KR900003203B1 - 표면의 거칠은 형상을 측정하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

표면의 거칠은 형상을 측정하기 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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내용 없음.

Description

표면의 거칠은 형상을 측정하기 위한 방법 및 시스템
제 1 도는 본 발명에 따른 시스템의 한 실시예의 개요도.
제 2 도는 제 1 도의 트랙 L1-L2의 확대도.
제 3 도는 제 1 도의 시스템에 의해 측정된 빛세기 값의 그래프적 표현.
제 4 도는 절삭공구의 마모를 측정할 수 있는 장치의 개요도.
제 5 도는 제 4 도의 장치에서 절삭공구의 마모를 측정하기 위한 시스템의 한 실시예의 블록 다이어그램.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 광원(light source) 2 : 반투명거울
3, 4, 6 : 렌즈 5 : 불투명판
7, 27 : 표면 8 : 감광성 엘레멘트
9 : 표시(display)장치 10 : 신호 처리기
21 : 워어크피스(workpiece) 22 : 선반(lathe)
24 : 절삭공구(cutting tool) 26 : 절삭
31 : 제어신호 발생기 33 : 광학 검지지
35 : 상관기(correlator) 38 : 특성유니트
39 : 기준신호 발생기 42 : 결정(decider)유니트
44 : 제어회로
본 발명은 표면의 거칠은 형상을 측정하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
이러한 방법 및 시스템에는 많은 예가 있으며, 그러한 예는 기계적으로 만들어진(worked) 표면의 거칠음과 같은 표면의 거칠음에 관계가 있다. 이러한 표면의 거칠음은 현미경에 의한 확대하에 있건 없건간에 보통은 눈에 의해 관찰된다. 자명하게도, 그와같은 관찰은 관찰자의 경험에 크게 의존할 것이며 실제로는 신뢰할만한 것도 아니며 정확하지도 않다. 표면의 거칠음을 관찰하는 또 다른 방법은 표면의 거칠은 형상을 측정하기 위해 표면을 기계적으로 스캔하는 것이다. 그러나 이 방법은 시간낭비이며 일반적으로 표면의 기계적 작업이 수행되고 있는 장소에서 그 방법을 수행하는 것은 불가능하다.
본 발명의 목적은 표면의 거칠은 표면을 완전히 자동 측정하기 위한 방법 및 시스템을 제공하는 것이다. 그와같은 거칠은 형상의 자동측정은 측정은 정확성, 재현성 및 속도에 있어 실제적 향상을 가져올뿐 아니라 관찰된 표면작업에 사용된 도구의 마모를 측정하는데 유리하게 사용될 수 있다. 예를들면, 절삭도구를 사용하여 정밀하게 금속샤프트를 생산할때 축의 표면에 존재하는 거칠음 특성은 도구표면이 마모되므로써 그리고 도구 모서리가 손상을 입게 되므로써 변화될 것이다. 거칠은 형상의 자동측정은 미리정해진 공차(tolerance) 한계를 초과한 도구를 사용하여 만들어진 표면의 거칠음 특성에 도구 마모의 허용할 수 없는 정도를 지시하는 신호를 자동적으로 만든다.
본 발명은 표면의 거칠은 형상을 측정하기 위한 방법을 제공하는데, 그 방법에서 광 비임은 광점을 형성하기 위해 광원으로부터 광학시스템을 경유해 표면에 투사되고 촛점이 맞추어져 광점은 트랙을 가로질러 표면이 있는 미리 정해진 트랙을 계속해서 통과하게 되며 이 표면에 의해 반사된 빛의 양이 측정되게 된다.
촛점거리를 변화시키는 광학시스템은 비임 촛점의 위치를 변화시키는데 사용된다. 촛점거리의 변화는 독일특허철원 85, 01101에 나타나 있는 가변 촛점거리를 갖는 렌즈를 사용하거나 또는 고정촛점 거리를 갖는 렌즈의 위치를 변화시킴으로써 이루어진다. 이것을 위해, 초당 수십 사이클의 높은 주파수에서 몇 밀리리터의 거리까지 압전엘레멘트에 의해 작은 렌즈가 이동될 수 있다. 더 작은 거리에 대해 더 높은 주파수가 가능하다.
