KR20170079274A - 공작기계의 이송계 열변위 보정장치 및 방법 - Google Patents

공작기계의 이송계 열변위 보정장치 및 방법 Download PDF

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KR20170079274A
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곽태길
박성준
정홍철
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현대위아 주식회사
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Abstract

본 발명은 공작기계의 이송계 열변위 보정장치 및 방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 공작기계의 이송부의 열변위를 실시간으로 검출하여 이송축의 위치를 가변제어함으로써 가공성능을 향상시킬 수 있는 공작기계의 이송계 열변위 보정장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 공작기계의 이송계 열변위 보정장치 및 방법에 의하면 공작기계의 이송부의 열변위를 실시간으로 검출하여 이송축의 위치를 가변제어함으로써 가공오차를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 가공성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

공작기계의 이송계 열변위 보정장치 및 방법{Device for compensating thermal displacement of feed driver for a machine tool and method thereof}
본 발명은 공작기계의 이송계 열변위 보정장치 및 방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 공작기계의 이송부의 열변위를 실시간으로 검출하여 이송축의 위치를 가변제어함으로써 가공성능을 향상시킬 수 있는 공작기계의 이송계 열변위 보정장치 및 방법에 관한 것이다.
각종의 절삭 가공방법 또는 비절삭 가공방법으로 금속 또는 비금속의 소재를 적당한 공구를 사용하여 형상 및 치수로 가공하든가 또는 반소재에 더욱 정밀한 가공을 할 목적으로 사용하는 기계를 공작기계라 한다. 상기한 공작기계중에서 가공과정에서 칩이 발생하는 공작기계를 절삭공작기계라고 하고, 가공과정에서 칩이 발생하지 않는 비절삭 공작기계를 금속가공기계라고 한다. 상기한 절삭공작기계에는 선반(lathe), 밀링기, 머시닝센터(machining center), 드릴링기, 보링기, 연삭기, 기어가공기, 특수가공기 등이 있으며, 상기한 금속성형기계에는 기계식 프레스, 유압식 프레스, 절단절곡기, 단조기, 인발기 등이 있다.
공작기계는 공구대와 같은 부속물을 이송시키기 위하여 이송축이 설치되며, 상기한 이송축에는 회전운동을 직선운동으로 변환시키기 위한 볼스크류 조립체가 설치되어 모터로부터 발생되는 회전동력에 의해 볼스크류가 회전되도록 구성된다.
상기한 볼스크류는 고속 구동시에 고열의 운동 마찰열이 발생하게 되고, 이로 인한 열변위가 발생되기 때문에, 이를 보정하여줄 필요가 있다,
공작기계의 볼스크류의 열변위를 보정하기 위한 기술의 일예로서, 공작기계의 주축에서 발생되는 열에 의해 팽창되는 각부의 열팽창에 따라 실시간으로 주축 이송용 볼스크류 리드를 보정할 수 있도록 하는 기술이 대한민국 공개특허공보 공개번호 특2000-0047076(공개일자: 2000년 7월 25일)의 "공작기계의 열변위 보정장치 및 그 제어방법"에서 개시된 바 있다.
그러나, 상기한 공개번호 특2000-0047076에서 개시되어 있는 기술은, 온도검출센서로부터 입력되는 온도 데이터와 열팽창계수에 의한 팽창거리를 연산하기 때문에 상대적으로 정확도가 떨어지는 문제점이 있다.
따라서 공작기계의 연속적인 가공 환경하에서는 주축뿐만 아니라 주축이 설치된 주축 프레임이나 주축 프레임이 설치된 컬럼 등 기구부 이송에 따른 마찰열로 열팽창을 유발하여 가공점에서의 위치 오차에 영향을 미칠 수 있는 보다 다양한 온도 데이터를 수집하여 변위를 보정하는 기술이 필요하다.
