있는 가공물의 가공부 및 공구의 온도, 가공상태를 실시간으로 측정하여, 실제 가공물과, 가공물을 가공하는 공구에 발생하는 오류와 가공에 미치는 환경적 영향 및 온도를 실시간으로 측정하여, 가공물과 공구의 상태를 구체적인 모니터링(감시)으로, 공작기계의 가공변수를 찾고 최적의 가공조건 및 환경을 확립하는 공작기계의 가공상태 모니터링 장치에 관한 것으로, 도면을 참조하여 더욱 상세하게 살펴보면 다음과 같다.

본 발명에 따른 공작기계의 가공상태 모니터링 장치는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 먼저 공작기계의 주축 및 가공물과의 거리에 따른 변위값을 측정하기 위해 측정수단(20)인 복수의 프로브(21a,21b,21c,21d), 지그본체(30), 연산출력부(40)를 구성한다.

상기 측정수단(20)을 보다 상세하게 살펴보면, 상기 측정수단(20)은 공작기계의 주축의 회전정밀도를 구하기 위한 것으로, 상기 측정수단(20)은 복수로 이루어져 척에 고정된 상기 가공물(10)의 X축 선상, Y축 선상, Z축 선상 및 상기 공작기계의 주축 주변에 각각 배치되어, 고속 회전하는 상기 가공물(10) 및 주축의 변위를 측정한다.

이때 측정하고자 하는 대상물과 측정수단(20)의 교정(캘리브레이션, Calibration)이 반드시 이행되어야 한다.

이러한 교정을 위해 척에 상기 가공물(10)을 대신하여, 구형의 마스터볼을 장착하여, 측정대상물로 이행할 수도 있다.

또한 상기 복수의 측정수단(20)은 제1,제2,제3,제4프로브(21a,21b,21c,21d)로 구성하고, 각각의 프로브(21a,21b,21c,21d)는 지그본체(30)에 고정되어 배치한다.

상기 지그본체(30)는 상기 복수의 측정수단(20)인 제1,제2,제3,제4프로브(21a,21b,21c,21d)가 각각 장착되는 제1,제2,제3,제4부재(31a,31b,31c,31d)가 구성한다.

이때 상기 지그본체(30)는 상기 공작기계가 구동하여 주축이 회전하여도 유동하지 않도록, 상기 공작기계의 진동이 미치지 않는 지면이나, 별도의 지지대에 고정되는 것이 바람직하고, 상기 복수의 측정수단(20)이 각각 장착되는 상기 제1,제2,제3,제4부재(31a,31b,31c,31d)는 상기 지그본체(30)와 연결되어, 각각 장착되는 상기 복수의 측정수단(20)이 배치된 위치에서 유동하지 않도록 지지한다.

따라서 상기 제1,제2,제3,제4부재(31a,31b,31c,31d)는 상기 복수의 측정수단(20)의 배치가 용이하도록, 상기 지그본체(30)에서 연장 돌출되는 블록으로 형성되거나, 다관절의 지지대로 구성할 수 있다.

그리고 상기한 복수의 측정수단(20)으로 구성되는 상기 제1,제2,제3,제4프로브(21a,21b,21c,21d)를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저 상기 프로브(probe)는 본체에서 신축되는 탐침이 구비된 것으로, 상기 탐침이 측정대상물의 측정면에 맞닿은 상태에서 측정대상물의 변위에 따라 상기 탐침도 본체에서 신축되어, 상기 탐침이 신축되는 변화를 감지하여, 그 변화된 값을 출력하는 것을 본 발명에서는 도시하나 이에 한정하지 않고, 광을 이용한 프로브(probe)도 적용 가능하다.

상기한 제1프로브(21a)는 상기 지그본체(30)와 연결된 제1부재(31a)에 장착되어 상기 척에 고정된 가공물(10) 주변의 X축 선상에 배치한다.

이때 상기 제1프로브(21a)는 상기 척에 고정된 가공물(10)이 X축 선상으로 변위 됨에 따라 그 X축 선상의 변위값을 측정하여, 측정된 값을 실시간으로 출력한다.

