KR20130043806A - 피스톤 가공장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 피스톤 가공장치는, 피스톤의 단면 형상을 타원(oval)으로 가공하기 위한 피스톤 가공장치로, 장착된 가공대상물을 주축을 중심으로 회전시키기 위한 주축대; 상기 주축대에 의해 회전하는 상기 가공대상물의 외면을 절삭하기 위한 절삭 공구; 상기 절삭 공구가 장착되고, 상기 가공대상물에 대한 절삭 깊이를 결정하는 방향인 X축 방향으로 상기 절삭 공구를 왕복 이송시키는 자기변형 액추에이터; 상기 자기변형 액추에이터에 전력을 인가하는 전력 발생기; 및 상기 자기변형 액추에이터에 의해 발생하는 진동의 주파수 및 변위를 제어하는 컨트롤러를 포함한다. 본 발명에 의하면, 생산성의 향상 및 가공 품질의 향상 측면에서 바람직한 주축의 회전속도 범위에 대응하는 주파수 범위(특히, 50Hz 내지 500Hz)에서 절삭 공구를 안정적으로 왕복 이송시킬 수 있으므로, 피스톤 가공의 생산성, 정밀도 및 품질을 향상시킬 수 있다.

Description

피스톤 가공장치{Piston manufacturing machine}
본 발명은, 자동차 엔진 등에 사용되는 피스톤(piston)의 단면 형상을 타원(oval)으로 가공하기 위한 피스톤 가공장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 주축을 중심으로 회전하는 가공대상물에 대해 절삭 공구를 왕복 이송시키기 위한 액추에이터의 구조 및 그 제어 방식에 관한 것이다.
일반적으로 피스톤 가공장치 혹은 피스톤 가공기라 함은 자동차 엔진 등에 사용되는 피스톤의 단면 형상을 타원으로 절삭 가공하기 위한 가공장치를 말한다. 참고로, 피스톤의 단면 형상을 타원으로 가공하는 주된 이유는 자동차 엔진 등에서 피스톤과 라이너의 접촉면이 효과적으로 소착되지 않고 원활한 상하 왕복 운동이 이루어지도록 하기 위함이다.
한편, 피스톤의 단면 형상을 타원으로 절삭 가공하기 위해서는, 회전하는 가공대상물(피스톤)에 대한 절삭 깊이를 결정하는 방향인 X축 방향으로 미소량 만큼 절삭 공구를 고속으로 왕복 이송시킬 필요가 있다.
종래의 피스톤 가공장치는. 절삭 공구를 X축 방향으로 왕복 이송시키는 액추에이터의 종류에 따라, 서보 모터 방식의 피스톤 가공장치와 리니어 모터 방식의 피스톤 가공장치와 압전 액추에이터 방식의 피스톤 가공장치로 분류될 수 있다.
도 1은 종래의 서보 모터 방식의 피스톤 가공장치의 일 예를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 1을 참조하면, 서보 모터 방식의 피스톤 가공장치는, 주축을 중심으로 가공대상물을 회전시키는 주축대(100)와, 주축대(100)에 대하여 Z축 및 X축 방향으로 이송 가능하게 구비되어 있는 가공부(200)를 포함할 수 있다. 그리고, 가공부(200)는 선반의 베드 위에 올려져 Z축 서보 모터(202)를 통해 Z축으로 이송되는 Z축 이송 테이블(201)과, Z축 이송 테이블(201)의 상부에 올려져 X1 서보 모터(204)를 통해 X축으로 이송되는 공구대 테이블(203), 및 공구대 테이블(203)의 상부에 올려져 X2 서보 모터(206)를 통해 X축을 따라 전,후방으로 왕복 이송되고 전방에는 가공대상물을 가공하는 공구가 장착되는 공구대(205)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 서보 모터 방식의 피스톤 가공장치는 가공대상물을 절삭 가공을 수행함에 있어서, X1 서보 모터(204)를 구동시켜 공구대(205)의 공구를 가공대상물과 밀착되게 한 후, X2 서보 모터(206)를 반복적으로 정역 회전시켜 공구를 X축 방향으로 왕복 이송시킴으로써, 피스톤의 단면 형상을 타원으로 가공할 수 있는 것이다. 그러나, 위와 같은 구성을 갖는 서보 모터 방식의 피스톤 가공장치는, 서보 모터의 반복적인 정역 회전에 의한 기계적 마모로 백래쉬(backlash)가 발생하고 이로 인해 가공 정밀도가 저하됨은 물론, 고속 가공이 불가능하여 생산성이 떨어지는 문제점이 있다.
