KR20170141092A - 틸팅 헤드용 회전중심 보정장치 - Google Patents

Abstract

틸팅헤드용 회전중심 보정장치를 개시한다. 회전중심 보정장치는 공작기계에 내장되어 필요에 따라 가공영역으로 돌출하는 공구옵셋 측정장치, 공구옵셋 측정장치와 접촉하는 구형 접촉부를 구비하고 회전 스핀들에 결합되는 공구옵셋 어태치먼트, 회전 스핀들의 서로 다른 제1 및 제2 회전위치에서 각각 회전 스핀들에 장착되는 공구 선단부의 위치오차를 나타내는 제1 및 제2 공구옵셋(tool offset)을 검출하는 검출부 및 제1 공구옵셋을 제2 회전위치로 회전 변환시켜 변환옵셋을 생성하고 제2 공구옵셋과 변환옵셋의 차이로부터 회전 스핀들의 회전중심에 관한 위치오차인 오차벡터를 수득하는 연산부를 포함한다. 회전 스핀들의 회전중심에 대한 보정위치를 자동으로 검출하고 보정할 수 있다.

Description

틸팅 헤드용 회전중심 보정장치{P0SITION REGULATOR FOR A CENTRAL POSITION OF A TILTING HEAD IN A MACHINING CENTER}

본 발명은 틸팅헤드용 회전중심 보정장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 공작기계용 틸팅헤드의 회전중심을 자동으로 보정하는 틸팅헤드용 회전중심 보정장치에 관한 것이다.

최근 자동차, 조선 및 항공산업의 발전에 따라 복잡한 형상을 가진 가공품에대한 요구가 증가하면서 수치제어 장치를 이용한 공작기계에 의해 한 번에 복잡한 형상을 가진 대형/소형 가공품을 가공하는 기술이 발전하고 있다. 상기 수치제어 공작기계는 x축 및 y축 방향으로 이동가능하고 자체의 축을 중심으로 회전 가능한 틸팅 헤드(tilting head)에 공구를 장착하고, z축 방향을 따라 이동가능하고 자체 회전이 가능한 테이블에 고정된 공작물을 가공함으로써 단일한 공작기계로 복잡한 형상을 가공할 수 있다.

일반적으로 수치제어 공작기계는 공작물에 대한 가공을 수행하기 전에 수치제어기에 의해 연산된 공구의 연산위치와 공작기계의 작업영역 내에 위치하는 공구의 물리적 위치인 실제위치를 일치시키기 위한 보정작업을 수행한다.

공작기계의 테이블과 스핀들 헤드 및 스핀들 헤드를 고정하는 칼럼과 같은 구성요소는 자체의 조립오차 및 온도나 구동연한에 따른 장비오차 또는 공작물을 테이블에 설치하고 공구를 스핀들 헤드에 설치하는 과정에서 수반되는 설치오차와 같은 다양한 오차유발 요인에 의해 수치 제어기가 인식하는 좌표계의 원점과 공작기계의 실제 좌표계의 원점이 어긋나게 된다.

이에 따라, 공작기계 자체에 구비된 공구 옵셋(too offset) 측정장치를 이용하여 공구 선단부에서 발생하는 위치오차를 검출하여 수치 제어기의 좌표계 원점을 실제 좌표계와 일치하도록 보정작업을 수행하게 된다. 보정된 좌표계를 기준으로 공구 선단의 위치를 연산하는 경우, 연산위치와 공구의 실제위치는 정확하게 일치하여 공구와 가공물의 간섭을 방지하게 된다.

그러나, 스핀들 헤드 자체가 회전하는 경우에는 좌표계의 원점편차와 독립적으로 틸팅헤드의 회전중심에 관한 오차가 추가적으로 발생하게 된다. 틸팅헤드의 스핀들은 자체의 회전축을 중심으로 회전하는 구동부를 구비하고 있으므로, 좌표계의 원점보정이 수행된 경우에도 상기 구동부 자체의 오차유발 요인에 의해 수치제어기에 의해 인식되는 설계단계의 회전중심(이하, 이론중심)과 실제 스핀들 헤드의 회전중심(이하, 실제중심)가 불일치하여 중심오차가 발생하게 된다.

틸팅 헤드의 회전 중심위치가 변동되면, 동일한 회전각에 대해서도 공구 끝단에서의 공구위치는 상이하게 되어 좌표계의 원점보정만으로는 부족하고 틸팅헤드의 회전으로 인한 공구 옵셋은 여전히 보정되어야 한다.

상기와 같은 틸팅헤드의 이론중심과 실제중심의 차이를 보정하기 위해 구형타입의 측정 치구와 계측장치로 구성되는 중심오차 검출기를 상기 공구 옵셋측정 장치와는 별개로 공작기계의 테이블 상에 설치하여 수동으로 이론중심과 실제중심 사이의 편차를 검출하고 있다.

