KR930002408B1 - 비원형 절삭장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

비원형 절삭장치

제1도는 본 발명에 관한 비원형 절삭장치의 일실시예를 나타낸 개략평면도.

제2도는 제1도 장치의 공구진퇴장치의 부분파단 평면도.

제3도는 제2도의 측면도.

제4도는 공구진퇴장치의 중심축을 지지하기 위한 판스프링형식의 저어널수단의 소망의 일실시예를 나타낸 사시도.

제5도는 제4도에 표시한 판스프링형식 저어널수단을 사용한 공구진퇴장치의 부분파단 평면도.

제6도는 코일스프링형식의 저어널수단을 사용한 공구진퇴장치의 부분파단 평면도.

제7도는 전자석 및 스프링을 사용한 공구진퇴장치의 위치결정제어의 원리 설명도.

제8도는 저어널수단에 스프링을 사용하지 않을 경우 장치의 안정화에 필요한 저어계의 전달특성도.

제9도는 저어널수단에 스프링을 설치한 경우의 저어계의 전달특성도.

제10도는 가동판의 위치를 나타낸 그래프.

제11도는 전자석에 흐르는 전류의 변화를 나타낸 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 주축 2 : 주축대

3 : 주축회전서보모우터 4 : 회전각검출장치

5, 6 : 이송테이블 7, 8 : 서보모우터

9 : 공구진퇴장치 10 : 베드

11 : 설치대 12 : 가동판

13a, 13b : 전자석 14 : 중심축

15 : 변위측정판 16 : 변위센서

17 : 속도센서 18 : 공구

19 : 볼스플라인 20 : 리니어부시

21 : 지지대 22 : 판스프링

23 : 홀더 24 : 저어널수단

25, 26 : 코일스프링 27 : 제어회로

28, 29 : 정전류회로

본 발명은 예를 들어 내연기관용 피스톤 외주면 등의 축지각 단면이 비원형 형상의 작업물을 가공하기 위한 비원형 절삭장치에 관한 것이다.

종래의 비원형 형상의 작업물의 가공에는 마스터캠을 사용한 모방가공이 많이 이용되었다.

이 모방가공 방법은 몇가지 단점이 있는데, 예를 들어 마스터캠을 사용할 필요가 있고, 마스터캠의 제작에는 많은 시간과 비용을 요하며, 또한 마스터캠의 제작상의 고유의 문제에 의하여 제조가능한 형상에 제한이 있어서, 임의의 형상으로 작업물을 가공하지 못하는 문제가 있었다. 그리고 모방가공장치의 추종성에 제약이 있어서 작업물의 회전수 향상에 한계가 있게되며, 기계를 고속으로 구동시킬 수 없어 싸이클 타임을단축시키는데 어려움이 있는 문제점이 있다.

일부에는 마스터캠을 사용하지 않고 NC 제어에 의하여 외경절삭 가공이 시도되고 있으나, 이 방법은 현시점에서 저속에서는 가능하나 고속에서는 불가능한 상황이다. 그 이유는 유압서보방식에서는 서보밸브의 응답특성이 낮으며 유압실린더의 응답 속도를 올릴수 없기 때문이다. 그리고 오일온도의 제어가 어려우므로 오일온도의 변동에 의하여 실린더의 응답특성이 변화한다는 문제점도 있다. 한편, 서보모우터를 이용한 시스템에서는 빈번하게 서보모우터가 정역전을 행하기 때문에 모우터의 관성, 불나사나 이송테이블의 탄성변형과 같은 요인에 의하여 응답특성을 향상시킬 수가 없다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 그 목적하는 바는 마스터캠을 사용하는 종래의 모방가공장치와 같은 추종성의 문제가 해소되고 작업물의 고속회전에 의한 절삭이 가능하고 기계의 싸이클타임을 대폭으로 단축함과 동시에 임의의 작업물형상을 가공할 수 있고 또한 장기간에 걸쳐서 높은 정밀도를 유지할 수 있는 비원형절삭장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은 하기 각항 기재의 구성요소로 된 공구진퇴장치에 의하여 해결된다.