공개특허번호 제10-2000-0047076호(2000.07.25. 공개)
본 발명은 이와 같은 필요성에 의해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 공작기계의 이송부의 열변위를 실시간으로 검출하여 이송축의 위치를 가변제어함으로써 가공성능을 향상시킬 수 있는 공작기계의 이송계 열변위 보정장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 베드로부터 발생하는 온도를 검출하는 베드온도검출센서; 주축으로부터 발생하는 온도를 검출하는 주축온도검출센서; 상기 주축을 고정하며 이송계와 연결하는 주축프레임으로부터 발생하는 온도를 검출하는 주축프레임온도검출센서; 상기 주축프레임과 상기 이송계를 지지하는 컬럼으로부터 발생하는 온도를 검출하는 컬럼온도검출센서; 상기 베드와 상기 주축 사이의 열변위값, 상기 베드와 상기 주축프레임 사이의 열변위값, 및 상기 베드와 상기 컬럼 사이의 열변위값을 측정하는 변위센서; 및 상기 베드온도검출센서, 상기 주축온도검출센서, 상기 주축프레임온도검출센서 및 상기 컬럼온도검출센서로부터 검출한 온도값과 상기 변위센서로부터 검출한 열변위값을 이용하여 보정값을 계산하고, 계산된 보정값(A)에 따라 상기 이송계의 이송축 위치를 보정하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 이송계 열변위 보정장치를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제어부는 다음의 수학식 1에 따라 상기 보정값(A)을 계산한다.
[수학식 1]
Figure pat00001
A: 보정값
N: 온도검출센서의 개수
Tn: 각 온도검출센서로부터 검출된 온도값
T1: 베드검출온도센서로부터 검출된 온도값
kn: 보정계수값
바람직한 실시예에 있어서, 상기 보정계수값(kn)은 각 온도검출센서로부터 검출한 온도값과 상기 변위센서로부터 검출한 열변위값을 단순회귀분석법으로 분석하여 계산한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 주축프레임온도검출센서는 상기 주축프레임의 상부와 하부 및 전면에 각각 구비된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 컬럼온도검출센서는 상기 컬럼의 전면과 후면 및 하부에 각각 구비된다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 또한, 이송축의 보정한계값을 설정하는 단계; 베드, 주축, 주축프레임 및 컬럼으로부터 발생하는 온도값을 각각 측정하는 단계; 상기 베드와 상기 주축 사이의 열변위값, 상기 베드와 상기 주축프레임 사이의 열변위값, 및 상기 베드와 상기 컬럼 사이의 열변위값을 각각 측정하는 단계; 측정된 온도값과 열변위값을 이용하여 보정값(A)을 계산하는 단계; 및 상기 보정값(A)에 따라 이송계의 이송축 위치를 보정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 이송계 열변위 보정방법을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 보정값(A)을 계산하는 단계 후에, 상기 보정값(A)이 상기 보정한계값보다 작은 경우 상기 이송축의 보정을 결정하고, 상기 보정값(A)이 상기 보정한계값보다 큰 경우 표시부에 알람표시를 결정하는 보정여부결정단계;를 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 보정값(A)은 상기 베드의 온도값을 기준으로하여 각 부분의 온도값 차이를 각각 계산하고, 계산된 각각의 온도차값에 보정계수값(kn)을 곱한 다음, 이를 모두 합하여 계산한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 보정계수값(kn)은 각 부분의 온도값과 상기 열변위값을 단순회귀분석법으로 분석하여 계산한다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 갖는다.
본 발명의 공작기계의 이송계 열변위 보정장치 및 방법에 의하면 공작기계의 열변형이 주로 발생하는 주요 8개 부분의 온도값 및 열변위를 실시간으로 검출하여 이송축의 위치를 가변제어함으로써 가공오차를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 가공성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 이송계 열변위 보정장치를 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 이송계 열변위 보정장치를 설명하는 블록구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 공작기계의 이송계 열변위 보정방법을 설명하는 동작순서도이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 이송계 열변위 보정장치(100)를 개략적으로 설명하는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 이송계 열변위 보정장치를 설명하는 블록구성도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 이송계 열변위 보정장치(100)는 크게 온도를 검출하는 온도센서(180)와, 열변위값을 측정하는 변위센서(190), 제어부(200) 및 표시부(300) 등을 포함하여 구성된다.
상기 온도센서(180)는 공작기계의 각부에서 발생하는 온도를 검출하는 센서로서, 주축 이외에 열변형이 주로 발생하는 부분에 각각 설치된다. 본 발명의 실시예에서는 열변형이 주로 발생하는 베드, 주축, 주축프레임 및 컬럼 등 8개소에 온도센서를 설치하였다.
