KR101915859B1 - 레이저 트래커를 이용한 다축 제어 기계의 서보 불일치 보정 방법 - Google Patents

레이저 트래커를 이용한 다축 제어 기계의 서보 불일치 보정 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101915859B1
KR101915859B1 KR1020160173964A KR20160173964A KR101915859B1 KR 101915859 B1 KR101915859 B1 KR 101915859B1 KR 1020160173964 A KR1020160173964 A KR 1020160173964A KR 20160173964 A KR20160173964 A KR 20160173964A KR 101915859 B1 KR101915859 B1 KR 101915859B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
servo
laser tracker
mismatch
control machine
coordinate system
Prior art date
Application number
KR1020160173964A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180071130A (ko
Inventor
양승한
이훈희
손진관
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 KR1020160173964A priority Critical patent/KR101915859B1/ko
Publication of KR20180071130A publication Critical patent/KR20180071130A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101915859B1 publication Critical patent/KR101915859B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/19—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/39—Robotics, robotics to robotics hand
    • G05B2219/39033—Laser tracking of end effector, measure orientation of rotatable mirror
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/41—Servomotor, servo controller till figures
    • G05B2219/41123—Correction inertia of servo
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/41—Servomotor, servo controller till figures
    • G05B2219/41165—Compensation corrected by second servo independent from main servo
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/47—Tracing, tracking
    • G05B2219/4719—Line detector with laser beam, adjustable optical axis

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 레이저 트래커를 이용한 다축 제어 기계의 서보 불일치 보정 방법은, 다축 제어 기계의 기계 좌표계(MCS, Machine Coordinate System) 기준의 원호 경로를 생성하고, 레이저 트래커를 이용하여 측정 좌표계(LTCS, laser tracker coordinate system)와 상기 기계 좌표계 간의 관계를 설정함으로써, 양방향으로의 원호 시험을 실행하는, 원호 시험 단계; 상기 레이저 트래커의 샘플링 시작 시각과 원호 구동 시작의 시각 차이를 고려하여 데이터를 정렬하는, 데이터 정렬 단계; 및 상기 데이터로부터 상기 다축 제어 기계의 각 축의 원호 구동 위상 지연을 추정하여 서보 불일치를 계산하는, 서보 불일치 계산 단계;를 포함하여, 볼바 시스템으로 측정하기 어려운 소형 공작기계와 같은 다축 제어 기계의 서보 불일치를 레이저 트래커를 이용하여 간단하면서도 정확하게 측정한 후 보정할 수 있으며, 이를 통해 위치 정확도를 향상시킬 수 있고 작업자의 노동력을 감소시킬 수 있어 결국 생산성을 개선할 수 있다.

Description

레이저 트래커를 이용한 다축 제어 기계의 서보 불일치 보정 방법{Servo Mismatch Compensation Method of Multi-axis Control Machine Using Laser Tracker}
레이저 트래커를 이용한 다축 제어 기계의 서보 불일치 보정 방법이 개시된다. 보다 상세하게는, 볼바 시스템으로 측정하기 어려운 소형 공작기계와 같은 다축 제어 기계의 서보 불일치를 레이저 트래커를 이용하여 간단하면서도 정확하게 측정한 후 보정할 수 있는, 레이저 트래커를 이용한 다축 제어 기계의 서보 불일치 보정 방법이 개시된다.
고정밀의 소형 부품에 대한 수요 증가로 소형 공작기계(Miniaturized Machine Tool)의 필요성 및 성능 개선의 요구가 높아지고 있다. 소형 공작기계의 위치 정확도 성능 저하의 주요 원인이 되는 기하학적 오차 등의 준정적 오차는 레이저간섭계, 정전용량센서 등을 통해서 측정 가능하다. 그러나, 서보 불일치, 백래쉬 등 동적 오차는 소형 공작기계의 좁은 측정 영역으로 인해 측정의 어려움이 있다.
한편, 원호 시험은 두 구동축 이상을 가진 이송 시스템의 정확도 평가를 위한 시험으로서 기준 원호에 대해 측정된 원호를 비교함으로써 오차 영향을 측정하는 간접적 보정 방법이다. 원호 시험 시, 동적 오차, 준정적 오차(예를 들면, 기하학적 오차, 열 변위 오차)의 영향을 동시에 측정할 수 있으며, 이러한 오차들에 대한 수학 모델을 통해 원호 시험 데이터로부터 각 오차의 영향을 추정할 수 있다.
이러한 원호 시험은 볼바 시스템을 통해서 수행될 수 있는데, 볼바 시스템은 설치 시간이 짧고 간편성이 있기 때문에 많이 활용되고 있다. 이러한 볼바 시스템은, 볼바를 이용한 원호 시험을 위해, 툴 측과 테이블 측에 장착되는 정밀한 2개의 볼과 2개의 볼 사이에 장착되는 LVDT(linear variable differential transformer)센서를 포함하며, 이를 통해 공작기계와 같은 다축 제어 기계의 서보 불일치 측정을 할 수 있었다.
