KR20090061690A - Main axis head displacement revision method of machine tool - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 공작기계의 주축헤드 변위 보정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공작기계의 주축 헤드의 열 변위 및 축 방향 이동을 효과적으로 제어하여 공작물을 가공할 때 주축 변위로 인하여 가공물의 흠집을 방지하도록 하는 공작기계의 주축헤드 변위 보정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a spindle head displacement correction method of a machine tool, and more particularly to effectively control the thermal displacement and axial movement of the spindle head of the machine tool to prevent scratches of the workpiece due to the spindle displacement when machining the workpiece. It relates to a spindle head displacement correction method of a machine tool.
일반적으로 공작기계의 가공정확도는 공작기계를 구성하고 있는 각 구성요소들의 조립상태와 기하학적인 상태에 의해서 발행하는 오차에 의해 영향을 받는다.In general, the machining accuracy of a machine tool is influenced by errors caused by the assembly and geometrical states of the components constituting the machine tool.
또한, 공작기계의 가공정확도는 공작물의 가공 중에 발생하는 절삭 열과 스핀들의 고속회전에 의한 발열과 이송축의 반복적인 이송에 의해서 발생하는 마찰열 및 주위 온도변화에 의한 열 변형 오차에 의해 영향을 받는다.In addition, the machining accuracy of the machine tool is affected by the cutting heat generated during the machining of the workpiece, the heat generated by the high-speed rotation of the spindle, and the heat deformation error caused by the frictional heat generated by the repetitive feeding of the feed shaft and the ambient temperature.
상술한 바와 같은 열 변형 오차는 공작기계의 기하학적인 오차에 비교하여 가공오차에 의한 영향이 크고, 공작기계에서는 발생하는 대부분 열 변형 오차에 기 인한다.The thermal deformation error as described above is largely influenced by the machining error compared to the geometric error of the machine tool, and is mostly due to the thermal deformation error that occurs in the machine tool.
즉, 상술한 주축헤드는 고속회전에 의한 원심력과 열 발생에 의한 축 방향으로 변위를 일으키며, 마이크로미터 수준의 정확도가 요구된 공작기계에 큰 가공오차를 발생시킨다.That is, the above-described spindle head causes displacement in the axial direction due to centrifugal force and heat generation due to high speed rotation, and generates a large machining error in a machine tool requiring micrometer accuracy.
또한, 베어링의 위치를 구속하지 않는 정압 예압의 경우 고속회전에 의해 수십 마이크로미터의 축 방향 변위가 순간적으로 발생하여 가공물에 흠집이 발생하는 문제가 있다.In addition, in the case of the static preload, which does not restrain the position of the bearing, there is a problem in that axial displacement of several tens of micrometers occurs instantaneously by high-speed rotation, and scratches occur in the workpiece.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고속 주축의 경우 온도와 열 변위의 시정수가 일치하지 않아서 발생하는 오차 성분으로 인하여 가공물 가공정확도가 떨어지는 것을 방지할 수 있도록 하고, 아울러 열 변위량을 계산하여 보정지령을 발생시켜 공작을 가공할 때에 표면조도를 양호하게 유지하도록 하는 공작기계의 주축헤드 변위 보정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Therefore, the technical problem to be achieved by the present invention is to prevent the workpiece machining accuracy from falling due to the error component caused by the temperature constant of the temperature and thermal displacement does not coincide with the high speed spindle, and calculates the amount of thermal displacement to compensate for the correction command. It is an object of the present invention to provide a spindle head displacement correction method of a machine tool for generating and maintaining a good surface roughness when machining a machine tool.
본 발명의 다른 목적은 축 이동에 의한 변위 성분은 예측된 순간 즉시 전부 보정하도록 하고, 열적인 원인에 기인한 성분은 시간에 따라 점진적으로 변동하는 성분이므로 시간에 따라 점진적으로 보정 값을 나눠서 보정하도록 하는 공작기계의 주축헤드 변위 보정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.It is another object of the present invention to correct all displacement components due to axial movement immediately and at a predicted moment, and components due to thermal causes are components that gradually change with time, so that the correction values are gradually divided by time. It is an object of the present invention to provide a spindle head displacement correction method of a machine tool.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the technical problem mentioned above, another technical problem that is not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description. There will be.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축헤드 변위 보정방법은, 열 변위에 의한 이동치(Z th )와 축 이동(axis shift)에 의한 이동치(δA)의 합으로 최종 원점 보정 값(Z n )을 계산하여 공작기계의 주축헤드 변위를 보정하는 방법에 있어서, 주축 헤드(40)에 설치된 제1, 제2 주축온도센서(41)(42)로부터 현재 온도(T n )를 입력받는 입력단계(S120); 상기 현재 온도(T n )와 이전 온도(T n-1 )의 차이 온도(ΔT n )를 계산하는 계산단계(S160); 상기 차이 온도(ΔT n )와 최대허용 차이 온도(ΔT MAX )를 비교 판단하는 판단단계(S170); 상기 판단단계(S170)에서 차이 온도(ΔT n )가 높으면 현재 측정한 온도 값(T n )을 이전의 측정 온도 값(T n-1 )으로 대체하는 대체단계(S180); 상기 판단단계(S170)에서 차이 온도(ΔT n )가 낮거나 상기 대체단계(S180)를 거친 후에 현재 측정한 온도 값(T n )이 속하는 데이터 테이블에서 인덱스(j)를 검색하는 데이터 검색 단계(S190); 및 상기 선형 보간에 의한 온도 값(T n )에 대한 열 변위(δ E,n )를 계산하는 열 변위 계산 단계(S200);를 포함하고, 상기 열 변위(δ E,n )에 근거하여 상기 이동치(Z th )가 계산되어 공작기계의 주축헤드 변위를 보정하는 것일 수 있다.In order to achieve the above technical problem, a spindle head displacement correction method of a machine tool according to an embodiment of the present invention includes a shift value δ A due to a shift value Z th and an axis shift due to a thermal displacement. In the method for correcting the spindle head displacement of the machine tool by calculating the final zero point correction value ( Z n ) by the summation, the current from the first and second spindle temperature sensors (41, 42) installed in the spindle head (40) An input step S120 of receiving a temperature T n ; A calculation step (S160) of calculating a difference temperature ΔT n between the current temperature T n and the previous temperature T n-1 ; A determination step (S170) of comparing and determining the difference temperature ΔT n and the maximum allowable difference temperature ΔT MAX ; A substitution step (S180) of replacing the current measured temperature value ( T n ) with a previous measured temperature value ( T n-1 ) if the difference temperature (Δ T n ) is high in the determination step (S170); A data retrieval step of retrieving the index j in the data table to which the temperature value T n currently measured after the difference temperature ΔT n is low or after the replacement step S180 in the determination step S170. (S190); And a thermal displacement calculation step (S200) of calculating a thermal displacement (δ E, n ) with respect to the temperature value ( T n ) due to the linear interpolation, wherein the thermal displacement is calculated based on the thermal displacement (δ E, n ). The movement value Z th may be calculated to correct the spindle head displacement of the machine tool.
또한, 상기 축 이동(axis shift)에 의한 이동치(δA)의 계산은, 상기 주축의 변동하는 주축 회전수(S n )를 측정하여 읽어 들이는 단계(S600); 상기 측정된 주축 회전수(S n ) 값이 속하는 데이터 테이블에서 인덱스(j)를 검색하는 데이터 검색 단계(S610); 및 상기 주축 회전수(S n )에 대한 축 이동(axis shift)의 이동치(δA)를 계산하는 단계(S170);로 구성되며, 이를 통해 구해진 축 이동(axis shift)에 의한 이동치(δA)와 상기 열 변위(δ E,n )를 근거로 하여 상기 이동치(Z th )가 계산되어 공작기계의 주축헤드 변위를 보정할 수 있다.In addition, the calculation of the shift value δ A by the axis shift includes the steps of: measuring and reading the fluctuating spindle speed S n of the spindle; A data retrieval step (S610) of retrieving an index ( j ) from a data table to which the measured spindle speed ( S n ) value belongs; And a step S170 of calculating a shift value δ A of the axis shift with respect to the main shaft rotation speed S n , wherein the shift value due to the axis shift obtained through this is obtained. Based on δ A and the thermal displacement δ E, n , the movement value Z th is calculated to correct the spindle head displacement of the machine tool.
