KR20210118177A - 산업 기계, 치수 추정 장치, 및 치수 추정 방법 - Google Patents

산업 기계, 치수 추정 장치, 및 치수 추정 방법 Download PDF

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Abstract

계측값 취득부는, 게이지에 의한 공작물의 치수의 계측값을 취득한다. 목표 커팅량 특정부는, 숫돌에 의한 목표 커팅량을 특정한다. 추정 모델은, 게이지에 의한 계측값과 목표 커팅량과 잡음의 관계에 기초하여 생성된, 치수의 계측값 및 상기 목표 커팅량을 입력함으로써 공작물의 치수의 추정값을 출력하는 모델이다. 치수 추정부는, 치수의 계측값 및 목표 커팅량을 추정 모델에 입력함으로써, 숫돌에 의한 연삭의 영향을 제거한 치수의 추정값을 얻는다.

Description

산업 기계, 치수 추정 장치, 및 치수 추정 방법
본 발명은, 산업 기계, 치수 추정 장치, 및 치수 추정 방법에 관한 것이다.
본원은, 2019년 3월 29일에 일본에 출원된 특허출원 제2019-068540호에 대하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
특허문헌 1에는, 연삭반으로부터 공작물(workpiece)를 제거하지 않고, 공작물의 진원도(眞圓度)를 계측하는 기술이 개시되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 기술에 의하면, 3점 접촉식 측정기를 공작물의 주위면을 따라 접촉 이동시키고, 계측값과, 공작물의 회전각과, 공작물의 회전축과 3점 접촉식 측정기의 위치에 기초하여, 공작물의 진원도를 특정한다.
일본공개특허 제2001-66132호 공보
그런데, 연삭반이 공작물을 연삭하고 있을 때, 공작물은 숫돌(grindstone)을 눌리는 것에 의해 휜다. 또한, 연삭 중은 숫돌의 이동이나 쿨런트에 의한 외란(外亂)의 영향이 크기 때문에, 특허문헌 1에 기재된 방법에 의해 3점 접촉식 측정기의 계측값은 오차를 포함한다. 본 발명의 목적은, 공작물의 연삭 중에, 숫돌에 의한 연삭의 영향을 제거하여 공작물의 치수를 추정할 수 있는 산업 기계, 치수 추정 장치, 및 치수 추정 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제1 태양(態樣)에 의하면, 연삭반은, 공작물에 접촉하여 상기 공작물을 연삭하는 원반형의 숫돌과, 상기 숫돌을 커팅 방향으로 이동시키는 액추에이터와, 상기 공작물의 치수를 계측하는 게이지와, 상기 액추에이터를 제어하는 제어 장치를 구비하고, 상기 제어 장치는, 상기 게이지에 의한 상기 치수의 계측값을 취득하는 계측값 취득부와, 상기 숫돌에 의한 목표 커팅량(cutting amount)을 특정하는 목표 커팅량 특정부와, 상기 게이지에 의한 계측값과 상기 목표 커팅량과 잡음의 관계에 기초하여 생성된, 상기 치수의 계측값 및 상기 목표 커팅량을 입력함으로써 상기 공작물의 치수의 추정값을 출력하는 추정 모델과, 상기 치수의 계측값 및 상기 목표 커팅량을 상기 추정 모델에 입력함으로써, 숫돌에 의한 연삭의 영향을 제거한 상기 치수의 추정값을 얻는 치수 추정부를 구비한다.
상기 태양 중 적어도 하나의 태양에 의하면, 숫돌에 의한 연삭의 영향을 제거하여 공작물의 치수를 추정할 수 있다.
[도 1] 제1 실시형태에 관한 연삭반의 구성을 나타내는 상면도이다.
[도 2] 숫돌과 공작물과 사이징(sizing) 게이지의 위치 관계를 나타내는 연삭반의 단면도(斷面圖)이다.
[도 3] 제1 실시형태에 관한 제어 장치의 구성을 나타내는 개략 블록도이다.
[도 4] 제1 실시형태에 관한 제어 장치의 동작을 나타내는 플로차트다.
[도 5] 제1 실시형태에 관한 제어 장치에 의한 진원도의 계측 결과의 예를 제시하는 도면이다.
<제1 실시형태>
이하, 도면을 참조하면서 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다.
《연삭반의 구성》
도 1은, 제1 실시형태에 관한 연삭반의 구성을 나타내는 상면도이다. 연삭반은 산업 기계의 일례이다.
연삭반(100)은 기대(base)(110), 지지 장치(120), 숫돌대(grindstone base ), 사이징 게이지(140), 제어 장치(150), 표시 장치(160)를 구비한다. 기대(110)는 공장의 바닥면에 설치된다. 지지 장치(120) 및 숫돌대(130)는, 기대(110)의 상면에 설치된다. 지지 장치(120)는 공작물(W)의 양단(兩端)을 지지하고, 공작물(W)을 주축 주위로 회전시킨다. 숫돌대(130)는, 지지 장치(120)에 지지된 공작물(W)을 가공하기 위한 숫돌(131)을 지지한다.