그러나, 별도의 중심오차 검출기는 공구 옵셋 장치와 별도로 수동으로 설치하고 제거하는 과정에서 시간과 비용이 증가할 뿐 아니라 수동조작에 의해 중심오차를 검출함으로써 측정의 정확도와 자동화에 장애요인이 되고 있다.

이에 따라, 틸팅헤드의 회전중심에 관한 중심오차를 자동으로 검출하여 보정할 수 있는 수단이 요구된다.

본 발명의 목적은 공구 옵셋장치를 이용하여 틸팅헤드의 회전중심에 관한 중심오차를 자동으로 검출하여 보정할 수 있는 틸팅헤드용 회전중심 보정장치를 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 틸팅헤드 회전중심 보정장치는 공작기계에 내장되어 필요에 따라 가공영역으로 돌출하는 공구옵셋 측정장치, 상기 공구옵셋 측정장치와 접촉하는 구형 접촉부를 구비하고 회전 스핀들에 결합되는 공구옵셋 어태치먼트, 상기 회전 스핀들의 서로 다른 제1 및 제2 회전위치에서 각각 상기 회전 스핀들에 장착되는 공구 선단부의 위치오차를 나타내는 제1 및 제2 공구옵셋(tool offset)을 검출하는 검출부 및 상기 제1 공구옵셋을 상기 제2 회전위치로 회전 변환시켜 변환옵셋을 생성하고 상기 제2 공구옵셋과 상기 변환옵셋의 차이로부터 상기 회전 스핀들의 회전중심에 관한 위치오차인 오차벡터를 수득하는 연산부를 포함한다.

일실시예로서, 상기 공작기계는 상기 공구옵셋 측정장치로부터 검출된 공구옵셋에 의해 보정된 보정 좌표계를 구비하고, 상기 제1 및 제2 공구옵셋은 상기 보정 좌표계에서 상기 구형 접촉부와 상기 공구옵셋 측정장치의 접촉에 의해 수득된다.

일실시예로서, 상기 연산부는 상기 오차벡터가 포함된 상기 회전 스핀들의 실제 회전중심을 중심으로 상기 제1 및 제2 공구옵셋 사이에서 회전 변환을 수행하는 제1 변환유닛, 상기 오차벡터를 구비하지 않는 상기 회전 스핀들의 이론 회전중심을 중심으로 상기 제1 공구옵셋에 대해 회전 변환을 수행하여 상기 변환옵셋을 생성하는 제2 변환유닛 및 상기 제2 공구옵셋과 상기 변환옵셋을 아래의 식(1)에 따라 처리하여 상기 오차벡터를 연산하는 보정함수 유닛을 포함한다.

--- (1)

식(1)에서, (x1, z1) 및 (x2, z2)은 상기 공작기계의 x-z 평면 상에서 제1 회전각(θ₁) 및 제2 회전각(θ₂)을 갖는 상기 제1 및 제2 회전위치에서 각각 검출된 상기 제1 공구옵셋 및 제2 공구옵셋을 나타내며, (xc, zc)은 상기 제1 공구옵셋이 회전변환에 의해 생성된 변환옵셋을 나타낸다.

일실시예로서, 상기 제1 공구옵셋은 상기 회전옵셋 어태치먼트가 상기 공작기계의 테이블에 대하여 평행하게 배치되어 상기 제1 회전각(θ₁)이 0˚상태에서 검출된 수평옵셋을 포함하고, 상기 제2 공구옵셋은 상기 회전옵셋 어태치먼트가 상기 테이블에 대하여 수직하게 배치되어 상기 제2 회전각(θ₂)이 90˚인 상태에서 검출된 수직옵셋을 포함한다.

일실시예로서, 상기 변환옵셋은 식(2)와 같이 연산되어 상기 오차벡터는 식(3)과 같이 수득된다.

---- (2)

----- (3)

일실시예로서, 상기 오차벡터를 상쇄하도록 상기 회전 스핀들을 구동하여 상기 회전 스핀들의 실제 회전중심을 설계상의 회전중심인 이론 회전중심과 일치시키는 구동부를 더 포함한다.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 틸팅헤드 중심위치 보정장치는 공작기계의 좌표계 보정을 위한 공구옵셋 측정장치와 공구옵셋 어태치먼트를 이용하여 제1 및 제2 회전위치에서의 공구옵셋을 검출하고 검출된 공구옵셋을 회전 스핀들의 회전중심에 관한 오차벡터를 검출하기 위한 알고리즘의 기본 데이터로 이용할 수 있다. 이에 따라, 회전중심 보정장치의 알고리즘에 따라 자동으로 오차벡터를 검출하고 검출된 오차벡터를 회전 스핀들에 반영하여 보정함으로써 스핀들 중심오차를 보정할 수 있다.