또한, 상기 주축헤드 변위를 보정하는 단계는, 상기 열 변위(δ E,n )로부터 연산하여 구한 열 변위 보정값(δ E,n )을 읽어 들이는 단계(S700); 상기 축 이동(axis shift)에 의한 이동치(δA)로부터 연산하여 구한 축 이동(axis shift) 보정값을 읽어 들이는 단계(S710); 이전의 열 변위 원점 보정량(Z th,n-1 )을 읽는 단계(S720); 상기 열 변위 원점 보정량(Z th,n-1 )과 열 변위 보정값(δ E,n )을 비교 판단하는 단계(S730); 상기 열 변위 원점 보정량(Z th,n-1 )과 새로운 보정값(δ E,n )이 변동이 없다면, 최종 원점 보정 값(Z n )을 계산하는 단계(S740); 및 상기 최종 원점 보정 값(Z n )으로부터 원점보정기능을 수행하는 단계(S780);를 포함하여 공작기계의 주축헤드 변위를 보정할 수 있다.Further, the step of correcting the displacement spindle head, the thermal displacement (δ E, n) is a step (S700) are calculated by reading the thermal displacement correction values obtained (δ E, n) from a; Reading an axis shift correction value obtained by calculating from the shift value δ A by the axis shift (S710); Reading the previous thermal displacement origin correction amount Z th, n-1 (S720); Comparing and determining the thermal displacement origin correction amount Z th, n-1 and the thermal displacement correction value δ E, n (S730); Calculating a final zero point correction value ( Z n ) if the thermal displacement zero point correction amount ( Z th, n-1 ) and the new correction value (δ E, n ) do not change; And performing a home position correction function from the final home position correction value ( Z n ) (S780).
또한, 상기 비교판단(S730)하는 단계에서 열 변위 원점 보정량(Z th,n-1 )과 새로운 보정 값(δ E,n )이 변동이 있다면, 열 변위 원점 보정량(Z th,n-1 )과 새로운 보정 값(δ E,n ) 중에 어느 값이 더 큰지를 비교 판단하여 열 변위 원점 보정량(Z th,n-1 )이 새로운 보정 값(δ E,n )보다 크면 평활화 게인(K)을 초기화(S760)하고 작으면 한보정 단위만 큼 증가시키는 단계(S750 ~ S770);를 더 포함할 수 있다.In addition, if the thermal displacement origin correction amount Z th, n-1 and the new correction value δ E, n vary in the step of comparing the determination S730, the thermal displacement origin correction amount Z th, n-1 . And the new correction value (δ E, n ) is compared to determine which one is larger. When the thermal displacement origin correction amount ( Z th, n-1 ) is larger than the new correction value (δ E, n ), the smoothing gain (K) is obtained. Initializing (S760) and increasing as much as one correction unit (S750 ~ S770) if it is small; may further include.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Specific details of other embodiments are included in the detailed description and the drawings.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축헤드 변위 보정방법은 고속 주축의 경우 온도와 열 변위의 시정수가 일치하지 않아서 스파이크(Sp)로 인하여 발생하는 오차 성분에 의해 가공물 가공정확도가 떨어지는 것을 방지할 수 있고, 아울러 열 변위 량을 계산하여 보정지령을 발생시켜 공작을 가공할 때에 표면조도를 양호하게 유지할 수 있다.In the spindle head displacement correction method of the machine tool according to the embodiment of the present invention made as described above, in the case of a high speed spindle, the workpiece is processed by an error component generated due to a spike Sp because the time constant of temperature and thermal displacement does not coincide. It is possible to prevent the loss of accuracy, and to calculate the amount of thermal displacement to generate a correction command so as to maintain good surface roughness when machining the work piece.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Like reference numerals refer to like elements throughout.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축헤드의 구성을 설명한다.Hereinafter, a configuration of a spindle head of a machine tool according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
첨부도면 도 1은 공작기계의 일례를 설명하기 위한 예시도면이고, 도 2는 주축헤드의 구성을 설명하기 위한 예시도면이다.1 is an exemplary view for explaining an example of a machine tool, Figure 2 is an exemplary view for explaining the configuration of the spindle head.
공작기계는 도 1에 나타낸 바와 같이 베드(10)의 후방에 칼럼(20)이 설치되고, 베드(10)의 상측에 테이블(30)이 배치되며, 칼럼(20)의 전방에 주축 헤드(40)가 배치된다.In the machine tool, as shown in FIG. 1, the
상술한 베드(10)에는 베드 온도센서(11)가 배치될 수 있고, 주축 헤드(40)에는 상하 측으로 이격된 위치에 각각 제1, 제2 주축 온도센서(41)(42)가 배치될 수 있으며, 상술한 칼럼(20)의 한쪽에는 서보모터(50)가 배치되어 상술한 주축 헤드(40)에 배치되는 스핀들을 구동시킬 수 있다.The
또한, 공작기계에는 CNC제어장치(60)가 배치되고, 상술한 베드 온도센서(11)와 상술한 제1, 제2 주축 온도센서(41)(42)에서 측정된 결과 값은 상술한 CNC제어장치(60)로 보내지며, 상술한 CNC제어장치(60)에서 결과 값을 연산하여 상술한 서보모터(50)를 제어하게 된다.In addition, the
상술한 주축 헤드(40)의 구성은 첨부도면 도 2를 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.The configuration of the above-described
주축헤드(40)는 헤드 바디(43)의 내부에는 상하 측에 배치된 베어링(44)에 의해 스핀들(45)이 회전 가능하게 배치된다.The
또한, 상술한 스핀들(45)에는 모터 회전자(46)가 구비되고, 상술한 헤드 바디(43)의 안쪽에는 모터 고정자(47)가 구비되어 상기 모터 회전자(46)와 상기 모터 고정자(47)의 상호작용에 의해 스핀들(45)이 회전될 수 있다.In addition, the above-mentioned
또한, 도 2에 나타낸 바와 같이 상술한 제1 주축 온도센서(41)는 헤드 바디(43)의 하측에 구비될 수 있고, 제2 주축 온도센서(42)는 모터 고정자(47)가 배 치되는 쪽에 구비될 수 있다.In addition, as shown in FIG. 2, the aforementioned first
상술한 바와 같이 구성되는 공작기계는 도 1에 나타낸 바와 같이 주축회전에 기인하는 원심력, 마찰열 등에 의해 추축선단의 변위(δ)가 불가피하게 발생한다.As shown in Fig. 1, the machine tool constructed as described above inevitably generates displacement δ at the tip of the axis due to centrifugal force, frictional heat, and the like caused by the spindle rotation.
정압예압 고속주축의 경우 발생되는 변위(δ)는 두 가지 성분이 있고, 변위(δ)중에 하나는 축 이동(Axis shift)로서 베어링(44)의 볼의 원심력에 의한 외륜 압력 증가 및 내륜 팽창에 기인하는 성분으로서 주축이 회전함에 따라 볼에 원심력이 작용되고 외륜에 압력을 미치게 된다.Displacement (δ) generated in the case of the static preload high speed spindle has two components, and one of the displacements (δ) is an axis shift, which increases the outer ring pressure and the inner ring expansion due to the centrifugal force of the ball of the
정압예압 베어링 구조에서는 외륜에 가해지는 압력에 따라 자유스럽게 축 방향이동이 가능한 베어링 외륜은회전과 동시에 주축 중심방향으로 이동하게 된다.In the hydrostatic preload bearing structure, the bearing outer ring which can be axially moved freely according to the pressure applied to the outer ring moves in the direction of the center of the main shaft at the same time as it rotates.
