KR20050119361A - 전자기 가진기를 이용한 미세 형상 가공 장치 - Google Patents

전자기 가진기를 이용한 미세 형상 가공 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자기 가진기를 이용한 미세 형상 가공 장치에 관한 것으로, 특히 전자기 가진기의 가진력이 전달되는 베어링과, 베어링에서 전달된 가진력에 의해 일정한 축 방향으로 회전하는 회전축과, 회전축의 어느 한 끝단에 설치되며 다수개의 휠을 갖는 연삭 휠과, 연삭 휠과 접촉되는 일정 거리에 일정 속도로 이송되며 연삭 휠에 따른 미세 형상의 패턴이 가공되는 공작물과, 회전축의 변위 또는 진동을 측정하는 진동 센서와, 진동 센서에서 측정된 신호에 따른 주파수 응답신호를 발생하는 신호 처리부와, 신호 처리부의 신호와 기설정된 신호의 변환량에 따른 전자기 가진기의 구동 신호를 발생하는 분석/보상 제어부를 포함한다. 그러므로 본 발명은 접촉 방식의 전자기 가진기를 이용하여 다수의 날을 갖는 연삭 휠이 설치된 회전축을 가진하고 일정 이송 속도로 공작물을 이송함으로써 다양한 미세 형상의 패턴을 공작물에 신속하게 가공할 수 있다.

Description

전자기 가진기를 이용한 미세 형상 가공 장치{MICROTOPOGRAPHY GENERATION BY USING ELECTROMAGNETIC EXCITER}
본 발명은 미세 형상 가공 장치에 관한 것으로서, 특히 전자기 방식의 비접촉식 가진 방식을 이용하여 미세 형상을 공작물 표면에 가공하기 위한 장치에 관한 것이다.
종래에는 미세 형상을 가공하기 위해서, 초소형 공구 형상을 가진 회전 공구나 고정 공구를 초정밀 제어에 의하여 이송함으로써 공작물에 미세 형상을 가공하였다. 이러한 가공 방식은 마이크로 미세 형상의 공구를 제작하고 공구의 마모를 수정하고 초정밀 기계제어 기술로 공작물에 장시간동안 정밀 가공으로 미세 형상을 가공해야만 하였다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 비접촉 방식의 전자기 가진기를 이용하여 다수의 날을 갖는 연삭 휠이 설치된 회전축을 가진하고 일정 이송 속도로 공작물을 이송함으로써 다양한 미세 형상의 패턴을 공작물에 신속하게 가공할 수 있는 전자기 가진기를 이용한 미세 형상 가공 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전자기 가진기를 갖는 장치로서, 전자기 가진기의 가진력이 전달되는 베어링과, 베어링에서 전달된 가진력에 의해 일정한 축 방향으로 회전하는 회전축과, 회전축의 어느 한 끝단에 설치되며 다수개의 휠을 갖는 연삭 휠과, 연삭 휠과 접촉되는 일정 거리에 일정 속도로 이송되며 연삭 휠에 따른 미세 형상의 패턴이 가공되는 공작물과, 회전축의 변위 또는 진동을 측정하는 진동 센서와, 진동 센서에서 측정된 신호에 따른 주파수 응답신호를 발생하는 신호 처리부와, 신호 처리부의 신호와 기설정된 신호의 변환량에 따른 전자기 가진기의 구동 신호를 발생하는 분석/보상 제어부를 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자기 가진기를 이용한 미세 형상 가공 장치를 나타낸 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 미세 형상 가공 장치는 회전축(104), 베어링(106), 전자기 가진기(108), 진동 센서(110), 연삭 휠(112), 전류 센서(120), 신호 처리부(130), 분석/보상 제어부(140), 구동부(150), 공작물(160)을 포함한다.
회전축(104)은 상기 장치의 하우징(102) 내부에 설치되어 전자기 가진기(108)의 가진력에 의해 일정 방향의 축으로 회전한다. 예를 들어, 회전축(104)은 수평축으로 회전한다.
