KR20230038033A - 기상 측정을 활용한 형상 오차 보정 장치 및 그 방법 - Google Patents

기상 측정을 활용한 형상 오차 보정 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 기상 측정을 통한 형상오차 보정 장치는, 대상물의 목표 형상 및 가공 조건에 관한 데이터를 수신하는 데이터수신 모듈; 상기 대상물에 대하여 상기 목표 형상 및 가공 조건에 기초하여 가공 경로를 생성하는 가공경로생성 모듈; 상기 가공경로에 따라 상기 대상물의 형상을 가공하는 가공 모듈; 상기 가공 모듈에 의한 형상 가공 전, 형상 가공 중, 및 형상 가공 후 중 적어도 하나 이상의 시점에서 상기 대상물에 대하여 형상의 기상 측정(on-machine measurement: OMM)을 수행하는 기상 측정 모듈; 및 상기 기상 측정 모듈에서 획득한 형상 측정 데이터에 기초하여 상기 대상물에 대한 상기 목표 형상으로부터의 형상오차 모델을 수립하고 상기 생성된 가공 경로에 상기 형상오차 모델을 적용하여 상기 가공 대상물의 형상에 대한 가공 보정 경로를 생성하는 형상오차 보정 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 항공 부품과 같은 대면적 가공시에 보다 효율적이고 정확한 형상오차 보정을 위한 가공조건 선정 및 가공 경로 생성이 가능하도록 하여 자율 가공시스템을 구축 가능하게 하는 형상오차 보정 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다.

Description

기상 측정을 활용한 형상 오차 보정 장치 및 그 방법{FORM ERROR COMPENSATION APPARATUS FOR MACHINING USING ON-MACHINE MEASUREMENT AND METHOD THREREOF}
본 발명은 기상측정을 사용하는 가공을 위한 형상오차보정 장치 및 그 관련 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 난삭재 및 가공변형성 소재로 이루어진 가공 대상물에 대하여 출력 또는 선가공 후에 목표 형상으로부터의 가공 오차를 기상 측정(On-machine measurement)에 의해 점검하여 형상오차 보정 모델을 생성하고 이에 기초하여 보정 가공 경로를 생성하여 가공 대상물의 형상오차를 보정가공하는 형상오차보정 장치 및 그 형상오차보정 방법에 관한 것이다.
기상측정(OMM: On-Machine Measurement)은 CNC 공작기계에서 공구 대신 접촉식 또는 비접촉식 측정장치를 부착하여 공작기계에서 가공과 측정 작업을 동시에 수행할 수 있는 방법으로 가공 대상물을 이동하지 않고 가공 과정 중 측정작업을 수행할 수 있어 이를 자율가공시스템에 적용하기 위해 다양한 연구가 진행되고 있다.
티타늄 합금과 같은 재료는 내열성으로 인해 높은 절삭열이 발생하여 공구 마모가 높아 대표적인 난삭재 중 하나로서 이러한 절삭열은 가공물의 변형을 야기하며 특히 얇은 벽(Thin-wall) 형상의 가공에서 이러한 영향이 더욱 커진다. 소재의 그러한 변형이 부품의 최종 치수정밀도와 품질에 큰 영향을 미치기 때문이다. 따라서, 가공 과정 중 다양한 동적 변형에 기인한 형상오차를 해결하여 치수정밀도 확보와 품질 향상을 위해 형상오차를 보정하기 위한 방법이 필요하다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 한국특허 제20-234560호에서는 측정 체적 내에서 스타일러스 프로브를 이동시킬 수 있는 이동 유닛을 구비한　측정 기계의 동적변형에 기인하는 오차의 보상을 위한 캘리브레이션하는 방법을 개시하고 있다. 이러한 기술에서는 오차 보상을 위해 캘리브레이션하는 방법은, 동적 변형을 생성할 수 있는 이동 사이클을 수행하도록 이동 유닛을 제어하고, 이동 사이클 동안 상기 입력량 및 출력량의 복수의 샘플을 수집하며 그 샘플들을 형상오차 모델을 정의하기 위한 식별 알고리즘에 공급하는 단계를 포함하도록 구성되고, 상기 이동 사이클은, 프로브의 유지 플랜지에 대한 스타일러스의 팁의 변위 범위보다 작은 진폭과 상기 측정 기계의 사용에 대한 동적 조건을 나타내는 주파수 스펙트럼을 갖는 운동 법칙을 이용하여, 프로브의 스타일러스의 팁을 고정되게 유지하면서 수행되도록 하는 구성을 개시하고 있다.
