KR102030253B1 - 페이스 밀링 머신의 축 처짐 보상 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 페이스 밀링 머신의 축 처짐 보상 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 중심축을 기준으로 축의 길이를 변경하며 축 방향의 면을 원형으로 가공하는 페이스 밀링 머신에 있어서, 제1 센서 및 제2 센서로 페이스 밀링 머신의 축의 길이를 측정하는 단계; 상기 제1 센서 및 제2 센서가 측정한 거리의 차를 계산하는 단계; 상기 거리의 차를 이용하여 상기 밀링 머신의 축의 처짐 높낮이 및 각도를 계산하는 단계; 및 상기 축의 처짐 높낮이 및 각도를 보상하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

페이스 밀링 머신의 축 처짐 보상 방법{A method for face milling machine of axial deflection compensation}

본 발명은 페이스 밀링 머신의 축 처짐 보상 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 페이스 밀링 머신이 동작함에 따라 축의 무게로 인하여 축이 아래로 처지는 축 처짐량에 대한 보상을 실시하는 방법에 관한 것이다.

페이스 밀링 머신(Face milling machine)은 원통형 축의 면 방향을 가공하는 장치로써, 축의 길이를 조절하면서 면을 가공한다.

도 1을 참조하면, 중심축을 기준으로 양팔을 벌린 형태의 축을 가지고 있으며, 양 축의 끝에는 축과 수평 방향으로 이동이 가능한 가공부가 위치하여 가공부가 중심축에서 점점 외부로 이동을 수행하며 원형으로 면을 평평하게 가공하는 장치이다.

도 2를 참조하면, 이상적 상황에서는 가공하려는 원형의 크기가 커지는 상태에서 축의 길이가 길어지는 상황에서도 중심축과 축의 길이는 완벽한 수직을 이루어 가공된 면이 평평함을 유지하여야 하지만, 실제 상황에서는 중력에 의하여 축의 길이가 길어지면 상기 가공부가 중심축에서 멀어져 축의 길이가 길어질수록 축의 무게에 의한 처짐 현상이 발생하게 된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 축의 길이가 길어지면 무게에 의한 처짐을 방지하기 위하여 반대측의 축에도 동일한 무게의 스핀들 장치를 장착하고, 늘어나는 길이를 동일하게 하여 수평 상태를 유지하였다.

그러나, 이러한 상황에서도 일정량의 축의 처짐은 필연적으로 발생하게 되며, 축의 처짐에 의해 가공하려는 원이 커질수록 가공면이 미세한 사선형태로 나타나게 되어, 페이스 밀링 머신으로 가공한 가공품의 품질이 저하되는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것이며, 상기와 같은 축의 처짐을 측정하고, 이를 보상함으로써 페이스 밀링 머신의 가공 품질을 상승할 수 있는 방법을 제안한다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 페이스 밀링 머신의 축 처짐에 대한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 페이스 밀링 머신의 축 길이가 길어짐에 따라 축의 길이를 측정하고, 축의 길이를 바탕으로 축의 처짐을 계산하여 그 값을 보상하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 중심축을 기준으로 축의 길이를 변경하며 축 방향의 면을 원형으로 가공하는 페이스 밀링 머신에 있어서, 제1 센서 및 제2 센서로 페이스 밀링 머신의 축의 길이를 측정하는 단계; 상기 제1 센서 및 제2 센서가 측정한 거리의 차를 계산하는 단계; 상기 거리의 차를 이용하여 상기 밀링 머신의 축의 처짐 각도를 계산하는 단계; 및 상기 축의 처짐 각도를 보상하는 단계;를 포함하는 페이스 밀링 머신의 축 처짐 보상 방법을 제공한다.

또한, 상기 제1 센서 및 제2 센서는 레이저 변위센서로 구성하며, 상기 제1 센서 및 제2 센서는 상기 페이스 밀링 머신의 중심축에 서로 다른 높낮이로 위치한다.

또한, 상기 제1 센서 및 제2 센서를 통하여 측정한 각도를 통해 축 처짐 각도를 계산하며, 축 처짐 각도에 따라 구동부에 위치하는 스핀들 모터의 각도 및 위치를 보정한다.