이하, 기대(110)의 상면에 있어서 주축(主軸)과 직교하는 방향을 X방향이라고 부르고, 주축이 연장되는 방향을 Y방향이라고 부르고, 기대(110)의 상면에 직교하는 방향을 Z방향이라고 부른다. 즉, 이하의 설명에 있어서는, X축, Y축, 및 Z축으로 이루어지는 3차원 직교 좌표계를 참조하면서 연삭반(100)의 위치 관계를 설명한다. 또한, 이하, 연삭반(100)의 주축을 C축이라고도 한다.
제1 실시형태에서는, 연삭반(100)이 공작물(W)의 연삭에 의해 크랭크샤프트(crankshaft)를 형성하는 예에 대하여 설명한다. 크랭크샤프트는, 크랭크 저널(W1)과 크랭크 핀(W2)과 크랭크 암(W3)으로 구성된다. 크랭크 저널(W1)은, 엔진 축받이에 유지되는 축이다. 크랭크 저널(W1)의 축은, 연삭반(100)에 의한 가공 시에서의 주축과 일치한다. 크랭크 핀(W2)은, 피스톤의 커넥팅 로드에 접속되는 원형단면(斷面) 형상의 부위이다. 크랭크 핀(W2)은, 크랭크샤프트의 회전에 의해 피스톤이 왕복 운동하도록, 크랭크 저널(W1)의 축으로부터 이격된 위치에 축을 가진다. 크랭크 암(W3)은, 크랭크 저널(W1)과 크랭크 핀(W2)을 접속한다.
기대(110)에는, 숫돌대(130)를 Y축 방향으로 슬라이딩 가능하게 지지하는 Y축 가이드부(111)과, Y축 가이드부(111)를 따라 숫돌대(130)를 Y축 방향으로 이동시키는 Y축 액추에이터(112)를 구비한다. Y축 액추에이터(112)는, 직동(直動) 모터에 의해 구성되어도 되고, 볼 나사와 회전 모터의 조합에 의해 구성되어도 된다.
지지 장치(120)는, 대략 원통형의 공작물(W)의 일단(一端)을 지지하는 주축대(121)와, 타단(他端)을 지지하는 심압대(tailstock)(122)를 구비한다. 주축대(121)에는, 공작물(W)을 축 주위로 회전시키는 회전 모터(123)와, 회전 모터(123)의 회전각을 계측하는 주축 센서(124)를 구비한다.
숫돌대(130)는 숫돌(131)과, X축 가이드부(132)와, X축 액추에이터(133)와, 변위 센서(134)와, 회전 모터(135)와, 회전각 센서(136)를 구비한다.
숫돌(131)은 원반형으로 형성되고, 회전 모터(135)에 의해 중심축 주위로 회전된다. 숫돌(131)은, 중심축이 Y축과 평행하게 되도록 설치된다. 숫돌(131)의 면에는, 수정 추(錘)를 장착하기 위한 복수의 장착공이 동일 원주 상에 등간격으로 설치된다.
X축 가이드부(132)는, 기대(110)에 대하여 숫돌대(130)를 X축 방향으로 슬라이딩 가능하게 지지한다.
X축 액추에이터(133)는, X축 가이드부(132)를 따라 숫돌(131)을 X축 방향으로 이동시킨다. X축 방향은 숫돌(131)의 커팅 방향이다. X축 액추에이터(133)는 직동 모터에 의해 구성되어도 되고, 볼 나사와 회전 모터의 조합에 의해 구성되어도 된다.
변위 센서(134)는, 기대(110)에 대한 숫돌대(130)의 X축 방향의 변위를 계측한다. 변위 센서(134)는 예를 들면 리니어 인코더에 의해 구성된다.
회전 모터(135)는, 숫돌(131)을 중심축 주위로 회전시킨다.
회전각 센서(136)는 숫돌(131)의 회전각을 계측한다. 회전각 센서(136)는 예를 들면 로터리 인코더에 의해 구성된다.
즉, 제1 실시형태에 관한 연삭반(100)에서는, 지지 장치(120)의 주축대(121) 및 심압대(122) 사이에 공작물(W)을 지지하고, 숫돌(131)에 의해 공작물(W)의 외주면(外周面)을 연삭 가공한다.
도 2는, 숫돌과 공작물과 사이징 게이지의 위치 관계를 나타내는 연삭반의 단면도이다.
사이징 게이지(140)는 숫돌대(130)에 설치되고, 공작물(W)의 외주면에 접촉하면서 공작물(W)의 치수를 계측한다. 제1 실시형태에 관한 사이징 게이지(140)는, 공작물(W) 중, 숫돌(131)에 의한 연삭점과 동일 주위면 상에 있어서, 치수를 계측한다.
사이징 게이지(140)는 게이지 본체(141), 제1 암(142), 제2 암(143), 스탠드(144)를 구비한다. 게이지 본체(141)는, 공작물(W)의 주위면의 2점에 내접하는 오목부를 가지는 V블록과, V블록의 오목부의 중앙에 형성된 계측부를 가지는 인-프로세스(in-process) 게이지다. 제1 암(142)의 제1 단은 게이지 본체(141)에 고정된다. 제1 암(142)의 제2 단은, 제2 암(143)의 제1 단에 회전 가능하게 지지된다. 제2 암(143)의 제2 단은, 스탠드(144)에 회전 가능하게 지지된다. 스탠드(144)는 숫돌대(130)에 고정된다.