그러나, 항공부품과 같은 대면적 가공 시에 형상오차 모델링에 적절하지 않으며 이동 유닛의 이동 사이클 동안 입력량과 출력량의 복수의 샘플을 수집하고 이를 식별 알고리즘에 공급해야 하는 등 형상오차 모델링이 복잡하고 비효율적이라는 문제점이 있다. 특히 티타늄 합금과 같은 소재는 고부가가치 소재로 소재의 가격이 고가이기 때문에 가공현장의 생산성 및 품질경쟁력 확보를 위해 변형을 개선하는 것에 대한 연구가 필요하다.
[선행문헌]
(특허문헌 1) KR 20-234560 B
상기 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기계 상 측정 데이터를 활용하여 형상오차를 보다 자동 보정함으로서 품질 및 전체 공정 시간을 단축하는 형상오차 보정 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 항공부품과 같은 대면적 가공시에 보다 효율적이고 정확한 형상오차 보정을 위한 가공조건 선정 및 가공 경로 생성이 가능하도록 하여 자율 가공시스템을 구축 가능하게 하는 형상오차 보정 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 대상물의 가공 조건 및 가공 경로에 따른 가공 오차를 터치프로브 기반의 기상 측정을 활용하여 효과적으로 자동 모델링하여 효율적으로 보정가공이 가능하도록 하는 형상오차 보정 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
종래기술의 문제점을 해결하고 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 기상 측정을 통한 형상오차 보정 장치는,
대상물의 목표 형상 및 가공 조건에 관한 데이터를 수신하는 데이터수신 모듈;
상기 대상물에 대하여 상기 목표 형상 및 가공 조건에 기초하여 가공 경로를 생성하는 가공경로생성 모듈;
상기 가공경로에 따라 상기 대상물의 형상을 가공하는 가공 모듈;
상기 가공 모듈에 의한 형상 가공 전, 형상 가공 중, 및 형상 가공 후 중 적어도 하나 이상의 시점에서 상기 대상물에 대하여 형상의 기상 측정(on-machine measurement: OMM)을 수행하는 기상 측정 모듈; 및
상기 기상 측정 모듈에서 획득한 형상 측정 데이터에 기초하여 상기 대상물에 대한 상기 목표 형상으로부터의 형상오차 모델을 수립하고 상기 생성된 가공 경로에 상기 형상오차 모델을 적용하여 상기 가공 대상물의 형상에 대한 가공 보정 경로를 생성하는 형상오차보정 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 형상오차보정 모듈은, 상기 기상 측정에 의해 획득된 상기 대상물의 현재 형상에 대하여 복수의 구간을 설정하고 상기 복수의 구간 및 그 각 구간의 측정 포인트를 통해 상기 현재 형상의 상기 목표 형상에 대한 형상오차 모델의 계수를 설정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 형상오차보정 모듈은, 보간(interpolation) 수학 모델을 사용하여 상기 복수의 구간에 대한 형상오차 모델을 생성할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 가공 모듈은, 상기 형상오차보정 모듈이 상기 가공 보정 경로 생성시 상기 가공 보정 경로를 수신하여 상기 가공 보정 경로에 따라 보정 가공하도록 더 이루어지고,
상기 기상 측정 모듈의 기상 측정, 상기 형상오차보정 모듈의 가공 보정 경로 생성, 및 상기 가공 모듈의 보정 가공은 순차적으로 자동 수행될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 기상 측정 모듈은, 상기 보정 가공된 대상물의 형상에 대하여 제2 기상 측정을 수행하고 미리정해진 최종 형상의 요구 치수 정밀도 오차범위 내에 만족하는지 결정하도록 더 이루어지며,
상기 형상오차보정 모듈은, 상기 미리정해진 최종 형상의 요구 치수 정밀도 오차범위 내를 만족하지 않는다고 결정된 경우, 상기 기상 측정 모듈에서 획득한 보정 가공 후 형상 데이터에 기초하여 상기 대상물에 상기 목표 형상으로부터의 형상오차 모델을 수립하고 상기 생성된 가공 경로에 상기 형상오차 모델을 적용하여 상기 가공 대상물의 형상에 대한 제2 가공 보정 경로를 생성하도록 더 이루어질 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 기상 측정(On-Machine Measurement: OMM)을 통한 형상오차 보정 방법은,
대상물의 목표 형상 및 가공 조건에 관한 데이터를 수신하는 데이터 수신 단계;
상기 대상물에 대하여 상기 목표 형상 및 가공 조건에 기초하여 가공 경로를 생성하는 가공경로 생성 단계;
상기 가공경로에 따라 상기 대상물의 형상을 가공하는 제1 가공 단계;
상기 대상물에 대한 형상 가공 전, 형상 가공 중, 및 형상 가공 후 중 적어도 하나 이상의 시점에서 상기 대상물에 대하여 형상의 3차원 기상 측정(on-machine measurement: OMM)을 수행하는 기상 측정 단계; 및