따라서, 스핀들 회전중심의 중심오차를 검출하기 위한 별도의 장비나 복잡한 검출과정 없이 정확하게 중심오차를 보정함으로써 공작기계의 가공 정밀도와 생산성을 현저하게 높일 수 있다. 특히, 회전 스핀들에 대한 중심오차가 필요한 경우 상기 공구옵셋 어태치먼트를 자동 공구 교환기(ATC)로부터 자동으로 틸팅헤드에 장착하고 이미 설치된 공구옵셋 측정 장치를 통하여 공구옵셋만 측정함으로써 중심오차 검출과 스핀들에 대한 보정을 모두 자동화 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 틸팅헤드 중심위치 보정장치를 나타내는 구성도이다.
도 2a는 도 1에 도시된 회전 스핀들이 회전한 경우의 이론중심과 실제중심 사이의 중심오차를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2b는 도 1에 도시된 회전 스핀들의 중심오차로 인한 공구옵셋의 변화를 나타내는 도면이다.
도 3a 내지 도 3d는 도 1에 도시된 회전 스핀들이 90로 회전하는 경우 오차벡터를 검출하는 과정을 나타내는 도면들이다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에" 와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는" 과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 출원에서 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 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 틸팅헤드 중심위치 보정장치를 나타내는 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 틸팅헤드용 중심위치 보정장치(500)는 수치제어 공작기계의 장치부(H)에 구비된 회전 스핀들(S)에 장착되고 공작기계에 구비된 공구옵셋 측정장치(TO)와 접촉하는 구형 접촉부(120)를 구비하는 공구옵셋 어태치먼트(100)와 상기 회전 스핀들(S)에 장착되는 공구 선단부의 위치오차인 공구옵셋을 검출하여 스핀들 회전중심의 중심오차를 수득하여 보정하는 제어부(C)로 구성된다.

상기 공구옵셋 어태치먼트(100)는 수치제어 공작기계의 틸팅 헤드와 같이 자체의 회전축을 중심으로 회전하는 회전 스핀들(S)에 고정되는 몸체(110)와 상기 몸체(110)에 고정되는 구형 접촉부(120)로 구성된다.

예를 들면, 상기 공구옵셋 어태치먼트(100)는 툴 박스에 다른 공구와 함께 정렬되어 자동 공구 교환기(automatic tool changer, ATC)에 의해 상기 스핀들(S)에 결합될 수 있다. 상기 회전 스핀들의 회전중심에 관한 위치보정이 필요한 경우 상기 공구옵셋 어태치먼트(100)는 자동 공구 교환기를 통하여 호출되어 스핀들(S)에 자동으로 장착될 수 있다.

스핀들(S)에 고정되는 몸체(110)의 단부에는 상기 공구옵셋을 검출하기 위한 접촉부(120)가 구비된다. 상기 접촉부(120)는 구형 볼(ball)로 형성되어 상기 몸체(110)가 고정된 스핀들(S)의 회전과 무관하게 접촉부(120)와 공구옵셋 측정장치(TO) 사이의 접촉거리를 일정하게 유지할 수 있다. 즉, 상기 스핀들(S) 회전각의 크기에 따라 상기 접촉부(120)와 공구옵셋 측정장치(TO) 사이의접촉 포인트는 달라지더라도 그 사이의 이격 거리는 접촉부(120)를 구성하는 구형 볼의 반경에 대응하므로 항상 일정하게 유지된다. 이에 따라, 상기 회전 스핀들(S)의 회전각과 독립적으로 공구 선단의 위치오차인 공구옵셋(offset)을 검출할 수 있다.

예를 들면, 상기 틸팅 헤드는 수치제어에 의해 자동으로 구동되는 수치제어 공작기계에 구비되며 테이블 상에 고정된 공작물은 틸팅 헤드에 고정되는 공구에 의해 다축 방향으로 가공된다. 이에 따라, 틸팅 헤드에 장착된 공구는 베드의 길이(z), 폭(y) 및 높이(x) 방향을 따라 이동하면서 가공할 뿐만 아니라 틸팅 헤드를 구성하는 회전스핀들의 회전에 따라 공작물에 대하여 일정한 기울기로 기울어진 상태에서 가공할 수도 있다.

이때, 수치 제어기가 인식하는 좌표계의 원점과 상기 공작기계의 실제 좌표계의 원점 사이의 위치오차를 검출하여 보정하는 좌표계 보정이 공작물에 대한 가공 전에 먼저 수행되어 공구와 공작물 사이의 간섭을 방지한다.

본 실시예의 경우, 상기 좌표계 보정은 상기 회전 스핀들(S)에 고정되는 공구의 선단부에 대한 위치오차인 공구옵셋을 자동으로 검출하고 검출된 공구옵셋을 상쇄하도록 좌표계의 원점을 재설정함으로써 수행된다.