그런데, 종래의 볼바 시스템에 있어서는, 비록 간소한 구조와 적은 비용으로 정확한 원호 시험을 수행할 수 있을지라도 기구적 제약으로 인해 수십 mm의 이송 영역을 가지는 정밀한 다축 제어 기계, 이를 테면 전술한 소형 공작기계의 서보 불일치를 측정하는 데는 한계가 있었다.
부연하면, 다축 제어 기계의 서보 불일치는 동시 구동하는 두 축의 위치 오차로부터 측정되는데, 볼바 시스템의 경우 1차원 데이터로부터 다축의 위치를 추정해야 하기 때문에 볼바 방정식을 수행하고 이를 분석하는 과정이 필요하다. 그런데, 수십 mm의 이송 영역을 가진 소형 공작기계의 경우 볼바 시스템의 적용이 어려워 서보 불일치 측정에 한계가 있다.
한편, 대한민국 등록특허 10-1223362호에서는 "기하학적 오차를 고려한 서보 불일치 오차의 보정 방법"에 대해 공지되어 있는데, 기존의 동적 원호 시험의 데이터는 서보 불일치뿐만 아니라 기하학적 오차와 같은 준정적 오차도 포함되어 있어 서보 불일치를 정확하게 계산하기 위해서는 이를 측정하고 분리하는 복잡한 과정이 요구된다는 한계도 있었다.
본 발명의 실시예에 따른 목적은, 볼바 시스템으로 측정하기 어려운 소형 공작기계와 같은 다축 제어 기계의 서보 불일치를 레이저 트래커를 이용하여 간단하면서도 정확하게 측정한 후 보정할 수 있으며, 이를 통해 위치 정확도를 향상시킬 수 있고 작업자의 노동력을 감소시킬 수 있어 결국 생산성을 개선할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 레이저 트래커를 이용한 다축 제어 기계의 서보 불일치 보정 방법은, 다축 제어 기계의 기계 좌표계(MCS, Machine Coordinate System) 기준의 원호 경로를 생성하고, 레이저 트래커를 이용하여 측정 좌표계(LTCS, laser tracker coordinate system)와 상기 기계 좌표계 간의 관계를 설정함으로써, 양방향으로의 원호 시험을 실행하는, 원호 시험 단계; 상기 레이저 트래커의 샘플링 시작 시각과 원호 구동 시작의 시각 차이를 고려하여 데이터를 정렬하는, 데이터 정렬 단계; 및 상기 데이터로부터 상기 다축 제어 기계의 각 축의 원호 구동 위상 지연을 추정하여 서보 불일치를 계산하는, 서보 불일치 계산 단계;를 포함하여, 볼바 시스템으로 측정하기 어려운 소형 공작기계와 같은 다축 제어 기계의 서보 불일치를 레이저 트래커를 이용하여 간단하면서도 정확하게 측정한 후 보정할 수 있으며, 이를 통해 위치 정확도를 향상시킬 수 있고 작업자의 노동력을 감소시킬 수 있어 결국 생산성을 개선할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 서보 불일치 계산 단계에서 계산된 상기 서보 불일치의 값을 보정하기 위해서, 서보 루프 게인을 조정한 후 원호 시험을 통해 서보 불일치를 재측정하는, 재측정 단계;를 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 재측정 단계에서 초기 측정과 서보 불일치 값을 이용하여 서보 루프 게인 조정값을 계산하는, 서보 루프 게인 조정값 계산 단계;를 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 원호 시험 단계는, 상기 기계 좌표계 기준의 양방향의 원호 경로를 생성하는, 원호 경로 생성 단계; 상기 측정 좌표계와 기계좌표계의 관계를 설정하는, 좌표계 설정 단계; 상기 레이저 트래커를 이용하여 상기 원호 경로로 구동하는 상기 다축 제어 기계에 장착된 반사경의 위치를 연속적으로 측정하는, 양방향 원호 시험 실행 단계; 및 상기 측정 좌표계로부터 측정된 좌표 데이터를 상기 기계 좌표계의 데이터로 변환시키는, 변환 단계;를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 데이터 정렬 단계 시, 초기 시각 t=0에서의 상기 레이저 트래커의 양방향 원호 시험의 측정 값을 이용하여 샘플링 시작 시각 차이로 인한 위상 지연을 계산한 후, 계산된 위상 지연을 고려하여 데이터를 정렬할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 서보 불일치 계산 단계는, 상기 데이터 정렬 단계 시 정렬된 상기 데이터로부터 기하학적 오차를 포함하는 준정적 오차의 영향을 제거하는, 준정적 오차 영향 제거 단계; 준정적 오차의 영향이 제거된 데이터를 토대로 상기 다축 제어 기계의 각 축의 원호 구동 위상 지연을 추정하는, 위상 지연 추정 