KR20050095952A

KR20050095952A - 진원도 측정 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20050095952A
Application number: KR1020040021172A
Authority: KR
Inventors: 서석환; 이응석; 이민기
Original assignee: 학교법인 포항공과대학교
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2005-10-05

Abstract

본 발명은 측정 대상물의 진원도를 신속히 측정하고 측정된 진원도를 용이하게 검증할 수 있게 하는 진원도 측정 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 진원도 측정 장치는, 측정 대상물을 장착하여 회전시키는 스핀들, 상기 측정 대상물의 회전 방향 양측에 구비되어 회전하는 측정 대상물의 회전 방향 양측의 제1, 제2 진원도를 각각 측정하는 제1, 제2 변위 센서, 상기 제1, 제2 변위 센서에 전기적으로 연결되는 변위계, 및 상기 변위계에 전기적으로 연결되어 변위계의 신호로부터 측정 대상물의 전체적인 진원도를 계산 및 검증하는 제어부로 구성되어 있다.

Description

진원도 측정 장치 및 그 방법 {ROUNDNESS MEASURING APPARATUS AND METHOD MEASURING THE SAME}

본 발명은 진원도 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 측정 대상물의 진원도를 신속히 측정하고 측정된 진원도를 용이하게 검증하는 진원도 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 회전체 및 이 회전체의 축을 지지하는 베어링들은 축 떨림을 방지하고 진동을 적게 하여 회전체 및 축이 원활히 회전 작동하도록 진원으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이 회전체 및 베어링들의 진원도를 측정하기 위하여 진원도 측정 장치가 사용되고 있다. 통상적으로 사용되는 진원도 측정 장치는 원주형 기계 가공품, 모터의 회전축, 또는 공작기계의 주축을 회전시켜 측정 대상물의 진원도를 측정하도록 구성되어 있다.

도 6은 종래기술에 따른 진원도 측정 장치의 구성도이다.

도면을 참조하여 종래의 진원도 측정 장치를 설명하면, 이 진원도 측정 장치는 스핀들(spindle, 51)에 측정 대상물(53, 마스터 볼을 예로 도시한다)을 장착하여 이를 회전시키고, 이 측정 대상물(53)의 일측에 변위 센서(55)를 구비하여 이 변위 센서(55)를 통하여 회전하는 측정 대상물(53)의 진원도를 측정하며, 이 변위 센서(55)에 연결된 변위계(57)를 통하여 측정된 진원도를 컴퓨터(59)로 전송하도록 구성되어 있다.

상기와 같은 진원도 측정 장치는 측정 대상물(53)의 일측에만 변위 센서(55)를 구비하여 최소자승법(Least Square Data Fitting Method)으로 진원도를 측정하고 있다. 따라서 하나의 변위 센서(55) 만으로 진원도를 측정하여야만 하기 때문에, 측정 대상물(53)의 내경 및 외경을 빠른 시간에 반복적으로 측정해야만 하는 경우, 하나의 측정 대상물(53)을 수 차례 회전시키면서 진원도를 측정하거나 측정된 진원도를 검증하여야만 하는 불편이 발생한다. 더욱이 측정 대상물(53)의 길이가 긴 경우에는 진원도를 측정하기 위해서는 가공기계 상에서 직접 측정하여야 한다. 그러나 이와 같은 경우 반복적으로 진원도를 측정하여야만 하므로 진원도를 측정하는데 많은 시간이 소요된다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 측정 대상물의 진원도를 신속히 측정하고 측정된 진원도를 용이하게 검증할 수 있게 하는 진원도 측정 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 진원도 측정 장치는,

측정 대상물을 장착하여 회전시키는 스핀들,

상기 측정 대상물의 회전 방향을 따라 양측에 구비되어 회전하는 측정 대상물의 양측 제1, 제2 진원도를 각각 측정하는 제1, 제2 변위 센서,

상기 제1, 제2 변위 센서에 전기적으로 연결되는 변위계, 및

상기 변위계에 전기적으로 연결되어 변위계의 신호로부터 측정 대상물의 전체적인 진원도를 계산 및 검증하는 제어부를 포함한다.

상기 제1, 제2 변위 센서는 180°방향으로 설치되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 진원도 측정 방법은,

측정 대상물의 회전 방향을 따라 양측에 구비된 제1, 제2 변위 센서의 감지신호로부터 측정 대상물의 양측 제1, 제2 진원도를 각각 측정하는 측정단계, 및

상기 측정단계에서 측정된 제1, 제2 진원도를 이용하여 측정 대상물의 전체 진원도를 계산하는 계산단계를 포함한다.

