KR20050098206A - 공작기계의 온도 보상방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공작기계의 구동중 공작기계를 구성하는 여러 부위의 온도를 실측하여 그 온도에 따른 변형을 파악한 다음 공작기계 전체의 온도변형을 동시에 보상하는 공작기계의 온도 보상방법에 관한 것으로서, 공작기계의 온도 보상방법에 있어서, 온도변화에 따라 공작기계를 구성하는 각 부위의 변위량을 실측한 실측 데이터를 외부로부터 제어부에서 입력받는 단계와, 설정신호에 따라 공작기계의 구동 중 각 부위의 온도를 계측하여 계측 온도에 상응되는 실측 데이터를 바탕으로 각 부위의 변위량을 구하고 각 부위의 변위량을 바탕으로 공작기계 전체의 변위정도를 변위량으로 산출하는 단계와, 상기 산출된 변위량에 따라 공작기계를 구동시켜 열변형을 보상하는 단계가 반복적으로 진행됨을 특징으로 하는 것이다.

Description

공작기계의 온도 보상방법{A temperature compensation method of the machine tool}

본 발명은 공작기계의 온도 보상방법에 관한 것으로서, 좀더 구체적으로는, 공작기계의 구동중 공작기계를 구성하는 여러 부위의 온도를 실측하여 그 온도에 따른 변형을 파악한 다음 공작기계 전체의 온도변형을 동시에 보상하는 공작기계의 온도 보상방법에 관한 것이다.

일반적으로 공작기계는 여러 가공을 수행하는 장치를 총칭하는 것으로서 가공범위에 따라 여러 종류가 알려져 있다.

이하 서술함에 있어, 편의상 공작기계의 대표적인 종류인 머시닝 센터(이하, "공작기계"라 칭함)를 실시예로 설명하는데, 본 발명은 머시닝 센터에만 적용되는 것이 아니고 모든 종류에 공작기계에 호환 적용될 수 있는 것이다.

이에 통상적인 공작기계는, 기준면을 포함하는 컬럼을 포함하는 베이스와, 이 베이스의 상측에 구비되어 슬라이딩면를 통해 X, Y축으로 이송되는 테이블과, 상기 컬럼에서 Z축으로 승강되는 주축대로 구성된다.

그리고 상기 테이블과 주축대는 X,Y,Z축 서보모터를 통해 이송되고, 상기 주축대에 장착되는 공구는 주축 서보모터를 통해 구동된다.

따라서 상기 테이블의 상부에 공작물이 올려져 X,Y축으로 이송되면서 주축대가 Z축으로 이송됨으로서 공작물을 가공하는 것이다.

그런데 상기와 같이 작동을 수행함에 있어서 공작기계의 전체에는 열이 발생되어 공작기계의 전체 온도가 상승되거나, 또는 공작기계가 설치되어 있는 장소 주변의 온도변화로 인하여 공작기계의 온도가 변화되는 현상이 발생된다.

즉 공작기계는 금속으로 구성되는 것으로서, 공작기계의 온도가 변화되면 공작기계를 구성하는 구성품들이 변형을 일으키게 된다.

다시말해, 공작기계가 가공을 수행함에 있어 테이블과 주축대가 X,Y,Z축으로 반복 이송됨에 따라서, 상기 테이블과 주축대의 접촉면인 기준면 및 슬라이딩면에서 열이 발생되어 변형을 일으키게 되는 한편, 상기 테이블과 주축대를 이송하는 볼 스크류축의 온도도 상승되어 변형을 일으키는 것이다.

또한 가공중에는 주축대에 장착된 공구의 온도가 급상승되고 이때 발생된 열이 주축대로 전달됨으로서 주축대를 구성하는 헤드 및 주축 등의 변형을 유발한다.

따라서 상술한 직,간접적인 원인으로 인하여 공작기계를 통해 가공을 수행함에 있어 정밀도를 저하시키는 문제점을 가지고 있었다.