예를 들면, 상기 공구옵셋은 상기 공작기계(미도시)의 몸체(B)에 구비된 공구옵셋 측정장치(TO)에 의해 자동으로 검출될 수 있다. 자체적으로 안내면(guiding surface)을 갖는 상기 공구옵셋 측정장치(TO)는 구동 실린더를 구비하여 공구에 대한 공구옵셋 측정이 필요한 경우에만 베드의 가공영역 내부로 돌출하고 측정이 완료되면 상기 몸체(B)의 내부로 매립되는 구조를 갖는다.

특히, 상기 공구옵셋 측정장치(TO)에는 공구옵셋 검출용 헤드 센서(미도시)가 배치되고 상기 헤드센서와 공구가 접촉하는 경우에는 접촉점의 좌표가 상기 수치 제어기로 전송되어 상기 공구 선단부의 위치보정 데이터로 제공된다.

상기 공구옵셋 측정장치(TO)로부터 검출된 공구옵셋을 이용하여 상기 공작기계의 좌표계 원점을 보정한 후, 상기 제어부(C)는 좌표계 원점보정을 위한 공구옵셋을 검출한 상기 공구옵셋 측정장치(TO)를 이용하여 회전 스핀들(S)의 이론중심과 실제중심 사이의 오차인 중심오차도 자동으로 검출한다.

일실시예로서, 상기 제어부(C)는 상기 회전 스핀들(S)의 서로 다른 제1 및 제2 회전위치에서각각 상기 회전 스핀들(S)에 장착되는 공구 선단부의 위치오차인 제1 및 제2 공구옵셋(tool offset)을 검출하는 검출부(200), 상기 제1 공구옵셋을 상기 제2 위치로 회전 변환시켜 변환옵셋을 생성하고 상기 제2 공구옵셋과 상기 변환옵셋의 차이를 상기 회전 스핀들의 회전중심에 관한 위치오차인 중심오차로 수득하는 연산부(300) 및 상기 중심오차를 상쇄하도록 상기 회전스핀들(S)을 구동하여 상기 회전 스핀들(S)의 실제중심을 이론중심과 일치시키는 구동부(400)를 구비한다.

상기 검출부(200)는 상기 수치 제어기의 조작패널(미도시)과 연결되어 상기 회전 스핀들(S)의 회전각(θ)을 저장하는 회전각 저장부(210), 스핀들 회전각(θ)에 따라상기 회전 스핀들(S)을 구동하는 스핀들 구동신호 및 상기 공구옵셋 측정장치(TO)를 구동하는 측정장치 구동신호를 생성하는 구동신호 생성기(220) 및 상기 공작기계의 몸체(B)로부터 개방된 상기 공구옵셋 측정장치(TO)의 헤드 센서와 연결되어 서로 다른 스핀들(S)의 회전각에 대하여 각각 검출된 공구옵셋을 저장하는 공구옵셋 저장부(230)를 구비한다.

상기 스핀들 회전각(θ)은 작업자에 의해 수동으로 입력되거나 상기 수치 제어기에 의해 자동으로 연산되어 전송될 수 있다. 입력되거나 전송된 스핀들 회전각(θ)은 상기 회전각 저장부(210)에 저장된다.

이때, 스핀들 회전중심의 위치오차는 스핀들(S)의 회전에 기인하므로, 상기 제1 및 제2 공구옵셋은 서로 다른 제1 및 제2 회전위치에서 각각 검출된다. 이에 따라, 상기 스핀들 회전각(θ)은 회전의 기준점인 제1 회전위치를 특정하는 제1 회전각(θ) 및 회전의 종료점인 제2 회전위치를 특정하는 제2 회전각(θ₂)으로 구분되어 상기 회전각 저장부(210)에 저장된다.

상기 구동신호 생성기(220)는 공구옵셋 검출신호에 따라 틸팅 헤드의 회전 스핀들(S) 및 구동옵셋 측정장치(TO)를 구동하여 공구옵셋 검출을 준비한다. 수치 제어기에 의해 상기 공구옵셋 어태치먼트(100)가 상기 회전 스핀들(S)에 장착되고 상기 스핀들 회전각(θ)이 설정되면 스핀들 구동신호 및 측정장치 구동신호가 상기 구동신호 생성기(220)에 의해 생성된다.

이에 따라, 상기 공구옵셋 어태치먼트(100)가 장착된 회전 스핀들(S)은 제1 회전각(θ₁)만큼 회전하여 제1 회전위치로 이동하고 상기 몸체(B)의 내부에 배치된 공구옵셋 측정장치(TO)는 베드의 가공영역으로 배출된다. 따라서, 상기 공구옵셋 어태치먼트(100)와 공구옵셋 측정장치(TO)가 모두 공작기계의 가공영역에 배치된다. 상기 스핀들 구동신호 및 상기 측정장치 구동신호는 작업자에 의해수동으로 입력되거나 수치 제어기에 의해 자동으로 전송될 수 있다.

