KR101997923B1 - 공작기계의 공구 휨 현상 보정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공구 휨 현상 보정 방법에 관한 것으로, 본 발명의 실시 예에 따른 공구 휨 현상 보정 방법은 공구를 장착하는 스핀들의 각 축에 부착된 센서들로부터 공구(tool)에 걸리는 부하 량을 방향 별로 측정하는 단계와, 방향 별 편향 정도를 계산하여 각 방향 별 보상량을 결정하는 단계, 각 방향 별 보상량을 위상 보정 필터(phased compensation filter)를 이용하여 보정하여 가공 중 실시간으로 공구 휨 현상을 보상하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

공작기계의 공구 휨 현상 보정 방법{METHOD FOR COMPENSATING DEFLECTION OF TOOL}

본 발명은 공구 휨 현상 보정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공작기계의 가공시 공구에 걸리는 부하량을 방향별로 실시간 측정하여 3차원 위치 보정을 통해 공구 휨 현상을 보정하는 공구 휨 현상 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 공작 기계의 가공 과정에서, 공구가 회전하면서 가공하는 순간 공구 휨 현상(tool deflection)이 발생한다. 이러한 공구 휨 현상을 보상하기 위해 작업자는 직접 스핀들의 회전 속도를 높이거나 가공 피드(feed) 자체를 줄여 가공을 진행하였다. 그러나, 이를 통한 공구 휨 현상의 보정 효율은 가공 프로그램, 공구의 상태, 작업자의 능력에 따라 많이 달라질 수 밖에 없다.

따라서, 종래에는 공구 휨 현상을 보완하기 위해 기존 스핀들에 피에조 액추에이터(piezo actuator)를 부착하고 스핀들의 종단부를 역방향으로 위치 보정하여 공구 선단점을 이동시키는 방법을 적용하였다. 그런데, 이와 같은 종래 방법은 고가의 피에조 액추에이터의 사용으로 인해 높은 설비 비용이 추가적으로 발생하고, 또한 공구별 휨 현상을 센서(예컨대, Eddy Current Sensor)를 통해 측정하기 때문에, 범용의 공작기계에서 적용하기는 어려운 문제점이 있다. 이와 더불어, 복수의 액추에이터들을 사용함에 따라 별도의 제어기들을 추가적으로 부착하게 되므로, 실제 부하 변동이 심한 가공 환경에서의 제어는 현실적으로 어려운 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 가공 소재의 형태나 가공 프로그램에 관계없이 공구에 걸리는 방향별 부하량에 따라 3차원 위치보정을 수행함으로써 공구 휨 현상을 효과적으로 보정하는 공구 휨 현상 보정 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명에 따른 공구 휨 현상 보정 방법은, 공구를 장착하는 스핀들의 각 축에 부착된 센서들로부터 공구(tool)에 걸리는 부하량을 방향별로 측정하는 단계; 상기 방향에 따른 편향 정도를 계산하여 각 방향별 보상량을 결정하는 단계; 및 상기 각 방향별 보상량을 위상 보정 필터(phased compensation filter)를 이용하여 보정하여 가공 중 실시간으로 공구 휨 현상을 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 방향에 따른 편향 정도를 계산하는 단계는 각 공구의 소재, 형태에 따라 틀어지는 휨 특성을 기록한 룩업 테이블(look-up table)을 이용하여 계산할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 방향에 따른 편향 정도를 계산하는 단계는 하기의 수학식에 근거한 수평 편향 계산(horizontal Deflection Calculation) 알고리즘을 통해 계산할 수 있다.