보다 구체적으로 살펴보면, 상기 온도센서(180)는 베드(110)로부터 발생하는 온도를 검출하는 베드온도검출센서(181)와, 주축(150)으로부터 발생하는 온도를 검출하는 주축온도검출센서(182) 및 상기 주축(150)을 고정하며 이송계(120)와 연결하는 주축프레임(140)으로부터 발생하는 온도를 검출하는 주축프레임온도검출센서(183) 및 상기 주축프레임(140)과 상기 이송계(120)를 지지하는 컬럼(170)으로부터 발생하는 온도를 검출하는 컬럼온도검출센서(184)로 이루어진다.
이때, 상기 주축프레임온도검출센서(183)는 상기 주축프레임(140)의 상부와 하부 및 전면에 각각 구비하였고, 상기 컬럼온도검출센서(184)는 상기 컬럼(170)의 전면과 후면 및 하부에 각각 구비하였다. 즉, 주축 이외에 열변형이 주로 발생하는 부분에 다수개의 온도센서를 구비함으로써 보다 다양한 온도데이터를 수집할 수 있도록 하였다.
여기서, 상기 컬럼(170)은 상기 주축프레임(140)과 상기 이송계(120)를 지지하기 위한 구조물이고, 상기 주축프레임(140)은 상기 주축(150)을 고정하고 상기 이송계(120)와 연결하는 구조물이며, 상기 주축(150)의 위치는 서보모터(130)에 의해 결정된다. 상기 이송계(120)는 상기 서보모터(130)의 회전운동을 직선운동으로 변환하여 상기 주축(150)을 이동시키는 장치이고, 상기 주축(150)은 공구의 지지 및 회전을 통하여 공작물을 가공하는 구조물이고, 베어링(160)은 상기 주축(150) 내외부의 회전 시 마찰력을 감소시키기 위한 장치이며, 상기 베드(110)는 상기 컬럼(170)과 상기 이송계(120)를 지지하기 위한 구조물이다.
상기 변위센서(190)는 열변위값을 측정할 다양한 부분에 설치할 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 상기 베드(110)와 상기 주축(150) 사이의 열변위값, 상기 베드(110)와 상기 주축프레임(140) 사이의 열변위값, 그리고 상기 베드(110)와 상기 컬럼(170) 사이의 열변위값을 측정할 수 있도록 구비된다. 이때 사용되는 변위센서로서 그 종류에 한정되지 않고 다양한 변위센서를 사용하여 측정할 수 있다.
상기 제어부(200)는 상기 베드온도검출센서(181), 상기 주축온도검출센서(182), 상기 주축프레임온도검출센서(183) 및 상기 컬럼온도검출센서(184)로부터 검출한 각각의 온도값과 상기 변위센서(190)로부터 검출한 열변위값을 이용하여 이송축의 위치 보정값(A)을 계산하고, 계산된 보정값(A)에 따라 상기 이송계(120) 이송축의 위치를 보정한다.
즉, 온도센서로부터 검출된 각각의 온도값과 변위센서로부터 검출된 열변위값은 입력부(210)로 입력되고, 처리부(220)에서는 데이터연산을 통해 보정값을 계산한다. 계산된 보정값은 수치제어부(NC: Numerical control)에 보내지고, 상기 수치제어부는 보정값에 따라 상기 이송계(120)의 이송축인 주축의 위치를 보정한다.
이때, 상기 제어부(200)는 다음의 수학식 1에 따라 상기 보정값(A)을 계산한다.
Figure pat00002
여기서, A는 보정값이고, N은 온도검출센서의 개수이고, Tn은 각 온도검출센서로부터 검출된 온도값이고, T1은 베드검출온도센서로부터 검출된 온도값이며, kn은 보정계수값이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 온도검출센서를 8개소에 구비하였는데, 상기 베드(110), 상기 주축(150), 상기 주축프레임(140)의 상부와 하부 및 전면 그리고, 상기 컬럼(170)의 전면과 후면 및 하부에 각각 구비하였다. 이에 따라 본 발명의 실시예에서의 상기 보정값(A)은 다음의 수학식 2로 계산할 수 있다.