베어링(106)은 하우징(102)과 회전축(104) 사이에 위치되어 하우징(102)에 설치된 전자기 가진기(108)의 가진력을 비접촉식으로 회전축(104)에 전달한다. 이때, 베어링(106)은 볼 타입(ball) 또는 스핀들(spindle) 형태로 이루어진다.
전자기 가진기(108)는 하우징(102) 내측에 장착되며, 비접촉식으로 회전축(104)에 손상을 주지 않으면서 원하는 힘으로 회전축(104)을 가진(즉, 충격파 가진)한다. 예를 들어, 4개의 각각의 독립된 전자석으로 구성되며 각각의 전자석은 두 개의 자극을 한 쌍으로 하여 구성되는데, 8개의 자극은 NNSSNNSS의 자극 배열로 배치된다. 그리고 전자기 가진기(108)는 구동부(150)로부터 제공되는 구동 신호(예컨대 PWM 펄스)에 따라 회전축(104)에 느린 변동 속도의 힘 또는 빠른 변동 속도의 힘을 가해 회전축(104)에 진동이나 변위를 가한다.
진동 센서(110)는 하우징(102)의 외측 부분(예를 들어, 베어링에 인접된 부분)에 장착되어 회전축(104)이 회전할 때 발생하는 진동과 그 변위를 감지한다. 감지된 신호는 신호 처리부(130)에 전달된다.
전류 센서(120)는 전자기 가진기(108)의 각 전자석의 권선에 흐르는 전류 측정한다. 전류 센서(120)에서 측정된 신호는 신호 처리부(130)에 전달된다.
신호 처리부(130)는 디지털 신호 프로세서(DSP : Digital Signal Processor)를 포함하며 전자기 가진기(108)로부터 제공되는 가진 입력(가진 주파수 변환)과 진동 센서(110)로부터 제공되는 진동에 대한 주파수 응답 신호(H(ω))를 산출한다.
여기서 수학식 1에서, F는 가전력, X는 변위, M은 질량을 나타낸다. 그리고 C는 감쇠 계수, K는 강성 계수를 나타낸다.
본 발명의 미세 형상 가공 장치는 모든 주파수대를 가진하는 충격파 가진을 하기 때문에 전자기 가진기(108)의 가진시 신호 처리부(130)에서 각각의 주파수에 대한 주파수 응답 신호를 산출할 수 있기 때문에 전체 주파수 응답 함수를 구할 수 있다.
분석/보상 제어부(140)는 수치 해석 알고리즘이 내장된 컴퓨터 시스템으로서, 신호 처리부(130)에서 산출된 주파수 응답 함수(H(ω))를 전달받아 수치 해석 알고리즘으로 계산하고 계산된 결과에 의거하여 전자기 가진기(108)를 구동하기 위한 구동 신호를 발생한다. 여기서, 분석/보상 제어부(140)는 회전축(104)을 최적 상태로 맞춘 상태에서 측정한 초기 강성 계수와 감쇠 계수를 저장하고 있다. 즉, 분석/보상 제어부(140)는 운적중 회전축(104)의 강성 계수 및 감쇠 계수와 저장된 회전축의 강성 계수 및 감쇠 계수를 비교하여 그 변화량에 의거한 가진기 구동 신호를 발생한다. 이로 인해 전자기 가진기(108)에 추가의 가진력이 인가됨으로써 회전축(104)에 공작물(160)을 원하는 형태로 가공하기 위한 변위 또는 진동이 제공된다.
회전 구동부(150)는 분석/보상 제어부(140)에서 발생되는 구동 신호에 따라 전자기 가진기(108)의 전자석에 전력을 증폭하여 공급해준다. 예를 들어, IGBT 컨버터로 구성되며 PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭 기법에 의해 구동된다. 이때 회전 구동부(150)는 자동 보상 모드에 따라 전자기 가진기(108)에 적응적인 가진 구동신호(PWM 펄스)를 제공하거나, 운전자 조작에 따라 전자기 가진기(108)에 임의의 가진 구동신호를 제공한다.
