KR20110083128A - 위치보정센서가 구비된 공작기계 및 작동방법 - Google Patents

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Abstract

개시된 본 발명에 따른 위치보정센서가 구비된 공작기계는 상기 공작기계의 일측에 구비되어 레이져를 방사하는 송신센서, 상기 송신센서로부터 방사되는 레이져의 경로를 직진 또는 직각으로 분리하는 빔스플리터, 상기 공작기계 상에서 작동하는 식각공구의 일측 및 상기 레이져의 진행 경로 상의 상기 공작기계의 상단 또는 하단에 마련되어 상기 빔스플리터에서 분리되는 레이져를 반사하는 반사경 및,상기 공작기계의 상단 또는 하단에 구비되어 상기 반사경으로부터 반사된 레이져를 수신하여 제어부로 송신하는 디텍터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

위치보정센서가 구비된 공작기계 및 작동방법{Device Having Measuring Position Sensor And Method For Working This}
본 발명은 공작기계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 식각 오차를 줄이기 위하여 프리즘 스플리터(splitter)로 분광되는 레이져를 감지하여 오차를 보정하도록 작동되는 레이져 센서가 구비된 공작기계에 관한 것이다.
현재 금속공구 및 장비 또는 반도체 등을 제조하는 과정에서 정밀한 부분의 식각을 위한 바이트 작업 또는 회전공구 작업 시 미세한 오차에 의하여 제품 전체를 사용하지 못하는 경우가 많다. 이를 보완하기 위하여 식각 오차를 줄이기 위한 다양한 방법이 연구되고 있고, 특히 센서를 설치하여 지속적으로 거리 및 위치를 측정하면서 작업하는 방법이 연구되고 있다.
일반적으로 위치나 거리 등을 감지하는 센서로는 레이져 센서, 초음파 센서, 적외선 센서, 광센서 등이 있다.
초음파 센서는 초음파 센서로부터 물체까지의 거리를 측정하는 것이다. 초음파센서를 이용한 거리측정 방법은 초음파를 송신한 시점부터 물체에서 반사된 초음파를 수신하는 시점까지의 체공 시간(T.O.F.:Time-Of-Flight)을 측정하고, 측정된 체공 시간에 공기 중에서 초음파의 전파 속도를 곱하여 산출한다. 여기서 체공시간은 초음파를 송신한 시점에 일정한 주파수의 클록 신호를 갖는 카운터가 카운터를 개시하고 물체에서 반사된 초음파를 수신하는 시점에 카운트를 종료하여 측정된다. 이 경우 초음파 센서의 퍼짐각 특성으로 인해 물체의 정확한 방향을 측정할 수 없고, 로봇과 같은 이동체의 위치 측정 시 기본적으로 2차원상에서 측정하는 것으로 3차원 위치를 측정할 수 없는 문제점이 있다.
광센서는 일반적으로 나노미터 이하의 거리 또는 길이를 측정하는데 사용된다. 광센서는 레이저광을 측정대상 또는 측정대상이 놓인 스테이지에 조사하고 이를 반사시켜 측정대상 또는 스테이지의 이동거리에 대한 정보를 포함한 반사광을 광검출기에서 감지하고, 이동한 거리를 계측하는 구조로 되어 있다.
레이져 센서는 나노미터 급의 정밀도를 유지하면서 수 미터까지의 넓은 변위를 측정할 수 있는 시스템으로서 초정밀 공작기계, 반도체 및 디스플레이 산업, 그리고 생명공학분야에 널리 응용된다. 최근에는 반도체 소자의 크기 증가에 따라 그 생산성을 증대시키기 위해 웨이퍼의 대형화가 이루어지고 있고, 나노미터 급의 정밀도를 지니면서 넓은 변위량을 측정할 수 있는 레이져센서가 변위량 측정에 많이 이용되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 식각 오차를 줄이기 위하여 프리즘 스플리터(splitter)로 분광되는 레이져를 감지함으로써 3차원 위치를 용이하게 측정하여 오차를 보정하도록 작동되는 위치보정센서가 구비된 공작기계에 관한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명에 따른 위치보정센서가 구비된 공작기계는 위치보정센서가 구비된 공작기계에 있어서, 상기 공작기계의 일측에 구비되어 레이져를 방사하는 송신센서; 상기 송신센서로부터 방사되는 레이져의 경로를 직진 또는 직각으로 분리하는 빔스플리터; 상기 공작기계 상에서 작동하는 식각공구의 일측 및 상기 레이져의 진행 경로 상의 상기 공작기계의 상단 또는 하단에 마련되어 상기 빔스플리터에서 분리되는 레이져를 반사하는 반사경; 및, 상기 공작기계의 상단 또는 하단에 구비되어 상기 반사경으로부터 반사된 레이져를 수신하여 제어부로 송신하는 디텍터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 제어부는 상기 디텍터로부터 수신된 신호를 증폭하는 증폭부; 상기 송신센서를 구동하는 드라이버; 상기 송신센서와 상기 디텍터의 위치를 3차원좌표계로 구성하고 상기 빔스플리터로부터 상기 식각공구 및 디텍터까지의 왕복거리 산출식을 도출하여 수치해석기법에 따라 상기 식각공구의 위치를 산출하며, 오차를 보정하도록 신호를 방출하는 신호처리부;로 구성되고, 별도의 식각공구 구동장치에 신호를 전달하여 상기 식각공구의 작동을 제어하는 것이 좋다.
