KR820001398B1 - 주축 제어방식 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

주축 제어방식

제1도는 본 발명 실시예의 자동공구 교환기를 구비한 교환공작 기계의 주축대 부분의 단면도.

제2도는 본 발명 실시예의 계통도.

제3도는 제2도의 제어회로의 논리 회로도.

제4도는 제2도의 위치제어 회로의 논리 회로도.

제5도는 제4도의 동작 설명 파형도.

제6도는 신호 PTS와 신호 PAS의 발생설명도.

본 발명은 공작 기계의 주축 제어방식에 관한 것으로, 특히 주축을 특정 회전각도 위치에 정지시킴에 있어 주축 위치 결정핀 등의 기계적인 구성 부품을 필요로 하지 않을 뿐만 아니라 주축에 부가적인 검출 방식을 마련할 필요가 없는 값싼 주축 제어방식에 관한 것이다.

공작기계, 특히 자동공구 교환 기능을 갖는 공작 기계에 있어서는 주축에 장착한 공구에 의하여 일련의 가공을 시행한 후 주축을 정지하여 공구를 공구매거진(tool magazine)에 격납하고 다른 공구를 선택하여 주축에 장착한 다음 다시 가공을 시행하였다. 상기 격납된 공구는 그후 필요에 따라 재차 선택되어서 주축에 장착되어 가공을 시행하는데, 가공의 정밀도를 유지하기 위해서 공구는 항시 주축과 동일각도 관계로 주축에 장착 유지해야만 했었다.

또한 주축의 회전력을 공구에 전달하기 위하여 주축과 공구는 상호 키이(key) 결합되어야 하는데, 이러기 위해서는 주축에서 일단 회수되었던 공구가 재차 주축에 장착될 시에는 이들이 정해진 회전각 위치에서 계합되어야 한다. 따라서 공구를 교환하기 위하여 주축이 정지될 경우에는 주축이 특정 회전각 위치에서 정지되어야 한다.

이와같이 주축의 특정위치 정지를 위하여는 주축이 특정회전 위치에 자리하였을 때 작동되는 스위치를 배설하고 이 스위치의 작동에 응답하여 로크 핀(rock pin)을 주축에 삽입하여 주축의 회전을 정지시켜서 그 특정위치를 유지하는 방식이 행하여지고 있다.

그러나 이와같은 기구에 있어서는 주축에 특별한 스위치를 배설할 필요가 있다는 점, 주축의 정지 위치를 유지하기 위하여 기계적인 로크 기구가 필요하다는 점 등으로 장치가 복잡하고 또한 가격이 비싸지는 결함이 있다.

또한 미합중국 특허 제3,704,510호(Robert K.Sedgwick 외 여러명)에 공개된 바와 같이 수력 주축 전동기로 동력 전달장치를 개재하여 주축을 구동하는 경우에 있어서는 주축 전동기의 속도를 제어함으로써 주축의 실제 속도를 검출하기 위한 속도계 발전기의 출력 전압을 지령 전압과 일치시키고, 주축을 정해진 회전각도 위치에 정지시키기 위하여는 동기기(레졸버)를 주축에 연결시켜서 기준 전압에 의하여 표시되는 회전각도 위치에서 주축 모우터를 정지시킨다. 즉, 주축을 일정 위치에 정지시킬 경우에는 속도 제어를 위한 오차 기록계를 주축 전동기의 서어보 증폭기(servo amplifier)에 접점을 끊고 기준전압, 동기기 및 판별기를 접점을 거쳐 서어보 증폭기에 접속한다. 그러면, 동기기의 회전자는 주축에 의하여 구동되고 판별기로부터의 출력이 영(0)으로 되는 위치에서 주축 전동기가 정지하게 되는 것이다.

그러나 이와 같은 공지예에서도 속도 제어를 위한 검출기, 즉, 속도 발전기 이외의 위치 제어를 위한 검출기 및 동기기까지도 필요하다. 따라서 동기기를 사용하는 위치 제어장치는 동기기를 여자하기 위한 정현파 및 여현파를 발생하는 회로와 출력 신호의 위상을 검출하는 회로 등의 많은 회로 소자를 포함하여야 하기 때문에 복잡한 구성이 된다. 더욱이 동기기의 조정은 오실로스코오프의 사용을 통해 정현파와 여현파를 점검한 후에야 이루어지는 것으로 조정이 용이한 일이 아니다.

