KR20170082298A - 2개의 절대형 엔코더를 이용한 절대위치 계측장치 및 계측방법 - Google Patents

2개의 절대형 엔코더를 이용한 절대위치 계측장치 및 계측방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물리적 변위량를 측정하는데 있어서 2개의 절대형 엔코더를 적정한 감속장치로 결합하여 긴 거리에 대한 절대위치를 정밀하게 검출하며, 전원이 차단된 중에도 이동한 장치의 이동량을 계측할 수 있도록 하는 2개의 절대형 엔코더를 이용한 절대위치 계측장치 및 계측방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 2개의 절대형 엔코더를 이용한 절대위치 계측장치는 상기 측정 대상물의 이동에 따라 회전하는 회전축(104)에 결합되어, 상기 회전축(104)의 회전 각도에 따른 값을 측정하여 출력하는 정밀 측정용 절대형 엔코더인 정밀엔코더(112)와; 상기 회전축(104)에 형성되는 기어(105)와 맞물려 회전축(104)의 회전 속도를 감속하는 감속기어(106)와; 상기 감속기어(106)에 의해 감속된 회전 각도에 따른 회전 각도 값을 측정하여 출력하는 광역 측정용 절대형 엔코더인 광역엔코더(113)와; 상기 정밀엔코더(112) 및 광역엔코더(113)의 측정 값을 분석하여 측정 대상물의 이동에 따른 절대위치 값을 계산하는 절대위치 계측 컨트롤러(200);를 포함하여 이루어져, 긴 거리에 대한 절대위치를 정밀하게 계측할 수 있도록 제공된다.

Description

2개의 절대형 엔코더를 이용한 절대위치 계측장치 및 계측방법 {AN ABSOLUTE POSITION MEASURING EQUIPMENT USING TWO ABSOLUTE ENCODERS AND MEASUREMENT METHOD IT USING THE SAME}
본 발명은 절대위치 계측장치 및 계측방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 물리적 변위량를 측정하는데 있어서 2개의 절대형 엔코더를 적정한 감속장치로 결합하여 긴 거리에 대한 절대위치를 정밀하게 검출하며, 전원이 차단된 중에도 이동한 장치의 이동량을 계측할 수 있도록 하는 2개의 절대형 엔코더를 이용한 절대위치 계측장치 및 계측방법에 관한 것이다.
일반적으로 물리적인 직선변위를 측정하는 방법에는, 측정 대상물에 결합된 와이퍼가 직선형 저항체 위에 접촉하면서 이동하면 이에 대한 저항 값 또는 전압의 변화를 계측하는 리니어 포텐쇼미터를 이용하는 방법과, 측정 대상물의 직선 변위를 회전각으로 변환하는 풀리를 부착하여 직선 이동량을 회전각으로 변환하고 회전각에 비례한 펄스를 출력하는 로터리 엔코더을 이용하는 방법과, 초음파 거리계 또는 레이저 거리계를 이용하는 방법이 많이 사용되고 있다.
상기 리니어 포텐쇼미터는 와이퍼가 저항체 위를 상시 접촉하면서 이동하는 방식으로, 장시간 사용하게 되면 저항체가 마모되어 성능이 저하되는 문제점이 있으며, 저항체 길이를 크게 제작할 수가 없고, 온도에 대하여 드리프트 오차가 발생하며 아날로그-디지털 변환에 따른 직진성 오차 등이 발생하는 문제점이 있다.
상기 초음파 거리계 및 레이저 거리계는 초음파 및 레이저를 출력한 후 측정하려는 물체에 반사되어 돌아오는 경과 시간을 측정하고, 이를 음파 또는 레이저의 속도로 곱하여 거리를 환산하는 방식으로, 비접촉식으로 간편하게 거리를 측정할 수 있다. 하지만, 음파의 경우 전파속도가 온도에 따라 변하기 때문에 오차가 발생하여 온도에 따른 속도를 보상해 주어야 하며, 레이저의 경우에는 레이저 빛의 속도가 너무 빨라 경과시간을 측정하는데 오차를 수반하는 문제점이 있다.
상기 로타리 엔코더를 이용한 측정 방법에는 증분형 엔코더를 사용하는 방법과 절대형 엔코더를 사용하는 방법이 있다. 이 중, 증분형 엔코더를 이용하는 방식은 엔코더의 축에 풀리를 부착하고 풀리에 와이어를 감아서 직선변위를 회전각으로 검출하는 방식으로, 풀리의 직경과 엔코더의 분해능에 따라 성능이 좌우되며, 거리가 길어져도 정밀도 변화가 없고, 엔코더 출력값이 디지털 방식이므로 온도변화에 영향이 없어 안정된 계측이 가능한 특징이 있다. 이 증분형 엔코더를 이용하는 방식은 증분형 엔코더에서 발생한 펄스 수를 컨트롤러에서 적산하고 적산된 펄스 수에 기계 상수를 곱하여 변위를 검출하게 되는데, 만일 컨트롤러의 전원이 차단되거나 컨트롤러와 엔코더를 연결하는 케이블이 절단된 상태에서 장치가 움직이게 되면 이 동안에 출력된 펄스 수를 잃어버려 장치의 위치를 정확히 계측하지 못하는 단점이 있다.
한편, 로터리 엔코더 중 절대형 엔코더는 1회전 내의 절대위치를 측정할 수 있는 센서로서, 1회전 이내에서는 컨트롤러의 전원이 차단되고 장치가 이동한 경우라도 전원이 투입되면 바로 장치의 위치를 읽어낼 수 있는 장점이 있다. 하지만, 종래방식은 절대형 엔코더를 한개만 이용하는 방식으로 인해 긴 이동거리를 측정하는 경우, 엔코더 앞 단에 복잡한 감속기어를 설치하여 감속함으로써 전체 이동량이 절대치 엔코더의 1회전 이내로 압축하여 사용해야 한다. 하지만, 이렇게 감속 기어를 이용하는 경우 기어의 백러쉬에 의한 큰 오차가 발생하게 되며, 전체 이동거리를 엔코더의 분해능으로 나눈 로터리 엔코더의 정밀도는 이동거리가 길면 길수록 상대적으로 떨어지는 문제점이 발생하게 된다.
대한민국 등록특허공보 제10-1509578호 (2015.04.01. 등록)
본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 2개의 절대형 엔코더를 다수의 기어로 이루어진 감속장치로 결합하여 긴 거리에 대한 절대위치를 정밀하게 검출할 수 있으며, 전원이 차단된 상태에서 장치가 이동하는 경우에도 전원이 인가되는 즉시 장치의 이동량을 계측할 수 있도록 하는 2개의 절대형 엔코더를 이용한 절대위치 계측장치 및 계측 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 절대위치 계측장치는 절대형 엔코더를 이용하여 측정 대상물의 절대위치를 계측하는 장치에 있어서, 측정 대상물의 이동에 따라 회전하는 회전축에 결합되어, 상기 회전축의 회전 각도에 따른 값을 측정하여 출력하는 정밀 측정용 절대형 엔코더인 정밀엔코더와; 상기 회전축에 형성되는 기어와 맞물려 회전축의 회전 속도를 감속하는 감속기어와; 상기 감속기어에 의해 감속된 회전 각도에 따른 값을 측정하여 출력하는 광역 측정용 절대형 엔코더인 광역엔코더와; 상기 정밀엔코더 및 광역엔코더의 측정값을 분석하여 측정 대상물의 이동에 따른 절대위치 값을 계산하는 절대위치 계측 컨트롤러;를 포함하여 이루어진다. 여기에서, 상기 광역엔코더는 포텐쇼메터로 대체될 수 있다.
상기 감속기어는 회전축에 형성된 회전축 기어와 맞물려 회전 속도를 감속하는 제 1 기어와, 상기 제 1 기어와 맞물려 제 1 기어의 회전 속도를 감속하는 제 2 기어와, 상기 제 2 기어와 맞물려 제 2 기어의 회전 속도를 감속하는 제 3 기어를 포함하는 복수의 기어로 이루어지며, 상기 복수의 기어 중 마지막 단에 설치된 기어의 축에는 광역엔코더가 설치되어 감속된 회전 각도에 따른 값을 측정하게 된다. 여기에서, 상기 감속기어는 일체로 형성된 감속기 또는 하모닉 드라이버로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 광역엔코더가 설치되는 기어의 축에는 영점 검출을 위한 검출홈을 갖는 불투명 재질의 검출원판과, 상기 기어 축의 회전에 따라 함께 회전하는 검출원판에 빔을 조사하고, 조사된 빔이 검출원판의 검출홈을 통과하는 경우 이를 수신하여 영점 위치를 검출하는 광전센서가 설치된다.
상기 검출원판은 고정나사를 통하여 기어 축에 착탈 가능하게 결합되고, 상기 검출원판의 원주에는 영점 조절을 위한 기어가 형성되며, 상기 검출원판의 원주에 형성된 기어에는 조정기어에 결합되어, 상기 고정나사를 풀어 기어 축과 검출원판의 고정 상태를 해제한 상태에서 상기 조정기어를 회전시켜 검출원판의 위치를 조절한 후, 고정나사를 통하여 기어 축과 검출원판을 고정시켜, 상기 검출원판의 영점 위치를 변경할 수 있도록 한다.
또한, 상기 센서 고정판의 상부에는 조정 베어링이 고정 설치되고, 상기 조정 베어링은 절대위치 계측장치의 몸체에 설치되는 고정블럭에 고정된 마이크로메터 헤드의 스핀들에 밀착되어, 상기 스핀들의 전진 또는 후진에 의하여 좌측 또는 우측으로 회전함으로써, 상기 조정 베어링이 설치된 센서 고정판과 이 센서 고정판에 설치된 광전센서가 좌측 또는 우측으로 회전하여, 상기 검출원판에 형성된 검출홈의 검출 위치를 미세하게 조절할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 절대위치 계측 컨트롤러는 광역엔코더의 값을 이용하여 정밀엔코더의 회전수를 계산하고, 계산된 정밀엔코더의 회전수에 정밀엔코더의 분해능을 곱한 후, 측정된 정밀엔코더의 값을 더하여 측정 대상물의 절대위치 값을 계산하게 된다.