그리고 상기 제2프로브(21b)는 상기 지그본체(30)와 연결된 제2부재(31b)에 장착되어 상기 척에 고정된 가공물(10) 주변의 Y축 선상에 배치한다.

이때 상기 제2프로브(21b)는 상기 척에 고정된 가공물(10)이 Y축 선상으로 변위 됨에 따라 그 Y축 선상의 변위값을 측정하여, 측정된 값을 실시간으로 출력한다.

또한 상기 제3프로브(21c)는 상기 지그본체(30)와 연결된 제3부재(31c)에 장착되어 상기 척에 고정된 가공물(10) 주변의 Z축 선상에 배치한다.

이때 상기 제3프로브(21c)는 상기 척에 고정된 가공물(10)이 Z축 선상으로 변위 됨에 따라 그 Z축 선상의 변위값을 측정하여, 측정된 값을 실시간으로 출력한다.

그리고 상기 제4프로브(21d)는 상기 지그본체(30)와 연결된 제4부재(31d)에 장착되어 상기 공작기계 주축의 주변에 배치한다.

이때 상기 제4프로브(21d)는 상기 주축이 변위 됨에 따라 그 변위값을 측정하여, 측정된 값을 실시간으로 출력한다.

따라서 상기한 구성에 의해 상기 척에 고정된 가공물(10)의 X축 선상, Y축 선상, Z 축 선상으로 각각 나누어 측정하고, 주축의 거동 상태도 포함하여 측정하여, 제1 내지 제4프로브에 의해 측정된 측정값을 토대로 주축 회전정밀도를 진원도 측정원리에 의해 주축과 가공물의 형상 측정으로 주축회전 오차성분을 정밀하게 측정함은 물론, 주축회전수별, 주축의 운동 거동 상태를 측정할 수 있다.

상기한 제1,제2,제3,제4프로브(21a,21b,21c,21d)에서 각각 나온 측정값(데이터)은 연산출력부(40)로 출력된다.

상기 연산출력부(40)는 상기 측정수단(20)인 상기 제1,제2,제3,제4프로브(21a,21b,21c,21d)들과 통신선으로 각각 연결되고, 상기 측정수단(20)에서 측정된 값을 토대로 Matlab등 프로그램을 이용하여 평균값을 측정해 상기 주축의 회전정밀도를 그래프 또는 임계수치로 출력한다.

또한 본 발명에 따른 공작기계의 가공상태 모니터링 장치는 가공물 및 공구의 상태를 실시간으로 살펴보기 위해 온도측정수단(51,52) 및 촬영수단(60)을 구비하는데, 상기 척에 고정된 가공물(10)의 주변에 제1온도측정수단(51)을 배치되어, 상기 가공물(10) 지정 일부분(가공되는 지점)의 온도를 실시간으로 측정한다.

이때 상기 제1온도측정수단(51)는 적외선을 통해 어느 한 지점의 온도를 측정할 수 있는 적외선온도측정장치로 이루어지는 것이 바람직하고, 실시간으로 측정된 온도측정값은 상기 연산출력부(40)를 통해 표시된다.

또한 상기 척에 고정된 가공물의 주변에 제2온도측정수단(52)을 배치되어, 상기 공작기계 공구의 온도를 실시간으로 측정하는데, 상기 제2온도측정수단(52) 역시, 상기 제1온도측정수단(51)와 같이 적외선을 통해 어느 한 지점의 온도를 측정할 수 있는 적외선온도측정장치로 이루어지는 것이 바람직하고, 실시간으로 측정된 온도측정값은 상기 연산출력부(40)를 통해 표시된다.

상기 온도측정수단을 통해 실시간으로 측정된 온도값을 토대로 가공물의 가공깊이, 가공속도 등에 의해 발생하는 온도 상승이 가공물과 공구에 미치는 영향을 분석해, 가공속도(공작기계 주축의 회전속도, 공구의 진입 속도 등)등을 조절하여, 고품질의 제품을 생산하도록 한다.

그리고 상기 척에 고정된 가공물의 주변에 촬영수단(60)을 배치되어, 상기 가공물의 상태를 실시간으로 촬영한다.