본 실시예의 경우, 상기 스핀들 구동신호는 상기 회전 스핀들(S)을 상기 좌표계의 x-z 평면 상에서 회전하도록 구동한다. 그러나, 회전 스핀들(S)의 회전평면은 선택적이며 y-z 평면 상에서 회전하도록 회전 스핀들(S)을 구동할 수 있음은 자명하다. 상기 y-z 평면 상에서 회전하는 경우에도 후술하는 바와 동일한 과정에 의해 스핀들 회전중심에 대한 중심오차를 수득할 수 있다.

상기 가공영역에서 상기 공구옵셋 어태치먼트(100)의 접촉부(120)와 공구옵셋 측정장치(TO)를 접촉시켜 제1 공구옵셋을 검출하고 상기 공구옵셋 저장부(230)에 저장한다. 예를 들면, 상기 제1 회전위치에서 상기 구형 접촉부(120)는 x축 및 z축과 수직한 접촉면에 배치된 헤드센서와 각각 접촉하여 x축 및 z축 성분을 구비하는 제1 공구옵셋(x₁, z₁)을 검출한다. 본 실시예의 경우, 상기 접촉부(120)의 접촉 볼과 공구옵셋 측정장치(TO)의 접촉면이 접촉하는 순간의 접촉좌표가 상기 헤드센서를 통하여 검출되고 상기 접촉좌표는 각각 x축 및 z축 방향의 옵셋좌표로 상기 제1 저장부(231)에 저장된다.

이어서, 상기 회전 스핀들(S)은 스핀들 구동신호에 의해 제1 회전각(θ₁)보다 큰 제2 회전각(θ₂)으로 회전하여 제2 회전위치로 더욱 회전한다. 제2 회전위치로의 회전이 완료되면, 상기 접촉부(120)와 공구옵셋 측정장치(TO)를 접촉시켜 제2 위치에서의 공구옵셋인 제2 공구옵셋을 검출하여 상기 제2 저장부(232)에 저장한다. 예를 들면, 상기 제2 회전위치에서 상기 구형 접촉부(120)는 x축 및 z축과 수직한 접촉면에 배치된 헤드센서와 각각 접촉하여 x축 및 z축 성분을 구비하는 제2 공구옵셋(x₂, z₂)을 검출한다.

이때, 상기 제1 및 제2 저장부(231,232)는 상기 회전각 저장부(210)와 개별적으로 연결되어 각 공구옵셋과 상기 스핀들 회전각(θ)이 태그로 연결될 수 있다.

도 2a는 도 1에 도시된 회전 스핀들이 회전한 경우의 이론중심과 실제중심 사이의 중심오차를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2b는 도 1에 도시된 회전 스핀들의 중심오차로 인한 공구옵셋의 변화를 나타내는 도면이다.

도 2a 및 2b를 참조하면, 좌표계의 원점 보정 후에도 회전 스핀들(S)을 회전시키는 경우 틸팅헤드 구조물의 자체 오차유발 요인에 의해 상기 회전 스핀들(S)의 회전중심은 이론중심 O(X,Y)로부터 오차벡터 E(α,β)만큼 천이되어 실제중심 O'(X+α,Y+β)에 위치하게 된다.

이에 따라, 상기 회전 스핀들(S)에 공구옵셋 어태치먼트(100)를 장착하고 회전 스핀들(S)의 회전 전후의 위치에서 공구옵셋을 측정하면, 상기 회전각의 크기 Δθ와 오차벡터 E(α,β)에 따라 공구옵셋의 크기가 달라진다.

상기 회전 스핀들(S)의 회전중심이 이론중심 O(X,Y)에 위치하는 경우를 회전 시작점으로 설정하고 실제중심 O'(X+α,Y+β)에 위치하는 경우를 회전 종료점으로 설정하는 경우, 상기 회전 스핀들(S)은 임의의 기준위치로부터 제1 회전각(θ₁)만큼 회전하여 상기 이론중심 O(X,Y)에 회전중심을 갖는 제1 회전위치로부터 상기 기준위치로부터 제2 회전각(θ₂)만큼 회전하여 상기 실제중심 O'(X+α,Y+β)에 회전중심을 갖는 제2 회전위치로 회전하는 것으로 모델링 할 수 있다.

따라서, 회전 스핀들(S)이 상기 제1 회전위치에 위치하는 경우 상기 공구옵셋은 제1 공구옵셋 T₁(x₁, z₁)로 검출되고 상기 제2 회전위치에 위치하는 경우 상기 공구옵셋은 제2 공구옵셋 T₂(x₂, z₂)로 검출된다. 상기 틸팅헤드 구조물 자체의 장비오차가 발생하지 않는 경우에는 제1 및 제2 회전위치와 무관하게 제1 및 제2 공구옵셋은 동일한 값으로 검출될 것이다. 그러나, 실제로는 틸팅헤드 구조물의 고유한 장비오차에 의해 상기 회전 스핀들(S)의 이론위치와 실제위치는 상이하므로, 회전에 의해 공구옵셋은 서로 달라진다.

