KR20150041328A - 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치 및 변환 방법 - Google Patents

공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치 및 변환 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공작기계의 작동상태나 다양한 공작기계의 종류에 따라 공구측정유닛에 의해 측정된 기준공구의 길이 또는 직경 데이터와 온도측정유닛에 의해 측정된 온도 데이터에 의해 실시간으로 현재 공작기계의 열변위 상태에 최적화될 수 있도록 공작기계의 열변위 보정식의 보정 파라메터를 자동으로 변환하여 열변위에 따른 가공오차를 최소화하여 공작기계의 가공정밀도를 향상시킬 수 있는 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치 및 변환 방법에 관한 것이다.

Description

공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치 및 변환 방법{Automatic conversion device of themal deformation compensation parameter automatic conversion for machine tool and method thereof}
본 발명은 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치 및 변환 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공구측정유닛에 의해 측정된 기준공구의 길이 또는 직경 데이터와 온도측정유닛에 의해 측정된 온도 데이터에 의해 실시간으로 공작기계의 열변위 보정식의 보정 파라메터를 자동으로 변환하여 가공정밀도를 향상시킬 수 있는 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치 및 변환 방법에 관한 것이다.
터닝센터, 머시닝센터, 문형머시닝센터, 스위스 턴, 방전 가공기, 수평형 NC 보링머신, CNC 선반 등을 비롯한 다양한 종류의 공작기계는 다양한 산업 현장에서 해당 작업의 용도에 맞게 널리 사용되고 있다.
도 1에 도시된 것처럼, 일반적으로 현재 사용되고 있는 다양한 종류의 공작기계는 수치제어(numerical control, NC) 또는 CNC(computerized numerical control) 기술이 적용되는 조작반(9)을 구비하며, 이러한 조작반(9)은 다양한 기능스위치(또는 조작버튼)와 작동상태를 사용자에게 시각적으로 보여주기 위한 모니터를 구비하고 있다.
또한, 도 1에 도시된 것처럼 일반적으로 공작기계(1)의 주축(2), 주축(2)을 구동하는 주축모터(3), 주축(2)을 지지하는 컬럼(4), 공작물(W)이 위치되는 테이블(5), 베드(6), 주축(2)의 일부에 장착되는 공구(8)는 대부분 금속으로 형성된다.
오늘날의 공작기계는 생산성 향상을 위해 고속으로 운전하여 많은 제품을 가공하여야만 한다. 또한, 오늘날에 공작기계는 각종 장비의 소형화 추세에 따라 고정밀도로 공작물을 가공할 것이 요구된다.
공작물을 가공정밀도를 향상하기 위해서는 기하학적인 오차, 열변형에 따른 오차를 최소화하여야 한다.
공작물의 가공오차는 일차적으로 공작기계를 구성하고 있는 각 구성요소들의 조립 상태나 기하학적인 상태에 의해 발생하는 위치 오차, 각변위 오차, 진직도 및 직각도 등에 의해 영향을 받는다.
공작기계를 형성하는 대부분의 구성요소들은 금속으로 형성되기 때문에 공작기계의 생산성 향상을 위해 공작기계를 고속으로 장시간 운전하게 되면 공작물의 가공중에 공구와 공작물의 마찰에 의해 발생하는 절삭열, 주축의 고속회전에 의해 발생하는 주축 마찰열, 이송축의 반복적인 이송에 따라 이송축에서 발생하는 마찰열, 절삭유의 순환에 따라 발생하는 대류열, 공작기계 주변의 주위 열 등에 열변형이 발생하게 된다.
이러한 열변형은 공작물의 가공오차에 훨씬 많은 영향을 미치게 된다.
따라서, 공작기계의 가공정밀도를 향상하기 위해서는 공작기계의 열변형에 따른 가공오차를 최소화할 필요가 있다.
종래 공작기계의 열변형 오차 보정장치는 열변형에 따른 가공오차를 최소화하기 위해 표본으로 추출된 1~2대의 공작기계의 주축의 상단부와 하단부에 2개의 온도센서를 장착하고, 도 2에 도시된 것처럼 이러한 온도센서 데이터와 열변위 오차 데이터 간의 관계를 선형화하여 열변위 보정 파라메터를 도출하고, 이러한 고정된 열변위 보정 파라메터가 적용된 열변위 보정량 계산식을 이용하여 열변위 보정량을 산출하였다.