본 발명은 표면의 거칠은 형상을 측정하기 위한 시스템을 제공하는데, 그 시스템은 광원과 광원의 촛점 맞추어진 상의 장소가 미리 정해진 트랙을 계속해서 통과하도록 하기 위해 촛점거리를 변화시키는 광학시스템과, 표면의 거칠은 형상이 측정될 표면에 반사된 빛을 측정하기 위한 수단을 포함하고 있으며, 여기서 표면은 미리 정해진 트랙을 가로질러 설치되어 있다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
제 1 도는 거칠은 형상을 측정하기 위한 본 발명에 따른 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다. 이 시스템은 반투명거울(2), 가변촛점 거리의 렌즈(3), 그리고 양요(biconcave) 구면렌즈 (4)를 통해 시스템의 광학측에 위치하고 있는 지점 L1과 L2사이에 상을 만드는 광원을 포함하고 있다. 시스템은 그 내에 작은 개구 즉, 바늘구멍(pinhole)을 갖고 있는 광학적으로 불투명한 판(5)을 더불어 포함하고 있다. 이 바늘구멍 또한 마찬가지로 양요구면렌즈(6), 반투명거울(2), 그리고 렌즈(3, 4)를 통해 L1- L2위에 상을 만들며, 그 광은 광원(1)이 상을 만든 그곳이다.
광원(1)의 상은 트랙 L1- L2에 형성된 작은 직경의 광점을 초래한다. 이 광점이 촛점맞추어진 장소는 렌즈(3)의 촛점거리에 의존하며, 이 렌즈의 적당한 크기 설정에 의해 트랙 L1- L2을 통과하게 할 수 있다. 트랙 L1- L2위에 광원(1)의 촛점맞추어진 상의 위치는 제 1 도에서 한점쇄선으로 도시되어 있는 것처럼 렌즈(3)의 촛점거리를 변화시킴으로써 또는 고정촛점거리의 렌즈위치를 변화시킴으로써 변하게 된다. 후자의 가능성은 도면에 도시되어 있지 않다.
렌즈(3)는 조절할 수 있는 볼록면(convexity)의 가요성 박(箔)으로 렌즈의 전방면을 형성함으로써 촛점거리를 갖도록 만들 수 있다. 그러므로 렌즈의 촛점거리는 렌즈에 포함되어 있는 유체에 의해 가요성에 가해진 압력을 변화시킴으로써 변화될 수 있다.
거칠은 형상이 측정될 표면(7)은 L1과 L2사이에 위치하고 있다. 광원(1)의 상을 구성하는 광점은 이 초면에 의해 반사되며, 빛은 렌즈(4, 3), 반투명거울(2), 렌즈(6), 그리고 바늘구멍을 경유해 감응성 엘레멘트에 투사된다. 측정된 빛의 양은 광원(1)의 상이 표면(7)에 촛점이 맞추어졌을때 최대값을 가지며, 광원(1)이 촛점맞추어진 상의 위치가 표면(7)으로부터 더 멀리 떨어질수록 감소한다.
감광성 엘레멘트(8)의 출력신호는 표시장치(9)에서 재생될 수 있으며, 측정신호가 표면(7)이 거칠음을 지시하도록 신호처리기(10)에 의해 처리될 수 있다. 표면위 거칠음의 높이는 제 1 도의 트랙 L1- L2위에 광원으로부터의 빛이 반사된 표면의 위치와 트랙 L1- L2위에 완전히 매끄러운 표면의 기준위치를 비교함으로써 결정될 수 있으며, 그로인해 형상의 높이가 결정될 수 있다. 표면(7)의 거칠음을 측정하는 신호처리기의 후에 더욱 자세히 기술될 것이다.
트랙 L1L2위에 광원(1)의 촛점맞추어진 상의 위치는 이트랙에서의 표면(7)의 위치와 관련되어 있으며, 이는 제 2 도와 제 3 도를 참조로 설명될 것이다.