리니어 모터 방식의 피스톤 가공장치는, 위와 같은 서보 모터 방식의 피스톤 가공장치의 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로, 서보 모터 대신에 리니어 모터(linear motor)를 사용하여 공구를 X축 방향으로 왕복 이송시키는 구성을 갖는다. 이러한 리니어 모터 방식의 피스톤 가공장치는 백래쉬가 없고 서보 모터 방식의 피스톤 가공장치에 비해 상대적으로 고속 가능하다는 이점을 가지나, 통상 리니어 모터의 진동 주파수가 최대 100Hz이고 안정적인 제어 성능을 고려할 때는 50Hz 미만이라는 한계로 인해 주축의 회전속도를 1,000rpm 이상으로 하여 가공하기 어려워 여전히 생산성이 떨어지는 문제점이 있으며, 장시간 사용 시 리니어 모터가 과열되는 문제점도 있다.
한편, 압전 액추에이터 방식의 피스톤 가공장치는, 공구를 X축 방향으로 왕복 이송시키기 위한 수단으로 압전소자(piezoelectric device)를 포함한 압전 액추에이터를 사용한다. 이러한 압전 액추에이터 방식의 피스톤 가공장치는 통상 압전 액추에이터의 진동 ㅈ주파수가 20,000Hz 이상이라는 점에서 피스톤 가공장치에서 주축의 회전속도가 지나치게 높아지므로 현실적으로 피스톤 가공장치에 직접적으로 적용하기에 부적합하거나 진동 주파수를 낮추기 위한 기술을 도입해야하는 문제점이 있다. 또한, 통상 피스톤 가공장치에서는 주축의 회전속도에 따라 공구의 왕복 이송을 위한 진동 주파수를 변경할 필요가 있는데, 압전 액추에이터 방식의 피스톤 가공장치는 공진 주파수 설계가 요구되는 압전 액추에이터의 특성상 진동 주파수를 변경하는 것이 현실적으로 어렵거나, 가능하더라도 압전 액추에이터의 구성 부품(예컨대, 부스터(booster) 및/또는 증폭 혼(horn))을 교체하고 다시 세팅해야 하는 번거로움이 있다.
본 발명의 목적은, 피스톤 가공의 생산성, 정밀도 및 품질을 향상시킬 수 있는 피스톤 가공장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 피스톤의 단면 형상을 타원(oval)으로 가공하기 위한 피스톤 가공장치로, 장착된 가공대상물을 주축을 중심으로 회전시키기 위한 주축대; 상기 주축대에 의해 회전하는 상기 가공대상물의 외면을 절삭하기 위한 절삭 공구; 상기 절삭 공구가 장착되고, 상기 가공대상물에 대한 절삭 깊이를 결정하는 방향인 X축 방향으로 상기 절삭 공구를 왕복 이송시키는 자기변형 액추에이터; 상기 자기변형 액추에이터에 전력을 인가하는 전력 발생기; 및 상기 자기변형 액추에이터에 의해 발생하는 진동의 주파수 및 변위를 제어하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 가공장치에 의해 달성될 수 있다.
상기 자기변형 액추에이터는, 50Hz 내지 500Hz의 주파수 범위에서 상기 절삭 공구를 왕복 이송시킬 수 있다.
상기 자기변형 액추에이터는, 터페놀-디(Terfenol-D)를 포함할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 가공대상물의 회전속도를 확인하고, 하기의 [수학식 1]에 따라 상기 가공대상물의 회전속도에 대응하도록 상기 자기변형 액추에이터에 의해 발생하는 진동의 주파수를 제어할 수 있다.
[수학식 1]
N = 30 × f
여기서, N : 가공대상물의 회전속도[rpm]
f : 자기변형 액추에이터의 진동 주파수[Hz]
상기 컨트롤러는, 상기 자기변형 액추에이터에 인가되는 전력의 주파수를 변경하기 위한 제어신호를 상기 전력 발생기에 전송하는 것에 의해 상기 자기변형 액추에이터에 의해 발생하는 진동의 주파수를 변경할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 절삭 가공 중 상기 가공대상물의 회전속도의 변화를 실시간으로 반영하여 상기 자기변형 액추에이터에 의해 발생하는 진동의 주파수를 제어할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 가공대상물의 회전속도를 감지하여 상기 가공대상물의 회전속도가 제1 회전속도에서 제2 회전속도로 변경되면, 상기 자기변형 액추에이터에 의해 발생하는 진동의 주파수를 상기 제1 회전속도에 대응하는 제1 주파수에서 상기 제2 회전속도에 대응하는 제2 주파수로 변경할 수 있다.
상기 피스톤 가공장치는, 상기 절삭 공구가 장착된 상기 자기변형 액추에이터를 상기 X축 방향 및 상기 가공대상물의 길이 방향인 Z축 방향으로 위치 이송시키기 위한 X축 및 Z축 이송유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 피스톤 가공장치는, 절삭 가공 중 상기 절삭 공구에서 발생하는 변위를 측정하기 위한 변위측정센서를 더 포함하고, 상기 컨트롤러는, 상기 변위측정센서로부터 전송된 변위 데이터에 기초하여 상기 자기변형 액추에이터에 의해 발생하는 진동의 주파수 및 변위를 피드백 제어할 수 있다.