여기에서, 상기 절대위치 계측 컨트롤러는 정밀엔코더의 각 회전수에 대한 스텝업_하한값과 스텝업_상한값 및 다운스텝_밴드값이 설정된 정밀엔코더 회전수 계산 테이블을 검사하여, 상기 광역엔코더의 값이 정밀엔코더 회전수 계산 테이블의 스텝업_하한값 보다 크거나 같고 스텝업_상한값 보다 작은 범위의 테이블 인텍스 값을 정밀엔코더의 회전수로 설정하되, 상기 광역엔코더 값이 다운스텝_밴드값 보다 작고, 정밀엔코더의 값이 다운스텝 하한값 보다 큰 경우, 설정된 정밀엔코더의 회전수에서 1을 빼는 다운스텝 보정을 수행하여 정밀엔코더의 회전수를 계산하게 된다.
상기 정밀엔코더 회전수 계산 테이블의 스텝업_하한값과 스텝업_상한값 및 다운스텝_밴드값, 다운스텝 하한값은 다음의 수식을 통하여 설정된다.
[수학식]
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
(여기서 A3은 정밀엔코더 1회전당 광역엔코더의 값으로 A3 = int(B1/B2 + 0.5)(B1은 전체행정에서 광역엔코더의 값, B2는 B1에 대한 정밀엔코더의 회전수), N은 정밀엔코더의 회전수, int()는 실수를 정수로 변환하는 함수, α는 0∼0.499 범위의 상수, β는 0.5∼0.999 범위의 상수, γ는 0∼0.499 범위의 상수, δ는 0∼0.75 범위의 상수이다)
상기 절대위치 계측 컨트롤러는 정밀엔코더로부터 측정 신호가 입력되는 정밀엔코더 인터페이스부와, 상기 광역엔코더로부터 측정 신호가 입력되는 광역엔코더 인터페이스부와, 상기 정밀엔코더 인터페이스부 및 광역엔코더 인터페이스부를 통하여 정밀엔코더 측정 신호 및 광역엔코더 측정 신호를 입력받아 분석하여 절대위치 값을 계산하는 마이크로 프로세서와, 외부의 영점스위치로부터 영점 설정 신호를 입력받아 마이크로 프로세서에 전송하는 영점신호 입력부와. 상기 마이크로 프로세서를 통하여 계산되는 절대위치 값을 출력하는 위치값 출력부를 포함하여 이루어진다.
상기 절대위치 계측 컨트롤러에는 외부의 영점허가 스위치로부터 영점 변경 허가 신호를 입력받아 마이크로 프로세서에 전송하는 영점허가 신호 입력부가 구비되어, 상기 마이크로 프로세서는 영점 허가 신호가 ON 상태일 때에만 영점 설정이 이루어질 수 있도록 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 마이크로 프로세서는 LCD & Key 보드나 USB 포트 또는 RS-485 통신부를 통하여 외부 장치로부터 파라메터 정보를 입력받되, 상기 파라메터 정보에는 연산단위를 mm 혹은 cm 로 설정하는 Para_Unit 와, 연산값에 초기 옵셋값을 더하거나 빼는 값을 설정하는 Para_Offset 과, 통신속도를 설정하는 Para_Baud 와, 실제 물리량 1000 mm 에 대한 절대 위치값의 비율을 설정하는 Para_Ratio 와, 절대 위치값이 설정된 위치값에 도달하거나 초과하면 신호를 출력하는 Para_Pos1 및 Para_Pos2 가 포함된다.
상기 마이크로 프로세서는 계산된 절대위치 값을 RS-232C 통신부, RS-485 통신부, 광신호 송수신부, 이더넷 통신부, 무선 송수신부 중 어느 하나 이상을 이용하여 외부 장치에 전송하게 된다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 절대위치 계측방법은 절대형 엔코더를 이용하여 측정 대상물의 절대위치를 계측하는 방법에 있어서, 측정 대상물의 이동에 따라 회전하는 회전축에 결합된 정밀 측정용 절대형 엔코더인 정밀엔코더에서 상기 회전축의 회전 각도에 따른 값을 측정하여 절대위치 계측 컨트롤러에 입력하는 단계와; 상기 회전축의 회전 속도를 감속하는 감속기어에 설치된 광역 측정용 절대형 엔코더인 광역엔코더에서 상기 감속기어에 의해 감속된 회전 각도에 따른 값을 측정하여 절대위치 계측 컨트롤러에 입력하는 단계와; 상기 절대위치 계측 컨트롤러에서 측정된 광역엔코더의 값을 이용하여 정밀엔코더의 회전수를 계산하고, 계산된 정밀엔코더의 회전수에 정밀엔코더의 분해능을 곱한 후, 측정된 정밀엔코더의 값을 더하여 측정 대상물의 절대위치 값을 계산하게 된다.
여기에서, 상기 절대위치 계측 컨트롤러는 정밀엔코더의 각 회전수에 대한 스텝업_하한값과 스텝업_상한값 및 다운스텝_밴드값이 설정된 정밀엔코더 회전수 계산 테이블을 검사하여, 상기 광역엔코더의 값이 정밀엔코더 회전수 계산 테이블의 스텝업_하한값 보다 크거나 같고 스텝업_상한값 보다 작은 범위의 테이블 인텍스 값을 정밀엔코더의 회전수로 설정하되, 상기 광역엔코더값이 다운스텝_밴드값 보다 작고, 정밀엔코더의 값이 다운스텝 하한값 보다 큰 경우, 설정된 정밀엔코더의 회전수에서 1을 빼는 다운스텝 보정을 수행하여 정밀엔코더의 회전수를 계산하게 된다.
본 발명에 따른 절대위치 계측장치는 회전축에 직결되는 정밀용 절대 엔코더와 회전축에 연결되는 감속장치에 설치되는 광역용 절대 엔코더를 통하여 긴 거리에 대한 절대위치를 정밀하게 계측할 수 있으며, 이를 통하여 긴 거리 이동에 대한 정밀 계측이 필요한 분야, 예를 들면 엘리베이터 위치 제어나 댐의 수문 제어, 콘테이너를 적재하거나 하차하는 크레인 제어 등 다양한 분야에 활용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 2개의 절대형 엔코더를 이용함으로써 전원이 차단된 상태에서 측정 대상물이 이동하는 경우에도 전원이 인가되는 즉시 2개의 절대형 엔코더의 출력값을 이용하여 측정 대상의 절대 위치를 계산할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 절대위치 계측장치의 평면 부분 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 절대위치 계측장치의 미세 영점 조절을 위한 측면 부분 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 정밀엔코더와 광역엔코더의 출력값 관계를 나타낸 도표,
도 4는 두 개의 기어 사이에 형성되는 일반적인 백래쉬의 일례,
도 5는 종래 일반적인 방식에 따라 광역엔코더 값을 이용하여 정밀엔코더의 회전수를 계측하는 개념도,
도 6은 본 발명에 따라 광역엔코더 값을 이용하여 정밀엔코더의 회전수를 계측하는 개념도,
도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 정밀엔코더와 광역엔코더의 연속된 이동에 대한 시뮬레이션 결과를 엑셀 프로그램로 도시한 일례,
도 10은 본 발명에 따른 정밀엔코더 회전수 계산 테이블의 개념도,
도 11은 본 발명에 따른 절대위치 계측 컨트롤러의 블럭 구성도,
도 12는 본 발명에 따른 절대위치 계측장치를 통하여 절대위치 값이 계측되는 과정을 나타낸 흐름도,
도 13은 본 발명에 따른 절대위치 계측장치에서 사용되는 파라메터의 구성 일례를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 절대위치 계측장치의 평면 부분 단면도를 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 절대위치 계측장치(100)는 측정 대상물의 이동에 따라 회전하는 회전축(104)과, 상기 회전축(104)에 결합되어 회전축(104)의 회전 각도에 따른 고유한 값을 출력하는 정밀 측정용 절대형 엔코더인 정밀엔코더(112)와, 상기 회전축(104)에 형성되는 기어(105)와 맞물려 회전축(104)의 회전 속도를 감속하는 감속기어(106)와, 상기 감속기어(106)에 의해 감속된 회전각에 따른 고유한 코드값을 출력하는 광역 측정용 절대형 엔코더인 광역엔코더(113)와, 상기 정밀엔코더(112) 및 광역엔코더(112)의 측정 값을 분석하여 측정 대상물의 이동에 따른 절대위치 값을 계산하는 절대위치 계측 컨트롤러(200, 도 12에 도시됨)를 포함하여 이루어진다.
상기 회전축(104)은 측정 대상물의 회전운동이나 직선운동을 회전운동으로 전달받게 되는데, 이 회전축(104)에는 베어링(103)이 삽입되어 원활한 회전이 이루어질 수 있도록 구성된다.
상기 회전축(104)에 결합되는 정밀엔코더(112)는 회전축(104)의 1회전 내에서 이루어지는 임의의 회전 각도에 대한 고유한 코드값을 출력하는 절대형 방식의 엔코더로서, 이 정밀엔코더(112)는 분해능에 따라 회전축(104)의 회전에 따른 고유값을 출력함으로써 회전축(104)의 1회전 이내에서의 이동량을 정밀하게 측정하게 된다.
상기 회전축(104)에는 기어(105)가 형성되고, 이 기어(105)에는 회전축(104)의 회전 속도를 감속하는 감속기어(106)가 결합되는데, 본 발명의 실시 예에서 감속기어(106)는 회전축(104)에 순차적으로 결합되어 회전축(104)의 회전 속도를 순차적으로 감속시키는 복수의 기어로 이루어진다. 즉, 본 발명의 실시 예에서 상기 감속기어(106)는 적정한 감속 비율을 갖는 제 1 기어(107a), 제 2 기어(107b), 제 3 기어(107c)를 포함하여 이루어져, 회전축(104)의 회전을 순차적으로 감속시켜 회전하게 되는데, 이러한 감속기어(106)의 수 및 기어비는 검출 대상물의 이동 범위에 따라 적절하게 변경될 수 있으며, 다른 감속방법으로 단일 부품으로 구성된 감속기 혹은 하모닉 드라이버 등을 사용할 수도 있다.
상기 회전축(104)의 회전 속도를 감속시키는 감속기어(106) 중 마지막 단에 위치하는 기어, 즉 제 3 기어(107c)의 축에는 광역엔코더(113)가 결합되는데, 이 광역엔코더(113)는 감속기어(106)에 의해 회전축(104)의 회전속도가 감속된 제 3 기어(170c)의 1회전 내에서 이루어지는 임의의 회전 각도에 대한 고유한 코드값을 출력하는 절대형 방식의 엔코더이다. 즉, 제 3 기어(107c)는 회전축(104)과의 감속 비율에 따라 회전축(104)이 여러 번 회전할 때 1회전을 하게 되는데, 상기 광역엔코더(113)는 분해능에 따라 제 3 기어(107c)의 1회전 이내에서의 회전 각도에 따른 고유값을 출력함으로써, 회전축(104)의 여러 회전에 해당하는 넓은 범위의 이동량을 측정할 수 있게 된다.