거칠은 형상을 측정하기 위해, 렌즈(3)의 촛점거리는 광원(1)의 촛점맞추어진 상이 L1과 L2사이를 주기적으로 왕복하도록 주기적으로 변화된다. 촛점맞추어진 상이 L1으로부터 L2로 그리고 역으로 L1으로 이동하는데 필요한 시간이 t0라 가정하면, 촛점거리가 변화될때의 주파는 f0=1/t0Hz가 될 것이다.
제 2 도에는 트랙 L1→ L2가 직선으로, 트랙 L1→ L2이 점선으로 도시되어 있다. 광점을 반사하는 표면(7)은 A, B, C, 그리고 D지점에 연속적으로 위치하고 있는 것으로 가정한다. 시간 t는 수직으로 표시되어 있다.
제 3 도에는 각 지점 A-D에 위치하고 있는 표면에 대해 개별적으로 감광성 엘레멘트(8)에 의해 측정된 세기 Φ의 변화를 시간 t의 함수로 나타나 있다. t=o에 대해 빛의 세기가 최대값을 갖는 지점은 트랙 L1- L2상의 표면(7)의 위치를 결정하기 위해 결정된다. 예를들어, 표면이 A지점에 있다면, 반사된 빛의 양은 광점이
Figure kpo00001
에서 A지점에 촛점맞추어지므로써
Figure kpo00002
일때 최대가 된다. 비슷하게, 표면이 점에 있으면, 세기는 광점이
Figure kpo00003
에서 D지점에 촛점맞추어지므로서
Figure kpo00004
일때 최대가 된다. 제 3 도에 도시되어 있는 것처럼 빛 세기에서의 비슷한 변화가 표면이 중간지점 즉, B와 C지점에 있을때에도 얻어진다.
제 4 도에는 절삭공구의 마모가 도구에 의해 만들어진 샤프트와 같은 워어크피스의 거칠은 형상을 측정함으로써 결정되는 시스템이 개략적으로 도시되어 있다.
워어크피스(21)는 선반(도시되어 있지 않음)위에서 화살표(23)의 방향으로 회전된다. 절삭공구(24)는 워어크피스(21)는 회전동안 화살표(25)의 방향으로 천천히 나가므로써 워어크피스(21)로부터 재료를 제거하고 그로인해 절삭(26)이 형성된다. 워크피스(21)의 회전과 도구(24)의 전진이 동시에 일어나는 것은 워어크피스(21)의 표면(27)에 나선형 모양을 만들게 된다. 표면(27)의 나선방향의 거칠음은 나선에 대해 수직으로 뻗어 있는 선(28)의 방향 또는 나선에 대해 각을 이루고 뻗어있는 선(29)의 방향의 표면 거칠음 보다 실제로 적다. 공구(24)에 의해 야기된 거칠은 형상의 충분히 신뢰할만한 측정을 위해 선(28 또는 29)은 수바퀴의 나선위에 뻗어 있어야 한다.
제 5 도는 제 4 도의 절삭공구(24)의 마모를 결정하기에 적합한 전자처리 장치의 블록 다이어그램으로 공구 선반(22)내에 설치되어 있다.
이 장치는 신호선(32)을 통해 광학검지기(33)에 제어신호를 공급하는 제어신호 발생기(31)를 포함하고 있는 이 광학검지는 제 1 도에 도시되어 있는 시스템일 것이다. 상관기(33)는 신호선(34)을 통해 신호 발생기(31)로부터 동일한 출력신호를 수신한다. 또, 상관기(35)는 신호선(36)을 통해 광학검지기(33)로부터 출력 신호를 수신하며, 이 출력신호는 기준표면에 대한 표면(27)의 측정된 형상높이를 나타낸다. 상관기(35)와 신호선(34와 36)을 통해 수신된 신호를 상호관계시켜, 결과적으로 생긴 상호관련 신호를 신호선(37)을 특성유니트(38)에 가한다. 특성유니트(38)는 상관기(35)의 출력신호로부터 표면(27)에 부속된 하나 또는 그 이상의 특성량에 결정하며, 그러한 량의 절삭공구(24)의 모서리 상태를 결정하는데 적절하다.
