KR100635387B1 - 정밀 자동화 기기의 내장형 감시센서 - Google Patents

정밀 자동화 기기의 내장형 감시센서 Download PDF

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Abstract

본 발명의 정밀 자동화 기기의 내장형 감시센서는 이송테이블과 이송레일이 구비된 자동화 기기에서 공구와 공작물 간에 발생하는 정적 및 동적 부하를 측정하는 감시센서로서, 상기 이송테이블과 이송레일의 체결수단 및 상기 이송레일의 간섭을 받지 않고 상기 이송테이블과 이송레일이 연결되는 부위에 설치될 수 있도록 일 측으로 개방된 개구부가 형성된 프레임; 상기 프레임의 일 측면에 상기 이송레일의 축 방향과 평행하게 형성된 결합공; 상기 결합공에 체결되는 원통형의 부시; 상기 부시의 전면에 하나이상의 연결점을 가지고 부착되는 플레이트; 상기 플레이트에 상기 프레임의 외측으로 돌출되게 결합되어 상기 이송테이블과 상기 이송레일에서 발생되는 압력의 차를 상기 플레이트에 전달하는 핀; 및 상기 플레이트에 부착되어 상기 핀에 의해 휘어지는 플레이트의 휨 정도를 측정하는 변위측정센서를 포함한다. 이 감시센서는 가공작업에 영향을 주지 않으면서 공구와 공작물 간에 발생하는 부하를 정확하게 측정할 수 있다.

Description

정밀 자동화 기기의 내장형 감시센서{IN-SITU MONITORING SENSOR FOR CNC MACHINE}
도 1은 본 발명 내장형 감시센서의 측정원리를 설명하기 위한 개략도이고,
도 2는 도 1의 구조에 정적 부하가 작용했을 때의 힘-변위 선도를 나타낸 것이며,
도 3은 도 1의 구조에 동적 부하가 작용했을 때를 모델링 한 것이고,
도 4는 본 발명의 내장형 감시센서가 장착된 자동화 기기의 이송시스템을 나타낸 것이며,
도 5는 도 4에 장착된 내장형 감시센서의 부분 분리사시도이고,
도 6은 도 5에 도시된 측정부의 분리 사시도이며,
도 7은 도 4에 장착된 내장형 감시센서의 단면도를 나타낸 것이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 모터 20 : 베어링
30 : 이송레일 40 : 너트하우징
50 : 브라켓 60 : 이송테이블
70 : 공작물 80 : 절삭공구
100 : 감시센서 110 : 프레임
120 : 부시 130 : 플레이트
140 : 핀
본 발명은 자동화 기기의 가공작업 중에 발생하는 부하량을 측정하는 감시센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공작물의 정밀가공 및 오차범위를 최소화할 수 있도록 자동화 기기의 이송레일과 이송테이블의 내부에 용이하게 설치될 수 있는 정밀 자동화 기기의 내장형 감시센서에 관한 것이다.
자동화 기기가 복잡하고 미세한 공차로 이루어진 제품을 생산하기 위해서는 첫째, 자동화 기기의 이송계, 주축계, 및 구조계의 최적화 기반이 필요하고 둘째, 가공중의 자동화된 공구 및 공작물의 감시와 가공프로세서의 최적화된 제어가 필수적이다. 첫 번째 요건은 CNC 가공장치와 같이 이송시스템에 의한 정밀이송을 수행하는 자동화 기기가 등장하면서 충족되었으며, 두 번째 요건은 최근 공정감시를 위한 여러 가지 감시센서가 개발되면서 어느 정도 충족되고 있다.
공정감시는 가공 중에 변화되는 공작물 또는 공구의 온도, 가속도, 이송거리, 소리 등의 관찰을 통해 이루어진다. 그러나, 위에서 열거한 감시 인자들은 외부환경에 민감하여 신뢰성이 떨어진다. 때문에 최근에는 가공중의 공구상태, 칩 형태, 가공물의 치수오차 등과 밀접한 관계를 가지고 있는 절삭저항(또는 절삭력)의 측정을 통해 공정감시를 수행하고 있다.
가공중의 발생하는 부하(예를 들어 절삭저항)의 측정은 자동화 기기의 이송시스템의 최적화 기술이나 가공공정에 대한 감시기술(공구마멸, 외란에 의한 시스템 보호, 오작동 등)에 적용가능하고, 측정시스템에서의 시스템 보호를 위한 감시에도 활용할 수 있다.
