KR20110054523A

KR20110054523A - 공작기계 주축 스핀들의 열 변위 제어 방법

Info

Publication number: KR20110054523A
Application number: KR1020090111199A
Authority: KR
Inventors: 조병학
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2009-11-18
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2011-05-25
Also published as: KR101540819B1

Abstract

본 발명은 공작기계 주축 스핀들(S)의 열 변위 제어 방법으로서, (A) 상기 스핀들(S)의 회전 속도별로 상기 스핀들(S)의 복수개의 지점(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)에 대한 온도를 측정하는 단계와, (B) 상기 복수개의 지점(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)에 대해서 측정된 온도의 편차를 상쇄하기 위해 요구되는 보정 온도 데이터를 상기 복수개의 각 지점(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) 및 상기 스핀들(S)의 회전 속도별로 저장하는 보정 온도 데이터 저장 단계와, (C) 상기 스핀들(S)의 회전 속도를 검출하여 상기 복수개의 지점별로 상기 (B) 단계에서 저장된 보정 온도 데이터를 독출하는 단계와, (D) 상기 독출된 보정 온도 데이터에 기초하여 상기 복수개의 지점별로 온도를 보정하는 온도 보정 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

주축, 스핀들, 열변위, 제어, 냉각, 온도, 룩업 테이블, 회전 속도, rpm

Description

공작기계 주축 스핀들의 열 변위 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING THERMAL DEFORMATION OF MAIN SPINDLE IN MACHINE TOOL}

본 발명은 열 변위 제어에 관한 것이고, 보다 상세하게는 공작기계의 주축 스핀들의 열 변위 제어에 관한 것이다.

공작기계의 주축 스핀들은 고속으로 회전하므로 열이 발생하게 되고, 그로 인한 열변위(Termal Deformation)도 필수적으로 발생하게 된다. 이와 같이 고속 회전을 하는 주축 스핀들의 국부적인 과열로 인해, 주축 스핀들의 열변위와 공작 기계의 다른 부분, 예컨대 스핀들을 지지하는 칼럼의 열변위 사이에 편차가 발생하게 되며, 이러한 열변위 편차의 보정은 공작기계의 가공 정밀성을 위해 해결해야 할 주요한 문제로 대두되고 있다.

이러한 문제의 해결을 위해, 종래에는 발열이 많이 발생하는 주축 스핀들과 발열이 상대적으로 덜 발생하는 스핀들 지지용 칼럼부에 각각 온도 센서를 설치한 다음, 각 온도 센서의 온도에 차이가 발생하는 경우 미리 지정된 값에 의해서 열변위 편차를 물리적으로 위치 보상하는 방법을 사용하고 있다.

즉, 주축 스핀들의 온도와 칼럼의 온도 사이의 차이에 대응하여 특정축(예: Z축) 방향 위치 보상값 미리 데이터 테이블에 저장해 놓았다가, 측정 결과 각 온도 센서의 온도 차이가 발생한 경우 데이터 테이블에서 온도 차이에 대응한 Z축 방향 위치 보상값을 읽어들여서, 스핀들이 Z축 방향으로 움직일 때 해당 보상값만큼 위치 보상을 하게 되는 것이다.

그러나, 종래의 열변위 보상 방식은 열변위의 근본 원인인 발열 편차를 제거하는 것이 아니라, 열변위 차이의 결과로 나타나는 위치를 보정을 하는 데에 그치고 있으므로 근본적인 해결 방안이라 할 수 없다.

즉, 스핀들이 회전하면서 발생하는 열은 각 부위에 따라 상이하므로 일률적으로 온도 편차에 대응하여 일정하게 정해진 위치값을 보상하는 경우에는 열변위에 따른 보상이 정밀하게 이루어 질 수 없다.

또한, 발열 편차가 큰 경우 위치 보상만으로는 열변위 편차 보정에 한계가 있을 수 밖에 없다.

본 발명은 상술한 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 종래의 위치보상 방식 대신, 열변위 편차 발생의 근본 원인인 발열 편차를 제거함으로써 보다 근본적인 열변위 편차 제어를 가능하게 하는 것을 기술적 과제로 한다.

