KR100283767B1 - Active Vibration Isolation Using Thermal Drive Mechanism - Google Patents

Abstract

본 발명은 열구동기구를 이용한 능동형 방진구에 관한 것이다.The present invention relates to an active vibration isolator using a thermal drive mechanism.

본 발명은 기존의 수동형 방진구의 기계적인 방진기능에 열전소자에 의한 전자가열, 냉각법으로 구동봉을 열팽창, 축소시켜 미소변위를 구동할 수 있는 열구동기구를 방진구에 내장시켜 공작물 조종에 이용함으로써, 원통 연삭 가공시 방진구의 세팅을 마이크로미터 오더에서 신속 정확하게 수행할 수 있고, 연삭기의 열변형에 따른 테이블 직선운동의 변화를 보상하여 공작물의 가공정밀도를 향상시킬 수 있다.The present invention utilizes the mechanical dustproof function of the conventional passive type dustproof device by thermal expansion and contraction of the driving rod by the electronic heating and cooling method by a thermoelectric element, and a thermal drive mechanism capable of driving a micro displacement in the dustproof port is used for controlling the work piece. By doing so, the setting of the anti-vibration port can be performed quickly and accurately in the micrometer order during cylindrical grinding, and the machining precision of the workpiece can be improved by compensating for the change in the linear motion of the table due to the thermal deformation of the grinding machine.

Description

열구동기구를 이용한 능동형 방진구Active Vibration Isolation Using Thermal Drive Mechanism

본 발명은 정밀 열구동기구를 내장한 능동형 방진구에 관한 것이다.The present invention relates to an active vibration isolation device incorporating a precision thermal drive mechanism.

근래 들어 제조산업의 생산현장에 있어서는 무인자동화 기술적용이 급속히 진행되고 있다. 특히 공작기계의 자동화, 무인화를 실현하기 위해서는 장시간에 걸쳐 안정된 상태를 요구하고있고, 이를 위해서는 공작기계 열변형의 극복이 무엇보다 중요한 과제이다. 생산현장에 있어서, 정밀한 부품의 최종형상가공을 담당하는 원통 연삭 가공시 길고 가는 공작물의 진동방지를 위하여 방진구를 사용하여 공작물을 지지하는데, 장시간에 걸쳐 가공되는 도중에 연삭열 및 기계내의 열원에 의한 공작기계의 열변형은 가공오차를 유발하게 되고 이로 인해 가공물의 품질을 저하시키는 문제점이 있다.In recent years, in the production field of the manufacturing industry, unmanned automation technology is rapidly progressing. In particular, in order to realize automation and unmanning of machine tools, a stable state is required for a long time, and for this, overcoming machine tool thermal deformation is an important task. In the production site, in order to prevent the vibration of long and thin workpieces during the cylindrical grinding process, which is responsible for the final shape processing of precise parts, the workpieces are supported using vibration isolation holes, which are caused by grinding heat and heat sources in the machine. Thermal deformation of the machine tool causes a machining error, thereby degrading the quality of the workpiece.

이와 같은 열변형은 장시간에 걸쳐서 수μm 단위로 연속적인 증감을 계속하기 때문에 이를 실시간으로 보상하기 위한 기구가 요구된다.Since such thermal deformation continues to increase and decrease in units of several micrometers over a long time, a mechanism for compensating it in real time is required.

종래 능동형 방진구에 사용되는 미소구동기구로는 유압실린더, 볼스크류와 정밀제어모터, 피에조 구동기구, 자왜 구동기구 등이 사용되어 왔다. 이러한 기구들은 위치결정 정도 및 제어의 용이성, 구동기구의 크기, 기구의 비용 등에서 문제점이 지적되고 있다.Conventionally, as a micro-drive mechanism used in an active vibration isolation mechanism, a hydraulic cylinder, a ball screw and a precision control motor, a piezo drive mechanism, a magnetostrictive drive mechanism, and the like have been used. These mechanisms have been pointed out in terms of positioning accuracy, ease of control, size of drive mechanism, and cost of the mechanism.

