KR101867226B1

KR101867226B1 - 머시닝센터에 구비되는 볼스크류의 열변위 보정장치 및 방법

Info

Publication number: KR101867226B1
Application number: KR1020170044547A
Authority: KR
Inventors: 김성훈
Original assignee: 김성훈
Priority date: 2017-04-06
Filing date: 2017-04-06
Publication date: 2018-06-12

Abstract

본 발명에 따른 머시닝 센터에 설치되는 볼 스크류의 열변위 보정장치는 X축 및 Y축 볼 스크류의 이송속도를 검출하는 이송속도 검출부와, 볼 스크류의 이송속도 변화를 검출하는 미분기와, 볼 스크류의 초기 길이를 저장하는 메모리와, 상기 이송속도의 변화를 기초로 볼 스크류의 열변위 보정값을 계산하는 열변위 계산부를 포함한다.
본 발명에 따른 머시닝 센터에 설치되는 볼 스크류의 열변위 보정방법은 볼 스크류의 이송속도를 검출하는 단계와, 상기 볼 스크류의 이송속도로부터 이송주기를 계산하는 단계와, 상기 이송주기에 기초하여 미리 설정된 주기값 이하의 급속 운전영역과 미리 설정된 주기값 이상의 저속 운전영역으로 설정하는 단계와, 상기 급속 운전영역에는 상승 열변위 보정값을 적용하고, 저속 운전영역에는 하강 열변위 보정값을 적용하는 단계를 포함한다.

Description

머시닝센터에 구비되는 볼스크류의 열변위 보정장치 및 방법{Thermal deformation correction apparatus and correction method for ball screw of machining centers}

본 발명은 머시닝센터의 운전 중에 발생하는 볼스크류의 열변위 보정장치 및 열변위 보정방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 머시닝센터의 운전시간 및 운전환경에 따라 머시닝센터에 구비된 볼스크류의 열변형을 보정하여 가공물의 정밀도를 향상시킬 수 있는 열변위 보정장치 및 열변위 보정방법에 관한 것이다.

머시닝 센터는 자동공구 교환장치를 가지고 있으며, 프로그램에 따라 가공물을 가공하는 수치제어 전기기계장치로서, 하부에 X,Y축으로 동작하는 테이블이 구비되어 있으며, 상부에 Z축으로 동작하는 주축을 포함하여 이루어져 있다. 머시닝 센터의 테이블이 X, Y축으로 이동하기 위하여 테이블에는 볼스크류가 구비된다.

상기 볼스크류는 마찰 저항, 서보 모터의 발열 등에 기인하여 온도가 상승하게 되고 이에 따라 상기 볼스크류는 열적 변위가 발생하게 된다. 이와 같은 볼스크류의 열변위는 높은 정밀도가 요구되는 머시닝 센터의 테이블의 위치 오차를 발생시킨다.

이러한 오차를 줄이기 위하여, 소정 시간동안 공운전을 하는 방법이 있다. 이 방법은 볼 스크류의 열변위가 최대치에 도달하는 1시간 가량 공운전하고 난 이후에 실가공을 하는 방법이다.

공운전 없이 실가공을 하는 방법으로서, 시간에 따라 일정한 보정량을 추가하는 방법이 있다. 이 방법은 머시닝센터의 절삭유량, 운전속도, 운전시간, 베어링 팽창 등과 같은 운전환경을 전혀 고려하지 않고 고정된 변위량으로 볼스크류의 열변위를 보정하고 있다.

공개특허공보 제10-2014-0049153호의 볼 스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치 및 열변위 방지방법 공개특허공보 제10-2015-0050261호의 공작기계의 볼 스크류의 열변위 보정장치 및 방법 공개특허공보 제10-2014-0092078호의 머시닝 센터 볼 스크류의 열변위 보정방법 등록특허공보 제10-0543880호의 이송용 볼 스크류의 열변형을 줄이기 위한 예압 조정장치

본 발명은 머시닝 센터에 구비된 볼 스크류의 열변위량을 운전환경에 맞게 보정할 수 있는 머시닝 센터 볼 스크류의 열변위 보정방법을 제공하려는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 언급한 과제로 제한되지 않는다. 언급하지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 머시닝 센터에 설치되는 볼 스크류의 열변위 보정장치는 X축 및 Y축 볼 스크류의 이송속도를 검출하는 이송속도 검출부와, 볼 스크류의 이송속도 변화를 검출하는 미분기와, 볼 스크류의 초기 길이를 저장하는 메모리와, 상기 이송속도의 변화를 기초로 볼 스크류의 열변위 보정값을 계산하는 열변위 계산부를 포함한다.