본 발명의 목적은 공작 기계의 주축을 일정한 위치에 정지시키는 간단한 구조의 주축 제어 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 하나의 목적은 펄스 코오더(pulse corder)를 사용하여 속도를 제어하여 공작 기계의 주축을 일정 위치에 정지시키는 주축 제어장치를 제공하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하는 본 발명을 개략적으로 설명하면 공작 기계의 주축에 펄스 코어더를 연결하고 이 펄스 코오더에서 주축의 일정한 회전 각도 운동마다 발하는 펄스열을 아날로그 신호로 변환시켜 이 아날로그 신호와 지령속도 신호를 비교한다. 주축을 소정 위치에 정지시키려는 지령이 주어지면 상기 펄스 코오더로부터 발하는 특정위치 펄스에 따라 수치가 오차 레지스터에 세트되고 펄스 코어더로부터 발하는 펄스열은 오차 레지스터에 부궤환되어 오차 레지스터의 내용에 따라 주축의 회전을 제어하게 됨으로써 주축의 소정 위치 정지가 이루어지는 것이다.

본 발명에 의하여 속도 제어를 위한 펄스 코오더를 위치 제어를 위한 검출기로 사용할 수 있다. 또한, 디지털 소자를 이용하고 있기 때문에 값싼 위치 제어 루우프의 사용이 가능하고 또한 조정이 용이하다.

이하 첨부도면에 의거 본 발명을 상세히 설명하겠다.

제1도는 본 발명에 의한 방식을 적용한 자동 공구 교환장치부 공작 기계의 주축 부분의 단면도로써, 도면 중 예시부호 1은 주축대로써 베어링(2),(3)을 개재하여 회전할 수 있게 지승하고 있다. 이 주축대(1)의 내부에는 주축 전동기용 영구 자석 계자(5)가 배설되어 상기 주축(4)의 외주에 배설한 전기자권선(6)과 대향하고 있다. 즉, 계자(5)와 전기자권선(6)은 직류 주축 전동기(7)를 구성하고 이 직류 주축 전동기(7)의 회전자 축이 상기 주축(4)을 구성하고 있다.

주축(4)의 우측 선단부에는 테이퍼 공부(tapered hole)(8)가 마련되고 공구(9)의 공구 홀더(10)의 테이퍼부(11)가 여기에 감합되어 있다. 공구 홀더(10)의 선단의 풀 스터드(pull stud)(12)는 주축(4)의 중공부에 마련된 드로우바(drawber)(13)의 선단부에 계합되고, 이 드로우바(13)는 접시 스프링(14)에 의하여 좌측 방향(-z 방향)으로 끌려 있기 때문에 제1도의 상태에서의 공구(9)는 주축(4)에 고정되어 있다. 따라서 주축 모우터(7)의 회전에 의하여 공구(9)가 회전된다.

주축(4)의 회전속도 및 정위치 정지의 제어를 위하여 주축(4)의 좌측 단부에는 타이밍 풀리(timing pulley)(15)가 배설되고 여기에 계합하는 타이밍 벨트(16), 타이밍 풀리(17)를 개재하여 펄스 코오더(18)가 연결되어 있다.

펄스 코어더(18)는 주축(4)이 일정한 미소 회전 각도로 회전할 때마다 1개의 펄스를 발생함과 동시에 주축(4)의 1회전 중의 특정회전 위치에서 1개의 펄스를 발생하도록 구성되어 있다. 즉, 도시한 예에서 주축의 1회전마다 펄스 코오더(18)의 슬릿 원판(slit disc)(19)은 1회전하는데 이 슬릿 원판은 하나의 원주상 채널에는 다수의 슬릿(20)을 소정 피치로 구비함과 동시에 다른 원주상 채널에서는 단 1개의 슬릿(21)을 구비하고 있다. 따라서, 광원(22)에 대하여 원판(19)을 사이에 두고 배설한 2개의 수광소자 중의 한쪽의 수광소자(23)에는 주축(4)의 미소 회전 각도마다 발생하는 펄스로 되는 펄스열 신호가 생기고 다른쪽의 수광소자(24)에는 주축(4)의 1회전 중의 특정 강도 위치에서 1개의 특정위치 펄스신호가 생긴다.