상술한 과제 해결을 위해, 본 발명에 따른 공작기계 주축 스핀들(S)의 열 변위 제어 방법은, (A) 상기 스핀들(S)의 회전 속도별로 상기 스핀들(S)의 복수개의 지점(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)에 대한 온도를 측정하는 단계와, (B) 상기 복수개의 지점(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)에 대해서 측정된 온도의 편차를 상쇄하기 위해 요구되는 보정 온도 데이터를 상기 복수개의 각 지점(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) 및 상기 스핀들(S)의 회전 속도별로 저장하는 보정 온도 데이터 저장 단계와, (C) 상기 스핀들(S)의 회전 속도를 검출하여 상기 복수개의 지점별로 상기 (B) 단계에서 저장된 보정 온도 데이터를 독출하는 단계와, (D) 상기 독출된 보정 온도 데이터에 기초하여 상기 복수개의 지점별로 온도를 보정하는 온도 보정 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 복수개의 지점들은 각기 개별적으로 보정 온도 데이터를 생성할 수도 있으나, 하나이상의 그룹으로 그룹핑하여 그룹핑된 각 지점의 온도 보정 데이터를 동일하게 적용할 수도 있다.

즉, 상기 (B) 단계는 (B-1) 상기 복수개의 지점을 하나 이상의 그룹으로 그 룹핑하는 단계와, (B-2) 상기 각 그룹별로 해당 그룹에 속한 복수개의 지점들의 보정 온도 데이터의 평균값을 그룹별 보정 온도 데이터로 저장하는 단계를 포함하도록 구성될 수 있다.

이 경우, 상기 (D) 단계에서는 그룹별 보정 온도 데이터에 기초하여 온도 보정을 수행하게 된다. 예컨대, 복수개의 지점을 발열이 많이 발생하는 제1 지점 그룹과 발열이 적게 발생하는 제2 지점 그룹으로 그룹핑하여 각 그룹에 대한 온도 보정 데이터를 동일하게 적용할 수 있는 것이다.

또한, 바람직한 실시예에 따르면, 상기 스핀들(S)의 회전속도는 연속적으로 적용할 수도 있지만, 데이터 처리의 원활화를 위해 일정 구간으로 스텝(Step)화 할 수도 있다.

이 경우, 상기 (B) 단계는 스텝별로 구분된 각 회전 속도 구간에 대해서는 동일한 보정 온도 데이터를 적용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 냉각 제어 유닛(100)에 의해 열변위의 근본 원인인 발열 편차를 제거하므로, 열변위 차이의 결과로 나타나는 위치를 보정을 하는 데에 그쳤던 종래 기술에 비하여 열변위 편차를 근본적으로 해결하였다.

또한, 스핀들의 복수개의 지점별로 각각 개별적으로 온도 보정 데이터를 설정하므로, 일률적으로 온도 편차에 대응하여 일정하게 정해진 위치값을 보상하였던 종래 기술에 비하여 열변위에 따른 보상이 정밀하게 이루어 질 수 있다.

또한, 스핀들 회전 속도별로 상이하게 온도 보정 데이터를 설정하므로 스핀 들 회전 속도를 고려하지 않고 일정하게 정해진 위치값만을 보상하였던 종래 기술에 비하여 열변위에 따른 보상의 정밀성이 극대화되었다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 공작기계 주축 스핀들(S)의 열 변위 제어를 위한 장치 구성도이다.

도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 열 변위 제어 장치는 스핀들 회전수 검출 유닛(100)과, 냉각 제어 유닛(200)과, 룩업 테이블(300)로 구성된다.

스핀들 회전수 검출 유닛(100)은 공작기계의 주축 스핀들(S)의 회전 속도(예:rpm) 데이터를 전달받는다. 회전 속도 데이터는 주축 스핀들(S)의 회전 속도를 실시간으로 전달받을 수도 있지만, 주축 회전 지령이 내려진 이후 일정 시간 간격(예: 3초)으로 주기적으로 회전 속도를 검출할 수도 있다.

NC에서 주축 회전 지령이 내려지면 지속적으로 회전 속도를 검출할 수도 있다.

또한, 스핀들 회전수 검출 유닛(100)은 검출된 회전 속도를 일정 구간별로 스텝(step)화하여 재계산할 수도 있다.

예컨대, 도 3은 회전 속도를 250 rpm 단위로 스텝화하여 재계산한 경우의 룩업 테이블의 일 예를 도시한다.

도시된 것과 같이 회전 속도는 250 rpm 단위로 구간이 나누어져 있는 스핀들 회전 속도 구간 인덱스부(10)가 있고, 나누어진 각 구간마다 대표 회전 속도가 지정되어 있는 스텝 회전 속도부(20)가 마련되어 있다. 그리고, 각 스텝 회전 속도부(20)의 각 스텝 회전 속도마다 대응되는 어드레스(30)가 지정되어 있다.