(a) 작업물을 설치하는 주축에 대하여 직각으로 배치되고 그 일단에 공구가 설치되는 중심축과,

(b) 상기 중심축을 그 축방향으로는 변위가능하고 회전불능하도록 지지하는 저어널수단과,

(c) 상기 중심축에 고착되는 가동판과,

(d) 상기 가동판을 협지하여 이것과 소정의 간극을 두고 서로 대향하도록 배치되는 전자석과,

(e) 상기 주축의 회전각 검출장치와,

(f) 상기 중심축의 종방향 이동량을 검출하는 변위센서와,

(g) 상기 중심축의 종방향 이동속도를 검출하는 속도센서와,

(h) 상기 회전각 검출장치, 변위센서 및 속도센서로 부터의 출력신호에 의거하여 상기 전자석에 대한 통전을 제어하는 수단들로 구성되는 공구진퇴장치를 설치하는 것을 특징으로 하는 비원형 절삭장치에 의하여 달성된다.

상기 중심축의 저어널수단으로서는 판스프링이나 코일스프링등을 이용하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성한 공구진퇴장치를 가진 비원형 절삭장치에 있어서 작업물을 설치한 주축이 회전하면 상기 회전각 검출장치가 동기 회전하여 주축의 회전수와 회전각을 검출하므로 이 회전수와 회전각에 동기하는 상기 제어장치를 통해서 상기 전자석에 대한 통전을 제어하고, 이로서 상기 가동판에 대한 흡인력을 제어하면서 가동판과 여기에 고정된 상기 중심축을 이동시키고, 그 이동상태를 상기 변위센서와 속도세서로 검지하고, 그 출력신호에 의거하여 피드백제어를 행하면서 중심축에 부축된 공구를 작업물에 대하여 진퇴시키므로서 축직각 단면이 비원형의 절삭가공을 행할 수 있는 것이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세하게 설명한다.

여기서 제1∼제3도 중에서 1은 작업물 고정구를 구비한 주축, 2는 주축대, 3은 주축회전 서보모우터, 4는 회전각검출장치, 5는 주축과 동일방향으로 이동하는 이송테이블, 6은 주축과 직각방향으로 이동하는 이송테이블, 7은 이송테이블(5)를 구동하는 서보보우터, 8은 이송테이블(6)을 구동하는 서보모우터 , 9는 이송테이블(6)사에 설치된 공구진퇴장치, 10은 벤드, 11은 설치되, 12는 가동판 13a,13b는 상기 가공판(12)를 끼워두고 이것과 소망의 간극을 두고서 서로 대향으로 배치된 전자석, 14는 중심축, 15는 변위 측정판, 16은 변위센서, 17은 속도센서, 18은 공구, 19는 볼스플라인, 20은 리니어부시, 21은 지지대이다.

제1도와 같이 작업물(W)를 지지하는 작업물 고정구를 구비한 주축(1)은 주축대(2)에 회전자유로이 지지되고 서보모우터(3)에 의하여 회동구동되도록 되어있고, 주축대 후부에 부착된 엔코더등으로 이루어진 회전각검출장치(4)도 작업물(W)과 동기하여 회전되도록 되어있다.

베드(10)상에는 이송테이블(5)이 미끄럼적으로 장착되어 주축(1)과 동일방향(즉 X축방향)으로 미끄러질수 있고, 즉 이송테이블(5)은 서보모우터(7)로 구동된 나사이송기구에 의하여 이송제어 된다.

그리고 상기 이송테이블(5)상에 다른하나의 이송테이블(6)이 장착되어 상기 축방향(즉 Y방향)에 수직한 방향으로 미끄러질 수 있고, 즉 이송테이블(6)은 다른 하나의 서보모우터(8)로 구동된 다른 하나의 나사이송기구에 의하여 이송제어된다.

Y축방향(즉 작업물W의 반경방향)으로 공구(18)를 진퇴시키기 위하여 이송테이블(6)상에 공구진퇴수단(9)을 장착한다.