이에, 최근에는 상기와 같은 문제점을 해소할 수 있도록 온도 변화에 따른 변형을 보상하는 방법이 공지되어 있느데, 그 일 실시예는, 가공을 마친 공작물의 정밀도를 측정하여 각 서보모터의 이송행정을 국부적 보정하거나, 물리적으로 기준면과 슬라이딩면을 국부적으로 보정하는 방법이 통용화 되고 있는 실정이다.

그런데, 상기 실시예의 방법을 적용함에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있다.

먼저 각 서보모터 및 슬라이딩면을 국부적으로 보정하여 하나의 가공물에 대한 공작기계의 변형만을 보상한다. 그러므로 다른 가공물을 가공할 경우인 가공조건이 변경될 경우에는 공작기계의 각 부위의 온도도 변경된다. 따라서 여러 가공조건에 상응되는 온도변형을 호환되게 보상할 수 없는 심각한 문제점을 가지고 있는 것이다.

그리고 공작기계의 여러 부위를 부분적으로 보상함에 따라서 공작기계 전체의 전반적인 온도보상을 수행할 수 없는 문제점을 가지고 있었다. 즉 상기와 같이 일부분의 온도변형만을 보상한다면 다른 부분과의 거리등의 변위가 변경됨으로서 공작기계를 통한 가공을 수행함에 있어서 고 정밀도를 얻을 수 없는 문제점도 가지고 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소할 수 있도록 발명된 것으로서, 공작기계의 여러 부위에서의 온도 변화에 따른 실측 변형량을 계측한 데이터를 바탕으로 가공중 상기 각 부위의 온도변화를 검출하여 각 부위의 변형을 동시에 보상함에 따라서 공작기계 전체의 온도변형을 가공중에 보상할 수 있도록 하는 공작기계의 온도 보상방법을 제공함을 목적으로 한다.

그리고 각 부위의 변형을 파악함에 있어서 각 부위 온도 분포에 따른 길이 변위량과 굴곡 변위량을 모두 파악함으로서, 보상의 정밀도를 최대로 향상시키는 목적도 있다.

또한 공작기계의 CPU의 구동을 통해 공작기계 전체의 온도 보상을 가능하게 할 수 있는 목적도 있다.

또 공작기계와 연결된 PC를 통해 공작기계 전체의 온도 보상을 가능하게 할 수 있는 목적도 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 공작기계의 온도 보상방법에 있어서, 온도변화에 따라 공작기계를 구성하는 각 부위의 변위량을 실측한 실측 데이터를 외부로부터 제어부에서 입력받는 단계와, 설정신호에 따라 공작기계의 구동 중 각 부위의 온도를 계측하여 계측 온도에 상응되는 실측 데이터를 바탕으로 각 부위의 변위량을 구하고 각 부위의 변위량을 바탕으로 공작기계 전체의 변위정도를 변위량으로 산출하는 단계와, 상기 산출된 변위량에 따라 공작기계를 구동시켜 열변형을 보상하는 단계가 반복적으로 진행됨을 특징으로 하는 것이다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 통해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 온도 보상방법이 적용되는 공작기계의 제1 실시예를 도시한 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 제 1실시예의 공작기계의 CPU에 구비된 온도 보상 제어부의 구성을 도시한 것이다.

이에 본 발명의 온도 보상방법은, 서보 모터들을 제어하는 CPU(1)가 포함되고 상기 공작기계를 구성하는 여러 부위에는 다수의 온도센서(2)가 구비된 공작기계에 적용된다.

즉 상기 CPU에 온도를 보상하는 온도 보상 제어부(3)가 포함되어 공작기계의 자체 CPU(1)를 통해 온도 보상을 가능하게 하는 것이다.