즉, 종래 공작기계의 열변형 오차 보정장치는 장비 호기(장비의 종류)간의 온도변화에 따른 열변위 오차의 특성을 고려하지 않고 대표 호기에서 추출된 고정된 열변위 보정 파라메터가 적용된 열변위 보정량 계산식에 의해 열변위 보정량을 계산하여 열변위 보정량을 산출함에 따라 장비 호기 별로 정확한 열변위 오차 보정이 되지 않고, 가공정밀도가 감소하는 문제점이 있었다.
더욱이, 같은 장비내에서도 사용기간이나 사용상태에 따라 새로운 고정된 열변위 보정 파라메터를 산출하기 위해 공작기계를 정지하고 이를 다시 산출해야 함에 따라 생산효율이 감소되는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0054523호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 작동상태나 다양한 공작기계의 종류에 따라 공구측정유닛에 의해 측정된 기준공구의 길이 또는 직경 데이터와 온도측정유닛에 의해 측정된 온도 데이터에 의해 실시간으로 현재 공작기계의 열변위 상태에 최적화될 수 있도록 공작기계의 열변위 보정식의 보정 파라메터를 자동으로 변환하여 열변위에 따른 가공오차를 최소화하여 공작기계의 가공정밀도를 향상시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 조작반 및 공작물의 가공을 위한 공구가 장착되는 주축을 구비하는 공작기계에 있어서, X축, Y축, 또는 Z축의 열변위 보정을 위한 기본 데이터를 저장하는 기본 열변위 보정 데이터 저장부; 기준공구의 길이 또는 직경을 측정할 수 있는 공구측정유닛; 상기 공작기계의 복수지점에 설치되는 복수의 온도측정유닛; 상기 공구측정유닛에 의해 측정된 기준공구의 길이 또는 직경 데이터를 저장하는 기준공구 데이터 저장부; 상기 복수의 온도측정유닛에서 측정된 온도 데이터를 저장하는 온도 데이터 저장부; 및 제어부;를 포함하고,측정된 기준공구의 길이 또는 직경과 온도에 따라 열변위 보정 파라메터가 변환되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치의 바람직한 다른 실시예에서, 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치는 상기 공구측정유닛에 의해 측정되는 기준공구의 측정대상을 선택할 수 는 기준공구 측정 대상 선택부; 및 열변위 보정 파라메터 자동 변환 기능 설정부;를 더 포함하되, 상기 기준공구 측정 대상 선택부에서 상기 공구측정유닛에 의해 측정되는 기준공구의 측정대상이 길이인 경우에는 Z축의 열변위 보정 파라메터가 자동으로 변환되고, 상기 기준공구 측정 대상 선택부에서 상기 공구측정유닛에 의해 측정되는 기준공구의 측정대상이 직경인 경우에는 X축 또는 Y축의 열변위 보정 파라메터가 자동으로 변환될 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치의 바람직한 다른 실시예에서, 제어부는 상기 기본 열변위 보정 데이터 저장부에 저장된 기준공구의 길이 또는 직경 값과 상기 기준공구 데이터 저장부에 저장된 기준공구의 길이 또는 직경 값이 일치하는지 여부를 판단하는 기준공구의 길이 또는 직경 변화 판단부; 상기 기준공구의 길이 또는 직경 변화 판단부의 판단 결과, 기준공구의 길이 또는 직경이 변화된 경우 변경된 기준공구의 길이 또는 직경 값과 온도에 따라 열변위 보정 파라메터를 계산하는 보정 파라메터 계산부; 상기 보정 파라메터 계산부에서 계산된 보정 파라메터를 저장하는 보정 파라메터 저장부; 상기 보정 파라메터 저장부에 저장된 보정 파라메터로 상기 기본 열변위 보정 데이터 저장부에 저장된 상기 X축, Y축, 또는 Z축의 열변위 보정식의 보정 파라메터를 변환하는 보정 파라메터 변환부; 및 상기 보정 파라메터 변환부에 의해 변환된 보정 파라메터를 적용한 열변위 보정식에 의해 X축, Y축, 또는 Z축의 열변위 보정량을 계산하는 열변위 보정량 계산부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치의 바람직한 다른 실시예에서, 보정 파라메터 계산부는
Figure pat00001
식(5)로 계산될 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치의 바람직한 다른 실시예에서, 열변위 보정량 계산부는 (a1+△1)(t1-T1)+(a2+△2)(t2-T2)+ ··+(an+△n)(tn-Tn)=열변위 보정량의 식(6)으로 계산될 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위해 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 방법은 열변위 보정 파라메터 자동 변환 기능 설정부에서 열변위 보정 파라메터 자동 변환 기능을 선택하는 단계; 기본 열변위 보정 데이터 저장부에 X축, Y축, 또는 Z축의 열변위 보정을 위한 기본 데이터를 저장하는 단계; 기준공구 측정 대상 선택부에서 공구측정유닛에 의해 측정되는 기준공구의 측정대상인 길이 또는 직경을 선택하는 단계; 기준공구 데이터 저장부에 상기 공구측정유닛에 의해 측정된 기준공구의 길이 또는 직경 데이터를 저장하는 단계; 온도측정유닛에 