상기 정밀엔코더(112) 및 광역엔코더(113)를 통하여 출력되는 값은 절대위치 계측 컨트롤러(200)로 전송되며, 절대위치 계측 컨트롤러(200)는 정밀엔코더(112)가 설치된 회전축(104)과 광역엔코더(113)가 설치된 제 3 기어(107c)의 감속 비율 및 백러쉬 오차를 고려하여, 정밀엔코더(112) 및 광역엔코더(113)의 출력값을 분석함으로써 측정 대상물의 이동에 따른 절대위치 값을 계산하게 된다.
한편, 상기 광역엔코더(113)가 결합하는 제 3 기어(107c)에는 정밀엔코더(112) 및 광역엔코더(113)의 절대 영점을 설정하기 위한 검출원판(111) 및 광전센서(109)가 구비된다. 상기 검출원판(111)은 광역엔코더(113)가 결합되는 제 3 기어(170c) 축에 고정나사(108)를 통하여 착탈 가능하게 고정 설치되는데, 이 검출원판(111)은 검출홈(114)을 갖는 불투명 재질의 원형 판으로 이루어진다. 또한, 상기 광전센서(109)는 제 3 기어(107c) 축의 회전에 따라 함께 회전하는 검출원판(111)에 빔을 출력하는 발광소자와 출력된 빔이 검출원판(111)의 검출홈(114)을 통과하는 경우 이를 수신하는 수광소자로 이루어진다. 상기 광전센서(109)는 제 3 기어(107c)의 축에 결합된 센서 고정판(109a)에 고정 설치되는데, 이 광전센서(109)를 통하여 검출원판(111)의 검출홈(114)을 통과하는 빔이 수신되면, 광전센서(109)는 빔 수신 신호를 절대위치 계측 컨트롤러(200)에 전송하게 되고, 절대위치 계측 컨트롤러(200)는 해당 위치를 절대 영점으로 설정하게 된다.
상기 검출원판(111)의 원주에는 영점 조절을 위한 기어가 형성되고, 이 기어에는 조정기어(110)가 결합되어 검출원판(111)의 위치를 조절할 수 있도록 구성된다. 즉, 제 3 기어(107c) 축에 결합되는 검출원판(111)은 정확한 영점 위치를 설정하기 위해 그 영점 위치가 변경될 수 있는데, 먼저 측정 대상물을 영점 위치로 이동시킨 후, 검출원판(111)을 제 3 기어(107c) 축에 고정하는 고정나사(108)를 풀어 제 3 기어(107c)의 축으로부터 검출원판(111)을 분리시키고, 검출원판(111)의 원주에 형성된 기어에 결합된 조정기어(110)를 회전시켜, 검출원판(111)의 검출홈(114)이 광전센서(109)의 검출빔 위치에 도달하도록 회전시킨 다음, 고정나사(108)를 통하여 검출원판(111)을 제 3 기어(107c) 축에 고정시키는 과정을 통하여 이루어지게 된다.
이러한 영점 조절은 좀 더 미세하게 이루어질 수 있는데, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 절대위치 계측장치의 미세 영점 조절을 위한 측면 부분 단면도를 나타낸 것이다.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 영점 위치를 검출하는 광전센서(109)는 센서 고정판(109a)에 설치되는데, 이 센서 고정판(109a)은 제 3 기어(107c)의 축에 베어링으로 결합되어 있어 제 3 기어(107c)의 회전에 영향을 주지 않으면서 제 3 기어(107c) 축과 같은 중심을 갖고 광전센서(109)를 지지하게 된다. 상기 센서 고정판(109a)의 상부에는 조정 베어링(115)이 돌출되어 형성되어 있는데, 이 조정 베어링(115)은 고정블럭(117)에 고정된 마이크로메터 헤드(118)의 스핀들(116)에 접촉하여 밀착된 상태를 유지하도록 장력스프링(109b)에 의해 장력이 제공된다. 상기 장력스프링(109b)은 장력스프링 고정고리(109c)를 통하여 일측이 몸체(101)에 형성된 홀에 체결되고, 타측이 센서 고정판(109a)에 형성된 홀에 체결되어, 센서 고정판(109a)을 스핀들(116) 방향으로 강하게 밀착시키는 상태로 결합하게 된다. 이에 따라, 마이크로메터 헤드(118)의 스핀들(116)이 전진 또는 후진함에 따라 조정 베어링(115)도 함께 좌우로 회전하여 센서 고정판(109a)을 회전시키게 되고, 이 센서 고정판(109a)의 좌우 회전에 따라 광전센서(109) 또한 제 3 기어(107c) 축을 중심으로 미세하게 좌우로 회전하여, 검출원판(111)에 형성된 검출홈(114)의 검출 위치가 정밀하게 조정될 수 있게 된다.
상기의 구성으로 이루어진 절대위치 계측장치(100)는, 계측 대상물의 이동에 따라 회전축(104)이 회전하게 되고, 회전축(104)의 회전에 따라 이 회전축(104)에 설치된 정밀엔코더(112)는 1회전 이내에서의 회전 각도에 따른 고유값을 출력하게 된다. 또한, 회전축(104)의 회전에 따라 이 회전축(104)에 결합된 제 1 기어(107a), 제 2 기어(107b), 제 3 기어(107c)로 이루어진 감속기어(106)는 감속하여 회전하게 되며, 감속기어(106)의 마지막 단, 즉 제 3 기어(107c) 축에 결합된 광역엔코더(113)는 1회전 이내에서의 회전 각도에 따른 고유값을 출력하게 된다. 상기 정밀엔코더(112) 및 광역엔코더(113)의 출력값은 절대위치 계측 컨트롤러(200)에 의해 분석되어 측정 대상물의 이동에 따른 절대위치 값이 계산하게 된다.
이하에서는 절대위치 계측 컨트롤러(200)에 의해 정밀엔코더(112) 및 광역엔코더(113)의 측정값이 분석되어 측정 대상물의 절대위치 값이 계산되는 과정에 대하여 설명하기로 한다.
측정 대상물의 절대 위치는 광역엔코더(113) 값을 이용하여 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산하고, 계산된 정밀엔코더(112)의 회전수에 정밀엔코더(112)의 분해능을 곱하고 여기에 정밀엔코더(112) 값을 더함으로써 구해질 수 있다.
먼저, 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산하는 가장 쉬운 방법은 정밀엔코더(112)의 분해능이 1024 라고 할 때, 정밀엔코더(112)의 값이 1023에서 0으로 변경되는 순간에 정밀엔코더(112)의 회전수를 1 증가하고, 0에서 1023으로 변경되는 순간에 정밀엔코더(112)의 회전수를 1 감소시키는 방법이 있을 수 있다. 하지만, 이 방식은 전원을 켜는 순간에 광역엔코더(113)의 값을 읽어서 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산할 수가 없기 때문에 적용이 불가능하다. 또한, 이 방식은 전원이 차단되기 전의 회전수를 백업 메모리에 저장하고, 전원이 공급되면 이 값을 읽어서 이전까지의 회전수를 알 수는 있으나, 만약 전원이 차단된 후에 측정 대상물이 이동했다면 이때 이동한 양은 계산할 수가 없기 때문에 결과적으로 절대위치 측정에 적용이 불가능하게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 정밀엔코더와 광역엔코더의 출력값 관계를 도표로 나타낸 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 정밀엔코더(112)와 광역엔코더(113)의 분해능이 1024 라고 할 때, 정밀엔코더(112)가 1회전 하는 동안 정밀엔코더(112)의 값은 0에서 1023까지 증가했다가 다시 0이 되고 다시 1023까지 증가하는 동작을 반복하게 되며, 이때 광역엔코더(113)는 감속기어(106)에 의하여 감속된 만큼 천천히 이동하게 된다.
여기서, 정밀엔코더(112)의 값을 Enc_A, 광역엔코더(113)의 값을 Enc_B, 정밀엔코더(112)와 광역엔코더(113)의 분해능이 1024 라고 정의할 때, 측정 대상물의 이동에 따른 절대위치 값은 다음의 수학식 1로 표현할 수 있다.
Figure pat00005
여기서, f(Enc_B)는 광역엔코더(113)의 값 Enc_B를 변수로 하여 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산하는 일련의 함수로서, 이 f(Enc_B)의 값이 정밀엔코더(113)의 회전수가 된다.
일반적으로 광역엔코더(113)의 값을 이용하여 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산하는 과정에 있어서, 회전축 기어와 제 1 기어(107a), 제 2 기어(107b), 제 3 기어(107c)의 상호 맞물림 사이에는 백래쉬가 있기 때문에, 회전축(104)의 회전방향이 바뀔 때 회전축(104)이 회전해도 광역엔코더(113)의 값이 변하지 않는 무응답 영역이 존재하게 된다.
또한, 정밀엔코더(112)의 1회전에 대한 광역엔코더(113)의 값이 정수가 아닌 경우가 대부분인데, 예를 들면, 제 1 기어(107a), 제 2 기어(107b), 제 3 기어(107c)의 기어 비율이 90 : 1 이고, 광역엔코더(113)의 분해능이 1024 라고 가정하면, 정밀엔코더(112)의 1회전에 대한 광역엔코더(113)의 값(A1)은 다음의 수학식 2와 같이 계산된다.
Figure pat00006
상기 수학식 2에서와 같이 정밀엔코더(112)의 1회전에 대한 광역엔코더(113)의 값이 정수가 아니기 때문에, 또한 기어 사이에 존재하는 백래쉬 때문에 광역엔코더(113)의 값을 이용하여 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산하는 데에는 복잡한 과정을 거치게 된다.
먼저, 기어 사이에 존재하는 백래쉬에 대하여 설명하기로 한다.
도 4는 두 개의 기어 사이에 형성되는 일반적인 백래쉬의 일례를 나타낸 것으로, 두 기어 사이의 백래쉬 량을 dθ라고 가정하자.