따라서, 상기 CPU(1)에는, 온도변화에 따라 공작기계를 구성하는 각 부위의 변위량을 실측한 실측 데이터를 외부로부터 입력받아 저장한 메모리부(31)와, 상기 온도센서들과 연결되어 설정신호에 따라 공작기계의 구동 중 각 부위의 온도를 계측하는 계측부(32)와, 계측부를 통해 계측된 계측 온도에 상응되는 메모리부의 실측 데이터를 바탕으로 각 부위의 변위량을 구하고 각 부위의 변위량을 바탕으로 공작기계 전체의 변위정도를 변위량으로 산출하는 연산부(33)와, 상기 산출된 변위량에 따라 공작기계의 구동데이터를 CPU로 출력하는 데이터 출력부(34)로 구성된 온도 보상 제어부(3)가 더 구비되어 있는 것이다.

도 3은 본 발명의 온도 보상방법이 적용되는 공작기계의 제2 실시예를 도시한 것이고, 도 4는 본 발명에 따른 제2 실시예의 공작기계를 구동하는 PC에 구비된 온도 보상 제어부의 구성을 도시한 것이다.

본 발명의 온도 보상방법은 도 3 및 도 4에 도시된 바와같이, 서보 모터들을 제어하는 CPU(1)가 포함되고 상기 공작기계를 구성하는 여러 부위에는 다수의 온도센서(2)가 구비된 공작기계에 적용되는데, 온도를 보상하는 제어부(3)가 CPU(1)와 데이터를 호환하는 PC(1')에 구비되어 공작기계가 아닌 별도의 공간에서 PC(1')를 통해 공작기계의 온도를 보상할 수 있는 것이다.

그리고 상기 PC(1')에는 상기 제1 실시예의 CPU에 구비된 온도 보상제어부(3)가 구비됨을 특징으로 하는 것이다.

즉, 상기 공작기계를 구동하는 PC(1')에는, 온도변화에 따라 공작기계를 구성하는 각 부위의 변위량을 실측한 실측 데이터를 외부로부터 입력받아 저장한 메모리부(31)와, 상기 온도센서들과 연결되어 설정신호에 따라 공작기계의 구동 중 각 부위의 온도를 계측하는 계측부(32)와, 계측부를 통해 계측된 계측 온도에 상응되는 메모리부의 실측 데이터를 바탕으로 각 부위의 변위량을 구하고 각 부위의 변위량을 바탕으로 공작기계 전체의 변위정도를 변위량으로 산출하는 연산부(33)와, 상기 산출된 변위량에 따라 공작기계의 구동데이터를 CPU로 출력하는 데이터 출력부(34)로 구성된 온도 보상 제어부(3)가 더 구비되어 있는 것이다.

이하, 상술한 제1,2 공작기계를 통한 본 발명의 온도 보상방법을 설명하면 다음과 같다. 그리고 본 발명의 보상방법을 설명함에 있어서, 편의상 상기 제1 실시예의 공작기계를 통해 설명한다.

도 5는 본 발명의 온도 보상방법을 나타낸 공정도로서, 먼저, 온도변화에 따라 공작기계를 구성하는 각 부위의 변위량을 실측한 실측 데이터를 외부로부터 제어부에서 입력받는 단계(100)가 진행된다.

다음 설정신호에 따라 공작기계의 구동 중 각 부위의 온도를 계측하여 계측 온도에 상응되는 실측 데이터를 바탕으로 각 부위의 변위량을 구하고 각 부위의 변위량을 바탕으로 공작기계 전체의 변위정도를 변위량으로 산출하는 단계(200)가 진행된다.

상기 산출된 변위량에 따라 공작기계를 구동시켜 열변형을 보상하는 단계(300)가 진행됨으로서 공작기계 전체의 온도변화를 보상할 수 있는 것이다.

그리고 상기 실측 데이터 입력단계(100)와 현재의 온도 변위량 산출단계(200) 및 공작기계 보상단계(300)는 반복적으로 연속 진행됨으로서, 가공중 공작기계의 온도변화를 실시간으로 보상할 수 있는 것이다.