의해 온도를 측정하는 단계; 온도 데이터 저장부에 상기 온도측정유닛에서 측정된 온도 데이터를 저장하는 단계; 기준공구의 길이 또는 직경 변화 판단부에서 상기 기본 열변위 보정 데이터 저장부에 저장된 이전의 기준공구의 길이 또는 직경 값과 상기 기준공구 데이터 저장부에 저장된 현재 기준공구의 길이 또는 직경 값이 일치하는지 여부를 판단하는 단계; 기준공구의 길이 또는 직경이 변화된 경우에, 상기 보정 파라메터 계산부에서 변경된 기준공구의 길이 또는 직경 값과 온도에 따라 열변위 보정 파라메터를 계산하는 단계; 보정 파라메터 저장부에 상기 보정 파라메터 계산부에서 계산된 열변위 보정 파라메터를 저장하는 단계; 및 보정 파라메터 변환부에서 상기 보정 파라메터 저장부에 저장된 열변위 보정 파라메터로 상기 기본 열변위 보정 데이터 저장부에 저장된 상기 X축, Y축, 또는 Z축의 열변위 보정식의 열변위 보정 파라메터를 변환하는 단계;로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 방법은 X축, Y축, 또는 Z축의 열변위 보정식의 보정 파라메터를 변환하는 단계 이후에, 열변위 보정량 계산부에서 상기 보정 파라메터 변환부에 의해 변환된 보정 파라메터를 적용하여 X축, Y축, 또는 Z축의 열변위 보정량을 계산하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치 및 변환 방법은 현재 공작기계의 가공상태나 공작기계의 다양한 종류에 따라 정확한 열변위 오차 보정이 가능하여 가공정밀도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치 및 변환 방법은 동일한 장비내에서 장비 상태에 따라 열변위 보정 파라메터를 실시간으로 변환하고, 다양한 종류의 공작기계에 적용될 수 있어, 열변위 보정 파라메터를 산출하기 위해 소요되는 시간과 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
더욱이, 본 발명에 의한 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치 및 변환 방법은 열변위 보정 파라메터 산출에 시간을 최소화하여 공작기계의 가공시간을 극대화시켜 공작기계의 생산효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 공작기계의 열변위를 보정하기 위한 장치 및 조작반을 나타낸다.
도 2는 종래 공작기계에서 열변위를 보정하기 위한 열변위 보정식을 도출하기 위한 그래프를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치의 블록도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에서 열변위 보정 파라메터를 자동으로 변환하기 위해 보정 파라메터가 계산되는 조작반의 화면을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 방법의 절차도를 나타낸다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 부호를 가지도록 하고 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치(100)의 블록도를 나타내고, 도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에서 열변위 보정 파라메터를 자동으로 변환하기 위해 보정 파라메터가 계산되는 조작반(9)의 화면을 나타낸다.
도 3 내지 도 4를 참고하여 본 발명에 의한 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치(100)를 설명한다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치(100)는 기본 열변위 보정 데이터 저장부(20), 공구측정유닛(30), 온도측정유닛(40), 기준공구 데이터 저장부(50), 온도 데이터 저장부(60), 및 제어부(70)로 이루어진다.
또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치(100)는 기준공구 측정 대상 선택부(10)와 열변위 보정 파라메터 자동 변환 기능 설정부(80)를 더 포함한다.
반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 열변위 보정 파라메터 자동 변환 기능 설정부(80)는 조작반(9)의 일부에 스위치 또는 버튼 형태로 설치된다. 열변위 보정 파라메터 자동 변환 기능 설정부(80)에서 열변위 보정 파라메터 자동 변환 기능을 선택하지 않은 경우 본 발명에 의한 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치 기능이 작동하지 않게 된다.
기준 열변위 보정 데이터 저장부(20)는 X축, Y축, 또는 Z축의 열변위 보정을 위한 기본 데이터를 저장한다.
기본 열변위 보정 데이터 저장부(20)에는 공작물의 가공에 따른 열변위가 발생하기 전의 표준상태에서 기준공구의 길이와 직경에 대한 데이터, 온도 오프셋(Tn) 데이터, 기본 열변위 보정량 파라메터(an), 기본 열변위 보정량 계산식이 저장된다.
