KR102005626B1 - 스핀들의 자유도 오차를 검측하는 광학식 검측 장치 및 그 방법 - Google Patents

스핀들의 자유도 오차를 검측하는 광학식 검측 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스핀들(11)의 자유도 오차를 검측하는 광학식 검측 장치 및 방법에 관한 것으로서 표준봉(20) 및 센서 모듈(30)을 갖는다. 표준봉(20)은 막대 렌즈(21) 및 반사면(22)을 갖는다. 센서 모듈(30)은 2개의 검측 그룹들(34, 35), 경사 레이저 헤드(36), 및 반사된 스폿 변위 센서(37)를 갖는다. 각각의 검측 그룹(34, 35)은 막대 렌즈(21)를 통과하여 레이저 광을 방출한다. 경사 레이저 헤드(36)는 경사 레이저 광을 반사된 스폿 변위 센서(37)에 방출한다. 스핀들(11)이 회전 후 오차를 생성할 때, 센서 모듈(30)은 레이저 광들의 변화를 수신하여 표준봉(20)의 변위 변화 신호들을 얻어서 계산 유닛(40)이 스핀들(11)과 플랫폼(12) 사이의 오차를 검측하게 한다.

Description

스핀들의 자유도 오차를 검측하는 광학식 검측 장치 및 그 방법{OPTICAL DETECTING APPARATUS FOR DETECTING A DEGREE OF FREEDOM ERROR OF A SPINDLE AND A DETECTING METHOD THEREOF}
본 발명은 스핀들의 자유도 오차를 검측하는 광학식 검측 장치 및 그 방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 조립 및 사용의 비용을 감소시킬 수 있는 광학식 검측 장치, 및 각종의 동력 기계의 정밀 검측에 사용될 수 있는 검측 방법에 관한 것이다.
도 9를 참조하면, 종래의 동력 기계는 스핀들과 회전 플랫폼을 구비하며, 상기 회전 플랫폼은 회전축을 갖는다. 상기 회전 플랫폼의 회전축과 상기 스핀들 사이의 오차 소스(error source)(A)는 6개 부분으로 나뉠 수 있으며, 스핀들은 3개의 위치 오차[δx(θ), δy(θ), δz(θ)] 및 각도 편향 오차[워블(wobble),α]를 갖는다. 스핀들을 검측할 때, 스핀들의 반경방향 오차는 위치 오차[δx(θ), δy(θ)]에 의해 검측되고, 스핀들의 축방향 오차는 δz(θ)의 다른 위치 오차에 의해 검측된다. 또한, 스핀들의 워블 조건은 각도 편향 오차[워블,α]에 의해 검측된다. 상기 회전 플랫폼의 회전축은 X축, Y축 및 Z축의 3개의 각도 위치설정 오차[εx(θ), εy(θ), εz(θ)]를 갖는다.
종래의 동력 기계를 위한 2개의 검측 방법, 즉 정적 검측 방법 및 동적 검측 방법이 존재한다. 정적 검측 방법은 표준봉과 다이얼 지시자에 의해 검측된다. 스핀들의 회전 오차는 상기 다이얼 지시자의 값에 의해 검측된다. 그러나 정적 검측 방법은 측정이 실제 속도에서 수행되지 않고 오차가 표준봉의 조립 오차를를 포함하는 주요 단점을 갖는다. 따라서, 정적 검측 방법은 스핀들의 실제 회전을 정확히 측정할 수 없다.
동적 검측 방법은 정적 검측 방법의 전술한 단점을 극복할 수 있으며, 종래의 동력 기계를 검측하기 위해 고속 회전식 스핀들 동적 편향 측정기구(LION TARGA Ⅲ PCB)를 사용할 수 있다. 상기 측정 기구는 실제 속도하에서 스핀들의 회전 오차, 각도 편향 오차, 반경방향 오차, 및 축방향 오차를 검측하기 위해 5개의 비접촉 커패시티브(capacitive) 센서를 갖는다. 동적 검측 방법은 미국시험재료학회(ASTM: American Society for Testing and Materials) 표준번호(ASTM B5.54) 시험 표준에 보통 기초하고 있다. 그러나 비접촉 커패시티브 센서의 가격은 매우 고가이므로 구입이 용이하지 않다.
종래의 동력 기계가 항공 우주 요소들을 가공할 때, 항공 우주 요소들의 대부분은 종래의 동력 기계의 툴에 의해 고체 블록들(solid blocks)로부터 효율적으로 제거되기 때문에, 가공 시간의 대부분이 매우 길다. 종래의 동력 기계의 가공 동안, 내부 및 외부의 열원은 상기 종래 동력 기계의 구조 및 구성요소의 열 변형을 일으키므로, 결과적으로 가공 위치설정 정밀도의 편차를 초래한다. 이것은 일정 기한 회전한 후 스핀들이 편심을 일으키게 하여, 스핀들의 편향 오차 및 축방향 및 반경방향 움직임에 의한 스핀들의 가공 정밀도의 손실을 초래할 수 있다. 스핀들의 오차는 가공 정밀도를 개선하기 위해 해결되어야만 한다. 그러나 전술한 바와 같이 동적 검측 방법은 동적 조건하에서 스핀들의 오차를 검측하기 위해 고가의 고속 회전식 스핀들 동적 편향 측정기구(LION TARGA Ⅲ PCB)를 사용한다. 상기 LION TARGA Ⅲ PCB의 비용은 NT$1 내지 2백만이며, 이것은 사용자의 구매에 영향을 줄 수 있고 고속 회전 조건하에서 종래의 동력 기계의 스핀들의 오차를 분석함으로써 가공의 정밀도를 향상시킬 수 없다.