한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 중심축을 기준으로 축의 길이를 변경하며 축 방향의 면을 원형으로 가공하는 페이스 밀링 머신에 있어서, 중심축에 일정 간격으로 위치하는 제1, 제2 센서; 상기 축의 외측에 위치하며 가공물를 가공하는 가공부; 상기 가공부에 위치하는 표시봉; 및 상기 표시봉과 상기 제1, 제2 센서간의 거리를 측정하여 축 처짐량 및 축 처짐 보상 값을 계산하여 상기 가공부를 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 가공부는 상기 축의 외측 끝에 위치하는 스핀들 모터 및 비트로 구성되고, 상기 제어부는 상기 스핀들 모터의 높낮이 및 상기 축과의 각도를 제어하여 상기 축 처짐 보상 값을 상기 가공부에 적용하는 것을 특징으로 하는 페이스 밀링 머신의 축 처짐 보상 장치의 구조를 제공한다.

또한, 상기 가공부는 상기 축의 외측 끝에 위치하는 스핀들 모터 및 비트로 구성된다.

또한, 상기 제어부는 상기 축 처짐 보상 값을 이용하여 상기 가공부와 축 간의 높낮이 및 각도를 변경하여 축 처짐을 보상한다.

상기한 본 발명에 의하면, 페이스 밀링 머신에서 축 처짐을 보상함으로써 페이스 밀링 머신을 통한 가공품의 가공 품질을 상승할 수 있다.

도 1은 페이스 밀링 머신의 구조를 나타내는 구성도이다.
도 2는 종래의 페이스 밀링 머신의 문제점을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 페이스 밀링 머신의 축 처짐 보상 방법을 개략적으로 나타내는 동작 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 페이스 밀링 머신의 축 처짐 보상을 위한 축 길이 측정 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 페이스 밀링 머신의 축 처짐량을 계산하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 페이스 밀링 머신의 축 처짐량에 따라 스핀들 모터를 보정하는 방법을 나타내는 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 페이스 밀링 머신의 축 처짐 보상 방법을 개략적으로 나타내는 동작 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 페이스 밀링 머신의 축 처짐 보상을 위한 축 길이 측정 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

이하, 도 4를 참조하며 도 3을 설명하도록 한다.

페이스 밀링 머신의 중심축에 제1 센서(210)와 제2 센서(220)를 두고, 상기 페이스 밀링 머신의 축 끝에는 표시봉(230)을 위치시킨다.

상기 제1 센서(210) 및 상기 제2 센서(220)는 상기 중심축에 위치하며, 상기 제1 센서(210)와 상기 제2 센서(220)는 일정 간격으로 떨어진 위치에 위치시키도록 한다.

상기 제1 센서(210)와 상기 표시봉(230)의 거리를 측정한다(S110).

상기 제2 센서(210)와 상기 표시봉(230)의 거리를 측정한다(S110).

본 실시 예에서 상기 제1 센서 및 상기 제2 센서는 레이저 변위 센서를 이용하는 거리를 측정하는 구성을 가지고 있으나, 이에 한정하지 않으며, 중심축과 축 끝 부분의 거리를 측정할 수 있는 수단을 가지는 모든 방법이 이용 가능하다.

상기 제1 센서(210) 및 상기 제2 센서(220)와 상기 표시봉(230)의 측정 결과의 차를 계산한다(S130).

도 5를 참조하면, 이상적 상태에서는 축이 길어지더라도 축의 처짐이 발생하지 않으므로, 상기 제1 센서(210)의 측정 거리와 상기 제2 센서(220)의 측정 거리의 차는 0에 수렴할 것이다. 그러나, 실제적인 상태에서는 축의 하중 및 베어링, 연결부의 상태에 따라 끝 부분이 아래쪽으로 처지게 된다.

그러므로, 상기 측정 거리의 차는 “0”의 값이 아닌 일정 변위 차가 발생하게 되며, 이 길이를 a라 설정한다.

상기 중심축에 위치하는 상기 두 센서는 일정 간격을 두고 설치하게 되며, 상기 제1 센서(210)와 상기 제2 센서(220)의 설치 간격 차이를 b라고 설정한다.