상기 측정단계는 측정 대상물을 적어도 180°로 회전시키는 것이 바람직하다.

상기 계산단계는 측정한 제1, 제2 진원도를 검증하는 검증단계를 더 포함한다.

상기 검증단계는 측정 대상물을 적어도 540°로 회전시키는 것이 바람직하다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 진원도 측정 장치의 구성도이다. 이 도면을 나타나 있는 바와 같이, 본 발명의 진원도 측정 장치는 이의 근간을 이루는 스핀들(1), 제1, 제2 변위 센서(3, 5), 변위계(7) 및 제어부(9)를 주요 부분으로 하여 이루어져 있다.

상기 스핀들(1)은 측정 대상물(11)의 진원도를 측정하기 위하여 측정 대상물(11)을 안정되게 장착하고, 이 상태로 회전시킬 수 있도록 구성되어 있다. 즉, 이 스핀들(1)은 상기와 같이 작동될 수 있도록 별도로 구성될 수도 있고, 모터의 회전축 또는 공작기계의 주축과 같이 측정 대상물(11)을 장착하여 회전시킬 수 있는 구성으로 대치될 수도 있다.

이 스핀들(1)에 의하여 회전 작동되는 측정 대상물(11)의 진원도는 제1, 제2 변위 센서(3, 5)의 감지 작용에 의하여 측정된다. 이를 위하여 제1, 제2 변위 센서(3, 5)는 진원도 측정 시, 스핀들(1)에 장착되어 회전하는 측정 대상물(11)의 회전 방향 외곽에 구비되어 있다. 또한 이 제1, 제2 변위 센서(3, 5)에는 측정 대상물(11)과 접촉되는 접촉 타입의 센서가 도시되어 있으나, 측정 대상물(11)과 접촉되지 않는 비접촉 타입의 센서가 적용될 수도 있다.

이 제1, 제2 변위 센서(3, 5)는 측정 대상물(11)의 회전 방향에 대하여 전 범위(원주의 전 범위)에 걸쳐 전체 진원도를 측정할 수 있도록 측정 대상물(11)의 회전 방향에 대하여 적절한 각도로 배치될 수 있으며, 바람직하게는 측정 대상물의 회전 방향 양측에 대향하는 자세로 배치되는 것이 좋다. 즉, 이 제1, 제2 변위 센서(3, 5)는 2개로 구비되기 때문에 측정 대상물(1)을 사이에 두고 180°각도로 배치되어, 측정 대상물(11)의 회전 방향을 따라 양측의 진원도, 즉 제1, 제2 진원도를 각각 측정할 수 있도록 배치되어 있다.

상기 제1, 제2 변위 센서(3, 5)는 180°각도로 배치되어 측정 대상물(11)을 180°만 회전시키더라도 측정 대상물(11)의 회전 방향을 따라 전 범위(원주의 전 범위)에 대한 진원도를 측정할 수 있게 한다. 따라서 제1, 제2 변위 센서(3, 5)에 더하여 추가 변위 센서를 구비할 수도 있으며, 이 경우 추가된 변위 센서와 제1, 제2 변위 센서(3, 5)를 등각도로 배치하여 측정 대상물(11)을 180°이하로 회전시키더라도 측정 대상물(11)의 회전 방향을 따라 전 범위(원주의 전 범위)에 대한 진원도를 측정할 수 있게 하는 것이 바람직하다.

이 제1, 제2 변위 센서(3, 5)와 같이 변위 센서가 복수로 배치되어 측정 대상물(11)을 회전 방향에 따라 구획하여 담당하게 됨에 따라 측정 대상물(11)의 진원도 측정 시, 측정 대상물(11)의 회전 각도를 줄일 수 있고, 또한, 제1 변위 센서(3)에서 측정한 진원도를 제1 변위 센서(3)에서 검증하고, 이와 동시에 제2 변위 센서(5)에서 측정한 진원도를 제2 변위 센서(5)에서 검증할 수 있게 한다.