그리고 제2도 및 제3도에는 상기 공구진퇴장치(9)의 상세가 표시되어 있고, 제2도는 그 평면도, 제3도는 측면도이다.

설치대(11)에는 가동판(12)을 끼워서 서로 대향하는 예를들어 4개의 전자석(13a),(13b)이 설치되어 있다. 가동판(12)은 중심축(14)에 고착되어 있고 중심축(14)은 공구(18)를 부착하는 쪽의 일단에서 볼스플라인(19)에 의하여 축방향으로 이동자유롭게 그러나 회전이 불가능하게 지지된다. 중심축(14)의 타단에는 리니어부시(20)에 의하여 축방향으로 이동자유롭게 지지된다.

그리고 전자석(13a) 혹은 전자석(13b)에 전류를 통하면 가동판(12)은 통전이 행해진 전자석에 흡인되어 이동하고 이와 더불어 중심축(14)도 축방향으로 이동한다.

중심축(14)의 일단부에는 공구(18)가 부착되고, 상기 제어방법에 의하여 작업물의 회전축(주축)에 직각인방향으로 공구가 진퇴되고 이로서 축직각 단면이 소망의 비원형 형상으로 가공되도록 되어있다.

즉 상기 전자석(13a),(13b)에 대한 통젼은 주축의 회전각검출장치(4)로 부터의 출력신호에 의거하여 도면에서는 생략한 제어장치에 의하여 주축의 회전과 동기하여 행하도록 하고, 이로 인하여 작업물이 일회전하는 동안 소정의 각도위치에 주축(1)에 수직한 방향으로 공구(18)를 미소량진출 혹은 후퇴시키게 된다.

그래서 주축(1)의 축에 수직한 비원형 단면을 갖도록 작업물 W를 가공할 수 있다. 그리고 중심축(14)의 일단에는 변위측정판(15)이 부착되고, 변위측정판(15)의 변위량은 지지대(21)에 부차된 변위센서(16)에 의하여 검출된다. 중심축(14)의 또한쪽의 끝부에는 속도센서(17)가 부착되어 있고 가동판(14)의 이동속도를 검출하도록 되어있다. 변위센서(16) 및 속도센서(17)의 측정치는 도시없는 수치제어장치에 대하여 피드백용데이터로서 입력되고 전자석(13a),(13b)이 흡인력과 주파수 응답특성을 제어하기 위하여 이용된다.

이와같이 하여 작업물(W)의 중심축에 직각인 단면을 비원형 형상으로 가공하면서 서보모우터(7),(8)의 2축동시제어에 의하여 이송테이블(5),(6)을 동시에 이송제어하여 작업물(W)의 외주면의 모선(母線)을 변화시키는 것이다.

그리고 제2도에 표시한 공구진퇴장치에 있어서는 2중심축의 한쪽의 저어널수단에 롤스플라인(19)을 사용하였으므로 장기간의 사용에 의하여 볼이 마모되어 가공정밀도에 악영향을 미칠 가능성이 있다.

그리고 전자석 만에 의하어 중심축(14)의 축방향으로의 이동을 제어할 경우에는 후술하는 바와 같이 안정화를 위하여 전자석에 여분의 전류를 통전하지 않으면 안되고, 전자석의 응답성이나 전력소비의 문제등이 생긴다. 이문제를 해결하기 위한 중심축(14)의 저어널수단의 개량예가 제4도에 표시되었으며 이것을 사용한 공구진퇴장치가 제5도에 표시되어 있다.

제4도에 표시한 저어널수단(24)에 있어서 일단에 공구를 부착하기 위한 상기중심축(14)은 십자형상의 가요성 박판스프링(22)을 다수매 적층한 적층체에 의하여 홀더(23)에 고정된다.

판스핑(22)은 중심부는 중심축(14)에 고착됨과 동시에 십자형으로 연신되는 다리부의 외단이 홀더(23)에 고착된다.

이 축지지장치(24)를 사용한 공구진퇴장치가 제5도에 표시되었고, 제2도에 표시한 실시예에 있어서의 롤스플라인(19) 및 리니어부식(20)에 대신하여 상기 저어널수단(24)에 의해 중심축(14)을 지지하고 저어널수단(24)의 홀더(23)를 설치대(11)에 나사고정등의 수단으로 고정한다.

