KR20080055224A - 공작물의 비접촉 두께 측정방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2단 이상의 단이 존재하거나 음각이 존재하는 수 나노미터(nm) 표면조도의 경면으로 가공된 공작물의 두께 측정을 미크론(μm) 단위의 정밀한 측정이 가능하고, 측정시 표면에 흠집이 발생되지 않도록 하는 비접촉식 두께 측정방법 및 그 장치를 제공하기 위한 것으로, 공작물에 흠집이 생기지 않도록 하는 미접촉 두께 측정을 위하여 측정바디(11)의 일단에 고정된 정전용량형 센서(S1)를 구성하고, 이와 대향형으로 측정바디(11)에 피봇 연결된 정전용량형 센서(S2)로 구성하고, 이들 2개의 센서(S1,S2)로 감지되는 공작물(Work piece)(32)의 표면과의 거리를 이미 알고 있는 마스트 블록(Master block)(31)의 두께에 가감 측정하여 이루어진다.

공작물, 비접촉, 정전용량형 센서, 두께 측정

Description

공작물의 비접촉 두께 측정방법 및 장치{Noncontact thickness measuring method and device of workpiece}

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.

도 1은 종래의 외경마이크로미터를 이용한 공작물 두께 측정방법 예시도.

도 2는 종래의 레이저를 이용한 공작물의 비접촉 두께 측정방법 예시도.

도 3은 본 발명에 따른 공작물의 비접촉 두께 측정 장치 구성도 및 사용 예시도.

도 4는 정전용량형 센서의 측정 소재별 측정거리에 대한 출력전압 선도.

도 5는 본 발명을 이용한 공작물의 비접촉 두께 측정장치의 설치 예시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

S1, S2 : 정전용량형 센서

11 : 측정 바디 (Body)

12 : 고정 바 (Fixed Bar)

13 : 피봇 (Pivot)

21 : 고정센서용 바

22 : 이동센서용 바

23 : 스프링 (Spring)

24 : 나사 (Screw)

25 : 에어실린더 (Air-Cylinder)

31 : 마스터 블록 (Master Block)

32 : 공작물 (Work piece)

본 발명은 공작기계로 가공된 공작물의 두께를 측정하기 위한 측정장치에 관한 것으로, 특히 공작물의 두께 측정시에 가공 표면의 흠집이 생기지 않도록 비접촉으로 두께를 측정하기 위한 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

공작기계로 가공된 공작물의 두께를 측정하는 것은 여러 가지 방법 및 측정기가 있다.

대표적인 측정기는 도 1의 (a),(b)와 같이 외경마이크로미터를 이용하는 것으로, 외경마이크로미터는 U형 프레임의 한쪽 끝에는 고정된 앤빌(anvil)(1)이 있고, 다른 쪽 끝의 슬리브(sleeve)(2) 안쪽은 암나사로 되었으며, 정밀도가 높은 피치의 작은 수나사인 스핀들(3)이 그 속에 있고, 스핀들의 바깥쪽에는 스핀들이 축방향으로 이동하도록 하는 조정핸들(4)이 있다.

이러한 마이크로미터를 이용한 측정방법은 다음과 같다.

먼저 도 1의 (a)와 같이 마이크로미터의 조정핸들(4)로 스핀들(3) 끝단이 앤빌(anvil)(1)과 접촉하도록 하여 영점으로 셋팅하고, 도 1의 (b)와 같이 공작물(Work piece)(32)의 두께를 측정하고자 하는 부위를 마이크로미터의 앤빌(anvil)(1)에 올려서 마이크로미터의 조정핸들(4)로 스핀들 끝단이 공작물에 접촉하도록 미소 압력을 가한 후, 측정기의 눈금을 읽어 두께를 측정한다.

따라서, 마이크로미터를 이용한 두께 측정은 마이크로미터의 스핀들 끝단이 공작물의 표면에 미소 압력을 가하여야 하며, 이 미소 압력으로 인하여 공작물의 두께 측정결과에 대하여 수 미크론(μm)의 측정오차를 가질 수 밖에 없으며, 또한 공작물에 미소한 찍힘이 발생한다. 이러한 미소한 찍힘은 수 나노미터(nm)의 표면조도를 가지는 경면가공 시편의 경우 치명적인 문제가 된다.