또한 상기 열변위 계산부는 미리 설정된 제1 주기값과 미리 설정된 제2 주기값을 갖으며, 상기 제1 주기값 보다 낮은 이송주기값을 갖는 영역에서는 급속 운전영역으로 설정되고, 상기 제2 주기값 보다 큰 이송주기값을 갖는 영역에서는 저속 운전영역으로 설정되며, 상기 급속 운전영역에는 상승 열변위 보정값을 적용하고, 저속 운전영역에서는 하강 열변위 보정값을 적용된다.

본 발명에 따른 머시닝 센터에 설치되는 볼 스크류의 열변위 보정방법은 볼 스크류의 이송속도를 검출하는 단계와, 상기 볼 스크류의 이송속도로부터 이송주기를 계산하는 단계와, 상기 이송주기에 기초하여 미리 설정된 주기값 이하의 급속 운전영역과 미리 설정된 주기값 이상의 저속 운전영역으로 설정하는 단계와, 상기 급속 운전영역에는 상승 열변위 보정값을 적용하고, 저속 운전영역에는 하강 열변위 보정값을 적용하는 단계를 포함한다.

추가적으로, 상기 급속 운전영역과 저속 운전영역 사이에는 유지 운전영역이 설정되며, 상기 유지 운전영역에는 이전의 상승 열변위 보정값 또는 하강 열변위 보정값을 적용된다.

실시예로서, 상기 상승 열변위 보정값과 하강 열변위 보정값은

에 의해 계산된다.

여기서, β는 볼 스크류의 선팽창 계수이고, θ는 볼 스크류의 온도 상승값이며, L은 최초 측정된 볼 스크류의 축 방향 길이이고, M은 볼 스크류의 임의의 위치의 길이이다.

실시예로서, 상기 상승 열변위 보정값에 적용되는 열변화는

의해 계산된다.

여기서, F는 볼 스크류 홈면에 작용하는 접선방향의 마찰력이고, V는 볼 스크류의 접선방향의 속도(m/h)이며, J는 열의 일당량(427kgfm/Kcal)이고, A는 방열면적(m²)이며, t는 운전시간(h)이고, α는 볼 스크류의 표면 열 전달율(Kcal/m²h℃)이며, CM은 열용량(Kcal/℃)이다.

실시예로서, 상기 하강 열변위 보정값에 적용되는 열변화는

에 의해 계산된다.

본 발명에 따르면, 볼 스크류의 구동 시에 온도 상승에 대응하는 열변위 보정값을 볼 스크류의 회전량을 보정하여 보다 정밀한 공작물을 가공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 열변위 보정장치를 나태낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 상승 열변위 보정값과 하강 열변위 보정값을 적용하는 것을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 열변위 보정방법을 나타낸 흐름도이다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 머시닝 센터의 볼스크류의 열변위 보정방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 머시닝 센터는 하측에 가공물이 안착되는 테이블이 구비되어 있고, 상측에는 작업공구가 장착되는 척이 구비되어 있다. 상기 테이블의 하부에는 테이블을 X축 및 Y축으로 이동가능하게 하는 볼 스크류가 설치되어 있다. 그리고 척은 Z축으로 이동가능하게 설치되며, 또한 척은 회전가능하도록 설치된다.

머시닝 센터를 사용하여 작업을 하는 경우, 보통의 경우에 테이블의 이송에 따른 열의 발생이 미미하지만 급속 이송의 경우 열의 발생량이 증가하게 된다. 그러나 급속 이송은 전체 작업공정에서 대략 10~20%정도를 차지한다. 또한 급속 이송은 전체 작업공정에서 일정 시간에만 일어나는 것이 아니라 간헐적으로 발생할 수 있다. 이러한 급속 이송에 따라 볼 스크류에는 열이 발생하고 되고, 결국 볼 스크류의 길이가 늘어나게 된다. 본 발명에서는 때문에 급속 이송이 일어난 이후에 볼 스크류의 열변위 보정을 수행한다.

도 1은 본 발명에 따른 열변위 보정장치를 나태낸 것이다.

본 발명에 따른 볼 스크류의 열변위 보정장치는 X축 및 Y축 볼 스크류의 이송속도를 검출하는 이송속도 검출부(100)와, 볼 스크류의 이송속도 변화를 검출하는 미분기(200)와, 볼 스크류의 초기 길이를 저장하는 메모리(300)와, 상기 이송속도의 변화를 기초로 볼 스크류의 열변위 보정값을 계산하는 열변위 계산부(400)를 포함한다.

상기 이송속도 검출부(100)는 볼 스크류의 이송속도를 검출한다. 실시예로서 X축 볼 스크류의 회전속도와 Y축 볼 스크류의 회전속도로부터 볼 스크류의 이송속도를 검출한다. 이와 같이 X축과 Y축을 분리하여 검출함으로써 볼 스크류와 결합된 작업 테이블의 정확한 위치변화를 보정할 수 있다.