단계; 및 상기 각 축의 기준 축과 다른 축의 위상 지연 차이를 원호 구동 각속도로 나누어 상기 서보 불일치를 계산하는, 계산 단계;를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 재측정 단계 시, 서보 루프 게인을 설정된 임의값으로 조정한 후 추가된 원호 시험을 통해 서보 불일치를 재측정함으로써 서보 루프 게인 조정값을 계산하고 서보 불일치의 보정을 수행할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 서보 루프 게인 조정값 계산 단계 시, 초기의 서보 루프 게인 값에서의 서보 불일치와 임의의 서보 루프 게인으로 조정한 후의 서보 불일치를 이용하여 서보 루프 게인의 조정에 따른 서보 불일치 변화의 비례 상수를 계산한 다음, 상기 서보 불일치가 제로가 되도록 비례식을 통해 서보 루프 게인의 조정값을 계산하며, 상기 비례 상수(c)는
Figure 112016124667760-pat00001
에 의해 계산되며, 상기 서보 루프 게인의 조정값(
Figure 112016124667760-pat00002
)은
Figure 112016124667760-pat00003
에 의해 계산될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 보정 방법에 이용되는 상기 레이저 트래커는, 레이저 트래커 헤드와, 상기 다축 제어 기계에 장착되는 반사경과, 상기 레이저 트래커 및 상기 반사경의 작동을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 레이저 트래커가 상기 반사경의 중심 위치를 추적함으로써 상기 원호 시험 단계가 실행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 볼바 시스템으로 측정하기 어려운 소형 공작기계와 같은 다축 제어 기계의 서보 불일치를 레이저 트래커를 이용하여 간단하면서도 정확하게 측정한 후 보정할 수 있으며, 이를 통해 위치 정확도를 향상시킬 수 있고 작업자의 노동력을 감소시킬 수 있어 결국 생산성을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 트래커를 이용한 다축 제어 기계의 서보 불일치 보정 방법의 순서도이다.
도 2는 원호 시험에서 서보 불일치에 대한 영향을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 보정 방법에 이용되는 레이저 트래커의 개략적인 구성 도면이다.
도 4는 도 3을 다른 각도에서 바라본 도면이다.
도 5는 도 1의 원호 경로 생성 단계를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 적용에 관하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 본 발명에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 트래커를 이용한 다축 제어 기계의 서보 불일치 보정 방법의 순서도이고, 도 2는 원호 시험에서 서보 불일치에 대한 영향을 나타낸 도면이고, 도 3은 도 1의 보정 방법에 이용되는 레이저 트래커의 개략적인 구성 도면이고, 도 4는 도 3을 다른 각도에서 바라본 도면이며, 도 5는 도 1의 원호 경로 생성 단계를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 트래커(100, 도 3 참조)를 이용한 다축 제어 기계의 서보 불일치 보정 방법은, 레이저 트래커(100)를 이용하여 양방향으로의 원호 시험을 실행하는 원호 시험 단계(S100)와, 샘플링 시간차를 고려하여 데이터를 정렬하는 데이터 정렬 단계(S200)와, 서보 불일치를 계산하는 서보 불일치 계산 단계(S300)와, 서보 불일치의 값을 보정하기 위해서 서보 루프 게인을 조정하여 서보 불일치를 재측정하는 재측정 단계(S400) 그리고 재측정된 서보 불일치를 이용하여 서보 루프 게인 조정값을 계산하는 서보 루프 게인 조정값 계산 단계(S500)를 포함할 수 있다.
이러한 구성에 의해서, 볼바 시스템 등의 적용이 어려운 소형 공작기계와 같은 다축 제어 기계에 이르기까지 간편하고 쉽게 서보 불일치를 측정함으로써 보정할 수 있어 다축 제어 기계에 있어서 위치 정확도 향상을 위한 서보 불일치 보정에 폭 넓게 사용할 수 있다.
각 단계적 구성에 대해 설명하기에 앞서, 도 2를 참조하여, 원호 시험에서의 서보 불일치 영향에 대해서 설명하기로 한다.
