KR20040080756A

KR20040080756A - 지연기를 이용한 가공시편의 열변형 보상장치

Info

Publication number: KR20040080756A
Application number: KR1020030015720A
Authority: KR
Inventors: 김호상; 민흥기; 이대희; 나혁민
Original assignee: 사단법인 고등기술연구원 연구조합
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2004-09-20

Abstract

본 발명은 정밀가공장치에서 지연기를 이용한 가공시편의 열변형 보상장치에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 주축에 의해 회전되는 가공시편을 가공툴에 의해 초정밀 가공할 때 가공시편의 열변형을 보상하기 위한 장치에 있어서, 가공툴로부터 소정 위치 떨어져 가공시편의 열변형을 검출하기 위한 변위센서; 변위센서로부터 가공시편의 열변형값을 입력받아 변위센서가 감지한 위치와 가공툴의 가공위치를 일치시키기 위하여 소정시간 지연시켜 보상전압을 출력하는 지연기; 및 지연기의 보상전압을 입력받아 기준전압과 비교하여 지연기의 보상전압이 기준전압보다 크면 가공툴을 후진시키고, 동일하면 가공툴의 현재 위치를 유지시키며, 지연기의 보상전압이 기준전압보다 작으면 가공툴을 전진시키면서 가공툴의 위치를 제어하는 가공툴 위치 제어부를 구비한다. 따라서 본 발명의 열변형 보상장치는 광학식 변위센서를 이용하여 변형값을 감지한 후 위상반전 및 소정시간 지연시켜 이를 보상함으로써 종래의 초정밀 가공기에 비해 매우 저렴한 비용으로 가공툴과 가공시편 사이의 접촉에 의해 필연적으로 발생되는 국부적인 열변형을 해결하여 초정밀 가공시의 가공 정밀도를 향상시킬 수 있다.

Description

지연기를 이용한 가공시편의 열변형 보상장치 { Apparatus for compensating the thermal-distortion of workpiece by delay }

본 발명은 정밀가공장치에서 가공시편의 열변형을 보상하기 위한 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지연기를 이용하여 가공시편의 열변형 오차를 실시간으로 보상하는 장치에 관한 것이다.

최근들어, 산업이 발전하면서 초정밀 가공기술에 대한 필요성이 더욱 증가하고 있는 추세이다. 초정밀 가공기술은 그 시대의 기술로서 달성할 수 있는 최고정밀도의 가공기술을 말하며, 현재 치수 및 형상 정밀도 0.1~0.01㎛, 표면 거칠기 0.02~0.006㎛ 정도이다. 초정밀 가공법중 단결정 다이아몬드 공구를 사용한 초정밀 절삭기술은 절입량이 수 ㎛에서 수십 ㎛이지만, 이 절입량을 서브마이크로미터 이하로 제어하면 결정립계 단차가 없는 표면과 결함이 없는 이상적인 표면이 얻어질 가능성이 있다. 그러나 초정밀 가공기에서는 주축(spindle), 이송장치 등의 주요 부품의 운동특성이 가공정밀도에 미치는 영향이 매우 크므로 보다 높은 가공정밀도를 실현하기 위해서는 각각의 요소부품의 운동정밀도 향상과 더불어 운동오차의 실시간 보상이 절대적으로 요구된다.

특히, 최근의 초정밀 가공기에서는 가공 가능한 공작물의 직경이 커지면서 가공정밀도가 높아지는 추세에 따라 각 슬라이드의 행정거리가 수백 ㎜로 상대적으로 길어짐에도 불구하고, ㎚수준의 높은 분해능과 전 운동구간에 걸쳐 높은 운동정밀도가 요구되고 있다. 그러나 이 경우 이송부의 관성질량이 매우 크기 때문에 실시간으로 운동오차를 보상하기에는 응답속도가 절대적으로 늦어져, 실시간 운동오차 보상이 매우 어렵게 된다.

이와 같은 문제점을 극복하기 위하여 스핀들과 이송계의 운동 정밀도를 정밀하게 측정하면서 압전 액츄에이터를 이용하여 상대적으로 질량이 매우 작은 절삭공구와 툴 홀더만을 미세하게 구동시켜 실시간으로 운동오차를 보정하면서 가공할 수 있는 미소절삭공구대(FTS)가 사용되고 있다.

한편, 정밀가공을 위해서는 운동오차의 보상과 더불어 가공시편의 열변형을 방지하거나 열변형을 보상할 메커니즘이 필요한 바, 종래 정밀 가공기에서 열변형을 방지하는 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 오일 냉각 메커니즘을 이용하여 정밀가공기 전체의 온도를 제어하는 방식이었다.