Figure pat00003
여기서, A는 보정값 즉, 주축의 변위 보정값이고, T1은 베드온도검출센서의 온도값이고, T2는 주축온도검출센서의 온도값이고, T3은 주축프레임 상부의 온도검출센서의 온도값이고, T4는 주축프레임 하부의 온도검출센서의 온도값이고, T5는 주축프레임 전면의 온도검출센서의 온도값이고, T6은 컬럼 전면의 온도검출센서의 온도값이고, T7은 컬럼 후면의 온도검출센서의 온도값이며, T8은 컬럼 하부의 온도검출센서의 온도값이다.
그리고, k2는 베드와 주축 간 열변위 보정계수값이고, k3은 베드와 주축프레임 상부 간 열변위 보정계수값이고, k4는 베드와 주축프레임 하부 간 열변위 보정계수값이고, k5는 베드와 주축프레임 전면 간 열변위 보정계수값이고, k6은 베드와 컬럼 전면 간 열변위 보정계수값이고, k7은 베드와 컬럼 후면 간 열변위 보정계수값이며, k8은 베드와 컬럼 하부 간 열변위 보정계수값이다.
상기 보정계수값(Kn)은 상기 변위센서(190)로부터 검출한 열변위값과 상기 각 온도검출센서로부터 검출한 온도값을 수집하여, 상기 베드온도검출센서와 각 온도검출센서 간 온도 차이에 따른 이송계 방향 열변위 패턴을 단순회귀분석법으로 분석하여 계산한다.
즉, 상기 제어부(200)의 처리부(220)에서는 상온과 온도가 유사한 상기 베드(110)의 온도검출센서를 기준으로 하여 나머지 7개의 온도검출센서들과의 각각의 온도차이를 계산하고, 그 결과값에 단순회귀분석을 통하여 계산한 각각의 보정계수값을 곱한 합으로 최종적인 변위 보정값(A)을 계산한다.
계산된 보정값을 최대 보정 한계값과 비교하여 그 차이값이 한계값 이내이면 상기 이송계(120)로 보정값을 전달하여 보정하고, 그 차이값이 한계값 이상이면 상기 표시부(300)에 전달하여 알람을 표시한다.
이하에서는 도 3를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 이송계 열변위 보정방법을 설명하기로 한다.
먼저, 이송축의 보정한계값(Amax)을 설정한다. 즉, 상기 이송축의 보정 여부를 판단하기 위한 보정한계값을 설정한다. 상기 이송축은 주축(150)을 의미한다.
이어서, 상기 베드(110), 상기 주축(150), 상기 주축프레임(140) 및 상기 컬럼(170)으로부터 발생하는 온도값을 각각 측정한다. 여기서 온도값 측정은 열변형이 주로 발생하는 다수의 부분에서 측정할 수 있는데, 상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에서는 온도검출센서를 8개소에 구비하여 각각의 온도값을 측정하였다.
이와 함께 상기 온도값 측정과는 별도로 열변위값을 측정하여 수집한다. 즉, 상기 베드(110)와 상기 주축(150) 사이의 열변위값과, 상기 베드(110)와 상기 주축프레임(140) 사이의 열변위값과, 그리고 상기 베드(110)와 상기 컬럼(170) 사이의 열변위값을 각각 측정하여 수집한다. 이때, 상술한 열변위 보정계수값(kn)을 각각 계산하여 수집한다.
이어서, 상기 주축의 회전 여부를 판단하여 회전하지 않는 경우(no) 재차 주축의 회전 여부를 판단하게 되며, 회전하는 경우(yes) 보정값을 계산한다. 이때, 상기 보정값(A)은 측정된 온도값과 열변위값을 이용하여 계산하는데, 자세한 설명은 상술한 수학식 1과 2를 참조하기로 한다.
계속해서, 상기 주축의 보정여부를 결정한다. 즉, 상기 보정값(A)이 상기 보정한계값(Amax)보다 작은 경우 상기 주축의 보정을 결정하여 수치제어부(NC)에 지령하고, 상기 보정값(A)이 상기 보정한계값(Amax)보다 큰 경우 상기 표시부(300)에 알람표시를 결정한다.