상기 단점을 극복하기 위해, 본 발명은 전술한 문제들을 경감하거나 제거하기 위해 5축 공작기계의 동적 경로를 검측하는 방법을 제공한다.
본 발명의 주요 목적은 스핀들의 자유도를 검측하는 광학식 검측 장치와 그 방법을 제공하는 것이며, 더 구체적으로는, 조립 및 사용의 비용을 감소시키는 광학식 검측 장치와 각종의 동력 기계의 정밀 검측을 검측하기 위해 사용될 수 있는 검측 방법에 관련이 있다.
본 발명에 따른 스핀들의 자유도 오차를 검측하는 광학식 검측 장치 및 검측 방법은 표준봉 및 센서 모듈을 가지며, 동력 기계의 회전 플랫폼과 스핀들 사이에 조립된다. 상기 표준봉은 막대 렌즈 및 반사면을 갖는다. 상기 센서 모듈은 2개의 검측 그룹들, 경사 레이저 헤드, 및 반사된 스폿 변위 센서를 갖는다. 각각의 검측 그룹은 동력 기계의 X축 및 Y축을 따라 상기 막대 렌즈를 통과하는 레이저 광을 방출한다. 상기 경사 레이저 헤드는 경사 레이저 광을 상기 반사된 스폿 변위 센서에 방출한다. 상기 동력 기계의 스핀들이 회전 후 오차를 생성할 때, 상기 센서 모듈은 상기 레이저 광들의 변화를 수신하고 상기 표준봉의 변위 변화 신호들을 얻어서, 계산 유닛이 상기 스핀들과 상기 회전 플랫폼 사이의 오차를 검측하게 한다.
본 발명의 다른 목적 및 신규한 특징은 아래의 상세한 설명을 첨부한 도면과 함께 고려할 때 더욱 명백해질 것이다.
본 발명에 의하면, 조립 및 사용의 비용을 감소시킬 수 있는 광학식 검측 장치, 및 각종의 동력 기계의 정밀 검측에 사용될 수 있는 검측 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명에 따라 스핀들의 자유도 오차를 검측하는, 공작 기계에 장착된 광학식 검측 장치의 사시도이고;
도 2는 도 1에 도시한 광학식 검측 장치의 확대 사시도이고;
도 3은 도 2에 도시한 광학식 검측 장치의 일부의 평면도이고;
도 4는 도 2에 도시한 광학식 검측 장치의 단면 평면도이고;
도 5는 도 2에 도시한 광학식 검측 장치의 일부의 정면도이고;
도 6은 도 5에 도시한 광학식 검측 장치의 일부의 확대 작동 정면도이고;
도 7은 표준봉을 사용하는 도 6에 도시한 광학식 검측 장치의 일부의 작동 정면도이고;
도 8은 본 발명에 따라 스핀들의 자유도 오차를 검측하는 검측 방법의 블록도이고;
도 9는 스핀들과 회전축 사이의 오차 소스를 보여주는, 본 발명에 따른 공작 기계의 회전식 플랫폼의 회전축 및 축의 사시도를 도시한다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 스핀들의 자유도 오차를 검출하는 광학식 검측 장치가 공작기계(10)의 스핀들(11)과 플랫폼(12) 사이에 배치되어 있다. 공작기계(10)는 적어도 3개의 직선 축(X축, Y축, Z축)을 갖는다. 바람직하게는, 공작기계(10)는 다축 공작기계이고 플랫폼(12)은 회전식 플랫폼이다.
상기 광학식 검측 장치는 표준봉(20), 센서 모듈(30), 및 계산유닛(40)을 갖는다. 센서 모듈(30)은 표준봉(20)과 함께 작동되며, 계산 유닛(40)은 전기 또는 무선 접속에 의해 센서 모듈(30)의 오차 신호를 수신함으로써 표준봉(20)에 대한 센서 모듈(30)의 검측 결과를 계산하기 위해 사용된다. 본 발명에 있어서, 표준봉(20)은 스핀들(11)에 연결되고 센서 모듈(30)은 플랫폼(12)에 설치된다.
표준봉(20)은 스핀들(11)의 하단부에 수직 및 동축 방식으로 결합되는 직선 막대이며, 막대 렌즈(21)와 반사면(22)을 갖는다. 막대 렌즈(21)는 광 전달 원주체로서, 이것은 표준봉(20)의 일부이거나 표준봉(20)의 전체일 수도 있다. 본 발명에 있어서, 막대 렌즈(21)는 전체 표준봉(20)을 구성하며, 반사면(22)은 막대 렌즈(21)의 자유단에 코팅에 의해 형성되어 있다. 즉, 막대 렌즈(21)의 자유단이 표준 시험봉(20)의 하단부이다. 또한, 반사면(22)은 수평면이다.
센서 모듈(30)은 자성 마운트(magnetic mount)(31), 지지대(supporing base)(32), 센서 프레임(33), 제1 검측 그룹(primary detecting froup)(34), 제2 검측 그룹(minor detecting group)(35), 경사 레이저 헤드(oblique laser head)(36), 및 반사 스폿 변위 센서(reflected spot displacement sensor)(37)를 갖는다.
