KR100954728B1 - Apparatus for real-time compensation of heat distortion in machine tools - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공작기계의 열변형 실시간 보상장치에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 공작기계의 각 축(X, Y, Z)의 온도값과 대기온도값을 각각 입력받아 A/D변환하는 A/D변환부와, A/D변환부로부터 입력받은 온도데이터로부터 중선형 회귀모델과 신경회로망모델의 알고리즘을 저장하여 사용하여 열변형예측데이터를 산출하는 디지털신호처리부; 및 산출된 열변형예측데이터를 상기 CNC로 송신하기 위한 RS232모듈부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 공작기계 제어기인 CNC상에서 실제 가공중에 실시간으로 자동보정이 이루어지는 효과를 갖는다.    The present invention relates to a thermal deformation real-time compensation device of a machine tool. The apparatus of the present invention receives the temperature value and the atmospheric temperature value of each axis (X, Y, Z) of the machine tool, A / D conversion unit for A / D conversion, and the temperature data received from the A / D conversion unit A digital signal processing unit for storing thermal deformation prediction data by storing algorithms of a medium linear regression model and a neural network model; And an RS232 module unit for transmitting the calculated heat deformation prediction data to the CNC. The present invention has the effect that the automatic correction in real time during the actual processing on the CNC machine tool controller.

공작기계, 열변형, 자동보상, CNC Machine Tool, Heat Deflection, Automatic Compensation, CNC

Description

공작기계의 열변형 실시간 보상장치{Apparatus for real-time compensation of heat distortion in machine tools} Apparatus for real-time compensation of heat distortion in machine tools

본 발명은 공작기계가 장시간 가공 중 열변형이 일어나 가공 축의 쳐짐 등에 따른 가공 오차를 실시간으로 보상하기위한 공작기계의 열변형 보상장치에 관한 것이다. The present invention relates to a thermal deformation compensation device of a machine tool for compensating in real time the machining error caused by the thermal deformation during machining for a long time due to the deflection of the machining axis.

일반적으로, 공작기계는 가공을 위해 X축과 Y축 및 Z축으로 이동하는 가공툴을 가지는데 가공툴은 온도에 민감하여 가공시간이 지남에 따라 온도가 변화되어 열변형을 초래한다. 이러한 열변형이 공작기계에서 발생하는 오차 중 약 70% 정도를 차지하며 이와 같은 오차는 공작기계의 정밀도에 심각한 문제로 대두되고 있다. In general, machine tools have a machining tool that moves in the X-axis, Y-axis, and Z-axis for machining, which is sensitive to temperature and changes in temperature over time, resulting in thermal deformation. Such heat deformation accounts for about 70% of errors occurring in machine tools, and these errors are a serious problem in the precision of machine tools.

이러한 열변형을 방지하기 위해 열 변형 예측모델 및 기계원점 보정을 위한 기능이 공작기계의 컨트롤러인 CNC(Computerized Numerical Controller)에 실장되어 사용 되고 있다. 이는 열변형이 발생하여도 기계 가공 중 실시간 기계원점 보정이 자율적으로 이루어져 가공 품질을 높이고 불량을 최소화하는 등 생산성 효과를 가져올 수 있기 때문이다. In order to prevent such thermal deformation, a thermal deformation prediction model and a function for calibrating the machine origin are mounted and used in a machine tool controller (CNC). This is because even if thermal deformation occurs, real-time machine zero point correction is autonomously during machining, thereby increasing productivity and minimizing defects.

열변형 오차를 줄이는 해결책은 대상 기계의 설계 변경을 통한 개선과 오차 보상 기술로 나눌 수 있다. 설계 개선에 의한 방법은 많은 시간과 비용을 필요로 하기 때문에 그 적용에는 한계를 가지고 있다. Solutions to reduce thermal strain errors can be divided into improvements and error compensation techniques by changing the design of the target machine. The method by design improvement requires a lot of time and cost, and therefore its application is limited.

한편, 오차 보상방법은 열변형 예측과 보상제어로 이루어지는데 여기서 열변형 예측은 해석적 방법과 경험적 모델에 의한 방법으로 적용되고 있다. 해석적 방법으로는 유한요소법과 유한차분법이 대표적이며, 이방법은 기계의 경계조건 및 여러 절삭조건에서 변화하는 열발생율에 대한 충분한 정보를 제공하지 못하기 때문에 정확성을 보장할 수 없을 뿐만 아니라 해석에 소요되는 시간 때문에 오차보상에는 적용하는 것은 불가능하다. On the other hand, the error compensation method is composed of thermal deformation prediction and compensation control, where thermal deformation prediction is applied by analytical and empirical models. The analytical methods are representative of finite element method and finite difference method. This method cannot guarantee accuracy as it does not provide enough information about the boundary condition of the machine and the change of heat generation rate under various cutting conditions. It is not possible to apply the error compensation because of the time required.