상기 변위측정센서는, 상기 X축 방향과 교차하는 방향인 Z축 방향 또는 Y축 방향으로 상기 절삭 공구의 측면을 향하도록 배치될 수 있다.
상기 피스톤 가공장치는, 상기 변위측정센서가 상기 자기변형 액추에이터와 실질적으로 동일한 이송 궤적을 갖도록 상기 변위측정센서를 지지하는 브라켓을 더 포함할 수 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 피스톤의 단면 형상을 타원(oval)으로 가공하기 위한 피스톤 가공장치로, 장착된 가공대상물을 주축을 중심으로 회전시키기 위한 주축대; 상기 주축대에 의해 회전하는 상기 가공대상물의 외면을 절삭하기 위한 절삭 공구; 상기 절삭 공구가 장착되고, 상기 가공대상물에 대한 절삭 깊이를 결정하는 방향인 X축 방향으로 상기 절삭 공구를 50Hz 내지 500Hz의 주파수 범위에서 왕복 이송시키는 자기변형 액추에이터; 상기 자기변형 액추에이터에 전력을 인가하는 전력 발생기; 상기 절삭 공구에서 발생하는 변위를 측정하기 위한 변위측정센서; 및 상기 자기변형 액추에이터에 의해 발생하는 진동의 주파수 및 변위를 제어하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 가공장치에 의해 달성될 수 있다.
본 발명은, 피스톤의 단면 형상을 타원(oval)으로 가공함에 있어서 주축을 중심으로 회전하는 가공대상물에 대한 절삭 깊이를 결정하는 방향으로 절삭 공구를 왕복 이송시키는 액추에이터를 자기변형소자를 포함한 자기변형 액추에이터로 마련함으로써, 생산성의 향상 및 가공 품질의 향상 측면에서 바람직한 주축의 회전속도 범위에 대응하는 주파수 범위(특히, 50Hz 내지 500Hz)에서 절삭 공구를 안정적으로 왕복 이송시킬 수 있으므로, 피스톤 가공의 생산성, 정밀도 및 품질을 향상시킬 수 있다. 즉, 본 발명은, 피스톤 가공의 정밀도 및 품질을 충분히 확보하면서도 피스톤 가공의 고속화를 행할 수 있는 고성능의 위치결정용 액추에이터를 구현할 수 있는 것이다.
또한, 본 발명은, 최적의 가공 조건 등을 위해 변경되는 주축의 회전속도에 맞추어 자기변형 액추에이터에 의해 발생하는 진동의 주파수를 쉽고 빠르게 변경할 수 있으므로, 더 효율적이고 유연한 가공 조건으로 피스톤을 가공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 절삭 가공 중 절삭 공구에서 발생하는 변위를 측정하고 이에 기초하여 자기변형 액추에이터의 진동 주파수 및 변위를 피드백 제어함으로써, 자기변형 액추에이터의 진동 주파수 및 변위에 대한 제어 오차를 줄일 수 있고, 결과적으로 피스톤 가공의 정밀도 및 품질을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 서보 모터 방식의 피스톤 가공장치의 일 예를 나타내는 개략적인 평면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 피스톤 가공장치의 개략적인 사시도.
도 3은 도 2의 피스톤 가공장치의 제어 흐름을 설명하기 위한 블록 구성도.
도 4는 도 2에서 이점 쇄선으로 표시된 영역의 확대도.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 피스톤 가공장치의 개략적인 사시도이고, 도 3은 도 2의 피스톤 가공장치의 제어 흐름을 설명하기 위한 블록 구성도이다. 도 4는 도 2에서 이점 쇄선으로 표시된 영역의 확대도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 피스톤 가공장치(100)는 자동차 등의 엔진에 구비되는 피스톤(piston)의 단면 형상을 타원(oval)으로 가공, 즉 피스톤의 둘레를 타원 형상으로 가공하기 위한 것이다. 또한, 본 발명에 따른 피스톤 가공장치(100)는 피스톤의 단면 형상을 타원으로 가공하는 것과 함께, 피스톤의 길이 방향을 따라 미리 정해진 프로파일(profile)을 가공할 수 있다. 참고로, 피스톤의 단면 형상을 타원으로 가공하는 것은 가공대상물(W)을 회전시키는 주축 방향과 가공대상물(W)에 대한 절삭 깊이를 결정하는 X축 방향의 동기 제어를 통해 이루어지고, 피스톤의 길이 방향을 따른 프로파일 가공은 가공대상물(W)을 회전시키는 주축 방향과 절삭 공구(120)의 길이 이송이 이루어지는 Z축 방향의 동기 제어를 통해 이루어질 수 있는데, 이에 대한 자세한 사항은 후술하기로 한다.