현재 공정 감시용 부하측정기가 상용화 되었으나 설치환경에 대한 많은 문제점을 안고 있다. 즉, 종래의 감시센서는 공구나 공작물이 장착된 이송테이블 상에 설치되므로 측정영역이 넓지 않으며, 가공상에 발생하는 부하만을 선별하여 측정할 수 없다. 또한, 종래의 감시센서는 외부 노출된 상태로 존재하기 때문에 절삭유와 같은 외부 물질에 의해 오염되어 성능 및 수명이 떨어지는 문제점을 가지고 있다.
이를 보완하는 방법으로 이송시스템의 모터에 흐르는 전류의 양을 측정하여 가공상태를 감시하고자 하였으나 이 또한 전류의 심한 노이즈에 의한 측정 정밀도의 저하문제와 측정 주파수가 매우 저조하다는 문제를 안고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 공구와 공작물 간에 발생하는 부하를 직렬로 측정하면서 절삭유와 같은 외란요인에 의한 간섭을 최소화할 수 있도록 자동화 기기의 이송장치에 내장되는 정밀 자동화 기기의 내장형 감시센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면 이송테이블과 이송레일이 구비된 자동화 기기에서 공구와 공작물 간에 발생하는 정적 및 동적 부하를 측정하는 감시센서로서, 상기 이송테이블과 이송레일의 체결수단 및 상기 이송레일의 간섭을 받지 않고 상기 이송테이블과 이송레일이 연결되는 부위에 설치될 수 있도록 일 측으로 개방된 개구부가 형성된 프레임; 상기 프레임의 일 측면에 상기 이송레일의 축 방향과 평행하게 형성된 결합공; 상기 결합공에 체결되는 원통형의 부시; 상기 부시의 전면에 하나이상의 연결점을 가지고 부착되는 플레이트; 상기 플레이트에 상기 프레임의 외측으로 돌출되게 결합되어 상기 이송테이블과 상기 이송레일에서 발생되는 압력의 차를 상기 플레이트에 전달하는 핀; 및 상기 플레이트에 부착되어 상기 핀에 의해 휘어지는 플레이트의 휨 정도를 측정하는 변위측정센서를 포함하는 정밀 자동화 기기의 내장형 감시센서가 제공된다.
먼저, 본 발명 내장형 측정센서의 부하 측정원리를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명 내장형 감시센서의 측정원리를 설명하기 위한 개략도이고, 도 2는 도 1의 구조에 정적 부하가 작용했을 때의 힘-변위 선도를 나타낸 것이며, 도 3은 도 1의 구조에 동적 부하가 작용했을 때를 모델링 한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 내장형 감시센서(100)는 볼트(45)에 의해 이송레일에 결합된 너트하우징(40)과 이송테이블에 결합된 브라켓(50) 사이에 고정되어 공구와 공작물 사이에서 발생되는 부하량를 측정한다. 이때, 절삭공정에서 발생된 부하는 감시센서(100)와 볼트(45)에 분산되어 전달되므로, 정확한 부하를 측정하기 위해서는 감시센서(100)와 볼트(45)에 작용하는 부하의 비를 구해야 한다.
먼저, 정적 부하가 발생하는 경우를 살펴보자. 도 2에 도시된 바와 같이 초 기에는 볼트(45)의 체결력 FP 에 의해 감시센서(100)와 볼트(45)에 각각 압축력과 인장력이 발생하며, 두 힘은 서로 평형을 이룬다. 그리고 가공이 이루어지면 감시센서(100)와 볼트(45)에 작용하는 힘이 FR 로 증가하게 되어 그에 따라 감시센서(100)와 볼트(45)에 변위가 발생된다. 이때, 힘 FR 은 감시센서(100)에 작용하는 힘 F* s 와 실질적인 부하 Fa의 합으로 수학식 1에서와 같이 볼트(45)와 감시센서(100)의 강성과 감시센서(100)에서 측정되는 힘 Fs로 표현이 가능하다. 따라서, 감시센서(100)와 체결부재(본 예에서는 볼트(45))의 강성 및 감시센서(100)에서 측정된 힘을 알면 실질적으로 작용하는 부하의 크기를 산출할 수 있다.