상기 미분기(200)는 볼 스크류의 이송속도의 변화를 검출한다. 볼 스크류에서 작업 테이블의 이동은 일측에서 타측으로 움직이게 된다. 이송 속도의 변곡은 볼 스크류에서 작업 테이블의 이동방향이 일측에서 타측으로 또는 타측에서 일측으로 변화됨을 의미한다. 이와 같은 작업 테이블의 이동방향의 변화를 검출함으로써 볼 스크류의 이송 맥파를 산출할 수 있다. 미분기는 이송맥파로부터 볼 스크류의 이송주기를 계산하고 그 결과를 열변위 계산부로 출력한다.

상기 메모리(300)는 볼 스크류의 최초 길이를 저장한다. 볼 스크류의 최초 길이는 볼 스크류의 열적 변화에 따른 길이의 변위를 계산하는데 기초 데이터로 활용된다.

본 발명에 따른 열변위 계산부(400)는 볼 스크류의 최초 길이값에 근거하여 운전에 따른 볼 스크류의 길이변위를 계산한다. 앞서 설명한 바와 같이 급속이송은 운전시간 중 약 10~20% 정도이고, 볼 스크류의 열변위는 급속이송에 의해 발생된다. 이에 따라 볼 스크류의 열변위는 이송 맥파로부터 산출된 이송주기를 기초로 계산된다. 이송주기가 짧다는 것은 빠른 이송을 의미하고, 이송주기가 크다는 것은 느린 이송을 의미한다.

본 발명에서는 미리 설정된 제1 주기값과 미리 설정된 제2 주기값이 설정된다. 실시예로서 제1 주기값 보다 낮은 이송주기값을 갖는 영역에서는 급속 운전영역으로 설정되고, 제2 주기값 보다 큰 이송주기값을 갖는 영역에서는 저속 운전영역으로 설정되며, 제1 주기값 보다 크고 제2 주기값 보다 작은 주기값을 갖는 영역에서는 유지 운전영역으로 설정된다.

상기 열변위 계산부는 급속 운전영역에는 상승 열변위 보정값을 적용하고, 저속 운전영역에서는 하강 열변위 보정값을 적용한다. 여기서 일반 운전영역에서는 일정 수준의 온도가 유지되는 영역이어서, 이전의 상승 열변위 보정값 또는 하강 열변위 보정값을 적용한다. 다시 말하면, 저속 운전영역에서 유지 운전영역으로 바뀌는 시점의 보정값을 적용하거나 고속 운전영역에서 유지 운전영역으로 바뀌는 시점의 보정값을 적용한다.

이하, 볼 스크류의 열변위에 따른 보정값을 산출하는 것에 대하여 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 열변위 보정방법을 나타낸 흐름도이다.

본 발명에 따른 열변위 보정방법은 볼 스크류의 이송속도를 검출하는 단계와, 상기 볼 스크류의 이송속도로부터 이송주기를 계산하는 단계와, 상기 이송주기에 기초하여 미리 설정된 주기값 이하의 급속 운전영역과 미리 설정된 주기값 이상의 저속 운전영역으로 설정하는 단계와, 상기 급속 운전영역에는 상승 열변위 보정값을 적용하고, 저속 운전영역에는 하강 열변위 보정값을 적용하는 단계를 포함한다.

머시닝 센터의 작업 테이블에 공작물을 위치시키고, 운전을 시작하면 작업 테이블은 X축 및 Y축 볼 스크류의 구동에 의해 위치가 결정된다. 이때, 이송속도 검출부는 X축 및 Y축 볼 스크류의 구동장치에 인가되는 구동 신호로부터 볼 스크류의 회전속도를 검출한다.

이송속도가 검출되면, 미분기는 이송속도로부터 이송맥파을 산출하고 이송맥파로부터 이송주기를 계산한다. 이와 같이 계산된 이송주기는 열변위 계산부로 출력된다. 열변위 계산부는 전송된 이송주기와 메모리부에 저장된 최초 볼 스크류의 길이값을 기초로 급속 운전영역에는 상승 열변위 보정값을 적용하고, 저속 운전영역에는 하강 열변위 보정값을 적용한다.

본 발명에 따른 볼 스크류의 보정값은 아래 〈수식 1〉과 같이 계산된다.

〈수식 1〉

머시닝 센터에 설치된 볼 스크류의 온도 상승값은 아래 〈수식 2〉에 따른다.

〈수식 2〉

즉, 볼 스크류의 온도 상승은 운전시간에 따라 상승하며, 일정 수준의 온도에 도달하면 더 이상 온도는 상승하지 않는다.

한편 머시닝 센터에 설치된 볼 스크류의 온도 하강값은 아래 〈수식 3〉에 따른다.

〈수식 3〉

도 2는 본 발명에 따른 상승 열변위 보정값과 하강 열변위 보정값을 적용하는 것을 나타낸 것이다.