따라서 공작기계의 오차보상으로 계산시간이 짧은 경험적 모델을 사용하는 연구가 진행되어 왔다. 열오차 보상은 주로 PC를 이용하여 열오차 모델을 통해 온라인으로 계산된 보상값을 실시간으로 공작기계에 적용하는 방법으로 구현되어 왔다. Therefore, a research using an empirical model with short calculation time as an error compensation of a machine tool has been conducted. Thermal error compensation has been implemented by applying the compensation value calculated on-line through the thermal error model to the machine tool mainly using a PC.

이러한 오차보상을 위한 열변형을 측정하는 실험예를 도 1의 실험장치를 통해 설명한다. An experimental example for measuring the thermal strain for such error compensation will be described through the experimental apparatus of FIG.

도 1은 열변형을 측정하기 위한 실험장치의 일예이다. 1 is an example of an experimental apparatus for measuring thermal strain.

도 1을 참고하면, 공작기계에는 가공툴이 장착되며 가공툴의 주변으로는 X축, Y축, Z축의 변위를 측정하기 위한 와전류변위센서를 구비한다. 또한, X축, Y축, Z축, 및 대기의 온도를 측정하기 이한 열전대 온도센서를 구비한다. 이러한 열전대 온도센서로부터의 각 X축, Y축, Z축, 및 대기의 온도값과 A/D변환장치로 입력되고, 한편 와전류변위센서로부터 X축, Y축, Z축의 변위값이 A/D변환장치로 입력된다. PC는 두 개의 A/D변환장치로부터 입력된 온도데이터와 변위데이터를 입력받아 열변형데이터를 측정할 수 있다. 이러한 열변형데이터로부터 오차보상값을 산출하여 룩업테이블화하고 다양한 공작기계에 사용해 왔다. 또한, 이러한 오차보상값을 수동의 장치로 입력하여 그때 그때 열변형에 대한 오차보상을 수행해왔다. Referring to FIG. 1, the machine tool is equipped with a machining tool and includes an eddy current displacement sensor for measuring displacement of the X, Y, and Z axes around the machining tool. In addition, a thermocouple temperature sensor for measuring the temperature of the X-axis, the Y-axis, the Z-axis, and the atmosphere is provided. The X, Y, Z, and atmospheric temperature values from the thermocouple temperature sensor and the A / D converter are input, while the displacement values of the X, Y, and Z axes from the eddy current displacement sensor are A / D. It is input to the inverter. The PC can measure the thermal deformation data by receiving the temperature data and the displacement data input from the two A / D converters. Error compensation values have been calculated from these heat deflection data to be lookup tables and used in various machine tools. In addition, this error compensation value was input to a manual device, and then error compensation for thermal deformation was performed at that time.

이러한 열변형 측정을 위해 공작기계를 작동시키면 가공시간이 흐름에 따라 입력되는 각 X축, Y축, Z축, 및 대기의 온도값이 변화하게 된다. 이러한 온도값의 변화를 도 2의 그래프로 도시하였다. When the machine tool is operated to measure the heat deformation, the temperature values of the X-axis, Y-axis, Z-axis, and air inputted as the processing time is changed. This change in temperature is shown in the graph of FIG.

도 2를 참고하면, 가로축은 가공시간이며 세로축은 온도를 나타낸다. 도 2에서, 가공시간이 지남에 따라 X축, Y축, Z축, 및 대기의 온도가 지속적으로 변화되는 상태를 알수 있다. 이러한 온도의 변화에 따라 열변형이 발생하는데 이러한 열변형에 의한 가공오차를 도 3에 도시하였다. 2, the horizontal axis represents processing time and the vertical axis represents temperature. In FIG. 2, it can be seen that the temperature of the X-axis, the Y-axis, the Z-axis, and the air continuously changes as the processing time passes. Thermal deformation occurs according to the change of temperature, and the machining error due to such thermal deformation is illustrated in FIG. 3.