상기 기상 측정 단계에서 획득한 상기 대상물의 형상 측정 데이터에 기초하여 상기 대상물에 대한 상기 목표 형상으로부터의 형상오차 모델을 수립하고 상기 가공 경로에 상기 형상오차 모델을 적용하여 상기 가공 대상물의 형상에 대한 가공 보정 경로를 생성하는 형상오차보정 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 형상오차보정 단계는, 상기 기상 측정에 의해 획득된 상기 대상물의 현재 형상에 대하여 복수의 구간을 설정하고 상기 복수의 구간 및 그 각 구간의 측정 포인트를 통해 상기 현재 형상의 상기 목표 형상에 대한 형상오차 모델의 계수를 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 형상오차보정 단계는, 보간(linear interpolation) 수학 모델을 사용하여 상기 복수의 구간에 대한 형상오차 모델을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 생성된 가공 보정 경로에 따라 상기 가공 대상물의 형상을 보정 가공하는 보정가공 단계를 더 포함하고, 상기 기상측정 단계, 형상오차보정 단계, 및 보정가공 단계는 순차적으로 자동 수행될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 보정가공 단계 후에, 상기 보정 가공된 대상물의 형상에 대하여 제2 기상 측정을 수행하여 보정가공 후 형상 데이터를 획득하고, 이에 기초하여 미리정해진 최종 형상의 요구 치수 정밀도 오차범위 내에 만족하는지 결정하는 추가 기상 측정 단계, 및
상기 미리정해진 최종 형상의 요구 치수 정밀도 오차범위 내를 만족한다고 결정된 경우, 가공을 종료하고, 상기 미리정해진 최종 형상의 요구치수 정밀도 오차범위 내를 만족하지 않는다고 결정된 경우, 상기 보정 가공 후 형상 데이터에 기초하여 상기 대상물에 상기 목표 형상으로부터의 형상오차 모델을 수립하고 상기 생성된 가공 경로에 상기 형상오차 모델을 적용하여 상기 가공 대상물의 형상에 대한 제2 가공 보정 경로를 생성하는 제2 형상오차보정 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기계 상 측정 데이터를 활용하여 형상오차를 보다 자동 보정함으로서 품질 및 전체 공정 시간을 단축할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 항공부품과 같은 대면적 가공시에 보다 효율적이고 정확한 형상오차 보정을 위한 가공조건 선정 및 가공 경로 생성이 가능하도록 하여 자율 가공시스템을 구축 가능하게 하는 형상오차 보정 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 난삭재로 이루어진 얇은 벽(Thin-wall) 형태의 대상물의 가공 조건 및 가공 경로에 따른 가공 오차를 터치프로브 기반의 기상 측정을 활용하여 효과적으로 자동 모델링하여 효율적으로 보정가공이 가능하도록 하는 형상오차 보정 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 기상 측정을 통한 형상오차 보정 장치의 구성 블록도를 도시한다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기상측정(OMM) 측정점들 위에 놓인 임의의 형태의 예시를 도시한다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 얇은 벽(thin-wall) 형상의 기상측정 측점점들의 예시를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가공 보정 툴 경로 생성 과정의 예시를 도시한다
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기상 측정을 통한 형상오차 보정 방법의 흐름도를 도시한다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상오차 보정 방법을 적용한 가공 방법의 전체 흐름도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상오차 보정 방법을 적용한 가공 방법에서 우측 가공과 좌측 가공을 포함하는 가공 공정의 순서를 나타내는 사진이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 형상오차 보정 방법을 적용하여 얇은 벽 형상의 대상물 좌측의 가공 보정을 수행하기 전과 후의 형상오차의 예시를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 형상오차 보정 방법을 적용하여 얇은 벽 형상의 대상물 우측의 가공 보정을 수행하기 전과 후의 형상오차의 예시를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다. 본 발명에서
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 제조 장치를 설명한다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 기상 측정을 통한 형상오차 보정 장치(100)의 구성을 나타내는 블록도를 도시한다. 본 발명의 일실시예에 따른 기상측정을 통한 형상오차 보정 장치(100), 데이터 수신 모듈(110), 가공경로 생성 모듈(120), 가공 모듈(130), 기상측정 모듈(140), 형상오차 보정 모듈(150)을 포함한다. 상기 형상오차 보정 장치(100)는 상기 모듈들 중 적어도 하나 이상 또는 모든 모듈을 제어하는 제어 모듈(160)을 더 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 형상오차 보정 장치에서는 상기 제어 모듈(160)의 프로세서가 가공경로 생성 모듈 및 형상오차 보정 모듈 중 적어도 하나 이상의 모듈을 포함하거나 또는 그에 대응하는 기능을 수행하도록 구성될 수도 있다.
