KR101823052B1 - 자동 선반 가공 후 자동 보정을 위한 가공물 측정 방법 - Google Patents

자동 선반 가공 후 자동 보정을 위한 가공물 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수치제어 공작기계(CNC)의 일종인 자동 선반에서 가공 후 자동 보정을 위한 가공물 측정 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은, 가공 프로그램을 셋팅하고, 공구 측정기의 기준을 셋팅하며, 공구를 셋팅한 후 피가공물을 가공하고, 가공이 완료되면 피가공품을 측정하여 보정을 실시함으로서 가공오차를 줄이기 위한 자동 선반 가공 후 자동 보정을 위한 가공물 측정 방법에 있어서, 누적 반복횟수를 설정하는 제 1 단계; 측정할 피가공품을 V블록에 임시 거치하는 제 2 단계; 상기 피가공품의 양 측 중심점을 양쪽 가이드로 밀착하여 들어올리는 제 3 단계; 측정수단으로 상기 피가공품을 측정하는 제 4 단계; 측정값을 저장하는 제 5 단계; 및 측정을 반복하여 측정 횟수가 설정 횟수에 도달하면 측정값의 평균을 구해 보정값으로 제공하는 제 6 단계로 구성된다. 본 발명에 따르면, 자동선반과 같은 수치제어 공작기계에서 피가공물의 측정오차를 최소화하여 정밀 측정을 가능하게 함으로써 정확한 보정을 통해 가공오차를 줄여 정밀가공을 구현할 수 있다.

Description

자동 선반 가공 후 자동 보정을 위한 가공물 측정 방법{METHOD OF MEASURING WORKPIECE FOR CORRECTION OF CNC MACHINE JOB}
본 발명은 수치제어 공작기계(CNC)의 일종인 자동선반의 자동 보정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동 선반 가공 후 자동 보정을 위한 가공물 측정 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 수치제어 공작기계는 수치제어장치를 사용하여 운전하는 공작기계로서 NC 공작기계라고도 한다. 수치제어장치는 기계에 동작을 지령하는 계산기 지령기구, 기계가 지령에 따라 움직이고 있는지 여부를 검출하는 기구, 및 목표값과 검출값을 비교하여 다를 경우에는 그것에 따라서 정정 동작이 자동적으로 이루어지는 기구 등으로 구성된다.
수치제어 공작기계의 일종인 CNC 자동 선반은 본체와 CNC 장치로 구분되고, 본체는 구동모터와 주축대(Head stock), 베드, 유압 척(shuck), 공구대(tool post), 심압대(tail stock)로 이루어지며, 수치제어장치는 중앙정보처리회로, 조작반(console) 및 서보기구(이송장치)인 서보모터, 위치검출기, 포지션 코더 등으로 이루어져 공작물의 치수와 정밀도 및 절삭공구의 치수 등을 작업자가 수치로 시스템에 입력하여 생성된 가공 데이터로 공작물을 가공하게 된다.
그런데 CNC 선반 가공 시 공작기계 자체의 운동정밀도 오차와 실제 절삭과정 중에서 일어나는 공구의 마멸, 공작물의 열변형과 탄성변형, 공구의 열변형과 탄성변형 등의 여러 원인으로 인하여 상당한 가공오차가 발생하기 때문에 가공도중 혹은 가공 후에 실제 가공오차를 측정하고 적절한 보정을 하여야만 정밀한 공작물을 얻을 수 있다.
공작기계에서 발생하는 오차는 오차의 형태에 따라 동적오차(dynamic error)와 정적오차(quasi-static error)로 구분한다. 여기서, 동적오차는 기계의 진동, 채터(chatter) 및 스핀들 유니트의 진동에 의해서 발생하는 오차이다. 정적오차는 공작기계의 구성요소인 안내면(guide way), 칼럼, 볼 스크류 등 구조계의 조립특성에 따른 기하오차(geometric error)와 절삭 가공중에 발생하는 다양한 열원인 절삭열, 모터의 발생열, 이송축의 마찰열 및 주위 온도변화에 의해서 발생하는 열변형 오차(thermal error or thermally induced error)로 구분한다.