또한 이 장치는 특성유니트(38)의 출력신호와 비슷하며 특성유니트(38)의 출력신호와 비교될 수 있는 기준신호를 형성하는 기준신호 발생기(39)를 포함하고 있다. 특성유니트(38)와 발생기(39)는 선(40)과 선(41)을 개별적으로 결정유니트(42)에 연결되어 있다. 결정유니트(42)의 출력은 선(43)을 통해 선반(22)을 제어회로(44)이 입력에 연결되어 있다.
제어회로(44)는 선(45, 46)을 통해 선반(22)에 연결되어 있다. 제어회로(44)는 선(45)을 경유해 선반(22)의 동작을 해제시키며(deactivate), 선반(22)은 선(46)을 경유해 제어회로(44)가 걸려 있는(machining)동안 워어크피스(21)의 일시적인 각(angular)위치를 지시하는 신호를 공급할 수 있다. 만일 필요하다면, 제어회로(44)는 그와같은 각 신호가 이 회로자체에 의해 발생되도록 배열되어야 할 것이다. 제어회로(44)는 각(angular)위치 신호와 일치하는 신호를 제어신호 발생기(31) 및 상관기(35)에 가하기 위해 제어신호 발생기(31)와 상관기(35)에 연결되어 있다.
제 5 도에 도시되어 있는 처리장치는 다음과 같이 동작한다.
선반(22)이 동작되며 공구(24)가 워어크피스(21)와 접촉된 후, 제어회로(44)는 선(47)을 경유해 제어신호발생기(31)와 상관기(35)를 동작시키는 신호를 발생한다. 제어회로(44)는 선(47)을 통해 워어크피스(21)의 일상적인 각 위치와 일치하는 신호를 공급한다.
워어크피스(21)는 미리정해진 각 위치를 지니게 되고, 감지기(33)는 기준표면에 대한 표면(27)의 형상높이를 측정한다. 그것을 위해 필요한 제어신호는 발생기(31)에 의해 만들어져 선(32)을 통해 검지기(33)에 공급된다. 감지기(33)는 워어크피스(21)를 따라 공구(24)와 동기되어 움직이지만 이것이 강제적인 것은 아니다.
발생기(31)는 형상의 높이를 결정하는데 필요한 제어신호를 검지기(33)에 가한다. 상관기(35)는 선(32)을 경유해 공급된 신호와 일치하는 신호를 선(34)을 통해 수신하며, 또 선(36)을 통해 감직(33)로부터 출력신호를 수신한다. 상관기(35)는 표면(27)상의 부속점(appurtinent point)은 물론 형상의 높이를 나타내는 신호를 그 출력에 만들기 위해 이러한 신호들은 조합한다. 이 신호를 형성할 수 있도록 상관기(35)는 선(47)을 통해 각위치 신호를 수신한다.
형상높이 측정이 이루어지는때의 지점에 의존하여, 거칠은 형상의 높이가 측정될 표면(27)의 지점은 직선상에 자리잡거나 또는 제 4 도에서의 선(28이나 29)과 같은 서로 다른 형상의 선에 자리잡게 될 것이다.
특성유니트(38)는 선(28이나 29)을 따라 표면(27)의 형상을 나타내는 상관기(35)의 출력신호로부터 하나 또는 그 이상의 형상의 특성량을 결정한다. 이러한 특성량은 거칠음을 지시하게 되는데, 즉, 표면의 거칠음을 특성지을수 있는 근거를 지시하게 된다. 특성량의 예는 가장 큰 깊이나 높이, 형상에 존재하는 가장 큰 경사도(steepness), 길이의 유니트당 형상의 꼭대기/골(top/valley)의 수등이다.
결정유니트(42)는 특성유니트(38)에 의해 만들어진 적절량에 대한 값과 기준신호 발생기(39)에 의해 만들어진 이러한 양에 대한 표준화된 값을 비교한다.