상기 데이터 수신 모듈(110)은, 미리정해진 가공의 대상물의 목표 형상 및 가공 조건에 관한 데이터를 수신할 수 있다. 상기 데이터 수신 모듈(110)은 이와 같이 수신한 데이터를 기록하는 내부 데이터베이스(미도시)에 연결될 수도 있다. 상기 데이터 수신 모듈(110)은 자율 (또는 자동) 제조 공정 시스템 서버로부터 상기 대상물의 목표 형상 및 가공 조건에 관한 데이터를 수신할 수 있으며, 상기 자율 (또는 자동) 제조 공정 시스템 서버에서 상기 대상물의 가공 조건 또는 목표형상이 수정될 필요가 있는 경우 수정 데이터를 수신하여 형상오차 보정 장치(100)를 갱신할 수 있다.
상기 가공경로 생성 모듈(120)은, 상기 미리정해진 대상물에 대하여 상기 목표 형상 및 가공 조건에 기초하여 가공 경로를 생성할 수 있다. 상기 미리정해진 대상물은 예를 들어 얇은 벽(Thin-wall) 형상의 대상물일 수도 있다. 상기 미리정해진 대상물은 항공기 조립 공정에 사용되는 부품일 수도 있다. 상기 미리정해진 대상물은 가공변형성이 높은 티타늄 합금으로 이루어진 얇은 벽(Thin-wall) 형상의 대상물일 수도 있다. 상기 미리정해진 대상물은 정밀 가공이 필요한 부품 일 수도 있다.
상기 가공 모듈(130)은, 상기 가공경로 생성 모듈(120)에서 생성되거나 또는 외부에서 입력된 상기 가공경로에 따라 상기 대상물의 형상을 입력된 목표 형상으로 가공할 수 있다. 상기 가공은 예를 들어, 절삭 가공일 수 있다. 상기 가공 경로는 예를 들어, 얇은 벽 형상을 위한 절삭 가공 경로일 수도 있다.
상기 기상측정 모듈(140)은, 상기 가공 모듈에 의한 형상 가공 전, 형상 가공 중, 및 형상 가공 후 중 적어도 하나 이상의 시점에서 상기 대상물에 대하여 형상의 2차원 및/또는 3차원 기상 측정(on-machine measurement: OMM)을 수행할 수 있다.
상기 형상오차 보정 모듈(150)은, 상기 기상 측정 모듈에서 획득한 형상 데이터에 기초하여 상기 대상물에 상기 목표 형상으로부터의 형상오차 보정 모델을 수립하고 상기 가공 경로에 상기 형상오차 모델을 적용하여 상기 가공 대상물의 형상에 대한 가공 보정 경로를 생성할 수 있다. 상기 형상오차 보정 모듈(150)은, 상기 형상오차 모델 수립시 보간(interpolation) 수학 모델을 사용하여 형상오차 모델을 수립할 수 있다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기상측정(OMM) 측정점들 위에 놓인 임의의 형태의 예시를 도시한다. 상기 기상측정 모듈(140)은 예컨대 얇은 벽(Thin-wall) 형상의 대상물의 경우 도 2와 같이 형상 측정에 필요한 좌표 및 측정점들(예를 들어, P1, P2)을 정의할 수도 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 3차원 형상의 대상물의 기상 측정의 경우, 추가적인 좌표 즉, 3차원 좌표 및 측정점들이 정의될 수도 있다. 본 발명의 또다른 실시예에서, 이러한 형상 측정에 필요한 좌표 및 측정점들은 상기 형상오차 보정 모듈(150)에서 지정될 수도 있다.
상기 형상오차 보정 모듈(150)은, 예컨대 얇은 벽(Thin-wall) 형상의 대상물의 경우 직사각형 가공면을 터치프로부 접촉을 통해 측정하기 때문에 1차원에서의 일반적인 선형보간법(linear interpolation)을 2차원으로 확장한 이중선형 보간법(Bi-linear interpolation) 수학 모델을 활용하여 형상오차 모델을 수립할 수 있다. 또한, 예컨대, 3차원 대상물의 경우 이러한 선형보간법을 3차원으로 확장한 3차 보간법(Cubic interpolation) 수학 모델을 활용하여 형상오차 모델을 수립할 수도 있다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 얇은 벽 형상의 대상물에 대한 기상측정 측정점 및 구간들의 예시를 도시한다. 도 3의 예에서는 상기 대상물의 얇은 벽 형상 측정에 필요한 좌표를 지정하고 각 좌표의 교차되는 지점을 기준으로 임의의 구간(Section)을 9개로 나누어 구분하였으며 구간정의 행렬 S는 다음 식(1)과 같이 정의된다. 여기서, S[i,All]은 행렬 S의 i-행 모든 열 성분을 의미하고,
Figure pat00001
은 n번째 포인트(Pn)의 x와 z 위치를 의미한다.