상기 연산부(300)는 상기 제1 공구옵셋 T₁(x₁, z₁)을 상기 제2 회전위치로 회전 변환시켜 변환옵셋을 생성하고 상기 제2 공구옵셋 T₂(x₂, z₂)와 상기 변환옵셋의 차이로부터 상기 회전 스핀들(S)의 회전중심에 관한 위치오차인 오차벡터를 수득한다.

예를 들면, 상기 연산부(300)는 실제중심을 중심으로 상기 제1 및 제2 공구옵셋(T₁, T₂) 사이에서 회전 변환을 수행하는 제1 변환유닛(310), 상기 이론중심을 중심으로 상기 제1 공구옵셋(T₁)에 대해 회전 변환을 수행하여 상기 변환옵셋을 생성하는 제2 변환유닛(320) 및 상기 제2 공구옵셋과 상기 변환옵셋으로부터 상기 오차벡터를 연산하는 보정함수 유닛(330)을 구비한다.

상기 제1 변환유닛(310)은 회전변환에 의해 검출된 제1 및 제2 공구옵셋(T₁, T₂) 사이의 관계를 수득한다. 상기 회전 스핀들(S)이 제1 회전각(θ₁)을 갖는 제1 회전위치로부터 제2 회전각(θ₂)을 갖는 제2 회전위치까지 실제중심 O'(X+α,Y+β)을 중심으로 시계방향으로 회전하는 동안 공구선단의 위치는 제1 공구옵셋(T₁)으로부터 제2 공구옵셋(T₂)으로 이동한다.

따라서, 상기 제1 및 제2 공구옵셋 (T₁, T₂)은 회전변환에 의해 식(1) 및 식(2)를 만족한다.

--- (1)

(단,

).

상기 회전 스핀들(S)의 시계방향으로의 회전에 따른 회전변환 행렬을 R이라 하면,

로 표시된다.

---- (2)

상기 제2 변환유닛(320)은 상기 회전 스핀들(S)의 이론중심을 중심으로 상기 제1 공구옵셋(T₁)이 제1 회전위치로부터 제2 회전위치로 이동하는 경우 생성되는 가상의 공구옵셋을 변환옵셋으로 생성한다. 따라서, 상기 변환옵셋은 상기 틸팅헤드 구조물의 장비오차가 없어서 상기 이론중심과 실제중심이 일치한다고 가정하는 경우, 회전 스핀들(S)의 회전에 의해 상기 제1 공구옵셋(T₁)이 변환되는 위치를 나타낸다.

따라서, 상기 제2 변환유닛(320)에 의해 제1 공구옵셋(T₁)의 변환옵셋 T_c(x_c,z_c)은 다음과 같이 수득된다.

------ (3)

상기 보정함수 유닛(330)은 상기 제2 공구옵셋(T₂)과 상기 변환옵셋(T_c)을 이용하여 상기 오차벡터 E(α,β)를 연산한다. 제1 공구옵셋(T₁)이 동일한 회전각만큼 회전하였음에도 불구하고, 이론중심(O)을 중심으로 회전한 경우에는 변환옵셋(T_c)으로 변환되고 실제위치(O')를 중심으로 회전한 경우에는 상기 제2 공구옵셋(T₂)으로 변환된다.

따라서, 상기 제2 공구옵셋(T₂)와 변환옵셋(T_c)의 차이는 상기 오차벡터 E(α,β)에 의한 회전변환 성분이 된다.

식(2) - 식(3)을 수행하면,

--- (4)

--- (5)

식(4) 및 식(5)에 의하면, 상기 오차벡터 E(α,β)는 회전 스핀들(S)의 이론중심(O) 좌표와는 무관하게 회전각(θ)만의 함수로 주어진다. 따라서, 상기 공구옵셋 어태치먼트(100)에 의해 제1 및 제2 공구옵셋(T₁, T₂)을 검출하고 회전 스핀들의 회전각을 설정하면 상기 회전각에 대한 오차벡터를 자동으로 수득할 수 있다.