통상 가공오차는 대부분이 공구의 마멸에 의하여 발생하므로 이를 방지하기 위해 공구의 마멸을 주기적으로 감시하고, 그 마멸량에 따라 이른바 공구 위치 오프셋(tool offset)을 조정 및 셋팅하여 가공오차를 보정해야 한다. 공구의 마멸에 관한 측정방법은 CCD 카메라, 레이저 센서 등으로 공구의 마멸을 측정하는 직접적인 방법과, 주축 모터의 전류, 음향방출 신호, 가공면의 온도 등과 같이 절삭 과정 중에 발생하는 물리적 인자들을 이용하여 절삭력을 추정하고, 그에 따라 공구의 마멸량을 예측하는 간접적인 방법이 있다. 즉, 공작기계에서 오차는 공작기계의 구조계, 이송계, 주축계의 변형을 유발시킴으로써 공작기계의 가공정도에 직접적인 영향을 미쳐 가공정도를 저하시키는 문제가 있기 때문에 이를 보정할 필요가 있다.
한편, 자동선반에서 가공 후 자동 보정을 위해서는 피가공물(피공작물)에 대한 정밀한 측정이 요구되는데, 종래에는 도 1에 도시된 바와 같이 피가공물(10)을 V블록(20)의 양쪽에 올려놓고 센서(30)로 측정하였기 때문에 측정 오차가 발생되는 문제점이 있다. 즉, V 블록(20)에 이물질이 있을 경우 측정위치가 달라져 오차가 발생되고, V블록(20)에 거치되는 부분에 가공오차가 발생되면 측정면에서는 2배의 가공오차가 발생되며, 한쪽 면에만 가공오차가 발생되면 한쪽으로 기울어져 측정오차가 발생되는 문제점이 있다.
KR 10-0533347 B1 KR 10-0976899 B1 KR 10-0458453 B1
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 V블록 거치 후 양쪽의 중심 가이드로 피가공물에 접촉하여 피가공물을 들어 올린 후 측정하는 자동 선반 가공 후 자동 보정을 위한 피가공물 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 측정의 정밀도를 향상시키기 위해 접촉식 센서로 2포인트 방식으로 측정하고, 누적 반복 횟수로 측정하여 보정 오차를 줄일 수 있는 자동 선반 가공 후 자동 보정을 위한 가공물 측정 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 방법은, 가공 프로그램을 셋팅하고, 공구 측정기의 기준을 셋팅하며, 공구를 셋팅한 후 피가공물을 가공하고, 가공이 완료되면 피가공품을 측정하여 보정을 실시함으로서 가공오차를 줄이기 위한 자동 선반 가공 후 자동 보정을 위한 가공물 측정 방법에 있어서,
누적 반복횟수를 설정하는 제 1 단계; 측정할 피가공품을 V블록에 임시 거치하는 제 2 단계; 상기 피가공품의 양 측 중심점을 양쪽 가이드로 밀착하여 들어올리는 제 3 단계; 측정수단으로 상기 피가공품을 측정하는 제 4 단계; 측정값을 저장하는 제 5 단계; 및 측정을 반복하여 측정 횟수가 설정 횟수에 도달하면 측정값의 평균을 구해 보정값으로 제공하는 제 6 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 4 단계는 접촉 센서로 측정시 교정을 위해, B를 롤(roll), A를 틸트(tilt) 각이라 하고, 센서 좌표계를 (x',y',z'), 기계 좌표계를 (x,y,z)라 할 때 x',y',z' 방향의 각 단위벡터 ex', ey', ez'는
Figure 112017037430863-pat00001
에 따라 산출할 수 있다.