기본 열변위 보정량 계산식은 상술한 바와 같이 하기 식(1)로 구할 수 있다.
열변위 보정량 = (a1)(t1-T1)+(a2)(t2-T2)+ ··+(an)(tn-Tn) ------ 식(1)
an : n번째 보정 파라메터
tn : n번째 온도데이터
Tn : n번째 온도 오프셋
반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면 기준공구 측정 대상 선택부(10)는 조작반(9)의 일부에 스위치 또는 버튼 형태로 설치된다. 기준공구 측정 대상 선택부(10)는 공구측정유닛(30)에 의해 측정되는 기준공구의 측정대상을 선택하게 된다.
기준공구 측정 대상 선택부(10)는 공구측정유닛(30)으로 기준공구의 길이를 측정할 것인지, 기준공구의 직경을 측정할 것인지를 결정하게 하는 기능을 수행한다.
따라서, 기준공구 측정 대상 선택부(10)에서 공구측정유닛(30)에 의해 측정되는 기준공구의 측정대상이 길이인 경우에는 Z축의 열변위 보정 파라메터가 자동으로 변환되고, 기준공구 측정 대상 선택부(10)에서 공구측정유닛(30)에 의해 측정되는 기준공구의 측정대상이 직경인 경우에는 X축 또는 Y축의 열변위 보정 파라메터가 자동으로 변환되게 된다.
기준공구 측정 대상 선택부(10)에서 기준공구의 측정대상이 선택되면, 공구측정유닛(30)이 기준공구의 길이 또는 직경을 측정한다. 이러한 공구측정유닛(30)은 가공공간의 확보를 위해 분리된 부품형태인 것이 바람직하나, 필요에 따라 공작기계(1)의 일부에 고정설치될 수도 있다.
온도측정유닛(40)은 공작기계(1) 일부에 설치된다. 설치되는 온도측정유닛은 필요에 따라 공작기계의 복수지점인 주축의 상단과 하단, 컬럼, 주축 모터, 테이블, 베드 등에 복수개로 설치된다. 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면 이러한 온도측정유닛(40)은 온도센서와 센서 인터페이스 유닛으로 형성된다.
기준공구 데이터 저장부(50)는 조작반(9)의 일부(보다 구체적으로는 수치제어장치(NC)의 내부 메모리의 일부)에 설치되고, 공구측정유닛(30)에 의해 측정된 기준공구의 길이 또는 직경 데이터를 저장한다.
온도 데이터 저장부(60)는 조작반(9)의 일부(보다 구체적으로는 수치제어장치(NC)의 내부 메모리의 일부)에 설치되고, 복수의 온도측정유닛(40)에서 측정된 온도 데이터를 저장한다.
제어부(70)는 조작반(9)의 일부에 설치된다.
열변위가 있는 상태에서 기준공구 측정 대상 선택부(10)에서 선택된 기준공구의 길이와 직경 데이터를 이용하여 열변위 보정 파라미터를 다시 계산하고 변경할 경우에는 열변위가 있는 상태에서 기준공구 위치가 기준위치가 되기 때문에, 기준공구의 길이 또는 직경이 항상 그 기준위치에 대해 일정하도록 열변위 보정 파라메터가 계산된다.
도 3에 도시된 것처럼, 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따르면 제어부(70)는 기준공구의 길이 또는 직경 변화 판단부(71), 보정 파라메터 계산부(72), 보정 파라메터 저장부(73), 보정 파라메터 변환부(74), 및 열변위 보정량 계산부(75)를 포함한다.
기준공구의 길이 또는 직경 변화 판단부(71)는 기본 열변위 보정 데이터 저장부(20)에 저장된 열변위가 발생하기 전의 기준공구의 길이 또는 직경 값과 기준공구 데이터 저장부(50)에 저장된 현재 기준공구의 길이 또는 직경 값이 일치하는지 여부를 판단한다.
공구측정유닛(30)에 의해 측정된 현재의 기준공구 길이 또는 직경 값이 가공 전의 기준공구의 길이 또는 직경 값과 일치하지 않고 변화가 있다면, 기본 열변위 보정 데이터 저장부(20)에 저장된 기본 열변위 보정량 파라메터에 오차 혹은 변화가 있다고 가정할 수 있다. 즉, 이러한 경우 열변위 보정 오차가 발생하였다고 가정할 수 있다.