일반적으로 백래쉬는 회전축(104)의 회전방향이 바뀌는 시점에서 발생하게 되는데, 본 발명의 절대위치 계측장치(100)에서 회전축(104)과 제 1 기어(107a) 사이의 백래쉬 량 및 기어비를 dθ1 및 Gr1 이라 하고, 제 1 기어(107a)와 제 2 기어(107b)의 백래쉬 량 및 기어비를 dθ2 및 Gr2 라 하며, 제 2 기어(107c)와 제 3 기어(107c)의 백래쉬 량 및 기어바를 dθ3 및 Gr3 이라 할 때, 회전축(104)으로부터 제 3 기어(107c) 사이의 형성되는 전체 백래쉬 량(Δθ)을 회전축(104) 기준으로 환산해 보면 다음의 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00007
또한, 이 전체 백래쉬 량(Δθ)을 정밀엔코더(112)의 값(A2)으로 환산하면 다음의 수학식 4와 같이 표시될 수 있다.
Figure pat00008
도 5는 종래 일반적인 방식에 따라 광역엔코 값을 이용하여 정밀엔코더의 회전수를 계측하는 개념도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따라 광역엔코더 값을 이용하여 정밀엔코더의 회전수를 계측하는 개념도를 나타낸 것이다.
일반적으로 측정 대상물의 절대위치 값은 광역엔코더(113)의 값을 정해진 계수로 나누어 정밀엔코더(112)의 회전수 계산하고, 이 값에 정밀엔코더(112)의 분해능 1024를 곱한 후, 정밀엔코더(112)의 값을 더하여 절대위치 값을 계산하게 된다. 하지만, 광역엔코더(113)의 값은 실수가 아닌 정수형태로 출력되므로, 이로 인해 연산과정에서 라운드오프 에러(Round-off error)가 발생하여 정밀엔코더(112)의 값이 0에서 1023 또는 1023에서 0으로 바뀌는 부분에서 절대위치 값이 (+) 위치오차인 1024 또는 (-) 위치오차인 -1024 라는 큰 오차가 발생하게 된다.
이를 좀 더 구체적으로 설명하기 위하여, 엑셀 프로그램을 작성하여 정밀엔코더(112)의 값을 1씩 증가하면서 4회전한 후, 반대방향으로 1씩 감소하면서 절대위치 값이 0에 도달하는 과정에 대한 광역엔코더(113)의 값을 계산하는 시뮬레이션을 수행하였다. 또한, 백래쉬 량(Δθ)이 15인 경우를 가정하여 정밀엔코더(112)의 값이 증가하거나 감소하는 동안 방향이 바뀔 때마다 신호전달의 지연에 따른 광역엔코더(113)의 값이 변화하는 과정도 시뮬레이션 하였다. 이러한 정밀엔코더(112)와 광역엔코더(113)의 연속된 이동에 대한 시뮬레이션 결과는 도 7 내지 도 9의 엑셀 프로그램으로 도시되어 있다.
도 7에 도시된 시뮬레이션 항목은 공통항목과 일반계산, 발명계산, 정밀엔코더 회전수 계산 테이블로 구분되어 있는데, 각각의 항목은 다음과 같다.
[ 공통항목 ]
공통항목에서 B열은 1씩 증가하거나 1씩 감소하는 값으로 기준이 되는 절대위치를 나타내고, C열은 정밀엔코더(112)의 값이 1씩 증가하거나 1씩 감소하는 과정을 나타내며, E열은 백래쉬가 백래쉬 량(Δθ)이 15인 장치에서 백래쉬가 아래쪽으로 치우쳐 있는 경우를 가정하여 표시한 것이고, F열은 백래쉬 영향을 감안한 이론적인 광역엔코더(113)의 값을 나타내며, G열은 F열의 값을 정수화하여 실제 엔코더 출력과 같이 디지털 값으로 나타낸 것이다.
[ 일반계산 ]
일반계산 항목의 I열은 전체 행정에서 광역엔코더(113)의 값이 972이고 회전축(104)과의 기어비가 90 : 1 인 경우를 가정하여 계산한 정밀엔코더(112)의 회전수를 나타내고, J열은 정밀엔코더(112)의 회전수인 I열의 값에 정밀엔코더(112)의 분해능 1024를 곱하고 C열의 정밀엔코더(112) 값을 더한 값을 나타내며, K열은 절대위치 B열에서 J열(절대위치_일반)을 뺀 차이값을 나타낸 것이다.
[ 발명계산 ]
발명계산 항목에서 M열은 이론적 광역엔코더(113)의 값인 G열 값을 우측에 있는 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)을 참조하여 후술되는 수학식 17에 따라 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산한 값을 나타내고, N열은 M열에 표시한 정밀엔코더(112)의 회전수에 대한 다운스텝 밴드 값을 나타내며, O열은 후술되는 수학식 19에 따라 다운스텝 보정을 할 것인지 판단하여 다운스텝 보정을 행할 경우 1로 표시하고 다운스텝 보정을 하지 않는 경우 0으로 표시한 것이다. 또한, P열은 M열에 표시한 정밀엔코더(112)의 회전수에 정밀엔코더(112)의 분해능인 1024를 곱한 후 C열의 정밀엔코더(112) 값을 더한 값을 나타내고, Q열은 절대위치 B열에서 P열(절대위치_발명) 값을 뺀 차이값을 나타낸 것이다.
도 7에 표시된 일반계산은, C열에 표시한 정밀엔코더(112)의 값을 1씩 증가하거나 1씩 감소하는 전 과정에 대하여 이론적인 광역엔코더(113)의 값을 계산하고 정수화하여 G열에 표시하는데, G열의 값을 단순히 정밀엔코더(112)의 1회전에 대한 광역엔코더(113)의 값으로 나누어 I열에 정밀엔코더(112)의 회전수를 표시하며, 이 값에 C열의 정밀엔코더(112)의 분해능인 1024를 곱하고 정밀엔코더(112)의 값를 더하여 J열을 계산하는 과정을 나타낸다.
또한, 발명계산은, 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)을 참조하여 공통항목의 이론적인 광역엔코더(113) 값인 G열 값을 이용하여 M열의 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산하고, 계산된 정밀엔코더(112)의 회전수에 정밀엔코더(112)의 분해능 1024를 곱하고 C열의 정밀엔코더(112)의 값를 더한 P열의 절대위치 값을 계산하는 과정을 나타낸다. 상기 발명계산에서 참조하는 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)의 T열은 스텝업 하한값을 나타내고, V열은 스텝업 상한값을 나타내며, U열은 정밀엔코더(112)의 값이 0 → 1023 또는 1023 → 0으로 변경되는 부분에서 절대위치 계산에 큰 오차가 발생하는 현상을 배제하기 위해 다운스텝 보정을 하기 위한 다운스텝 밴드값을 나타낸다. 상기 다운스텝 보정이란 도 4에서 설명한 정밀엔코더의 값이 0 → 1023 또는 1023 → 0으로 변경되는 부분에서 절대위치 값를 계산하는데 (+)위치오차 또는 (-)위치오차가 발생하는 현상을 배제하기 위하여, 광역엔코더(113)의 값이 다운스텝 밴드값 보다 작고, 정밀엔코더(112)의 값이 다운스텝 하한값 보다 큰 경우에 정밀엔코더(112)의 회전수에서 1을 빼주는 동작을 수행하는 것을 의미한다. 본 발명의 실시에에서 상기 다운스텝 하한값은 정밀엔코더(112) 분해능의 0∼0.75 범위의 상수로 설정되는데, 이하에서는 상기 다운스텝 하한값이 정밀엔코더(112)의 분해능인 1024의 0.5, 즉 512로 설정된 예를 들어 설명하기로 한다.
도 10은 이러한 정밀엔코더 회전수 계산 테이블의 개념도를 나타낸 것이다.
본 발명의 실시예에서 상기 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)의 스텝업 하한값(306)과 스텝업 상한값(308) 및 다운스텝 밴드값(307)을 산정하는 과정은 다음과 같다.
먼저, 전체 행정에서 광역엔코더(113)의 값을 B1 이라 하고, 이때 정밀엔코더(112)의 회전수를 B2 라며, 이때 정밀엔코더(112)의 회전당 광역엔코더(113)의 값을 A3 이라고 하면, 앞에서 설명한 수학식 2는 다음의 수학식 5와 같이 변형될 수 있다. 이때, 수학식 5에서 정밀엔코더(112)의 1회전당 광역엔코더(113)의 값(A3)을 정수값으로 변환하기 위하여 int 함수를 이용하고 반올림을 위하여 0.5를 더하여 계산하였다.
Figure pat00009
또한, 상기 정밀엔코더(112)의 회전당 광역엔코더(113)의 값(A3)을 이용하여, 전체 행정에서 정밀엔코더(112)의 회전수 N에 대한 스텝업 하한값(306)과, 스텝업 상한값(308) 및 다운스텝 밴드값(307)은 다음의 수학식을 통하여 계산된다.
Figure pat00010
Figure pat00011
Figure pat00012
Figure pat00013
여기서, A3은 수학식 5의 정밀엔코더 1회전당 광역엔코더의 값, N은 정밀엔코더의 회전수, int()는 실수를 정수로 변환하는 함수를 나타낸다. 또한, 또한 α는 0∼0.499 범위의 상수이고, β는 0.5∼0.999 범위의 상수이며, γ는 0∼0.499 범위의 상수이고, δ는 0∼0.75 범위의 상수이다.
상기 수학식 6 내지 9를 통하여 계산된 스텝업 하한값(306)과 스텝업 상한값(308) 및 다운스텝 밴드값(307), 다운스텝 하한값을 토대로 도 7과 도 10의 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)을 작성하게 되는데, 도 7과 도 10의 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)은 α를 0.25로, β를 0.75로, γ를 0.25로 설정한 예를 나타낸 것이다. 이와 같이 설정되는 스텝업 하한값(306)은 T열에 표시되고, 스텝업 상한값(308)은 V열에 표시되며, 다운스텝 밴드값(307)은 U열에 표시된다. 한편, 상기 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)에는 표시되지 않았지만, 다운스텝 하한값을 위한 δ는 0.5로 설정한 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
상기 정밀엔코더(112)와 광역엔코더(113)의 연속된 이동에 대하여 본 발명이 정확하게 동작하는지를 검증하기 위하여 사용한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도 7의 엑셀 프로그램에서 각 행 번호는 순차적으로 증가하게 되는데, 다음의 수학식들은 엑셀 프로그램의 각 행 중 4행에 표시되는 항목별 시뮬레이션 값을 나타낸 것이다.