F는 공구 날, E는 탄성 계수(HSS: 200Gpa, Carbide: 605GPa), L1은 날의 길이, L2는 전체 공구의 길이, I는 관성모멘트, F는 각 방향에 작용하는 힘을 나타낸다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 방향 별 편향 정도를 계산하는 단계는, 상기 수평 편향 계산 알고리즘을 통해 계산한 방향 별 편향 정도에 대해, 기하학적 오차량을 다시 보정하여 좌표 보상량(coordinate compensation amount)를 결정하는 단계(S130)를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 공작 가공 시 공구에 걸리는 부하량(load)을 방향에 따라 3차원 위치 보정을 실시간으로 수행할 수 있어 공구 휨 현상을 효과적으로 보정시킬 수 있고 이로 인해 가공 결과물의 품질을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 공구 휨 현상 보정 방법의 구현을 위한 로드 분석 파트(Load Analysis Part)를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 공구의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 좌표 보상을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 5축기의 경우 공구 휨 현상을 보정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 3축기의 경우 공구 휨 현상을 보정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 공구 휨 현상 보정 방법을 보여주는 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 수평적 편향 계산(horizontal Deflection Calculation) 방법을 보여주는 도면이다.
도 8은 도 6에 도시된 3차원 좌표 보정(3-Dimensional Coordinate Compensation) 방법을 보여주는 도면이다.
도 9는 도 6에 도시된 위상 보정 필터(phased compensation filter) 방법을 보여주는 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 명세서에서 사용된 용어들은 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 공구 휨 현상 보정 방법에 대해 상세히 설명한다.

본 발명의 실시 예에 따른 공구 휨 현상 보정 방법은 공작 가공 시 공구에 걸리는 부하 량을 실시간으로 3차원 위치보정을 통해 공구 휨 현상을 보정할 수 있다. 이와 같은 공구 휨 현상 보정 방법의 구현을 위해, 본 발명은 크게 데이터 테이블(Deflection Data Table), 로드 분석 파트(Load Analysis Part), 그리고 3차원 좌표 보상(3-Dimensional Coordinate Compensation)의 구성을 포함할 수 있다.

데이터 테이블은 공구(tool)의 소재, 형태(길이, 지름 등)에 따라 틀어지는 휨 특성을 룩업 테이블(look-up table)의 형태로 저장하고, 공작 기계의 초기 셋팅 시 별도의 휨 특성 측정을 배제할 수 있다. 일 예로, 데이터 테이블은 아래의 표와 같이 제공될 수 있다.

Flutes	Material	D1(mm)	D2(mm)	L1(mm)	L2(mm)
4	HSS	6	6	13	57
3	HSS	6	6	13	57
2	HSS	6	6	13	57
4	HSS	10	13	22	72
3	HSS	10	13	22	72
2	HSS	10	13	22	72
4	Carbide	16	16	32	92
3	Carbide	16	16	32	92
2	Carbide	16	16	32	92
4	Carbide	20	20	38	104
3	Carbide	20	20	38	104
2	Carbide	20	20	38	104

위 표에서 flutes는 공구 날을 의미하고, D1, D2, L1, L2는 아래 공구 그림과 같이 전체 지름(D1), 섕크(shank) 지름(D2), 날의 길이(L1), 전체 공구의 길이(L2)를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 공구 휨 현상 보정 방법의 구현을 위한 로드 분석 파트(Load Analysis Part)를 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 로드 분석 파트(10)는 스핀들 베어링(spindel bearing: 12)에 X축 및 Y축 방향으로 피에조 센서들(piezo sensor:14)을 부착하고, 부착한 이 센서들(14)을 통해 X축 및 Y축 방향의 부하량을 실시간으로 측정할 수 있다. 이를 통해, 스핀들(16)에 부착된 공구의 3차원 휨 현상의 범위를 측정할 수 있다. 피에조 센서(14)의 부착위치는 스핀들(16)의 베어링(12) 위치 중 X축 및 Y축 방향으로 각각 제공할 수 있다. 피에조 센서(14)는 압전소자로서, 상기 위치에서 발생되는 압력의 양을 F(N)으로 피드백받을 수 있다.

위 수식은 y방향으로의 부하에 따라 각 팩터를 적용하였을 때, 최대 공구 휨 현상(Tool Deflection)을 모뉴먼트 에리어 정리(monument-area theorems)를 이용하여 수식으로 표현한 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 공구의 일 예를 보여주는 도면이다.

도 2를 참조하면, 관성 모멘트(Moment of Inertia)는 다음 수식으로 계산될 수 있다.

이에 따라, 아래와 같이 정의할 수 있다.