특히, 실측 데이터 입력단계(100)에서의 입력된 데이터는 제어부(3)를 구성하는 메모리부(31)에 저장한다.

그리고 현재의 온도 변위량 산출단계(200)에서의 현재의 온도 변화를 공작기계에 각 부위에 설치되어 있는 온도센서(2)를 통해 계측부(32)에서 계측하고, 계측된 각 부위의 온도를 바탕으로 한 변위량은 연산부(22)를 통해 산출한다.

또한 상기 공작기계 보상단계(300)는, 상기 연산부(22)에서 입력 받은 변위량 데이터를 각 축 서보모터 및 주축 서보모터의 구동신호로 변환하여 CPU(1)로 출력함으로서 공작기계의 보상을 가능하게 하는 것이다.

이하, 본 발명의 보상방법을 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기 현재의 온도 변위량 산출단계(200)는, 현재 각 부위의 구간별로 얻어진 각 온도의 평균온도를 바탕으로 길이 변위량을 얻고 각 부위의 길이 변위량을 합산하여 공작기계 전체의 길이 변위량을 산출하고, 현재 각 부위의 구간별로 얻어진 각 온도의 오차온도를 바탕으로 각 부위의 굴곡 변위량을 얻고 각 부위의 굴곡 변위량을 합산하여 공작기계 전체의 굴곡 변위량을 산출한 다음, 상기 전체 길이 변위량과 전체 굴곡 변위량을 바탕으로 공작기계의 전체 변위량을 산출하는 것이다.

그리고 상기 각 부위의 길이 변위량은, 각 부위에서 하나 이상으로 검출된 구간별 온도들의 평균온도와 이 평균온도에 상응되는 상기 실측 변위량 데이터를 바탕으로 한 실측상수를 곱하여 산출하는 것이다.

또한 상기 각 부위의 굴곡 변위량은,각 부위에서 하나 이상으로 검출된 구간별 온도들의 오차온도와 이 오차온도 범위에 상응되는 상기 실측 변위량 데이터를 바탕으로 한 실측상수를 곱하여 산출하는 것이다.

따라서, 상기 현재의 온도 변위량을 산출함에 있어 길이 변위량과 굴곡 변위량의 산출은 하기식을 통해 달성된다.

먼저,δ_exp는 현재의 온도 변위량 중 길이 변위량으로, δ_bend는 현재의 온도 변위량 중 굴곡 변위량으로, Gⁿ _exp는 실측에 따른 각 구간의 온도 평균을 통해 길이 변형량을 산출하는 상수로, Tⁿ _avg는 각 부위에서 한 구간 이상으로 검출된 온도의 평균값으로, Gⁿ _bend는 실측에 따른 각 부위의 온도 오차를 통해 굴곡 변형량을 산출하는 상수로, Tⁿ _diff는 각 부위에서 한 구간 이상으로 검출된 온도의 오차값으로 정의한다.

이에, 현재 검출된 각 부위의 온도에 따른 길이 변위량은 수학식1에 의해 산출되며, 현재 검출된 각 부위의 온도에 따른 굴곡 변위량은 수학식2로 산출한다.

한편, 상기 보상방법을 설명함에 있어서 제1 실시예의 공작기계를 통해 설명하였으나, 상기 보상방법을 제어부(3)가 PC(1')에 구비된 제2 실시예의 공작기계에 적용시킬 경우에도 상술한 바와 동일한 공정을 통해 진행됨으로서, 제 2실시예의 공작기계의 보상방법의 설명은 생략한다.

상술한 바와 같이, 가공중 공작기계의 각 부위의 온도변화를 검출하여 각 부위의 변형을 동시에 보상함에 따라서 공작기계 전체의 온도변형을 가공중에 보상할 수 있도록 함으로서, 공작기계의 각 부위의 온도변화로 인하여 정밀도가 저하되는 것을 예방하는 효과가 있다.