Figure 112004004619053-pat00001
위 수학식 1에서 Kt 은 볼트(45)의 강성이고 Ks 는 감시센서(100)의 강성이며 Fs 는 감시센서(100)에 측정된 힘이다.
다음으로 동적 부하가 발생하는 경우는 살펴보자.
동적 부하는 공구 또는 공작물이 계속적으로 이송될 때 발생되는 경우로서 도 3과 같이 모델링 할 수 있다. 수학식 2는 이와 같은 2자유도 모델에 대한 운동방정식을 나타낸 것이다. 수학식 2에서 mt 와 mb 는 각각 이송테이블과 이송레일의 질량이고, ft 와 fb 는 각각 이송테이블과 이송레일에 작용하는 힘이며, xt 와 xb 는 외력에 의해 발생되는 이송테이블과 이송레일의 변위이고, kt 와 kb 는 이송테이블과 이송레일의 강성이다.
Figure 112004004619053-pat00002
위 수학식 2에서 이송테이블과 이송레일의 강성은 고유 물성치로서 이송테이블의 변위와 이송레일의 변위를 이용하여 측정할 수 있으며, 이러한 값을 수학식 2에 대입하여 빠르게 변동하는 외부 동적 부하를 측정할 수 있다. 따라서, 이와 같이 감시센서(100)를 이송레일과 이송테이블이 연결되는 부위에 설치하면 다른 외력에 영향이 없이 이송방향으로 작용하는 정적 부하 및 동적 부하를 정확히 측정할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 감시센서가 장착된 공작기계의 이송시스템을 나타낸 것이다.
자동화 공작기계는 도 4에 도시된 바와 같이 이송레일(30)과 이송테이블(60) 및 절삭공구(80)로 구성되어 있다. 이송레일(30)의 양 끝에는 베어링(20)이 설치되어 있으며 외주면에는 이송레일(30)에 형성된 나사를 따라 움직이는 너트하우징(40)이 체결되어 있다. 너트하우징(40)에는 브라켓(50)을 매개로 이송테 이블(60)이 결합되어 있다. 따라서, 이송레일(30)이 모터(10)에 의해 회전되면 이송레일(30)의 나사방향을 따라 너트하우징(40)이 움직이고 이로 인해 이송테이블(60)이 이동하게 된다.
이송테이블(60)에는 공작물(70)이 설치되고, 이 이송테이블(60)의 이동경로 상에는 절삭공구(80)가 설치된다. 따라서, 이송테이블(60)이 너트하우징(40)에 의해 이송레일(30)의 경로상을 따라 움직이면 공작물(70)이 공작기계에 마련된 절삭공구(80)에 의해 가공된다. 한편, 본 실시예에서는 공작물(70)이 이송테이블(60)에 설치되고 절삭공구(80)가 이송테이블(60)의 경로상에 설치되는 것으로 설명하였으나, 이와 반대로 절삭공구(80)가 이송테이블(60)에 설치되고 공작물(70)이 이송테이블(60)의 경로상에 설치될 수 있다.
너트하우징(40)과 브라켓(50)의 사이에는 본 발명의 내장형 감시센서(100)가 설치되어 있다. 이 내장형 감시센서(100)는 너트하우징(40)과 브라켓(50)의 사이에서 발생하는 응력을 측정하고 그 값을 전기적 신호로 송출한다. 한편, 공작물(70)과 절삭공구(80)간에 발생하는 부하는 절삭공구(80)의 가공방향에 따라 달라지는데, 본 발명에서와 같이 내장형 감시센서(100)를 너트하우징(40)과 브라켓(50) 사이에 설치하면 이송테이블(60)의 이동방향으로 작용하는 부하만을 직렬적으로 측정할 수 있어 외란에 대한 영향이 매우 적다.
이와 같이 공작물(70)과 절삭공구(80)에서 발생되는 부하를 직렬적으로 측정할 수 있도록 너트하우징(40)과 브라켓(50)사이에 설치되는 내장형 감시센서(100)의 구조는 다음과 같다.