상기 신호처리부는 상기 빔스플리터로부터 식각공구 사이의 수평 거리를 "a", 빔스플리터로부터 디텍터 사이의 수직 거리를 "b"로 하고 상기 수평거리(a)와 수직거리(b)의 합을 "x"로 하며 "x" 값을 측정하여 셋팅된 값과 비교 및 오차를 판단하는 것이 좋다.
또한 상기 빔스플리터는 프리즘인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 위치보정센서가 구비된 공작기계의 작동방법은 공작기계에 송신센서, 반사경 및 디텍터를 설치하는 단계(S110); 상기 송신센서에서 레이져를 방사하는 단계(S120); 상기 빔스플리터에서 상기 레이져를 직진 또는 직각으로 분리하고 상기 반사경에서 분리된 레이져를 반사하며 상기 디텍터에서 신호를 감지하는 단계(S130); 상기 제어부에서 식각공구의 위치를 수치해석기법으로 산출하는 단계(S140); 및, 상기 단계 S140에서 산출된 상기 식각공구의 위치가 셋팅된 값과 다를 경우 상기 제어부의 신호처리부가 상기 식각공구의 위치오차를 보정하는 단계(S150);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 신호처리부는 상기 빔스플리터로부터 식각공구 사이의 수평 거리를 "a", 빔스플리터로부터 디텍터 사이의 수직 거리를 "b"로 하고 상기 수평거리(a)와 수직거리(b)의 합을 "x"로 하며 "x" 값을 측정하여 셋팅된 값과 비교 및 오차를 판단하는 것이 좋다.
또한, 상기 빔스플리터는 프리즘인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 위치보정센서가 구비된 공작기계에 의하면, 식각 오차를 줄이기 위하여 프리즘 스플리터(splitter)로 분광되는 레이져를 감지함으로써 3차원 위치를 용이하게 측정하여 오차를 보정하도록 작동되고, 이에 따라 금속공구가공, 반도체 웨이퍼 가공 등 정밀한 작업 시 오차를 줄여 품질향상을 도모할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공작기계에 구비된 위치보정센서의 작동도,
도 2는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 공작기계에 구비된 위치보정센서의 작동도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공작기계에 구비된 위치보정센서의 구성도, 및
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 위치보정센서의 보정방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 위치보정센서가 구비된 공작기계를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공작기계에 구비된 위치보정센서의 작동도, 도 2는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 공작기계에 구비된 위치보정센서의 작동도, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공작기계에 구비된 위치보정센서의 구성도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 위치보정센서가 구비된 공작기계를 살펴보면, 공작기계(100)의 일측에 구비되어 레이져를 방사하는 송신센서(110), 송신센서(110)로부터 방사되는 레이져의 경로를 직진 또는 직각으로 분리하는 빔스플리터(120), 공작기계(100) 상에서 작동하는 식각공구(150)의 일측 및 레이져의 진행 경로 상의 공작기계(100)의 상단 또는 하단에 마련되어 빔스플리터(120)에서 분리되는 레이져를 반사하는 반사경(132,134), 공작기계(100)의 상단 또는 하단에 구비되어 반사경(132,134)으로부터 반사된 레이져를 수신하여 제어부(130)로 송신하는 디텍터(140)를 포함한다.
상기 제어부(130)는 디텍터(140)로부터 수신된 신호를 증폭하는 증폭부(145), 송신센서(110)를 구동하는 드라이버(115), 송신센서(110)와 디텍터(140)의 위치를 3차원좌표계로 구성하고 빔스플리터(120)로부터 식각공구(150) 및 디텍터(140)까지의 왕복거리 산출식을 도출하여 수치해석기법에 따라 식각공구(150)의 위치를 산출하며, 오차를 보정하도록 신호를 방출하는 신호처리부(160)로 구성되고, 별도의 식각공구 구동장치(155)에 신호를 전달하여 식각공구(150)의 작동을 제어한다.