상기 촬영수단(60)은 가공물의 부위 중 공구에 의해 가공되는 가공부분을 실시간으로 촬영하여 그 상태를 확인하도록 하는 것으로, 상기 촬영수단(60) 통해 촬영된 화상은 영상저장부(61)를 통해 실시간으로 저장됨과 동시에, 상기 연산출력부(40)를 통해 표시된다.

이때 상기 촬영수단(60)의 초점은 상기 제1온도측정수단(51)이 측정하는 지점과 동일한 지점으로 설정되는 것이 바람직하고, 상기 촬영수단(60)을 3차원카메라로 구성하여, 가공물의 가공 지점을 더욱 입체감 있게 확인할 수도 있다.

상기한 구성에 의해 본 발명에 따른 공작기계의 가공상태 모니터링 장치는 가공물에 대해 실시간 모니터링 및 온도측정을 통해 실제 가공되는 가공물과 공구에서 물리적, 기계적 변화를 실시간으로 측정하여 이를 바탕으로 가공물과, 공구의 상태를 통하여 가공변수를 찾고 최적의 가공조건 및 환경을 확립할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 가공물 20: 측정수단
21a: 제1프로브 21b: 제2프로브
21c: 제3프로브 21d: 제4프로브
30: 지그본체 40: 연산출력부
51,52: 온도측정수단 60: 촬영수단
61: 영상처리부

Claims (4)

1. 공작기계의 주축 및 척에 고정된 가공물의 주변에 각각 배치되어, 상기 주축 및 가공물과의 거리에 따른 변위값을 측정하는 복수의 측정수단과, 상기 복수의 측정수단과 통신케이블로 각각 연결되고, 상기 측정수단에서 측정된 값을 토대로 주축의 회전 정밀도를 그래프 또는 임계수치로 출력하는 연산출력부와, 상기 척에 고정된 가공물의 주변에 배치되어, 상기 가공물 지정 일부분의 온도를 실시간으로 측정하는 제1온도측정수단과, 상기 척에 고정된 가공물의 주변에 배치되어, 상기 가공물의 상태를 실시간으로 촬영하는 촬영수단 및 상기 촬영수단을 통해 촬영된 화상을 실시간으로 저장하는 영상저장부를 포함하는 공작기계의 가공상태 모니터링 장치에 있어서,
   상기 복수의 측정수단은
   상기 공작기계에 설치되고, 상기 복수의 측정수단들이 각각 장착되는 제1,제2,제3,제4부재가 구비되는 지그본체를 포함하고,
   상기 지그본체와 연결된 제1부재에 장착되어 상기 척에 고정된 가공물 주변의 X축 선상에 배치되고, 상기 척에 고정된 가공물과의 거리에 따른 변위값을 측정하고, 측정된 값을 실시간으로 출력하는 제1프로브;
   상기 지그본체와 연결된 제2부재에 장착되어 상기 척에 고정된 가공물 주변의 Y축 선상에 배치되고, 상기 척에 고정된 가공물과의 거리에 따라 변위값을 측정하고, 측정된 값을 실시간으로 출력하는 제2프로브;
   상기 지그본체와 연결된 제3부재에 장착되어 상기 척에 고정된 가공물 주변의 Z축 선상에 배치되고, 상기 척에 고정된 가공물과의 거리에 따라 변위값을 측정하고, 측정된 값을 실시간으로 출력하는 제3프로브; 및
   상기 지그본체와 연결된 제4부재에 장착되어 상기 주축의 주변에 배치되고, 상기 주축과의 거리에 따라 변위값을 측정하고, 측정된 값을 실시간으로 출력하는 제4프로브로 구성하는 공작기계의 가공상태 모니터링 장치.
   
2. 청구항 1항에 있어서,
   상기 척에 고정된 가공물의 주변에 배치되어, 상기 공작기계 공구의 온도를 실시간으로 측정하는 제2온도측정수단을 더 포함하는 공작기계의 가공상태 모니터링 장치.
   
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 온도측정수단은
   적외선을 통해 어느 한 지점의 온도를 측정하는 적외선온도측정장치로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공작기계의 가공상태 모니터링 장치.

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