예컨대, 250~499 rpm 인 경우는 인덱스 1으로 지정되어 있고, 인덱스 1에 대한 스텝 회전 속도는 250 rpm으로 설정된다. 그리고 250 rpm에 대한 어드레스는 D 2004로 지정된다.

다시 도 1을 참조하면, 냉각 제어 유닛(200)은 스핀들 회전속도 검출 유닛(100)으로부터 스핀들의 회전속도 데이터를 전달받고, 룩업 테이블(300)로부터는 스핀들 회전속도별 온도 보정 데이터를 받아 각 지점(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)별로 온도 보정값에 도달하도록 냉각 제어를 수행한다.

각 지점(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)별 온도 보정은 개별적으로 상이하게 수행될 수도 있지만, 도 1에 도시된 것과 같이 각 지점을 제1 지점 그룹(1, 2, 5, 6)과 제2 지점 그룹(3, 4, 7)으로 나눈 후 각 그룹에 대해서는 동일한 온도 보정을 수행하도록 구성될 수도 있다.

이를 위해 냉각 제어 유닛(200)은 제1 지점 그룹(1, 2, 5, 6)에 대한 냉각 제어를 수행하기 위한 제1 냉각 제어 유닛(210)과, 제2 지점 그룹(3, 4, 7)에 대한 냉각 제어를 수행하기 위한 제2 냉각 제어 유닛(220)이 마련될 수 있다.

룩업 테이블(300)에는 스핀들의 회전속도별로, 해당 회전 속도일 경우에 각 지점(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)별로 온도 차이 보정을 위해 요구되는 온도 보정 데이터가 저장되어 있다.

이를 위해, 사전에 각 지점(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)에 온도 센서(미도시)를 설치하여 스핀들 회전속도를 상이하게 설정하면서 각 회전 속도별로 각 지점의 온도 편차를 조사한 다음, 편차를 보정하기 위한 온도 보정 데이터를 생성할 수 있다.

온도 편차 조사 결과, 유사한 온도 패턴을 보이는 지점들을 그룹핑하여 보정 데이터를 생성할 수 있다. 예컨대, 도 1에 도시된 각 지점 중 1, 2, 5, 6을 제1 지점 그룹으로, 지점 3, 4, 7을 제2 지점 그룹으로 그룹핑한 후, 각 그룹 내의 온도 보정 데이터의 평균값을 구해서 평균값을 그룹에 속한 지점에 대해 동일하게 적용할 수 있다.

이와 같이 제1 지점 그룹(1, 2, 5, 6)에 대해 생성한 제1 지점 그룹 보정 데이터는 제1 냉각 제어 유닛(210)을 통해 제1 지점 그룹(1, 2, 5, 6)의 각 지점에 대한 냉각 제어를 수행하고, 제2 지점 그룹(3, 4, 7)에 대해 생성한 제2 지점 그룹 온도 보정 데이터는 제2 냉각 제어 유닛(220)을 통해 제2 지점 그룹(3, 4, 7)의 각 지점에 대한 냉각 제어를 수행하게 된다.

도 4는 제 1 지점 그룹(1, 2, 5, 6)에 대한 온도 보정 데이터의 룩업 테이블(300)이다. 도시된 것과 같이, 각 회전속도 구간별로 대응하여 스텝 데이터(20-1)가 지정되어 있다. 그리고, 우측 상단(40)에 도시되어 있듯이, 각 스텝 데이터(41)에 대응한 온도 보정값(42)이 각각 지정되어 있다.

예컨대, 회전 속도 250~499 rpm 구간인 경우에는 스텝 데이터가 5로 지정되어 있으므로, 우측 상단을 참조하면 스텝 데이터 5에 대응한 온도 보정값은 -1.0 ℃로 결정된다. 이와 유사한 방식으로 회전 속도 1750~1999 rpm 구간인 경우에는 스텝 데이터가 6으로 지정되어 있으므로, 우측 상단을 참조하면 스텝 데이터 6에 대응한 온도 보정값인 -1.5 ℃로 결정된다.

도 5는 제 2 지점 그룹(3, 4, 7)에 대한 온도 보정 데이터의 룩업 테이블(300)이다. 도 4와 유사한 방식으로, 각 회전속도 구간별로 대응하여 스텝 데이터(20-2)가 각각 지정되어 있고, 우측 상단(40)에는 각 스텝 데이터(41)에 대응한 온도 보정값(42)이 각각 지정되어 있다.