송신센서(110)로는 레이져 광원이 주로 사용될 수 있다. 레이져 광원에서 발생한 광은 빔스플리터(120)에 의하여 두 개의 광으로 나뉘게 되는데, 제 1 광경로는 빔스플리터(120)를 통과하여 직진하고 제 2 광경로는 빔스플리터(120)에서 반사되어 제 1 광경로와 수직인 방향으로 진행된다. 일반적으로 측정에 사용되는 레이져 광원은 파장이 안정한 He-Ne 레이져를 사용한다. 제 1, 2광을 각각 반사경(132,134)으로 반사시켜 그 경로를 다시 빔스플리터(120)로 되돌리면, 제 1 광경로는 빔스플리터(120)에서 반사되어 디텍터(140)로 들어가고, 제 2 광경로는 빔스플리터(120)를 통과하여 디텍터(140)로 들어간다.
이때 두 광을 반사시킨 반사경 중 하나는 고정경(132)을 사용하고 나머지 하나는 앞뒤로 이동할 수 있는 이동경(134)을 사용할 수 있다. 일반적으로 공작기계(100)의 식각공구(150)에 마련된 반사경이 이동경(134)이고, 공작기계(100)의 상단 또는 하단에 마련된 반사경이 고정경(132)이다.
여기서 식각공구(150)의 작업 시 발생하는 수평 또는 수직의 미세한 오차는 상기 이동경(134)에서 반사되는 레이져를 분석함으로써 알 수 있다.
상기 디텍터(140)에서 수신된 레이져는 제어부(130)에서 분석된다. 제어부(130)의 신호처리부(160)는 디텍터(140)로 수신된 레이져를 분석하여 위치오차를 보정한다. 구체적으로, 빔스플리터(120)로부터 식각공구(150) 사이의 수평 거리를 "a", 빔스플리터로부터 디텍터 사이의 수직 거리를 "b"로 하고 수평거리(a)와 수직거리(b)의 합을 "x" 로 하여 "x" 값을 측정하여 셋팅된 값과 비교하여 오차를 판단한다. 이후 신호처리부(160)에서는 오차를 보정하도록 신호를 방출하고, 별도의 식각공구 구동장치(155)에 신호를 전달하여 식각공구(150)의 작동을 제어한다.
또한, 수직거리 "b"는 특정값으로 설정하여 수평거리 "a"의 값의 변화에 따라 수평위치오차를 분석할 수 있고, 수평거리 "a"를 특정값으로 설정하여 수직거리 "b"의 값의 변화에 따라 수직위치오차를 분석할 수 있다. 마찬가지로, 신호처리부(160)에서는 분석된 수평 또는 수직위치오차를 보정하는 신호를 전달하여 식각공구(150)의 작동을 제어할 수 있다.
빔스플리터(120)는 프리즘인 것이 좋다. 레이져를 프리즘에 통과시켜서 분산시키면 다양한 레이져의 분광을 얻을 수 있다. 프리즘은 주로 삼각 기둥 형태이지만 용도에 따라 다각기둥이나 다각뿔, 또는 원뿔, 구형의 프리즘도 사용한다. 프리즘의 소재로는 주로 광학적 유리를 쓰는데, 자외선·적외선에 대해서는 유리 대신 수정·암염(岩鹽) 등을 쓴다. 기능상 분광프리즘·전반사프리즘·편광프리즘으로 나눈다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 위치보정센서의 보정방법을 나타낸 순서도이다. 위치보정센서가 구비된 공작기계의 작동방법은 공작기계에 송신센서(110), 반사경(132,134) 및 디텍터(140)를 설치하는 단계(S110), 송신센서(110)에서 레이져를 방사하는 단계(S120), 빔스플리터(120)에서 레이져를 직진 또는 직각으로 분리하고 반사경(132,134)에서 분리된 레이져를 반사하며 디텍터(140)에서 신호를 감지하는 단계(S130), 제어부(130)에서 식각공구(150)의 위치를 수치해석기법으로 산출하는 단계(S140) 및, 단계 S140에서 산출된 식각공구(150)의 위치가 셋팅된 값과 다를 경우 제어부(130)의 신호처리부(160)에서 식각공구(150)의 위치오차를 보정하는 단계(S150)를 포함한다.
여기서 신호처리부(160)는 디텍터(140)로 수신된 레이져를 분석하여 위치오차를 보정한다. 구체적으로, 빔스플리터(120)로부터 식각공구(150) 사이의 수평 거리를 "a", 빔스플리터로부터 디텍터 사이의 수직 거리를 "b"로 하고 수평거리(a)와 수직거리(b)의 합을 "x" 로 하여 "x" 값을 측정하여 셋팅된 값과 비교하여 오차를 판단한다. 여기서 빔스플리터(120)는 프리즘인 것이 좋다.