삭제
상기 제 6 단계는 Nj 공칭위치에서의 기존 보정량을 Dj, 측정 센서에 의해 측정된 참값을 Tj라 하면, Nj 위치에서 측정된 오차 X'j 는 참값 Tj 와 기존 보정량으로 보정된 위치 공칭값 N'j 의 차이가 되고, Tj와 Nj의 차이로 정의되는 Xj는 Nj 위치에서의 실제 오차량이라 할 때, 1) 실제 오차 Xj에 대응하는 새로운 오차 보정량 C'j는
Figure 112017037430863-pat00005
에 따라 산출하고, 2) 새로운 보정량(C'j)과 기존 보존량(Dj)과의 차이를 △Cj라 하면, △Cj는
Figure 112017037430863-pat00006
에 따라 산출하며, 3) 최종적으로 보정량 Cj는
Figure 112017037430863-pat00007
와 같이 기존의 보정량 Dj에 차이 △Cj를 더해 보정량을 산출할 수 있다.
본 발명에 따르면, 자동선반과 같은 수치제어 공작기계에서 피가공물의 측정오차를 최소화하여 정밀 측정을 가능하게 함으로써 정확한 보정을 통해 가공오차를 줄여 정밀가공을 구현할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 측정을 통한 자동 보정 기술은 오차의 원인에 관계없이 실시간으로 작업에 반영되어 피가공물의 작업 불량을 최소화할 수 있다.
도 1은 종래에 V블록을 이용한 측정 개념을 도시한 개략도,
도 2는 본 발명이 적용되는 자동 선반을 이용한 가공절차를 도시한 순서도,
도 3은 본 발명에 따른 측정 개념을 도시한 개략도,
도 4는 본 발명에 따른 측정 절차를 도시한 순서도,
도 5는 본 발명에 적용되는 측정방식의 예,
도 6은 본 발명에 적용되는 센서 오차 패턴의 예,
도 7은 본 발명에 따른 누적 알고리즘의 개념도,
도 8은 본 발명에 따른 보정 화면의 예이다.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하여 보다 명확해질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
도 2는 본 발명이 적용되는 자동 선반을 이용한 가공절차를 도시한 순서도이고, 도 3은 본 발명에 따른 측정 개념을 도시한 개략도이다.
본 발명이 적용되는 자동 선반을 이용한 가공절차는 도 2에 도시된 바와 같이, 가공 프로그램을 셋팅하고, 공구측정기의 기준을 셋팅하여 가공을 준비한다(S1). 이어 공구를 셋팅하고, 피가공물에 대한 가공을 시작한다(S2,S3).
가공이 완료되면, 피가공품을 검사대 측으로 이동하고, 다양한 계측기를 사용하여 측정 및 검사한다(S4,S5). 제품 검사 결과 양품은 생산관리 단계로 넘기고, 불량품은 불량 처리 단계로 넘기며, 가공오차를 줄이기 위해 보정을 실시한 후 재가공을 수행한다(S6~S8).
본 발명에 따른 피가공품 측정 개념은 도 3에 도시된 바와 같이, 측정대상인 피가공품(10)을 V블록(20)에 일단 거치한 후 피가공품(10)의 양측을 가이드(40)로 접촉하여 들어 올린 후 접촉 센서(30) 등과 같은 측정장치로 측정하는 방식이다. 도 3을 참조하면, 피가공품(10)의 가공시 원점 가공을 하므로 중심점은 틀어지거나 오차가 거의 없다. 따라서 본 발명에서는 가이드(40)로 피가공품(10)의 양측 중심점을 접촉하여 들어올린 후 측정하는 방식이다. 이와 같이 들어 올린 후 측정할 경우에는 V블록(20)에 이물질이 있을 경우에도 측정 가능하고, V블록(20)에 거치하는 부분에 가공오차가 발생해도 측정부분의 측정오차는 발생되지 않으며, 한쪽 면에 오차가 발생하여도 측정면은 오차가 없다.
도 4는 본 발명에 따른 측정 절차를 도시한 순서도이고, 도 5는 본 발명에 적용되는 측정방식의 예이다.