제1 암(142) 및 제2 암(143)은, 게이지 본체(141)의 계측부가 항상 공작물(W)의 크랭크 핀(W2) 부분에 접촉하도록 게이지 본체(141)를 지지한다. 크랭크 핀(W2)의 중심축은, 연삭반(100)의 주축으로부터 이격된 위치에 있으므로, 공작물(W)의 회전에 따라, 계측부가 닿는 위치가 크랭크 핀(W2)의 단면 원에서의 동일위상(예를 들면, 35도의 위치)로부터 ±10도 전후 변화된다.
《제어 장치의 구성》
도 3은, 제1 실시형태에 관한 제어 장치의 구성을 나타내는 개략 블록도이다.
제어 장치(150)는 Y축 액추에이터(112), 회전 모터(123), X축 액추에이터(133), 및 회전 모터(135)를 제어한다. 제어 장치(150)는 프로세서(151), 메인 메모리(153), 스토리지(155), 인터페이스(157)를 구비한다. 프로세서(151)는, 프로그램을 스토리지(155)로부터 판독하여 메인 메모리(153)에 전개하고, 해당 프로그램에 따라서 상기 처리를 실행한다. 또한, 프로세서(151)는, 프로그램에 따라서, 전술한 각 기억부에 대응하는 기억 영역을 메인 메모리(153)에 확보한다.
프로그램은, 제어 장치(150)에 발휘시키는 기능의 일부를 실현하기 위한 것이라도 된다. 예를 들면, 프로그램은, 스토리지(155)에 이미 기억되어 있는 다른 프로그램과의 조합, 또는 다른 장치에 실장된 다른 프로그램과의 조합에 의해 기능을 발휘시키는 것이라도 된다. 그리고, 다른 실시형태에 있어서는, 제어 장치(150)는 상기 구성에 더하여, 또는 상기 구성 대신에 PLD(Progra㎜able Logic Device) 등의 커스텀 LSI(Large Scale Integrated Circuit)을 구비해도 된다. PLD의 예로서는, PAL(Progra㎜able Array Logic), GAL(Generic Array Logic), CPLD(Complex Progra㎜able Logic Device), FPGA(Field Progra㎜able Gate Array)를 들 수 있다. 이 경우, 프로세서(151)에 의해 실현되는 기능의 일부 또는 전부가 해당 집적 회로에 의해 실현되어도 된다.
스토리지(155)의 예로서는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Drive), 자기 디스크, 광자기 디스크, CD-ROM(Compact Disc Read Only Memory), DVD-ROM(Digital Versatile Disc Read Only Memory), 반도체 메모리 등을 들 수 있다. 스토리지(155)는, 제어 장치(150)의 버스에 직접 접속된 내부 미디어라도 되고, 인터페이스(157) 또는 통신 회선을 통하여 제어 장치(150)에 접속되는 외부 미디어라도 된다. 또한, 이 프로그램이 통신 회선에 의해 제어 장치(150)에 분배되는 경우, 배신(配信)을 받은 제어 장치(150)가 해당 프로그램을 메인 메모리(153)에 전개하고, 상기 처리를 실행해도 된다. 적어도 하나의 실시형태에 있어서, 스토리지(155)는, 일시적이지 않은 유형의 기억 매체이다.
프로세서(151)는 프로그램의 실행에 의해, 계측값 취득부(511), 목표 커팅량 특정부(512), 오차 산출부(513), 목표 상태량 산출부(514), 지령값 산출부(515), 지령 출력부(516), 계측 위치 보상부(補償部)(517), 추정 모델(518), 치수 추정부(519), 표시 제어부(520)로서 기능한다.
계측값 취득부(511)는, 주축 센서(124), 변위 센서(134), 및 사이징 게이지(140)로부터 계측값을 취득한다. 즉, 계측값 취득부(511)는, 숫돌(131)의 X축 방향의 변위의 계측값 L, 주축의 회전각의 계측값 θ, 및 공작물(W)의 치수의 계측값 x를 취득한다.
목표 커팅량 특정부(512)는, 계측값 취득부(511)가 취득한 숫돌(131)의 X축 방향의 변위의 계측값 L, 주축의 회전각의 계측값 θ, 및 공작물(W)의 목표 형상으에 기초하여, 숫돌(131)의 목표 커팅량 xr을 특정한다. 여기에서, 도 2를 참조하면서, 목표 커팅량 특정부(512)에 의한 구체적인 목표 커팅량 xr의 특정 방법을 설명한다. 먼저 목표 커팅량 특정부(512)는, 계측값 취득부(511)가 취득한 주축의 회전각의 계측값 θ와 공작물(W)의 목표 형상으로부터, 숫돌(131)과 대향하는 목표 형상에 관한 크랭크 핀(W2)의 중심축의 위치 O를 특정한다. 다음으로, 목표 커팅량 특정부(512)는 숫돌(131)의 반경 R, 주축으로부터 크랭크 핀(W2)의 중심축까지의 거리 E, X축의 변위의 계측값 L, 주축의 회전각의 계측값 θ, 및 공작물(W)의 목표반경 r0에 기초하여, 공작물(W)의 직경 방향의 목표 커팅량 xr을 산출한다. 구체적으로는, 이하의 식(1)에 기초하여 공작물(W)의 반경 R을 산출한다. 그리고, 목표 커팅량 특정부(512)는, 공작물(W)의 반경 R로부터 목표 형상에 관한 반경 r0을 뺀 값을 2배함으로써, 공작물(W)의 직경당의 목표 커팅량 xr을 산출한다. 목표 커팅량 특정부(512)는, 특정한 목표 커팅량 xr을, 도 2에 나타낸 크랭크 핀(W2)과 숫돌(131)의 접점(contact point)의 핀 각도 Ψ에 관련지어 메인 메모리(153)에 기록한다.