자성 마운트(31)는 플랫폼(12)의 최상부면에 배치되어 있으며, 지지대(32)는 자성 마운트(31)에 배치되어 있다. 센서 프레임(33)은 지지대(32) 주변에 배치되어 있고 4개의 장착판(331)을 갖는다. 장착판들(331) 중 2개는 지지대(32)에 배치되어 있고 공작기계(10)의 X축을 따라 서로 마주보고 있으며, 다른 2개의 장착판(331)은 지지대(32)에 배치되어 있고 공작기계(10)의 Y축을 따라 서로 마주보고 있다. 장착판들(331)의 각각은 세로방향 판체이며, 장착판들(331) 사이에 측정구역(50)이 형성된다. 표준봉(20)은 장착판들(331) 사이의 측정구역(50)의 중심으로 연장된다.
제1 검측 그룹(34)은 측정구역(50) 주변의 센서 프레임(33)의 상부에 배치되어 있으며, 제1 레이저 헤드(341), 제2 레이저 헤드(342), 제1 스폿 변위 센서(343), 및 제2 스폿 변위 센서(344)를 갖는다. 제1 레이저 헤드(341) 및 제1 스폿 변위 센서(343)는, 공작기계(10)의 X축과 정렬한 센서 프레임(33)의 2개의 장착판(331)에 각각 장착되며, 제1 레이저 헤드(341)는 제1 스폿 변위 센서(343)의 중심과 마주하는 중심을 갖는다. 제2 레이저 헤드(342) 및 제2 스폿 변위 센서(344)는, 공작기계(10)의 Y축과 정렬한 센서 프레임(33)의 2개의 장착판(331)에 각각 장착되며, 제2 레이저 헤드(341)는 제2 스폿 변위 센서(344)의 중심과 마주하는 중심을 갖는다.
제2 검측 그룹(35)은 제1 검측 그룹(34)의 아래 측정구역(50) 주변의 센서 프레임(33)의 하부에 배치되어 있으며, 제3 레이저 헤드(351), 제4 레이저 헤드(352), 제3 스폿 변위 센서(353), 및 제4 스폿 변위 센서(354)를 갖는다. 제3 레이저 헤드(351) 및 제3 스폿 변위 센서(353)는, 공작기계(10)의 X축과 정렬한 센서 프레임(33)의 2개의 장착판(331)에 각각 장착되며, 제3 레이저 헤드(351)는 제3 스폿 변위 센서(353)의 중심과 마주하는 중심을 갖는다. 제4 레이저 헤드(352) 및 제4 스폿 변위 센서(354)는, 공작기계(10)의 Y축과 정렬한 센서 프레임(33)의 2개의 장착판(331)에 각각 장착되며, 제4 레이저 헤드(352)는 제4 스폿 변위 센서(354)의 중심과 마주하는 중심을 갖는다. 제1 검측 그룹(34) 및 제2 검측 그룹(35)은 상하로 위치정렬되어 센서 프레임(33)에 배치되어 있다. 도 5를 참조하면, 조립거리(L)는 공작기계(10)의 Z축을 따라 검측 그룹들(34, 35)의 중심 사이로 정의된다.
경사 스폿 레이저 헤드(36) 및 반사 스폿 변위 센서(37)는 측정구역 내의 지지대(32)에 배치되어 있으며, 공작기계(10)의 X축에 정렬된다. 경사 스폿 레이저 헤드(36)는 경사진 원통형 요소이고 내측 및 상측으로 연장하는 자유단부를 가지며, 반사 스폿 변위 센서(37)는 경사진 원통형 요소이고 내측 및 상측으로 연장하는 자유단부와, 반사 스폿 변위 센서(37)의 상기 자유단부에 배치된 수광면(371)을 갖는다. 또한, 도 6을 참조하면, 경사 스폿 레이저 헤드(36)의 축선과 수평면 사이의 각도가 45도이고, 반사 스폿 변위 센서(37)의 축선과 수평면 사이의 각도가 45도이다.
스폿 변위 센서들(343, 344, 353, 354, 37)의 각각은 1차원 또는 2차원 센서, 위치 센서, CCD 센서, CMOS 센서 및 기타 비접촉식 광전 센서로부터 선택될 수 있다. 도 3을 참조하면, 공작기계(10)를 시작하기 전에, 표준봉(20) 및 센서 모듈(30)이 제로(0) 위치들에 배치되고, 제1 레이저 헤드(341) 및 제2 레이저 헤드(342)의 레이저 광은 막대 렌즈(21)의 상부에 인접하여 막대 렌즈(21)의 중심에서 정십자 교차하며, 제3 레이저 헤드(351) 및 제4 레이저 헤드(352)의 레이저 광은 막대 렌즈(21)의 하부에 인접하여 막대 렌즈(21)의 중심에서 정십자 교차한다. 도 6을 참조하면, 경사 레이저 헤드(36)의 레이저 광은 반사면(22)의 중심에 방출되고, 반사 스폿 변위 센서(37)의 수광면(371)의 중심으로 반사된다.