Figure pat00014
Figure pat00015
Figure pat00016
Figure pat00017
Figure pat00018
Figure pat00019
Figure pat00020
Figure pat00021
Figure pat00022
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Figure pat00024
Figure pat00025
Figure pat00026
Figure pat00027
도 8에서는, 왼쪽 행번호가 1982인 경우의 예를 들면 B열 B1982의 절대위치값은 1979이고, C열의 정밀엔코더(112) 값 C1982가 955이고 G열의 광역엔코더(113)의 회전수 G1982는 21이다. 이때 정밀엔코더(112)의 값이 1펄스만큼 증가하여 행번호가 1983으로 변경된 상태인 C열의 정밀엔코더(112) 값 C1983이 956으로 변경되는 과정을 나타내고 있다.
[ 실시예 1 (공통), 행 = 1982 ]
도 8에서 행번호가 1982에서 C열의 정밀엔코더(112) 값 C1982는 955이고, I열의 정밀엔코더(112) 회전수 I1982는 1이므로, 이때 절대위치 값 J1982는 수학식 17에 의하여 다음의 수학식과 같이 계산된다.
Figure pat00028
여기에서 정밀엔코더 값이 1 증가하여 행번호가 1983으로 변경되면 절대위치 값을 일반적인 계산 방법과 본 발명에 의한 계산 방법으로 비교하여 설명하기로 한다.
[ 실시예 1A (일반계산 방법), 행 = 1983 ]
일반적인 계산 방법은, 행번호가 1983에서 C열의 정밀엔코더(112) 값 C1983이 956으로 증가하면, G열의 광역엔코더(113) 회전수 G1983은 22로 변경되고, 일반계산 항목의 정밀엔코더(112)의 회전수 I1983은 수학식 16에 의하여 아래 수학식과같이 계산된다.
Figure pat00029
또한, 이때의 절대위치 값인 J1983은 수학식 17에 의하여 다음의 수학식과 같이 계산된다.
Figure pat00030
이와 같이, 일반적인 계산 방법에 의하면, 절대위치_일반 J1983의 값은 3004가 되며, 이는 절대위치_일반 J1982의 값과 K1983과의 차이는 (+) 위치오차인 1024의 큰 오차가 발생하게 된다.
[ 실시예 1B (발명계산 방법), 행 = 1983 ]
본 발명계산에 따르면, 행번호가 1983에서 광역엔코더(113) 회전수 G1983은 22이므로, 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)에서 이 값이 속하는 범위를 찾으면, 5행에서 하한값은 T5의 19, 상한값은 V5의 30, 다운스텝 밴드값은 U5 24에 해당하며, 이때 정밀엔코더(112) 회전수는 S5에서 2에 해당함을 알 수 있다.
이 상태에서 다운스텝 보정 여부를 판정해보면, 광역엔코더(113)의 값 G1983은 22이고, 정밀엔코더(112)의 회전수인 M1983은 2이며, 이때 다운스텝 밴드값 U5는 24이므로, G1983의 값 22가 U5의 값 24보다 작고, 정밀 엔코더 값 C1983이 956으로 다운스텝 하한값이 512 보다 커서, 다운스텝 보정판정 O1983이 1로 되어, 다운스텝 보정이 적용되어야 한다.
따라서, 이때의 절대위치 값은 수학식 22에 의하여 다음의 수학식과 같이 계산된다.
Figure pat00031
이와 같이, P1983의 값은 P1982에 비해 선형적으로 1이 증가하고 있음을 알 수 있다.
따라서 일반적인 계산 방법에 의하면 절대위치_일반 J1982의 값과 K1983 값과의 차이는 (+) 위치오차인 1024의 큰 오차가 발생하게 되는데 비하여, 본 발명계산에 따르면 P1983의 값은 P1982에 비해 정상적으로 1이 증가하고 있음을 알 수 있다.
도 9에서는, 정밀엔코더(112) 값이 1씩 감소하는 상태에서 정밀엔코더(112) 값 C열에 대한 절대위치 값을 계산한 결과를 나타내고 있다.
[ 실시예 2 (공통), 행 = 6447 ]
도 9에서, 행번호가 6447에서 정밀엔코더(112) 값이 C6447의 0에서 C6448의 1023으로 변경하는 과정에서, C열의 정밀엔코더(112) 값 C6447이 0이고, I열 정밀엔코더(112) 회전수 I6447는 2이므로, 절대위치 값 J6447은 상기 수학식 17에 의하여 다음의 수학식과 같이 계산된다.
Figure pat00032
여기에서 정밀엔코더(112)의 값이 1펄스만큼 감소하여 행번호가 6448로 되는 경우에 대한 절대위치 값을 일반적인 방법에 의해 계산 방법과 본 발명에 의한 계산 방법으로 나누어 설명한다.
[ 실시예 2A (일반계산 방법), 행 = 6448 ]
일반적인 계산 방법은, 행번호가 6448에서 C열의 정밀엔코더(112) 값이 C6448에서 1023으로 바뀌며, G열의 광역엔코더(113)의 회전수 G6448은 22로 변경이 없으며, I열 정밀엔코더(112) 회전수 I6448는 2이므로, 절대위치 값 J6448은 수학식 17에 의하여 다음의 수학식과 같이 계산된다.
Figure pat00033
이와 같이, 일반적인 계산 방법에 의하면, 절대위치_일반 J6448의 값은 3071가 되며, 이는 절대위치_일반 J6447의 값과 K6448과 같이 1024의 큰 오차가 발생하게 된다.
[ 실시예 2B (발명계산 방법), 행 = 6448 ]
본 발명계산에 따르면, 행번호가 6448에서 광역엔코더(113) 회전수 G6448은 22이므로, 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)에서 이 값이 속하는 범위를 찾으면, 5행에서 하한값은 T5의 19, 상한값은 V5의 30, 다운스텝 밴드값은 U5 24에 해당하며, 이때 정밀엔코더(112) 회전수는 S5에서 2에 해당함으로 알 수 있다.
이 상태에서 다운스텝 보정 여부를 판정해보면, 광역엔코더(113)의 값 G6448은 22이고, 정밀엔코더(112)의 회전수인 M6448은 2이며, 이때 다운스텝 밴드값 U5는 24이므로, G6448의 값 22가 U5의 값 24보다 작고, 정밀 엔코더 값 C6448이 1023으로 다운스텝 하한값인 512 보다 커서, 다운스텝 보정판정 O6448이 1로 되어, 다운스텝 보정이 적용되어야 한다.
따라서, 이때의 절대위치 값은 수학식 22에 의하여 다음의 수학식과 같이 계산된다.
Figure pat00034
이와 같이, P6448의 값은 P6447에 비해 선형적으로 1이 감소하고 있음을 알 수 있다.
따라서 일반적인 계산 방법에 의하면 절대위치_일반 J6447의 값과 K6448 값과 같이 1024의 큰 오차가 발생하게 되는데 비하여, 본 발명계산에 따르면 P6448의 값은 P6447에 비해 정상적으로 1이 감소하고 있음을 알 수 있다.
상기 도 7 내지 도 10을 통하여 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 광역엔코더(113)의 값에 따라 스텝업 하한값 및 스텝업 상한값, 다운스텝 밴드값을 적용하여 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산하고 이를 바탕으로 절대위치 값를 계산함으로써, 정밀엔코더(112)의 회전수가 0 → 1023 또는 1023 → 0으로 변경되는 부분에서 (+) 위치오차 또는 (-) 위치오차를 완전히 배제할 수 있어 선형적으로 정확한 절대위치 값을 계산할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예로서, 상기 광역엔코더(113)는 정밀한 회전형 포텐쇼메터(Potentiometer)로 대체되어, 임의 위치에서 포텐쇼메터의 전압값를 아날로그-디지털 변환하여 읽어들임으로써 상기와 동일한 방법에 의하여 정밀엔코더(112)의 회전수를 판단할 수가 있다.
이하에서는, 상기 정밀엔코더(112)와 광역엔코더(113)로부터 출력되는 신호를 인터페이스를 통하여 입력받아 절대위치를 계산하는 절대위치 계측 컨트롤러(200)의 구성 및 동작에 대하여 설명하기로 한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 절대위치 계측 컨트롤러의 블럭 구성도를 나타낸 것이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 절대위치 계측 컨트롤러(200)에는 정밀엔코더(112)로부터 측정 신호가 입력되는 정밀엔코더 인터페이스부(202)와, 광역엔코더(113)로부터 측정 신호가 입력되는 광역엔코더 인터페이스부(203)와, 상기 정밀엔코더(112)와 광역엔코더(113)의 측정 신호를 분석하여 절대위치 값을 계산하는 마이크로 프로세서(201)가 구비되어 있다. 또한, 상기 절대위치 계측 컨트롤러(200)에는 영점 설정을 위한 영점신호 입력부(206)와, 영점 변경 허가를 위한 영점허가 신호 입력부(207)와, 동작 범위를 제한하는 리미트 신호 입력부(208)와, 전원 공급을 위한 DC/DC 컨버터(214)와, 각종 파라메타 및 변수가 저장되는 FRAM 메모리(205)와, 외부 장치와의 통신을 위한 RS-232C 통신부(209) 및 RS-485 통신부(210)와, 절대위치 값을 외부로 출력하는 위치값 출력부(211)와, 장치의 동작 범위를 제한하기 위한 리미트 신호를 외부 제어장치로 전송하는 리미트 신호 출력부(212)와, 광신호를 송수신하는 광신호 송수신부(213)와, 이더넷 방식으로 데이터를 전송하는 이더넷 통신부(215)와, 무선방식으로 데이터를 송수신하는 무선 송수신부(216)가 구비된다.
상기 정밀엔코더 인터페이스부(202)에는 정밀엔코더(112)가 연결되는데, 이 정밀엔코더 인터페이스부(202)는 정밀엔코더(112)로부터 입력되는 신호의 레벨을 조절하고, RC 필터를 통하여 노이즈가 혼입되는 현상을 방지하며, 신호를 2진수로 변환하여 마이크로 프로세서(201)에 입력하는 역할을 하게 된다. 상기 RC 필터의 시정수는 정밀엔코더(112)의 최대 주파수보다 2배 이상 높게 설계되는 것이 바람직하다.
상기 광역엔코더 인터페이스부(203)에는 광역엔코더(113)가 연결되는데, 이 광역엔코더 인터페이스부(203)는 광역엔코더(113)로부터 입력되는 신호의 레벨을 조절하고, RC 필터를 통하여 노이즈가 혼입되는 현상을 방지하며, 신호를 2진수로 변환하여 마이크로 프로세서(201)에 입력하는 역할을 하게 된다. 상기 RC 필터의 시정수 또한 광역엔코더(113)의 최대 주파수보다 2배 이상 높게 설계되는 것이 바람직하다.