특히, 축 이동 변위 성분은 주축 회전에 따라 과도적으로 발생하는 변위 성분이고, 온도에 기초하여 열 변위 보정과는 별도로 제어야 되어야 한다.In particular, the axial movement displacement component is a displacement component that occurs transiently according to the rotation of the main shaft, and should be controlled separately from the thermal displacement correction based on the temperature.
상술한 변위(δ)중에 다른 하나는 온도상승에 따른 열 변위 있고, 이러한 열 변위는 시간의 경과에 따라 점진적으로 변화하는 성분이다.The other one of the above-described displacements δ is thermal displacement with temperature rise, and this thermal displacement is a component that changes gradually over time.
열 변위에 대한 보정을 실시할 때에는 예측된 보정량을 일시적으로 보정할 경우에는 가공물의 표면에 흠집을 내는 경우가 있다.When performing correction for thermal displacement, if the estimated correction amount is temporarily corrected, the surface of the workpiece may be scratched.
첨부도면 도 3은 고속 주축에 대해 열 변위를 측정한 에로서 20,000rpm 회전 후 정지한 시점인 4시간째의 주축 변위를 보면 작은 스파이크(Sp)가 있으며 이것이 축 이동(Axis shift)이다.FIG. 3 shows a small spike Sp, which is an axial shift measured at 4 hours, which is the point where the motor stops after 20,000 rpm rotation as a measure of thermal displacement of the high speed spindle. This is an axis shift.
첨부도면 도 4는 열 변위 보정을 행한 일례를 나타낸 그래프로서 제1, 제2 주축 온도센서(41)(42)에서 측정된 데이터 값에 근거하여 보정한 예이다.4 is a graph showing an example of thermal displacement correction, and is an example of correction based on data values measured by the first and second
도 4에서 δ는 실제 주축변위이고, δ A 는 제1 주축 온도센서(41)를 통한 변위 예측치 이며, δ B 는 제2 주축 온도센서(41)를 통한 변위 예측치 이다.In FIG. 4, δ is the actual spindle displacement, δ A is the displacement prediction value through the first
제1 주축 온도센서(41)에 의한 예측치는 실제 주축변위보다 빠르게 예측하여 보정하여 오차(e A )를 발생시키고, 제2 주축 온도센서(42)는 실제 주축변위보다 느리게 예측하여 보정하여 오차(e B )를 발생시킴을 알 수 있다.The predicted value by the first
즉, 온도 증가와 변위 증가의 시정수가 다르기 때문에 과도기에 오차가 발생하고, 특히 도 5에 나타낸 바와 같이 가공물의 표면에 스크래치가 발생할 수 있다.That is, an error occurs in the transition period because the time constants of the temperature increase and the displacement increase are different, and in particular, scratches may occur on the surface of the workpiece as shown in FIG. 5.
즉 단순히 온도 증가와 변위 증가만을 고려하여 보정이 이루어질 때에는 정밀한 보정을 할 수 없고 특히 가공물의 표면 거칠기가 부분적으로 거칠어질 수 있다.That is, when the correction is made only by considering the temperature increase and the displacement increase, precise correction cannot be performed, and in particular, the surface roughness of the workpiece may be partially roughened.
상술한 바와 같은 스크래치가 발생하는 예는 첨부도면 도 6에 나타낸 바와 같이 온도 측정할 때에 외부전기의 간섭(노이즈) 등에 의한 이상 값이 제거되지 않은 상태에서 보정계산이 사용되어 스파이크(Sp)가 발생되거나 혹은 미세하게 변동되는 온도측정치를 필터링하지 않아서 진동이 발생되어 나타나는 현상이다.Examples of the scratches as described above include the spike calculation caused by the use of the correction calculation in the state that the abnormal value due to external electric interference (noise) or the like is not removed during temperature measurement as shown in FIG. This phenomenon is caused by the vibration caused by filtering out the temperature measurement which is changed or is slightly changed.
첨부도면 도 7은 시정수 차이에 따른 오치를 설명하기 위한 그래프이고, 첨부도면 도 8은 본 발명이 적용된 시정수 차이에 따른 오차를 개선한 일례를 설명하기 위한 그래프이다.Figure 7 is a graph for explaining the error according to the time constant difference, Figure 8 is a graph for explaining an example of improving the error according to the time constant difference to which the present invention is applied.
또한, 도 9는 본 발명이 적용된 온도변동에 따른 열 변위 계산을 설명하기 위한 순서도이고, 이때 열 변위 계산 부분은 첨부도면 도 15에 나타낸 온도-열 변 위 데이터 테이블을 기초자료로 사용될 수 있다.In addition, Figure 9 is a flow chart for explaining the thermal displacement calculation according to the temperature variation to which the present invention is applied, wherein the thermal displacement calculation portion may be used as a basic data using the temperature-thermal displacement data table shown in the accompanying drawings.
도 15에 나타낸 상술한 온도-열 변위 데이터 테이블은 온도센서의 개수에 따라 별도로 구성될 수 있고, 본 발명에서는 일례로서 여러 온도에 대하여 미리 설정된 열 변위 데이터로 구성한 것이다.The above-described temperature-heat displacement data table shown in FIG. 15 may be configured separately according to the number of temperature sensors. In the present invention, as an example, the temperature-heat displacement data table is configured with heat displacement data preset for various temperatures.
또한, 도 10은 본 발명이 적용된 지연수정 값 계산을 설명하기 위한 순서도이고, 회전수-지연수정 값은 첨부도면 도 16에 나타낸 회전수 - 지연수정 값 데이터 테이블이 기초자료로 사용될 수 있다.10 is a flowchart illustrating the calculation of the delay correction value to which the present invention is applied, and the rotation speed-delay correction value data table shown in FIG. 16 may be used as the basic data.
도 16에 나타낸 여러 가지가 회전수에 따라 별도로 구성될 수 있고, 본 발명에서는 일례로서 여러 가지 회전수에 대해 지연수정 값을 미리 결정하여 구성한 것이다.The various types shown in Fig. 16 may be configured separately according to the rotational speeds. In the present invention, for example, the delay correction values are determined in advance for the various rotational speeds.
또한, 도 11은 본 발명이 적용된 열 변위 지령 값의 평활화 계산을 설명하기 위한 순서도이고, 이때 기초자료로서 첨부도면 도 17 및 도 18에 나타낸 회전수-온도 시정수 게인 데이터 테이블 및 회전수 - 평활화 게인 최솟값 데이터 테이블이 사용될 수 있다.11 is a flow chart for explaining the smoothing calculation of the thermal displacement command value to which the present invention is applied, wherein the rotation speed-temperature time constant gain data table and the rotation speed-smoothing shown in the attached drawings FIGS. 17 and 18 as basic data are shown. A gain minimum data table can be used.
도 12는 본 발명이 적용된 축 이동의 계산을 설명하기 위한 순서도이고, 이때 축 이동 계산 부분은 첨부도면 도 19에 나타낸 회전수 - 축 이동 데이터 테이블이 기초자료로 사용될 수 있다.12 is a flowchart illustrating the calculation of the axis movement to which the present invention is applied. In this case, the rotational speed-axis movement data table shown in FIG. 19 may be used as the basic data.
도 13은 본 발명이 적용된 보정의 일례를 설명하기 위한 그래프이다.13 is a graph for explaining an example of correction to which the present invention is applied.