본 발명에서, 공작기계(10)를 사용하기 전에, 표준봉(20)은 기구에 의해 측정구역(50)의 중심에 배치될 수 있으며, 반사면(22)의 위치를 상하로 조정하여 경사 레이저 헤드(36)의 레이저 광이 반사면(22)의 중심에 방출되어 반사 스폿 변위 센서(37)의 수광면(371)의 중심으로 반사되게 할 수 있다. 도 7을 참조하면, 표준봉(20)은 공작기계(10)의 Z축을 따라 이동되며, 표준봉(20)의 거리(△z)는 공작기계(10)의 Z축을 따라 이동하는 표준봉(20)에 의해 정의되고 상기 반사된 레이저 광의 거리(△x)는 수광면(371)의 중심에 대해서 이동하는 상기 반사 레이저 광에 의해 정의되며, 거리(△z, △x) 사이의 비율은 이득값(K)(K=△z/△x)으로 정의된다.
도 3을 참조하면, 제1 레이저 헤드(341)의 레이저 광은 막대 렌즈(21)의 상부를 통과하여 방출되고 제1 스폿 변위 센서(343)의 중심에 집속되며, 제2 레이저 헤드(342)의 레이저 광은 막대 렌즈(21)의 상부를 통과하여 방출되고 제2 스폿 변위 센서(344)의 중심에 집속된다. 도 4를 참조하면, 제3 레이저 헤드(351)의 레이저 광은 막대 렌즈(21)의 하부를 통해서 방출되고 제3 스폿 변위 센서(353)의 중심에 집속되며, 제4 레이저 헤드(352)의 레이저 광은 막대 렌즈(21)의 하부를 통과하여 방출되고 제4 스폿 변위 센서(354)의 중심에 집속된다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 경사 레이저 헤드(36)의 레이저 광은 반사면(22)에 방출되고, 반사 스폿 변위 센서(37)의 수광면(371)의 중심에 90도의 각도로 반사된다.
공작기계(10)의 스핀들(11)이 고속으로 회전될 때, 공작기계(10)의 내부 구성요소들은 내부 열원 또는 외부 열원에 위해 열적으로 변형될 수도 있으므로, 스핀들(11)의 위치가 편심되어 표준봉(20)의 위치를 측정구역(50) 내에서 이동시킬 수 있다. 막대 렌즈(21) 하부에서 막대 렌즈(21)의 움직임은 제3 스폿 변위 센서(353) 및 제4 스폿 변위 센서(354) 상의 집속 위치들을 변화시키도록 상기 2개의 레이저 광을 입사시킨다. 그러면, 제3 광 스폿 변위 센서(353)는 막대 렌즈(21)의 하부에서의 Y축 변위 변화(Y1)를 측정할 수 있고, 제4 스폿 변위 센서(354)는 막대 렌즈(21)의 하부에서의 X축 변위 변화(X1)를 측정할 수 있다.
표준봉(20)이 스핀들(11)의 위치의 편심에 의해 측정구역(50) 내에서 움직일 때, 막대 렌즈(21)의 상부에서 막대 렌즈(21)의 움직임은 제1 스폿 변위 센서(343) 및 제2 스폿 변위 센서(344) 상의 집속 위치들을 변화시키도록 상기 2개의 레이저 광을 입사시킨다. 그러면, 제1 광 스폿 변위 센서(343)는 막대 렌즈(21) 상부에서의 Y축 변위 변화(Y2)를 측정할 수 있고, 제2 스폿 변위 센서(344)는 막대 렌즈(21) 상부에서의 X축 변위 변화(X2)를 측정할 수 있다. 표준봉(20)이 스핀들(11)의 위치의 편심에 의해 측정구역(50) 내에서 움직일 때, 도 7을 참조하면, Z축을 따라 이동되는 표준봉(20)의 거리(△z)는 반사면(22)의 상하 움직임을 가능하게 하며, 이것은 상기 레이저 광을 수광면(371)으로 반사하는 반사면(22)의 위치를 변화시킬 것이다. 그러면, 반사 스폿 변위 센서(37)의 수광면(371)은 수광면(371)의 중심에 대해서 이동하는 상기 반사된 레이저 광의 거리(△x)를 검측할 수 있을 것이다.
계산 유닛(40)은 단일의 칩이거나 컴퓨터일 수 있으며, 본 발명에서, 계산 유닛(40)은 컴퓨터이고, 막대 렌즈(21) 하부에서의 X축 변위 변화(X1) 및 Y축 변위 변화(Y1)의 신호들과 수광면(371)의 중심에 대해서 이동하는 상기 반사된 레이저 광의 거리(△x)를 전기 또는 무선 접속으로 수신하고, 상기 조립거리(L) 및 이득값(K)을 가지고 계산하여 플랫폼(12)의 회전축 및 스핀들(11)의 오차를 얻는다.
본 발명에서, 반사 스폿 변위 센서(37)의 수광면(371)은 수평면에 대해서 45도 각도로 배치된다. 또한, 수광면(371)과 수평면 사이의 각도는 다른 각도, 예컨대 0도 또는 60도로 배치될 수 있으며, 수광면(371)만이 반사면(22)의 반사된 레이저 광을 수광할 수 있다. 또한, 경사 스폿 레이저 헤드(36)의 축선과 수평면 사이의 각도는 45도이지만, 역시 어떤 각도라도 가능하며, 경사 스폿 레이저 헤드(36)의 레이저 광만이 반사면(22)에 방출되고 수광면(371)으로 반사될 수 있다. 이득값(K)은 경사 스폿 레이저 헤드(36)의 축선과 수평면 또는 수광면(371)과 수평면 사이의 각도가 변할 때 변할 수 있으며, 기구에 의한 재보정을 통해 새로운 이득값(K)을 찾을 필요가 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 검측 방법이 스핀들의 자유도 오차를 검측하는 광학식 검측 장치에서 사용되며, 취득 단계, 조립 단계, 제로 단계, 검측 단계 및 계산 단계를 포함한다.