제2 지점 그룹(3, 4, 7)의 경우도 제 1그룹(1, 2, 5, 6)과 동일한 방식으로 온도 보정값이 결정된다. 다만, 도 5의 회전 속도 구간별로 지정된 스텝 데이터(20-2)는 도 4의 제1 지점 그룹(1, 2, 5, 6)의 스텝 데이터(20-1)과 상이하게 지정되어 있으므로, 회전 속도별로 상이한 온도 보정값이 결정된다.

예컨대, 동일한 회전 속도 250~499 rpm 구간인 경우라고 할지라도 도 4의 제1 지점 그룹(1, 2, 5, 6)과 도 5의 제2 지점 그룹(3, 4, 7)은 상이한 온도 보정값이 결정된다.

즉, 도 4의 제1 지점 그룹(1, 2, 5, 6)에서는 회전 속도 250~499 rpm 구간에 대한 스텝 데이터가 5로 지정되어 있으므로, 스텝 데이터 5에 대응한 -1.0 ℃로 온도 보정값으로 결정되었지만, 도 5의 제2 지점 그룹(3, 4, 7)의 경우에는 회전 속도 250~499 rpm 구간에 대한 스텝 데이터가 1로 지정되어 있으므로, 스텝 데이터 1에 대응한 +0.5℃로 온도 보정값이 결정된다.

이상과 같이 스핀들(S)의 각 지점별로 그룹핑을 하여 각 그룹마다 상이하게 온도 보정 데이터를 생성할 수 있게 된다.

전술한 구성에 따라 본 발명에 따른 열 변위 제어 방법의 수행 과정을 도 2의 흐름도를 참조로 구체적으로 설명한다.

스핀들의 회전 속도별로 스핀들의 각 지점(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)에 대해 온도를 측정한다(S 10).

측정된 온도로부터 각 지점(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)에 대한 온도 편차를 계산한 후, 이를 보정하기 위한 온도 보정 데이터를 생성하여 회전 속도별로 룩업 테이블(300, 도 4, 5 참조)에 저장한다(S 20). 이 때, 도 4 및 도 5에 도시된 것과 같이, 회전 속도를 일정 구간(예: 250 rpm) 단위로 나눈 후, 각 회전 속도 구간에 대응한 스텝별 온도 보정 데이터를 생성하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 온도 보정 데이터를 룩업 테이블(300)에 저장하고 난 다음에는, 회전 지령에 의해 회전하는 스핀들의 회전 속도를 스핀들 회전속도 검출 유닛(100)에 의해 검출한다(S 30). 회전 속도 데이터는 주축 스핀들의 회전 속도를 실시간으로 전달받을 수도 있지만, 주축 회전 지령이 내려진 이후 일정 시간 간격(예: 3초)으로 주기적으로 회전 속도를 검출할 수도 있다.

스핀들 회전속도 검출 유닛(100)은 검출된 회전 속도를 일정 구간별로 재계산한다(S 40). 예컨대, 도 3에 도시된 것과 같이 회전 속도 250~499 rpm 인 경우에는 회전 속도를 250 rpm으로, 500~999 rpm인 경우에는 회전 속도를 500 rpm으로 재계산한다.

이상의 과정을 통해 스핀들의 회전 속도 데이터가 획득되면, 제1 및 제2 냉각 제어 유닛(210, 220)은 룩업 테이블(300)을 참조하여 회전 속도 데이터에 대응 한 각 지점별 온도 보정 데이터를 독출한다(S 50).

온도 보정 데이터가 독출되면, 제1 및 제2 냉각 제어 유닛(210, 220)은 독출된 온도 보정 데이터를 기초로 각 지점(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)을 냉각 제어하여 각 지점별 온도 편차를 최소화하고, 결국 열 변위 편차를 원천적으로 제거할 수 있게 된다.

이 때, 도 1에 도시된 것과 같이 각 지점을 제1 지점 그룹(1, 2, 5, 6)과 제2 지점 그룹(3, 4, 7)로 그룹핑한 경우에는 각 그룹별로 온도 보정 데이터를 상이하게 설정할 수 있다.