기준공구의 길이 또는 직경 변화 판단부(71)의 판단 결과 기준공구의 길이 또는 직경 값이 변화가 있는 경우에 변경된 기준공구의 길이 또는 직경 값과 온도데이터에 따라 열변위 보정 파라메터를 계산하고, 이처럼 변경된 열변위 보정 파라메터를 적용한 열변위 보정량 계산식에 의해 열변위 오차 보정량을 계산하여 열변위 보정을 하여야만 정확한 열변위 오차 보정이 가능하게 된다.
즉, 현재 상태에서의 공작기계의 열변위 오차 보정을 위해서는 하기 식(2)와 같이 변경된 열변위 보정 파라메터를 적용한 열변위 보정량 계산식이 적용되어야 한다.
(a1+△1)(t1-T1)+(a2+△2)(t2-T2)+ ··+(an+△n)(tn-Tn)= 열변위 보정량 - Kn ---- 식(2)
an : n번째 보정 파라메터
△n: n번째 온도 데이터에 대한 보정 파라메터 변화량
tn : n번째 온도데이터
Tn : n번째 온도 오프셋
Kn ; n번째 기준공구의 길이 또는 직경 변화량
상기 식(1)에서 식(2)를 빼면 식(3)을 도출할 수 있다.
△1(t1-T1)+△2(t2-T2)+ ··+△n(tn-Tn)= - Kn ------ 식(3)
△n: n번째 온도 데이터에 대한 보정 파라메터 변화량
tn : n번째 온도데이터
Tn : n번째 온도 오프셋
Kn ; n번째 기준공구의 길이 또는 직경 변화량
상기 식(3)에서 (tn-Tn)을 bhn (h번째 공구측정 순서에서 n번째 온도 데이터에 대한 행렬)으로 하면 하기 식(4)와 같은 행력식을 도출할 수 있다.
Figure pat00002
--------- 식(4)
△n: n번째 온도 데이터에 대한 보정 파라메터 변화량
bhn : h번째 공구측정 순서에서 n번째 온도 데이터에 대한 행렬
Kn : n번째 기준공구의 길이 또는 직경 변화량
식(4)에서 bhn 항을 우변으로 이항하면 하기 식(5)를 도출할 수 있다.
Figure pat00003
----------- 식(5)
△n: n번째 온도 데이터에 대한 보정 파라메터 변화량
bhn : h번째 공구측정 순서에서 n번째 온도 데이터에 대한 행렬
Kn : n번째 기준공구의 길이 또는 직경 변화량
공작기계의 열변위 오차를 정확하게 보정하여, 가공정밀도를 향상하기 위해 하는 보정 파라메터 계산부(72)는 변경된 기준공구의 길이 또는 직경 값과 온도측정유닛(40)에 의해 측정된 현재의 온도에 따라 변경된 열변위 보정 파라메터를 상기 식(5)로 계산하게 된다.
보정 파라메터 저장부(73)에 식(5)에 따라 보정 파라메터 계산부(72)에서 계산된 보정 파라메터가 저장된다.
보정 파라메터 변환부(74)는 보정 파라메터 저장부(73)에 저장된 보정 파라메터로 기본 열변위 보정 데이터 저장부(20)에 저장된 상기 X축, Y축, 또는 Z축의 열변위 보정식의 보정 파라메터를 변환한다.
열변위 보정량 계산부(75)는 보정 파라메터 변환부(74)에 의해 변환된 보정 파라메터를 적용한 하기 식(6)에 의한 열변위 보정식에 의해 X축, Y축, 또는 Z축의 열변위 보정량을 계산한다.
(a1+△1)(t1-T1)+(a2+△2)(t2-T2)+ ··+(an+△n)(tn-Tn)=열변위 보정량 - 식(6)
an : n번째 보정 파라메터
△n: n번째 온도 데이터에 대한 보정 파라메터 변화량
tn : n번째 온도데이터
Tn : n번째 온도 오프셋
즉, 열변위 보정량 계산부(75)는 하기 식(6)에 의해 실시간으로 공작기계의 현재 온도상태 등이 반영된 열변위 보정량을 산출하여 공작기계의 가공정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 4를 참조하여, 본 발명의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치를 적용하여 Z축 보정을 할 경우에 열변위 보정 파라메터 자동 변환 및 Z축의 열변위 보정량을 설명한다.
도 4에서, du(detection unit)는 NC(numerical control) 또는 CNC(computerized numerical control)의 위치분해능으로서 보정단위를 의미하고, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 0.1㎛로 설정하였다.