공작물(160)은 회전축(104)의 어느 한 부분에 설치된 다수개의 휠을 갖는 연삭 휠(112)과 접촉되는 일정 거리에 일정 속도로 이송되며 일정한 축 방향으로 회전한다. 예를 들어, 공작물(160)은 회전축(104)과는 다르게 수직축 방향으로 회전한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 전자기 가진기를 이용한 미세 형상 가공 장치는 전자기 가진기(108)에 의한 회전축(104)의 축 방향 강성과 반경 방향 강성을 측정할 수 있다. 즉, 회전축(104)의 축 방향 강성은 전자기 가진기(108)를 축 방향으로 가진하여 진동 센서(110)를 통해서 축의 변위로 측정할 수 있으며, 회전축(104)의 반경 방향 강성은 전자기 가진기(108)를 반경 방향으로 가진하여 진동 센서(110)를 통해 축의 변위 또는 진동으로 측정할 수 있다.
이렇게 하여 얻어진 축 방향 강성 및 반경 방향 강성을 토대로 신호 처리부(130), 분석/보상 제어부(140) 및 구동부(150)에서는 전자기 가진기(108)에 원하는 가진력을 인가함으로써 회전축(104)을 축 방향 또는 반경 방향으로 미세 회전시킬 수 있으며 이로 인해 회전축(104)의 끝단에 설치된 연삭 휠(112)이 일정 속도로 회전된다. 그리고 임의의 속도로 회전되는 공작물(160)을 연삭 휠(112)에 이송되면, 공작물(160) 표면에는 원하는 형태의 미세 형상 패턴이 가공된다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 전자기 가진기를 회전축의 전방 또는 후방에 배치한 도면들로서, 본 발명은 회전축(104)을 가진하기 위한 전자기 가진기(108)를 하우징(102)의 외부에 별도로 장착할 수도 있다. 예를 들어, 전자기 가진기(108)는 회전축(104)의 후방 또는 전방에 별도로 장착될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 전자기 가진기의 일 예를 도시한 단면도이다.
본 발명에 적용된 전자기 가진기는 고정자(1081)의 각 폴(1083/a∼1083/h)에 감겨있는 코일(1085)에 전류를 흘려주면 고정자(1081)의 각 폴(1083/a∼1083/h)이 각각 N극과 S극을 가지는 전자석으로 되고, 이 전자석이 전자기력을 발생하여 본 발명의 회전축에 힘을 가하게 되는 원리로 작동한다. 여기에서, 서로 대향하는 두 개의 폴(예를 들면, 1083/a와 1083/e, 1083/b와 1083/f, 1083/c와 1083/g, 1083/d와 1083/h)로 된 한쌍의 폴들은 각각 하나의 채널로써 기능하는데, 상하 방향으로 대향하는 폴쌍을 선택하여 가진하는 경우 회전축의 상하 방향으로 가진력이 가해지고, 모든 폴쌍을 선택하여 가진하는 경우 회전축 전체에 가진력이 가해지는 방식으로 작동한다.
도 4는 전자기 가진기에 의해 진동과 변위를 일으키는 연삭 휠에 대한 개념도이다. 도 4에서 Vc 는 y 축 방향으로의 연삭 휠 이송속도를 나타내며, f1 는 공작물의 진동을, f2 는 xy 평면에서의 이송경로를 가질 때의 z 축 방향의 연삭 휠 진동을 나타낸다. 공작물의 패턴은 공작물의 진동과 연삭 휠의 진동의 관계에 따라 다른 형상을 가지게 된다.
도 4를 참조하면, 본 발명에서 전자기 가진기를 이용하여 회전축을 가진할 때, 회전축의 끝단에는 연삭 휠이 설치되어 회전축의 변화에 따라 연삭 휠(112) 역시 진동과 변위를 일으킨다. 이로 인해 연삭 휠(112)은 변위와 진동을 동시에 일으킨다.
여기서 f2는 연삭 휠의 주파수, f2s는 연삭 휠의 평균 주파수 값, 그리고 f2a ,f2df는 연삭 휠의 회전주파수를 나타낸다. 그리고, t는 연삭 개시 후, 가공 시간을 나타낸다.
도 5a 및 도 5b는 연삭 휠의 일정 방향 진동과 변위에 따라 생성된 표면 형상의 예를 나타낸 도면들이다. 여기서 fd는 연삭 휠의 진동을, fw는 공작물의 진동을 마지막으로 Vc는 연삭 휠의 이송속도를 나타낸다.