도 3을 참고하면, 가로축은 가공시간이며 세로축은 가공오차를 나타낸다. 도 3에서, 가공시간이 지남에 따라 X축, Y축, Z축, 및 대기의 온도가 지속적으로 변화하여 열변형이 발생했을 때의 가공오차를 보여준다. 도 3에서와 같이 가공오차의 평균값이 무려 16.5마이크로미터에 달함을 알 수 있다. Referring to FIG. 3, the horizontal axis represents machining time and the vertical axis represents machining error. In Figure 3, as the processing time is over, the X-axis, Y-axis, Z-axis, and the temperature of the atmosphere is constantly changed to show the processing error when the thermal deformation occurs. As shown in Figure 3 it can be seen that the average value of the processing error reaches 16.5 micrometers.

이러한 열변형에 따른 오차보상시에 보상신호의 적용은 실시간 NC 명령 수정, 기계 서보루프의 위치 피드백 신호에 아날로그 전압을 삽입하는 아날로그 보상방법과 디지털 I/O 통신 포트를 이용하여 CNC 제어기에 디지털 값을 전송하여 기계 서보루프의 구동신호를 수정하는 디지털 보상방법이 있다. 그러나 NC 명령수정 기법은 이송명령의 양끝점만 보상이 되고 고속가공의 실현에는 장애가 된다. 또한 아날로그 및 디지털 보상작업은 적용할 수 없는 공작기계가 많을 뿐만 아니라 구현하기가 어려우며 기계의 피드백신호와 충돌하지 않도록 해야 하는 어려움이 있다.The compensation signal is applied to compensate for errors due to thermal deformation. The digital value is input to the CNC controller by using the real time NC command correction, the analog compensation method of inserting an analog voltage into the position feedback signal of the machine servo loop, and the digital I / O communication port. There is a digital compensation method for modifying the drive signal of the mechanical servo loop by transmitting the. However, the NC instruction modification technique compensates only at both ends of the transfer instruction and is an obstacle to the realization of high speed machining. In addition, analog and digital compensation work is not only applicable to many machine tools, but also difficult to implement and has a difficulty in not colliding with the feedback signal of the machine.

기존의 모든 방법들은 도 1과 같이 PC나 노트북을 이용하여 열변형에 따른 보상치, 즉 기계 원점을 얼마만큼 +, -하여야 열변형에 따른 쳐짐 등을 보상할 수 있을지 기계원점 오프셋(Offset)값을 계산하여 분석하는 정도였다. 이는 PC나 노트북을 이용함으로써 기계와의 실시간성이 떨어지며, 특히 실제 기계가공 중 실시간의 오차보상은 이루어지지 않는다. All existing methods use a PC or a notebook as shown in FIG. 1 to compensate for thermal deformation, that is, how much the machine origin should be +,-to compensate for sagging due to thermal deformation. It was about to calculate and analyze. This is inferior in real-time with the machine by using a PC or notebook, in particular, no real-time error compensation during the actual machining.

따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록 공작기계의 열 변형에 따른 온도신호의 실시간 데이터 취득 및 가공중 공작기계 원점 자율보정을 이루기 위하여 보정값 추출을 위한 선형회귀법/신경회로망 을 이용하여 실시간 오차보상값을 획득하여 보상신호를 출력하여 실시간으로 공작기계의 열변형보상을 수행할 수 있는 공작기계의 열변형 실시간 보상장치를 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to use a linear regression method / neural network for extracting the correction value to achieve the real-time data acquisition of the temperature signal according to the thermal deformation of the machine tool and autonomous correction of the machine tool during machining to solve the above problems By providing a real time error compensation value by outputting a compensation signal to provide a heat deformation real-time compensation device of the machine tool capable of performing the heat deformation compensation of the machine tool in real time.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 공작기계와 공작기계의 열변형 보상기능을 탑재한 컨트롤러인 CNC 사이에 연결되어 공작기계의 열변형을 보상하기 위한 보상장치에 있어서, 상기 공작기계의 각 축(X, Y, Z)의 온도값과 대기온도값을 각각 입력받아 A/D변환하는 A/D변환부와, A/D변환부로부터 입력받은 온도데이터로부터 열변형예측데이터를 산출하는 디지털신호처리부; 및 산출된 열변형예측데이터를 상기 CNC로 송신하기 위한 RS232모듈부를 포함하는 것을 특징으로 한다. In the compensation device for compensating for the heat deformation of the machine tool is connected between the machine tool according to the present invention for achieving the above object and a CNC equipped with a heat deformation compensation function of the machine tool, each of the machine tool An A / D conversion unit for receiving A / D conversion of the temperature values of the axes (X, Y, Z) and the atmospheric temperature value respectively, and digitally calculating the thermal deformation prediction data from the temperature data received from the A / D conversion unit. A signal processor; And an RS232 module unit for transmitting the calculated heat deformation prediction data to the CNC.