본 발명은 기존의 수동형 방진구의 기계적인 방진기능에 열전소자에 의한 전자가열, 냉각법으로 구동봉을 열팽창, 축소시켜 미소변위를 구동할 수 있는 열구동기구를 방진구에 내장하여 공작물 조종에 이용함으로써, 원통 연삭가공시 방진구의 세팅을 마이크로미터 오더에서 신속 정확하게 수행할 수 있고, 연삭기의 열변형에 따른 테이블 직선운동의 변화를 보상하여 공작물의 가공정밀도를 향상시킬 수 있도록 함을 기술적 과제로 삼는다.The present invention is a mechanical dustproof function of the existing passive type dustproof device by thermal heating and cooling by the thermoelectric element, the thermal drive mechanism that can drive the micro displacement by thermal expansion and contraction by using the cooling method, it is used to control the workpiece The technical problem is that the setting of the anti-vibration port can be performed quickly and accurately in the micrometer order during cylindrical grinding, and the machining precision of the workpiece can be improved by compensating for the change of the linear motion of the table due to the thermal deformation of the grinding machine. Do it.

도 1은 본 발명의 조립 구성도1 is an assembly configuration of the present invention

도 2는 본 발명의 제어회로 블럭도2 is a control circuit block diagram of the present invention.

도 3은 본 발명을 설명하기 위한 계단응답 특성도Figure 3 is a step response characteristic diagram for explaining the present invention

도 4는 본 발명의 열변형 오차의 보정결과 그래프4 is a graph of the correction result of the thermal deformation error of the present invention.

〈도면의 주요부분에 대한 부호설명〉<Code Description of Main Parts of Drawing>

1 : 연삭숫돌 2, 2' : 조 3 : 공작물1: Grinding Wheel 2, 2 ': Jaw 3: Workpiece

4 : 팁 6 : 구동봉 7 : 몸체4 tip 6 drive rod 7 body

8,8' :작동간 10, 10' : 밀핀 11 : 플랜지8,8 ': Between operation 10, 10': Mil pin 11: Flange

12 : 열전소자 13 : 방열핀 14 : 냉각팬12: thermoelectric element 13: heat dissipation fin 14: cooling fan

15 : 고정볼트 100 : 컴퓨터 101 : 전류앰프15: fixed bolt 100: computer 101: current amplifier

102 : 스위칭전력 공급장치 103 : 정전용량형 변위센서102: switching power supply 103: capacitive displacement sensor

본 발명은 1개 이상의 방진구를 연삭기의 테이블에 고정하고, 가늘고 긴 공작물을 지지하여 가공하는 정밀가공 연삭에 사용하는 방진구로서, 기존의 큰 변위를 조정할 수 있는 수동 방진구의 공작물지지 기능에 미소한 정밀위치 결정 기능이 가해진 능동형 방진구를 제공하는 것이다.The present invention is an anti-vibration tool which is used for precision machining grinding which fixes one or more anti-vibration spheres to a table of a grinding machine and supports and processes thin and long workpieces. It is to provide an active vibration isolator with minute precision positioning function.

즉, 본 발명은 시계방향으로 회전하는 연삭숫돌(1)과, 양 센터 및 상, 하 조(jaw)(2),(2')에 의해 지지되고 시계방향으로 회전하는 공작물(3)과, 상기 공작물(3)의 변형을 방지하기 위한 팁(4)과, 상기 팁(4)을 고정하는 너트(5) 등을 조립한 구동봉(6)과, 몸체(7)에 핀(1')을 지점으로 움직이는 작동간(8),(8')과, 상기 작동간(8),(8')에 밀착되어 작동하는, 스프링(9),(9')이 내장된 밀핀(10),(10')으로 이루어진 것에 있어서, 상기 구동봉(6)의 일단에 형성한 플랜지(11)의 일측면에 부착한 열전소자(12)와, 상기 열전소자(12)의 타측면에 부착시킨 방열핀(13) 및 냉각팬(14)으로 구성하고, 상기 플랜지(11)는 고정볼트(15)로 몸체(7)에 고정하고, 방열핀(13)은 플랜지(11)에 고정볼트(17)로 고정하며, 냉각팬(14)는 방열핀(13)에 고정하여 구성한다.That is, the present invention is a grinding wheel (1) that rotates in the clockwise direction, the workpiece (3) supported by both centers and upper and lower jaws (2, 2), and rotated in the clockwise direction, A tip 4 for preventing deformation of the work piece 3, a driving rod 6 incorporating a nut 5 for fixing the tip 4, etc., and a pin 1 'on the body 7; 8, 8 'between the operation moving to the point, and the pin 10 with the built-in springs 9, 9' operating in close contact with the operation 8, 8 ', 10 ', the thermoelectric element 12 attached to one side of the flange 11 formed at one end of the driving rod 6 and the heat dissipation fin attached to the other side of the thermoelectric element 12. 13 and the cooling fan 14, the flange 11 is fixed to the body 7 with a fixing bolt 15, the heat dissipation fin 13 is fixed with a fixing bolt 17 to the flange (11) And, the cooling fan 14 is configured to be fixed to the heat radiation fin (13).