Figure pat00002
위에서 구분한 구간 Section 1에서의 형상오차를 추정하는 이중선형보간 모델
Figure pat00003
는 식 (2)와 같이 설정한다.
Figure pat00004
여기서,
Figure pat00005
는 j-번째 section의 y방향 형상오차를 의미하고,
Figure pat00006
은 j-번 째 section의 Bi-linear polynomial의 n번째 계수를 의미한다.
Figure pat00007
은 k 번째 포인트(pk)의 x와 z 위치를 의미한다. 구간 Section. 1을 정의하는 포인트(P1, P2, P5, P6)에서의 형상오차는 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00008
계수 연산을 위해 선형방정식 형태로 식 (4)와 같이 정리할 수 있다.
Figure pat00009
구간 Section 1의 형상오차 추정모델의 미지수인 계수에 대해 행렬연산을 통해 식 (5)와 통해 도출하고, 동일한 방법으로 구간 Section 2~9의 계수를 도출하면 식 (6)과 같은 형상오차 추정을 위한 계수 행렬이 계산될 수 있다.
Figure pat00010
Figure pat00011
이상과 같은 얇은 벽(Thin-wall) 형상의 대상물의 가공 정삭(finish cut) 전 이중선형보간 모델을 적용하여 수립한 형상오차 추정 모델은 전체 형상오차를 반영한 보정 경로, 즉 보정 툴 경로 생성에 적용할 수 있다.
도 4는 상기와 같은 형상오차 추정 모델을 반영하여 생성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 가공 보정 툴 경로 생성 과정(400)의 예시를 도시한다.
도 4에서 좌측 박스 내의 x, y, z 좌표 정보는 가공경로 생성 모듈(120)에서 생성된 상기 대상물의 원 가공 경로(S410)를 나타낸다. 이러한 가공 경로는 기상측정 모듈(140) 상에서 대상물의 기상 측정을 통해 형상오차 보정 계수 및/또는 형상오차 모델이 수립(S420)되고, 이러한 형상오차 모델 계수 및/또는 모델을 상기 원 가공 경로에 적용하여 가공보정 경로를 생성(S430) 할 수 있다. 도 4에서 우측 박스 내의 x, y, z 좌표 정보는 도 1의 형상오차 보정 모듈(150)에서 생성된 상기 대상물의 가공보정 경로(S430), 즉 가공 보정 툴 경로에 관한 정보를 나타낸다.
도 5는, 도 1의 본 발명의 일실시예에 따른 형상오차 보정 장치(100)를 사용하여 수행할 수 있는 기상 측정(On-Machine Measurement: OMM)을 통한 형상오차 보정 방법의 흐름도를 도시한다. 이러한 방법은 이에 대한 일련의 지시들 또는 알고리즘이 저장된 프로그램 또는 수동 입력에 따라 수행될 수 있다. 상기 프로그램은 비일시적인 컴퓨터 판독가능한 저장 매체에 저장되거나 형상오차 보정 장치(100) 또는 형상오차 보정 장치(100)를 제어하는 자율 제조 시스템(미도시)에 저장될 수도 있다. 이러한 본 발명의 일실시예에 따른 형상오차 보정 방법은 다음과 같은 단계들을 포함할 수 있다.
우선, 형상오차 보정 장치(100)는 대상물의 목표 형상 및 가공 조건에 관한 데이터를 수신하고 (데이터 수신 단계: S510), 상기 대상물에 대하여 상기 목표 형상 및 가공 조건에 기초하여 가공 경로를 생성하며 (가공경로 생성 단계: S520), 상기 대상물은 상기 가공경로에 따라 그 형상이 가공된다 (제1 가공 단계: S530). 그 후, 예컨대 일정한 단위의 가공 공정이 완료되고 후속하는 미세 가공 공정이 작하기 전 (예컨대, 황삭(rough cut) 또는 중삭 공정이 완료되고 정삭(finish cut) 전단계)과 같이, 상기 대상물에 대한 형상 가공 전, 형상 가공 중, 및 형상 가공 후 중 적어도 하나 이상의 시점에서 상기 대상물에 대하여 형상의 3차원 기상 측정(on-machine measurement: OMM)을 수행하며 (기상 측정 단계: S540), 상기 기상 측정 단계에서 획득한 형상 측정 데이터에 기초하여 상기 대상물에 상기 목표 형상으로부터의 형상오차 모델을 수립하고 상기 가공 경로에 상기 형상오차 모델을 적용하여 상기 가공 대상물의 형상에 대한 가공 보정 경로를 생성 (형상오차 보정 단계: S550) 할 수 있다. 상기 형상오차 모델 수립시 보간(interpolation) 수학 모델을 사용하여 형상오차 모델을 수립할 수 있다.
