KR20140103370A

KR20140103370A - 공작기계 주축 회전정밀도 측정장치

Info

Publication number: KR20140103370A
Application number: KR1020130016240A
Authority: KR
Inventors: 이은상; 최승건; 김성현
Original assignee: 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2013-02-15
Filing date: 2013-02-15
Publication date: 2014-08-27

Abstract

본 발명은 공작기계 주축 회전정밀도 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공작기계의 주축 척에 장착되어, 상기 주축이 회전함에 따라 회전되어 측정 대상물이되는 구형의 마스터볼과, 상기 마스터볼 주변의 X축 또는 Y축 선상에 배치되어, 고속 회전하는 상기 마스터볼의 변위를 측정하는 제1,제2측정수단과, 상기 공작기계에 설치되고, 상기 제1,제2측정수단이 각각 장착되는 제1,제2부재가 구비되는 지그본체와, 상기 제1,제2측정수단과 통신선으로 각각 연결되고, 상기 제1,제2측정수단에서 측정된 값을 토대로 주축의 회전 정밀도를 그래프 또는 임계수치로 출력하는 연산출력부를 포함해, 주축의 척에 장착되고, 고속회전하는 마스터볼의 주변에 레이저센서와 정전용량형 근접센서를 각각 함께 배치하여 서로의 단점이 보완된 더욱 정밀한 회전정밀도를 측정함으로써, 신뢰성 있는 주축 회전정밀도를 판정할 수 있는 공작기계 주축 회전정밀도 측정장치를 제공한다.

Description

공작기계 주축 회전정밀도 측정장치{Machine Tool Spindle precision measuring device}

본 발명은 공작기계 주축 회전정밀도 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공작기계의 주축에 마스터볼이 장착되고, 상기 주축이 회전함에 따라 회전하는 마스터볼의 변위를 레이저센서와, 정전용량형 근접센서로 측정하여 주축의 회전 정밀도를 측정하는 공작기계 주축 회전정밀도 측정장치에 관한 것이다.

공작기계는 일반적으로 주축을 회전시켜서 공작물을 가공하는 기계인데, 이 공작기계 주축의 회전정밀도는 최종 가공된 공작물의 진원도와 표면 거칠기에 절대적인 영향을 미친다.

따라서, 공작기계 주축의 회전정밀도 측정은 공작기계의 성능평가 측면에서 뿐만 아니라 최종 가공물의 형상을 예측하는 데에도 중요한 역할을 한다.

종래에, 공작기계 주축의 회전정밀도를 측정하기 위해서 다이알게이지를 이용한 측정방법이 있다.

다이알게이지의 촉침을 공작기계 주축의 표면에 밀착시킨 상태에서 주축을 손으로 또는 저속으로 회전시키면서 촉침의 떨림을 측정하여 주축의 회전정밀도를 판단하는 방법으로서, 측정이 쉽고 별도의 측정장비가 불필요하다는 장점이 있다.

그러나 이 방법에서는, 공작기계 주축과 다이알게이지 촉침간에 정확한 접촉을 이루기가 사실상 불가능하고, 다이알게이지의 측정 응답시간이 늦어 고속회전시의 회전정밀도를 측정할 수 없었고 측정데이타를 기록하기도 곤란한 문제점이 있다.

다시 말해서, 공작기계 주축의 저속회전시의 정적특성을 측정할 수는 있지만, 고속회전시 나타나는 주축 자체의 불균형에 의한 떨림, 구동부·동력전달부·주축 지지부 등의 결함으로 인한 떨림은 측정할 수 없다.

상기한 문제점을 해소하기 공개특허 제10-1998-044963호에서는 비접촉식 변위센서가 설치된 탐침과, 상기 탐침을 지지하는 지지대와, 상기 탐침으로 감지한 변위신호를 증폭하는 신호증폭기와, 상기 신호증폭기에서 증폭된 신호를 디지탈 신호로 변환하는 A/D변환기와, 상기 A/D변환기에서 나오는 디지탈 신호를 받아 데이터 처리하는 컴퓨터 및 상기 A/D변환기에서 나오는 신호를 영상으로 표시하는 오실로스코프로 구성된 공작기계 주축의 회전정밀도 측정장치를 제공하였다.

하지만 상기한 종래의 기술과 같이 탐침으로 주축의 회전정밀도를 측정할 경우 탐침이 측정 대상물에 접촉되어 있어, 공작기계가 구동할 시 미세하게 발생할 수 있는 진동 때문에 미세하게 정밀도 측정을 하는 데에 있어 신뢰성이 떨어지는 경향이 있다.