상기에 있어서, 플랜지(11)의 면에는 전도성이 우수한 구리스를 도포한 후 열전소자(12)를 부착하고, 열전소자(12)의 타측면에 구리스를 바른 후 방열핀(13)을 부착하며, 고정볼트(15)는 상기 플랜지(11)가 팁(4)의 힘을 지지할 수 있도록 몸체(7)에 고정시키는 역활을 한다. 따라서, 연삭력은 팁(4)과 구동봉(6), 플랜지(11)및 고정볼트(15)를 통해 몸체(7)로 전해지게 된다.In the above, the surface of the flange (11) is coated with a thermally conductive grease and then attached to the thermoelectric element 12, and after applying the grease on the other side of the thermoelectric element (12) and attaching the heat radiation fin 13, fixed The bolt 15 serves to fix the flange 11 to the body 7 so that the flange 11 can support the force of the tip 4. Therefore, the grinding force is transmitted to the body 7 through the tip 4, the driving rod 6, the flange 11 and the fixing bolt 15.

또한, 상기 냉각팬(14)은 열전소자(12)의 냉각시 방열핀(13)의 성능을 향상시키고, 열전소자(12)를 적절한 압력으로 고정볼트(17)로 고정시키기 위하여 부착한 것이며, 구동봉(6)은 베이클라이트재로 된 단열재(6')로 감싸 열의 누설을 방지하게 하여 구동봉(6)의 가열과 냉각을 수월하게 이행할 수 있게 한다.In addition, the cooling fan 14 is attached to improve the performance of the heat dissipation fin 13 when the thermoelectric element 12 is cooled, and to fix the thermoelectric element 12 to the fixing bolt 17 at an appropriate pressure. The copper rod 6 is wrapped with a heat insulating material 6 'made of bakelite material to prevent leakage of heat so that the heating and cooling of the driving rod 6 can be easily performed.

그리고, 조(2),(2')는 공작물(3)이 항상 팁(4)에 접촉하여 힘을 가하도록 설치되며, 조(2')는 공작물(3)의 자중에 의한 처짐을 방지하는 것으로, 밀핀(10')으로 힘을 가하고 볼트(16')로 힘의 크기를 조정한다.The jaws 2 and 2 'are installed so that the work piece 3 always comes into contact with the tip 4 and exerts a force, and the jaw 2' prevents sagging due to the weight of the work piece 3. The force is applied with the mil pin 10 'and the force is adjusted with the bolt 16'.