따라서 가동판(12)이 전자석(13a),(13b)에 흡입되어서 중심축(14)이 그 축방향으로 이동될때에는 가요성의 판스프링(22)이 휘어져서 중심축(14)의 상기 축방향의 움직임을 허용하나 중심축(14)의 회전은 홀더(23)에 고정된 스프링(22,23)에 의하여 불가능해지고 이로서 작업물 절삭시의 절삭저항에 충분히 견딜 수 있도록 되어 있다.

한편 제6도에 나타낸 실시예에 있어서 제2도에 나타낸 실시예의 중심축(14)의 축방향으로의 이동을 중심축(14)의 주위에 장착한 한쌍의 코일스프링(25),(26)에 의하여 제동하도록 되어 있다.

가동판은 적층 실리콘강판으로 되는 것이 바람직하지만 본 방치에서 전자석의 흡인력으로 굽혀지거나 영향을 받지않은 강성을 가질 필요가 있다. 그러므로 강판이 사용되지만 이것이 전자석으로 흡인될때 와류가 발생될 수 있어 주파수 응답특성이 낮아진다.

따라서 와류손실을 없애기 위하여 판에 슬릿을 형성할 수 있다.

기타의 구성요소는 제2도의 실시예의 것과 동일하다.

상기와 같이 전자석에 의한 전자흡인력을 구동력으로하여 가동판(12) 즉 공구(18)의 위치결정제어를 행하는 경우에 이 흡인력은 선형근사화할 수 있는 범위에서는 가동판(12)의 변위의 방향으로 변위에 비례하는것으로 생각된다. 이와같은 흡인력은 부(負)의 스프링정수를 가진 스프링에 의한 힘과 동일하고 이와같은 힘이 작용하는 계는 불안정하다. 따라서 이와같은 계를 안정화하기 위해서는 제8도의 표시와 같이 피드백을 행하거나 또는 제5도, 제6도에 표시한 바와같이 정(正)의 스프링정수를 가진 스프링력을 이용하여 상기 부의 스프링력을 상쇄하는 것이 권장된다.

일반적으로 위치의 피드백등에 전류를 가하므로서 안정된 계로는 기술이 채용되고 있으나 이 방식에서는 안정화를 위하여 전류를 여분을 통전하여야 하며 전자석의 응답성이나 전력소비등의 문제점이 생기는 것도 고려된다.

이와같은 문제는 이 불안정계의 원인이 되는 부의 스프링 정수를 통상의 정의 스프링 정수를 가진 스프링을 가지고 실제로 가동판에 부착하므로서 상쇄하여 해결되는 것이다.

먼저 전자 흡인력 제어의 문제점에 대하여 고찰한다.

전자석의 흡인물에 작용하는 전자흡인력(F)과 전자석에 흐르는 전류(I) 및 흡인물과의 거리(d)의 사이에는 이하의 관계가 있는 것으로 가정한다.

단, K는 전자석에 의하여 정해지는 정수임.

먼저 제7도의 표시와 같은 제어계를 고려하고, 양측에 스프링(25),(26)을 부착한 가동판(12)이 양측의 전자석(13a),(13b)으로부터 동거리(d₀)에 있는 위치를 영점으로하여 전자석(13a)의 방향을 정으로하여 가동판의 변위를 x, 그리고 가동판의 질량을 m로 하면 스프링이 없을때 가동판의 운동방정식은 (1)식에 의하여

로 나타낸다. 단 i는 제어전류를 나타낸다.

그리고 제7도중에서 27은 제어회로, 28 및 29는 각각 정전류 앰프이다. (2)식에 있어서 d₀》 x, i₀》 i 라고 가정하고 x=0, i=0 평형점으로 하여 선형근사화를 행하면(2) 식은

으로 표시된다. 우변 제1항이 부의 스프링정수에 의한 불안정 요소로 된다. 지금 가동판의 목료로 하는 운동이 X=a Sin Wt에 의하여 부여될때 제어전류의 진폭(i_a)는

로 표시된다. 우변 제1항은 가동판(12)을 움직이는데 필요한 외력을 얻기 위한 전류이고 제2항은 부의 스프링정수에 의하여 일어나는 불안정한 힘을 상쇄하는데 필요한 전류이다.