도 14는 본 발명이 적용된 보정량 지령방법을 설명하기 위한 순서도로서, 보정 값 지령방법 부분은 본 발명의 구성에서 서보모터를 구동시키는 지령 값을 결정 하는 부분이다.14 is a flowchart for explaining a correction amount command method to which the present invention is applied, and a correction value command method part is a part for determining a command value for driving a servomotor in the configuration of the present invention.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축헤드 변위 보정방법의 동작을 설명한다.Hereinafter will be described the operation of the spindle head displacement correction method of the machine tool according to an embodiment of the present invention.
도 1에 나타낸 제1 주축 오도센서(41)에 의해 열 변위(δ)를 하나의 온도 값 T를 측정하여 추정할 경우 다음의 수학식 1과 나타낼 수 있다.When the thermal displacement δ is estimated by measuring one temperature value T by the first
선형 열팽창이 발생하는 봉의 경우 온도상승 값과 열팽창계수 그리고 길이를 곱하면 열 변위 계산이 가능하고 계수(a)는 열팽창계수와 길이의 곱에 상당한다.For rods with linear thermal expansion, thermal displacement can be calculated by multiplying the temperature rise, thermal expansion coefficient, and length, and coefficient (a) corresponds to the product of thermal expansion coefficient and length.
또한, 도 2에 나타낸 바와 같이 제1, 제2 주축 온도센서(41)(42)에 의해 온도 값 두 개(T0, T1)를 사용하여 보정할 경우 다음의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.In addition, as shown in FIG. 2, when two or more temperature values T0 and T1 are corrected by the first and second
즉, 두 점의 온도 변동이 주축 선단의 변위에 영향을 미치는 경우 상기 식을 사용할 수 있다.That is, the above equation can be used when the temperature fluctuation of two points affects the displacement of the tip of the spindle.
또한, 온도 값의 표현이 상대적인 온도변동이 아니라 절대 값을 나타내므로 저온일 경우와 고온일 경우 열 변위를 별도로 계산 가능하게 되며, 온도 상태가 동일한 경우 기계의 가동유무와 상관없이 절대적인 기준의 열 변위 추정치를 얻을 수 있다.In addition, since the expression of the temperature value represents the absolute value rather than the relative temperature variation, the thermal displacement can be calculated separately at the low temperature and the high temperature, and if the temperature is the same, the absolute thermal displacement regardless of the operation of the machine An estimate can be obtained.
즉, 두 개의 데이터 테이블에 기초한 각각의 열 변위를 합함으로써, 부호를 고려하여 최종적인 열 변위 보정치를 얻게 된다.In other words, by summing the respective thermal displacements based on the two data tables, the final thermal displacement correction value is obtained in consideration of the sign.
다른 한편으로, 만약 베드(10)에 있는 베드온도센서(11)의 기준 온도(T0)와 제1 주축 온도센서(40)의 헤드온도(T1)의 차이 값을 기준으로 보정할 경우에는 다음이 수학식 3, 4와 같다.On the other hand, if the correction is based on the difference between the reference temperature ( T0 ) of the
이때 데이터 테이블에 서로 부호가 반대인 계수가 입력된다.At this time, coefficients having opposite signs to each other are input to the data table.
상술한 바와 같이 데이터 테이블과 온도-열 변위 관계식을 이용하여 보정할 때에는 온도가 크게 변동하지 않은 상태에서는 공작물의 표면의 거칠기가 매끄럽게 나타날 수 있으나 온도가 급격하게 변동되는 과도기일 때에는 오차가 크게 발생하게 된다.As described above, when correcting using the data table and the temperature-thermal displacement relationship, the surface roughness of the workpiece may appear smoothly in the state where the temperature does not fluctuate, but the error may occur greatly in the transient period in which the temperature fluctuates rapidly. do.
이는 상술한 수학식 2, 4에서 나타낸 바와 같이 온도 값에 데이터 테이블에서 구한 계수를 곱하기 때문에 열 변위와 온도 증가의시정수가 다를 경우 오차가 크게 발생할 수 있다.As shown in
상술한 시정수 차이에 따라 과도기시기에 오차가 발생되는 상황은 첨부도면 도 7에 나타낸 것이다.The situation in which the error occurs during the transitional period according to the above-described time constant difference is shown in FIG. 7.
도 7에서 δ는 열 변위이고 δ A 는 열 변위보다 시정수가 빠른 온도 점을 사용했을 경우이며, δ B 는 시정수가 느린 온도 점을 사용했을 경우이다.In FIG. 7, δ is a thermal displacement, δ A is a case where a temperature constant is faster than a thermal displacement, and δ B is a case where a temperature constant is slow.
또한, 열 변위의 크기를 1로 가정한 경우이며, 이에 따라 오차는 각각 e A , e B 로 나타낼 수 있다.In addition, it is assumed that the magnitude of the thermal displacement is 1, so that the errors may be represented by e A and e B , respectively.
열 변위보다 시정수가 빠른 온도 점을 사용한 경우에는 용이하게 오차를 줄이는 것이 가능하고, 열 변위와 시정수의 비를 이용하여 시간을 조절하게 되면 다음의 수학식 5로 나타낼 수 있고, 이와 같이 정확한 보정이 가능하게 된다.In the case of using a temperature point whose time constant is faster than the thermal displacement, it is possible to easily reduce the error, and when the time is adjusted using the ratio of the thermal displacement and the time constant, it can be expressed by the following
여기서 t는 시간이고, τ는 열 변위 시정수이며, τ A 는 온도 점A 온도 시정수이고, τ B 는 온도 점B 온도 시정수이다.Where t is time, τ is thermal displacement time constant, τ A is temperature point A temperature time constant, and τ B is temperature point B temperature time constant.
이때 온도시정수 열 변위 시정수보다 빠른 경우에는 시정수비를 사용하여 비교적 쉽게 해결되지만, 느린 경우에는 미래의 데이터를 알지 못하므로 별도의 방법이 제공되어야 한다.In this case, the time constant is faster than the time constant thermal displacement time constant, but it is solved relatively easily by using the time constant ratio, but when it is slow, the future data is not known, so a separate method should be provided.
이를 위해 기존의 온도-열 변위 데이터 테이블에 따른 열 변위(δ T )에 지연수정 값(δ d )을 더하여 최종 열 변위 예측치(δ)를 계산하도록 한 것이다.For this purpose, the delayed correction value δ d is added to the thermal displacement δ T according to the existing temperature-thermal displacement data table to calculate the final thermal displacement prediction δ.
상술한 지연수정 값(δ d )은 다음의 수학식 6과 같은 지수함수를 사용하여 예 측의 정확도를 높일 수 있다.The above-described delay correction value δ d may increase the accuracy of prediction by using an exponential function as shown in
여기서 δ d,I 는 지연수정 값 초기 값이고, 차분형태로 다음의 수학식 7과 같이 나타내어 프로그래밍을 쉽게 할 수 있다.Here, δ d, I is the initial value of the delay correction value, and can be easily programmed by representing the difference in the following equation (7).
여기서 G는 변화 게인(Gain)으로 아래의 수학식 8과 같은 상관관계가 있으며, 이 값을 기준으로 실제 사용시에 적용하면 된다. Here, G is change gain and has a correlation as shown in
여기서 τ s 는 디지털제어시스템의 샘플링 타임으로 예를 들어 열 변위 보정의 경우 1초도 사용될 수 있다.Where τ s is the sampling time of the digital control system, for example 1 second can be used for thermal displacement compensation.
지연수정 값을 이용하여 계산된 열 변위 량은 최종적으로 평활화(Smoothing)를 하여 실제 보정지령에 사용되는 값을 결정한다.The amount of thermal displacement calculated using the delay correction value is finally smoothed to determine the value used for the actual correction command.