도 3a 내지 도 3d는 도 1에 도시된 회전 스핀들이 90˚로 회전하는 경우 오차벡터를 검출하는 과정을 나타내는 도면들이다. 도 3a 및 도 3b는 회전옵셋 어태치먼트(100)가 상기 공작기계의 테이블에 대해 평행하게 배치되어 상기 제1 회전각(θ₁)이 0˚ 상태에서 제1 공구옵셋(수평옵셋)을 검출하는 것을 나타내는 도면이고, 도 3c 및 도 3d는 회전옵셋 어태치먼트(100)가 상기 공작기계의 테이블에 대해 수직하게 배치되어 상기 제2 회전각(θ₂)이 반시계 방향으로 90˚ 회전한 상태에서 제2 공구옵셋(수직옵셋)을 검출하는 것을 나타내는 도면이다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 공구옵셋 어태치먼트(100)가 수평하게 배치된 제1 회전위치에서 상기 구형 접촉부(120)와 공구옵셋 측정장치(TO)의 x축 및 z축 헤드센서(H1, H2))와 각각 접촉시킨다. 이에 따라, 수평상태에서의 제1 공구옵셋인 T1(x1, z1)을 수평옵셋으로 검출한다. 상기 접촉부(120)의 접촉 볼과 공구옵셋 측정장치(TO)의 헤드센서(H1, H2)가 접촉하는 순간의 접촉좌표가 상기 헤드센서를 통하여 검출되고 상기 접촉좌표는 각각 x축 및 z축 방향의 수평옵셋 좌표로 상기 제1 저장부(231)에 저장된다.

이어서, 도 3c 및 도 3d에 도시된 바와 같이 상기 회전 스핀들(S)을 90˚(즉, -270˚) 회전시켜 제2 회전각(θ₂)을 갖는 제2 회전위치로 이동한다. 제2 회전위치로의 회전이 완료되면, 상기 접촉부(120)와 공구옵셋 측정장치(TO)를 접촉시켜 제2 회전위치에서의 공구옵셋인 제2 공구옵셋 T₂(x₂, z₂)을 수직옵셋으로 검출하여 상기 제2 저장부(232)에 저장한다. 예를 들면, 상기 제2 회전위치에서 상기 구형 접촉부(120)는 x축 및 z축과 헤드센서(H1, H2)와 각각 접촉하여 x축 및 z축 성분을 구비하는 제2 공구옵셋 T₂(x₂, z₂)을 검출한다.

상기 공구옵셋 측정장치(TO)의 좌표를 원점으로 가정하면, 상기 수평옵셋의변환옵셋은 식(3)에 의해 아래의 식(6)과 같이 수득된다.

----- (6)

따라서, 상기 오차벡터 E(α,β)는 식(5)에 의해 아래의 식(7)과같이 수득된다.

----- (7)

이에 따라, 회전 스핀들(S)의 중심오차를 검출하기 위한 별도의 장비 없이도 공작기계에 구비된 공구옵셋 측정장치(TO)를 이용하여 자동으로 정확하게 중심오차를 검출할 수 있다. 또한, 검출된 상기 오차벡터를 자동으로 회전 스핀들(S)에 반영함으로써 스핀들 회전오차의 검출과 보정을 자동으로 정확하게 수행할 수 있다.

상기 구동부(400)는 상기 오차벡터(E)를 상쇄하도록 회전 스핀들(S)을 구동하여 상기 회전 스핀들(S)의 실제중심을 이론중심과 일치시킨다. 좌표축에 대한 원점 보정을 먼저 수행한 경우 공작기계의 가공영역에서 구동하는 장비요소들의 상대적인 위치는 수치 제어기에 의해 특정된 상태이므로, 회전 스핀들 자체를 구동시켜 실제중심을 이론중심과 일치하도록 구동시킴으로써 상기 오차벡터(E)를 제거할 수 있다. 이에 따라, 회전 스핀들(S)의 회전중심도 공작기계의 좌표계 원점을 기준으로 일의적으로 특정할 수 있으므로 수치 제어기에 의해 연산된 공구 선단의 좌표가 스핀들(S)의 회전에 의해 편차가 발생하는 것을 방지한다.

본 실시예의 경우, 상기 구동부(400)는 회전중심 보정장치(500)의 구성요소로 별도로 제공되고 있지만, 상기 공작기계를 구동하는 수치 제어기의 구동요소를 포함할 수도 있음은 자명하다.

상기 틸팅 헤드가 고정되는 칼럼 구조물(미도시)의 방향인 높이방향을 x축 방향으로 잡고 공작물이 고정된 테이블의 이동방향을 z축 방향으로 설정하여 좌표축의 X-Z 평면 상에서의 이론 회전중심과 실제 회전중심 사이의 회전이동 관계를 예시적으로 개시하고 있지만, 테이블의 폭방향인 Y축 방향과 Z축 방향으로 한정되는 Y-Z 평면에 대해서도 상술한 바와 같은 동일한 과정으로 위치편차를 수득하여 보정할 수 있음은 자명하다.