도 1은 정밀가공장치에서 가공시편의 열변형을 방지하기 위한 종래의 냉각메커니즘을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 정밀가공기(122)는 플라스틱 커버 등에 의해 공간이 폐쇠된 곳(120)에 위치하면서 공구에 의해 가공시편을 정밀가공한다. 이때 가공에 의해 열이 발생할 경우에 가공기의 상측에 있는 노즐(134)들이 오일을 분사하여 가공시편과 정밀가공기의 온도를 낮추도록 되어 있다. 그리고 분사된 오일들은 집유조(138)로 모여 다시 수거되고, 필터링된 후 오일펌프(132)에 의해 다시 순환된다. 이때 오일의 경로는 밸브(136a,136b)에 의해 콘트롤되며, 오일의 온도는 오일온도제어시스템(110)에서 열교환방식으로 냉각된다.

그런데 이와 같은 종래의 장치는 거대한 냉각 메커니즘을 필요로 하여 비용도 많이 들고, 국부적인 열변형 오차에는 효과적이지 못한 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 변위센서와 지연기를 이용하여 가공시편의 열변형 오차를 보상할 수 있는 지연기를 이용한 가공시편의 열변형 보상장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 정밀가공장치에서 가공시편의 열변형을 방지하기 위한 종래의 냉각메커니즘을 도시한 도면,

도 2는 본 발명에 따른 가공시편의 열변형 보상장치를 도시한 개략도,

도 3은 본 발명에 따른 가공시편의 열변형 보상장치의 구성을 도시한 블럭도,

도 4는 본 발명에 따라 지연된 보상전압을 도시한 그래프,

도 5는 본 발명에 따른 지연시간을 설명하기 위하여 도시한 도면,

도 6은 본 발명에 따른 가공툴 위치 제어 절차를 도시한 순서도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

202: 주축 204: 주축대

210: 가공시편 221: 변위센서

222: 지연기 223: 가공툴 위치 제어장치

224: 가공툴

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는, 주축에 의해 회전되는 가공시편을 가공툴에 의해 초정밀 가공할 때 가공시편의 열변형을 보상하기 위한 장치에 있어서, 상기 가공툴로부터 소정 위치 떨어져 상기 가공시편의 열변형을 검출하기 위한 변위센서; 상기 변위센서로부터 상기 가공시편의 열변형값을 입력받아 상기 변위센서가 감지한 위치와 상기 가공툴의 가공위치를 일치시키기 위하여 소정시간 지연시켜 보상전압을 출력하는 지연기; 및 상기 지연기의 보상전압을 입력받아 기준전압과 비교하여 상기 지연기의 보상전압이 기준전압보다 크면 상기 가공툴을 후진시키고, 동일하면 상기 가공툴의 현재 위치를 유지시키며, 상기 지연기의 보상전압이 기준전압보다 작으면 상기 가공툴을 전진시키면서 가공툴의 위치를 제어하는 가공툴 위치 제어부를 구비한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 가공시편의 열변형 보상장치를 도시한 개략도로서, 열변형 보상장치는 변위센서(221)와, 지연기(222), 가공툴 위치제어장치(223), 가공툴(224)로 이루어져 주축대(204) 위에 장착된 가공시편(210)을 가공하면서 열변형에 의한 오차를 보상할 수 있도록 되어 있다.

도 2를 참조하면, 정면절삭 작업의 경우에 주축(202)의 회전에 의해 주축대(204)에 장착된 가공시편(210)이 회전되면서 가공툴(224)에 의해 절삭이 이루어진다. 이때 가공시편(210)은 절삭과정에서 발생되는 열에 의해 변형이 발생되는데, 본 발명에 따른 변위센서(221)는 비접촉식으로 가공시편의 열변형값을 측정하여 지연기(222)로 보내준다.

변위센서(221)는 가공시편의 열변형값을 검출하기 위한 것으로 광학식센서, 발광부와 수광부를 갖는 레이저 센서, 혹은 피에조식 갭센서 등으로 구현될 수 있고, 지연기(222)에서는 변위센서(221)의 열변형값을 읽고 보상상전압을 생성한 후, 회전방향으로 180도 떨어진 위치에 설치된 가공툴(224)에 입력하기 위해 지연시간(Td)만큼 지연시켜 가공툴 위치 제어장치(223)로 출력한다. 즉, 지연기(222)는 변위센서(221)의 측정결과에 기초하여 가공툴(224)의 위치를 예측하고 가공시편(모재)의 열변형이 전면으로 볼록하게 튀어 나온 경우에는 이를 보상하기 위해 툴을 전진시키고 반대로 가공시편(모재)의 열변형 형태가 오목한 경우에는 이를 보상하기 위해 툴을 후진시키도록 보상전압(제어신호)을 생성하여, 가공툴 위치제어장치(223)로 일정 타이밍 간격으로 제어신호를 전송한다.