상기의 열전소자(12)에 의한 정밀 열구동기구에 대해 설명한다. 열전소자(12)에 의한 전자가열·냉각법은 2 종류의 물질이 접합되어 있을 때 이 2 종류의 물질간에 전류가 흐르면, 그 접합면에 열의 흡수 또는 발열이 일어나는 것을 이용한 것으로 이를 펠티에 효과라 부른다. 이 효과가 큰 P, N 반도체를 번갈아 배열하고 전압을 가하면 반도체에 전류가 흐르고 흡열면에서 발열면으로 열이동이 일어난다. 이러한 열전소자(12)는 전기적으로는 직렬로, 열적으로는 병렬로 연결되어 있어 열펌핑 능력은 흐르는 전류와 반도체 소자 쌍의 수에 비례한다. 흐르는 전류를 반대로 바꾸면 열전소자(12)는 흡열면과 발열면이 바뀌어 작동한다. 따라서 한쪽 면에 붙은 물체를 전류의 방향만 바꾸면 가열 또는 냉각을 할 수 있으므로 물체의 온도 조절을 쉽게 할 수 있고 제어이론을 적용하여 온도 조절이 용이하다. 열전소자(12)에 의해 플랜지(11)가 가열되거나 냉각될 때 구동봉(6)의 변위 δL는 다음과 같다.The precision thermal drive mechanism by the above-mentioned thermoelectric element 12 will be described. In the electronic heating and cooling method using the thermoelectric element 12, when two kinds of materials are bonded together, when current flows between the two kinds of materials, heat absorption or heat generation occurs at the bonding surface, which is called the Peltier effect. When P and N semiconductors having a large effect are arranged alternately and a voltage is applied, current flows in the semiconductor and heat transfer occurs from the heat absorbing surface to the heat generating surface. The thermoelectric elements 12 are electrically connected in series and thermally in parallel so that the heat pumping capacity is proportional to the current flowing and the number of pairs of semiconductor elements. When the current flowing reversely, the thermoelectric element 12 operates by changing the heat absorbing surface and the heat generating surface. Therefore, the object attached to one side can be heated or cooled only by changing the direction of the current, so that the temperature of the object can be easily controlled and the control theory is applied to facilitate the temperature control. When the flange 11 is heated or cooled by the thermoelectric element 12, the displacement δ L of the driving rod 6 is as follows.

여기서, α: 구동봉의 선팽창 계수, L : 구동봉의 길이, C:구동봉의 열용량, q : 구동봉에 유입 또는 유출되는 열류이다.Where α is the linear expansion coefficient of the driving rod, L is the length of the driving rod, C is the heat capacity of the driving rod, and q is the heat flow flowing in or out of the driving rod.

이 미소 열구동기구를 제어하기 위하여 실험적으로 전달함수 Gx를 구하면 극점이 모두 s 평면의 허수축보다 왼쪽에 있는 안정된 시스템이 된다. 이 시스템을 PI 제어기를 이용, 제어하기 위하여 적절한 시간영역의 규격을 설정하면, 제어기의 전달함수는 다음과 같이 설정된다.The experimental transfer function, Gx, is used to control this micro-thermal drive mechanism, resulting in a stable system where the poles are all to the left of the imaginary axis in the s plane. In order to control the system using the PI controller, the proper time domain is set, and the transfer function of the controller is set as follows.

여기서 A와 B는 제어함수에 따른 상수이다.Where A and B are constants according to the control function.

도 2는 본 발명을 제어하기 위한 블록도이다.2 is a block diagram for controlling the present invention.

즉, 본 발명의 제어회로는 팁(4)의 위치를 제어하기 위한 것으로, 디지털 시그날 프로세서를 장착한 컴퓨터(100)와, 상기 컴퓨터(100)로부터 제어신호를 출력하여 이 신호를 전류로 변환케 하는 전류앰프(101)및 스위칭 전력 공급장치(102)와, 상기 전류앰프(101)로부터 출력된 제어전류를 열전소자(12)에 가하여 발생하는 팁(4)의 미소변위를 측정하는 정전용량형 변위센서(103)와, 상기 정전용량형 변위센서(103)로부터 측정된 신호를 컴퓨터(100)측으로 궤환하는 클로즈 루프로 구성한다.That is, the control circuit of the present invention is for controlling the position of the tip 4, and outputs a control signal from the computer 100 equipped with the digital signal processor and the computer 100 to convert the signal into a current. Capacitance type for measuring the micro displacement of the tip 4 generated by applying the current amplifier 101 and the switching power supply 102 and the control current output from the current amplifier 101 to the thermoelectric element 12 The displacement sensor 103 and a closed loop for feeding back the signal measured by the capacitive displacement sensor 103 to the computer 100 side.