또한, 상기 제1, 제2 변위 센서(3, 5)를 포함한 추가 변위 센서는 도 1에 도시된 바와 같이 측정 대상물(11)의 외경에 대한 진원도를 측정할 때에는 측정 대상물(11)의 외곽에 구비되지만, 다른 측정 대상물(미도시)의 내경에 대한 진원도를 측정할 수도 있으므로, 이 경우에는 측정 대상물의 내측에 구비되는 것이 바람직하므로 그 내측에 구비될 수 있는 형성으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 제1, 제2 변위 센서(3, 5)의 감지 및 측정 신호는 변위계(7)로 전달된다. 이를 위하여 제1, 제2 변위 센서(3, 5)는 변위계(7)에 전기적으로 연결되어 있다. 이 변위계(7)는 제1, 제2 변위 센서(3, 5)의 측정한 진원도의 변위를 외부적으로 표시해 준다.

이 변위계(7)는 제어부(9)에 전기적으로 연결되어 있다. 이 제어부(9)는 제1, 제2 변위 센서(3, 5)에 의하여 측정된 제1, 제2 진원도를 공지의 최소자승법에 적용하여 측정 대상물(11)의 전체 진원도를 계산하고 측정된 제1, 제2 진원도를 검증할 수 있도록 구성되어 있다.

즉, 제1, 제2 변위 센서(3, 5)의 측정 결과를 합산하여 둘로 나누면 측정 대상물(11)의 전체 진원도 오차 값이 계산되고, 제1, 제2 변위 센서(3, 5)의 측정 결과의 차이를 둘로 나누면 정량적인 진원도 오차 값이 계산된다. 이러한 제어부(9)에 개인용 컴퓨터가 이용될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 진원도 측정 방법의 순서도이고, 도 3은 본 발명에 따른 측정 장치 및 측정 방법으로 측정된 제1 변위 센서에 의한 제1 진원도를 도시한 평면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 측정 장치 및 측정 방법으로 측정된 제2 변위 센서에 의한 제2 진원도를 도시한 평면도이다.

도면들을 참조하여 진원도 측정 방법을 설명하면, 이 진원도 측정 방법은 상기와 같이 구성되는 진원도 측정 장치를 이용하여 진원도를 측정한다.

먼저, 제1, 제2 변위 센서(3, 5)로 회전하는 측정 대상물(11)의 회전 방향 각측에 해당하는 제1, 제2 진원도를 각각 측정한다(도 3 및 도 4 참조). 측정 대상물(11)의 진원도를 측정하기 위하여 측정 대상물(11)을 최소 180°만 회전시켜도 가능하지만, 도 3 및 도 4에는 360°회전시켜 제1, 제2 진원도를 측정한 것이 도시되어 있다.

상기 제1 변위 센서(3)는 측정 대상물(11)의 일측 제1 로우 데이터(Low Data, L1)를 측정한다. 이 제1 로우 데이터(L1)는 이 식 S1=L1^-1과 같이 최소자승법을 위한 제1 변위 센서(3)의 데이터(S1)로 변환된다.

이 제1 변위 센서(3)의 데이터(S1)는 식 S2+S1=LD와 같이, 제2 변위 센서(5)가 측정한 제2 로우 데이터(S2)에 의하여 최소자승법을 위한 데이터(LD)로 변환된다.

이렇게 측정된 제1, 제2 로우 데이터(L1, S2)는 제어부(9)의 계산에 의하여 측정 대상물(11)의 전체 진원도로 계산된다(도 5 참조).

이 계산단계는 측정한 각각의 진원도로를 검증하는 검증단계를 더 포함한다. 이 검증단계는 측정 대상물(11)을 적어도 540°로 회전시키는 것이 바람직하다. 즉 측정 대상물(11)을 360°로 회전시켜 제1, 제2 변위 센서(3, 5)로 제1, 제2 진원도를 측정한 후, 계속하여 180°더 회전시켜 측정한 측정 대상물(11)의 제1, 제2 진원도를 각각 제1, 제2 변위 센서(3, 5)에서 검증할 수 있게 한다.

상기 최소자승법은 과학적, 공학적 실험에서 측정 도구 자체의 한계로 인하여 발생되는 물리량의 측정 오차를 최소화면서 경험에 근거를 두고 측정된 데이터들 사이의 관계를 구하는 방법으로써 통상적으로 이용되는 방법이므로 이에 대한 구체적인 설명을 생략한다.

다만, 도 3 내지 도 5는 이 최소자승법을 이용하여 제1, 제2 진원도 및 전체 진원도를 계산한 것을 예시하고 있다.