결국(3)식 우변 제1항과 같은 불안정한 요소가 존재하므로서 제어전류는 목적하는 제어에 필요한 값이상의 전류를 필요로 하게 된다.

특히(4)식의 우변 제1항으로 표시는 전류치가 크고 전자석의 허용최대 주파수 부에서 제어하지 않으면 안될 경우에는 제2항의 전류치와 진폭(i_a)이 증가하며, 또한 가동판은 강성이 더 커져야 할 필요가 있다. 즉(3)식에서 나타낸 제어계는 불안정하므로 위치의 피드백등을 행하여 안정한계를 구성할 필요가 있으나, 이 경우 가동판의 정강성(靜剛性)은 위치의 피드백게인(f_l)에 의하여 정해지고

에 의하여 얻어진다.

(5) 식에 의하여 전자석이 갖는 부의 강성(부의 스프링정수)을 상쇄할 만한 여분의 게인(이득)이 필요하고 그 만큼 전류를 여분으로 흘리지 않으면 안되게 된다. 이와같이 전자흡인력을 사용한 제어계를 피드백에 의하여 안정화 하고저 하면 불안정한 요소를 상쇄하기 위해 전류를 여분으로 흘리게되고, 이것이 성능을 저하시키게 되고 또한 안정한 제어계를 구성하는 것이 선결문제로 되기 때문에 제어설계상에서도 제약이 있게된다.

제7도에서 스프링(25,26)을 부착하였다고 하면 이때의 가동판(12)의 운동방정식은

으로 표시된다. (3)식과 같은 선형근사화를 행하면

이때 (4) 식과 같이 제어전류의 진폭(i_a)을 구하면

이 된다. (8)식에서 우변 제2항이 0이 되도륵 스프링정수(k)를 정하게 되면 진폭(i_a)은 가동판(12)을 움직이는데 필요한 전류분 만큼으로 좋으며 전류량을 억제할 수 있게 된다.

그리고 이때(9)식으로 나타낸 정강성(靜剛性)의 식은

로 여분의 게인(이득)을 부여할 필요가 없게 된다.

스프링의 부가효과에 대하여 각 파라메타에 구체적인 값을 대입하고 비선형 모델에 의거한 시뮬레이션의 결과를 제10도, 제11도에 나타낸다. 제어계는 제9도의 교시와 같이 구성하고 목표입력은 r(t)=0.25 sin200πt(mm)로 하였다.

그리고 제9도에 있어서는 k는 변위와 전류간의 게인을 나타낸다.

이 요소에 포함되는 정전류(正電流)앰프의 특성은 상기 시뮬레이션에서는 이상적으로 작용하는 것으로 가정한다.

제9도에 있어서의 각 파라메타의 값은 K=23000, K=5.5×10^-4Nm²/A², m=10kg, do=1.5mm, io=2.0A이다. 제10도 밋 제11도에 시뮬레이션의 결과를 표시한다. 제10도는 가동판의 위치결정을 나타낸 그래프이고, 제11도는 전자석(1)에 흐르는 전류와 시간의 관계를 나타내는 그래프이다. 양도면중 1은 스프링이 없을때의 결과를 2는 (8)식에서 정한 스프링정수를 가진 스프링을 부착한때의 결과를 각각 나타낸다. 목표입력은 r(t)=0.25sin 200πt(mm) 이고, 각 파라메타의 값은 1의 경우는 K₁=0.8, K₂=0.005, K=0 N/m이고, 2의 경우는 K₁=1, K₂=0.01, K=2.6×10⁶N/m이다. 양도면에서 명백한 바와 같이 어느 경우에도 적합하게 게인(이득) K_l,K₂를 적절히 정하면 1 및 2의 경우에 같은 정도의 정밀도로 위치결정이 행하여지나 이를 위하여 필요한 전류를 비교하면 스프링을 부착한 쪽이 약 40% 낮은 전류로 억제할 수 있음을 알수 있고 스프링의 효과가 있음을 알 수 있다.