평활화는 아래와 같은 지수 평활화를 사용하는 것이 적절하며, 게인 K n 또한 회전 수 변동시점부터 변화하는 수치로 설정하여 평활화에 따른 시간지연 현상을 최소화 할 수 있고, 이를 수학식으로 표현하면 다음의 수학식 9에 나타낼 수 있다.It is appropriate to use exponential smoothing as shown below, and gain K n can also be set to a value that changes from the change of rotational speed to minimize time delay due to smoothing. 9 can be represented.
여기서 δ E,n 은 평활화된 값이고 이를 보정지령 부문에 입력하게 된다.Where δ E, n is the smoothed value and it is entered into the correction command section.
K n 은 0과 1사이의 값을 사용하며 1에 가까울수록 평균화 효과가 적어지게 되며 1일 경우 평균화가 되지 않는 대신, 평활화에 따른 시간 지연이 발생하지 않는다. 이를 첨부도면 도 8을 참조하여 설명한다. K n uses a value between 0 and 1, and the closer it is to 1, the smaller the averaging effect becomes. This will be described with reference to FIG. 8.
도 8은 도 7의 오차 e B 를 여러 계산조건에 따라 나타낸 것으로 a는 일정한 게인을 이용했을 경우의 오차이고, b는 게인을 변동시킨 경우이다.8 illustrates the error e B of FIG. 7 according to various calculation conditions, where a is an error when a constant gain is used, and b is a case where the gain is changed.
변동시키는 방법으로는 시간이 지날수록 게인을 지수적으로 줄이는 것이고, 시간에 따라 게인을 변동시켜야 예측오차가 줄어듦을 알 수 있다.As a method of fluctuation, the gain is decreased exponentially with time, and the prediction error is reduced by changing the gain with time.
또한, c는 과도기 추종 성을 향상시키기 위하여 지연수정 값(δ d )을 추가한 경우로, 가장 작은 오차로 온도측정을 통하여 열 변위를 예측할 수 있다.In addition, c is a case in which a delay correction value δ d is added to improve transitional followability, and thermal displacement may be predicted through temperature measurement with the smallest error.
축 이동(Axis shift)의 경우에는 회전 수 변동에 대해 일정한 값으로 즉시 나타나는 현상이므로 별도의 평활화 기능 적용 없이 단순히 도 19의 데이터 테이블에 근거하여 회전수에 따른 축 이동 량을 계산하게 된다.In the case of axis shift, since the phenomenon appears immediately as a constant value for the rotational speed variation, the axis shift amount according to the rotational speed is simply calculated based on the data table of FIG. 19 without applying a smoothing function.
첨부도면 도 9는 온도변동에 따른 열 변위를 계산하는 과정을 설명하기 위한 것으로 온도를 읽는 온도입력모듈의 상태를 점검(S100)하는 것으로 시작된다.9 is for explaining the process of calculating the thermal displacement according to the temperature fluctuation and starts by checking the state of the temperature input module for reading the temperature (S100).
이상 유무를 확인하고, 측정된 온도가 온도이상 경고 값인지도 먼저 확 인(S110)을 하게 된다.Check whether there is an abnormality, and first check whether the measured temperature is a warning value of temperature abnormality (S110).
만약, 상술한 온도입력 모듈상태 점검하는 단계(S100)에서 측정한 온도가 정상 범위 내이면 다음 단계(S120)로 넘어가고, 만약, 측정한 온도 값에 이상이 발생되면 기능이상 경고(S130)를 발생시키고 종료된다.If the temperature measured in the step of checking the temperature input module state (S100) is within the normal range, the process proceeds to the next step (S120), and if an abnormality occurs in the measured temperature value, a malfunction warning (S130) is issued. Generate and exit.
기능이상 경고(S130)는 시각 또는 청각으로 알 수 있는 형태일 수 있고, CNC제어장치(60)에 전기신호를 송신할 수 있다.Malfunction warning (S130) may be of a form that can be seen visually or hearing, and can transmit an electrical signal to the CNC control device (60).
상술한 이상 유무 판단단계(S110)에서 정상일 때에는 현재 온도(T n )를 읽는다(S120).When normal in the above-described abnormality determination step (S110), the current temperature ( T n ) is read (S120).
현재 온도(T n )가 허용되는 최고의 온도범위(T MAX ) 내의 온도 값인지 아닌지 판별(S140)하고, 현재 온도(T n )가 최고 온도 범위(T MAX )보다 높으면 온도이상 경고를 발생(S150)시키면서 종료되고, 현재 온도(T n )가 최고 온도 범위(T MAX )보다 낮으면 다음 단계(S160)로 넘어간다.The current temperature (T n) is the best temperature range allowed (T MAX) temperature value whether or not determined (S140), and the current temperature (T n) is the maximum temperature range (T MAX) is higher than generating a warning over the temperature in (S150 If the current temperature ( T n ) is lower than the maximum temperature range ( T MAX ), and proceeds to the next step (S160).
즉 이전온도(T n-1 )와 현재온도(T n )의 차이 온도(ΔT n )를 계산한다(S160).That is, the previously calculated temperature (T n-1) and the temperature difference (Δ T n) of the current temperature (T n) (S160).
이후, 차이 온도(ΔT n )와 최대허용 차이 온도(ΔT MAX )를 비교판단(s170)하여 차이 온도(ΔT n )가 높으면 현재 측정한 온도 값(T n )을 버리고 이전의 측정 온도 값(T n-1 )으로 대체(S180)하여 다음 단계(S190)로 넘어간다.Thereafter, the difference temperature Δ T n and the maximum allowable difference temperature Δ T MAX are compared (s170), and when the difference temperature Δ T n is high, the current measured temperature value ( T n ) is discarded and the previous measured temperature is discarded. Substituting the value T n-1 (S180) to the next step (S190).
또한, 차이 온도(ΔT n )와 최대허용 차이 온도(ΔT MAX )를 비교판단(s170)하여 차이 온도(ΔT n )가 낮으면 현재 측정한 온도 값(T n )을 유지하여 다음 단계(S190)로 넘어간다.In addition, when the difference temperature (Δ T n ) and the maximum allowable difference temperature (Δ T MAX ) are compared (s170) and the difference temperature (Δ T n ) is low, the next measured temperature value ( T n ) is maintained. Proceed to (S190).
이때 첨부도면 도 6에 나타난 바와 같은 열 변위 예측치의 스파이크(Sp)를 효과적으로 제거할 수 있게 된다.At this time, it is possible to effectively remove the spike Sp of the heat displacement prediction value as shown in FIG.
이후 첨부도면 도 15에 나타낸 온도-열 변위 데이터 테이블에서 현재 온도 값(T n )이 인덱스(j)를 검색(S190)한다.Thereafter, the current temperature value T n is searched for an index j in the temperature-heat displacement data table shown in FIG. 15 (S190).
이후 선형 보간을 통해 현재 온도 값(T n )에 대한 열 변위(δ E,n )를 계산(S200)하고 종료하게 된다.After that, through the linear interpolation, the thermal displacement (δ E, n ) with respect to the current temperature value ( T n ) is calculated (S200) and ends.
첨부도면 도 10은 온도에 따른 열 변위에 더해질 지연수정 값을 계산하는 순서도이다.Figure 10 is a flow chart for calculating the delay correction value to be added to the thermal displacement with temperature.
먼저 주축 회전수(S n )를 읽고(S300), 이전의 주축 회전수(S n-1 )와 현재 측정한 주축 회전수(S n )를 비교판단(S310)하여 변동 유무에 따라 지연수정 값을 결정하게 된다.First, read the spindle speed ( S n ) (S300), compare the previous spindle speed ( S n-1 ) with the currently measured spindle speed ( S n ), and determine the delay correction value according to whether there is a variation (S310). Will be determined.