또한, 수직거리 "b"는 특정값으로 설정하여 수평거리 "a"의 값의 변화에 따라 수평위치오차를 분석할 수 있고, 수평거리 "a"를 특정값으로 설정하여 수직거리 "b"의 값의 변화에 따라 수직위치오차를 분석할 수 있다. 마찬가지로, 신호처리부(160)에서는 분석된 수평 또는 수직위치오차를 보정하는 신호를 전달하여 식각공구(150)의 작동을 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 위치보정센서가 구비된 공작기계에 의하면, 식각 오차를 줄이기 위하여 프리즘 스플리터(splitter)로 분광되는 레이져를 감지함으로써 3차원 위치를 용이하게 측정하여 오차를 보정하도록 작동되고, 이에 따라 금속공구가공, 반도체 웨이퍼 가공 등 정밀한 작업 시 오차를 줄여 품질향상을 도모할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100 : 공작기계 110 : 송신센서
115 : 드라이버 120 : 빔스플리터
130 : 제어부 132 : 반사경
134 : 반사경 140 : 디텍터
145 : 증폭부 150 : 식각공구
155 : 식각공구 구동장치 160 : 신호처리부

Claims (7)

  1. 위치보정센서가 구비된 공작기계에 있어서,
    상기 공작기계의 일측에 구비되어 레이져를 방사하는 송신센서;
    상기 송신센서로부터 방사되는 레이져의 경로를 직진 또는 직각으로 분리하는 빔스플리터;
    상기 공작기계 상에서 작동하는 식각공구의 일측 및 상기 레이져의 진행 경로 상의 상기 공작기계의 상단 또는 하단에 마련되어 상기 빔스플리터에서 분리되는 레이져를 반사하는 반사경; 및,
    상기 공작기계의 상단 또는 하단에 구비되어 상기 반사경으로부터 반사된 레이져를 수신하여 제어부로 송신하는 디텍터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치보정센서가 구비된 공작기계.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 디텍터로부터 수신된 신호를 증폭하는 증폭부;
    상기 송신센서를 구동하는 드라이버;
    상기 송신센서와 상기 디텍터의 위치를 3차원좌표계로 구성하고 상기 빔스플리터로부터 상기 식각공구 및 디텍터까지의 왕복거리 산출식을 도출하여 수치해석기법에 따라 상기 식각공구의 위치를 산출하며, 오차를 보정하도록 신호를 방출하는 신호처리부;로 구성되고,
    별도의 식각공구 구동장치에 신호를 전달하여 상기 식각공구의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 위치보정센서가 구비된 공작기계.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 신호처리부는
    상기 빔스플리터로부터 식각공구 사이의 수평 거리를 "a", 빔스플리터로부터 디텍터 사이의 수직 거리를 "b"로 하고 상기 수평거리(a)와 수직거리(b)의 합을 "x"로 하며 "x" 값을 측정하여 셋팅된 값과 비교 및 오차를 판단하는 것을 특징으로 하는 위치보정센서가 구비된 공작기계.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔스플리터는 프리즘인 것을 특징으로 하는 위치보정센서가 구비된 공작기계.
  5. 공작기계에 송신센서, 반사경 및 디텍터를 설치하는 단계(S110);
    상기 송신센서에서 레이져를 방사하는 단계(S120);
    상기 빔스플리터에서 상기 레이져를 직진 또는 직각으로 분리하고 상기 반사경에서 분리된 레이져를 반사하며 상기 디텍터에서 신호를 감지하는 단계(S130);
    상기 제어부에서 식각공구의 위치를 수치해석기법으로 산출하는 단계(S140); 및,
    상기 단계 S140에서 산출된 상기 식각공구의 위치가 셋팅된 값과 다를 경우 상기 제어부의 신호처리부가 상기 식각공구의 위치오차를 보정하는 단계(S150);를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치보정센서가 구비된 공작기계의 작동방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 신호처리부는
    상기 빔스플리터로부터 식각공구 사이의 수평 거리를 "a", 빔스플리터로부터 디텍터 사이의 수직 거리를 "b"로 하고 상기 수평거리(a)와 수직거리(b)의 합을 "x" 로 하며 "x"값을 측정하여 셋팅된 값과 비교 및 오차를 판단하는 것을 특징으로 하는 위치보정센서가 구비된 공작기계의 작동방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 빔스플리터는 프리즘인 것을 특징으로 하는 위치보정센서가 구비된 공작기계의 작동방법.
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