도 5를 참조하면, 상기 a와 b는 직각 삼각형을 그리게 되고, 축 처짐으로 인하여 발생하는 삼각형의 사잇각을 θ라 설정한다.

상기 θ는 다음과 같은 식 (1)을 통하여 구할 수 있다.

(1)

도 5를 참조하면, 상기 식 (1)을 통하여 구한 상기 축의 축처짐 각도는 보각과 대정각(맞꼭지각)에 의하여 축과 중심축을 연장한 선이 이루는 삼각형의 각과 동일한 각을 가지고 있으며, 또한, 이상적 상황에서의 축 형태와 축이 처진 상태의 사잇각이 같음을 알 수 있다.

그러므로 이상적 상태에서의 축 형태와 축의 처짐이 발생한 축의 크기를 계산함으로써, 축 처짐이 발생한 값을 계산할 수 있다.

처진 축에 대한 축 중심이 이동한 z축 방향의 거리를 r₁이라 하고, 처진 축의 중심과 축의 z축 방향 최저점까지의 거리를 r₂라 하면 다음과 같은 식을 만족하게 된다.

(2)

(3)

여기에서 l은 축 중심으로부터 축 끝부분까지 축의 길이이며, d는 축의 z축 방향의 두께이다.

상기 식 (2) 및 상기 식 (3)을 통하여 계산된 축의 값을 통하여 상기 페이스 밀링 머신의 축 처짐이 발생한 값을 정확하게 계산할 수 있다.

제어부(미도시)는 상기 축 처짐 값을 이용하여 상기 축의 외측면에 위치하는 스핀들 모터의 위치(각도, 높낮이)를 제어하며, 이는 이하 도 6에서 설명하도록 한다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 페이스 밀링 머신의 축 처짐량에 따라 스핀들 모터를 보정하는 방법을 나타내는 도면이다.

상기 스핀들 모터(310)은 중심축 반대편의 축 외측에 위치하며, 상기 스핀들 모터(310)의 회전을 통하여 가공물을 가공한다.

상기 스핀들 모터(310)의 하중에 의하여 축 처짐이 발생하면, 상기 가공물의 가공면과 상기 스핀들 모터(310)의 스핀들 니들(미도시)이 정확한 수직을 이루지 못하여 경사가 발생하거나 불량이 발생하여 품질을 저하시키는 주요 원인이 된다.

그러므로, 상기 스핀들 모터(310)의 위치를 제어할 필요가 있다.

상기 식(2) 및 식(3)을 통하여 계산한 축 처짐 값을 참조하여 설명한다.

상기 스핀들 모터(310)는 축에 고정되는 고정부를 통하여 고정이 되어 있으며, 이를 이동할 수 있는 모터와 볼스크류 장치를 통하여 높낮이 및 상기 가공물과의 각도를 조절할 수 있다.

이하, 상기 스핀들 모터(310)의 높낮이를 제 1축(320)이라 하고, 상기 스핀들 모터(310)와 축이 이루는 각을 제 2축(330)이라고 설정하여 설명하도록 한다.

상기 제어부는 상기 스핀들 모터(310)의 회전 속도를 설정한다. 상기 스핀들 모터(310)와 중심축간의 거리를 고려하여 속도를 변경하며, 거리가 가까울수록 속도를 낮게 설정하고, 거리가 멀수록 속도를 증가시킨다. 상기 페이스 밀링 머신은 원형의 가공물을 가공하는 장치이며, 동일 각도의 원주를 가공함에 있어서 반지름이 증가함에 따라 원주의 길이가 증대되므로 상기 스핀들 모터(310)의 속도를 증대시켜 더 빠르게 가공함으로써 동일 시간에 동일 각도의 가공이 가능하다.

상기 가공 속도(ω)는 본 발명에서는 따로 제시하지 않으며, 기존에 출시되어 있는 제품들의 동작 매뉴얼을 참조하여 구성할 수 있다.

상기 제 1축(320)은 축과 상기 스핀들 모터(310)의 높낮이로써 축의 처짐이 발생하면, 축 처짐이 발생한 높낮이만큼 보상을 수행하여야 한다.