상술한 바와 같은 틸팅헤드 중심위치 자동 보정장치는, 공작기계의 좌표계 보정을 위한 공구옵셋 측정장치와 공구옵셋 어태치먼트를 이용하여 제1 및 제2 회전위치에서의 공구옵셋을 검출하고 검출된 공구옵셋을 회전 스핀들의 회전중심에 관한 오차벡터를 검출하기 위한 알고리즘의 기본 데이터로 이용할 수 있다. 이에 따라, 회전중심 보정장치의 알고리즘에 따라 자동으로 오차벡터를 검출하고 검출된 오차벡터를 회전 스핀들에 반영하여 보정함으로써 스핀들 중심오차를 보정할 수 있다.

따라서, 스핀들 회전중심의 중심오차를 검출하기 위한 별도의 장비나 복잡한 검출과정 없이 정확하게 중심오차를 보정함으로써 공작기계의 가공 정밀도와 생산성을 현저하게 높일수 있다. 특히, 회전 스핀들에 대한 중심오차 필요한 경우 상기 공구옵셋 어태치먼트를 자동 공구 교환기(ATC)로부터 자동으로 틸팅헤드에 장착하고 이미 설치된 공구옵셋 측정장치를 통하여 공구옵셋만 측정함으로써 중심오차 검출과 스핀들에 대한 보정을 모두 자동화 할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (6)

1. 공작기계에 내장되어 필요에 따라 가공영역으로 돌출하는 공구옵셋 측정장치;
   상기 공구옵셋 측정장치와 접촉하는 구형 접촉부를 구비하고 회전 스핀들에 결합되는 공구옵셋 어태치먼트;
   상기 회전 스핀들의 서로 다른 제1 및 제2 회전위치에서 각각 상기 회전 스핀들에 장착되는 공구 선단부의 위치오차를 나타내는 제1 및 제2 공구옵셋(tool offset)을 검출하는 검출부; 및
   상기 제1 공구옵셋을 상기 제2 회전위치로 회전 변환시켜 변환옵셋을 생성하고 상기 제2 공구옵셋과 상기 변환옵셋의 차이로부터 상기 회전 스핀들의 회전중심에 관한 위치오차인 오차벡터를 수득하는 연산부를 포함하는 틸팅헤드용 회전중심 보정장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 공작기계는 상기 공구옵셋 측정장치로부터 검출된 공구옵셋에 의해 보정된 보정 좌표계를 구비하고, 상기 제1 및 제2 공구옵셋은 상기 보정 좌표계에서 상기 구형 접촉부와 상기 공구옵셋 측정장치의 접촉에 의해 수득되는 틸팅헤드용 회전중심 보정장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 연산부는 상기 오차벡터가 포함된 상기 회전 스핀들의 실제 회전중심을 중심으로 상기 제1 및 제2 공구옵셋 사이에서 회전 변환을 수행하는 제1 변환유닛, 상기 오차벡터를 구비하지 않는 상기 회전 스핀들의 이론 회전중심을 중심으로 상기 제1 공구옵셋에 대해 회전 변환을 수행하여 상기 변환옵셋을 생성하는 제2 변환유닛 및 상기 제2 공구옵셋과 상기 변환옵셋을 아래의 식(1)에 따라 처리하여 상기 오차벡터를 연산하는 보정함수 유닛을 포함하는 틸팅헤드용 회전중심 보정장치.
   

   

   --- (1)
   
   (단, (x₁, z₁) 및 (x₂, z₂)은 상기 공작기계의 x-z 평면상에서 제1 회전각(θ₁) 및 제2 회전각(θ₂)을 갖는 상기 제1 및 제2 회전위치에서 각각 검출된 상기 제1 공구옵셋 및 제2 공구옵셋을 나타내며, (x_c,z_c)는 상기 제1 공구옵셋이 회전변환에 의해 생성된 변환옵셋을 나타낸다.)
4. 제3항에 있어서, 상기 제1 공구옵셋은 상기 회전옵셋 어태치먼트가 상기 공작기계의 테이블에 대하여 평행하게 배치되어 상기 제1 회전각(θ₁)이 0˚ 상태에서 검출된 수평옵셋을 포함하고, 상기 제2 공구옵셋은 상기 회전옵셋 어태치먼트가 상기 테이블에 대하여 수직하게 배치되어 상기 제2 회전각(θ₂)이 90˚인 상태에서 검출된 수직옵셋을 포함하는 틸팅헤드용 회전중심 보정장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 변환옵셋은 식(2)와 같이 연산되어 상기 오차벡터는 식(3)과 같이 수득되는 틸팅헤드용 회전중심 보정장치.
   

   

   ---- (2)
   

   

   ----- (3)
6. 제1항에 있어서, 상기 오차벡터를 상쇄하도록 상기 회전 스핀들을 구동하여 상기 회전 스핀들의 실제 회전중심을 설계상의 회전중심인 이론 회전중심과 일치시키는 구동부를 더 포함하는 틸팅헤드용 회전중심 보정장치.

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