이와같이 전자석에 의한 전자흡인력을 구동력으로 하는 위치결정 기구에 안정한 스프링을 부가하므로서 계에 존재하는 부의 스프링 정수를 상쇄하면 전자석에 흐르는 전류를 억제할 수가 있고, 제어특성을 개선할수가 있다. 제5도 및 제6도에 표시한 실시예는 이와같은 효과를 이용한 것이다. 그리고 이 방법은 단지 전류를 억제한다는 효과만이 아니라 안정된 보다 선형에 가까운 계를 구성하는 것이 되므로 선형제어의 적용이 쉬워지고 가동판(12)의 위치결정 정밀도의 향상을 도모할 수 있게 된다.

그리고 이 기구를 사용하여 가공동 일정한 외력을 외부로부터 받으면서 위치결정을 행하지 않으면 안되는 경우등 스프링에 의하여 사전에 그 외력에 저항할 수 있을 만한 힘을 여압으로 가동판에 부여하게 되면 전류의 제어는 오관의 영향을 받지 않고 행할 수 있게 되는 등의 효과를 달성할 수 있게 된다.

그리고 스프링의 사용시 진동방지 효과가 있다. 이 장치에서 작업물을 회전시킬 경우 로우터, 벨트 및 베어링등의 여러 요소에서 기계적 진동이 발생된다. 그 결과 가공되는 작업물의 정확도가 저하된다. 스프링의 공구를 지지하는데 사용하는 본 장치에 있어서, 발생된 진동이 감쇄되거나 흡수되어 정밀가동하는데 장점이 된다.

본 발명은 상기와 같이 구성되었으므로 종래의 형상가공 장치의 다음과 같은 문제를 제거한다. 즉 전자석에 의한 흡인력을 이용하는 간단한 구조때문에 응답속도가 높고 작업물을 고속으로 회전시켜서 고속절삭작업을 하고 기계의 사이클 타임을 감소시키머, 작업물의 임의의 형상을 가공하고, 작업물의 형상 변화를 쉽게 수용하며, 장시간 동안 높은 가공정밀도를 얻을 수 있다.

Claims (4)

1. 작업물을 설치하는 주축(10)에 대하여 직각으로 배치되고 그 일단에 공구가 부착되는 중심축(14)과, 이중심축(14)을 축방향으로는 변위가능하고 회전불가능하게 지지하는 저어널수단과, 상기 중심축(14)에 고착되는 가동판(12)과, 상기 가동판을 사이에 두고 이것과 소정의 간극을 두고 서로 대향배치되는 전자석(13a,13b)과 상기 주축의 회전각도 검출장치(4)와, 상기 중심축의 종방향 이동량을 검출하는 변위센서(16)와, 상기 중심축의 종방향 이동속도를 검출하는 속도센서(17)와, 상기 회전각검출장치, 변위센서 및 속도센서로부터의 출력신호에 의거하여 상기 전자석으로의 통전을 제어하는 장치들을 구성요소로 하는 공구진퇴장치(9)을 설치한 것을 특징으로 하는 비원형 절삭장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 중심축의 저어널수단이 중심부는 중심축에 고착되고 주변부는 적합한 홀더(23)를 통해서 설치대(11)에 고정되는 판스프링(22)을 구비한 것을 특징으로 하는 비원형 절삭장치.
3. 제2항에 있어서 상기 판스프링(22)이 십자형 판스프링인 것이 특징인 비원형 절삭장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 중심축의 저어널수단이 중심축(14)을 축방향으로만 이동자유롭게 지지하는 롤스플라인(19)과, 중심축(14)과 설치대(11)의 사이에 중심축의 축방향에 연하는 스프링력을 부여하도록 상기중심축(14)과 동축으로 설치되는 코일스프링을 구비한 것을 특징으로 하는 비원형 절삭장치.

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