가공툴 위치 제어장치(223)는 가공툴(224)의 위치를 실시간으로 제어하는 장치로서, 지연기(222)로부터 입력된 보상전압(즉, 입력전압 V_i)을 기준전압(V_TH)과 비교하여 가공툴(224)의 위치를 제어한다. 이때 가공툴 위치 제어장치(223)는 지연기(222)로부터 전달된 입력전압(V_i)을 기준전압(V_TH)과 비교하여 입력전압(V_i)이 기준전압(V_TH)보다 크면 가공툴(224)을 후퇴시키고, 기준전압(V_TH)보다 작으면 가공툴(224)을 전진시키며, 동일하면 현재 위치를 유지한다.

도 3은 본 발명에 따른 가공시편의 열변형 보상장치의 구성을 도시한 블럭도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 열변형 보상장치는 가공시편(210)의 열변형값을 측정하기 위한 변위센서(221), 변위센서(221)의 신호를 입력받아 위상을 반전시키고 소정 시간(Td) 지연시키는 지연기(222), 가공툴(224)의 위치를 제어하기 위한 가공툴 위치 제어장치(223)로 구성된다.

가공툴(224)은 가공툴 위치 제어장치(223)의 제어에 따라 정면절삭을 통한 가공을 수행하며, 변위센서(221)는 가공시편(210)의 열변형 오차를 측정한다. 이때, 변위센서(221)는 가공툴(224)의 위치와 회전방향으로 180도 차이가 나는 위치에서 회전속도와 열변형 오차를 측정한다. 또한 지연기(222)는 변위센서(221)로부터 회전방향으로 180도 차이가 나는 위치에서 회전속도와 열변형 오차를 입력받아 가공툴(224)에서의 위치를 예측하여 가공툴 위치 제어장치(223)로 보내준다. 가공툴 위치 제어장치(223)는 가공툴의 위치를 제어하는 장치로서, 지연기(222)로부터의 열변형 보상값을 입력받아 열변형 보상을 수행하게 된다.

도 4는 본 발명에 따라 지연된 출력(보상)전압을 도시한 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따른 지연시간을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 지연기(222)가 출력하는 보상값은 "Td"시간만큼 지연된다. 이때 지연기(222)의 지연시간(Td)은 도 5에 도시된 바와 같이, 가공툴(224)의 위치와 변위센서(221)의 위치가 서로 다르기 때문에 변위센서(221)가 감지한 가공시편(210)의 위치가 회전에 의해 가공툴(224)이 있는 위치로 올 때까지의 지연시간이다. 이와 같이 지연시간(Td)에 의해 변위센서(221)로 감지된 위치와 가공툴(224)에 의해 보상되는 위치가 서로 일치하게 되어 보다 정밀하게 가공할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 가공툴 제어 절차를 도시한 순서도이다.

도 6을 참조하면, 가공툴 위치 제어장치(223)는 지연기(222)로부터 열변형을 보상하기 위한 보상전압(V_i)을 입력받은 후, 미리 설정된 기준전압(V_TH)과 비교하여 가공툴(224)의 위치를 전진, 후진 혹은 현위치로 유지시킨다(601,602). 이때 입력전압(V_i)을 기준전압(V_TH)과 비교하여 입력전압(V_i)이 기준전압(V_TH)보다 크면 가공툴(224)을 후퇴시키고, 입력전압(V_i)과 기준전압(V_TH)이 동일하면, 현 위치를 그대로 유지시키며, 입력전압(V_i)이 기준전압(V_TH)보다 작으면 가공툴(224)을 전진시킨다(603~608).

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 열변형 보상장치는 변위센서를 이용하여 변형값을 감지한 후 위상반전 및 소정시간 지연시켜 이를 보상함으로써 종래의 초정밀 가공기에 비해 매우 저렴한 비용으로 가공툴과 가공시편 사이의 접촉에 의해 필연적으로 발생되는 국부적인 열변형을 해결하여 초정밀 가공시의 가공 정밀도를 향상시킬 수 있다.

Claims

주축에 의해 회전되는 가공시편을 가공툴에 의해 초정밀 가공할 때 가공시편의 열변형을 보상하기 위한 장치에 있어서,

상기 가공툴로부터 소정 위치 떨어져 상기 가공시편의 열변형을 검출하기 위한 변위센서;

상기 변위센서로부터 상기 가공시편의 열변형값을 입력받아 상기 변위센서가 감지한 위치와 상기 가공툴의 가공위치를 일치시키기 위하여 소정시간 지연시켜 보상전압을 출력하는 지연기; 및

상기 지연기의 보상전압을 입력받아 기준전압과 비교하여 상기 지연기의 보상전압이 기준전압보다 크면 상기 가공툴을 후진시키고, 동일하면 상기 가공툴의 현재 위치를 유지시키며, 상기 지연기의 보상전압이 기준전압보다 작으면 상기 가공툴을 전진시키면서 가공툴의 위치를 제어하는 가공툴 위치 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 지연기를 이용한 가공시편의 열변형 보상장치.
제1항에 있어서, 상기 변위센서는 광학식 센서, 레이저식 센서, 피에조식 갭센서 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 지연기를 이용한 가공시편의 열변형 보상장치.