예컨대, 회전 속도가 250~499 rpm 구간에 속하는 경우, 제1 지점 그룹(1, 2, 5, 6)인 경우에는 도 4에 도시된 것과 같이, 회전 속도 250~499 rpm 구간에 대한 스텝 데이터가 5로 지정되어 있으므로, 스텝 데이터 5에 대응한 -1.0 ℃로 온도 보정값으로 결정된다.

반면, 제2 지점 그룹(3, 4, 7)의 경우에는 회전 속도 250~499 rpm 구간에 대한 스텝 데이터가 1로 지정되어 있으므로, 스텝 데이터 1에 대응한 +0.5℃로 온도 보정값이 결정된다.

도 6 내지 도 9는 본 발명의 효과를 설명하기 위한 그래프로서, 도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 제어 방법이 적용되지 않은 경우의 시간 경과에 따른 온도 변화와 변위량을 나타내고 있고, 도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 제어 방법이 적용된 경우의 시간 경과에 따른 온도 변화와 변위량을 나타내고 있다.

먼저, 도 6과 도 8을 비교하면, 본 발명이 적용되지 않은 경우(도 6)에서는 스핀들 OFF 시점을 중심으로 온도의 급격한 변화가 일어나고 있으나, 본 발명의 적용된 경우(도 8)에서는 스핀들 OFF 시점에도 온도의 변화가 급격히 발생하지 않음을 확인할 수 있다.

다음으로, 도 7 및 도 9를 비교하면, 본 발명이 적용되지 않은 경우(도 7)에는 전반적으로 변위량 변동 범위가 크고, 특히 스핀들 OFF 시점 이후에는 변위량 변동량이 급격히 커지고 있는 반면, 본 발명이 적용된 경우(도 9)에는 열변위 제어가 효과적으로 수행된 결과, 변위량 변동량이 현저히 적어졌음을 확인할 수 있다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였지만, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.

따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

도 1은 본 발명에 따른 열 변위 제어를 위한 장치 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 열 변위 제어 방법의 흐름도.

도 3 내지 도 5는 룩업 테이블(300)의 일 예를 설명하기 위한 도면.

도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 제어 방법이 적용되지 않은 경우의 시간 경과에 따른 온도 변화 및 변위량을 나타낸 그래프.

도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 제어 방법이 적용된 경우의 시간 경과에 따른 온도 변화 및 변위량을 나타낸 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100: 스핀들 회전속도 검출 유닛 200: 냉각 제어 유닛

210: 제1 냉각 제어 유닛 220: 제2 냉각 제어 유닛

300: 룩업 테이블 1, 2, 5, 6: 제1 지점 그룹

3, 4, 7: 제2 지점 그룹 S: 스핀들

Claims

공작기계 주축 스핀들(S)의 열 변위 제어 방법으로서,

(A) 상기 스핀들(S)의 회전 속도별로 상기 스핀들(S)의 복수개의 지점(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)에 대한 온도를 측정하는 단계와,

(B) 상기 복수개의 지점(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)에 대해서 측정된 온도의 편차를 상쇄하기 위해 요구되는 보정 온도 데이터를 생성하여 상기 복수개의 각 지점(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) 및 상기 스핀들(S)의 회전 속도별로 저장하는 보정 온도 데이터 저장 단계와,

(C) 상기 스핀들(S)의 회전 속도를 검출하여 상기 복수개의 지점별로 상기 (B) 단계에서 저장된 보정 온도 데이터를 독출하는 단계와,

(D) 상기 독출된 보정 온도 데이터에 기초하여 상기 복수개의 지점별로 온도를 보정하는 온도 보정 단계

를 포함하는 공작기계 주축 스핀들(S)의 열 변위 제어 방법.
제1항에 있어서, 상기 (B) 단계는

(B-1) 상기 복수개의 지점을 하나 이상의 그룹으로 그룹핑하는 단계와,

(B-2) 상기 각 그룹별로 해당 그룹에 속한 복수개의 지점들의 보정 온도 데이터의 평균값을 그룹별 보정 온도 데이터로 저장하는 단계를 포함하고,

상기 (D) 단계에서는 그룹별 보정 온도 데이터에 기초하여 온도 보정을 수행 하는 것을 특징으로 하는 공작기계 주축 스핀들(S)의 열 변위 제어 방법.
제1항에 있어서, 상기 (B) 단계는

상기 스핀들(S)의 회전 속도를 일정 간격으로 구간을 나누고, 각 회전 속도 구간에 대해서는 동일한 보정 온도 데이터를 적용하는 것을 특징으로 하는 공작기계 주축 스핀들(S)의 열 변위 제어 방법.