상기 마이크로 프로세서(201)는 정밀엔코더 인터페이스부(202) 및 광역엔코더 인터페이스부(203)를 통하여 입력되는 신호를 분석하여 측정 대상물의 절대위치 값을 계산하게 되는데, 이 마이크로 프로세서(201)의 내부에는 정밀엔코더(112)와 광역엔코더(113)의 측정 신호를 분석하여 절대위치 값을 계산하는 프로그램이 내장되는 Flash 메모리와, 각종 변수가 저장되는 SRAM이 구비되어 있다. 상기 마이크로 프로세서(201)에는 USB 포트(204)가 연결되는데, 이 USB 포트(204)에는 노트북 컴퓨터(130)가 연결되어, 노트북 컴퓨터(130)와 마이크로 프로세서(201)가 USB 통신방식으로 통신을 수행함으로써, 노트북 컴퓨터(130)에서 마이크로 프로세서(201)에 동작 프로그램을 전송하거나 파라메터 값을 전송하여 설정할 수 있도록 한다.
상기 FRAM 메모리(205)는 전원이 차단되어도 내용이 지워지지 않는 불휘발성 메모리로서, 이 FRAM 메모리(205)에는 노트북 컴퓨터(130)나 외부 장치에서 전송하는 파라메터 값를 저장하거나 중요한 변수값을 저장하는 기능을 수행하게 된다.
상기 영점신호 입력부(206)에는 광절연소자(포토커플러)가 구비되어 영점스위치(120)로부터 입력되는 신호를 입력받아 신호를 절연하고, RC 필터회로를 통하여 스위치의 채터링 현상을 완화하여 신호 레벨을 조절하며, 신호의 반전 또는 스레쉬 홀드 기능에 의한 신호의 채터링 현상을 배제하여 신호를 마이크로 프로세서(201)에 전달하는 기능을 수행하게 된다.
상기 영점허가 신호 입력부(207)에는 광절연소자 소자가 구비되어 영점허가 스위치(121)로부터 입력되는 신호를 입력받아 신호를 절연하고, RC 필터회로를 통하여 스위치의 채터링 현상을 완화하여 신호 레벨을 조절하며, 신호의 반전 또는 스레쉬 홀드 기능에 의한 신호의 채터링 현상을 배제하여 신호를 마이크로 프로세서(201)에 전달하는 기능을 수행하게 된다.
상기 리미트 신호 입력부(208)에는 측정 대상물이 이동 범위를 초과하여 더 이상 전진하거나 후진해서는 안 되는 한계위치를 설정하는 기능으로, 절대위치 계측 컨트롤러(200)의 외부에 설치되는 리미트 스위치(122)인 상한 리미트 스위치나 하한 리미트 스위치로부터 신호를 입력받는 기능을 수행하게 된다. 이 리미트 신호 입력부(208)는 광절연소자를 통하여 복수의 리미트 스위치 등으로부터 입력되는 신호를 외부전원과 내부전원이 분리된 형태의 신호로 입력받으며, RC 필터회로를 통하여 스위치의 채터링 현상을 완화하여 신호 레벨을 조절하고, 신호의 반전 또는 스레쉬 홀드 기능에 의한 신호의 채터링 현상을 배제하여 마이크로 프로세서(201)에 전달하는 기능을 수행하게 된다.
상기 RS-232C 통신부(209)는 외부 키보드 또는 LCD 표시장치(LCD & Key 보드)(131) 등과 같은 외부 장치와 통신을 하는 회로로서, 이 RS-232C와 통신부(209)와 연결된 키보드를 통하여 파라메터의 입력 또는 수정이 이루어질 수 있으며, 동작상태가 LCD 표시장치에 표시되게 되는데, 키보드가 눌린 상태 또는 장치의 상태 및 경보 상태가 부져를 통하여 표시될 수 있도록 하는 기능도 수행하게 된다.
상기 RS-485 통신부(210)는 반이중 통신 방식에 의하여 외부 위치값 표시장치(132)에 절대위치 값이나 동작상태 값을 전송하는 기능을 수행하는 통신회로로서, 이 RS-485 통신부(210)는 MODBUS-RTU 또는 MODBUS-ASCII 또는 CAN 통신 또는 CC-Link 방식으로 해당 파라메터에 지정된 특정한 PLC 프로토콜 등의 프로토콜을 통하여 신호를 전송하게 된다. 또한, 이 RS-485 통신부(210)는 외부에 메디아 변환기를 설치하여, CDMA, WIFI, ZIGBEE 등 무선으로 신호를 변환하여 데이터를 송수신하는 기능도 수행하게 된다.
상기 위치값 출력부(211)는 마이크로 프로세서(201)에 의해 계산된 절대위치 값을 상위 감시장치(133)로 출력하는 회로로서, 이 위치값 출력부(211)는 광절연소자를 이용하여 릴레이 또는 오픈 콜렉터 소자를 구동하기 위한 전압으로 변환하여 릴레이 접점신호 또는 오픈 콜렉터 출력신호로 출력하는 기능을 수행하게 된다. 상기 위치값 출력부(211)를 통하여 출력되는 신호의 형태는, 후술되는 도 13에 도시한 것과 같이 Para_Output 파라메터에 설정된 값에 따라 값이 1이면 BCD 신호, 값이 2이면 바이너리 신호, 값이 3이면 그레이코드 형태로 출력된다.
상기 위치신호 출력부(212)는 복수개의 위치신호를 출력하게 되는데, 이 위치신호 출력부(212)는 리미트 신호 입력부(208)를 통하여 입력된 리미트 센서 신호를 출력하는 기능과 리미트 신호 입력부(208)에 의해 동작하는 리미트 신호 출력과는 별개로, 절대위치 값이 설정한 파라메터 값에 도달하거나 초과하면 신호를 출력하기 위해 제1 위치신호를 출력하는 제1 파라메터로서 Para_Pos1과, 제2 위치신호를 출력하기 위한 제2 파라메터로서 Para_Pos2 가 있다.
상기 DC/DC 컨버터(214)는 외부 DC 24V 전원(123)을 DC 5V로 변환하여 절대위치 계측 컨트롤러(200)의 동작 전원으로 공급하는 기능을 수행하게 된다.
상기 광신호 송수신부(213)는 글래스 옵틱 파이버 또는 플라스틱 옵틱 파이버의 신호를 입력받거나 출력하는 회로로서, 외부의 광신호 변환장치(135)와 광섬유를 통하여 외부와 데이터를 송수신함으로써 신호선을 통하여 외부로부터 유입되는 써지신호를 차단하여 장치를 보호하는 기능을 수행하게 된다.
상기 이더넷 통신부(215)는 이더넷을 메디아로 사용하는 MODBUS-TCP 또는 EtherCAT, EthernetIP, Profinet, CC Link IE 등의 프로토콜로 데이터를 상위 감시장치(133)에 전송하게 된다.
상기 무선송수신부(216)은 무선을 사용하여 데이터를 송수신하는 모듈을 장착한 통신장치로서, CDMA 방식, Zigbee 방식, WIFI 방식, LTE 방식, 데이터 통신용 RF 방식 등으로 상태 및 절대위치값을 상위 감시장치(136)에 전송하게 된다.
상기의 구성으로 이루어진 절대위치 계측 컨트롤러(200)는, 먼저 영점스위치(120)로부터 출력되는 영점 신호를 영점신호 입력부(206)를 통하여 입력받아 영점을 설정하게 된다. 즉, 절대위치 계측 컨트롤러(200)는 특정한 위치를 영점(원점, 기준점)으로 설정하여 이 영점을 기준으로 절대위치 값을 표시하는데, 상기 절대위치 값의 기준이 되는 영점은 영점스위치(120)가 동작에 의해 설정된다.
이를 위해, 먼저 측정 대상물이 영점 위치에 도달하여 영점스위치(120)가 ON 되면, 이 ON 신호는 영점신호 입력부(206)를 통하여 마이크로 프로세서(201)에 전달되게 된다. 영점스위치(120)의 ON 신호가 마이크로 프로세서(201)에 입력되면, 마이크로 프로세서(201)는 이때의 정밀엔코더 인터페이스부(202)를 통하여 입력된 정밀엔코더(112)의 값과 광역엔코더 인터페이스부(203)를 통하여 입력된 정밀엔코더(112) 및 광역엔코더(113)의 값을 즉시 FRAM 메모리(205)에 할당된 정밀엔코더(112) 영점값 영역과 광역엔코더(113) 영점값 영역에 저장하게 된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 정밀엔코더 영점값과 광역엔코더 영점값은 측정에서 기초가 되는 중요한 값이므로 연속해서 3개를 저장하며, 전원 공급 후 파라메터를 읽는 과정에서 3개의 값을 비교하여 이중 하나의 값이 틀리더라도 나머지 2개의 값이 일치하면 올바른 값으로 인식하도록 하여 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 하였다.
상기 과정을 통하여 영점값이 설정되면, 마이크로 프로세서(201)는 정해진 매 스캔마다 광역엔코더 인터페이스부(203)를 통하여 입력되는 원시 광역엔코더(113) 값에서 광역엔코더(113) 영점값을 뺀 결과값을 광역엔코더(113) 값으로 계산하고, 정밀엔코더(112)의 값도 정밀엔코더 인터페이스부(202)를 통하여 입력되는 원시 정밀엔코더(112) 값에서 정밀엔코더(112) 영점값을 뺀 결과값으로 계산하게 된다. 즉, 광역엔코더(113) 값 및 정밀엔코더(112) 값은 다음의 수학식과 같이 계산된다.
Figure pat00035
Figure pat00036
한편, 본 발명과 같은 계측장치를 사용하다 보면 영점스위치(120)를 부주의하게 작동하여 현재 장치의 위치를 영점으로 설정함에 따라 장치의 절대위치 값이 초기화되어, 설비를 다시 영점까지 내려서 영점을 재설정해야 하는 설비운영에 막대한 지장을 초래하기도 한다. 본 발명에서는 이러한 부주의하게 영점이 설정되는 것을 배제하기 위하여, 영점허가 스위치(121)를 별도로 설치하여 영점설정을 하는 경우에 한해서만 영점허가 스위치(121)를 ON으로 하고 평소에는 OFF가 되도록 하며, 마이크로 프로세서(201)에서는 영점스위치(120)가 입력되더라도 영점허가 스위치(121)가 OFF 되어 있으면 영점 설정을 하지 않도록 함으로써 부주의하게 영점이 설정되는 것을 방지하였다.