상기 축 처짐이 발생한 만큼 상기 스핀들 모터(310)를 축과 수직 방향으로 상하 이동을 수행하여야 하며, 상하 이동을 위한 값(Z_ref)은 다음과 같은 식 (4)를 통하여 계산할 수 있다.

(4)

상기 식 (4)에서 z_con은 상기 페이스 밀링 머신의 축 고정부 위치에 따라 기본적인 z축 방향의 제어 값이다.

상기 식 (4)를 통하여 계산된 값은 상기 제 1축(320)에 위치하는 볼스크류 장치를 제어하여 상기 스핀들 모터(310)의 높낮이 변화를 통해 축 처짐 값을 보상한다.

상기 제 2축(330)은 축과 상기 스핀들 모터(310)의 각도로써 축의 처짐이 발생하면, 상기 스핀들 모터(310)와 가공면이 정확한 수직을 이루지 못하고 비스듬한 각도를 가진 상태에서 가공하게 된다.

상기 비스듬한 각도를 가지는 상태에서 가공물을 가공하게 되면, 상기 스핀들 모터(310)에 장착된 상기 스핀들 니들의 마모도 일정하지 않아 가공물을 평평한 상태로 가공이 되지 않고, 가공물의 중간에 음각 또는 양각의 불량이 발생하게 된다. 이러한 상태를 방지하기 위하여 상기 스핀들 모터(310)가 상기 가공물과 수직을 이루어야 한다.

상기 스핀들 모터(310)가 상기 가공물과 수직 상태를 이루기 위하여 계산되는 각도(z_∠θ)는 다음과 같은 식 (5)를 통하여 계산할 수 있다.

(5)

상기 식 (5)를 통하여 계산된 값은 상기 제 2축(330)에 위치하는 서보모터 장치를 제어하여 상기 스핀들 모터(310)의 각도를 보상한다.

상기 식(5)를 살펴보면 상기 식 (1)에서 구한 축 처짐 각도와 동일한 것을 확인할 수 있다.

상기 식 (1)을 다시 참조하면, 초기 상태의 상기 페이스 밀링 머신은 가공물과 평행 상태를 이루고, 상기 중심축과 상기 스핀들 모터(310)이 서로 평행을 이루게 된다. 다시 말하면, 상기 중심축, 스핀들 모터(310), 축 및 가공물은 직사각형의 상호 수직 상태를 가지게 된다.

상기 직사각형 상태에서 가공을 수행하기 위하여 축의 길이를 증가시키게 되면, 축의 길이 증가에 따라 축의 처짐이 발생하게 되고, 축의 처짐에 의하여 발생된 각도는 결국 상기 스핀들 모터(310)와 축이 이루는 각도는 상호 보각을 이루며 동일한 각도임을 확인할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 페이스 밀링 머신의 축 처짐 보상 방법에 따르면, 축 외측에 위치하는 스핀들 모터의 높낮이 및 각도를 직접 제어함으로써 종래의 축 처짐을 보상하는 방법에 대비하여 정확한 보정이 가능하다.

따라서, 본 발명에 의한 페이스 밀링 머신의 축 처짐 보상 방법에 의해 가공물의 가공 품질을 증대시킬 수 있음을 알 수 있다.

상술한 실시 예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시 예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다.

따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 이상에서 실시 예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

210 : 제1 센서
220 : 제2 센서
230 : 표시봉
310 : 스핀들 모터

Claims (9)

1. 중심축을 기준으로 축의 길이를 변경하며 축 방향의 면을 원형으로 가공하는 페이스 밀링 머신에 있어서,
   중심 축에 일정 간격으로 위치하는 제1 센서 및 제2 센서를 이용하여 상기 페이스 밀링 머신의 축의 길이를 측정하는 단계;
   상기 제1 센서 및 제2 센서가 측정한 축의 길이의 차를 계산하는 단계;
   상기 축의 길이의 차와 상기 제1 센서 및 상기 제2 센서간 설치 간격 차이를 이용하여 상기 페이스 밀링 머신의 축의 처짐 높낮이 및 각도를 계산하는 단계; 및
   상기 축의 처짐 높낮이 및 각도를 보상하는 단계;
   를 포함하는 페이스 밀링 머신의 축 처짐 보상 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 센서 및 제2 센서는 레이저 변위센서인 것을 특징으로 하는 페이스 밀링 머신의 축 처짐 보상 방법.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   