[수 1]
Figure pct00001
…(1)
오차 산출부(513)는, 계측값에 기초하여 구해진 공작물(W)의 반경 r, 변위 지령값 Lref, 각도 지령값 θref 및 공작물(W)의 목표 형상에 기초하여, X축 액추에이터(133) 및 회전 모터(123)의 제어 오차에 의해 발생하는 공작물(W)의 직경당의 윤곽 오차를 산출한다. 변위 지령값 Lref는, X축 액추에이터(133)의 변위의 목표값, 각도 지령값 θref는, 주축의 회전각의 목표값이다. 구체적으로는, 오차 산출부(513)는 이하의 식(2)에 기초하여, 공작물(W)의 직경당의 윤곽 오차 Δr을 산출한다. 오차 산출부(513)는, 특정한 윤곽 오차 Δr을, 접점의 핀 각도 Ψ에 관련지어 메인 메모리(153)에 기록한다.
[수 2]
Figure pct00002
…(2)
목표 상태량 산출부(514)는, X축 액추에이터(133)의 변위의 목표값에 기초하여 숫돌(131)의 변위에 관한 상태량의 목표값을 산출한다. 구체적으로는, 목표 상태량 산출부(514)는, 숫돌(131)의 X축 방향의 목표 속도, 목표 가속도, 및 목표 저크(jerk)의 값을 산출한다.
지령값 산출부(515)는, 숫돌(131)의 상태량의 목표값에 기초하여 X축 액추에이터(133)의 전류 지령값을 산출한다. 구체적으로는, 지령값 산출부(515)는, 숫돌(131)의 상태량의 목표값을 해당 목표값을 달성하기 위한 전류값으로 변환함으로써, 전류 지령값을 산출한다.
지령 출력부(516)는, 지령값 산출부(515)가 산출한 전류 지령값을 X축 액추에이터(133)에 출력한다. 또한 지령 출력부(516)는, 소정의 회전수로 주축을 회전시키기 위한 전류 지령값을, 회전 모터(123)에 출력한다.
계측 위치 보상부(517)는, 목표 커팅량 xr 및 윤곽 오차 Δr에 대하여, 크랭크 핀(W2)에서의 숫돌(131)의 접점과 사이징 게이지(140)의 접점의 위상차를 보상한다. 즉, 계측 위치 보상부(517)는, 크랭크 핀(W2) 중 사이징 게이지(140)에 의해 계측된 점에 대응한, 연삭된 시점의 숫돌(131)의 목표 커팅량 xr(Ψ∼) 및 윤곽 오차 Δr(Ψ∼)을 특정한다.
구체적으로는, 계측 위치 보상부(517)는, 메인 메모리(153)에 기록된, 크랭크 핀(W2)과 숫돌(131)의 접점의 핀 각도 Ψ 중에서, 사이징 게이지(140)가 닿는 각도 Ψ∼에 가장 가까운 각도를 나타내는 것을 특정한다. 계측 위치 보상부(517)는, 특정한 각도에 관한 사이징 게이지(140)가 닿는 각도 Ψ∼에 관련된, 숫돌(131)의 목표 커팅량 xr(Ψ∼), 및 윤곽 오차 Δr(Ψ∼)을 특정한다.
추정 모델(518)은 공작물(W)의 치수의 계측값 x, 숫돌(131)의 목표 커팅량 xr, 및 제어 오차에 의해 발생하는 공작물(W)의 윤곽 오차 Δr을 입력함으로써, 공작물 휨, 계측 외란, 및 제어 오차 등의 영향을 고려한 공작물(W)의 치수의 추정값을 출력하는 모델이다. 공작물 휨, 계측 외란, 및 제어 오차는, 공작물(W)의 치수의 계측값에 곱하는 잡음의 일례이다. 추정 모델(518)은 공작물 휨, 계측 외란, 및 크랭크 핀(W2)과 숫돌(131)의 위치 관계를 감안한 수리 모델에 기초한 칼만 필터(Kalman filter)에 의해 구성된다.
여기에서, 추정 모델(518)의 설계 사상에 대하여 설명한다.
숫돌(131)에 의한 공작물(W)의 실제의 커팅량은, 휨에 의한 공작물(W)의 변위량을 고려하면, 목표 커팅량 xr을 입력, 공작물(W)의 실제치수에 관한 설명 변수 z를 상태, 및 T, M을 동특성 파라미터로 한 상태 방정식에 의해 나타낼 수 있다. 또한, 공작물(W)의 치수의 계측값 x는, 공작물(W)의 실제치수에 관한 설명 변수 z를 상태, N을 동특성 파라미터로 한 출력 방정식에 의해 나타낼 수 있다. 그리고, 동특성 파라미터 T, M 및 N은, 스칼라 또는 행렬이다.