본 발명에 따른 피스톤 가공장치(100)는 주축대(110), 절삭 공구(120), X축 및 Z축 이송유닛(130), 자기변형 액추에이터(140), 전력 발생기(150) 및 컨트롤러(160)를 포함할 수 있다. 즉, 피스톤 가공장치(100)는 통상의 선반(Lathe)에 자기변형 액추에이터(130)를 장착하고 이를 구동 및 제어하기 위한 전력 발생기(150) 및 컨트롤러(160)를 구비하는 구조로 구현될 수 있다. 여기서, 컨트롤러(160)는 본 발명의 기술적 사상을 수행하기 위한 하드웨어 및 이를 구동하기 위한 소프트웨어(혹은 프로그램)의 기능적, 구조적 결합에 의해 구현될 수 있다. 예컨대, 컨트롤러(160)는 도 2에 도시된 바와 같은 퍼스널 컴퓨터(10)에 내장된 디지털 신호 프로세서(DSP : Digital Signal Processor), 마이크로 프로세서(Micro Processor) 등으로 구현될 수 있으며, 퍼스널 컴퓨터(10)에 미리 설치된 소프트웨어(software) 또는 펌 웨어(firmware)로 구현될 수도 있다.
주축대(110)는 도 2에 도시된 바와 같이 가공대상물(W)이 클램핑 구조로 장착될 수 있다. 주축대(110)는 장착된 가공대상물(W)을 주축을 중심으로 회전시킬 수 있다. 이를 위해, 주축대(110)는 가공대상물(W)을 요구되는 회전속도(rpm)로 회전시키기 위한 주축 서보 모터(미도시)를 포함할 수 있다. 여기서, 가공대상물(W)은 가공 후 피스톤이 되는 것으로 통상 원형 단면을 갖는 바(bar) 형태로 제공될 수 있다.
절삭 공구(120)는 주축대(110)에 의해 미리 설정된 회전속도로 회전하는 가공대상물(W)의 외면을 소정의 절삭 깊이로 절삭하기 위한 것으로, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 자기변형 액추에이터(130)에 장착될 수 있다. 이때, 절삭 공구(120)는 첨부된 도면들에서는 생략하였지만 공고 홀더(tool holder) 혹은 공구 커넥터(tool connector)를 통해 자기변형 액추에이터(130)에 연결될 수 있다.
X축 및 Z축 이송유닛(130)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 절삭 공구(120)가 장착된 자기변형 액추에이터(140)를 X축 및 Z축 방향으로 위치 이송시키기 위한 수단이다. 여기서 'X축 방향'은 주축과 교차하는 방향으로 절삭 공구(120)가 장착된 자기변형 액추에이터(140)를 가공대상물(W)에 대해 접근 및 이격시키는 방향이고, 'Z축 방향'은 주축의 중심선과 나란한 방향으로 절삭 공구(120)가 장착된 자기변형 액추에이터(140)를 가공대상물(W)의 길이 방향을 따라 이송시키는 방향이라 할 수 있다. 구체적으로, X축 및 Z축 이송유닛(130)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 자기변형 액추에이터(140)가 장착 고정되는 X축 이송테이블(131) 및 X축 이송테이블(131)의 하부를 지지하는 Z축 이송테이블(133)을 포함할 수 있다. 이때, X축 이송테이블(131)은 Z축 이송테이블(133)에 대해 X축 방향으로 이동 가능하게 마련되어 가공대상물(W)의 크기 등에 따라 개략적인 절삭 공구(120)의 위치결정을 행할 수 있다. 그리고 Z축 이송테이블(133)은 선반 베드(115) 상에서 Z축 방향으로 이동 가능하게 마련되어 절삭 공구(120)를 가공대상물(W)의 길이 방향을 따른 위치결정을 행할 수 있다. 참고로, 본 실시예에서 X축 이송테이블(131)은 리니어 모터(linear motor)와 LM 가이드(linear motion guide)의 구동 메커니즘을 사용하고, Z축 이송테이블(133)은 볼 스크류(ball screw)와 서보 모터(servo motor)의 구동 메커니즘을 사용하나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며 X축 이송테이블(131)과 Z축 이송테이블(133)의 구동 메커니즘은 적절히 변경될 수 있음은 물론이다.
자기변형 액추에이터(140)는 가공대상물(W)의 둘레를 타원 형상으로 절삭하도록, 절삭 공구(120)에 의한 가공대상물(W)의 절삭 가공시 가공대상물(W)에 대한 절삭 깊이를 결정하는 방향인 X축 방향으로 미소량 만큼 절삭 공구(120)를 고속으로 왕복 이송시킬 수 있다. 여기서, 자기변형 액추에이터(140)는 50Hz 내지 500Hz 주파수 범위에서 절삭 공구(120)를 왕복 이송시키는 것이 바람직한데, 이러한 수치 한정의 기술적 의미에 대해서는 컨트롤러(160) 구성과 함께 후술하기로 한다.