만일 측정된 값이 표준화된 값을 초과하지 않는다면, 공구의 마모가 허용공차 범위내에 있는 것이므로 어떤 동작(action)도 취해지지 않는다. 그러나 하나 또는 그 이상의 표준화된 값이 측정된 값을 초과한다면, 결정유니트(42)는 선(43)을 통해 제어회로(44)에 가해질 해제신호를 발생할 것이다. 이 회로는 선(45)을 경유해 선반(22)을 해제시킴으로써 그리고 표면(27)의 거칠음이 절삭공구를 교체해야하거나 깍아야할 정도로 표준과는 다르다는 사실을 선반 조작자(operator)에게 통보할 경보신호를 만들므로써 이 신호에 응답한다. 선(43)에서의 해제신호는 자동 공구-교환유니트를 동작시키는데 사용될 것이다. 그런 경우에, 기계를 거는(machining)절차는 공구가 교환된후 자동적으로 시작된다.
제 5 도에 도시되어 있는 처리장치의 실시예의 개조에 따르면, 선(46)이 생략될 수 있는 반면 선(47)은 위치신호를 발생하는 회로로부터 이끌어지고, 이 신호는 선(28 또는 29)에서의 형상높이가 측정될 지점의 위치를 지시한다. 이 개조에서, 이 두선중 하나에서의 형상 측정은 기계를 거는 절차가 중지된 후에만 이루어진다.

Claims (12)

  1. 표면의 거칠은 형상을 측정하기 위한 방법에 있어서, 광비임은 광점을 형성하기 위해 광원으로부터 광학시스템을 경유해 표면에 투사되고 촛점맞추어져 광점은 트랙을 가로질러 표면이 있는 미리 정해진 트랙을 계속해서 통과하고 이 표면에 의해 반사된 빛의 양이 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 광점은 상기 광학시스템의 촛점거리를 변화시킴으로써 상기 트랙을 통과하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 광학시스템의 적어도 하나의 렌즈의 위치가 변화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 광학시스템의 적어도 하나의 렌즈의 촛점거리가 변화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 거칠은 형상은 상기 표면에 의해 반사된 빛의 양과 기준표면에 의해 반사된 빛의 양을 비교함으로써 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 표면의 거칠은 형상을 측정하기 위한 시스템에 있어서, 광원과 상기 광원의 촛점맞추어진 상의 위치가 미리 정해진 트랙을 계속해서 통과하도록 촛점거리를 변화시키는 광학시스템과 거칠은 형상이 측정될 표면에 의해 반사된 빛의 양을 측정하기 위한 수단을 특징으로 하며, 상기의 표면은 미리 정해진 트랙을 가로질러 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기의 광원과 반투명 거울, 그리고 촛점거리를 변화시키는 광학시스템을 포함하고 있는 제 1광학경로와 상기 표면에 의해 반사된 빛의 양을 측정하기 위한 부재와 그 내에 작은 개구를 갖고 있는 불투명판 부재, 적어도 하나의 렌즈, 상기의 반투명거울, 그리고 촛점거리를 변화시키는 광학시스템을 포함하고 있는 제 2 광학경로를 특징으로 하는 시스템.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 촛점거리를 변화시키는 광학시스템이 상기 광학시스템의 적어도 하나의 렌즈의 위치를 변화시키기 위한 수단에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 광학시스템이 촛점거리를 변화시킬 수 있는 적어도 하나의 렌즈를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 공구에 의해 만들어진 표면의 거칠은 형상이 측정되어 그로부터 얻어진 거칠은 형상의 특성량의 값과 미리정해진 값이 비교되며 측정된 거칠은 형상으로부터 얻어진 값이 미리정해진 값을 초과했을때 신호가 발생하는 것을 특징으로 하는 제 1 항에 따른 방법에 의해 절삭공구의 마모를 측정하기 위한 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 거칠은 형상은 거칠은 형상이 측정될 워어크피스의 길이축과 평행하게 뻗어있는 선을 따라 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 거칠은 형상은 거칠은 형상이 측정될 워어크피스의 길이축과 각을 이루고 뻗어있는 선을 따라 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
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