위 수식에서 공구 날(flute)의 개수에 따라 작용하는 에러(error)량을 고려하면, 공구 휨 현상을 예측할 수 있는 하기 수식을 얻을 수 있다.

f: 공구 날

E: 탄성 계수(HSS: 200Gpa, Carbide: 605GPa)

L1: 날의 길이

L2: 전체 공구의 길이

I: 관성모멘트

F: 각 방향에 작용하는 힘, 압력(N)

따라서, 각 방향에 작용하는 힘의 양을 알고, 공구의 소재 및 각 부위별 길이 및 지름을 안다면, 상기 공구 휨 현상을 예측할 수 있다. 피에조 센서(14)를 통해 측정되는 방향 별 공구 부하 량(Directional Tool Load, F)과 데이터 테이블에 기재된 현재 공구의 정보를 조합하면, X축 및 Y축 방향으로 발생되는 공구 휨 정도를 예측할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 좌표 보상을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 3차원 좌표 보상(3-Dimensional Coordinate Compensation)을 위한 구성은 로드 분석 파트(10)에서 예측된 휨 정도 범위(Deflection Range)를 3차원으로 실시간 보정한다. 보다 구체적으로, 테이블 틸팅 형태(table tilting type)의 5축 가공기의 경우, X축을 기준으로 틸팅(tilting)하기 때문에, X축 방향으로 발생하는 기하학적 오차는 도 2에서의 로드 분석 파트(10)의 휨 값을 적용하면 문제가 없다. 그러나, 틸팅축(A축)이 동작하면서 가공이 일어나는 경우 기하학적 보정량 수정이 필요하다. 따라서, 도 3에 도시된 그래프에서 예컨대 가공 선단점 G에서 F방향으로 휨 현상이 일어난다면, 틸팅축(A축)이 틸팅된 α만큼의 각도를 고려하여야 할 수 있다.

t' = Analyzed Deflection amount (Y-Axis)

t'' = Analyzed Deflection amount (X-Axis)

α = A axis tilting angle (X Axis co-axial)

따라서, X축 방향에서 들어오는 부하 량을 기준으로 계산한 휨 정도를 상기 보정 없이 적용한다면, 아래와 같이 정의할 수 있다.

상기 계산은 5개의 축, 즉 X축, Y축, Z축, A축 및 C축을 기준으로 하였지만, 3개의 축, 즉 X축, Y축 및 Z축을 기준으로 생각한다면, 아래와 같이 보다 간단하게 정의할 수 있다.

이와 같이 산출된 보정 량을 이용하여 가공 중 좌표(Coordinate)를 보정할 수 있다. 좌표 보정 방법에는 두 가지가 있다.

이중 한 가지의 방법은 도 4 및 도 5에 도시한 방법이다.

도 4는 5축기의 경우 공구 휨 현상을 보정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 5축기의 경우에는 기하학적 원점오차를 보정하기 위해 NC제조사에서 제공하는 인터섹션 오프셋 벡터(Intersection Offset vector)를 이용할 수 있다.

도 5는 3축기의 경우 공구 휨 현상을 보정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 3축기의 경우에는 X, Y축에 가공 오프셋(Offset)량을 변형시켜 적용할 수 있다.

상기와 같은 보정량을 효과적으로 적용하기 위해, 도 9에 도시된 바와 같은 위상 보정 필터(phased compensation filter)를 적용할 수 있다.

앞서 상술한 로드 분석 파트의 수식을 이용하면,

여기서 F_estimated값에 계수 Ke를 곱해 한계 부하량(Load)을 재 정의할 수 있다. 여기서, 한계 부하량(Load)은 보정 중에 발생할 수 있는 Load Overshoot을 방지하기 위함이며 Offset보정량에 제한(Limit)을 둔다.

F = Directional Force (Piezo sensor, N)

이때, Phased Offset은 0.001mm단위로 증가 또는 감소하고 Stored Offset값을 기준으로 증감할 수 있다.

나머지 다른 한 가지의 방법은 도 6 내지 도 8에 도시한 방법이다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 공구 휨 현상 보정 방법을 보여주는 도면이고, 도 7은 도 6에 도시된 수평적 편향 계산(horizontal Deflection Calculation) 방법을 보여주는 도면이며, 도 8은 도 6에 도시된 3차원 좌표 보정(3-Dimensional Coordinate Compensation) 방법을 보여주는 도면이다.도 6 내지 도 8을 참조하면, 먼저 스핀들 하단 베어링 부에 부착된 피에조 센서들의 전압 차를 이용하여 공구에 걸리는 부하 량(load)을 방향 별(방향 및 각도 포함)로 측정할 수 있다(S110).