도 5a는 fw가 5Hz, fd가 75.2Hz, 그리고 Vc가 2㎜/min으로 연삭 휠이 움직였을 경우를 나타낸 도면이고, 도 5b는 fw가 5Hz, fd가 77.4Hz, 그리고 Vc가 2㎜/min으로 연삭 휠이 움직였을 경우를 나타낸 도면이다.
그러므로 본 발명은 비접촉식으로 전자기 가진기를 사용하여 회전축을 가진하고, 가진된 회전축에 연결된 연삭 휠에 미세 변위 및 진동을 일으키고 일정 속도로 이송된 공작물 표면에 미세 형상의 패턴을 가공할 수 있다. 그리고 본 발명의 장치는 진동 센서 또는 전류 센서를 통해서 전자기 가진기의 변위, 진동 또는 전류를 측정함으로써 전자기 가진기의 구동을 제어하여 공작물에 다양한 미세 형상의 패턴을 신속하게 가공할 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예에 국한되는 것이 아니라 후술되는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주내에서 당업자에 의해 여러 가지 변형이 가능하다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 비접촉 방식의 전자기 가진기를 이용하여 다수의 날을 갖는 연삭 휠이 설치된 회전축을 가진하고 일정 이송 속도로 공작물을 이송함으로써 다양한 미세 형상의 패턴을 공작물에 신속하게 가공할 수 있다. 또한 본 발명은 진동 센서 또는 전류 센서를 통해서 전자기 가진기의 변위, 진동 또는 전류를 측정한 후에 전자기 가진기의 구동을 다시 피드백 제어할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자기 가진기를 이용한 미세 형상 가공 장치를 나타낸 블록도,
도 2a 및 도 2b는 도 1의 전자기 가진기를 회전축의 전방 또는 후방에 배치한 도면들,
도 3은 도 1에 도시된 전자기 가진기의 일 예를 도시한 단면도,
도 4는 전자기 가진기에 의해 진동과 변위를 일으키는 연삭 휠에 대한 개념도,
도 5a 및 도 5b는 연삭 휠의 일정 방향 진동과 변위에 따라 생성된 표면 형상의 예를 나타낸 도면들.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
102 : 하우징 104 : 회전축
106 : 베어링 108 : 전자기 가진기
110 : 진동 센서 120 : 진동 센서
130 : 신호 처리부 140 : 분석/보상 제어부
150 : 구동부 160 : 공작물

Claims (4)

  1. 전자기 가진기를 갖는 장치로서,
    상기 전자기 가진기의 가진력이 전달되는 베어링과,
    상기 베어링에서 전달된 가진력에 의해 일정한 축 방향으로 회전하는 회전축과,
    상기 회전축의 어느 한 끝단에 설치되며 다수개의 휠을 갖는 연삭 휠과,
    상기 연삭 휠과 접촉되는 일정 거리에 일정 속도로 이송되며 상기 연삭 휠에 따른 미세 형상의 패턴이 가공되는 공작물과,
    상기 회전축의 변위 또는 진동을 측정하는 진동 센서와,
    상기 진동 센서에서 측정된 신호에 따른 주파수 응답신호를 발생하는 신호 처리부와,
    상기 신호 처리부의 신호와 기설정된 신호의 변환량에 따른 상기 전자기 가진기의 구동 신호를 발생하는 분석/보상 제어부
    를 포함하는 전자기 가진기를 이용한 미세 형상 가공 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 공작물은 상기 회전축과 수직이게 되는 일정한 축 방향으로 회전하는 전자기 가진기를 이용한 미세 형상 가공 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 연삭 휠은 다수개의 휠을 갖는 전자기 가진기를 이용한 미세 형상 가공 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 연삭 휠의 주파수(f2)는 다음과 같은 전자기 가진기를 이용한 미세 형상 가공 장치.
    여기서 f2s는 연삭 휠의 평균 주파수 값을, f2a, f2df는 연삭 휠의 회전주파수를 나타내며, t는 연삭 개시 후, 가공 시간을 나타냄.
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