   

   - 수학식 1
   상기 수학식 1을 통하여 상기 축의 처짐 각도를 계산하며,
   상기 θ는 상기 축의 처짐 각도, a는 상기 제1 센서 및 제2 센서에서 측정한 거리의 차, b는 상기 제1 센서와 상기 제2 센서의 높이 차인 것을 특징으로 하는 페이스 밀링 머신의 축 처짐 보상 방법.
5. 제4항에 있어서,
   

   

   - 수학식 2
   

   

   - 수학식 3
   상기 수학식 2를 통하여 페이스 밀링 머신의 처진 축에 대한 축 중심이 이동한 높이 z 축 방향의 거리를 계산하고, 상기 수학식 3을 통하여 처진 축의 중심과 축의 높이 z축 방향 최저점까지의 거리를 계산하며,
   

   

   - 수학식 4
   

   

   - 수학식 5
   상기 수학식 4을 통하여 상기 페이스 밀링 머신의 외측에 위치한 스핀들 모터의 상기 축 처짐에 의한 높낮이 보상 값을 계산하고, 상기 수학식 5를 통하여 상기 스핀들 모터의 상기 축 처짐에 의한 보상 각도를 계산하며,
   상기 r₁은 상기 페이스 밀링 머신의 처진 축에 대한 축 중심이 이동한 높이 z 축 방향의 거리, 상기 r₂는 처진 축의 중심과 축의 높이 z축 방향 최저점까지의 거리, 상기 z_ref는 상기 페이스 밀링 머신의 외측에 위치한 스핀들 모터의 상기 축 처짐에 의한 높낮이 보상 값, 상기 z_∠θ는 상기 스핀들 모터의 상기 축 처짐에 의한 보상 각도, 상기 l은 상기 축의 중심으로부터 일측 끝 부분까지의 거리, d는 상기 축의 높이 z축 방향 두께인 것을 특징으로 하는 페이스 밀링 머신의 축 처짐 보상 방법.
6. 중심축을 기준으로 축의 길이를 변경하며 축 방향의 면을 원형으로 가공하는 페이스 밀링 머신에 있어서,
   중심축에 일정 간격으로 위치하는 제1, 제2 센서;
   상기 축의 외측에 위치하며 가공물를 가공하는 가공부;
   상기 가공부의 외측에 위치하는 표시봉; 및
   상기 표시봉과 상기 제1, 제2 센서간의 거리를 각각 측정하고, 상기 표시봉과 상기 제1 센서와의 거리와 상기 표시봉과 상기 제2 센서간의 거리의 차 및 상기 제1, 제2 센서간의 설치 간격을 기반으로 축 처짐량 및 축 처짐 보상 값을 계산하여 상기 가공부를 제어하는 제어부;로 구성되는 것을 특징으로 하는 페이스 밀링 머신의 축 처짐 보상 장치의 구조.
7. 제6항에 있어서,
   상기 가공부는 상기 축의 외측 끝에 위치하며 가공물을 가공하는 스핀들 니들, 상기 스핀들 니들에 회전을 부여하는 스핀들 모터 및 상기 가공부와 상기 축을 연결 및 고정하는 고정부로 구성되는 것을 특징으로 하는 페이스 밀링 머신의 축 처짐 보상 장치의 구조.
8. 제6항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 축 처짐 보상 값을 이용하여 상기 가공부와 축 간의 높낮이 및 각도를 변경하는 것을 특징으로 하는 페이스 밀링 머신의 축 처짐 보상 장치의 구조.
9. 제8항에 있어서,
   상기 가공부의 높낮이는 볼스크류 장치를 통해 상하 높이를 조절하고, 상기 가공부의 각도는 서보모터를 통하여 각도를 조절하는 것을 특징으로 하는 페이스 밀링 머신의 축 처짐 보상 장치의 구조.

Images