서보 불일치는 일반적으로 되먹임 제어(feedback control)하는 기계의 구동축에 대한 다른 한 구동축의 응답시간이 지연되거나 선행되는 것을 의미한다. 도 2의 (a)를 참조하면, 원호 구동 시의 서보 불일치는 대각 방향으로 예를 들면 땅콩 모양의 위치 오차를 발생시키며, 구동 방향에 따라 축 대칭으로 발생시킨다. 그리고, 서보 불일치에 대한 위치 오차는, 도 2의 (b) 및 (c)에 도시된 것처럼, 측정 원호의 반경 및 이송 속도(feed rate)에 비례하여 발생되는 것을 알 수 있다. 이처럼, 다축 제어 기계에는 서보 불일치가 발생되며, 따라서 이를 보정하는 것이 중요하다. 그런데, 전술한 것처럼, 일반적인 다축 제어 기계의 경우에는 볼바 시스템을 이용한 원호 시험을 통해 서보 불일치를 측정한 후 보정할 수 있으나 소형 공작 기계의 경우 어려움이 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 서보 불일치 보정 방법은 자세히 후술하겠지만, 레이저 트래커(100)를 이용하여 정확하면서도 간편하게 서보 불일치를 측정할 수 있는데, 이하에서는 먼저 본 보정 방법에 이용되는 레이저 트래커(100)의 구성에 대해서 개략적으로 설명하기로 한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 실시예의 보정 방법에 이용되는 레이저 트래커(100)는, 트래커 몸체(110)와, 이에 회전 가능하게 장착되는 트래커 헤드(120)와, 다축 제어 기계에 착탈 가능하게 장착되는 반사경(150)과, 이들의 작동을 제어하는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
트래커 몸체(110)는 지지 기반(101)에 대해 수평 방향으로 회전 가능하게 장착되고, 트래커 헤드(120)는 트래커 몸체(110)에 대해 회전 가능하게 장착된다. 따라서 트래커 헤드(120)는 두 방향(방위각, 고도)으로 회전할 수 있으며, 트래커 내부에 반사경을 맞고 돌아오는 레이저 광원의 변위를 감지하는 센서와 구동기가 구비되어 있어 반사경으로 트래커 헤드의 방향을 회전 할 수 있으며, 따라서 반사경(150)을 정확하게 추적할 수 있다. 도면에 도시되지는 않았지만, 반사경(150)을 추적하는 레이저 트래커(100)의 회전각은 엔코더로 측정하고, 반사경(150)까지의 거리는 내부의 레이저 간섭계로 측정할 수 있다. 제어부는 측정된 방위 각도와 거리 정보를 이용하여 반사경의 중심 위치(pL)를 출력시킬 수 있다. 여기서 중심 위치(pL)는 다음과 같다.
Figure 112016124667760-pat00004
한편, 전술한 레이저 트래커(100)를 이용한 본 발명의 서보 불일치 보정 방법에 대해서 설명하면, 먼저 본 실시예의 원호 시험 단계(S100)는, 다축 제어 기계의 기계 좌표계 기준의 원호 경로를 생성하고, 레이저 트래커(100)를 이용하여 측정 좌표계와 기계 좌표계 간의 관계를 설정함으로써 양방향으로의 원호 시험을 실행하는 단계이다.
이러한 원호 시험 단계(S100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 원호 경로를 생성하는 원호 경로 생성 단계(S110)와, 측정 좌표계와 기계 좌표계의 관계를 설정하는, 좌표계 설정 단계(S120)와, 양방향으로의 원호 시험을 실행하는, 양방향 원호 시험 실행 단계(S130)와, 측정 데이터를 측정 좌표계로부터 기계 좌표계 데이터로 변환시키는 변환 단계(S140)를 포함할 수 있다.
먼저, 원호 경로 생성 단계(S110)는, 기계 좌표계 기준의 원호 경로를 생성하는 단계이다. 도 5를 참조하면, x, y축의 서보 불일치 측정의 경우 기계 좌표계를 기준으로 반사경(150)이 이동할 반시계 방향 및 시계 방향의 원호 경로를 생성 할 수 있다.
반시계(ccw) 방향 :
Figure 112016124667760-pat00005
시계(cw) 방향 :
Figure 112016124667760-pat00006
여기서, 도 5에 도시된 바와 같이, R은 원호 반경이고, ω는 원호 구동 각속도이고, t는 구동 시간이며, xc, yc는 원호의 중심 위치를 가리킨다.
본 실시예의 좌표계 설정 단계(S120)는, 다축 제어 기계의 기계 좌표계(MCS, Machine Coordinate System) 기준으로 원호 시험 데이터를 분석하기 위해서 레이저 트래커(100)의 측정 좌표계(LTCS, laser tracker coordinate system)와 기계 좌표계 간의 관계를 설정하는 단계이다.
본 단계 시, 기계 좌표계의 원점 및 x, y, z축 구동을 통하여 방향벡터 측정을 함으로써 기계 좌표계 및 측정 좌표계의 관계를 설정한다.