또한, 보상장치는 외부에 LED표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, the compensation device is characterized in that it further comprises an LED display on the outside.

또한, 보상장치는 입력되는 온도값이 정상범위인지 아닌지에 따라 서로 다른 색으로 상기 LED를 발광하도록 제어하는 LED제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, the compensation device is characterized in that it comprises an LED controller for controlling to emit the LED in different colors depending on whether or not the input temperature value is a normal range.

또한, 디지털신호처리부는 열변형예측데이터를 산출하기 위해 중선형 회귀모델과 신경회로망모델의 알고리즘을 저장하여 사용하는 것을 특징으로 한다. In addition, the digital signal processing unit is characterized by storing and using the algorithm of the mid-linear regression model and the neural network model to calculate the heat deformation prediction data.

또한, 보상장치는 외부에 장치 초기화를 위한 리셋키를 더 포함하는 것을 특징으로 하다. In addition, the compensation device is further characterized in that it further comprises a reset key for initializing the device.

또한, 본 발명에 따른 공작기계의 열변형을 보상하기 위한 보상장치에 있어서, 공작기계의 열변형 보상기능을 탑재한 컨트롤러인 CNC; 및 공작기계의 각 축(X, Y, Z)과 대기온도값을 취득하도록 상기 공작기계의 3축 열변형 발생위치에 연결되고, CNC에는 열변형예측데이터를 출력하도록 연결된 열변형보상기를 포함하며, 열변형보상기는 상기 공작기계의 각 축(X, Y, Z)의 온도값과 대기온도값을 각각 입력받아 A/D변환하는 A/D변환부와, 상기 A/D변환부로부터 입력받은 온도데이터로부터 열변형예측데이터를 산출하는 디지털신호처리부; 및 상기 산출된 열변형예측데이터를 상기 CNC로 송신하기 위한 RS232모듈부를 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, the compensation device for compensating for the heat deformation of the machine tool according to the present invention, CNC machine which is equipped with a heat distortion compensation function of the machine tool; And a heat deformation compensator connected to the three-axis heat deformation generating position of the machine tool to obtain each axis (X, Y, Z) and the air temperature value of the machine tool, and the CNC to output heat deformation prediction data. The heat distortion compensator includes an A / D conversion unit for receiving A / D conversion of the temperature value and the atmospheric temperature value of each axis (X, Y, Z) of the machine tool, and received from the A / D conversion unit. A digital signal processor for calculating thermal deformation prediction data from temperature data; And an RS232 module unit for transmitting the calculated heat deformation prediction data to the CNC.

또한, 열변형보상기는 외부에 LED표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, the heat distortion compensator further comprises an LED display unit on the outside.

또한, 열변형보상기는 입력되는 온도값이 정상범위인지 아닌지에 따라 서로 다른 색으로 상기 LED를 발광하도록 제어하는 LED제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, the heat distortion compensator is characterized in that it comprises an LED control unit for controlling to emit the LED in different colors depending on whether or not the input temperature value is a normal range.

또한, 디지털신호처리부는 열변형예측데이터를 산출하기 위해 중선형 회귀모델과 신경회로망모델의 알고리즘을 저장하여 사용하는 것을 특징으로 한다. In addition, the digital signal processing unit is characterized by storing and using the algorithm of the mid-linear regression model and the neural network model to calculate the heat deformation prediction data.

또한, 열변형보상기는 외부에 장치 초기화를 위한 리셋키를 더 포함하는 것 을 특징으로 한다. In addition, the heat distortion compensator further comprises a reset key for initializing the device.

따라서, 본 발명의 장치는 데이터 취득 및 보정을 위한 보상모델이 PC기반이 아니라 별도의 보상장치로 하드웨어로 구성하여 실시간으로 3축 및 대기온도 등의 신호취득이 가능하고 기계원점 보정값을 실시간으로 구하여 진다는 장점과 적용대상 공작기계의 변경 시 새로운 보상모델의 적용이 편리한 장점을 가지고 있다. Therefore, the device of the present invention is capable of acquiring signals such as 3-axis and air temperature in real time by configuring the compensation model for data acquisition and correction as hardware as a separate compensation device rather than PC-based, and real-time machine origin correction value. It has the advantage of being obtained and the application of a new compensation model when changing the applied machine tool.

또한, 공작기계 제어기인 CNC상에서 실제 가공중에 실시간으로 자동보정이 이루어지는 것도 가능하다.It is also possible to perform automatic correction in real time during actual machining on the CNC, the machine tool controller.