도 4에서, 1번째에 H1 센서는 주축의 헤드바디에 장착된 온도측정유닛으로 도 4에서 26℃(t1)이고, S2는 베드에 장착된 온도측정유닛으로 도 4에서 24.3℃(t2)이다. 도 4에서 온도 오프셋(T1, T2)는 모두 20℃이다. 도 4에서 slope로 표시된 보정 파라메터(본 실시예에서 보정 파라메터의 단위는 du/℃이다)인 a1은 83, a2는 -83이다. 또한, Z축의 변경된 열변위 보정 파라메터를 구하는 것으로 기준공구 길이 측정변화량이 도 4에서 +5(5㎛)이다.
이를 식(1)에 대입하면
Z축 보정량=(a1)(t1-T1)+(a2)(t2-T2)=83(26-20)-83(24.3-20)=141.1du=14.1㎛이 된다. 그러나 실제 기준공구 길이 측정 변화량이 5㎛이므로 실제 Z축 보정량은 9.1㎛가 되어야 한다.
또한, 공구측정유닛(30)과 온도측정유닛(40)에서 2번째로 측정한 데이터에 따라 t1 30℃이고, t2가 26℃이며, T1, T2의 온도오프세이 모두 20℃이고, .a1은 83, a2는 -83이며, 기준공구 길이 측정변화량 -3(3㎛)이라고 가정하고, 이를 다시 식(1)에 대입하면,
Z축 보정량=(a1)(t1-T1)+(a2)(t2-T2)=83(30-20)-83(26-20)=332du=33.2㎛이 된다. 그러나 실제 기준공구 길이 측정 변화량이 -3㎛이므로 실제 Z축 보정량은 36.2㎛가 되어야 한다.
따라서, 현재 공작기계의 상태에 따라 열변위 보정 파라메터를 변환하지 않은 경우에는 정확한 열변위 오차 보정이 이루어질 수 없고, 이에 따라 가공정밀도가 향상될 수 없다.
실시간으로 공작기계의 현재상태 등이 반영된 열변위 보정량 파라메터를 산출하기 위해 상기 예서 계산된 값을 식(5)에 대입하면
Figure pat00004
된다.
상기에서 계산된 △n(n번째 온도 데이터에 대한 보정 파라메터 변화량)을 반영하여 Z축 보정량을 계산하면 아래와 같이 기준공구 길이 변화량이 반영된 최종 보정량을 얻을 수 있다. 이를 통해 기준공구가 항상 동일한 길이로 측정되는(즉, 열변위 보정 파라메터의 오차가 제거되는) 방향으로 열변위 보정 파라메터가 조정되었음을 알 수 있다.
(83+61.286)(26-20)+(-83-97.143)(24.3-20) = 91.1du = 9.1㎛
(83+61.286)(30-20)+(-83-97.143)(26-20) =362du = 36.2㎛
즉, 식(3)과 동일한 결과를 도출할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 방법의 절차도를 나타낸다.
도 5를 참조하여 본 발명에 의한 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 방법을 설명한다. 본 발명에 의한 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 방법은 열변위 보정 파라메터 자동 변환 기능 선택하는 단계(S1), 기본 데이터 저장 단계(S2), 기준공구 측정 대상 선택 단계(S3), 기준공구 데이터 저장 단계(S4), 온도측정단계(S5), 온도 데이터 저장 단계(S6), 현재 기준공구 길이 또는 직경 변화 여부 판단 단계(S7), 열변위 보정 파라메터 계산 단계(S8), 보정된 열변위 보정 파라메터 저장 단계(S9), 및 열변위 보정식의 보정 파라메터를 변환하는 단계(S10)로 이루어진다.
또한, 도 5에 도시된 것처럼, 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따르면, 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 방법은 열변위 보정량을 계산하는 단계(S11)을 더 포함한다.
열변위 보정 파라메터 자동 변환 기능 설정부(80)에서 열변위 보정 파라메터 자동 변환 기능을 선택한다. 이를 선택하지 않으면 본 발명에 의한 열변위 보정 파라메터 자동 변환 방법이 실행되지 않는다.
열변위 보정 파라메터 자동 변환 기능 선택하는 단계(S1) 이후에, 기본 열변위 보정 데이터 저장부(20)에 X축, Y축, 또는 Z축의 열변위 보정을 위한 기본 데이터를 저장한다.
기본 데이터 저장 단계(S2) 이후에, 기준공구 측정 대상 선택부(10)에서 공구측정유닛(30)에 의해 측정되는 기준공구의 측정대상인 길이 또는 직경을 선택한다.
기준공구 측정 대상 선택 단계(S3) 이후에, 기준공구 데이터 저장부(50)에 공구측정유닛(30)에 의해 측정된 기준공구의 길이 또는 직경 데이터를 저장한다.