본 발명에 따른 자동 선반 가공 후 자동 보정을 위한 가공물 측정 방법은 도 4에 도시된 바와 같이, 누적 반복횟수를 설정하는 단계(S101)와, 측정할 피가공품(10)을 V블록(20)에 임시 거치하는 단계(S102)와, 피가공품(10)의 양 측 중심점을 양쪽 가이드(40)로 밀착하여 들어올리는 단계(S103)와, 측정기(30)로 피가공품(10)을 측정하는 단계(S104)와, 측정값을 저장하는 단계(S105)와, 설정 횟수에 도달하지 않으면 측정을 반복하고 측정 횟수에 도달하면 측정값의 평균을 구해 보정값으로 제공하여 보정 후 가공하는 단계(S106~S109)로 이루어진다.
도 4를 참조하면, 종래에는 오차를 바로 적용하여 첫번째 피가공 제품하고 10번째 피가공 제품의 오차가 크게 나타나나, 본 발명에서는 누적 반복 횟수를 지정하여 측정치의 오차값을 누적한 후 평균값을 구해 보정오차에 등록하여 보정함으로써 보정 후 가공을 가능하게 한다.
측정 단계(S104)에서는 도 5에 도시된 바와 같이, 접촉식 센서나 레이저 측정기를 이용하여 피가공품을 측정한다. 도 5를 참조하면, (a)는 측정 센서(30)로 1 포인트 방식으로 측정하는 예이고, (b)는 측정 센서(30)로 2 포인트 방식으로 측정하는 예이며, (c)는 레이저 측정기(50)로 측정하는 예이다.
한편, 측정기 및 공작기계의 오차의 측정과 보정은 기계의 정확성과 성능을 유지하기 위한 필요한 절차이다. 접촉식 측정 센서(30)를 이용한 정확한 측정을 위해서는 기준구 또는 링게이지를 이용한 센서 길이, 스타일러스 볼 반경/옵셋에 대한 교정이 필요하다.
대부분의 상용 접촉 센서들은 트리거링 회로를 가지는데, 트리거링을 야기하는 미소변위는 프로빙 방향에 의존해서 약간씩 변하게 된다. 이때 방향에 의존하는 오차를 센서 오차(Probe Lobing Error)라 한다. 측정기 센서의 전형적인 센서 오차 패턴은 도 6에 도시된 바와 같다. 또한 센서 오차를 효과적으로 평가하고 정밀하게 나타내기 위해서는 센서 좌표계(x',y',z')를 고려한다. B를 센서 좌표계의 z'축에 대한 롤(roll) 각이라 하고, A를 센서 좌표계의 z'축에 대한 틸트(tilt) 각이라 하고, z'축을 센서 바늘의 방향이라 하면, x'축은 z'축의 수직평면에 있고, y'축은 x'축에 직교한다. 두 좌표계가 공통원점을 가질 때, 센서 좌표계(x',y',z')와 기계 좌표계(x,y,z) 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다. 즉, ex', ey', ez'를 각각 x',y',z' 방향의 단위벡터라 할 때 다음 수학식 1과 같은 관계가 성립한다.
Figure 112017037430863-pat00008
따라서 두 좌표계 사이의 관계는 다음 수학식 2와 같이, 3x3 변환행렬 Tp로 나타내진다.
Figure 112017037430863-pat00009
여기서, B, A는 각각 센서와 롤(roll), 틸트(tilt)각이며, 수학식 2는 기준구의 측정, 센서 오차 교정 및 보정에 사용될 수 있다.