그리고, 본 발명은 기존의 열보상을 위해 적용된 공작기계의 설계 개선을 통한 방법에 비해 시간과 비용측면에서 유리할 뿐만 아니라 서보루프의 구동신호를 변경하는 기존의 아날로그 및 디지털 보상방법에 비해 적용이 매우 간편하고 실시간성이 우수하여 생산성 향상 및 경제적인 이득을 얻을 수 있다는 효과를 제공한다.In addition, the present invention is not only advantageous in terms of time and cost compared to the method of improving the design of the machine tool applied for thermal compensation, but also is much more applicable than the conventional analog and digital compensation method of changing the drive signal of the servo loop. Its simplicity and real-time simplicity provide productivity gains and economic benefits.

이하, 첨부한 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다. Hereinafter, with reference to the accompanying Figures 4 to 7 will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명에 일 실시예에 따른 열변형 보상장치의 내부에 탑재된 구성을 보여주는 구성도이다. 4 is a block diagram showing a configuration mounted inside the heat deformation compensation apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 열변형보상장치(40)는 공작기계와 공작기계의 CNC 사이에 설치된다. 즉, 본 발명의 열변형보상장치(40)는 공작기계의 온도데이터를 취득하도록 공작기계의 3축 열변형 발생위치에 연결되고, 실제 공작기계의 가공을 총괄하는 프로세서인 공작기계 CNC에는 열변형예측데이터를 출력하도록 연결된다. CNC에는 입력되는 열변형예측데이터를 입력받아 공작기계의 가공 중에 기계원점의 오프셋값의 CNC파라메타를 자동수정하는 실시간 보정기능을 실장한다. Referring to Figure 4, the heat deformation compensation device 40 according to the present invention is installed between the machine tool and the CNC of the machine tool. That is, the heat deformation compensator 40 of the present invention is connected to the three-axis heat deformation generating position of the machine tool so as to obtain the temperature data of the machine tool, the heat deformation to the machine tool CNC which is a processor that manages the actual machine tool processing It is connected to output the prediction data. The CNC implements a real-time correction function that receives input of the heat deformation prediction data and automatically corrects the CNC parameters of the offset value of the machine origin during machining of the machine tool.

열변형보상장치(40)의 공작기계쪽 단자를 보면, 공작기계의 온도센서(미도시)로부터 X축, Y축, Z축, 및 대기온도를 입력받을 수 있는 X축온도입력부(41), Y축온도입력부(42), Z축온도입력부(43), 및 대기온도입력부(44)를 포함한다. 그리고, 입력되는 온도가 정상범위이지 또는 정상범위의 초과인지에 따라 서로 다른 색깔로 발광하기 위한 LED(46)가 각 온도 입력부(41, 42, 43, 44)에 일대일 대응하여 근접위치에 설치된다. 또한, 리셋스위치(45)를 구비하여 열변형보상장치(40)의 초기화가 용이하도록 한다. Looking at the terminal of the machine tool side of the heat distortion compensation device 40, the X-axis temperature input unit 41, which can receive the X-axis, Y-axis, Z-axis, and the atmospheric temperature from the temperature sensor (not shown) of the machine tool, The Y-axis temperature input section 42, the Z-axis temperature input section 43, and the atmospheric temperature input section 44 are included. Then, LEDs 46 for emitting light with different colors are installed in close proximity to each of the temperature input parts 41, 42, 43, 44 depending on whether the input temperature is in the normal range or exceeds the normal range. . In addition, the reset switch 45 is provided to facilitate the initialization of the thermal strain compensation device 40.

또한 열변형보상장치(40)의 내부를 보면, 이러한 각 축의 온도값과 대기온도값을 각각 입력받는 A/D변환부(48)와 LED(46)가 발광하도록 제어하는 LED제어부(47)와 입력받은 온도데이터값으로부터 열변형예측데이터를 산출하는 DSP(49) 및 CNC와 통신하기 위한 RS232모듈부(50)를 구성한다. 여기서 DSP(49)는 열변형보상알고리즘을 내장하고 있으며 중선형 회귀모델과 신경회로망 모델로 구성된다. DSP(49)는 이러한 열변형보상알고리즘을 이용하여 온도데이터를 입력받아 열변형예 측데이터를 산출하도록 한다. In addition, the inside of the heat distortion compensation device 40, the LED controller 47 for controlling the A / D conversion unit 48 and the LED 46 to receive the temperature value and the atmospheric temperature value of each axis, respectively; The DSP 49 for calculating the heat deformation prediction data from the input temperature data value and the RS232 module unit 50 for communicating with the CNC are configured. The DSP 49 includes a heat distortion compensation algorithm and is composed of a medium linear regression model and a neural network model. The DSP 49 receives the temperature data using the heat distortion compensation algorithm and calculates the heat deformation prediction data.