도 3은 제1 변위 센서(3)에 의하여 측정된 제1 진원도가 0.005169mm인 경우를 예시하고 있다. 이때 다항식에 의한 원의 반지름은 0.097755mm이고 이 원의 중심은 X-Y 좌표의 0.018130mm, 0.018724mm이다. 이 때, 제1 로우 데이터(L1)는 점선 라인(C1)으로 도시되고, 외곽 라인(C2)과 내측 라인(C3)은 각각 최대 원 및 최소 원을 도시하며, 이 최대 원 및 최소 원 사이에 위치하는 원이 다항식에 의한 원(C4)이다.

도 4는 제2 변위 센서(5)에 의하여 측정된 제2 진원도가 0.005169mm인 경우를 예시하고 있다. 이때 다항식에 의한 원의 반지름은 0.097755mm이고 이 원의 중심은 X-Y 좌표의 0.019565mm, 0.018971mm이다. 이 때, 제2 로우 데이터(S2)는 점선 라인(C1)으로 도시되고, 외곽 라인(C2)과 내측 라인(C3)은 각각 최대 원 및 최소 원을 도시하며, 이 최대 원 및 최소 원 사이에 위치하는 원이 다항식에 의한 원(C4)이다.

도 5는 제1, 제2 변위 센서(3, 5)의 측정 진원도로부터 최소자승법으로 계산된 진원도, 즉 전체 진원도가 0.005169mm인 경우를 예시하고 있다. 이때 다항식에 의한 원의 반지름은 0.097755mm이고 이 원의 중심은 X-Y 좌표의 0.019565mm, 0.018971mm이다. 이 때, 제1, 제2 로우 데이터(L1, S2)는 점선 라인(C1)으로 도시되고, 외곽 라인(C2)과 내측 라인(C3)은 각각 최대 원 및 최소 원을 도시하며, 이 최대 원 및 최소 원 사이에 위치하는 원이 다항식에 의한 원(C4)이다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 진원도 측정 장치 및 그 방법은 측정 대상물의 회전 방향을 따라 그 양측에 제1, 2 변위 센서를 구비하여, 측정 대상물을 회전시키면서 측정 대상물의 양측 제1, 제2 진원도를 측정하고, 이 제1, 제2 진원도를 이용하여 측정 대상물의 전체 진원도를 계산하며 아울러 측정된 제1, 제2 진원도를 검증함으로써, 측정 대상물의 전체 진원도를 신속히 측정하고, 측정된 진원도를 용이하게 검증할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 진원도 측정 장치의 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 진원도 측정 방법의 순서도이다.

도 3은 본 발명에 따른 측정 장치 및 측정 방법으로 측정된 제1 변위 센서에 의한 제1 진원도를 도시한 평면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 측정 장치 및 측정 방법으로 측정된 제2 변위 센서에 의한 제2 진원도를 도시한 평면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 측정 장치 및 측정 방법으로 계산된 전체 진원도를 도시한 평면도이다.

도 6은 종래기술에 따른 진원도 측정 장치의 구성도이다.

Claims

측정 대상물을 장착하여 회전시키는 스핀들,

상기 측정 대상물의 회전 방향을 따라 복수로 구비되어 회전하는 측정 대상물의 각측 진원도를 각각 측정하는 복수의 변위 센서,

상기 복수의 변위 센서에 전기적으로 연결되는 변위계, 및

상기 변위계에 전기적으로 연결되어 변위계의 신호로부터 측정 대상물의 전체적인 진원도를 계산 및 검증하는 제어부를 포함하는 진원도 측정 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 제1, 제2 변위 센서는 180°방향으로 설치되는 진원도 측정 장치.
측정 대상물의 회전 방향을 따라 복수로 구비된 복수의 변위 센서의 감지신호로부터 측정 대상물의 각측 진원도를 각각 측정하는 측정단계, 및

상기 측정단계에서 측정된 각각의 진원도를 이용하여 측정 대상물의 전체 진원도를 계산하는 계산단계를 포함하는 진원도 측정 방법.
청구항 3에 있어서,

상기 측정단계는 측정 대상물을 적어도 180°로 회전시키는 것을 특징으로 하는 진원도 측정 방법.
청구항 3에 있어서,

상기 계산단계는 측정한 각각의 진원도로를 검증하는 검증단계를 더 포함하는 진원도 측정 방법.
청구항 3 또는 청구항 5에 있어서,

상기 검증단계는 측정 대상물을 적어도 540°로 회전시키는 것을 특징으로 하는 진원도 측정 방법.