이와 같이 구성한 본 발명의 제어회로는 방진구의 팁(4)에 원하는 위치를 지령하면 이 위치신호는 컴퓨터(100)에서 전압신호로 바뀌어 전류앰프(101)로 입력된다. 전류앰프(101)에서는 이 전압신호의 크기에 비례하는 전류신호를 스위칭 전력공급장치(102)에서 공급받아 방진구의 열전소자(12)에 공급한다. 열전소자(12)에 전류가 공급되면 앞서 설명한 바와 같이 방진구 팁(4)의 위치가 미소하게 변하게 된다. 이 미소변위를 정전용량형 변위센서(103)로 측정하여 컴퓨터(100)로 궤환한다. 이렇게 하여 본 발명의 제어계 클로우즈 루우프 시스템이 구성된다.In the control circuit of the present invention configured as described above, when the desired position is commanded to the tip 4 of the vibration isolator, the position signal is converted into a voltage signal by the computer 100 and input to the current amplifier 101. The current amplifier 101 receives a current signal proportional to the magnitude of the voltage signal from the switching power supply device 102 and supplies it to the thermoelectric element 12 of the dustproof port. When the current is supplied to the thermoelectric element 12, the position of the dustproof tip 4 is changed slightly as described above. The small displacement is measured by the capacitive displacement sensor 103 and fed back to the computer 100. In this way, the control system closed loop system of the present invention is constructed.

이와 같은 본 발명은 컴퓨터(100)에서 방진구 팁(4)의 위치를 지령하면 지령치와 팁(4)의 실제 위치와의 차이에 비례하는 전압신호가 가해져, 초기에는 큰 전류가 흘러 지령치와 팁(4)의 차이를 최대한 줄이게 된다. 팁(4)의 위치가 지령치에 가까워지면 지령치와 팁(4)의 차이도 줄어들게 됨과 동시에 전압신호도 작게되어 열전소자(12)에 공급되는 전류도 줄어들게 되고, 결국 0 이 되어 지령치와 팁(4)의 위치는 일치하게 된다.In the present invention, when the position of the dustproof tip 4 is commanded by the computer 100, a voltage signal proportional to the difference between the command value and the actual position of the tip 4 is applied, and a large current flows at the initial stage so that the command value and the tip are applied. The difference in (4) is minimized. As the position of the tip 4 approaches the setpoint, the difference between the setpoint and the tip 4 decreases, and at the same time, the voltage signal decreases, thus reducing the current supplied to the thermoelectric element 12. As a result, the setpoint and the tip 4 ) Will match.

도 3은 본 발명고안의 효과를 나타낸 것으로, 5μm의 계단입력에 대하여 μm 오더에서 매우 정확한 위치결정 능력이 있음을 보여준다. 도 4는 본 발명을 이용하여 연삭기의 열변형을 보정한 예로 길이 800mm의 열변형 오차 2.5μm를 1μm로 보정한 것으로 보정효과가 매우 큼을 알 수 있다.Figure 3 shows the effect of the present invention, and shows that there is a very accurate positioning capability in the μm order for a step input of 5μm. Figure 4 is an example of correcting the thermal deformation of the grinding machine using the present invention by correcting the thermal deformation error of 2.5μm of 800mm length to 1μm it can be seen that the correction effect is very large.

본 발명은 정밀 열구동기구를 내장한 능동형 방진구로서, 원통 연삭 가공시 방진구의 세팅을 마이크로미터 오더에서 신속하고 정확하게 수행하고, 연삭기의 열변형에 의한 오차를 효율적으로 보상하여 공작물의 가공정밀도를 크게 향상 시켜 공작물의 품질을 향상시키고, 방진구의 조정이 극히 수월하여 공작물 작업능률의 향상을 도모하는 효과를 가진다.The present invention is an active vibration isolator with a built-in precision thermal drive mechanism, it is possible to quickly and accurately set the vibration isolator in the micrometer order during cylindrical grinding processing, and to accurately compensate for the error caused by the thermal deformation of the grinding machine to effectively process the workpiece This greatly improves the quality of the workpiece and improves the work efficiency due to the extremely easy adjustment of the dustproof hole.