상기 영점 설정 시, 영점위치의 검출은 광전센서(109) 및 검출홈(114)을 갖는 불투명 재질의 검출원판(111)을 통하여 이루어지게 된다. 즉, 도 1과 도 2에서 설명하였듯이, 검출원판(111)이 회전하는 과정에서 검출홈(114)이 광전센서(109)의 수광과 발광 빔의 위치에 도달하여 불투명한 검출원판(111)에 의하여 차단되었던 발광소자의 빛이 수광소자에 도달하는 경우 이에 따른 신호를 검출하여 영점 위치로 설정하게 된다. 상기 광전센서(109)를 통하여 영점 위치가 검출되면, 이를 빛 혹은 음향으로 출력하도록 함으로써 영점위치 검출 동작을 사용자가 용이하게 확인할 수 있도록 한다.
또한, 영점위치를 쉽게 검출하기 위한 방법으로 측정 대상물을 원하는 영점위치로 이동한 상태에서 그 위치를 영점을 설정하는 방법이 있는데, 이 방법은 검출원판(111)을 임의로 회전시켜 검출홈(114)을 광전센서(109)의 검출빔 위치로 회전시키는 방법이다. 이를 위해, 고정나사(108)를 풀어 제 3 기어(107c)의 축으로부터 검출원판(111)을 회전 가능하게 분리시키고, 검출원판(111)의 원주에 생성한 기어와 조정기어(110)가 결합된 상태에서 조정기어(110)를 회전시켜 검출홈(114)이 광전센서(109)의 검출빔 위치에 도달하도록 회전한 다음, 고정나사(108)를 고정하게 된다.
이 상태에서 좀 더 미세하게 영점 위치를 검출하기 위한 방법으로, 도 2에서 설명한 바와 같이, 광전센서(109)를 고정하는 센서 고정판(109a)에 조정베어링(115)이 조립되어 있는데, 이 조정베어링(115)이 고정블럭(117)에 고정된 마이크로메터 헤드(118)의 스핀들(116)에 접촉하여 스핀들(116)의 전진 또는 후진에 의하여 좌우로 회전함으로써, 센서 고정판(109a)에 설치된 광전센서(109)가 제 3 기어(107c)의 축을 중심으로 미소하게 좌우로 회전하여, 검출원판(111)에 있는 검출홈(114)의 검출위치를 조정되어 영점을 보다 미세하게 검출할 수 있도록 한다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 절대위치 계측장치를 통하여 절대위치 값이 계측되는 과정을 나타낸 흐름도이다.
단계 S100 : 정주기 인터럽트(1ms)을 통하여 측정이 시작되면, 먼저 절대위치 계측장치(100)의 절대위치 계측 컨트롤러(200)에서 광역엔코더(113) 값(A)을 계산하게 되는데, 광역엔코더(113) 값(A)은 수학식 30에서와 설명한 바와 같이 광역엔코더 인터페이스부(203)를 통하여 입력되는 원시 광역엔코더(113) 값(A0)에서 설정된 광역엔코더(113)의 영점값을 뺀 값이 된다.
단계 S110 : 정밀엔코더(112) 값(B)은 수학식 31에서 설명한 바와 같이 정밀엔코더 인터페이스부(202)를 통하여 입력되는 원시 정밀엔코더(112) 값(B0)에서 설정된 정밀엔코더(112)의 영점값을 뺀 값이 된다.
단계 S120, S130 : 상기 과정을 통하여 계산된 광역엔코더(113) 값 및 정밀엔코더(112) 값을 통하여 절대위치 값을 계산하기 위해, 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)에서 정밀엔코더(112)의 회전수를 찾기 위한 값인 스텝업 인덱스 값은 0으로 설정하며(S120), 이 스텝업 인덱스 값에 대한 스텝업_상한값과 스텝업_하한값 및 다운스텝_밴드값을 읽어 들인다(S130).
단계 S140, S141, S142 : 다음으로 정밀엔코더의 회전수를 결정하기 위해, 먼저 광역엔코더(113)의 값(A)이 스텝업_하한값보다 같거나 큰지를 판단하게 된다(S140). 만약, 광역엔코더(113) 값이 스텝업_하한값보다 같거나 크면 다음 스텝 (S150)으로 이동하고, 작다면 스텝업 인덱스를 1 증가시킨 후(S141), 증가된 스텝업 인텍스 값이 최대 인덱스 값보다 크거나 같은지를 판단하여 작으면 상기 단계 S130으로 이동하고 크거나 같으면 정밀위치 계산 과정을 종료하게 된다(S142).
단계 S150 : 만약, 광역엔코더(113)의 값이 스텝업_상한값보다 작은지를 판단하게 되는데, 만약 광역엔코더(113)의 값이 스텝업_상한값보다 작다면 다음 스텝(S160) 으로 이동하고, 작지 않다면 상기 단계 S141으로 이동하여 스텝업 인덱스 값을 1 증가하는 과정을 수행하게 된다.
단계 S160 : 스텝업 인덱스 값을 정밀엔코더(112)의 회전수로 입력하게 된다.
단계 S170, S180, S190 : 다운스텝 보정 적용 여부를 판단하기 위해, 광역엔코더(113)의 값이 다운스텝 밴드값보다 작은지를 판단하고(S170), 작은 경우 정밀엔코더(112)의 값이 다운스텝 하한값, 즉 512 보다 큰지를 판단하여(S180), 큰 경우 다운스텝 보정을 수행하여 정밀엔코더(112)의 회전수에서 1을 빼주는 연산을 하게 된다(S190). 한편, 광역엔코더(113) 값이 다운스텝 밴드값보다 크지 않거나 정밀엔코더(112) 값이 다운스텝 하한값인 512보다 크지 않다면, 다운스텝 보정을 적용하지 않게 된다. 상기 다운스텝 하한값 512는 정밀엔코더(112)의 분해능이 1024인 경우 정밀엔코더 분해능의 0.5로 설정된 값으로, 이는 정밀엔코더 분해능의 0∼0.75 범위 내에서 적절히 변경될 수 있다.
단계 S200 : 상기 과정을 통하여 정밀엔코더(112)의 회전수가 계산되면, 상술한 수학식 1에 따라 정밀엔코더(112)의 회전수에 정밀엔코더(112)의 분해능을 곱하고 정밀엔코더(112)의 값을 더하여 절대위치 값을 연산한 후, 주기 인터럽트를 종료하게 된다.
도 13에서는 본 발명이 적용되는 기술 분야에 따라 다양한 용도로 사용될 수 있도록 적정하게 설정되는 파라메터의 일례를 나타낸 것으로, 절대위치 계측 컨트롤러(200)의 마이크로 프로세서(201)는 LCD & Key 보드(131) 또는 USB 포트(204) 또는 RS-485 통신부(210)를 통하여 외부 장치로부터 파라메터 값을 입력받아 이를 FRAM 메모리(205)에 저장하고, 전원이 공급되는 순간 리셋 동작에서 마이크로 프로세서(201)의 각 해당 변수를 초기화 하여 다양한 연산과 기능을 구현하도록 설정한다.
도 13의 각 파라메터에 대하여 설명하면, 연산단위를 mm 또는 cm 로 설정하는 Para_Unit 와, 직선보간 또는 원호보간을 수행하는지를 설정하는 Para_Comp 와, 연산값에 초기 옵셋값을 더하거나 빼는 값을 설정하는 Para_Offset 과, 출력 형태를 BCD 혹은 바이너리를 설정하는 Para_Output 과, 통신속도를 설정하는 Para_Baud 와, 실제 물리량 1000 mm 에 대한 절대 위치값의 비율을 설정하는 Para_Ratio 와, 절대 위치값이 설정된 위치값_1에 도달하거나 초과하면 신호를 출력하는 Para_Pos1 과, 절대 위치값이 설정된 위치값_2에 도달하거나 초과하면 신호를 출력하는 Para_Pos2 가 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 정밀엔코더(112)와 광역엔코더(113)를 통하여 긴 거리에 대한 절대위치를 계측할 수 있는데, 절대위치 계측시 광역엔코더(113)의 값을 스텝업 하한값과 스텝업 상한값 및 다운스텝 밴드값에 적용하여 다운스텝 보정 여부를 판단하고, 판단 결과에 따라 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산하고 이를 통하여 절대위치 값을 계산함으로써 오차가 보정된 정확한 절대위치값을 계측할 수 있게 된다.