취득 단계에서, 상기 광학식 검측 장치의 표준봉(20)은 기구에 의해 센서 모듈(30)의 측정구역(50)의 중심에 배치된다. 경사 레이저 헤드(36)의 레이저 광을 반사면(22)의 중심에 방출시키고 반사 스폿 변위 센서(37)의 수광면(371)의 중심에 반사시킬 수 있도록 반사면(22)의 위치가 상하로 이동된다. 그 다음, Z축을 따라 이동하는 표준봉(20)의 거리(△z)와 수광면(371)의 중심에 대해서 이동하는 반사 레이저 광의 거리(△x) 사이의 비율을 기구 보정 모드에 의해 얻기 위해, 표준봉(20)이 Z축을 따라 기구에 의해 이동되며, 상기 비율을 이득값(K)이라고 한다. 또한, 거리(△z)는 제1 거리로 정의될 수 있고 거리(△x)는 제2 거리로 정의될 수도 있다.
조립 단계에서, 상기 광학식 검측장치의 표준봉(20)이 동력 기계의 회전하는 스핀들 상에, 예컨대 공작기계(10)의 스핀들(11) 하단부에, 조립되고, 센서 모듈(30)은 상기 동력 기계의 플랫폼 상에, 예컨대 공작기계(10)의 플랫폼(12) 상에, 조립되며, 공작기계(10)는 X축, Y축 및 Z축을 갖는 다축 동력 기계이고, 플랫폼(12)은 2축 플랫폼 또는 회전식 플랫폼일 수도 있다.
제로 단계에서, 공작기계(10)는 스핀들(11)과 표준봉(20)을 움직이기 시작하여 표준봉(20)이 센서 모듈(30)의 측정구역(50) 중심에서 이동하게 하며, 제1 검측 그룹(34)은 막대 렌즈(21)의 상부에서 막대 렌즈(21) 주변에 배치되고, 제2 검측 그룹(35)은 막대 렌즈(21)의 하부에서 막대 렌즈(21) 주변에 배치된다. 제1 레이저 헤드(341)의 레이저 광은 막대 렌즈(21)를 통과하여 방출되어 제1 스폿 변위 센서(343)의 중심에 집속하고, 제2 레이저 헤드(342)의 레이저 광은 막대 렌즈(21)를 통과하여 방출되어 제2 스폿 변위 센서(344)의 중심에 집속하며, 제3 레이저 헤드(351)의 레이저 광은 막대 렌즈(21)를 통과하여 방출되어 제3 스폿 변위 센서(353)의 중심에 집속하고, 제4 레이저 헤드(352)의 레이저 광은 막대 렌즈(21)를 통과하여 방출되어 제4 스폿 변위 센서(354)의 중심에 집속하며, 경사 레이저 헤드(36)의 레이저 광은 표준봉(20)의 반사면(22) 중심에 방출되고 반사 스폿 변위 센서(37)의 수광면(371)의 중심으로 반사된다.
검측 단계에서, 스핀들(11)은 공작기계(10)에 의해 회전되고, 이때 센서 모듈(30)에서의 표준봉(20)의 위치가 고속으로 회전되는 스핀들(11)의 편심에 의해 변화되며, 막대 렌즈(21) 하부에서의 Y축 변위 변화(Y1)가 제3 스폿 변위 센서(353)에 의해 검측되고, 막대 렌즈(21) 하부에서의 X축 변위 변화(X1)가 제4 스폿 변위 센서(354)에 의해 검측되며, 막대 렌즈(21) 상부에서의 Y축 변위 변화(Y2)가 제1 스폿 변위 센서(343)에 의해 검측되고, 막대 렌즈(21) 상부에서의 X축 변위 변화(X2)가 제2 스폿 변위 센서(342)에 의해 검측되며, 수광면(371)의 중심에 대해서 이동하는 반사 레이저 광의 거리(△x)가 반사 스폿 변위 센서(37)의 수광면(371)에 의해 검측된다.