즉, 숫돌(131)에 의한 공작물(W)의 실제의 커팅량은, 이하의 식(3)에 의해 나타낸다. 또한, 치수의 계측값 x는, 이하의 식(4)에 의해 나타낸다.
식(3)은, 크랭크 핀(W2)에서의 숫돌(131)의 접점에서의 상태 방정식이다. 식(3)을, 사이징 게이지(140)의 접점에서의 상태 방정식으로 변환하기 위해서는, 크랭크 핀(W2)에서의 숫돌(131)의 접점과 사이징 게이지(140)의 접점의 위상차를 시변 데드타임(dead time)으로서 표현하면 된다. 즉, 숫돌(131)과의 접점에서 연삭된 부분은, 어떤 시간(시변 데드타임)을 경과하여 사이징 게이지(140)과의 접점에서 계측된다. 구체적으로는, 식(3)의 목표 커팅량 xr에 계측 위치 보상부(517)로 특정한 xr(Ψ∼)을 대입하면 된다.
[수 3]
Figure pct00003
…(3)
[수 4]
Figure pct00004
…(4)
여기에서, 계측 외란 ηd(θ) 및 공작물(W)의 윤곽 오차 Δr(Ψ∼)을 감안하면, 치수의 계측값 x는, 이하의 식(5)와 같이 나타낼 수 있다.
[수 5]
Figure pct00005
…(5)
여기에서, 공작물(W)의 실제치수에 관한 상태 z와 계측 외란 ηd(θ)을 통합한 새로운 상태 zθ를 구성한다. 구체적으로는, 식(5)는, 식(6)으로서 나타낼 수 있다.
[수 6]
Figure pct00006
…(6)
그리고, w는 칼만 필터에 있어서 감안할 수 있는 관측 노이즈의 항이다.
즉, 식(6)은, 상태 zθ와 윤곽 오차 Δr(Ψ∼)의 함수 h{zθ, Δr(Ψ∼)}로서 나타낼 수 있다.
여기에서, 식(3)에서의 공작물(W)의 실제치수에 관한 상태 z를, 공작물(W)의 실제치수에 관한 상태 z와 계측 외란 ηd(θ)의 상태 zθ로서 다루는 것에 의해, 식(3)을, 식(7)로서 나타낼 수 있다. 다만, 식(7)은, 간단하므로 계측 외란 ηd(θ)가 일정값 외란이라고 가정한 식이다. 연삭 중은 숫돌(131)의 이동이나 쿨런트에 의한 계측 외란이 크기 때문에, 실제로는, 이 외란을 모델화하여 식(7)에 포함하면 된다.
[수 7]
Figure pct00007
…(7)
그리고, v는 칼만 필터에 있어서 감안할 수 있는 시스템 노이즈의 항이다. 즉, 식(7)은, 상태 zθ과 목표 커팅량 xr(Ψ∼)의 함수 f{zθ, xr(Ψ∼)}로 나타낼 수 있다.
상기의 식(6) 및 식(7)에 기초하여 칼만 필터를 구성함으로써, 이하의 식(8)에 나타낸 추정 모델(518)을 설계할 수 있다.
[수 8]
Figure pct00008
…(8)
즉, 추정 모델(518)은, 치수와 계측 외란에 관한 상태의 추정값 zθ^, 치수의 계측값 x, 윤곽 오차 Δr(Ψ∼), 및 목표 커팅량 xr(Ψ∼)을 변수로 가지는 시간 발전 모델의 칼만 필터이다.
치수 추정부(519)는, 계측값 취득부(511)가 취득한 치수의 계측값 x, 목표 커팅량 특정부(512)가 특정한 목표 커팅량 xr(Ψ∼), 및 오차 산출부(513)가 산출한 윤곽 오차 Δr(Ψ∼)을 추정 모델(518)에 입력함으로써, 숫돌에 의한 연삭의 다양한 영향을 제거한 공작물(W)의 치수의 추정값을 얻는다. 여기에서, 목표 커팅량 xr(Ψ∼)과 윤곽 오차 Δr(Ψ∼)은, 계측 위치 보상부(517)에 의해 특정한 값을 사용함으로써, 크랭크 핀(W2)에서의 숫돌(131)의 접점과 사이징 게이지(140)의 접점의 위상차를 보상한 치수 추정이 가능해진다.
표시 제어부(520)는, 치수 추정부(519)가 추정한 치수의 추정값에 기초하여, 공작물(W)의 진원도를 나타내는 화면의 표시 신호를 표시 장치(160)에 출력한다.
《제어 장치의 동작》
도 4는, 제1 실시형태에 관한 제어 장치의 동작을 나타내는 플로차트다.
연삭반(100)이 공작물(W)의 가공을 개시하면, 계측값 취득부(511)는, 주축 센서(124)로부터 주축의 회전각의 계측값을, 변위 센서(134)로부터 숫돌(131)의 X축 방향의 변위의 계측값을, 사이징 게이지(140)로부터 공작물(W)의 치수의 계측값을 각각 취득한다(스텝 S1). 목표 커팅량 특정부(512)는, 스텝 S1에서 취득한 주축의 회전각의 계측값 및 숫돌(131)의 X축 방향의 변위의 계측값과 전술한 식(1)에 기초하여, 공작물(W)의 반경을 산출한다(스텝 S2). 또한 목표 커팅량 특정부(512)는, 산출한 공작물(W)의 반경과 공작물(W)의 목표 형상에 기초하여, 공작물(W)의 직경당의 목표 커팅량을 특정한다(스텝 S3). 목표 커팅량 특정부(512)는, 도 2에 나타낸 크랭크 핀(W2)과 숫돌(131)의 접점의 핀 각도 Ψ에 관련지어서, 특정한 목표 커팅량을 메인 메모리(153)에 기록한다.