한편, 종래 접촉 프로브(probe)에 의한 표면의 흠집이 생기지 않도록 하는 공작물의 두께 측정의 다른 방법으로, 레이저를 이용하는 비접촉식 두께 측정장치가 있다.

레이저를 이용한 두께 측정기의 측정 원리는 도 2에 도시된 바와 같이 일측에 직사광인 레이저를 발광하는 광원부(5)가 있고, 다른 측에 이를 수광하는 센서 어레이(sensor array)(6)가 있다. 이러한 구성에서 두께를 측정하고자 하는 시편(7)을 광원과 센서 어레이(sensor array)사이에 두고 센서 어레이(sensor array)에 빛이 투영되지 않은 부분을 감지하여 시편의 두께를 측정하는 것이다.

그러나 이와 같은 측정방법에서는 미크론(μm)단위 수준의 측정은 가능하나, 다음과 같은 문제가 있다.

레이저 광원부 및 센서 어레이(sensor array)의 폭의 크기로 인하여 측정하고자 하는 시편의 두께에 제약이 있으며, 또한 레이저 투영에 의하여 측정하는 것이므로 2단 이상의 단이 존재하거나 음각이 존재하는 시편의 두께는 측정이 불가능하다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 제반적인 사정을 감안하여 창출된 것으로, 2단 이상의 단이 존재하거나 음각이 존재하는 수 나노미터(nm) 표면조도의 경면으로 가공된 공작물의 두께 측정을 미크론(μm) 단위의 정밀한 측정이 가능하고, 측정시 표면에 흠집이 발생되지 않도록 하는 비접촉식 두께 측정방법 및 그 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단은,

공작물에 흠집이 생기지 않도록 하는 미접촉 두께 측정을 위하여 측정바디(11)의 일단에 고정된 정전용량형 센서(S1)를 구성하고, 이와 대향형으로 측정바디(11)에 피봇 연결된 정전용량형 센서(S2)로 구성하고, 이들 2개의 센서(S1,S2)로 감지되는 공작물(Work piece)(32)의 표면과의 거리를 이미 알고 있는 마스트 블록(Master block)(31)의 두께에 가감하여 측정하여 이루어진다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 3의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 공작물의 비접촉 두께 측정장치 구성도이다.

측정바디(11)의 일단에 정전용량형 고정센서(S1)가 고정센서용 바(21)를 통하여 고정 배치된다. 즉, 고정센서용 바(21)의 일단은 측정바디(11)에 고정되고 그의 타단에 정전용량형 고정센서(S1)가 설치된다.

또한 측정바디(11)에는 피봇(13) 연결된 이동센서용 바(22)를 매개로 정전용량형 가동센서(S2)가 설치되고, 상기 이동센서용 바(22)는 스프링(23)에 의해 지지됨과 동시에 나사(24)에 의해 회동 조작이 가능하게 되어 있다.

즉, 상기 이동센서용 바(22)는 하단에 상기 정전용량형 고정센서(S1)와 마주보도록 정전용량형 가동센서(S2)가 설치되고, 상기 스프링(23)은 이동센서용 바(22)를 고정바(12)측으로 회동시키는 힘을 부여하도록 설치된다.

이때 나사(24)는 공작물의 측정 진입을 허용하기 위한 것으로, 도 3의 (a)와 같은 상태에서 나사(24)가 회전 조작되면 이동센서용 바(22)를 피봇(13)을 중심으로 반시계방향으로 회동시키고(이때 스프링(23)은 압축된다), 이로 인해 서로 마주하는 고정센서(S1)와 가동센서(S2)의 마주보는 간격이 벌어지게 된다.

본 발명은 나사(24)에 대체하여 도 3의 (b)와 같이 공작물의 자동 두께측정을 위하여 에어실린더(25)로 대체 가능함은 물론이다.

상기와 같이 구성된 측정장치(50)를 이용한 공작물의 비접촉 두께 측정방법은 다음과 같다.

먼저, 도 3의 (a),(c)와 같이 마스트 블록(31)과 측정대상 공작물(32)을 마 주 보고 있는 2개의 고정센서(S1)와 가동센서(S2)의 사이에 두고 센서 케이블의 출력단의 전압 Vm1,Vm2 및 Vw1,Vw2를 각각 취득하여 아래 식으로 공작물(32)의 두께를 계산한다.