본 실시예의 양방향 원호 시험 실행 단계(S130)는 기계 좌표계에서 생성한 원호 경로를 구동하고 레이저 트래커를 이용하여 반사경(150)의 위치를 측정하여 데이터를 획득할 수 있다.
이후, 변환단계(S140)를 통해 측정 좌표계에 대한 데이터는 기계 좌표계에 대한 원호 시험 데이터로 다음의 식으로 변환될 수 있다.
Figure 112016124667760-pat00007
여기서,
Figure 112016124667760-pat00008
는 측정 좌표계에 대한 기계 좌표계의 방향 행렬을 가리키고,
Figure 112016124667760-pat00009
는 측정 좌표계에 대한 기계 좌표계의 원점 위치를 가리킨다. 그리고, SMR 은 반사경(150)을 가리킨다.
한편, 본 발명의 데이터 정렬 단계(S200)는, 샘플링 시간차를 고려하여 데이터를 정렬시키는 단계이다. 서보 불일치를 정확하게 측정하기 위해서는 샘플링 시작 시간 차이를 최소화해야 하는데, 본 단계를 통해 수학적인 데이터 정렬을 함으로써 서보 불일치 측정의 정확성을 높일 수 있다.
레이저 트래커(100)는 다축 제어 기계의 서보 불일치와 트래커의 샘플링 시작 시간 차이로 인해 다음과 같이 지연된 위상으로 원호를 측정할 수 있다.
Figure 112016124667760-pat00010
그리고 초기 시각 t=0에서의 레이저 트래커(100)의 양방향 원호 시험의 측정 값(yccw, ycw)을 이용하여 다음의 식에 의해 서보 불일치와 샘플링 시각 차이로 인한 위상 지연 차이를 계산할 수 있다.
Figure 112016124667760-pat00011
여기서,
Figure 112016124667760-pat00012
는 y축의 서보 응답 지연과 반시계 방향 원호 측정 시의 샘플링 시각 차이로 인해 지연된 위상이고,
Figure 112016124667760-pat00013
는 y축의 서보 응답 지연과 시계 방향 원호 측정 시의 샘플링 시각 차이로 인해 지연된 위상이다.부연하면, 서보 불일치는 전술한 것처럼 두 축의 서보 응답 시간 차 또는 원호 구동에서 두 축의 원호 위상 지연 차이로 나타나는데, 위상 지연 차이(
Figure 112016124667760-pat00014
)는
Figure 112016124667760-pat00015
식에 의해 구할 수 있고, 서보 불일치(
Figure 112016124667760-pat00016
)는
Figure 112016124667760-pat00017
식에 의해 구할 수 있다.
여기서 위상 지연은 미소각이기 때문에 공지된 테일러 시리즈에 의해 수식을 다음과 같이 간소화할 수 있다.
Figure 112016124667760-pat00018
Figure 112016124667760-pat00019
여기서, 서보 불일치로 인한 위상 지연은 상쇄되어 샘플링 시각 차이로 인한 위상 지연을 계산하는데 영향을 주지 않는다.
Figure 112016124667760-pat00020
,
Figure 112016124667760-pat00021
는 시계 방향과 반시계 방향 원호 측정시의 샘플링 시각으로 인한 위상 지연을 가리키며,
Figure 112016124667760-pat00022
는 두 방향 원호의 샘플링 시각 차이로 인한 위상 지연 차이를 가리킨다.
그리고, 샘플링 시각 차이에 의한 위상 지연을 고려하여 측정 데이터를 다음과 같이 정렬할 수 있다.
Figure 112016124667760-pat00023
,
Figure 112016124667760-pat00024
이와 같이, 본 실시예의 데이터 정렬 단계(S200)는, 전술한 수식들에 의하여 샘플링 시간차를 고려하여 데이터를 정렬할 수 있는 것이다.
한편, 본 실시예의 서보 불일치 계산 단계(S300)는, 먼저 데이터로부터 준정적 오차의 영향을 제거하는 준정적 오차 영향 제거 단계와, 각 축의 원호 구동 위상 지연을 추정하는 위상 지연 추정 단계, 그리고 각 축의 기준 축과 다른 축 간의 위상 지연 차이를 원호 구동 각속도로 나누어 서보 불일치를 계산하는 계산 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 준정적 오차 영향 제거 단계 시, 원호 측정 데이터에 포함된 기하학적 오차와 같은 준정적 오차의 영향을 제거한다. 부연하면 원호 측정 데이터에는 서보 불일치에 의한 오차뿐 아니라 준정적 오차도 포함되어 있는데 정확한 서보 불일치 계산을 위해서는 이를 제거해주어야 한다.
준정적 오차는 서보 불일치와 같은 동적 오차와 다르게 원호의 방향에 관계 없이 동일한 위치에서는 같은 오차의 영향을 미친다. 따라서 측정 중 온도 변화가 미소하다고 가정하면, 준정적 오차의 영향은 양방향의 원호 측정 데이터를 서로 상쇄하여 제거 가능하다. 이는 다음의 식에 의해 이루어질 수 있다.