상기 가공 경로 생성 단계(S520)는, 예컨대 얇은 벽(Thin-wall) 형상의 대상물의 경우 가공 경로 생성 모듈(120) 또는 기상측정 모듈(130)이 도 2와 같이 형상 측정에 필요한 좌표 및 측정점들(예를 들어, P1, P2)을 정의할 수도 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 3차원 형상의 대상물의 기상 측정의 경우, 추가적인 좌표 즉, 3차원 좌표 및 측정점들이 정의될 수도 있다. 본 발명의 또다른 실시예에서, 이러한 형상 측정에 필요한 좌표 및 측정점들은 데이터 수신 단계(S510)에서 지정될 수도 있다. 즉, 목표 형상이 입력되면, 가공 경로와 측정 경로(측정점)이 생성(지정)될 수 있다.
상기 형상오차 보정 단계(S550)에서는, 예컨대 얇은 벽(Thin-wall) 형상의 대상물의 경우 직사각형 가공면을 터치프로부 접촉을 통해 측정하기 때문에 1차원에서의 일반적인 선형보간법(linear interpolation)을 2차원으로 확장한 이중선형 보간법(Bi-linear interpolation) 수학 모델을 활용하여 형상오차 모델을 수립할 수 있다. 또한, 3차원 공간상으로 형상오차 또는 변형이 발생하는 대상물의 경우에는, 이러한 선형보간법을 3차원으로 확장한 삼선형보간법(Cubic interpolation) 수학 모델을 활용하여 형상오차 모델을 수립할 수도 있다. 대상물이 얇은 벽 형상인 경우, 이상에서 개시된 도 3 및 도 4와 관련된 형상오차 보정 과정에 대한 설명이 동일하게 적용되어 수행될 수 있다.
도 6은, 도 5의 본 발명의 일 실시예에 따른 형상오차 보정 방법을 적용한 가공 방법의 전체 흐름도를 도시한다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 가공방법에서, 우선 대상물의 목표 형상에 대하여 기존 형상 모델링을 CAD데이터(S610)를 활용하여 가공조건 정보를 입력하여 원 가공 경로, 즉 가공 툴 경로를 생성할 수 있다 (S620). 이와 같은 가공 툴 경로 생성은 CAM(Computer-aid manufacturing)을 사용하여 자동화하여 수행할 수도 있으며, 다른 자율 제조 소프트웨어 및/또는 시스템을 사용하여 수행될 수도 있다. 상기 가공 툴 경로 생성(S620) 단계에서 추후 선가공 후에 형성오차를 측정하기 위한 기상 측정 좌표를 설정하고(S622) 측정 경로 또한 생성할 수 있다(S624).