계산 단계에서, 센서 모듈(30)에 의해 검측되는 표준봉(20)의 변위 변화(X1, Y1, X2, Y2, △x)의 신호들이 전기 또는 무선 접속으로 계산 유닛(40)에 전송되며, 조립거리(L) 및 이득값(K)의 알려진 값들이 다음 오차 프로그램에 대입되어 플랫폼(12)의 회전축과 스핀들(11)의 6개 자유도 오차가 계산된다:
X축 방향 반경방향 오차: δx(θ)=X1;
Y축 방향 반경방향 오차: δy(θ)=Y1
Z축 방향 반경방향 오차: δz(θ)=△z=K*△x;
각도 편향 오차(워블):
Figure 112017070998274-pat00001
;
X축 방향 각도 위치설정 오차:
Figure 112017070998274-pat00002
;
Y축 방향 각도 위치설정 오차:
Figure 112017070998274-pat00003
;
상기 검측 방법이 본 발명의 자유도 오차를 검측하는 광학식 검측 장치에 의해 실행될 때, 2가지 조립 방식이 존재한다: 제1 조립 방식은 센서 모듈(30)을 공작기계(10)의 스핀들(11)의 하단부에 조립하고 표준봉(20)을 공작기계(10)의 플랫폼(12)에 조립하는 것이다. 제1 조립 방식은 상기 동력 기계의 스핀들의 4개의 자유도 오차, 즉 δx(θ), δy(θ), △z 및 각도 편향 오차(워블, α)를 각각 계측할 수 있다. 제2 조립 방식은 표준봉(20)을 공작기계(10)의 스핀들(11)의 하단부에 조립하고 센서 모듈(30)을 공작기계(10)의 플랫폼(12)에 조립하는 것이다. 제2 조립 방식은 상기 동력 기계의 회전식 스핀들의 6개의 자유도 오차, 즉 δx(θ), δy(θ), △z, εx(θ), εy(θ) 및 각도 편향 오차(워블, α)를 각각 계측할 수 있다.
스핀들의 자유도 오차를 검측하기 위한 광학식 검측 장치 및 그 검측 방법은 전술한 것과 같이 다음의 장점을 갖는다. 표준봉(20)의 형상이 제조하기 용이하며, 예컨대 제1 검측 그룹(34) 및 제2 검측 그룹(35)과 같은 센서 모듈(30)을 위해 채택되는 요소들이 일반적으로 흔한 광전 요소들이다. 따라서, 표준봉(20) 및 센서 모듈(30)에 의해 구성되는 동적 오차검측장치와 구현 방법이 더욱 저렴하고, 동적 검측 공작기계(10)의 스핀들(11)의 구현 가능성의 위험이 획기적으로 감소될 수 있다.
향후, 다양한 동력 기계의 회전축 및 스핀들의 정밀 검측과, 업계의 고속회전 동력기계 스핀들 오차의 보편성 해석 수행 향상과, 동력기계 정밀도 또는 공작기계 가공 정확도 향상이 가능하다.
본 발명에서, X축, Y축 및 Z축의 변위 변화의 검출만이 아니라 회전축 및 스핀들의 오차 변화를 검측하는 것이 가능하며, 이것은, 본 발명의 검측이 적어도 6개의 자유도 오차를 검측하기 위해 사용될 수 있을 때, 동력 기계의 회전축 및 스핀들에 대한 본 발명의 적용의 편의를 크게 향상시킬 수 있고, 동력 기계의 온라인 검출에서 널리 사용될 수 있다.
본 발명의 다양한 특성 및 장점이 본 발명의 특징 및 구조의 상세와 함께 위에서 제시되어 있지만, 본 개시는 단지 예시적인 것에 불과하다.
세부 사항에 대해, 특히 본 발명의 원리 내에서 부분들의 형상, 크기 및 배열의 문제에 있어서, 첨부된 청구항들이 표현되는 용어들의 넓고 일반적인 의미에 의해 지시된 최대한으로 변경이 이루어질 수 있다.
10 공작기계 11 스핀들
12 플랫폼 20 표준봉
21 막대 렌즈 22 반사면
30 센서 모듈 31 자성 마운트(magnetic mount)
32 지지대(supporing base) 33 센서 프레임
331 장착판 34 제1 검측 그룹
341 제1 레이저 헤드 342 제2 레이저 헤드
343 제1 스폿 변위 센서 344 제2 스폿 변위 센서
35 제2 검측 그룹 351 제3 레이저 헤드
352 제4 레이저 헤드 353 제3 스폿 변위 센서
354 제4 스폿 변위 센서(354) 36 경사 레이저 헤드
37 반사 스폿 변위 센서 371 수광면
40 계산유닛 50 측정구역
A 오차소스 L 조립거리
△z 거리 △x 거리
K 이득값 X1, X2, Y1, Y2 변위 변화

Claims (7)

  1. X축, Y축 및 Z축을 갖는 동력 기계의 스핀들의 자유도 오차를 검측하는 광학식 검측 장치에 있어서,
    직선 막대인 표준봉(20); 및
    상기 표준봉(20)에 의해 작동되는 센서 모듈(30);을 포함하고.