기준공구 데이터 저장 단계(S4) 이후에, 온도측정유닛(40)에 의해 온도를 측정한다.
온도측정단계(S5) 이후에, 온도 데이터 저장부(60)에 온도측정유닛(40)에서 측정된 온도 데이터를 저장한다.
온도 데이터 저장 단계(S6) 이후에, 기준공구의 길이 또는 직경 변화 판단부(71)에서 기본 열변위 보정 데이터 저장부(20)에 저장된 이전의 기준공구의 길이 또는 직경 값과 기준공구 데이터 저장부(40)에 저장된 현재 기준공구의 길이 또는 직경 값이 일치하는지 여부를 판단한다. 만약 양 값이 서로 다른 경우에는 열변위 오차가 발생하여 열변위 보정 파라메터를 변경할 필요가 있게 된다.
현재 기준공구 길이 또는 직경 변화 여부 판단 단계(S7) 이후에 기준공구의 길이 또는 직경이 변화된 경우에 보정 파라메터 계산부(72)에서 변경된 기준공구의 길이 또는 직경 값과 온도에 따라 상술한 식(5)에 따라 열변위 보정 파라메터를 계산한다.
열변위 보정 파라메터 계산 단계(S8) 이후에, 보정 파라메터 저장부(73)에 보정 파라메터 계산부(72)에서 계산된 열변위 보정 파라메터를 저장한다.
열변위 보정 파라메터 저장 단계(S9) 이후에, 보정 파라메터 변환부(74)에서 보정 파라메터 저장부(73)에 저장된 열변위 보정 파라메터로 기본 열변위 보정 데이터 저장부(20)에 저장된 X축, Y축, 또는 Z축의 열변위 보정식의 열변위 보정 파라메터를 변환하게 된다.
열변위 보정 파라메터 변환 단계(S10) 이후에, 열변위 보정량 계산부(75)에서 보정 파라메터 변환부(74)에 의해 변환된 보정 파라메터를 적용하여 상술한 식 (6)에 의해 X축, Y축, 또는 Z축의 열변위 보정량을 계산한다.
이에 따라, 실시간으로 공작기계의 현재 온도상태 등이 반영된 열변위 보정량을 산출하여 공작기계의 가공정밀도를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 변형예와 상기에서 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 첨부된 청구항의 범주내에 속하는 다른 실시예로 확장될 수 있다.
1 : 공작기계, 2 : 주축,
3 : 주축 모터, 4 : 컬럼,
5 : 테이블, 6 : 베드,
7 : 온도센서, 8 : 공구,
9 : 조작반,
10 : 기준공구 측정 대상 선택부,
20 : 기본 열변위 보정 데이터 저장부,
30 : 공구측정유닛, 40 : 온도측정유닛,
50 : 기준공구 데이터 저장부,
60 : 온도 데이터 저장부,
70 : 제어부,
71 : 기준공구의 길이 또는 직경 변화 판단부,
72 : 보정 파라메터 계산부,
73 : 보정 파라메터 저장부,
74 : 보정 파라메터 변환부,
75 : 열변위 보정량 계산부,
80 : 열변위 보정 파라메터 자동 변환 기능 설정부,
100 : 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치,
W : 공작물.

Claims (7)

  1. 조작반 및 공작물의 가공을 위한 공구가 장착되는 주축을 구비하는 공작기계에 있어서,
    X축, Y축, 또는 Z축의 열변위 보정을 위한 기본 데이터를 저장하는 기본 열변위 보정 데이터 저장부;
    기준공구의 길이 또는 직경을 측정할 수 있는 공구측정유닛;
    상기 공작기계의 복수지점에 설치되는 복수의 온도측정유닛;
    상기 공구측정유닛에 의해 측정된 기준공구의 길이 또는 직경 데이터를 저장하는 기준공구 데이터 저장부;
    상기 복수의 온도측정유닛에서 측정된 온도 데이터를 저장하는 온도 데이터 저장부; 및
    제어부;를 포함하고,
    측정된 기준공구의 길이 또는 직경과 온도에 따라 열변위 보정 파라메터가 변환되는 것을 특징으로 하는 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공구측정유닛에 의해 측정되는 기준공구의 측정대상을 선택할 수 있는 기준공구 측정 대상 선택부; 및
    열변위 보정 파라메터 자동 변환 기능 설정부;를 더 포함하되,
    상기 기준공구 측정 대상 선택부에서 상기 공구측정유닛에 의해 측정되는 기준공구의 측정대상이 길이인 경우에는 Z축의 열변위 보정 파라메터가 자동으로 변환되고,