상기 생성된 가공 툴 경로에 따라 절삭공정 등의 가공 공정을 수행하고, 일정 단계의 공정이 완료된 후 (예컨대, 황삭(rough cut) 또는 중삭 공정이 완료된 후, 정삭(finish cut) 공정 전에)(S630), 기상측정(OMM)을 통해 선가공된 대상물 형상의 상기 목표 형상으로부터의 형상오차 값을 획득할 수 있다 (S632). 이러한 형상오차 값을 사용하여 수학 모델(예컨데, 얇은 벽 형상의 대상물인 경우, 이중선형보간법(Bi-linear interpolation model)을 사용)을 활용하여 전체 형상의 추정 값을 도출하거나 형상오차 모델을 수립하여(S642), 상기 도 4와 같이 기존 가공 툴 경로에 형상오차 추정값 및/또는 형상오차 모델을 대입하여 가공 보정 툴 경로를 생성할 수 있다 (S640). 상기 일정 단계의 공정에 후속한 공정 (예컨대, 정삭 공정)에 상기 생성된 가공 보정 툴 경로를 적용하여 가공을 수행하고 대상물의 최종 형상에 대하여 요구 치수정밀도 오차범위를 만족하는지 기상측정을 통해 확인하여(S660) 오차범위 내에 있는 경우 해당 가공 공정(예컨대, 절삭공정)을 종료하고, 상기 오차범위 밖에 있는 경우 오차범위 내의 정밀도를 갖기 위해 보정 가공을 반복할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상오차 보정 방법을 적용한 가공 방법을 적용하여 얇은 벽 형상의 대상물에 우측 가공과 좌측 가공을 포함하는 가공 공정을 수행하는 순서를 나타내는 사진을 도시한다. 도 7에서는 본 발명의 일실시예에 따라 티타늄 합금 얇은 벽 형상의 대상물의 절삭공정에 대하여 툴 경로 별 형상오차 발생 경향 확인 공정을 통해 형상오차를 최소화하는 공정으로서 가장 낮은 형상오차를 보인 조건을 선택하여 Christmas tree 툴 경로로 설정하고 이에 대하여 양면가공(T자 형상)을 적용한 경우의 사진을 도시한다. 이 경우, 최종 가공 두께 3t까지 동일한 조건으로 가공 후 기상 측정을 통해 가공 보정 툴 경로를 적용하여 실험을 수행하였으며, 상기 가공 보정 적용 전과 후의 최종 가공 레이어 기준 형상오차 비교결과는 도 8 및 도 9와 같다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 형상오차 보정 방법을 적용하여 얇은 벽 형상의 대상물 좌측의 가공 보정을 수행하기 전과 후를 측정한 형상오차의 실험 예시를 나타낸 그래프이며, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 형상오차 보정 방법을 적용하여 얇은 벽 형상의 대상물 우측의 가공 보정을 수행하기 전과 후의 형상오차의 예시를 나타낸 그래프이다. 얇은 벽 형상의 전체 형상오차 비교를 위해 최종 가공면 기준 평균 형상오차를 기상측정을 통해 확인한 결과 보정 툴 경로 적용 전의 평균 형상오차는 좌측 0.096 mm (도 8 참조), 우측 0.220 mm (도 9 참조)의 오차가 발생하였고, 타 방식의 보정 툴 경로 적용 결과 평균 형상오차 결과는 좌측 0.070 mm (도 8 참조), 우측 0.106 mm (도 9 참조)로 실험을 통해 확인되었다. 그러나 본 발명의 일실시예에 따른 기상측정을 통한 가공 보정 툴 경로를 적용하여 가공 보정을 한 경우 양면가공 형상(T자 형상) 기준 좌측 0.026 mm, 우측 114 mm 형상오차가 감소하였으며, 이는 기존보다 약 44%의 평균 형상오차 개선을 이루었음이 확인되었다.
도 7 내지 9는 티타늄 합금의 얇은 벽 형상 대상물에 대한 절삭가공 공정시 발생하는 형상오차에 대해 기상측정을 활용한 가공 보정을 적용하여 형상오차 개선에 기여하는 효과를 검증한 결과를 나타내고 있으나, 타 난삭 소재의 형상가공 공정에서도 현저한 형상오차 개선효과를 달성할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 형상오차 보정 장치 110: 데이터 수신 모듈
120: 가공경로 생성 모듈 130: 가공 모듈
140: 기상측정 모듈 150: 형상오차 보정 모듈
160: 제어 모듈

Claims (10)

  1. 기상 측정을 통한 형상오차 보정 장치로서,
    대상물의 목표 형상 및 가공 조건에 관한 데이터를 수신하는 데이터수신 모듈;
    상기 대상물에 대하여 상기 목표 형상 및 가공 조건에 기초하여 가공 경로를 생성하는 가공경로생성 모듈;
    상기 가공경로에 따라 상기 대상물의 형상을 가공하는 가공 모듈;
    상기 가공 모듈에 의한 형상 가공 전, 형상 가공 중, 및 형상 가공 후 중 적어도 하나 이상의 시점에서 상기 대상물에 대하여 형상의 기상 측정(on-machine measurement: OMM)을 수행하는 기상 측정 모듈; 및