    상기 표준봉(20)은 하단부, 원통형의 막대 렌즈(21), 및 상기 표준봉(20)의 하단부에 형성된 반사면(22)을 가지며,
    상기 센서 모듈(30)은 자성 마운트(31), 상기 자성 마운트(31)에 배치된 지지대(32), 상기 지지대(32) 주변에 배치되어 지지대(32)와 센서 프레임(33) 사이에 측정구역(50)을 형성함으로써 상기 표준봉(20)을 상기 측정구역(50) 내로 삽입시키는 센서 프레임(33)을 가지며,
    상기 센서 프레임(33)은,
    상기 동력 기계의 Z축을 따라 상기 센서 프레임(33)에 배치된 제1 검측 그룹(34);
    상기 제1 검측 그룹(34)에 대해 간격을 두고 상기 동력 기계의 Z축을 따라 상기 센서 프레임(33)에 배치된 제2 검측 그룹(35);
    상기 지지대(32)에 배치되고, 상기 측정구역(50)에서 내측 상방으로 연장되는 자유단을 갖는 경사 레이저 헤드(36); 및
    상기 측정구역(50)에서 상기 지지대(32)에 배치되고, 상기 표준봉(20)의 반사면(22)에 의해 반사되는 경사 레이저 헤드(36)의 레이저 광을 수광하기 위해 수광면(371)을 갖는 반사 스폿 변위 센서(37);를 가지며,
    상기 제1 검측 그룹(34)은,
    상기 동력 기계의 X축을 따라 상기 센서 프레임(33)에 배치된 제1 레이저 헤드(341);
    상기 동력 기계의 Y축을 따라 상기 센서 프레임(33)에 배치된 제2 레이저 헤드(342);
    상기 동력 기계의 X축을 따라 상기 제1 레이저 헤드(341)에 마주하여 상기 센서 프레임(33)에 배치되고, 상기 막대 렌즈(21)를 통해서 상기 제1 레이저 헤드(341)의 레이저 광을 수광하는 제1 스폿 변위 센서(343); 및
    상기 동력 기계의 Y축을 따라 상기 제2 레이저 헤드(342)에 마주하여 상기 센서 프레임(33)에 배치되고, 상기 막대 렌즈(21)를 통해서 상기 제2 레이저 헤드(342)의 레이저 광을 수광하는 제2 스폿 변위 센서(344);
    상기 제2 검측 그룹(35)은,
    상기 동력 기계의 X축을 따라 상기 센서 프레임(33)에 배치된 제3 레이저 헤드(351);
    상기 동력 기계의 Y축을 따라 상기 센서 프레임(33)에 배치된 제4 레이저 헤드(352);
    상기 동력 기계의 X축을 따라 상기 제3 레이저 헤드(351)에 마주하여 상기 센서 프레임(33)에 배치되고, 상기 막대 렌즈(21)를 통해서 상기 제3 레이저 헤드(351)의 레이저 광을 수광하는 제3 스폿 변위 센서(353); 및
    상기 동력 기계의 Y축을 따라 상기 제4 레이저 헤드(352)에 마주하여 상기 센서 프레임(33)에 배치되고, 상기 막대 렌즈(21)를 통해서 상기 제4 레이저 헤드(352)의 레이저 광을 수광하는 제4 스폿 변위 센서(354);를 포함하는, 광학식 검측 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 프레임(33)은 4개의 장착판(331)을 가지며, 상기 장착판(331) 중 2개는 상기 지지대(32)에 배치되고 상기 동력 기계의 X축을 따라 서로 마주하며, 나머지 2개의 장착판(331)은 지지대(32)에 배치되고 상기 동력 기계의 Y축을 따라 서로 마주하며, 상기 4개의 장착판(331)의 각각은 상부 및 하부를 가지며,
    상기 측정구역(50)은 상기 4개의 장착판들(331) 사이의 상기 센서 모듈(30) 내에 형성되며,
    상기 제1 레이저 헤드(341), 제2 레이저 헤드(342), 제1 스폿 변위 센서(343), 및 제2 스폿 변위 센서(344)의 각각은 상기 센서 프레임(33)의 4개의 장착판들(331) 중 하나에 장착되며,
    상기 제3 레이저 헤드(351), 제4 레이저 헤드(352), 제3 스폿 변위 센서(353), 및 제4 스폿 변위 센서(354)의 각각은 상기 센서 프레임(33)의 4개의 장착판들(331) 중 하나에 장착되는, 광학식 검측 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 검측 그룹(34)은 상기 센서 모듈(30)의 상기 4개의 장착판(331)의 상부에 배치되며;
    상기 제2 검측 그룹(35)은 상기 센서 모듈(30)의 상기 4개의 장착판(331)의 하부에 배치되며;
    상기 표준봉(20)은 상부 및 하부를 갖고, 상기 표준봉(20)은 상기 측정구역 내로 삽입되고, 상기 표준봉(20)의 상부는 상기 제1 검측 그룹(34)에 인접하여 배치되고 상기 표준봉(20)의 하부는 상기 제2 검측 그룹(35)에 인접하여 배치되며;
    상기 표준봉(20)의 반사면(22)은 상기 경사 레이저 헤드(36) 및 상기 반사 스폿 변위 센서(37)보다 위에 배치되며;
    상기 경사 레이저 헤드(36)의 레이저 광은 상기 반사면(22)의 중심에 방출되어 반사되고 상기 수광면(371)의 중심에 집속(focus)하는, 광학식 검측 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 경사 레이저 헤드(36) 및 상기 반사 스폿 변위 센서(37)는 상기 표준봉(20)의 측정구역(50) 내에 대칭으로 배치되며;
    상기 경사 레이저 헤드(36)는 경사진 원통형 요소이고, 상기 경사 레이저 헤드(36)의 축선과 수평면 사이의 각도가 45도이며;
    상기 반사 스폿 변위 센서(37)는 경사진 원통형 요소이며; 및
    상기 수광면(371)은 상기 반사 스폿 변위 센서(37)의 자유단에 배치되고, 상기 수평면에 대한 각도가 45도인, 광학식 검측 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스폿 변위 센서들(343, 344, 353, 354, 37)의 각각은 1차원 광전 센서, 2차원 광전 센서, 위치 센서, CCD 센서, CMOS 센서로부터 선택되는, 광학식 검측 장치.