오차 산출부(513)는, 스텝 S2에서 특정한 공작물(W)의 반경, 주축의 각도 지령값, 숫돌(131)의 X축 방향의 변위 지령값, 및 공작물(W)의 목표 형상과, 전술한 식(2)에 기초하여, 공작물(W)의 직경당의 윤곽 오차를 산출한다(스텝 S4). 오차 산출부(513)는, 도 2에 나타낸 크랭크 핀(W2)과 숫돌(131)의 접점의 핀 각도 Ψ에 관련지어서, 산출한 윤곽 오차 Δr을 메인 메모리(153)에 기록한다.
목표 상태량 산출부(514)는, X축 액추에이터(133)의 변위의 목표값에 기초하여 숫돌(131)의 변위에 관한 상태량의 목표값을 산출한다(스텝 S5). 지령값 산출부(515)는, 스텝 S5에서 산출한 상태량의 목표값에 기초하여 X축 액추에이터(133)의 전류 지령값을 산출한다(스텝 S6). 지령 출력부(516)는, 스텝 S6에서 산출한 전류 지령값을 X축 액추에이터(133)에 출력한다. 또한 지령 출력부(516)는, 소정의 회전수로 주축을 회전시키기 위한 전류 지령값을, 회전 모터(123)에 출력한다(스텝 S7).
계측 위치 보상부(517)는, 메인 메모리(153)에 기록된, 크랭크 핀(W2)과 숫돌(131)의 접점의 핀 각도 Ψ 중에서, 사이징 게이지(140)가 닿는 각도 Ψ∼에 가장 가까운 것을 특정한다(스텝 S8). 계측 위치 보상부(517)는, 스텝 S8에서 특정한 각도에 관한 사이징 게이지(140)가 닿는 각도 Ψ∼에 관련된, 숫돌(131)의 목표 커팅량, 및 윤곽 오차를 특정한다(스텝 S9). 즉, 계측 위치 보상부(517)는, 크랭크 핀(W2)에서의 숫돌(131)의 접점과 사이징 게이지(140)의 접점의 위상차를 보상한 공작물(W)의 직경당의 목표 커팅량, 및 윤곽 오차를 특정한다. 치수 추정부(519)는, 스텝 S1에서 취득한 치수의 계측값, 및 스텝 S9에서 특정한 윤곽 오차 및 목표 커팅량을, 추정 모델(518)에 입력함으로써, 공작물(W)의 치수의 추정값을 얻는다 (스텝 S10).
표시 제어부(520)는, 치수 추정부(519)가 추정한 치수의 추정값에 기초하여, 공작물(W)의 진원도를 나타내는 화면을 갱신하고, 해당 화면의 표시 신호를 표시 장치(160)에 출력한다(스텝 S11).
제어 장치(150)는, 공작물(W)의 가공이 종료되었는지의 여부를 판정한다(스텝 S12). 가공이 종료되어 있지 않은 경우(스텝 S12: NO), 스텝 S1로 처리를 되돌리고, 가공 제어를 계속한다. 한편, 가공이 종료한 경우(스텝 S12: YES), 제어 장치(150)는 가공 제어를 종료한다.
《작용·효과》
제1 실시형태에 관한 제어 장치(150)는, 사이징 게이지(140)에 의한 치수의 계측값과, 숫돌(131)의 목표 커팅량을, 추정 모델에 입력함으로써, 공작물(W)의 치수의 추정값을 얻는다. 이와 같이, 제어 장치(150)는, 사이징 게이지(140)에 의한 치수의 계측값, 숫돌(131)의 목표 커팅량, 및 모델에 기초하여 공작물(W)의 치수를 추정함으로써, 공작물(W)의 휨 등의 숫돌(131)에 의한 연삭의 영향이나 계측 외란을 제거하여 공작물(W)의 치수를 추정할 수 있다.
도 5는, 제1 실시형태에 관한 제어 장치에 의한 진원도의 계측 결과의 예를 나타내는 도면이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 제어 장치(150)가 도 4에 나타낸 방법으로 실시간으로 계측한 진원도는, 후공정에 있어서 계측된 진원도와 같은 정도의 정밀도가 얻어지는 것을 알 수 있다. 이에 대하여, 사이징 게이지(140)에 의한 치수의 계측값 자체(사이징 게이지에 의한 실시간 측정값)는, 후공정에 있어서 계측된 진원도에 대하여 크게 오차를 가진다. 이러한 점으로부터, 제1 실시형태에 의하면, 숫돌(131)에 의한 연삭의 영향이나 계측 외란을 제거하여 공작물(W)의 치수를 추정할 수 있는 것을 알 수 있다.