상술한 S310단계에서 이전의 주축 회전수(S n-1 )와 현재 측정한 주축 회전수(S n )의 변동이 없을 때에는 도 17에 나타낸 회전수-온도 시정수 게인 데이터 테이블을 이용하여 δ d 변화 게인G를 계산(S320)한다.Number of previous main shaft rotation in the aforementioned S310 phase (S n-1) and the number of revolutions shown in Fig. 17 when there is no change in the number of rotation the main axis of the currently measured (S n) - δ by using a temperature time constant gain data table d The change gain G is calculated (S320).
또한, 상술한 S310단계에서 이전의 주축 회전수(S n-1 )와 현재 측정한 주축 회전수(S n )의 변동이 있을 때에는 주축 회전수(S n )가 속한 데이터 테이블에서 인덱스(j)를 검색한다(S330).Also, the number before the main shaft rotation in the S310 step above (S n-1) and the rotation speed main shaft of the currently measured (S n) when there is a change spindle can rotate the index (j) in the data table belongs to (S n) of Search for (S330).
이후 주축 회전수(S n )에 대한 지연수정 값 초기치 δ d,I 값을 계산한다(S340).After that, the delay correction value initial value δ d and I values for the spindle speed S n are calculated (S340).
이후 지연수정 값(δ d,n )을 초기화(S350)하고 상술한 S320단계로 넘어가 도 17에 나타낸 회전수-온도 시정수 게인 데이터 테이블을 이용하여 δ d 변화 게인G를 계산(S320)한다.After that, the delay correction value δ d, n is initialized (S350), and the process proceeds to step S320 described above to calculate the δ d change gain G using the rotation speed-temperature time constant gain data table shown in FIG. 17 (S320).
이후 지수 감소식에 의한 지연수정 값(δ d,n )을 계산(S360)하고 종료한다.After that, the delay correction value δ d, n by the exponential reduction equation is calculated (S360) and ends.
첨부도면 도 11은 열 변위 지령 값을 평활화(Smoothing)하는 순서도를 나타낸 것이다.Figure 11 shows a flow chart of smoothing the heat displacement command value.
먼저 총 열 변위(δ n )를 계산(S400)하고, 주축회전수(S n )를 읽는다(S410).First, the total heat displacement δ n is calculated (S400), and the main shaft rotation speed S n is read (S410).
이후 현재 입력된 주축회전수(S n )와 이전의 주축회전수(S n-1 )를 비교하여 변동유무를 판단(S420)한다.Thereafter, by comparing the currently input spindle speed ( S n ) and the previous spindle speed ( S n-1 ) to determine whether there is a change (S420).
만약, 상술한 주축회전수(S n )의 변동유무 판단(S420)의 결과가 변동이 있을 때에는 게인(K)변화의 게인(F)을 계산(S430)하는 단계로 넘어간다.If the result of the above-described main shaft rotation speed ( S n ) fluctuation determination (S420) is changed, the process proceeds to the step of calculating (S430) the gain ( F ) of the gain ( K ) change.
만약, 상술한 주축회전수(S n )의 변동유무 판단(S420)의 결과가 변동이 없을 때 에는 평활화 게인(K)을 초기화한다(S440).If the result of the above-described main shaft rotation speed ( S n ) fluctuation determination (S420) does not change, the smoothing gain K is initialized (S440).
평활화 게인(K)을 초기화(S440)한 후에 주축 회전수(S n )가 속한 데이터 테이블에서인덱스(j)를 검색한다(S450).After initializing the smoothing gain K (S440), the index j is searched for from the data table to which the main shaft rotation speed S n belongs (S450).
이후 주축 회전수(S n )에 대한 평활화 게인 최솟값(K MAX )을 계산(S460)하고, 게인(K)변화의 게인(F)을 계산(S430)하는 단계로 넘어간다.Thereafter, the smoothing gain minimum value K MAX for the spindle speed S n is calculated (S460), and the gain F of the gain K change is calculated (S430).
이후 지수 감소식에 의한 게인(K n )을 계산(S470)한다.Thereafter, the gain K n is calculated by the exponential reduction equation (S470).
상술한 지수 감소식에 의해 계산된 게인(K n )과 게인 최솟값(K MAX )을 비교판단(S480)한다.The gain K n calculated by the above-described exponential reduction formula and the gain minimum value K MAX are compared and determined (S480).
상술한 비교판단(S480)한 결과에서 지수 감소식에 의해 계산된 게인(K n )이 게인 최솟값(K MAX )보다 작으면 지수 감소식에 의한 게인(K n )을 계산(S500)하고 종료한다.If the gain K n calculated by the exponential reduction formula is smaller than the gain minimum value K MAX in the above-described comparison judgment (S480), the gain K n by the exponential reduction formula is calculated (S500) and ends. .
만약, 상술한 비교판단(S480)한 결과에서 지수 감소식에 의해 계산된 게인(K n )이 게인 최솟값(K MAX )보다 크면 게인 최솟값(K MAX )으로 고정(S490)하고, 이후 지수 감소식에 의한 게인(K n )을 계산(S500)하고 종료한다.If the above-described comparison determination (S480), calculated by the exponential decrease post on a result of the gain (K n) is larger gain Min (K MAX) to fixed (S490) and, after a sense index post than the gain Min (K MAX) Calculate the gain ( K n ) by (S500) and ends.
다음으로, 게인(K n )을 변화시키기 위해 주축회전 수 변동 유무를 점검하게 된다.Next, in order to change the gain K n , it is checked whether or not the spindle speed changes.
회전수가 변동되었을 경우에는 게인을 초기화시키고 도 18에 나타낸 회전 수- 평활화 게인 최솟값 데이터 테이블에 따라 게인의 하한 치를 결정하게 된다.When the rotation speed is changed, the gain is initialized and the lower limit of the gain is determined according to the rotation speed-smoothing gain minimum value data table shown in FIG.
게인(F)을 결정함에 있어 도 17의 회전 수-온도 시정수 게인 데이터 테이블을 이용할 수 있다.In determining the gain F , the rotation speed-temperature time constant gain data table of FIG. 17 may be used.
게인(K n )을 지수감소 식을 이용하여 계산한 다음 이를 이용하여 평활화된 열 변위 예측 값(δ E,n )을 최종적으로 얻게 된다.The gain K n is calculated using the exponential reduction equation, and then the smoothed thermal displacement prediction value δ E, n is finally obtained using the exponential reduction equation.
첨부도면 도 12는 축 이동(Axis shift)을 계산하는 알고리즘을 나타낸 순서도이고, 축 이동 계산에 필요한 데이터 값은 첨부도면 도 19의 회전 수- 축이동(Axis shift)데이터 테이블을 이용하여 선형보간을 통해 특정 회전수에서의 축 이동 보정량(δA)을 계산하게 된다.FIG. 12 is a flowchart illustrating an algorithm for calculating axis shift, and data values required for calculating the axis shift include linear interpolation using the rotation-axis shift data table of FIG. 19. Through the calculation of the axis shift correction amount δ A at a specific rotation speed.
상술한 축 이동(Axis shift)의 계산을 첨부도면 도 12을 참조하여 좀 더 상세하게 설명한다.The above-described calculation of axis shift will be described in more detail with reference to FIG. 12.
먼저, 주축 회전수(S n )를 읽고(S600), 주축 회전수(S n )가 속한 데이터 테이블에서 인덱스(j)를 검색(S610)한다.First, the spindle speed S n is read (S600), and the index j is searched (S610) in the data table to which the spindle speed S n belongs.
이후 선형보간에 의한 주축회전수(S n )에 대한 축 이동 보정량(δA)을 계산(S620)하게 된다.Subsequently, the axis shift correction amount δ A with respect to the spindle speed S n due to linear interpolation is calculated (S620).