도 5는 도 4에 장착된 내장형 감시센서의 부분 분리사시도이고, 도 6은 도 5에 도시된 측정부의 분리 사시도이며, 도 7은 도 4에 장착된 내장형 감시센서의 단면도를 나타낸 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이 내장형 감시센서(100)는 프레임(110), 부시(120), 플레이트(130), 및 핀(140)으로 구성되어 있다. 먼저 프레임(110)의 형상 및 특징을 설명하겠다.
프레임(110)은 감시센서(100)의 외형을 이루는 부재로서, 너트하우징(40)과 브라켓(50)의 결합에 큰 지장을 주지 않도록 얇은 판형으로 되어 있다. 프레임(110)의 중앙에는 설치시 이송레일(30)과 체결용 볼트(도시되지 않음)의 영향을 받지 않도록 개구부(112)가 형성되어 있다. 따라서, 본 발명의 감시센서(100)는 너트하우징(40)과 브라켓(50) 사이에 일정한 공간만 주어지면 외측에서 용이하게 설치할 수 있다.
한편, 프레임(110)의 전면에는 부시(120)가 삽입될 수 있는 홈(111)이 형성되어 있는데, 이 홈(111)의 내주면에는 다른 부재와의 체결이 용이하도록 나사산이 형성되어 있다. 홈(111)은 부하를 측정하기 위한 장치가 삽입되는 공간으로 너트하우징(40)과 브라켓(50)의 압력을 잘 받을 수 있는 프레임(110)의 전면 또는 후면에 형성된다. 다만, 측정의 정밀성을 높이기 위해 상기 홈(111)을 프레임(110)의 전면과 후면 양면에 형성시키나 전면 또는 후면의 여러 곳에 형성시키는 것도 좋다.
프레임(110)에 결합되는 부시(120)는 도 6에 도시된 바와 같이 비교적 통 두께가 두꺼운 원통형의 부재이다. 부시(120)의 외측 원주면에는 체결이 용이하게 이 루어지도록 나사산이 형성되어 있으며 밑면에는 전선 등이 소통될 수 있는 인출공(122)이 형성되어 있다.
플레이트(130)는 부시(120)의 전면에 부착되는 부재로서 긴 막대모양을 하고 있다. 플레이트(130)는 부시(120)의 전면에 하나 이상의 연결점에 의해 부착되는 것이 좋은데, 본 실시예에서는 단순지지구조를 갖도록 2개의 연결점을 매개로 부시(120)의 전면에 부착되어 있다. 플레이트(130)의 각 연결점에는 변위측정센서(131)가 설치되어 있으며 최고 변위점(본 실시예에서는 플레이트(130)의 가운데)에는 체결공(133)이 형성되어 있다. 이때, 변위측정센서(131)로는 스트레인 게이지나 피에조 센서가 이용될 수 있는데, 스트레인 게이지는 플레이트(130)의 윗면에 설치되는 것이 좋고 피에조 센서는 플레이트(130)와 부시(120)의 접촉면 사이에 설치되는 것이 좋다.
핀(140)은 플레이트(130)의 체결공(133)에 결합되는 부재로서, 프레임(110)의 외측으로 돌출되게 설치되어 너트하우징(40) 또는 브라켓(50)과 접촉하며 너트하우징(40)과 브라켓(50)에서 발생된 응력을 변위측정센서(131)에 전달하는 역할을 한다. 핀(140)의 돌출량은 프레임(110)과 부시(120)의 체결깊이를 통해 조절한다.
한편, 본 실시예의 핀(140)은 일단의 끝이 뾰족하면서 전체적으로 소정의 지름을 갖는 원통형인데, 이는 핀(140)과 너트하우징(40) 또는 브라켓(50)과의 접촉면적을 최소화시켜 측정 정밀도를 높이고 핀(140)이 어느 정도의 굽힘 강도를 갖도록 하기 위한 것이다. 아울러, 핀(140)을 프레임(110)의 외측으로 돌출되게 설치한 이유는 초기에 핀(140)이 일정한 압력으로 너트하우징(40) 또는 브라켓(50)에 접촉 하게 하여 추후 발생하는 변위에 따라 핀(140)이 선형적으로 이동하도록 하고 너트하우징(40) 또는 브라켓(50)의 인장과 압축에 따른 변위를 모두 감지할 수 있도록 하기 위함이다.
이와 같이 구성된 내장형 감시센서(100)의 동작방법을 설명하면 다음과 같다.