그리고 각 부위의 변형을 파악함에 있어서 각 부위 온도 분포에 따른 길이 변위량과 굴곡 변위량을 모두 파악하여 보상의 정밀도를 최대로 향상시킴으로서, 고 정밀도를 얻을 수 있는 공작기계를 제공하는 효과도 있다.

또한 공작기계의 CPU의 구동을 통해 공작기계 전체의 온도 보상을 가능하게 함으로서, 공작기계를 출고함에 있어 온도보상까지 가능한 공작기계를 소비자에게 제공할 수 있는 효과도 있다.

또 공작기계와 연결된 PC를 통해 공작기계 전체의 온도 보상을 가능하게 할 수도 있도록 함으로서, 여러 공작기계의 온도 보상을 동시에 수행 할 수도 있는 효과도 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.

도 1은 본 발명의 온도 보상방법이 적용되는 공작기계의 제1 실시예를 도시한 개략 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 제 1실시예의 공작기계의 CPU에 구비된 온도 보상 제어부의 구성을 도시한 구성도.

도 3은 본 발명의 온도 보상방법이 적용되는 공작기계의 제2 실시예를 도시한 개략 구성도.

도 4는 본 발명에 따른 제2 실시예의 공작기계를 구동하는 PC에 구비된 온도 보상 제어부의 구성을 도시한 구성도.

도 5는 본 발명의 온도 보상방법을 나타낸 공정도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : CPU, 1' : PC

2 : 온도센서

3 : 온도 보상 제어부

31 : 메모리부

32 : 계측부

33 : 연산부

34 : 데이터 출력부

Claims (6)

1. 공작기계의 온도 보상방법에 있어서,

   온도변화에 따라 공작기계를 구성하는 각 부위의 변위량을 실측한 실측 데이터를 외부로부터 제어부에서 입력받는 단계(100)와,

   설정신호에 따라 공작기계의 구동 중 각 부위의 온도를 계측하여 계측 온도에 상응되는 실측 데이터를 바탕으로 각 부위의 변위량을 구하고 각 부위의 변위량을 바탕으로 공작기계 전체의 변위정도를 변위량으로 산출하는 단계(200)와,

   상기 산출된 변위량에 따라 공작기계를 구동시켜 열변형을 보상하는 단계(300),

   가 반복적으로 진행됨을 특징으로 하는 공작기계의 온도 보상방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 현재의 온도 변위량 산출단계(200)는,

   현재 각 부위의 구간별로 얻어진 각 온도의 평균온도를 바탕으로 길이 변위량을 얻고 각 부위의 길이 변위량을 합산하여 공작기계 전체의 길이 변위량을 산출하고,

   현재 각 부위의 구간별로 얻어진 각 온도의 오차온도를 바탕으로 각 부위의 굴곡 변위량을 얻고 각 부위의 굴곡 변위량을 합산하여 공작기계 전체의 굴곡 변위량을 산출하며,

   상기 전체 길이 변위량과 전체 굴곡 변위량을 바탕으로 공작기계의 전체 변위량을 산출함을 특징으로 하는 공작기계의 온도 보상방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 각 부위의 길이 변위량은,

   각 부위에서 하나 이상으로 검출된 구간별 온도들의 평균온도와 이 평균온도에 상응되는 상기 실측 변위량 데이터를 바탕으로 한 실측상수를 곱하여 산출됨을 특징으로 하는 공작기계의 온도 보상방법.
4. 제 2항에 있어서, 상기 각 부위의 굴곡 변위량은,

   각 부위에서 하나 이상으로 검출된 구간별 온도들의 오차온도와 이 오차온도 범위에 상응되는 상기 실측 변위량 데이터를 바탕으로 한 실측상수를 곱하여 산출됨을 특징으로 하는 공작기계의 온도 보상방법.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는,

   공작기계의 CPU에 포함됨을 특징으로 하는 공작기계의 온도 보상방법.
6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는,

   공작기계와 분리되어 데이터를 호환하는 PC에 포함됨을 특징으로 하는 공작기계의 온도 보상방법.