이러한 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
100 : 절대위치 계측장치 101 : 몸체
102 : 덮개 103 : 베어링
104 : 회전축 105 : 회전축 기어
106 : 감속기어 107a : 제 1 기어
107b : 제 2 기어 107c : 제 3 기어
108 : 고정나사 109 : 광전센서
109a : 센서 고정판 109b : 장력스프링
109c : 장력스프링 고정고리 110 : 조정기어
111 : 검출원판 112 : 정밀엔코더
113 : 광역엔코더 114 : 검출홈
115 : 조정베어링 116 : 스핀들
117 : 고정블럭 118 : 마이크로메터 헤드
120 : 영점스위치 121 : 영점허가 스위치
122 : 리미트 스위치 123 : DC 24V 전원
130 : 노트북 컴퓨터 131 : LCD & Key 보드
132 : 위치값 표시장치 133 : 상위 감시장치
134, 136 : 상위 제어장치 135 : 광신호 변환장치
200 : 절대위치 계측 컨트롤러 201 : 마이크로 프로세서
202 : 정밀엔코더 인터페이스부 203 : 광역엔코더 인터페이스부
204 : USB 포트 205 : FRAM 메모리
206 : 영점신호 입력부 207 : 영점허가 신호 입력부
208 : 리미트 신호 입력부 209 : RS-232C 통신부
210 : RS-485 통신부 211 : 위치값 출력부
212 : 리미트 신호 출력부 213 : 광신호 송수신부
214 : DC/DC 컨버터 215 : 이더넷 통신부
216 : 무선 송수신부

Claims (16)

  1. 절대형 엔코더를 이용하여 측정 대상물의 절대위치를 계측하는 장치에 있어서,
    상기 측정 대상물의 이동에 따라 회전하는 회전축(104)에 결합되어, 상기 회전축(104)의 회전 각도에 따른 값을 측정하여 출력하는 정밀 측정용 절대형 엔코더인 정밀엔코더(112)와;
    상기 회전축(104)에 형성되는 기어(105)와 맞물려 회전축(104)의 회전 속도를 감속하는 감속기어(106)와;
    상기 감속기어(106)에 의해 감속된 회전 각도에 따른 값을 측정하여 출력하는 광역 측정용 절대형 엔코더인 광역엔코더(113)와;
    상기 정밀엔코더(112) 및 광역엔코더(113)의 측정값을 분석하여 측정 대상물의 이동에 따른 절대위치 값을 계산하는 절대위치 계측 컨트롤러(200);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 절대위치 계측장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 감속기어(106)는 회전축(104)에 형성된 회전축 기어(105)와 맞물려 회전 속도를 감속하는 제 1 기어(107a)와, 상기 제 1 기어(107a)와 맞물려 제 1 기어(107a)의 회전 속도를 감속하는 제 2 기어(107b)와, 상기 제 2 기어(107b)와 맞물려 제 2 기어(107b)의 회전 속도를 감속하는 제 3 기어(107c)를 포함하는 복수의 기어로 이루어지며,
    상기 복수의 기어 중 마지막 단에 설치된 기어의 축에는 광역엔코더(113)가 설치되어 감속된 회전 각도에 따른 값을 측정하는 것을 특징으로 하는 절대위치 계측장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 감속기어(106)는 일체로 형성된 감속기 또는 하모닉 드라이버를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 절대위치 계측장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광역엔코더(113)가 설치되는 기어의 축에는
    영점 검출을 위한 검출홈(114)을 갖는 불투명 재질의 검출원판(111)과,
    상기 기어 축의 회전에 따라 함께 회전하는 검출원판(111)에 빔을 조사하고, 조사된 빔이 검출원판(111)의 검출홈(114)을 통과하는 경우 이를 수신하여 영점 위치를 검출하는 광전센서(109)가 설치되는 것을 특징으로 하는 절대위치 계측장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 검출원판(111)은 고정나사(108)를 통하여 기어 축에 착탈 가능하게 결합되고, 상기 검출원판(111)의 원주에는 영점 조절을 위한 기어가 형성되며, 상기 검출원판(111)의 원주에 형성된 기어에는 조정기어(110)에 결합되어,
    상기 고정나사(108)를 풀어 기어 축과 검출원판(111)의 고정 상태를 해제한 상태에서 상기 조정기어(110)를 회전시켜 검출원판(111)의 위치를 조절한 후, 고정나사(108)를 통하여 기어 축과 검출원판(111)을 고정시켜, 상기 검출원판(111)의 영점 위치를 변경할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 절대위치 계측장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 센서 고정판(109a)의 상부에는 조정 베어링(115)이 고정 설치되고, 상기 조정 베어링(115)은 절대위치 계측장치(100)의 몸체(101)에 설치되는 고정블럭(117)에 고정된 마이크로메터 헤드(118)의 스핀들(116)에 밀착되어, 상기 스핀들(116)의 전진 또는 후진에 의하여 좌측 또는 우측으로 회전함으로써, 상기 조정 베어링(115)이 설치된 센서 고정판(109a)과 이 센서 고정판(109a)에 설치된 광전센서(109)가 좌측 또는 우측으로 회전하여, 상기 검출원판(111)에 형성된 검출홈(114)의 검출 위치를 미세하게 조절할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 절대위치 계측장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 절대위치 계측 컨트롤러(200)는
    상기 광역엔코더(113)의 값을 이용하여 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산하고, 계산된 정밀엔코더(112)의 회전수에 정밀엔코더(112)의 분해능을 곱한 후, 측정된 정밀엔코더(112)의 값을 더하여 측정 대상물의 절대위치 값을 계산하는 것을 특징으로 하는 절대위치 계측장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 절대위치 계측 컨트롤러(200)는
    상기 정밀엔코더(112)의 각 회전수에 대한 스텝업_하한값과 스텝업_상한값 및 다운스텝_밴드값이 설정된 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)을 검사하여,
    상기 광역엔코더(113)의 값이 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)의 스텝업_하한값 보다 크거나 같고 스텝업_상한값 보다 작은 범위의 테이블 인텍스 값을 정밀엔코더(112)의 회전수로 설정하되,
    상기 광역엔코더(113) 값이 다운스텝_밴드값 보다 작고, 정밀엔코더(112)의 값이 다운스텝 하한값 보다 큰 경우, 설정된 정밀엔코더(112)의 회전수에서 1을 빼는 다운스텝 보정을 수행하여 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산하는 것을 특징으로 하는 절대위치 계측장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)의 스텝업_하한값과 스텝업_상한값 및 다운스텝_밴드값, 다운스텝 하한값은 다음의 수식을 통하여 설정되는 것을 특징으로 하는 절대위치 계측장치.
    [수학식]
    Figure pat00037

    Figure pat00038

    Figure pat00039

    Figure pat00040

    (여기서 A3은 정밀엔코더 1회전당 광역엔코더의 값으로 A3 = int(B1/B2 + 0.5)(B1은 전체행정에서 광역엔코더의 값, B2는 B1에 대한 정밀엔코더의 회전수), N은 정밀엔코더의 회전수, int()는 실수를 정수로 변환하는 함수, α는 0∼0.499 범위의 상수, β는 0.5∼0.999 범위의 상수, γ는 0∼0.499 범위의 상수, δ는 0∼0.75 범위의 상수이다)
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 절대위치 계측 컨트롤러(200)는
    상기 정밀엔코더(112)로부터 측정 신호가 입력되는 정밀엔코더 인터페이스부(202)와,
    상기 광역엔코더(113)로부터 측정 신호가 입력되는 광역엔코더 인터페이스부(203)와,
    상기 정밀엔코더 인터페이스부(202) 및 광역엔코더 인터페이스부(203)를 통하여 정밀엔코더 측정 신호 및 광역엔코더 측정 신호를 입력받아 분석하여 절대위치 값을 계산하는 마이크로 프로세서(201)와,
    외부의 영점스위치(120)로부터 영점 설정 신호를 입력받아 마이크로 프로세서(201)에 전송하는 영점신호 입력부(206)와,
    상기 마이크로 프로세서(201)를 통하여 계산되는 절대위치 값을 출력하는 위치값 출력부(211)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 절대위치 계측장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 절대위치 계측 컨트롤러(200)에는
    외부의 영점허가 스위치(121)로부터 영점 변경 허가 신호를 입력받아 마이크로 프로세서(201)에 전송하는 영점허가 신호 입력부(207)가 구비되어,
    상기 마이크로 프로세서(201)는 영점 허가 신호가 ON 상태일 때에만 영점 설정이 이루어질 수 있도록 제어하는 것을 특징으로 하는 절대위치 계측장치.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 마이크로 프로세서(201)는 LCD & Key 보드(131)나 USB 포트(204) 또는 RS-485 통신부(210)를 통하여 외부 장치로부터 파라메터 정보를 입력받되,
    상기 파라메터 정보에는 연산단위를 mm 혹은 cm 로 설정하는 Para_Unit 와, 연산값에 초기 옵셋값을 더하거나 빼는 값을 설정하는 Para_Offset 과, 통신속도를 설정하는 Para_Baud 와, 실제 물리량 1000 mm 에 대한 절대 위치값의 비율을 설정하는 Para_Ratio 와, 절대 위치값이 설정된 위치값에 도달하거나 초과하면 신호를 출력하는 Para_Pos1 및 Para_Pos2 가 포함되는 것을 특징으로 하는 절대위치 계측장치.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 마이크로 프로세서(201)는 계산된 절대위치 값을 RS-232C 통신부(209), RS-485 통신부(210), 광신호 송수신부(213), 이더넷 통신부(215), 무선 송수신부(216) 중 어느 하나 이상을 이용하여 외부 장치에 전송하는 것을 특징으로 하는 절대위치 계측장치.
  14. 절대형 엔코더를 이용하여 측정 대상물의 절대위치를 계측하는 장치에 있어서,
    상기 측정 대상물의 이동에 따라 회전하는 회전축(104)에 결합되어, 상기 회전축(104)의 회전 각도에 따른 값을 측정하여 출력하는 정밀 측정용 절대형 엔코더인 정밀엔코더(112)와;
    상기 회전축(104)에 형성되는 기어(105)와 맞물려 회전축(104)의 회전 속도를 감속하는 감속기어(106)와;
    상기 감속기어(106)에 의해 감속된 회전 각도에 따른 값을 측정하여 출력하는 광역 측정용 포텐쇼메터와;
    상기 정밀엔코더(112) 및 포텐쇼메터(113)의 측정값을 분석하여 측정 대상물의 이동에 따른 절대위치 값을 계산하는 절대위치 계측 컨트롤러(200);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 절대위치 계측장치.
  15. 절대형 엔코더를 이용하여 측정 대상물의 절대위치를 계측하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 측정 대상물의 이동에 따라 회전하는 회전축(104)에 결합된 정밀 측정용 절대형 엔코더인 정밀엔코더(112)에서 상기 회전축(104)의 회전 각도에 따른 값을 측정하여 절대위치 계측 컨트롤러(200)에 입력하는 단계와;
    (b) 상기 회전축(104)의 회전 속도를 감속하는 감속기어(106)에 설치된 광역 측정용 절대형 엔코더인 광역엔코더(113)에서 상기 감속기어(106)에 의해 감속된 회전 각도에 따른 값을 측정하여 절대위치 계측 컨트롤러(200)에 입력하는 단계와;
    (c) 상기 절대위치 계측 컨트롤러(200)에서 측정된 광역엔코더(113)의 값을 이용하여 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산하고, 계산된 정밀엔코더(112)의 회전수에 정밀엔코더(112)의 분해능을 곱한 후, 측정된 정밀엔코더(112)의 값을 더하여 측정 대상물의 절대위치 값을 계산하는 것을 특징으로 하는 절대위치 계측방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 절대위치 계측 컨트롤러(200)는
    상기 정밀엔코더(112)의 각 회전수에 대한 스텝업_하한값과 스텝업_상한값 및 다운스텝_밴드값이 설정된 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)을 검사하여,
    상기 광역엔코더(113)의 값이 정밀엔코더 회전수 계산 테이블(420)의 스텝업_하한값 보다 크거나 같고 스텝업_상한값 보다 작은 범위의 테이블 인텍스 값을 정밀엔코더(112)의 회전수로 설정하되,
    상기 광역엔코더(113) 값이 다운스텝_밴드값 보다 작고, 정밀엔코더(112)의 값이 다운스텝 하한값 보다 큰 경우, 설정된 정밀엔코더(112)의 회전수에서 1을 빼는 다운스텝 보정을 수행하여 정밀엔코더(112)의 회전수를 계산하는 것을 특징으로 하는 절대위치 계측방법.
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