제1도에서는 주축(4)이 소정 위치에 정지된 상태를 나타내고 있다. 공구(9)를 주축(4)에서 취탈함에 있어서는 먼저 공구 매거진(25)의 공구 격납요부(26)가 공구 홀더(10)의 원주홈(27)에 공구 홀더(10)의 횡방향에서 감합된다. 다음에, 이송 모우터(MZ), 이송 나사(LSZ)를 개재하여 주축대(11)를 -Z 방향으로 이동하면 벨 크랭크(28)가 판캠(29)에 의하여 축(30)을 중심으로 스프링(31)에 항거하여 시계방향으로 회동하여 드로우바(13) 의 좌단을 주축(4)에 대하여 +Z 방향으로 밀어넣는다. 이 결과 공구 홀더(10)의 풀스터드(12)는 드로우바(13)에 의한 고정을 해제하여 공구(9) 및 공구 홀더(10)는 매거진(25) 중에 격납되고, 주축(4)은 공구 홀더(10)에서 격리되어 -Z 방향으로 퇴피한 위치를 차지한다. 이때 공구(9)는 매거진(25) 중에서 회전하지 않도록 유지된다.

이후에 재차 공구(9)를 사용하는 경우에 있어서도 주축(4)은 정회전 각도 위치에 정지되고 나서 주축대(1)를 +Z 방향으로 이동시켜 주축(4)과 공구 홀더(10)를 감합시켜 드로우바(13)로 풀스터드(12)를 고정한다. 이 결과 공구(9)와 주축(4)은 항시 동일 각도 관계로 감합하여 고정된다.

제1도 중 미설명 부호 32는 주축 냉각용 히이트 파이프(heat pipe), 33은 방열 훤, 34는 냉각용 팬 전동기를 나타낸다.

제2도는 본 발명의 실시예의 블록도를 나타낸다.

주축(4)의 회전속도 제어의 경우 지령속도는 주령 테이프(T)에 의하여 지령하고, 지령속도 수치는 레지스터(REG)에 격납된 후 D/A 변환기(DA₁)에 의하여 지령 아날로그 전압(Vs)으로 변환된다. 한편 제어회로(CC)에 있어서는 제어신호(A)를 발생하고 아날로그 스위치(SWA)만을 "온(on)"하고 있어 상기 지령지압(Vs)은 이 스위치(SWA)를 통하여 비교기(COM)의 한입력 단자에 공급된다. 주축(4)의 주축 모우터(7)의 속도는 이 모우터에 연결된 펄스 코오더(18)에서 얻어지는 펄스열 신호(PTS)를 D/A 변환기(DA2)를 통하여 모우터 속도에 비례한 전압(V_F)으로 변환하여 상기 비교기(COM)의 다른 입력 단자에 공급한ㅁ다. 이 비교기(COM)는 지령속도 전압(V_S)과 전동기 실제 속도전압(V_F)을 비교하여 후자가 전자에 일치되도록 SCR 위상 제어회로(PHC)의 트리거 위상(trigger phase)을 제어하여 주축 모우터(7)의 실제 속도를 지령 속도에 일치시킨다.

지령 테이프(T) 또는 수동 스위치(MS) 등에 의하여 소정 위치정지 지령신호(PAP)가 발하면 제어회로(CC)는 제어신호 A를 "오프(off)"로, B를 "온(on)"으로 한다. 이 결과 아날로그 스위치(SWB)만이 "온"으로 되어 사전에 정하여진 저속 지령전압(V_L)이 스위치(SWB)를 통하여 비교기(COM)에 인가되어 주축 모우터(7)는 저속 회전으로 이행된다. 이후에 최초로 펄스 코오더(18)에서 소정 위치신호(PAS)가 도래되었을 시점에서 제어회로(CC)는 신호 B를 "오프", C를 "온"으로 하여 위치제어 회로(PCC)에 프리세트(free set), 즉 사전 세트신호(C')를 공급한다.

이 결과 위치 제어회로(PCC)의 오차 레지스터에 일정치가 사전에 세트되어 스위치(SWB)가 "오프"로 되며 스위치(SWC)는 "온"으로 된다.

또한 펄스 코오더(18)로부터의 펄스열 신호(PTS)는 오차 레지스터에 부궤환되어 오차 레지스터의 내용에 비례한 전압(VCMD)이 스위치(SWC)를 통하여 비교기(COM)의 지령 입력 단자에 공급된다.