그리고 열변형보상장치(40)의 CNC쪽의 단자를 보면, CNC와 RS232통신이 가능하도록 하는 RS232포트와 DSP(digital signal processor : 49)의 내부에 삽입된 알고리즘의 변경을 위한 JTAG포트(51) 및 전원을 공급받기 위한 전원단자(53)를 구성한다. In addition, when looking at the terminal of the CNC side of the thermal strain compensation device 40, the RS232 port for enabling the RS232 communication with the CNC and the JTAG port 51 for changing the algorithm inserted into the DSP (digital signal processor: 49) And a power terminal 53 for receiving power.

이렇게 구성된 열변형보상장치(40)를 도 5를 참고하여 좀 더 상세히 설명한다. The heat distortion compensation device 40 configured as described above will be described in more detail with reference to FIG. 5.

도 5는 본 발명에 따른 열변형 보상장치를 상세히 설명하기 위한 도면이다. 5 is a view for explaining in detail the heat distortion compensation apparatus according to the present invention.

도 5의 열변형보상장치(40)의 내부 구성 블록도를 참고하여 열변형보상장치(40)의 동작을 상세히 설명한다. An operation of the heat deformation compensation device 40 will be described in detail with reference to an internal configuration block diagram of the heat deformation compensation device 40 of FIG. 5.

도 5를 참고하면, A/D변환부(48)는 공작기계의 온도센서(미도시)로부터 X축, Y축, Z축, 및 대기온도값을 각 입력부를 통해 입력받아 A/D변환한 후에 제어부(491)로 출력한다. 여기서, A/D변환부(48)는 열변형을 예측하기 위해 각 축의 온도와 대기온도를 측정하기 위해 16채널을 사용하며 입력범위, 샘플링주기, 변환채널의 설정은 RS232통신을 통해 CNC로부터 수신하여 설정치를 유동적으로 변경가능하다. A/D변환부(48)는 공작기계의 온도센서(미도시)로부터 출력되는 전압과 이에 해당하는 온도는 적용되는 온도센서에 따라 변경이 가능하므로 이를 고려하여 입력전압에 해당하는 온도가 유동적으로 설정가능하며 초기 입력범위는 0 ~ 3.3V의 전압값과 0 ~ 100도의 온도값으로 설정한다. 이때 입력되는 온도가 한계치를 초과하는 경우 제어부(491)는 LED제어부(47)로 발광제어신호를 출력한다. 그러면 LED 제어부(47)의 제어에 따라 LED가 발광된다. 그렇지 않은 경우 제어부(491)는 입력되는 온도값이 정상범위인 경우 그 값들을 열변형예측데이터산출부(492)로 출력한다. 열변형예측데이터산출부(492)는 열변형보상알고리즘으로 중선형 회귀모델과 신경회로망모델로 구성되어 입력되는 각 축의 온도데이터와 대기온도데이터를 이용해 열변형예측데이터를 산출할 수 있다. 열변형예측데이터산출부(492)는 온도를 측정하기 위한 샘플링주기마다 내부에 삽입된 알고리즘을 통해 입력된 온도에 대한 열변형 예측데이터를 산출하며 샘플링주기는 외부 CNC의 사용자에 의해 변경가능하도록 한다. 열변형예측데이터산출부(492)의 중선형 회귀모델은 어떤 현상이 변수들과의 인과관계에 의해 나타날 때 그 관계를 수학적으로 설명하기 위한 통계적인 방법이고 신경회로망은 학습방법으로 오류역전파법을 사용하는 다층 퍼셉트론 구조를 채택하는 방법이다. 이때, 열변형예측데이터산출부(492)는 두 가지의 모델을 사용하여 열변형예측데이터를 산출하는데 걸리는 연산소요시간을 최소화 하도록 알고리즘화 되었으며 인터럽트 발생시 CNC 사용자에 의해 선택된 모델로 분기하도록 설정되어 있다. 이렇게 하여 산출한 열변형예측데이터는 제어부(491)로 출력하고 제어부(491)는 RS232모듈부(50)를 통해 CNC로 전송하도록 제어한다. 이렇게 전송된 열변형예측데이터는 CNC로 전달되며 CNC는 공작기계의 가공중에 자동보상이 가능하도록 하는 보정기능을 도 6에 도시된 것처럼 실장한 상태이다. Referring to FIG. 5, the A / D conversion unit 48 receives an X-axis, a Y-axis, a Z-axis, and an atmospheric temperature value from each temperature input unit from a temperature sensor (not shown) of a machine tool, and performs A / D conversion. After that, it outputs to the control unit 491. Here, the A / D conversion unit 48 uses 16 channels to measure the temperature and air temperature of each axis to predict thermal deformation, and the setting of the input range, sampling period, and conversion channel is received from the CNC through RS232 communication. It is possible to change the set value flexibly. The A / D conversion unit 48 can change the voltage output from the temperature sensor (not shown) of the machine tool and the corresponding temperature according to the applied temperature sensor. The initial input range is set to 0 ~ 3.3V voltage value and 0 ~ 100 degrees temperature value. At this time, if the input temperature exceeds the threshold value, the controller 491 outputs the light emission control signal to the LED controller 47. Then, the LED emits light under the control of the LED controller 47. Otherwise, the controller 491 outputs the values to the heat deformation prediction data calculator 492 when the input temperature is in the normal range. The heat deformation prediction data calculation unit 492 is a heat deformation compensation algorithm, which is composed of a medium linear regression model and a neural network model, and may calculate heat deformation prediction data using temperature data and atmospheric temperature data of each axis. The heat deformation prediction data calculation unit 492 calculates heat deformation prediction data for the input temperature through an algorithm inserted therein for each sampling period for measuring temperature, and the sampling period is changeable by a user of an external CNC. . The midlinear regression model of the heat deformation prediction data calculation unit 492 is a statistical method for mathematically explaining a relationship when a phenomenon is represented by a causal relationship with variables. The neural network uses error backpropagation as a learning method. It is a method of adopting a multilayer perceptron structure. At this time, the thermal deformation prediction data calculation unit 492 is algorithmized to minimize the computation time required to calculate the thermal deformation prediction data using two models and is set to branch to the model selected by the CNC user when an interrupt occurs. . The heat deformation prediction data calculated in this way is output to the control unit 491, and the control unit 491 controls to transmit to the CNC through the RS232 module unit 50. The heat deformation prediction data thus transmitted is transferred to the CNC, and the CNC is in a state in which a correction function for enabling automatic compensation during machining of the machine tool is mounted as shown in FIG. 6.