또한 센서 오차는 크기가 상대적으로 작은 기준구의 반구부를 등간격으로 측정하여 평가할 수 있다. 센서 오차는 프로빙 방향을 따라서 평가되기 때문에 실제 프로빙 방향은 공칭 프로빙 방향으로부터 작은 공차 안에 있도록 한다. 센서 오차를 효율적으로 정의하기 위해 (R,φ,θ) 좌표계를 고려하며, 이때 R은 구의 반경, φ는 Z'축으로부터의 각, θ는 X'축으로부터의 각이다. (φi,θj)가 (i,j)번째의 프로빙 방향이면, 센서 좌표계에서 목표점의 좌표값 (Xt ', Yt ', Zt ')은 다음 수학식 3과 같이 구해진다.
Figure 112017037430863-pat00010
여기서, 기계 좌표계의 값 (Xt, Yt, Zt)으로 변환하면, 다음 수학식 4와 같다.
Figure 112017037430863-pat00011
수학식 4에서 Tp는 수학식1의 변환행렬이고, [a,b,c]T는 초기 측정시의 중심좌표값이다. 센서 오차는 기준구의 측정으로 얻어질 수 있는데, 측정 데이터로부터 센서 오차를 교정하는 방법은 다음과 같다.
기준구의 (φi,θj) 위치에서의 반경을 Rs(φi,θj), 구와 센서간에 측정된 반경을 Rm(φi,θj), (φi,θj) 방향에서의 센서 오차를 Ep(φi,θj), Reff를 센서 팁의 유효반경이라 할 때 다음 수학식 5가 성립한다.
Figure 112017037430863-pat00012
따라서 센서 팁의 유효반경, Reff는 수학식 5의 좌변 상수항으로부터, 센서 오차 Ep는 좌변의 변수항으로부터 구한다. 이와 같이 구해진 센서 오차는 보정을 위해 사용될 수 있다.
센서 오차가 다른 기하학적 오차와 달리 위치좌표의 함수가 아니므로 센서 오차 보상은 프로빙 방향으로 수행된다. 즉, (Mx,My,Mz)이 기계좌표계에서 프로빙 방향을 나타내는 단위벡터라 할 때, 기계좌표계에서 프로빙 방향은 센서 좌표계로 변환되어야 한다. 따라서 센서 좌표계에서 프로빙 방향은 다음 수학식 6과 같이 구해진다.
Figure 112017037430863-pat00013
여기서, Tp는 두 좌표계 사이의 변환행렬이며, 센서 오차를 보정하기 위해 각 (φ,θ)는 다음 수학식 7과 같이 계산된다.
Figure 112017037430863-pat00014
프로빙 방향의 각 (φ,θ)를 알고 있을 때 센서 오차는 센서 오차 맵으로부터 구해지고, 프로빙 반대 방향으로 보정하면 된다. 따라서 보정된 좌표값 (Xc,Yc,Zc)은 다음 수학식 8과 같이 보정전 좌표값과 프로빙 방향으로의 오차의 차로 구해진다.
Figure 112017037430863-pat00015
여기서 (X,Y,Z)는 기계좌표계에서의 보정전 좌표값이고, (φ,θ)각은 센서 좌표계에서 프로빙 방향 (Mx',My',Mz')으로부터 결정된다.
도 7은 본 발명에 따른 누적 알고리즘의 개념도이고, 도 8은 본 발명에 따른 보정 화면의 예이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에서는 누적 반복횟수를 지정하여 측정치의 오차 값을 누적한 후 반복횟수를 지정하면 측정치를 반복횟수만큼 누적한 후 측정치를 모두 더한 후 반복횟수로 나누어 평균을 취해 보정한다. 예컨대, 도 7의 표에서 반복횟수를 3으로 할 경우 다음 수학식과 같이 측정오차 누적번호 1에서 3까지를 더한 후 3으로 나누어 보정값을 산출한다.
Figure 112017037430863-pat00016
보정 후 측정치는 4번이고, 이때 보정값은 2, 3, 4번을 누적 평균으로 산출하여 구한 후 이를 다시 보정하며, 이러한 과정을 반복한다.
보정시 통상 공작기계에서는 보정 파라미터를 사용하는데, 기존의 보정 파라미터를 0으로 초기화하였으나 본 발명에서는 보정 파라미터를 초기화하지 않고 다음과 같은 알고리즘에 따라 보정량을 계산한다.