마지막으로, 상기 보정값(A)에 따라 상기 주축의 위치를 보정하여 상기 주축의 위치 보정을 완료한다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 이송계 열변위 보정장치 및 방법에 의하면 공작기계의 열변형이 주로 발생하는 주요 8개 부분의 온도값 및 열변위를 실시간으로 검출함으로써 이송축의 위치를 가변제어하여 보정할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
100 : 공작기계의 이송계 열변위 보정장치
110 : 베드 120 : 이송계
130 : 서보모터 140 : 주축프레임
150 : 주축 160 : 베어링
170 : 커럼 180 : 온도센서
190 : 변위센서 200 : 제어부
210 : 입력부 220 : 처리부
300 : 표시부

Claims (9)

  1. 베드로부터 발생하는 온도를 검출하는 베드온도검출센서;
    주축으로부터 발생하는 온도를 검출하는 주축온도검출센서;
    상기 주축을 고정하며 이송계와 연결하는 주축프레임으로부터 발생하는 온도를 검출하는 주축프레임온도검출센서;
    상기 주축프레임과 상기 이송계를 지지하는 컬럼으로부터 발생하는 온도를 검출하는 컬럼온도검출센서;
    상기 베드와 상기 주축 사이의 열변위값, 상기 베드와 상기 주축프레임 사이의 열변위값, 및 상기 베드와 상기 컬럼 사이의 열변위값을 측정하는 변위센서; 및
    상기 베드온도검출센서, 상기 주축온도검출센서, 상기 주축프레임온도검출센서 및 상기 컬럼온도검출센서로부터 검출한 온도값과 상기 변위센서로부터 검출한 열변위값을 이용하여 보정값을 계산하고, 계산된 보정값(A)에 따라 상기 이송계의 이송축 위치를 보정하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 이송계 열변위 보정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 다음의 수학식 1에 따라 상기 보정값(A)을 계산하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 이송계 열변위 보정장치.
    [수학식 1]
    Figure pat00004

    A: 보정값
    N: 온도검출센서의 개수
    Tn: 각 온도검출센서로부터 검출된 온도값
    T1: 베드검출온도센서로부터 검출된 온도값
    kn: 보정계수값
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 보정계수값(kn)은 각 온도검출센서로부터 검출한 온도값과 상기 변위센서로부터 검출한 열변위값을 단순회귀분석법으로 분석하여 계산하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 이송계 열변위 보정장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 주축프레임온도검출센서는 상기 주축프레임의 상부와 하부 및 전면에 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 공작기계의 이송계 열변위 보정장치.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 컬럼온도검출센서는 상기 컬럼의 전면과 후면 및 하부에 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 공작기계의 이송계 열변위 보정장치.
  6. 이송축의 보정한계값을 설정하는 단계;
    베드, 주축, 주축프레임 및 컬럼으로부터 발생하는 온도값을 각각 측정하는 단계;
    상기 베드와 상기 주축 사이의 열변위값, 상기 베드와 상기 주축프레임 사이의 열변위값, 및 상기 베드와 상기 컬럼 사이의 열변위값을 각각 측정하는 단계;
    측정된 온도값과 열변위값을 이용하여 보정값(A)을 계산하는 단계; 및
    상기 보정값(A)에 따라 이송계의 이송축 위치를 보정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 이송계 열변위 보정방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 보정값(A)을 계산하는 단계 후에,
    상기 보정값(A)이 상기 보정한계값보다 작은 경우 상기 이송축의 보정을 결정하고, 상기 보정값(A)이 상기 보정한계값보다 큰 경우 표시부에 알람표시를 결정하는 보정여부결정단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 이송계 열변위 보정방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 보정값(A)은 상기 베드의 온도값을 기준으로하여 각 부분의 온도값 차이를 각각 계산하고, 계산된 각각의 온도차값에 보정계수값(kn)을 곱한 다음, 이를 모두 합하여 계산하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 이송계 열변위 보정방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 보정계수값(kn)은 각 부분의 온도값과 상기 열변위값을 단순회귀분석법으로 분석하여 계산하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 이송계 열변위 보정방법.
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