도 6은 본 발명에 따른 열변형 보상이 실시간으로 이루어지는 과정을 설명하기 위한 화면상태도이다.6 is a screen state diagram for explaining a process of the heat distortion compensation according to the present invention in real time.

도 6을 보면, 공작기계 제어기 커널인 NC커널변수[예: $P_UIFR(…)] 및 링 크(Link)변수 [예: /Channel/UserFrame/LinShift(…)]를 접근할 수 있도록 사용자 코드(VC++)작성 및 HMI(Human Man Interface, CNC 화면영역)에 OEM서브모듈로 기능을 내장(임베디드)함으로 CNC에 실장한다. 그러면, 오프셋이 자동으로 변경되어 기계원점 오프셋값의 CNC파라메타가 자동변경되므로 이 값이 공작기계로 전달되어 제어되므로 가공중 실시간 열변형보상이 가능한 것이다. 이렇게 하여 실시간 열변형보상이 완료된 결과 발생하는 가공오차를 도 7에 도시하였다. Referring to FIG. 6, NC code variables (eg $ P_UIFR (…)] and link variables [eg, / Channel / UserFrame / LinShift (…)], which are machine tool controller kernels, can be accessed. VC ++) and built-in (embedded) the OEM submodule in HMI (Human Man Interface, CNC screen area). Then, the offset is automatically changed and the CNC parameter of the machine origin offset value is automatically changed, so that this value is transmitted to the machine tool and controlled so that real-time heat distortion compensation can be performed during machining. Thus, the machining error that occurs as a result of the completion of the real-time heat distortion compensation is shown in FIG.

도 7은 본 발명에 따른 보상장치에 의해 보상된 가공오차를 보여주는 그래프이다. 7 is a graph showing processing errors compensated by the compensation device according to the present invention.

도 7을 참고하면, 가로축은 가공시간이며 세로축은 가공오차를 나타낸다. 도 7에서, 가공시간이 지남에 따라 X축, Y축, Z축, 및 대기의 온도가 가공중 실시간으로 열변형이 보상되는 가공오차를 보여준다. 도 7에서와 같이 가공오차의 평균값이 3.9마이크로미터로 열변형 보상 이전에 도 3에서 보여준 가공오차의 평균인 16.5마이크로미터에 비해 상당히 개선됨을 알 수 있다. 따라서, 실시간의 열변형 보상이 이루어져 가공오차가 줄어 가공정밀도가 76.4% 개선된다. Referring to FIG. 7, the horizontal axis represents processing time and the vertical axis represents processing error. In FIG. 7, processing errors are shown in which the X-, Y-, Z-, and atmospheric temperatures compensate for thermal deformation in real time as the processing time passes. As shown in FIG. 7, the average value of the processing error is 3.9 micrometers, which is considerably improved compared to 16.5 micrometers, which is the average of the processing errors shown in FIG. 3 before the heat deformation compensation. Therefore, real-time heat distortion compensation is performed, which reduces machining error, thereby improving machining accuracy by 76.4%.