Nj 공칭위치에서의 기존 보정량을 Dj, 측정 브로브에 의해 측정된 참값을 Tj라 하면, Nj 위치에서 측정된 오차 X'j 는 참값 Tj 와 기존 보정량으로 보정된 위치 공칭값 N'j 의 차이가 되며, 이 때 N'j 는 Nj와 그 위치에서의 보정량의 합으로 다음 수학식 10과 같이 계산된다.
Figure 112017037430863-pat00017
여기서 Tj와 Nj의 차이로 정의되는 Xj는 Nj 위치에서의 실제 오차량이고, 실제 오차 Xj에 대응하는 새로운 오차 보정량 C'j는 다음 수학식 11과 같이 구해진다.
Figure 112017037430863-pat00018
그리고 새로운 보정량(C'j)과 기존 보존량(Dj)과의 차이를 △Cj라 하면, △Cj는 다음 수학식 12와 같이 구해진다.
Figure 112017037430863-pat00019
상기 수학식 12로부터 기존의 보정량(Dj)에 부가적으로 더해지는 보정량 △Cj를 구할 수 있고, 따라서 최종적으로 보정량 Cj는 다음 수학식 13과 같이 기존의 보정량 Dj에 차이 △Cj를 더해 구해질 수 있다.
Figure 112017037430863-pat00020
도 8을 참조하면, 3가지 툴을 보정하여 사용하는 예로서 길이 측정, 베어링경 측정, 배부경 측정의 화면 예가 표시되어 있다. 이와 같이 본 발명에서는 기준치 측정, 공구팁 측정, 대상물 가공 후 측정(가공품 이송 -> 측정전 청소 -> 측정장치 이송 -> 측정 -> 보정값 산출 -> CNC 보정)을 통해 가공 정밀도를 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
10: 피가공품 20: V블록
30: 접촉 센서 40: 가이드
50: 레이저 측정기

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 가공 프로그램을 셋팅하고, 공구 측정기의 기준을 셋팅하며, 공구를 셋팅한 후 피가공물을 가공하고, 가공이 완료되면 피가공품을 측정하여 보정을 실시함으로서 가공오차를 줄이기 위한 자동 선반 가공 후 자동 보정을 위한 가공물 측정 방법에 있어서,
    누적 반복횟수를 설정하는 제 1 단계;
    측정할 피가공품을 V블록에 임시 거치하는 제 2 단계;
    상기 피가공품의 양 측 중심점을 양쪽 가이드로 밀착하여 들어올리는 제 3 단계;
    측정수단으로 상기 피가공품을 측정하는 제 4 단계;
    측정값을 저장하는 제 5 단계; 및
    측정을 반복하여 측정 횟수가 설정 횟수에 도달하면 측정값의 평균을 구해 보정값으로 제공하는 제 6 단계를 포함하되
    상기 측정수단은 접촉 센서나 레이저 측정기이고,
    상기 제 4 단계는 접촉 센서로 측정시 교정을 위해,
    센서 좌표계를 (x',y',z'), 기계 좌표계를 (x,y,z)라 할 때, B를 센서 좌표계의 z'축에 대한 롤(roll) 각이라 하고, A를 센서 좌표계의 z'축에 대한 틸트(tilt) 각이라 하면, x',y',z' 방향의 각 단위벡터 ex', ey', ez'는
    Figure 112017097411183-pat00021
    에 따라 산출하는 것을 특징으로 하는 자동 선반 가공 후 자동 보정을 위한 가공물 측정 방법.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서, 상기 제 6 단계는
    반복횟수를 지정하면 측정치를 반복횟수만큼 누적한 후 측정치를 모두 더한 후 반복횟수로 나누어 평균을 취해 보정량을 산출하는 것을 특징으로 하는 자동 선반 가공 후 자동 보정을 위한 가공물 측정 방법.
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