Figure 112016124667760-pat00025
,
Figure 112016124667760-pat00026
Figure 112016124667760-pat00027
,
Figure 112016124667760-pat00028
여기서,
Figure 112016124667760-pat00029
는 해당 위치에서의 x, y축에서의 준정적 오차이고, mx, my은 각 구동축의 원호 구동 반경으로서 반지름(R)과 동일하다.
아울러, 양방향 원호 측정 데이터로부터 위상 지연으로 인한 각 축의 위치 오차를 계산하며 다음의 식과 같다.
Figure 112016124667760-pat00030
상기 식에서,
Figure 112016124667760-pat00031
는 각 축의 위상 지연으로 인한 x, y축의 위치 오차를 가리킨다.
한편, 위상 지연 추정 단계 시, 준정적 오차의 영향이 제거된 데이터를 토대로 다축 제어 기계의 각 축의 원호 구동 위상 지연을 추정할 수 있다. 이 단계 시 각 축 위상 지연으로 인한 원호 경로는 다음 식과 같이 정리될 수 있다.
Figure 112016124667760-pat00032
상기 식에서 좌변은 준정적 오차가 제거된 측정값으로 각 축에 대한 수식을 선형방정식으로 정리하여 위상 지연을 최소자승법으로 추정할 수 있다.
그리고, 계산 단계 시, 기준 축과 다른 한 축의 위상 지연 차이를 구동 각속도로 나눔으로 서보 불일치를 계산할 수 있다. 즉, 전술한 바와 같이,
Figure 112016124667760-pat00033
식에 의해 위상 지연 차이(
Figure 112016124667760-pat00034
)를 구하고,
Figure 112016124667760-pat00035
식에 의해 서보 불일치(
Figure 112016124667760-pat00036
)를 계산할 수 있다.
한편, 본 실시예의 재측정 단계(S400)는, 전술한 바와 같이, 서보 불일치 계산 단계(S300)에서 계산된 서보 불일치의 값을 보정하기 위해서, 게인을 조정한 후 원호 시험을 통해 서보 불일치를 재측정하는 단계이다. 이때 서보 루프 게인을 설정된 임의값으로 조정한 후 추가된 원호 시험을 통해 서보 불일치를 재측정함으로써 서보 루프 게인의 조정값을 획득하고 제어기에 적용하여 서보 불일치 보정을 수행할 수 있다.
부연하면, 종래에는 제어 시스템의 전달함수 등을 고려해야 하기 때문에 절차가 복잡하였지만, 본 실시예의 경우에는, 서보 루프 게인을 임의값으로 조정한 후 원호 시험을 하는 과정을 추가하여 간단히 서보 루프 게인 조정값을 계산할 수 있다. 즉, 서보 루프 게인을 초기와 다른 임의의 값으로 변경한 후, 전술한 단계들 즉, 원호 시험 단계(S100), 데이터 정렬 단계(S200) 그리고 서보 불일치 계산 단계(S300)를 재실시하여 서보 루프 게인 조정값을 정확하면서도 간단하게 계산할 수 있다.
한편, 본 실시예의 서보 루프 게인 조정값 계산 단계(S500) 시, 비례식을 이용하여 상기 재측정 단계(S400)에서 재측정된 서보 불일치 값을 활용하여 서보 루프 게인 조정값을 계산할 수 있다.
즉, 초기의 서보 루프 게인 값에서의 서보 불일치와 임의의 서보 루프 게인으로 조정한 후의 서보 불일치를 이용하여 서보 루프 게인의 조정에 따른 서보 불일치 변화의 비례 상수를 계산한 다음, 상기 서보 불일치가 제로(0)가 되도록 비례식을 통해 서보 루프 게인의 조정값을 계산할 수 있다.