그리하여, 주축 전동기(7), 펄스 코오더(18), 위치제어회로(PCC), 비교기(COM), 위상 제어회로(PHC) 및 D/A 변환기(DA₂)는 주축(4)에 대한 회전 위치제어 서어보 루우프(servo loop)를 구성한다. 따라서 이 서어보 루우프에 의하여 주축 모우터(7)는 펄스 코오더(18)에서 소정 위치신호(PAS)가 나타난 위치에서 상기한 사전에 세트된 α개의 펄스가 펄스열 신호(PTS)로서 얻어지는 위치에 주축(4)을 정지시키도록 서어보 제어된다.

제3도는 제2도의 실시예에 사용된 제어회로(CC)의 상세한 논리 회로도이다.

제어회로(CC)는 플립―플롭(F₁)(F₂) 및 AND 게이트(A_1∼A₄)로 구성되는데, 초기 상태에서 플립―플롭(F₁)(F₂)은 리세트 된 상태가 되어 게이트(A₂)를 통해 출력신호 A가 인출된다.

소정 위치정지 지령신호(PAP)(테이프 지령의 경우는 예들 들어 보조기능 지령 M19)가 지령되면 플립―플롭(F₁)은 "터어―온"이 되어 신호 A는 "오프"가 되고, AND 게이트(A3)를 거쳐서 제어신호 B가 "온"으로 된다. 다음에 펄스 코오더로부터 최초의 특정회전 강도신호(PAS)가 얻어지면 게이트(A₁)를 거쳐 플립―플롭(F₂)이 세트되어 신호 B는 “오프”로, 신호 C가 “온”으로 되어 제2도에서 설명한 제어 동작이 행하여진다. 주축의 소정 위치 정지가 완료된 후 소정 위치 정지 해제 신호 (RPA)에 의하여 플립―플롭(F₁)(F₂)의 리세트가 가능하다.

제4도는 제2도의 실시예에서 사용된 위치제어회로(PCC)의 상세 논리 회로도를 예시한 게이다.

상기 위치제어회로(PCC)는 인버어터(N₁)(N₂), AND게이트(A₅∼A₁₁), 플립 플롭(F_A∼F_C), 오차 레지스터(ER), D/A 변환기(DA₃)로 구성되어 있다.

펄스 코오더(18)로부터의 펄스열 신호(PTS)는 인크리멘탈 로타리 엔코우더(incremental rotary encoder)에 의하여 90°상호 위상이 어긋난 신호(PA)(PB)로 발생되는데 여기에 관한 구체적인 도면에 의한 기술은 일본국 일간공업 신문사에서 발행한 "NC 핸드북"에 상세히 기술되어 있다. 상기 신호(PTS)의 1주기마다 1개의 펄스(1클럭 시간폭)가 AND 게이트(A₉)의 출력에 나타나게 되어 주축의 회전 방향이 정방향인 경우는 AND게이트(A₁₀)가 "터언―온"으로 되고 상기 펄스는 오차 레지스터(ER)의 부계수 단자(NCT)에 가해져 그 내용에서 -1을 감산한다. 그리고 주축의 회전방향이 부방향인 경우에는 AND게이트(A₁₁)가 “터언―온”으로 되어 AND게이트(A₉)의 출력 펄스가 오차 레지스터(ER)의 정 계수단자(PCT)에 가하여져 그 내용을 +1 가산한다.

상기 오차 레지스터(ER)는 프리세트 및 부호부의 반전 2진 계수기(reversible binary counter)로 구성되어 프리세트 신호 C′(제2도 제어신호 C의 입상분)의 인가에 의하여 프리세트 단자(PST)에서는 수정보(α)의 설정이 가능하고, 상기 단자(NCT) 또는 단자(PCT)에서는 전술한 펄스가 공급될 때마다 그 내용에 -1의 감산 또는 +1의 가산을 행한다.

D/A 변환기(DA₃)는 상기 오차 레지스터(ER)에 접속되어 그 내용에 ε에 비례한 출력 전압(VCMD)을 발생한다. 따라서, 오차 레지스터(ER)의 내용이 저감되어 영이 되었을 때 비교기(COM)에 공급되는 전압(VCMD)이 영이 되어 주축 모우터를 정지하게 된다.