본 발명은 공작기계의 주축 회전 정밀도 측정장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 레이저 센서와 정전 용향형 센서를 복합적으로 이용하여 공작기계의 주축 회전 정밀도를 측정함으로써, 마스터볼이 주축에 고정되어 정전 용량형 센서와 레이저 센서를 통해 정확하게 자동으로 측정함으로써, 신뢰성 있는 데이터를 제공하는 공작 기계의 테이블 회전 정밀도 측정장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 공작기계 주축 회전정밀도 측정장치는 공작기계의 주축 척에 장착되어, 상기 주축이 회전함에 따라 회전되어 측정 대상물이되는 구형의 마스터볼과, 상기 마스터볼 주변의 X축 또는 Y축 선상에 배치되어, 고속 회전하는 상기 마스터볼의 변위를 측정하는 제1,제2측정수단과, 상기 공작기계에 설치되고, 상기 제1,제2측정수단이 각각 장착되는 제1,제2부재가 구비되는 지그본체와, 상기 제1,제2측정수단과 통신선으로 각각 연결되고, 상기 제1,제2측정수단에서 측정된 값을 토대로 주축의 회전 정밀도를 그래프 또는 임계수치로 출력하는 연산출력부를 포함한다.

이때 본 발명에 따른 상기 제1,제2측정수단은 상기 지그본체와 연결된 제1부재에 장착되어 상기 마스터볼 주변의 X축 또는 Y축 중 어느 한 축 선상에 배치되고, 조사되는 레이저가 상기 마스터볼에 의해 반사되어 돌아오는 시간값을 측정하여, 측정된 시간값을 실시간으로 출력하는 레이저센서와, 상기 지그본체와 연결된 제2부재에 장착되어 X축 또는 Y축 중 어느 한 축 선상에 배치되고, 상기 마스터볼과의 거리에 따라 정전용량 값을 측정하며, 측정된 정전용량 값을 실시간으로 출력하는 정전용량형 근접센서로 이루어진다.

본 발명에 따른 공작기계 주축 회전정밀도 측정장치는 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 주축의 척에 장착되고, 고속회전하는 마스터볼의 주변에 레이저센서와 정전용량형 근접센서를 각각 함께 배치하여 서로의 단점이 보완된 더욱 정밀한 회전정밀도를 측정함으로써, 신뢰성 있는 주축 회전정밀도를 판정할 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명에 따른 공작기계 주축 회전정밀도 측정장치의 구성을 보인 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 공작기계 주축 회전정밀도 측정장치의 실시예를 보인 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 측정된 주축의 반경방향값과 축방향값의 예시를 보인 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 공작기계 주축 회전정밀도 측정장치의 구성을 보인 예시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 공작기계 주축 회전정밀도 측정장치의 실시예를 보인 예시도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 측정된 주축의 반경방향값과 축방향값의 예시를 보인 그래프이다.

본 발명은 공작기계의 주축에 마스터볼이 장착되고, 상기 주축이 회전함에 따라 회전하는 마스터볼의 변위를 레이저센서와, 정전용량형 근접센서로 측정하여 주축의 회전 정밀도를 측정하는 공작기계 주축 회전정밀도 측정장치에 관한 것으로, 도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

본 발명에 따른 공작기계 주축 회전정밀도 측정장치는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 마스터볼(10), 측정수단(20a,20b)인 레이저센서(21a)와 정전용량형 근접센서(21b), 지그본체(30), 연산출력부(40)로 구성된다.

먼저 공작기계의 주축의 회전정밀도는 공작물의 가공정밀도에 직접적인 영향을 미치며, 상기 주축의 회전정밀도를 구하기 위하여 상기 주축에 마스터볼(10)을 장착하는데, 상기 마스터볼(10)은 구형으로 측정 대상물로서 공작기계의 주축 척에 장착되어, 상기 주축이 회전함에 따라 회전된다.

그리고 상기 마스터볼(10)의 주변에는 제1,제2측정수단(20a,20b)이 배치되어, 고속 회전하는 상기 마스터볼(10)의 변위를 측정한다.

이때 상기 제1,제2측정수단(20a,20b)은 상기 마스터볼(10)의 주변 X축, Y축 선상에 배치되는 것이 바람직하나, 선택적으로 Z축에도 배치하여 측정할 수도 있다.

그리고 측정하고자 하는 대상물(마스터볼:10)과 제1,제2측정수단(20a,20b)의 교정(캘리브레이션, Calibration)이 반드시 이행되어야 한다.

또한 상기 제1,제2측정수단(20a,20b)은 레이저센서(21a)와 정전용량형 근접센서(21b)로 구성된다.

그리고 상기 지그본체(30)는 상기 제1,제2측정수단(20a,20b)이 각각 장착되는 제1,제2부재(31a,31b)가 구비되어 상기 공작기계에 설치된다.

이때 상기 지그본체(30)는 상기 공작기계가 구동하여 주축이 회전하여도 유동하지 않도록 상기 공작기계의 몸체에 고정되는 것이 바람직하고, 상기 제1,제2측정수단(20a,20b)이 장착되는 상기 제1,제2부재(31a,31b)는 상기 지그본체(30)와 연결되어, 장착되는 상기 제1,제2측정수단(20a,20b)이 배치된 위치에서 유동하지 않도록 지지한다.

따라서 상기 제1,제2부재(31a,31b)는 배치가 용이하도록 상기 지그본체(30)에서 연장 돌출되는 블록으로 형성되거나, 다관절의 지지대로 구성될 수 있다.