여기서, 비례 상수(c)는
Figure 112016124667760-pat00037
에 의해 계산되고, 서보 루프 게인의 조정값(
Figure 112016124667760-pat00038
)은
Figure 112016124667760-pat00039
에 의해 계산할 수 있다. 이때, y축이 기준 축일 경우 x축의 서보 루프 게인을 대상으로 조정값을 계산할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 볼바 시스템으로 측정하기 어려운 소형 공작기계와 같은 다축 제어 기계의 서보 불일치를 레이저 트래커(100)를 이용하여 간단하면서도 정확하게 측정한 후 보정할 수 있으며, 이를 통해 위치 정확도를 향상시킬 수 있고 작업자의 노동력을 감소시킬 수 있어 결국 생산성을 개선할 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100 : 레이저 트래커
101 : 트래커 지지 기반
110 : 트래커 몸체
120 : 트래커 헤드
150 : 반사경
S100 : 원호 시험 단계
S200 : 데이터 정렬 단계
S300 : 서보 불일치 계산 단계
S400 : 재측정 단계
S500 : 서보 루프 게인 조정값 계산 단계

Claims (9)

  1. 다축 제어 기계의 기계 좌표계(MCS, Machine Coordinate System) 기준의 원호 경로를 생성하고, 레이저 트래커를 이용하여 측정 좌표계(LTCS, laser tracker coordinate system)와 상기 기계 좌표계 간의 관계를 설정함으로써, 양방향으로의 원호 시험을 실행하는, 원호 시험 단계;
    상기 레이저 트래커의 샘플링 시작 시각과 원호 구동 시작의 시각 차이를 고려하여 데이터를 정렬하는, 데이터 정렬 단계; 및
    상기 데이터로부터 상기 다축 제어 기계의 각 축의 원호 구동 위상 지연을 추정하여 서보 불일치를 계산하는, 서보 불일치 계산 단계;
    를 포함하는, 레이저 트래커를 이용한 다축 제어 기계의 서보 불일치 보정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 서보 불일치 계산 단계에서 계산된 상기 서보 불일치의 값을 보정하기 위해서, 서보 루프 게인을 임의 조정한 후 원호 시험을 통해 서보 불일치를 재측정하는, 게인 재측정 단계;
    를 더 포함하는, 레이저 트래커를 이용한 다축 제어 기계의 서보 불일치 보정 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 재측정 단계에서 재측정된 상기 서보 불일치 값을 이용하여 서보 루프 게인 조정값을 계산하는, 서보 루프 게인 조정값 계산 단계;
    를 더 포함하는, 레이저 트래커를 이용한 다축 제어 기계의 서보 불일치 보정 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 원호 시험 단계는,
    상기 다축 제어 기계의 기계 좌표계 기준의 양방향의 원호 경로를 생성하는, 원호 경로 생성 단계;
    상기 레이저 트래커를 이용하여 상기 측정 좌표계와 상기 기계 좌표계 간의 관계를 설정하는, 좌표계 설정 단계;
    상기 레이저 트래커를 이용하여 상기 원호 경로로 구동하는 상기 다축 제어 기계에 장착된 반사경의 위치를 연속적으로 측정하는, 양방향 원호 시험 실행 단계; 및
    상기 측정 좌표계로부터 측정된 좌표 데이터를 상기 기계 좌표계의 데이터로 변환시키는, 변환 단계;
    를 포함하는, 레이저 트래커를 이용한 다축 제어 기계의 서보 불일치 보정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 데이터 정렬 단계 시, 초기 시각 t=0에서의 상기 레이저 트래커의 양방향 원호 시험의 측정 값을 이용하여 샘플링 시작 시각 차이로 인한 위상 지연 차를 계산한 후, 계산된 위상 지연 차를 고려하여 데이터를 정렬하는, 레이저 트래커를 이용한 다축 제어 기계의 서보 불일치 보정 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 서보 불일치 계산 단계는,
    상기 데이터 정렬 단계 시 정렬된 상기 데이터로부터 기하학적 오차를 포함하는 준정적 오차의 영향을 제거하는, 준정적 오차 영향 제거 단계;
    준정적 오차의 영향이 제거된 데이터를 토대로 상기 다축 제어 기계의 각 축의 원호 구동 위상 지연을 추정하는, 위상 지연 추정 단계; 및
    상기 각 축의 기준 축과 다른 축의 위상 지연 차이를 원호 구동 각속도로 나누어 상기 서보 불일치를 계산하는, 계산 단계;
    를 포함하는, 레이저 트래커를 이용한 다축 제어 기계의 서보 불일치 보정 방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 재측정 단계 시, 서보 루프 게인을 설정된 임의값으로 조정한 후 추가된 원호 시험을 통해 서보 불일치를 재측정함으로써 서보 루프 게인의 조정값을 계산하고 서보 불일치 보정을 수행하는, 레이저 트래커를 이용한 다축 제어 기계의 서보 불일치 보정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 서보 루프 게인 조정값 계산 단계 시, 초기의 서보 루프 게인 값에서의 서보 불일치와 임의의 서보 루프 게인으로 조정한 후의 서보 불일치를 이용하여 서보 루프 게인의 조정에 따른 서보 불일치 변화의 비례 상수를 계산한 다음, 상기 서보 불일치가 제로가 되도록 비례식을 통해 서보 루프 게인의 조정값을 계산하며,
    상기 비례 상수(c)는
    Figure 112018056990945-pat00040
    에 의해 계산되며,
    상기 서보 루프 게인의 조정값(
    Figure 112018056990945-pat00041
    )은
    Figure 112018056990945-pat00042
    (여기서, τ1은 초기의 서보 불일치이고, τ2는 임의의 서보 루프 게인으로 조정한 후의 서보 불일치이고, kp1 은 초기의 서보 루프 게인의 조정값, kp2는 임의의 서보 루프 게인으로 조정한 후의 조정값임)에 의해 계산되는, 레이저 트래커를 이용한 다축 제어 기계의 서보 불일치 보정 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 보정 방법에 이용되는 상기 레이저 트래커는, 레이저 트래커 헤드와, 상기 다축 제어 기계에 장착되는 반사경과, 상기 레이저 트래커 및 상기 반사경의 작동을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 레이저 트래커가 상기 반사경의 중심 위치를 추적함으로써 상기 원호 시험 단계가 실행되는, 레이저 트래커를 이용한 다축 제어 기계의 서보 불일치 보정 방법.