제5도는 제4도에 있어서의 AND 게이트(A₉)의 출력 펄스(P)를 얻는 과정(정방향 회전의 경우)를 나타내는 동작 플로우 차아트(flow chart)이다. 제5도에 있어서 GLOCK은 클럭 펄스를 나타내고, SFA, SFB, SFC는 각각 플립―플롭(FA)(FB)(FC)의 세트 출력 펄스를 나타내며, PA와 PB는 펄스 코오더(18)상에서 얻어지는 위상이 90°어긋난 신호를 예시한 것으로 이 timing chart의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

주축 모우터가 정방향으로 구동할 때는 펄스 코우더(18)로부터의 신호 PA와 신호 PB는 신호 PB의 파형태가 신호 PA의 파형태보다 90°위상이 쳐진 관계를 유지하게 된다. 신호 PA가 논리 "1"이 될 때 플립―플롭(FA)은 다음 플럭 펄스에 의해 세트되어 신호 SFA 는 논리 “1”이 된다. 신호 PB가 놀리 “1”이 될 때 플립―플롭(FB)은 다음 클럭 펄스에 의해 세트되어 신호 SFB는 논리 "1"이 된다. 신호 SFA가 논리 "1"이 되면 플립―플롭(FC)이 세트되어 신호 SFC는 논리 "1"이 된다. 신호 PA가 논리 "0"이 되면 신호 SFA도 "0"이 되어 AND 게이트(A₉)로부터의 출력이 "1"이 되는데 이 출력 신호는 플립―플롭(F_C)이 1클럭 지난 후 리세트 될 때까지 유지하게 되어 펄스 P는 AND 게이트(A₉)로부터의 출력 신호로써 얻어지게 된다. 이때 플립―플롭(FB)이 세트되면 펄스 P는 AND 게이트(A₁₀)를 통해 오차 레지스터(ER)의 부계수단자(NCT)에 그 내용을 감산하도록 인가된다. 또한 주축 모우터가 부방향으로 구동할 때는 펄스 P가 AND 게이트(A₉)로부터 출력되는데 이때 플립―플롭(FB)이 리세트 되기 때문에 펄스 P가 AND 게이트(A₁₁)를 통해 오차 레지스터(ER)의 정 계수단자(PCT)에 그 내용을 가산하도록 인가된다.

제6도는 신호 PTS와 신호 PAS의 발생 설명도로써, 예시한 바와 같이 PAS 신호는 특정 회전 위치를 나타내는 신호로써 엔코우터의 특정 회전 위치 때에만 슬리트 원판에 형성된 슬리트를 통과하는 광을 검출함으로써 발생하게 된다.

이상의 설명에서 주축 모우터로서는 주축 모우터 축과 주축이 일체화된 것을 예로 들어 설명하였으나 별체의 것이더라도 물론 본 발명에 의한 시스템의 적용은 가능하다. 또한 펄스 코오더로서는 특정 위치 펄스 신호로서 펄스 코오더에서 직접 얻어지는 1회전 펄스를 사용한 예를 설명하였으나 펄스열 신호를 소정 용량의 계수기에 의하여 계수하고, 이 계수기의 오우버 플로우 펄스(over flow pulse)를 특정 위치 펄스 신호를 할 수도 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 주축 모우터의 속도 제어용의 펄스 코오더를 이용함으로써 특별한 검출기를 부가하는 일없이 주축의 소정 위치 정지 제어가 가능함과 동시에 주축을 소정 위치에 유지하기 위한 기계적인 핀 기구가 불필요하게 되고, 구조가 단순하고 가격이 저렴한 주축 소정 위치 회전 정지 장치가 얻어진다.

본 발명은 이상 설명한 실시예에 국한되는 것이 아니고 본 발명의 신규의 개념 범위에서 이탈하지 않고 여러 가지 변형이 가능함은 자명한 일이다.

Claims (1)

1. 공작 기계의 주축의 회전 속도를 제어하기 위하여 주축에 펄스 코오더를 연결하여 이 펄스 코오더로부터 주축이 일정 각도 회전할 때마다 발하는 펄스열 신호를 D/A 변환기를 통해 상기 주축의 실제 속도에 대응한 아날로그 전압으로 변환하여 지령속도에 일치시켜 주축의 회전속도를 제어하는 주축 제어방식에 있어서, 상기 주축이 주축 1회전 중의 특정회전 위치를 차지하였을 때 생기는 특정위치 펄스 신호를 상기 펄스 코오더로부터 얻도록 하고, 주축 소정 위치 정지 지령이 주어졌을 때 상기 특정위치 펄스 신호에 응답하여 소정의 수치를 오차 레지스터에 세트하며 상기 펄스열 신호를 이 오차 레지스터에 부궤환 함과 동시에 상기 아날로그 전압 대신에 상기 오차 레지스터의 내용에 응한 전압에 의하여 주축의 회전 위치 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 주축 제어방식.

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