그리고 상기한 제1,제2측정수단(20a,20b)으로 구성되는 레이저센서(21a)와 정전용량형 근접센서(21b)를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

상기 레이저센서(21a)는 조사되는 레이저가 반사되어 돌아오는 시간값을 측정하는 것으로, 상기 지그본체(30)와 연결된 상기 제1부재(31a)에 장착되어, 선택적으로 상기 마스터볼(10) 주변의 X축 또는 Y축 중 어느 한 축 선상에 배치된다.

따라서 상기 레이저센서(21a)는 조사되는 레이저가 측정 대상물인 상기 마스터볼(10)에 의해 반사되어 돌아오는 시간값을 측정하여, 상기 마스터볼(10)의 변위를 측정해 실시간으로 그 측정값을 출력한다.

하지만 상기 레이저센서(21a)는 주위 환경에 따라 난반사가 일어날 수 있다는 단점이 있다.

그리고 상기 정전용량형 근접센서(21b)는 2개의 전극판 사이의 정전용량이 극판 간의 거리에 따라 변화하는 정전용량 값을 측정하는 것으로, 상기 지그본체(30)와 연결된 상기 제2부재(31b)에 장착되어, 선택적으로 상기 마스터볼(10) 주변의 X축 또는 Y축 중 어느 한 축 선상에 배치된다.

따라서 상기 정전용량형 근접센서(21b)는 측정 대상물인 상기 마스터볼과의 간극 변화에 따라 변화하는 정전용량 값을 측정하여, 상기 마스터볼(10)의 변위를 측정해 실시간으로 그 측정값을 출력한다.

하지만 상기 정전용량형 근접센서(21b)는 공기를 매개로 하는 정전용량형 근접센서(21b)는 틈새가 40㎛이내로 들어가면 두 면이 전기적으로 통해버려 정전용량이 형성되지 못하고, 출력임피던스가 높으며, 부유용량의 영향을 받기 쉬운 것의 단점을 들 수 있다.

여기서 부유용량이란 코일과 같이 전선이 다수 평행하게 존재할 때 그들 사이에 가지고 있는 정전용량을 말한다.

따라서 본 발명에 따른 공작기계 주축 회전정밀도 측정장치는 상기 레이저센서(21a)와 정전용량형 근접센서(21b)를 복합적으로 구성하여 상기 레이저센서(21a)와 정전용량형 근접센서(21b) 서로 간의 단점을 보안해 매우 정밀한 주축 회전정밀도를 측정한다.

상기한 레이저센서(21a)와 정전용량형 근접센서(21b)에서 나온 측정값(데이터)은 연산출력부(40)로 출력된다.

상기 연산출력부(40)는 상기 제1,제2측정수단(20a,20b)인 상기 레이저센서(21a)와 정전용량형 근접센서(21b)과 통신선으로 각각 연결되고, 상기 제1,제2측정수단(20a,20b)에서 측정된 값을 토대로 Matlab등 프로그램을 이용하여 평균값을 측정해 상기 주축의 회전정밀도를 그래프 또는 임계수치로 출력한다.

따라서 본 발명의 요지는 측정 대상물인 마스터볼(10)의 주변에 서로의 단점을 보완하는 레이저센서(21a)와 정전용량형 근접센서(21b)를 함께 X축 선상과 Y축 선상에 각각 배치하여, 고속 회전하는 상기 마스터볼(10)의 변위를 측정해 상기 주축의 회전정밀도를 판단하는 것이라 할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 마스터볼
20a,20b: 측정수단
21a: 레이저센서
21b: 정전용량형 근접센서
30: 지그본체
40: 연산출력부

Claims

공작기계의 주축 척에 장착되어, 상기 주축이 회전함에 따라 회전되어 측정 대상물이 되는 구형의 마스터볼;
상기 마스터볼 주변의 X축 또는 Y축 선상에 배치되어, 고속 회전하는 상기 마스터볼의 변위를 측정하는 제1,제2측정수단;
상기 공작기계에 설치되고, 상기 제1,제2측정수단이 각각 장착되는 제1,제2부재가 구비되는 지그본체;
상기 제1,제2측정수단과 통신선으로 각각 연결되고, 상기 제1,제2측정수단에서 측정된 값을 토대로 주축의 회전 정밀도를 그래프 또는 임계수치로 출력하는 연산출력부를 포함하는 공작기계 주축 회전정밀도 측정장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1,제2측정수단은
상기 지그본체와 연결된 제1부재에 장착되어 상기 마스터볼 주변의 X축 또는 Y축 중 어느 한 축 선상에 배치되고, 조사되는 레이저가 상기 마스터볼에 의해 반사되어 돌아오는 시간값을 측정하여, 측정된 시간값을 실시간으로 출력하는 레이저센서;
상기 지그본체와 연결된 제2부재에 장착되어 상기 마스터볼() 주변의 X축 또는 Y축 중 어느 한 축 선상에 배치되고, 상기 마스터볼과의 거리에 따라 정전용량 값을 측정하며, 측정된 정전용량 값을 실시간으로 출력하는 정전용량형 근접센서로 이루어지는 공작기계 주축 회전정밀도 측정장치.