Claims (4)

시계방향으로 회전하는 연삭숫돌(1)과, 양 센터 및 상, 하 조(2),(2')에 의해 지지되고 시계방향으로 회전하는 공작물(3)과, 상기 공작물(3)의 변형을 방지하기 위한 팁(4)과, 상기 팁(4)을 고정하는 너트(5) 등을 조립한 구동봉(6)과, 몸체(7)에 핀(1')을 지점으로 움직이는 작동간(8),(8')과, 상기 작동간(8),(8')에 밀착되어 작동하는, 스프링(9),(9')이 내장된 밀핀(10),(10')으로 이루어진 것에 있어서, 상기 구동봉(6)의 일단에 형성한 플랜지(11)의 일측면에 부착하고 제어회로에 의해 작동하는 열전소자(12)와, 상기 열전소자(12)의 타측면에 부착시킨 방열핀(13)및 냉각팬(14)으로 구성하고, 상기 플랜지(11)는 고정볼트(15)로 몸체(7)에 고정하고, 방열핀(13)은 플랜지(11)에 고정볼트(17)로 고정하며, 냉각팬(14)는 방열핀(13)에 고정하여 구성함을 특징으로 하는 열구동기구를 이용한 능동형 방진구.The grinding wheel 1 rotated in the clockwise direction, the workpiece 3 supported by both centers and the upper and lower jaws 2, 2 'and rotating in the clockwise direction, and the deformation of the workpiece 3 A tip 4 for preventing, a driving rod 6 incorporating a nut 5, etc. for fixing the tip 4, and an operation between moving the pin 1 ′ to a point in the body 7. ), (8 ') and the pins (10) and (10') with built-in springs (9) and (9 '), which operate in close contact with the operation (8) and (8'). And a thermoelectric element 12 attached to one side of the flange 11 formed at one end of the driving rod 6 and operated by a control circuit, and a heat radiation fin 13 attached to the other side of the thermoelectric element 12. ) And the cooling fan 14, and the flange 11 is fixed to the body 7 with a fixing bolt 15, and the heat dissipation fin 13 is fixed with a fixing bolt 17 to the flange 11, Cooling fan 14 is a heat drive mechanism characterized in that the configuration is fixed to the heat radiation fin (13) One Active Rest. 제 1항에 있어서, 구동봉(6)은 그 외주에 단열재로 감싸 구성함을 특징으로 하는 열구동기구를 이용한 능동형 방진구.The active vibration isolator using a heat drive mechanism according to claim 1, characterized in that the driving rod (6) is wrapped around the outer circumference thereof with a heat insulating material. 제 1항에 있어서, 구동봉(6)의 열변형을 이용하여 미소정밀위치를 결정하도록 함을 특징으로 하는 열구동기구를 이용한 능동형 방진구.2. An active vibration isolator using a thermal drive mechanism according to claim 1, characterized in that the microprecision position is determined using thermal deformation of the driving rod (6). 제 1항에 있어서, 제어회로는 디지털 시그널 프로세서를 장착한 컴퓨터(100)와, 상기 컴퓨터(100)로부터 제어신호를 출력하여 이 신호를 전류로 변환케 하는 전류앰프(101)및 스위칭 전력 공급장치(102)와, 상기 전류앰프(101)로부터 출력된 제어전류를 열전소자(12)에 가하여 발생하는 팁(4)의 미소변위를 측정하는 정전용량형 변위센서(103)와, 상기 정전용량형 변위센서(103)로부터 측정된 신호를 컴퓨터(100)측으로 궤환하는 클로즈 루프로 구성함을 특징으로 하는 열구동기구를 이용한 능동형 방진구.The control circuit according to claim 1, wherein the control circuit includes a computer (100) equipped with a digital signal processor, a current amplifier (101) for outputting a control signal from the computer (100), and the signal to be converted into a current. And a capacitive displacement sensor 103 for measuring the micro displacement of the tip 4 generated by applying the control current output from the current amplifier 101 to the thermoelectric element 12, and the capacitive type. Active vibration isolator using a thermal drive mechanism characterized in that the closed loop for returning the signal measured from the displacement sensor 103 to the computer (100) side.