구체적으로, 자기변형 액추에이터(140)는 절삭 공구(120)가 장착되는 자기변형 진동부(145)를 포함하는데, 자기변형 진동부(145)는 자기적 에너지를 기계적인 에너지로 변환하는 자기변형소자(magnetostrictive device)를 포함하여 미리 설정된 주파수 및 변위를 갖는 진동을 발생시킨다. 여기서, 자기변형소자는 널리 사용되는 압전소자와 함께 구동에너지에 의해 발생하는 고체의 탄성 변형을 출력으로 이용하는 고체변위소자 중 하나로, 자기적 에너지를 기계적인 에너지(변위 혹은 응력 등)로 변환하는, 즉 주위에 자계가 인가되면 전체 에너지를 최소로 보존하기 위하여 길이가 변화하는 특성을 갖는 소자로서, 현재 선형모터, 미소변위조절, 센서 등의 분야에서 극히 제한적으로 사용되고 있다.
다시 말해서, 자기변형 액추에이터(140)에 소정의 전력이 인가되면, 자기변형소자의 주위에 자계가 형성되고, 형성된 자계에 의해 자기변형소자는 그 길이가 변화하여 기계적인 진동을 발생시킨다. 이를 위해 자기변형 액추에이터(140)는 자기변형소자의 주위에 자계를 형성하기 위한 수단, 예컨대 자기변형소자를 에워싸는 코일 등을 포함할 수 있다. 한편, 자기변형 액추에이터(140)는 0 ~ 1,500Hz 또는 0 ~ 2,500Hz의 가변 주파수 범위를 갖는 진동을 발생시키는 제품 등이 상용화되어 있다. 따라서, 자기변형 액추에이터(140)는 앞서 언급한 바람직한 주파수 범위, 즉 50Hz 내지 500Hz의 주파수 범위에서 절삭 공구(120)를 왕복 이송시키는 것이 가능함은 물론, 그 동작에 대한 신뢰성이 충분히 확보될 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 자기변형 진동부(145)를 구성하는 자기변형소자로서 터페놀-디(Terfenol-D)를 사용하고 있다. 터페놀-디는 가장 대표적인 자기변형소자로, Tbx Dy1 -x Fey 의 화학식(x = 0.27 ~ 0.3, y = 1.9 ~ 2.0)을 갖는 단결정 합금이다. 이러한 터페놀-디는 상당히 넓은 주파수대역에서 거의 일정하고 큰 변위를 발생시킬 수 있으며 응답 속도가 수 ㎲ 정도로 매우 빠르다는 이점이 있다. 또한, 터페놀-디는 상당히 긴 시간 동안 사용해도 피로 현상이 일어나지 않으므로 동작 특성을 오랜 시간 동안 일정하게 유지시킬 수 있으며, 공진 주파수대를 이용하면 훨씬 큰 변위를 얻을 수도 있다.
전력 발생기(150, power generator)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 자기변형 액추에이터(140)와 전기적으로 연결되어 자기변형 액추에이터(140)에 소정의 전력을 인가할 수 있다. 전력 발생기(150)에 의해 자기변형 액추에이터(140)에 인가되는 전력은 자기변형 액추에이터(140)의 자기변형소자 주위에 자계를 형성하기 위한 에너지로 사용된다. 이때, 자기변형 액추에이터(140)에 의해 발생하는 진동의 특성, 즉 진동의 주파수 및 변위는 전력 발생기(150)에 의해 자기변형 액추에이터(140)에 인가되는 전력의 특성, 즉 전력의 주파수 및 전력의 세기 등에 의해 결정되므로, 전력 발생기(150)는 자기변형 액추에이터(140)에 인가되는 전력의 주파수 및 전력의 세기 등을 일정 범위 내에서 변경할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
컨트롤러(160, controller)는 도 3에 도시된 바와 같이 자기변형 액추에이터(140)에 의해 발생하는 진동의 주파수 및 변위를 제어할 수 있다. 구체적으로, 컨트롤러(160)는 가공대상물(W)의 회전속도, 즉 주축의 회전속도를 확인하고, 이에 대응하도록 자기변형 액추에이터(140)에 의해 발생하는 진동의 주파수를 제어할 수 있다.
일반적으로, 가공대상물(W)의 단면 형상을 타원으로 절삭 가공하기 위해서는 가공대상물(W)을 회전시키는 주축 방향, 가공대상물(W)에 대한 절삭 깊이를 결정하는 X축 방향의 동기 제어가 중요한데, 특히 주축 1회전당 절삭 공구(120)는 자기변형 액추에이터(140)에 의해 X축 방향으로 2회 왕복 이송하여야 한다. 따라서, 주축의 회전속도를 N[rpm], 자기변형 액추에이터(140)에 의해 발생하는 진동의 주파수를 f[Hz]라 하면, 아래의 [수학식 1]과 같은 관계가 성립하고, 컨트롤러(160)는 가공대상물(W)의 회전속도에 대응하도록 아래의 [수학식 1]에 따라 자기변형 액추에이터(140)의 진동 주파수를 제어할 수 있다.