이때, 회전 중 피에조 센서의 위치는 FFT를 이용하여 주파수로 파악 가능하다.

이후, 도 7에 도시한 수평 편향 계산(horizontal Deflection Calculation) 알고리즘을 통해 방향 별 편향 정도를 계산할 수 있다(S120). 이때. 상기 편향 계산은 각 공구의 소재, 형태(길이 및 지름 등)를 포함한 특성을 기록한 데이터 테이블을 통해 계산할 수 있다.

상기의 계산을 통해 각도 및 방향 편차에 의해 3차원 좌표 보정 량을 검출한다(S130).

검출 과정(S130)에서 3축기는 수평 편향 계산 알고리즘을 통해 계산한 보정 량을 바로 적용할 수 있지만, 5축기는 틸팅 축의 기하학적 오차 량을 다시 보정하여 방향 별 좌표 편향 량(Coordinate Compensation Amount)를 검출할 수 있다.

보정 량이 결정이 되면 각 축별 적용 시, 위상 보정 필터를 이용하여 좌표 보정을 안정적으로 수행한다(S140). 5축기의 경우 인터섹션 오프셋(intersection offset)값을 통해 보정하고, 3축기의 경우 워크 좌표 이동(work coordinate shift)를 통해 보정할 수 있다.

이때, 위상 보정 필터는 도 9에 도시한 것처럼 현재 측정되는 부하 량(Load)와 보상(Compensation)시 예상되는 부하 량을 비교 후 점진적으로 보정할 수 있다.

따라서, 상기한 과정을 통한 본 발명은 공작 가공 시 공구에 걸리는 방향 별 부하 량(load)에 따라 3차원 위치 보정을 실시간으로 수행함으로써 공구 휨 현상을 효과적으로 보정할 수 있다.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다.

10 : 로드 분석 파트(Load Analysis Part)
12 : 스핀들 베어링(spindle bearing)
14 : 피에조 센서(piezo sensor)
16 : 스핀들(spindle)

Claims (5)

1. 공구를 장착하는 스핀들의 축에 부착된 센서들로부터 공구(tool)에 걸리는 부하 량을 방향 별로 측정하는 단계(S110);
   상기 방향에 따른 편향 정도를 계산하여 각 방향 별 보상 량을 결정하는 단계(S120); 및
   상기 각 방향 별 보상 량을 위상 보정 필터(phased compensation filter)를 이용하여 보정하여 가공 중 실시간으로 공구 휨 현상을 보상하는 단계(S140)를 포함하며,
   상기 방향에 따른 편향 정도를 계산하는 단계(S120)는
   수평 편향 계산(horizontal Deflection Calculation) 알고리즘을 통해 계산되며, 상기 수평 편향 계산 알고리즘을 통해 계산한 방향별 편향 정도에 대해, 기하학적 오차량을 다시 보정하여 좌표 보상량(coordinate compensation amount)를 결정하는 단계(S130)를 포함하고,
   상기 수평 편향 계산(horizontal Deflection Calculation) 알고리즘은 하기의 수학식에 근거하여 계산되는 것을 특징으로 하는 공구 휨 현상 보정 방법.
   

   

   
   f: 공구 날
   E: 탄성 계수(HSS: 200Gpa, Carbide: 605GPa)
   L1: 날의 길이
   L2: 전체 공구의 길이
   I: 관성모멘트
   F: 각 방향에 작용하는 힘
   
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 방향에 따른 편향 정도를 계산하는 단계(S120)는
   각 공구의 소재, 형태에 따라 틀어지는 휨 특성을 기록한 룩업 테이블(look-up table)을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 공구 휨 현상 보정 방법.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 위상 보정 필터(phased compensation filter)를 이용하여 공구 휨 현상을 보정하는 단계(S140)는,
   실제 측정되는 부하량값과 보상시 예상되는 부하량값을 비교하여 보정하는 공구 휨 현상 보정 방법.

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