T = [ (Vw1 + Vw2) - (Vm1 + Vm2) ] × K + t

여기서, T는 공작물(Work piece)의 두께이고, t는 마스터블록(Master block)의 두께이다.

또한, K는 길이 변환 상수로서, 이는 도 4와 같이 정전용량형 센서의 측정 소재별 측정거리에 대한 출력전압 선도에서 구할 수 있다.

도 5는 본 발명을 이용한 공작물의 비접촉 두께 측정장치의 설치 예로서, 공작물의 비접촉 두께 측정장치(50)를 이송계를 가진 측정 스테이지에 설치 구성한 것이다.

즉, 도 5에서와 같이 베이스(100)의 상면에 Y축 방향으로 이동가능하게 설치된 새들(1S2)과, 상기 새들(1S2)에 C축 방향으로 회전 가능하게 설치되고 공작물(32)이 장착되는 테이블(104)과, 상기 베이스(100)의 상방에 배치되어 X축 방향으로 이동가능한 X슬라이드(16)와, 상기 X슬라이드(16)에 설치되어 Z축 방향으로 이동가능한 Z슬라이드(108)와, 상기 Z슬라이드(108)의 하부에 B축 방향으로 회전가능하게 설치된 비접촉 측정장치(50)로 이루어져 있다.

따라서 본 발명의 비접촉 두께 측정장치(50)는 X,Z,B축으로 이송 가능하게 되고, 측정 대상 공작물(32)은 Y,C축으로 이송 가능하게 된다. 따라서 비접촉 두께 측정장치(50)의 측정자세의 조정이 용이하고 동시에 공작물의 측정 포인트를 자동 으로 위치시킬 수 있게 된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 공작물의 비접촉 두께 측정방법 및 장치에 따르면, 대향형으로 설치된 정전용량형 센서를 이용하여 비접촉 방식으로 공작물의 두께를 측정함으로써, 공작물 표면에 흠집 없이 두께 측정이 가능하며, 윤곽투영기와 유사한 레이저를 이용 할 수 없는 2단 이상의 단이 존재하거나 음각이 존재하는 공작물의 두께 측정이 가능하다.

아울러 2개의 정전용량형 센서를 한 번의 고정된 상태에서 측정한다면 어떠한 기구적인 측정 오차요인이 발생되지 않음으로 공작물의 상대 두께차 측정시에 정전용량형 센서 분해능(0.1μm이하) 수준의 정밀 측정이 가능한 이점이 있다.

Claims (4)

1. 공작물을 비접촉식으로 측정하기 위한 기구로서,

   측정바디(11)와;

   상기 측정바디(11)의 일단에 고정된 정전용량형 고정센서(S1)와;

   상기 측정바디(11)에 회동가능하게 피봇 연결된 정전용량형 가동센서(S2)와;

   상기 가동센서(S2)를 고정센서(S1)로부터 이격시켜 공작물의 측정진입을 허용하도록 하는 작동수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 공작물의 비접촉 두께 측정장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 작동수단은 상기 측정바디(11)에 체결된 나사(24)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 공작물의 비접촉 두께 측정장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 작동수단은 상기 측정바디(11)에 장착된 실린더(25)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 공작물의 비접촉 두께 측정장치.
4. 공작물의 비접촉 두께 측정방법에 있어서,

   정전용량형 고정센서(S1)와 마주하는 정전용량형 가동센서(S2)의 사이에 마 스터 블록(31)을 개재하여 출력 전압(Vm1,Vm2)을 얻는 단계와;

   정전용량형 고정센서(S1)와 마주하는 정전용량형 가동센서(S2)의 사이에 공작물(32)을 개재하여 출력 전압(Vw1,Vw2)을 얻는 단계와;

   상기 출력전압을 하기식을 통하여 공작물의 두께를 산출하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공작물의 비접촉 두께 측정 방법.

   <하기식>

   T = [ (Vw1 + Vw2) - (Vm1 + Vm2) ] × K + t

   여기서, T는 공작물(Work piece)의 두께이고, t는 마스터블록(Master block)의 두께이고, K는 길이 변환 상수이다.

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