[수학식 1]
N = 30 × f
여기서, N : 가공대상물의 회전속도[rpm]
f : 자기변형 액추에이터의 진동 주파수[Hz]
이때, 자기변형 액추에이터(140)에 의해 발생하는 진동의 주파수는 앞서 설명한 바와 같이 전력 발생기(150)에 의해 자기변형 액추에이터(140)에 인가되는 전력의 주파수에 따라 달라지므로, 컨트롤러(160)는 자기변형 액추에이터(140)에 인가되는 전력의 주파수를 변경하기 위한 제어신호를 전력 발생기(150)에 전송하는 것만으로 자기변형 액추에이터(140)에 의해 발생하는 진동의 주파수를 변경할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 피스톤 가공장치(100)는 최적의 가공 조건 등을 위해 주축의 회전속도(N)를 변경할 필요가 있을 때, 이에 맞추어 자기변형 액추에이터(140)에 의해 발생하는 진동의 주파수를 쉽고 빠르게 변경할 수 있다는 이점이 있다. 이는 본 발명에서 절삭 공구(120)를 X축 방향으로 왕복 이송시키는 수단으로 자기변형소자를 포함한 자기변형 액추에이터(140)를 적용한 결과라 할 수 있으며, 앞서 [배경 기술]에서 언급한 바와 같이 자기변형 액추에이터(140) 대신에 압전소자를 포함한 압전 액추에이터를 적용한다면 공진 주파수 설계에 따른 제한 등에 의해 진동의 주파수를 변경하는 것이 현실적으로 불가능하거나 가능하더라도 압전 액추에이터의 구성 부품(예컨대, 부스터(booster) 및/또는 증폭 혼(horn))을 교체하고 다시 세팅해야 하는 번거로움이 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 자기변형 액추에이터(140)는 50Hz 내지 500Hz 주파수 범위에서 절삭 공구(120)를 왕복 이송시키는 것이 바람직한데, 즉 자기변형 액추에이터(140)의 진동 주파수(f)는 50Hz 내지 500Hz의 범위에 있는 것이 바람직한데, 이는 통상 선반에서 1,500rpm 내지 15,000rpm의 범위를 갖는 주축의 회전속도(N)로 가공대상물을 절삭 가공하는 것이 생산성의 향상 및 가공 품질의 향상 측면에서 바람직하다고 알려져 있기 때문이다. 주축의 회전속도(N)가 1500rpm 내지 15000rpm의 범위에 있는 것이 바람직하기 때문이다. 이때, 주축의 회전속도(N)가 1,500rpm 내지 15,000rpm의 범위를 만족하려면, 자기변형 액추에이터(140)의 진동 주파수(f)는 위의 [수학식 1]에 따라 50Hz 내지 500Hz의 범위를 가져야 한다. 이러한 측면에서 통상 20,000Hz 이상의 진동 주파수를 갖는 압전 액추에이터는 피스톤의 단면 형상을 타원으로 가공하기 위한 피스톤 가공장치에서 지나치게 높은 주축의 회전속도(N)가 요구되므로, 현실적으로 적용이 불가능하거나 진동 주파수를 낮추기 위한 기술을 도입해야하는 문제점이 있다. 참고로, 주축의 회전속도(N)가 1000rpm 이하이면 가공 속도가 떨어져 생산성이 저하됨은 물론, 가공대상물에서 절삭면의 표면상태가 나빠지는 문제점이 있다.
한편, 절삭 가공 중 가공대상물(W)의 회전속도가 미리 설정된 값에서 오차가 발생하는 경우가 있는데, 이러한 경우를 대비하여 컨트롤러(160)는 절삭 가공 중 가공대상물(W)의 회전속도의 변화를 실시간으로 반영하여 자기변형 액추에이터(140)의 진동 주파수를 제어할 수 있다. 구체적으로, 컨트롤러(160)는 가공대상물(W)의 회전속도를 감지하여 가공대상물(W)의 회전속도가 제1 회전속도에서 제2 회전속도로 변경되면, 자기변형 액추에이터(140)의 진동 주파수를 상기 제1 회전속도에 대응하는 제1 주파수에서 상기 제2 회전속도에 대응하는 제2 주파수로 변경할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 피스톤 가공장치(100)는 더욱 향상된 가공 정밀성을 확보할 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 피스톤 가공장치(100)는 절삭 가공 중 절삭 공구(120)에서 발생하는 변위를 측정하기 위한 변위측정센서(170)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 변위측정센서(170)를 통해 얻은 변위 데이터는 컨트롤러(160)로 전송되고, 컨트롤러(160)는 상기 변위 데이터에 기초하여 자기변형 액추에이터(140)에 의해 발생하는 진동의 주파수 및 변위를 피드백 제어할 수 있다. 구체적으로, 컨트롤러(160)는 변위측정센서(170)로부터 전송된 변위 데이터를 분석하여 실제 절삭 공구(120)에서 발생하는 진동의 주파수 및 변위의 값을 확인하고, 이를 컨트롤러(160)에서 의도한 목표 값과 비교할 수 있다. 비교 결과, 실제 값과 목표 값이 일치하지 않는 경우에는 컨트롤러(160)는 목표 값을 추종하기 위한 보정된 제어신호를 전력 발생기(150)로 전송함으로써 자기변형 액추에이터(140)의 진동 주파수 및 변위를 피드백 제어할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 피스톤 가공장치(100)는 자기변형 액추에이터(140)의 진동 주파수 및 변위에 대한 제어 오차를 줄일 수 있고, 결과적으로 피스톤 가공의 정밀도 및 품질을 더욱 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 변위측정센서(170)는 광 센서 혹은 광학 센서로 제공될 수 있다. 