도면에서 보듯, 머시닝 센터를 구동하면 시간이 지남에 따라 점차적으로 온도가 상승한다. 이러한 온도의 상승으로부터 머시닝 센터는 급속 운전영역에 있음을 나타내고, 상승 열변위 보정값이 적용된다(AA).

이 후, 운전이 정지되거나 저속으로 볼 스크류가 동작하게 되면, 저속 운전영역에 있게 되며, 도면의 “BB”와 같이 하강 열변위 보정값이 적용된다

한편 볼 스크류의 동작이 저속운전과 급속운전 사이의 회전량으로 동작하게 되면, 하강하던 온도가 정지된 상태에서 유지하게 되고(CC), 다시 운전량이 급증하여 볼 스크류가 빠르게 동작하면 급속 운전영역의 온도 상승을 갖게 된다(DD).

이와 같이 계산된 볼 스크류의 열변위 보정값은 머시닝 센터의 구동 시 볼 스크류의 회전량을 보정하여 보다 정밀한 공작물을 가공할 수 있다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

100 : 이송속도 검출부
200 : 미분기
300 : 메모리
400 : 열변위 계산부

Claims

X축 및 Y축 볼 스크류의 이송속도를 검출하는 이송속도 검출부와,
볼 스크류의 이송속도 변화를 검출하는 미분기와,
볼 스크류의 초기 길이를 저장하는 메모리와,
상기 이송속도의 변화를 기초로 볼 스크류의 열변위 보정값을 계산하는 열변위 계산부를 포함하고,
상기 열변위 계산부는 미리 설정된 제1 주기값과 미리 설정된 제2 주기값을 갖으며, 상기 제1 주기값 보다 낮은 이송주기값을 갖는 영역에서는 급속 운전영역으로 설정되고, 상기 제2 주기값 보다 큰 이송주기값을 갖는 영역에서는 저속 운전영역으로 설정되며,
상기 급속 운전영역에는 상승 열변위 보정값을 적용하고, 저속 운전영역에서는 하강 열변위 보정값을 적용하는 것을 특징으로 하는 머시닝 센터에 설치되는 볼 스크류의 열변위 보정장치.
삭제
볼 스크류의 이송속도를 검출하는 단계와,
상기 볼 스크류의 이송속도로부터 이송주기를 계산하는 단계와,
상기 이송주기에 기초하여 미리 설정된 주기값 이하의 급속 운전영역과 미리 설정된 주기값 이상의 저속 운전영역으로 설정하는 단계와,
상기 급속 운전영역에는 상승 열변위 보정값을 적용하고, 저속 운전영역에는 하강 열변위 보정값을 적용하는 단계를 포함하고,
상기 급속 운전영역과 저속 운전영역 사이에는 유지 운전영역이 설정되며, 상기 유지 운전영역에는 이전의 상승 열변위 보정값 또는 하강 열변위 보정값을 적용하는 것을 특징으로 하는 머시닝 센터에 설치되는 볼 스크류의 열변위 보정방법.
삭제
청구항 3에 있어서,
상기 상승 열변위 보정값과 하강 열변위 보정값은 아래 〈수식 1〉에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 머시닝 센터에 설치되는 볼 스크류의 열변위 보정방법.
〈수식 1〉

여기서, β는 볼 스크류의 선팽창 계수이고, θ는 볼 스크류의 온도 상승값이며, L은 최초 측정된 볼 스크류의 축 방향 길이이고, M은 볼 스크류의 임의의 위치의 길이이다.
청구항 5에 있어서,
상기 상승 열변위 보정값에 적용되는 열변화는 아래 〈수식 2〉에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 머시닝 센터에 설치되는 볼 스크류의 열변위 보정방법.
〈수식 2〉

여기서, F는 볼 스크류 홈면에 작용하는 접선방향의 마찰력이고, V는 볼 스크류의 접선방향의 속도(m/h)이며, J는 열의 일당량(427kgfm/Kcal)이고, A는 방열면적(m²)이며, t는 운전시간(h)이고, α는 볼 스크류의 표면 열 전달율(Kcal/m²h℃)이며, CM은 열용량(Kcal/℃)이다.
청구항 5에 있어서,
상기 하강 열변위 보정값에 적용되는 열변화는 아래 〈수식 3〉에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 머시닝 센터에 설치되는 볼 스크류의 열변위 보정방법.
〈수식 3〉

여기서, F는 볼 스크류 홈면에 작용하는 접선방향의 마찰력이고, V는 볼 스크류의 접선방향의 속도(m/h)이며, J는 열의 일당량(427kgfm/Kcal)이고, A는 방열면적(m²)이며, t는 운전시간(h)이고, α는 볼 스크류의 표면 열 전달율(Kcal/m²h℃)이며, CM은 열용량(Kcal/℃)이다.