    상기 기상 측정 모듈에서 획득한 형상 측정 데이터에 기초하여 상기 대상물에 대한 상기 목표 형상으로부터의 형상오차 모델을 수립하고 상기 생성된 가공 경로에 상기 형상오차 모델을 적용하여 상기 가공 대상물의 형상에 대한 가공 보정 경로를 생성하는 형상오차보정 모듈을 포함하는, 형상오차보정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 형상오차보정 모듈은, 상기 기상 측정에 의해 획득된 상기 대상물의 현재 형상에 대하여 복수의 구간을 설정하고 상기 복수의 구간 및 그 각 구간의 측정 포인트를 통해 상기 현재 형상의 상기 목표 형상에 대한 형상오차 모델의 계수를 설정하는 것인, 형상오차보정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 형상오차보정 모듈은, 보간(interpolation) 수학 모델을 사용하여 상기 복수의 구간에 대한 형상오차 모델을 생성하는 것인, 형상오차보정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가공 모듈은, 상기 형상오차보정 모듈이 상기 가공 보정 경로 생성시 상기 가공 보정 경로를 수신하여 상기 가공 보정 경로에 따라 보정 가공하도록 더 이루어지고,
    상기 기상 측정 모듈의 기상 측정, 상기 형상오차보정 모듈의 가공 보정 경로 생성, 및 상기 가공 모듈의 보정 가공은 순차적으로 자동 수행되는 것인, 형상오차보정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기상 측정 모듈은, 상기 보정 가공된 대상물의 형상에 대하여 제2 기상 측정을 수행하고 미리정해진 최종 형상의 요구 치수 정밀도 오차범위 내에 만족하는지 결정하도록 더 이루어지며,
    상기 형상오차보정 모듈은, 상기 미리정해진 최종 형상의 요구 치수 정밀도 오차범위 내를 만족하지 않는다고 결정된 경우, 상기 기상 측정 모듈에서 획득한 보정 가공 후 형상 데이터에 기초하여 상기 대상물에 상기 목표 형상으로부터의 형상오차 모델을 수립하고 상기 생성된 가공 경로에 상기 형상오차 모델을 적용하여 상기 가공 대상물의 형상에 대한 제2 가공 보정 경로를 생성하도록 더 이루어지는 것인, 형상오차보정 장치.
  6. 기상 측정(On-Machine Measurement: OMM)을 통한 형상오차 보정 방법으로서,
    대상물의 목표 형상 및 가공 조건에 관한 데이터를 수신하는 데이터 수신 단계;
    상기 대상물에 대하여 상기 목표 형상 및 가공 조건에 기초하여 가공 경로를 생성하는 가공경로 생성 단계;
    상기 가공경로에 따라 상기 대상물의 형상을 가공하는 제1 가공 단계;
    상기 대상물에 대한 형상 가공 전, 형상 가공 중, 및 형상 가공 후 중 적어도 하나 이상의 시점에서 상기 대상물에 대하여 형상의 3차원 기상 측정(on-machine measurement: OMM)을 수행하는 기상 측정 단계; 및
    상기 기상 측정 단계에서 획득한 상기 대상물의 형상 측정 데이터에 기초하여 상기 대상물에 대한 상기 목표 형상으로부터의 형상오차 모델을 수립하고 상기 가공 경로에 상기 형상오차 모델을 적용하여 상기 가공 대상물의 형상에 대한 가공 보정 경로를 생성하는 형상오차보정 단계를 포함하는, 형상오차 보정 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 형상오차보정 단계는, 상기 기상 측정에 의해 획득된 상기 대상물의 현재 형상에 대하여 복수의 구간을 설정하고 상기 복수의 구간 및 그 각 구간의 측정 포인트를 통해 상기 현재 형상의 상기 목표 형상에 대한 형상오차 모델의 계수를 설정하는 단계를 포함하는, 형상오차 보정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 형상오차보정 단계는, 보간(interpolation) 수학 모델을 사용하여 상기 복수의 구간에 대한 형상오차 모델을 생성하는 단계를 더 포함하는 것인, 형상오차 보정 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 생성된 가공 보정 경로에 따라 상기 가공 대상물의 형상을 보정 가공하는 보정가공 단계를 더 포함하고,
    상기 기상측정 단계, 형상오차보정 단계, 및 보정가공 단계는 순차적으로 자동 수행되는 것인, 형상오차 보정 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 보정가공 단계 후에, 상기 보정 가공된 대상물의 형상에 대하여 제2 기상 측정을 수행하여 보정가공 후 형상 데이터를 획득하고, 이에 기초하여 미리정해진 최종 형상의 요구 치수 정밀도 오차범위 내에 만족하는지 결정하는 추가 기상 측정 단계, 및
    상기 미리정해진 최종 형상의 요구 치수 정밀도 오차범위 내를 만족한다고 결정된 경우, 가공을 종료하고, 상기 미리정해진 최종 형상의 요구치수 정밀도 오차범위 내를 만족하지 않는다고 결정된 경우, 상기 보정 가공 후 형상 데이터에 기초하여 상기 대상물에 상기 목표 형상으로부터의 형상오차 모델을 수립하고 상기 생성된 가공 경로에 상기 형상오차 모델을 적용하여 상기 가공 대상물의 형상에 대한 제2 가공 보정 경로를 생성하는 제2 형상오차보정 단계를 더 포함하는, 형상오차 보정 방법.
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