도 1은 열변형을 측정하기 위한 실험장치의 일예를 보여주는 구성도, 1 is a block diagram showing an example of an experimental apparatus for measuring the thermal deformation,

도 2는 열변형을 초래하는 온도변화를 보여주는 그래프, 2 is a graph showing a temperature change causing thermal deformation;

도 3은 열변형에 의한 가공오차를 보여주는 그래프,3 is a graph showing the processing error due to thermal deformation,

도 4는 본 발명에 일 실시예에 따른 열변형 보상장치의 내부에 탑재된 구성을 보여주는 구성도, 4 is a block diagram showing a configuration mounted inside the heat deformation compensation apparatus according to an embodiment of the present invention,

도 5는 본 발명에 따른 열변형 보상장치를 상세히 설명하기 위한 도면, 5 is a view for explaining in detail the heat distortion compensation apparatus according to the present invention,

도 6은 본 발명에 따른 열변형 보상이 실시간으로 이루어지는 과정을 설명하기 위한 화면상태도,6 is a screen state diagram for explaining a process in which the heat distortion compensation according to the present invention is performed in real time,

도 7은 본 발명에 따른 보상장치에 의해 보상된 가공오차를 보여주는 그래프. 7 is a graph showing processing errors compensated by the compensation device according to the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명DESCRIPTION OF THE REFERENCE NUMERALS

40 : 열변형보상장치 45 : 리셋키입력부40: heat distortion compensation device 45: reset key input unit

47 : LED제어부 48 : A/D변환부47: LED control unit 48: A / D conversion unit

49 : DSP 50 : RS232모듈부49: DSP 50: RS232 module

Claims (8)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 공작기계의 열변형을 보상하기 위한 보상장치에 있어서, In the compensation device for compensating for the heat deformation of the machine tool, 상기 공작기계의 열변형 보상기능을 탑재한 컨트롤러인 CNC; 및 CNC which is a controller equipped with a heat deformation compensation function of the machine tool; And 상기 공작기계의 각 축(X, Y, Z)과 대기온도값을 취득하도록 상기 공작기계의 3축 열변형 발생위치에 연결되고, 상기 CNC에는 열변형예측데이터를 출력하도록 연결된 열변형보상기를 포함하며, A thermal deformation compensator coupled to a three-axis heat deformation occurrence position of the machine tool to obtain respective axes (X, Y, Z) and an atmospheric temperature value of the machine tool, and the CNC is configured to output heat deformation prediction data. , 상기 열변형보상기는 상기 공작기계의 각 축(X, Y, Z)의 온도값과 대기온도값을 각각 입력받아 A/D변환하는 A/D변환부와, 상기 A/D변환부로부터 입력받은 온도데이터로부터 중선형 회귀모델과 신경회로망모델로 구성된 알고리즘을 이용하여 열변형예측데이터를 산출하는 디지털신호처리부; 및 상기 산출된 열변형예측데이터를 상기 CNC로 송신하기 위한 RS232모듈부를 포함하며, 외부에 LED표시부를 더 포함하고,The heat distortion compensator is an A / D conversion unit for receiving the temperature value and the atmospheric temperature value of each axis (X, Y, Z) of the machine tool, respectively, A / D conversion, and received from the A / D conversion unit A digital signal processor for calculating thermal deformation prediction data using an algorithm consisting of a medium linear regression model and a neural network model from temperature data; And an RS232 module unit for transmitting the calculated heat deformation prediction data to the CNC, and further comprising an LED display unit externally. 상기 열변형보상기는, 상기 입력되는 온도값이 정상범위인지 아닌지에 따라 서로 다른 색으로 상기 LED를 발광하도록 제어하는 LED제어부를 포함하며, 외부에 장치 초기화를 위한 리셋키를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 열변형 실시간 보상장치. The heat distortion compensator includes an LED controller for controlling the LED to emit light in different colors according to whether the input temperature is within a normal range, and further including a reset key for initializing the device. Heat deformation real-time compensation device of the machine tool. 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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