    상기 기준공구 측정 대상 선택부에서 상기 공구측정유닛에 의해 측정되는 기준공구의 측정대상이 직경인 경우에는 X축 또는 Y축의 열변위 보정 파라메터가 자동으로 변환되는 것을 특징으로 하는 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 기본 열변위 보정 데이터 저장부에 저장된 기준공구의 길이 또는 직경 값과 상기 기준공구 데이터 저장부에 저장된 기준공구의 길이 또는 직경 값이 일치하는지 여부를 판단하는 기준공구의 길이 또는 직경 변화 판단부;
    상기 기준공구의 길이 또는 직경 변화 판단부의 판단 결과, 기준공구의 길이 또는 직경이 변화된 경우 변경된 기준공구의 길이 또는 직경 값과 온도에 따라 열변위 보정 파라메터를 계산하는 보정 파라메터 계산부;
    상기 보정 파라메터 계산부에서 계산된 보정 파라메터를 저장하는 보정 파라메터 저장부;
    상기 보정 파라메터 저장부에 저장된 보정 파라메터로 상기 기본 열변위 보정 데이터 저장부에 저장된 상기 X축, Y축, 또는 Z축의 열변위 보정식의 보정 파라메터를 변환하는 보정 파라메터 변환부; 및
    상기 보정 파라메터 변환부에 의해 변환된 보정 파라메터를 적용한 열변위 보정식에 의해 X축, Y축, 또는 Z축의 열변위 보정량을 계산하는 열변위 보정량 계산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 보정 파라메터 계산부는,
    Figure pat00005
    ---------- 식(5)
    △n: n번째 온도 데이터에 대한 보정 파라메터 변화량
    bhn : h번째 공구측정 순서에서 n번째 온도 데이터에 대한 행렬
    Kn : n번째 기준공구의 길이 또는 직경 변화량
    상기 식(5)로 계산되는 것을 특징으로 하는 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    열변위 보정량 계산부는,
    (a1+△1)(t1-T1)+(a2+△2)(t2-T2)+ ··+(an+△n)(tn-Tn)=열변위 보정량 - 식(6)
    an : n번째 보정 파라메터
    △n: n번째 온도 데이터에 대한 보정 파라메터 변화량
    tn : n번째 온도데이터
    Tn : n번째 온도 오프셋
    상기 식(6)으로 계산되는 것을 특징으로 하는 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 장치.
  6. 열변위 보정 파라메터 자동 변환 기능 설정부에서 열변위 보정 파라메터 자동 변환 기능을 선택하는 단계;
    기본 열변위 보정 데이터 저장부에 X축, Y축, 또는 Z축의 열변위 보정을 위한 기본 데이터를 저장하는 단계;
    기준공구 측정 대상 선택부에서 공구측정유닛에 의해 측정되는 기준공구의 측정대상인 길이 또는 직경을 선택하는 단계;
    기준공구 데이터 저장부에 상기 공구측정유닛에 의해 측정된 기준공구의 길이 또는 직경 데이터를 저장하는 단계;
    온도측정유닛에 의해 온도를 측정하는 단계;
    온도 데이터 저장부에 상기 온도측정유닛에서 측정된 온도 데이터를 저장하는 단계;
    기준공구의 길이 또는 직경 변화 판단부에서 상기 기본 열변위 보정 데이터 저장부에 저장된 이전의 기준공구의 길이 또는 직경 값과 상기 기준공구 데이터 저장부에 저장된 현재 기준공구의 길이 또는 직경 값이 일치하는지 여부를 판단하는 단계;
    기준공구의 길이 또는 직경이 변화된 경우에, 상기 보정 파라메터 계산부에서 변경된 기준공구의 길이 또는 직경 값과 온도에 따라 열변위 보정 파라메터를 계산하는 단계;
    보정 파라메터 저장부에 상기 보정 파라메터 계산부에서 계산된 열변위 보정 파라메터를 저장하는 단계; 및
    보정 파라메터 변환부에서 상기 보정 파라메터 저장부에 저장된 열변위 보정 파라메터로 상기 기본 열변위 보정 데이터 저장부에 저장된 상기 X축, Y축, 또는 Z축의 열변위 보정식의 열변위 보정 파라메터를 변환하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 X축, Y축, 또는 Z축의 열변위 보정식의 보정 파라메터를 변환하는 단계 이후에,
    열변위 보정량 계산부에서 상기 보정 파라메터 변환부에 의해 변환된 보정 파라메터를 적용하여 X축, Y축, 또는 Z축의 열변위 보정량을 계산하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 열변위 보정 파라메터 자동 변환 방법.
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