또한, 제1 실시형태에 관한 제어 장치(150)는, 변위 센서(134)에 의한 변위의 계측값과 회전각 센서(136)에 의한 회전 모터(123)의 회전각의 계측값에 기초하여, X축 액추에이터(133) 및 회전 모터(123)의 제어 오차에 의해 발생하는 공작물(W)의 윤곽 오차를 산출하고, 해당 윤곽 오차에 따라 공작물(W)의 치수의 추정값을 보정한다. 이에 의해, 제어 장치(150)는, X축 액추에이터(133) 및 회전 모터(123)의 제어 오차의 영향을 고려하여 공작물(W)의 치수를 추정할 수 있다. 그리고, 다른 실시형태에 있어서는, 제어 장치(150)는, X축 액추에이터(133) 및 회전 모터(123)의 제어 오차를 가미하지 않고 공작물(W)의 치수를 추정해도 된다.
또한, 제1 실시형태에 관한 제어 장치(150)는, 숫돌(131)이 닿는 위치로부터 사이징 게이지(140)가 닿는 위치까지 공작물(W)이 이동하는 데드타임을 보상한 윤곽 오차 및 목표 커팅량을 추정 모델에 입력한다. 이에 의해, 숫돌(131)에 의한 연삭점과 사이징 게이지(140)에 의한 계측점이 상이한 경우에도, 적절하게 공작물(W)의 치수를 추정할 수 있다.
그리고, 제1 실시형태에 관한 제어 장치(150)에 관한 추정 모델은, 치수의 계측값을 변수에 가지는 관측 모델과, 치수의 추정값과 목표 커팅량을 변수에 가지는 시간 발전 모델을 가지는 칼만 필터이다. 한편, 다른 실시형태에 있어서는, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 다른 실시형태에 관한 추정 모델은, 치수의 계측값 및 목표 커팅량의 입력에 의해, 공작물(W)의 치수를 출력하도록 훈련된 학습완료 모델이라도 된다. 학습완료 모델은, 예를 들면 뉴럴 네트워크(neural network)에 의해 구성되어도 된다.
이상, 도면을 참조하여 일 실시형태에 대하여 상세하게 설명했으나, 구체적인 구성은 전술한 것에 한정되지 않고, 다양한 설계 변경 등을 하는 것이 가능하다.
예를 들면, 제1 실시형태에 있어서는, 연삭반(100)의 제어 장치(150)가 진원도를 계측하지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 다른 실시형태에 있어서는, 사이징 게이지(140)를 구비하고, 진원도의 표시 기능을 가지는 치수 추정 장치를 기존의 연삭반(100)에 장착해도 된다. 이 경우, 치수 추정 장치는, 제1 실시형태에 관한 제어 장치(150)의 목표 상태량 산출부(514), 지령값 산출부(515), 및 지령 출력부(516)의 구성을 가지지 않으면 된다. 또한 다른 실시형태에 있어서, 사이징 게이지(140)를 구비하는 연삭반(100)에, 제1 실시형태에 관한 치수 추정 기능을 실현하기 위한 프로그램을 인스톨한 PC를 접속하고, 해당 PC에 의해 공작물(W)의 진원도를 추정해도 된다.
또한, 제1 실시형태에 관한 사이징 게이지(140)는, 인-프로세스 게이지이지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 다른 실시형태에 관한 사이징 게이지(140)는, 공작물(W)을 양측으로부터 끼워넣음으로써 직경을 계측하는 것 등, 3점 계측 이외의 방식에 관한 사이징 게이지(140)라도 된다.
또한, 제1 실시형태에 관한 연삭반(100)은, 공작물(W)로부터 크랭크샤프트를 잘라내지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 다른 실시형태에 관한 연삭반(100)은, 공작물(W)로부터 원통형의 축 등, 단면 원형상의 다른 물체를 잘라내는 것이라도 된다.
또한, 제1 실시형태에 관한 제어 장치(150)의 추정 모델은, 공작물(W)의 치수에 영향을 부여하는 연삭 저항이나 채터(chatter)를 변수에 포함하는 것이라도 된다. 이 경우, 계측값 취득부(511)는, 주축의 회전각의 계측값, 숫돌(131)의 X축 방향의 변위의 계측값, 공작물(W)의 치수의 계측값 이외에, 숫돌의 회전 모터(135)의 토크 및 회전각의 계측값, X축 액추에이터(133)의 추진력 등도 취득한다.
예를 들면, 제1 실시형태에 관한 제어 장치(150)는, 연삭반(100)을 제어하는 것이지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 다른 실시형태에 관한 제어 장치(150)는, 숫돌(131) 이외의 공구를 이용한 산업 기계를 제어하는 것이라도 된다. 또한, 다른 실시형태에 있어서는, 제어 장치(150) 대신에, 외장의 계측 기기가 공작물(W)의 진원도를 추정해도 된다.
[산업 상의 이용 가능성]
본 발명의 상기 개시에 의하면, 숫돌에 의한 연삭의 영향을 제거하여 공작물의 치수를 추정할 수 있다.