  6. X축, Y축 및 Z축을 갖는 동력 기계의 스핀들(11)의 자유도 오차를 검측하는 광학식 검측 방법으로서, 조립 단계, 제로 단계, 검측 단계, 및 계산 단계를 포함하며,
    상기 조립 단계는:
    제 1 항에 의한 광학식 검측 장치를 제공하는 단계;
    상기 동력 기계의 스핀들에 상기 표준봉(20)을 조립하는 단계;
    상기 동력 기계의 플랫폼(12)에 상기 센서 모듈(30)을 조립하는 단계; 및
    상기 동력 기계의 Z축을 따라 상기 제1 검측 그룹(34)의 중심과 상기 제2 검측 그룹(35)의 중심 사이의 조립거리(L)를 정의하는 단계;를 포함하며,
    상기 제로 단계는:
    제1 레이저 헤드(341)의 레이저 광이 막대 렌즈(21)를 통과하여 방출하고 제1 스폿 변위 센서(343)의 중심에 집속되는 것을 가능하게 하며, 제2 레이저 헤드(342)의 레이저 광이 막대 렌즈(21)를 통과하여 방출하고 제2 스폿 변위 센서(344)의 중심에 집속되는 것을 가능하게 하며, 제3 레이저 헤드(351)의 레이저 광이 막대 렌즈(21)를 통과하여 방출하고 제3 스폿 변위 센서(353)의 중심에 집속되는 것을 가능하게 하며, 제4 레이저 헤드(352)의 레이저 광이 막대 렌즈(21)를 통과하여 방출되고 제4 스폿 변위 센서(354)의 중심에 집속되는 것을 가능하게 하며, 상기 센서 모듈(30)의 측정구역(50)의 중심에서 상기 표준봉(20)을 이동시키는 단계;
    경사 레이저 헤드(36)의 레이저 광이 반사면(22)의 중심에 방출되고 반사 스폿 변위 센서(37)의 중심으로 반사하도록 상기 반사면(22)의 위치를 조정하는 단계;
    제1 거리를 생성하기 위해 상기 Z축을 따라 상기 표준봉(20)을 이동시키는 단계;
    수광면(371)의 중심에 대해서 이동하는 반사된 레이저 광의 제2 거리를 상기 반사 스폿 변위 센서(37)에 의해 검측하는 단계; 및
    상기 제1 거리와 상기 제2 거리의 비율인 이득값(K)을 정의하는 단계;를 포함하며,
    상기 검측 단계는:
    상기 동력 기계에 의해 상기 스핀들(11)를 회전시키는 단계; 및
    제3 스폿 변위 센서(353)에 의해 막대 렌즈(21) 하부에서의 Y축 변위 변화(Y1)를, 제4 스폿 변위 센서(354)에 의해 막대 렌즈(21) 하부에서의 X축 변위 변화(X1)를, 제1 스폿 변위 센서(343)에 의해 막대 렌즈(21) 상부에서의 Y축 변위 변화(Y2)를, 제2 스폿 변위 센서(344)에 의해 막대 렌즈(21) 상부에서의 X축 변위 변화(X2)를, 그리고 상기 표준봉(20)의 위치가 상기 스핀들(11)의 편심에 의해 변화될 때, 상기 반사 스폿 변위 센서(37)의 수광면(371)에 의해, 수광면(371)의 중심에 대해서 이동하는 반사 레이저 광의 거리(△x)를 검측하는 단계;를 포함하며,
    상기 계산 단계는:
    상기 센서 모듈(30)에 의해 검측되는 상기 표준봉(20)의 변위 변화들의 신호들(X1, Y1, X2, Y2 및 △x)을 계산 유닛(40)에 전송하는 단계; 및
    조립거리(L) 및 이득값(K)의 알려진 값들을 다음 오차 프로그램에 대입하여 상기 플랫폼(12)의 회전축과 상기 스핀들(11)의 6개 자유도 오차,
    X축 방향 반경방향 오차: δx=X1,
    Y축 방향 반경방향 오차: δy=Y1,
    Z축 방향 반경방향 오차: δz=K*△x,
    각도 편향 오차(워블):
    Figure 112018130962431-pat00016
    ,
    X축 방향 각도 위치설정 오차:
    Figure 112018130962431-pat00017
    , 및
    Y축 방향 각도 위치설정 오차:
    Figure 112018130962431-pat00019

    를 계산하는 단계;를 포함하는, 광학식 검측 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 광학식 검측 방법은 상기 조립 단계에 앞서 취득 단계를 가지며, 상기 취득 단계는:
    상기 광학식 검측 장치의 표준봉(20)을 기구에 의해 상기 센서 모듈(30)의 측정구역(50)의 중심에 배치하는 단계;
    경사 레이저 헤드(36)의 레이저 광을 반사면(22)의 중심에 방출하여 반사 스폿 변위 센서(37)의 수광면(371)의 중심으로 반사시키 위해 상기 반사면(22)을 이동시키는 단계; 및
    Z축을 따라 이동하는 표준봉(20)의 거리(△z)와 수광면(371)의 중심에 대해서 이동하는 반사 레이저 광의 거리(△x) 사이의 비율을 기구 보정 모드에 의해 이득값(K)으로 얻기 위해 Z축을 따라 기구에 의해 상기 표준봉(20)을 이동시키는 단계;를 포함하는, 광학식 검측 방법.
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