KR1020160173964A 2016-12-19 2016-12-19 레이저 트래커를 이용한 다축 제어 기계의 서보 불일치 보정 방법 KR101915859B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160173964A KR101915859B1 (ko) 2016-12-19 2016-12-19 레이저 트래커를 이용한 다축 제어 기계의 서보 불일치 보정 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160173964A KR101915859B1 (ko) 2016-12-19 2016-12-19 레이저 트래커를 이용한 다축 제어 기계의 서보 불일치 보정 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180071130A KR20180071130A (ko) 2018-06-27
KR101915859B1 true KR101915859B1 (ko) 2018-11-06

Family

ID=62790099

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160173964A KR101915859B1 (ko) 2016-12-19 2016-12-19 레이저 트래커를 이용한 다축 제어 기계의 서보 불일치 보정 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101915859B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109656013B (zh) * 2018-12-17 2020-08-21 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种基于激光跟踪仪的大口径望远镜主镜室装配方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100297257B1 (ko) 1998-10-14 2001-08-07 정명식 볼바를이용한수치제어기의오차분석방법
KR101223362B1 (ko) 2010-11-26 2013-01-16 경북대학교 산학협력단 기하학적 오차를 고려한 서보 게인 불일치 오차의 보정 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100297257B1 (ko) 1998-10-14 2001-08-07 정명식 볼바를이용한수치제어기의오차분석방법
KR101223362B1 (ko) 2010-11-26 2013-01-16 경북대학교 산학협력단 기하학적 오차를 고려한 서보 게인 불일치 오차의 보정 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180071130A (ko) 2018-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108000522B (zh) 一种基于单机器人对工件偏移后误差检测补偿方法
US10209107B2 (en) Geometric error identification method of multi-axis machine tool and multi-axis machine tool
JP4829359B2 (ja) 機上計測装置のプローブ取り付け位置算出方法
RU2559611C2 (ru) Устройство для исправления ошибок для станков с чпу
JP5321532B2 (ja) ロボットキャリブレーション装置及びキャリブレーション方法
CN106885511B (zh) 应用于量测的双球杆系统及其误差补偿方法
JP2000288965A (ja) 測定装置および機械の誤差補正方法
WO2002016868A1 (fr) Procede d'evaluation d'erreur de position pour dispositif mobile, et procede d'amelioration de precision de mouvement se basant sur le resultat d'evaluation
US11892820B2 (en) Error compensation method for machine tool and machine tool
KR20160001558A (ko) 로봇암 시스템 및 그 평행도 교정 방법
US7612516B2 (en) Measuring method and system for CNC machine
TWI648516B (zh) 雙光學量測補償系統
KR101915859B1 (ko) 레이저 트래커를 이용한 다축 제어 기계의 서보 불일치 보정 방법
KR102035334B1 (ko) 4축 공작기계의 기하학적 오차 측정 방법
US9025165B2 (en) Normal vector tracing ultra-precision shape measurement method
CN111707291B (zh) 一种星敏感器焦平面自动装校装置及自动装校方法
US20030063267A1 (en) Interferometer system for a semiconductor exposure system
TW202028691A (zh) 運動量測方法及其系統
JP2011102767A (ja) 非接触型位置・姿勢測定方法及び非接触型位置・姿勢測定装置並びにこれを備えた半導体実装装置
CN114012719A (zh) 一种六轴机器人的零点标定方法及系统
KR101826577B1 (ko) 로봇의 손목 축 움직임을 이용한 툴 보정 방법
KR101679339B1 (ko) 선형 위치 결정 장치 및 이의 오차 보상 방법
CN111486863A (zh) 运动测量方法及其系统
KR102585785B1 (ko) 절대거리 측정 기반 다변측정시스템 및 이를 이용한 다변측정방법
JPH05173639A (ja) 位置制御装置及びその制御方法

Legal Events

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