상술한 바와 같이 열 변위 예측 치(δ E,n )와 축 이동 보정 값(δA)의 계산이 되고, 이렇게 연산된 최종의 결과 값을 근거로 실제 보정지령을 하게 되며 이는 첨부도면 도 14를 참조하여 설명한다.As described above, the thermal displacement prediction value δ E, n and the axial movement correction value δ A are calculated, and the actual correction command is made based on the final result value calculated as described above. It demonstrates with reference.
도 14는 주축헤드에서 실제 보정이 이루어지는 일례를 나타낸 순서도이다.14 is a flowchart showing an example in which actual correction is made in the spindle head.
열 변위는 축 이동(Axis shift)과는 달리 연속적인 표면 가공 중에 발생하고, 시간에 따라 증가하거나 감소하는 특성이 있다.Thermal displacement, unlike Axis shift, occurs during continuous surface machining and is characterized by an increase or decrease with time.
이에 따라 계산된 열 변위 예측치(δ E,n )를 축 이동(Axis Shift)과 같은 방법으로 한꺼번에 보정할 경우 가공표면에 흠집을 발생시킬 우려가 있다.Accordingly, when the calculated thermal displacement prediction values δ E and n are simultaneously corrected in the same manner as Axis Shift, scratches may occur on the processed surface.
일례로서 주축 축 방향으로 2㎛의 급작스러운 이송이 생길 경우 육안으로 확연하게 보이는 줄 형상의 흠집이 생긴다.As an example, if a sudden transfer of 2 占 퐉 occurs in the direction of the main axis of the axis, a stripe-shaped flaw that is clearly visible to the naked eye occurs.
이러한 현상을 최소화하기 위하여 열 변위 보정의 경우 도 13에 나타낸 바와 같이 시간분산보정을 사용하고 또한 보정단위도 줄여야 한다.In order to minimize this phenomenon, in the case of thermal displacement correction, a time dispersion correction should be used as shown in FIG. 13 and the correction unit should be reduced.
시간분산보정이란 계산된 보정치를 어떤 주기로 단위 보정량을 보정하는 것을 말한다.The time variance correction refers to correcting the unit correction amount at a certain period of time.
일로서, 열 변위 보정치가 10㎛로 추정되고 단위보정 량이 1㎛이고 보정주기가 1초라면 1초마다 1㎛ 만큼 총 10번을 보정하는 방법이다.For example, if the thermal displacement correction value is estimated to be 10 μm, the unit correction amount is 1 μm, and the correction period is 1 second, a total of 10 corrections are performed by 1 μm per second.
물론 보정이 끝날 때까지도 열 변위 추정치는 계속 계산되며 이를 시간분산보정을 통해 추종하여 매 보정주기마다 단위보정 량을 보정하게 된다.Of course, until the end of the correction, the thermal displacement estimate is continuously calculated and followed by time dispersion correction to correct the unit correction amount at every correction period.
보정주기는 고속 회전할 때 발생되는 열 변위를 충분히 추종할 수 있도록 결정되어야 하고, 단위보정 량은 기계가 응답할 수 있는 최소량이 되는 것이 바람직하다. The calibration period should be determined to sufficiently follow the thermal displacements generated at high speeds, and the unit compensation should be the minimum that the machine can respond to.
첨부도면 도 14를 참조하여 실제 보정이 이루어지는 순서를 설명한다.Referring to FIG. 14, a procedure of performing actual correction will be described.
먼저, 평활화 열 변위 보정 값(δ E,n )과 축 이동(Axis Shift) 보정 값(δA)을 읽고(S700)(S710), 이전의 열 변위 원점 보정량(Z th,n-1 )을 읽는다(S720).First, the smoothed thermal displacement correction value (δ E, n ) and the axis shift correction value (δ A ) are read (S700) (S710), and the previous thermal displacement origin correction amount ( Z th, n-1 ) is read. Read (S720).
다음으로, 상술한 열 변위 원점 보정량(Z th,n-1 )과 새로운 보정 값(δ E,n )을 비교판단 한다(S730).Next, the above-described thermal displacement origin correction amount Z th, n-1 and the new correction value δ E, n are compared and judged (S730).
상술한 비교판단(S730)하는 단계에서 열 변위 원점 보정량(Z th,n-1 )과 새로운 보정 값(δ E,n )이 변동이 없다면, 최종 원점 보정 값(Z n )을 계산(S740)한다.If there is no change in the thermal displacement origin correction amount Z th, n-1 and the new correction value δ E, n in the above-described comparison determination step S730, the final origin correction value Z n is calculated (S740). do.
만약, 상술한 비교판단(S730)하는 단계에서 열 변위 원점 보정량(Z th,n-1 )과 새로운 보정 값(δ E,n )이 변동이 있다면, 열 변위 원점 보정량(Z th,n-1 )과 새로운 보정 값(δ E,n ) 중에 어느 값이 더 큰지를 비교판단(S750)한다.If the thermal displacement origin correction amount Z th, n-1 and the new correction value δ E, n vary in the above-described comparison determination step S730, the thermal displacement origin correction amount Z th, n-1 ) And the new correction value δ E, n to determine which value is larger (S750).
상술한 비교판단(S750)의 단계에서 열 변위 원점 보정량(Z th,n-1 )이 새로운 보정 값(δ E,n )보다 크면 평활화 게인(K)을 초기화(S760)하여 최종 원점 보정 값(Z n )을 계산(S740)한다.If the thermal displacement origin correction amount Z th, n-1 is greater than the new correction value δ E, n in the above-described step of comparison determination S750, the smoothing gain K is initialized (S760) to obtain the final zero correction value ( Z n ) is calculated (S740).
만약, 상술한 비교판단(S750)의 단계에서 열 변위 원점 보정량(Z th,n-1 )이 새로운 보정 값(δ E,n )보다 작으면 하나의 보정단위 만큼 열 변위 원점 보정량(Z th )을 증가(S770)시키고 나서 최종 원점 보정 값(Z n )을 계산(S740)한다.If small, as long as one of the correction unit of thermal displacement origin correction amount than the thermal displacement home position correction amount (Z th, n-1) the new correction value (δ E, n) in the step of the above-described comparison determination (S750) (Z th) Increase (S770) and then calculate the final zero correction value ( Z n ) (S740).
상술한 바와 같이 최종 원점 보정 값(Z n )이 계산(S740)된 이후에 원점 보정 기 능이 수행(S780)된다.As described above, after the final zero point correction value Z n is calculated (S740), the zero point correction function is performed (S780).
따라서 최종 원점 보정 값(Z n )은 CNC 원점이동기능에 입력되는 최종 지령 치로 정수단위이며 이에 따라 서보 모터(50)가 지령을 받아 이송 계를 움직이고, 이때 원점 이동치(Z n )는 열 변위에 의한 이동치(Z th )와 축 이동(axis shift)에 의한 이동치(δA)의 합으로 이루어져 있다. Therefore, the final zero point correction value ( Z n ) is the final command value input to the CNC zero shift function and is in integer units. Accordingly, the
또한, 열 변위에 의한 이동치(Z th )는 도 13에 나타낸 바와 같이 시간분산보정을 행하고, 축 이동(Axis shift)은 즉시보정이 이루어지는 것이다.In addition, as shown in FIG. 13, the shift value Z th by the thermal displacement performs time-dispersion correction, and the axis shift is the immediate correction.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축헤드 변위 보정방법에 의해 보정이 이루어져 공작물이 가공될 때에 가공물의 표면은 도 25에 나타낸 바와 같이 매끄럽게 가공되는 것이다.As described above, the surface of the workpiece is smoothly processed as shown in FIG. 25 when correction is performed by the spindle head displacement correction method of the machine tool according to an embodiment of the present invention.