도 7에 도시된 바와 같이 프레임(110)의 홈(111)에는 부시(120), 플레이트(130), 핀(140)이 순차적으로 결합되어 있다. 플레이트(130)의 가운데에는 핀(140)이 결합되어 있으며, 이 핀(140)은 플레이트(130)의 외측으로 돌출되어 있다. 따라서, 가공작업이 시작되면 인접한 너트하우징(40) 또는 브라켓(50)에 의해 핀(140)이 압력을 받게 되고, 압력의 크기에 따라 핀(140)이 프레임(110)의 내측 및 외측을 반복 이동하면서 플레이트(130)를 휘어지게 한다. 이때, 플레이트(130)의 휘어짐의 정도는 너트하우징(40)과 브라켓(50)에 전달된 부하의 크기에 비례하고, 플레이트(130)와 부시(120)의 연결점에 설치된 변위측정센서(131)에서 측정된다. 변위측정센서는(131)는 측정된 값을 전기신호로 발생시켜 외부에 마련된 연산장치 또는 제어장치에 전달하고, 연산장치는 이 전기신호를 다시 응력으로 환산한 후 수학식1과 수학식2를 이용해 부하의 크기를 산출한다. 한편, 플레이트(130)가 핀(140)의 압력에 의해 휘어질 때 비틀림도 발생하는데, 이와 같은 힘은 이송레일(30)방향으로 작용하는 부하를 정확하게 측정하는데 방해가 된다. 따라서, 본 발명에서는 변위측정센서(131)에서 굽힘으로 인한 응력만이 측정되도록 도 6에 도시된 바와 같이 핀(140)에 의해 휘어지는 부분을 변위측정센서(131)가 부착된 부분보다 두껍게 하였다.
위와 같이 본 발명의 감시센서는 이송레일 상에 설치되므로 이송방향으로 작용하는 부하만을 측정한다. 또한, 종래 다른 감시센서와 달리 크기가 매우 작아 설치공간의 제약도 없으므로 이송시스템이 갖춰진 모든 자동화 기기에 적용이 용이하다.
본 발명은 자동화 기기의 이송시스템에 직접 장착되어 공구와 공작물 간에 발생하는 부하를 직렬적으로 측정하므로 외란에 대한 영향이 적고 측정 정밀도가 높은 장점이 있다. 또한, 본 발명을 이용하면 부하의 변동을 통해 공구의 마멸상태나 이송계의 마찰력 등을 파악할 수 있으므로 이를 통해 자동화 기기의 피드백 제어가 용이해지는 장점이 있다.
이상에서 정밀 자동화 기기의 내장형 감시센서에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (5)

  1. 이송테이블과 이송레일이 구비된 자동화 기기에서 공구와 공작물 간에 발생하는 정적 및 동적 부하를 측정하는 감시센서로서,
    상기 이송테이블과 이송레일의 체결수단 및 상기 이송레일의 간섭을 받지 않고 상기 이송테이블과 이송레일이 연결되는 부위에 설치될 수 있도록 일 측으로 개방된 개구부가 형성된 프레임;
    상기 프레임의 일 측면에 상기 이송레일의 축 방향과 평행하게 형성된 결합공;
    상기 결합공에 체결되는 원통형의 부시;
    상기 부시의 전면에 하나이상의 연결점을 가지고 부착되는 플레이트;
    상기 플레이트에 상기 프레임의 외측으로 돌출되게 결합되어 상기 이송테이블과 상기 이송레일에서 발생되는 압력의 차를 상기 플레이트에 전달하는 핀; 및
    상기 플레이트에 부착되어 상기 핀에 의해 휘어지는 플레이트의 휨 정도를 측정하는 변위측정센서를 포함하고,
    상기 부시는 상기 핀의 상기 프레임 외측으로의 돌출량을 간접적으로 조절할 수 있도록 상기 결합공에 나사 체결되는 것을 특징으로 하는 정밀 자동화 기기의 내장형 감시센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 플레이트의 두께는 상기 플레이트가 상기 핀에 의해 휘어질 때 발생하는 비틀림이 최소화 될 수 있도록 상기 플레이트와 상기 부시가 접촉하는 연결부분보다 다른 부분이 더 두꺼운 것을 특징으로 하는 정밀 자동화 기기의 내장형 감시센서.
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  4. 삭제
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