이때, 절삭 공구(120)가 X축 방향으로 변위가 발생하므로 변위측정센서(170)는 통상 X축 방향으로 절삭 공구(120)의 전면을 향하도록 배치되는 것이 바람직하나, 절삭 가공 중에는 가공대상물(W)에 의한 간섭으로 인해 X축 방향으로 직접 측정하는 것이 현실적으로 어렵다. 이에 따라, 변위측정센서(170)는 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 X축 방향과 교차하는 Z축 방향으로 절삭 공구(120)의 측면을 향하도록 배치되는 것이 바람직하다. 이와 다르게, 변위측정센서(170)는 X축 방향과 교차하는 Y축 방향으로 절삭 공구(120)의 측면을 향하도록 배치될 수도 있다. 한편, 절삭 공구(120)의 측면에는 광학 센서에 의해 인식될 수 있는 마커(marker)가 부착될 수 있다.
한편, 변위측정센서(170)가 절삭 가공 중 절삭 공구(120)에서 발생하는 변위를 정확하게 측정하기 위해서는, 절삭 공구(120)가 장착된 자기변형 액추에이터(140)와 실질적으로 동일한 이송 궤적을 갖도록 구성되어야 한다. 이를 위해, 본 발명에 따른 피스톤 가공장치(100)는 변위측정센서(170)가 자기변형 액추에이터(140)와 동일한 이송 궤적을 갖도록 변위측정센서(170)를 지지하는 브라켓(175)을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 브라켓(175)은 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 자기변형 액추에이터(140)가 장착된 X축 이송테이블(131)에 일단부가 고정되어 절삭 공구(120)가 장착된 자기변형 액추에이터(140)와 함께 움직이는 것이 가능하다. 이와 다르게, 브라켓(175)은 자기변형 액추에이터(140)에 직접 고정될 수 있는데, 이 경우에는 자기변형 진동부(145)를 제외한 자기변형 액추에이터(140)의 부분, 즉 비진동하는 부분에 브라켓(175)의 일단부가 고정되어야 할 것이다. 한편, 절삭 공구(120)를 향하도록 배치된 브라켓(175)의 타단부에는 변위측정센서(170)가 장착될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 피스톤 가공장치는 피스톤의 단면 형상을 타원(oval)으로 가공함에 있어서 주축을 중심으로 회전하는 가공대상물에 대한 절삭 깊이를 결정하는 방향으로 절삭 공구를 왕복 이송시키는 액추에이터를 자기변형소자를 포함한 자기변형 액추에이터로 마련함으로써, 생산성의 향상 및 가공 품질의 향상 측면에서 바람직한 주축의 회전속도 범위에 대응하는 주파수 범위(특히, 50Hz 내지 500Hz)에서 절삭 공구를 안정적으로 왕복 이송시킬 수 있으므로, 피스톤 가공의 생산성 및 품질을 모두 향상시킬 수 있다. 즉, 본 발명은 피스톤 가공의 정밀도 및 품질을 충분히 확보하면서도 피스톤 가공의 고속화를 행할 수 있는 고성능의 위치결정용 액추에이터를 구현할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 따른 피스톤 가공장치는 종래의 리니어 모터 방식의 피스톤 가공장치와 압전 액추에이터 방식의 피스톤 가공장치가 갖는 문제점들을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 피스톤 가공장치는, 종래의 피스톤 가공장치(특히, 압전 액추에이터 방식의 피스톤 가공장치)에 비해, 최적의 가공 조건 등을 위해 변경되는 주축의 회전속도에 맞추어 자기변형 액추에이터에 의해 발생하는 진동의 주파수를 쉽고 빠르게 변경할 수 있으므로, 더 효율적이고 유연한 가공 조건으로 피스톤을 가공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 피스톤 가공장치는, 절삭 가공 중 절삭 공구에서 발생하는 변위를 측정하고 이에 기초하여 자기변형 액추에이터의 진동 주파수 및 변위를 피드백 제어함으로써, 자기변형 액추에이터의 진동 주파수 및 변위에 대한 제어 오차를 줄일 수 있고, 결과적으로 피스톤 가공의 정밀도 및 품질을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100 : 피스톤 가공장치
110 : 주축대
120 : 절삭 공구
130 : X축 및 Z축 이송유닛
131 : X축 이송테이블
133 : Z축 이송테이블
140 : 자기변형 액추에이터
145 : 자기변형 진동부
150 : 전력 발생기
160 : 컨트롤러
170 : 변위측정센서
175 : 브라켓

Claims (12)

  1. 피스톤의 단면 형상을 타원(oval)으로 가공하기 위한 피스톤 가공장치로,
    장착된 가공대상물을 주축을 중심으로 회전시키기 위한 주축대;
    상기 주축대에 의해 회전하는 상기 가공대상물의 외면을 절삭하기 위한 절삭 공구;
    상기 절삭 공구가 장착되고, 상기 가공대상물에 대한 절삭 깊이를 결정하는 방향인 X축 방향으로 상기 절삭 공구를 왕복 이송시키는 자기변형 액추에이터;
    상기 자기변형 액추에이터에 전력을 인가하는 전력 발생기; 및