다른 한편으로 공작기계의 축 이동을 측정한 일로로서 첨부도면 도 20에 나타내었고, 그 데이터를 표로 작성하면 다음 표 1과 같다.On the other hand, as shown in the accompanying drawings as a measure of the axis movement of the machine tool, the data is shown in Table 1 as shown in Table 1.
또 다른 한편으로 도 21은 축이동의 보정 전(흑색)과 축이동의 보정 후(회색)을 10,000rpm, 20,000rpm, 30,000rpm(사이 구간은 1,000rpm) 단계별로 주축 회전수를 변화시키면서 측정한 결과이다.On the other hand, Figure 21 is measured while changing the spindle speed in steps of 10,000rpm, 20,000rpm, 30,000rpm (between 1,000rpm) before the axis shift compensation (black) and after the axis shift correction (gray) The result is.
도 21에 나타낸 바와 같이 보정 전의 상태보다 보정 후의 상태가 시간경과에 따라 변위(㎛)의 변화가 평활화됨을 알 수 있고, 이때, 보정 전 흑색 그래프에서 회선 수가 변화할 때 갑자기 변동하는 성분이 축 이동이고, 보정 후 회색 그래프에서 점진적으로 변동하는 성분은 열 변위 성분이다.As shown in FIG. 21, it can be seen that the state after the correction is smoothed over time as the state after the correction is smoother than the state before the correction, and at this time, when the number of lines changes in the black graph before correction, the component shifts suddenly. The component that gradually changes in the gray graph after calibration is the thermal displacement component.
축 이동(axis shift)을 보정한 후 주축 회전수를 도 22에 나타낸 바와 같이 변화시키면 온도와 변위를 측정하여 온도 변동과 변위 그래프를 나타낸 것이 도 23이다.After the axis shift is corrected and the spindle speed is changed as shown in FIG. 22, the temperature and displacement graphs are shown by measuring the temperature and the displacement.
도 23에서 기울기 값은 다음의 표 2와 같은 온도-열 변위 데이터 테이블이 만들어질 수 있다.In FIG. 23, the slope value may be a temperature-thermal displacement data table as shown in Table 2 below.
도 22의 주축 회전 사이클에 따른 보정 전후의 그래프가 도 24이다.24 is a graph before and after correction according to the main axis rotation cycle of FIG. 22.
보정 후 열 변위는 작은 값을 나타내며 이에 따라 도 25도에 나타낸 바와 같이 매끄러운 표면을 얻을 수 있다.After the correction, the thermal displacement shows a small value, thereby obtaining a smooth surface as shown in FIG. 25.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art to which the present invention pertains can understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. will be.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, the embodiments described above are to be understood as illustrative and not restrictive in all respects, and the scope of the present invention is represented by the following detailed description, and the meaning and scope of the claims and All changes or modifications derived from the equivalent concept should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축헤드 변위 보정방법은 주축이 수직방향으로 배치되는 공작기계에 적용될 수 있고, 특히 스파이크와 같은 변수가 발생되어 급격한 보정을 피할 수 있어 가공물의 표면은 더욱 매끄럽고 정밀하게 가공될 수 있다.The spindle head displacement correction method of the machine tool according to an embodiment of the present invention may be applied to a machine tool in which the spindle axis is disposed in the vertical direction. In particular, a parameter such as a spike may be generated to abruptly compensate for the surface of the workpiece. It can be processed smoothly and precisely.
도 1은 공작기계의 일례를 설명하기 위한 예시도면이다.1 is an exemplary view for explaining an example of a machine tool.
도 2는 주축헤드의 구성을 설명하기 위한 예시도면이다.2 is an exemplary view for explaining the configuration of the main shaft head.
도 3은 주축헤드의 주축 변위 예를 설명하기 위한 그래프이다.3 is a graph for explaining an example of spindle displacement of the spindle head.
도 4는 주축헤드의 열 변위 보정을 위한 일례를 설명하기 위한 그래프이다.4 is a graph for explaining an example for correcting thermal displacement of the spindle head.
도 5는 주축헤드의 열 변위 보정을 적용하여 가공한 예를 보인 도면 대용 사진이다.5 is a drawing substitute photograph showing an example of processing by applying thermal displacement correction of the spindle head.
도 6은 이상 값에 의한 스파이크 및 보정지령에 의한 진동을 설명하기 위한 그래프이다.6 is a graph for explaining the spike due to the abnormal value and the vibration by the correction command.
도 7은 시정수 차이에 따른 오치를 설명하기 위한 그래프이다.7 is a graph for explaining an error according to a time constant difference.
도 8은 본 발명이 적용된 시정수 차이에 따른 오차를 개선한 일례를 설명하기 위한 그래프이다.8 is a graph for explaining an example of improving the error according to the time constant difference to which the present invention is applied.
도 9는 본 발명이 적용된 온도변동에 따른 열 변위 계산을 설명하기 위한 순서도이다.9 is a flowchart illustrating a thermal displacement calculation according to the temperature variation to which the present invention is applied.
도 10은 본 발명이 적용된 지연수정 값 계산을 설명하기 위한 순서도이다.10 is a flowchart illustrating a delay correction value calculation to which the present invention is applied.
도 11은 본 발명이 적용된 열 변위 지령 값의 평활화 계산을 설명하기 위한 순서도이다.11 is a flowchart for explaining a smoothing calculation of a heat displacement command value to which the present invention is applied.
도 12는 본 발명이 적용된 축 이동의 계산을 설명하기 위한 순서도이다.12 is a flowchart for explaining calculation of axis movement to which the present invention is applied.
도 13은 본 발명이 적용된 보정의 일례를 설명하기 위한 그래프이다.13 is a graph for explaining an example of correction to which the present invention is applied.
도 14는 본 발명이 적용된 보정량 지령방법을 설명하기 위한 순서도이다.14 is a flowchart for explaining a correction amount command method to which the present invention is applied.
도 15 내지 도 19는 본 발명에 적용되는 데이터를 설명하기 위한 데이터 테이블이다.15 to 19 are data tables for explaining data applied to the present invention.
도 20은 본 발명이 적용되어 회전수에 따라 축 이동되는 변위량을 설명하기 위한 그래프이다.20 is a graph for explaining a displacement amount axially moved according to the rotation speed to which the present invention is applied.
도 21은 본 발명이 적용된 축 이동 보정을 설명하기 위한 그래프이다.21 is a graph for explaining axis movement correction to which the present invention is applied.
도 22는 본 발명이 적용된 주축 회전의 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.22 is a graph showing the spectrum of the spindle rotation to which the present invention is applied.
도 23은 본 발명이 적용된 열 변위 보정계수를 결정하는 일례를 설명하기 위한 그래프이다.23 is a graph for explaining an example of determining a thermal displacement correction coefficient to which the present invention is applied.
도 24는 본 발명이 적용된 열 변위 보정의 예를 설명하기 위한 그래프이다.24 is a graph for explaining an example of thermal displacement correction to which the present invention is applied.
도 25는 본 발명이 적용되어 가공된 공작물의 표면을 나타낸 도면 대용 사진이다.FIG. 25 is a photograph substituted for the drawing showing the surface of the workpiece to which the present invention is applied. FIG.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)(Explanation of symbols for the main parts of the drawing)
10: 베드 11: 베드 온도센서10: Bed 11: Bed temperature sensor
20: 칼럼 30: 테이블20: column 30: table
40: 주축 헤드 41, 42: 제1, 제2 주축 온도센서40:
43: 헤드 바디 44: 베어링43: head body 44: bearing
45: 스핀들 46: 모터 회전자45: spindle 46: motor rotor
47: 모터 고정자 50: 서보모터47: motor stator 50: servo motor
60: CNC제어장치60: CNC controller
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