100 : 연삭반
110 : 기대
111 : Y축 가이드부
112 : Y축 액추에이터
120 : 지지 장치
121 : 주축대
122 : 심압대
123 : 회전 모터
124 : 주축 센서
130 : 숫돌대
131 : 숫돌
132 : X축 가이드부
133 : X축 액추에이터
134 : 변위 센서
135 : 회전 모터
136 : 회전각 센서
140 : 사이징 게이지
141 : 게이지 본체
142 : 제1 암
143 : 제2 암
144 : 스탠드
150 : 제어 장치
151 : 프로세서
153 : 메인 메모리
155 : 스토리지
157 : 인터페이스
160 : 표시 장치
511 : 계측값 취득부
512 : 목표 커팅량 특정부
513 : 오차 산출부
514 : 목표 상태량 산출부
515 : 지령값 산출부
516 : 지령 출력부
517 : 계측 위치 보상부
518 : 추정 모델
519 : 치수 추정부
520 : 표시 제어부
W : 공작물
W1 : 크랭크 저널
W2 : 크랭크 핀
W3 : 크랭크 암

Claims (7)

  1. 공작물(workpiece)에 접촉하여 상기 공작물을 가공하는 공구;
    상기 공구를 커팅 방향으로 이동시키는 액추에이터;
    상기 공작물의 치수를 계측하는 게이지; 및
    상기 액추에이터를 제어하는 제어 장치;
    를 포함하고,
    상기 제어 장치는,
    상기 게이지에 의한 상기 치수의 계측값을 취득하는 계측값 취득부;
    상기 공구에 의한 목표 커팅량(cutting amount)을 특정하는 목표 커팅량 특정부;
    상기 게이지에 의한 상기 치수의 계측값과 상기 목표 커팅량과 잡음의 관계에 기초하여 생성된, 상기 치수의 계측값 및 상기 목표 커팅량을 입력함으로써 상기 공작물의 치수의 추정값을 출력하는 추정 모델; 및
    상기 치수의 계측값 및 상기 목표 커팅량을 상기 추정 모델에 입력함으로써, 상기 치수의 추정값을 얻는 치수 추정부;를 구비하는,
    산업 기계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액추에이터의 변위를 계측하는 변위 센서를 포함하고,
    상기 제어 장치는, 상기 액추에이터의 변위 지령값과 상기 변위의 계측값에 기초하여 상기 액추에이터의 제어 오차에 의해 발생하는 상기 공작물의 윤곽 오차를 산출하는 오차 산출부를 구비하고,
    상기 추정 모델은, 상기 치수의 계측값, 상기 목표 커팅량, 및 상기 공작물의 윤곽 오차를 입력함으로써 상기 공작물의 치수의 추정값을 출력하는, 산업 기계.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공작물을 주축 주위로 회전시키는 회전 모터; 및
    상기 회전 모터의 회전각을 계측하는 회전각 센서;
    를 포함하고,
    상기 계측값 취득부는, 상기 회전각 센서에 의한 상기 회전각의 계측값을 취득하고,
    상기 오차 산출부는, 상기 변위 지령값 및 상기 변위의 계측값, 상기 회전 모터의 각도 지령값 및 상기 회전각의 계측값, 및 상기 공작물의 목표 형상에 기초하여, 상기 액추에이터의 제어 오차에 의해 발생하는 상기 공작물의 윤곽 오차를 산출하는, 산업 기계.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 치수 추정부는, 상기 공작물이 상기 공구가 닿는 위치로부터 상기 게이지가 닿는 위치까지 이동하는 데드타임(dead time)에 기초하여, 상기 윤곽 오차 및 상기 목표 커팅량을 상기 추정 모델에 입력하는, 산업 기계.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 추정 모델은, 상기 치수의 계측값을 변수에 가지는 관측 모델과, 상기 치수의 추정값과, 상기 목표 커팅량을 변수에 가지는 시간 발전 모델을 가지는 칼만 필터(Kalman filter)인, 산업 기계.
  6. 액추에이터에 의해 공구를 커팅 방향으로 이동시킴으로써 가공되는 공작물의 치수를 추정하는 치수 추정 장치로서,
    상기 치수의 계측값을 취득하는 계측값 취득부;
    상기 액추에이터의 목표 커팅량을 특정하는 목표 커팅량 특정부;
    상기 치수의 계측값과 상기 목표 커팅량과 잡음의 관계에 기초하여 생성된, 상기 치수의 계측값 및 상기 액추에이터의 목표 커팅량을 입력함으로써 상기 공작물의 치수의 추정값을 출력하는 추정 모델; 및
    상기 치수의 계측값 및 상기 목표 커팅량을 상기 추정 모델에 입력함으로써, 상기 치수의 추정값을 얻는 치수 추정부;
    를 포함하는, 치수 추정 장치.
  7. 액추에이터에 의해 공구를 커팅 방향으로 이동시킴으로써 가공되는 공작물의 치수 추정 방법으로서,
    상기 공작물의 치수의 계측값을 취득하는 스텝;
    상기 액추에이터의 목표 커팅량을 특정하는 스텝; 및
    상기 치수의 계측값과 상기 목표 커팅량과 잡음의 관계에 기초하여 생성된, 상기 치수의 계측값 및 상기 액추에이터의 목표 커팅량을 입력함으로써 상기 공작물의 치수의 추정값을 출력하는 추정 모델에, 상기 치수의 계측값 및 상기 목표 커팅량을 입력함으로써, 상기 치수의 추정값을 얻는 스텝;
    을 포함하는, 치수 추정 방법.
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