    상기 자기변형 액추에이터에 의해 발생하는 진동의 주파수 및 변위를 제어하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 가공장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자기변형 액추에이터는,
    50Hz 내지 500Hz의 주파수 범위에서 상기 절삭 공구를 왕복 이송시키는 것을 특징으로 하는 피스톤 가공장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 자기변형 액추에이터는,
    터페놀-디(Terfenol-D)를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 가공장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 가공대상물의 회전속도를 확인하고, 하기의 [수학식 1]에 따라 상기 가공대상물의 회전속도에 대응하도록 상기 자기변형 액추에이터에 의해 발생하는 진동의 주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는 피스톤 가공장치.
    [수학식 1]
    N = 30 × f
    여기서, N : 가공대상물의 회전속도[rpm]
    f : 자기변형 액추에이터의 진동 주파수[Hz]
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 자기변형 액추에이터에 인가되는 전력의 주파수를 변경하기 위한 제어신호를 상기 전력 발생기에 전송하는 것에 의해 상기 자기변형 액추에이터에 의해 발생하는 진동의 주파수를 변경하는 것을 특징으로 하는 피스톤 가공장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    절삭 가공 중 상기 가공대상물의 회전속도의 변화를 실시간으로 반영하여 상기 자기변형 액추에이터에 의해 발생하는 진동의 주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는 피스톤 가공장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 가공대상물의 회전속도를 감지하여 상기 가공대상물의 회전속도가 제1 회전속도에서 제2 회전속도로 변경되면, 상기 자기변형 액추에이터에 의해 발생하는 진동의 주파수를 상기 제1 회전속도에 대응하는 제1 주파수에서 상기 제2 회전속도에 대응하는 제2 주파수로 변경하는 것을 특징으로 하는 피스톤 가공장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 피스톤 가공장치는,
    상기 절삭 공구가 장착된 상기 자기변형 액추에이터를 상기 X축 방향 및 상기 가공대상물의 길이 방향인 Z축 방향으로 위치 이송시키기 위한 X축 및 Z축 이송유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 가공장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 피스톤 가공장치는, 절삭 가공 중 상기 절삭 공구에서 발생하는 변위를 측정하기 위한 변위측정센서를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 변위측정센서로부터 전송된 변위 데이터에 기초하여 상기 자기변형 액추에이터에 의해 발생하는 진동의 주파수 및 변위를 피드백 제어하는 것을 특징으로 하는 피스톤 가공장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 변위측정센서는,
    상기 X축 방향과 교차하는 방향인 Z축 방향 또는 Y축 방향으로 상기 절삭 공구의 측면을 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 피스톤 가공장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 피스톤 가공장치는,
    상기 변위측정센서가 상기 자기변형 액추에이터와 실질적으로 동일한 이송 궤적을 갖도록 상기 변위측정센서를 지지하는 브라켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 가공장치.
  12. 피스톤의 단면 형상을 타원(oval)으로 가공하기 위한 피스톤 가공장치로,
    장착된 가공대상물을 주축을 중심으로 회전시키기 위한 주축대;
    상기 주축대에 의해 회전하는 상기 가공대상물의 외면을 절삭하기 위한 절삭 공구;
    상기 절삭 공구가 장착되고, 상기 가공대상물에 대한 절삭 깊이를 결정하는 방향인 X축 방향으로 상기 절삭 공구를 50Hz 내지 500Hz의 주파수 범위에서 왕복 이송시키는 자기변형 액추에이터;
    상기 자기변형 액추에이터에 전력을 인가하는 전력 발생기;
    상기 절삭 공구에서 발생하는 변위를 측정하기 위한 변위측정센서; 및
    상기 자기변형 액추에이터에 의해 발생하는 진동의 주파수 및 변위를 제어하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 가공장치.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102231384B1 (ko) * 2020-09-02 2021-03-24 주식회사 태강기업 마찰 용접기

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