KR102196244B1 - 3차원 가공면 치수 동시 측정 장치 및 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 3차원 가공면 치수 동시 측정 방법은 평면 형상의 베이스부에 검사하고자 하는 3차원 가공면을 가진 피가공물을 고정하는 제1단계, 액츄에이터를 이용하여 상기 피가공물의 3차원 가공면 형상과 동일한 형상으로 이루어진 측정용 프루브를 3차원 가공면을 향하는 방향인 제1방향으로 이동시켜 상기 3차원 가공면에 측정용 프루브를 접촉시키는 제2단계, 및 상기 3차원 가공면에 측정용 프루브가 접촉된 상태에서 상기 3차원 가공면의 치수를 동시에 측정하고, 상기 측정결과를 미리 정해진 기준값과 대비하여 불량인 치수를 판단하는 제3단계를 포함하되, 상기 액츄에이터와 측정용 프루브 사이에는 상기 측정용 프루브의 이동에 따라 3축 방향으로의 변위를 발생시키면서 3축 방향 각각의 변위량을 측정하는 3축 변위 측정부가 결합된 것을 특징으로 한다.

Description

3차원 가공면 치수 동시 측정 장치 및 측정 방법{Apparatus and Method for Measuring 3 dimensional Woked Surface}

본 발명은 3차원 가공면 치수 동시 측정 장치 및 측정 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 3차원 형상의 가공면에 치수 측정용 프루브를 접촉시키는 것에 의하여 상기 가공면의 3차원 치수에 대한 불량 여부를 동시에 측정 가능하도록 구성됨으로써 자동차의 변속부품 등과 같이 MCT와 같은 가공장치를 이용하여 가공된 3차원 형상의 가공면에 대한 정밀 치수를 신속하고 정확하게 측정하기 위한 3차원 가공면 치수 동시 측정 장치 및 측정 방법에 관한 것이다.

머시닝센터(Machining center, 이하 'MCT'라 함)는 자동 공구교환 장치를 부착해 여러 공정의 연속적인 작업을 자동으로 공구를 교환하면서 공작물을 가공하는 공작기계이며, 컴퓨터를 통한 거리수치입력 및 회전수 지령 등을 통하여 공작물을 가공하는 장비로써 현재는 3축 가공의 보급이 활성화 되어 있고 4축 가공, 5축 가공 등의 정밀 가공기계들도 개발, 보급, 제작되고 있다.

이러한 MCT에 의해 클러치 부품, 콤프레샤 부품, 조향 부품 등 다양한 종류의 자동차 부품, 전기/전자 부품들에 대한 가공이 이루어지는데, 이들 중 특히 곡면과 같은 3차원 형상의 가공면은 다른 부품과의 결합을 위하여 이루어지는 것이 일반적이기 때문에 가공 품질의 안정을 위해서는 상기 3차원 형상 가공면이 정상적으로 가공되었는지 여부를 검사하는 불량 검사과정이 필수적이다.

종래에는 상기 불량 검사과정이 생산부품의 생산 사이클과 검사 사이클의 비대칭으로 인한 검사 로스(Loss) 발생을 최소화하기 위하여 주로 샘플링 검사방식으로 진행되었으나, 샘플링 방식의 특성상 불량제품의 혼입 가능성이 높고 불량이 검출되는 경우에도 소수의 제품불량보다 롯트(Lot)성 다수의 불량이 발생되므로 이로 인해 생산중지 및 재생산으로 인한 기업의 손실이 발생되는 문제점이 있었다.

따라서, 근래에는 공장에서 생산되는 전체 피가공물에 대하여 전용 검사장치를 이용하여 관리 치수에 대한 전수검사가 주로 이루어지고 있는데, 이러한 전용 검사장치에 대한 구체적인 구성은 하기 [문헌 1] 등에 상세히 개시되어 있다.

그러나, 하기 [문헌 1]에 따른 검사장치의 경우 피가공물에 대한 탭가공의 불량 여부를 검사하는 장치이기 때문에 3차원 형상의 가공면에 대한 치수 검사에 적용될 수 없는 단점이 있다.

이를 보완하기 위하여, 최근에는 카메라를 이용한 광학적 방식이나 가공면을 따라 이동하는 프루브 팁의 변위를 측정하여 3차원 가공면의 정밀 치수를 측정하는 방식이 제안되었으나, 전자의 경우 장치의 구성에 많은 비용이 소요될 뿐만 아니라 치수 측정의 정밀도가 저하되는 문제점이 있고, 후자의 경우 치수 측정에 과도한 시간이 소요되어 생산성을 저하시키는 문제점이 있었다.

[문헌 1] 한국등록특허 제10-0728092호(2007. 4. 9. 공개)

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 3차원 형상의 가공면에 치수 측정용 프루브를 접촉시키는 것에 의하여 상기 가공면의 3차원 치수에 대한 불량 여부를 동시에 측정 가능하도록 구성됨으로써 자동차의 변속부품 등과 같이 MCT와 같은 가공장치를 이용하여 가공된 3차원 형상의 가공면에 대한 정밀 치수를 신속하고 정확하게 측정할 수 있는 3차원 가공면 치수 동시 측정 장치 및 측정 방법을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 3차원 가공면 치수 동시 측정 장치는 검사하고자 하는 3차원 가공면을 가진 피가공물이 고정되는 베이스부, 일측 단부가 상기 피가공물의 3차원 가공면 형상과 동일한 형상으로 이루어진 측정용 프루브, 일측 단부가 상기 측정용 프루브의 타측 단부에 결합되고, 상기 측정용 프루브의 이동에 따라 3축 방향으로의 변위를 발생시키면서 3축 방향 각각의 변위량을 측정하는 3축 변위 측정부, 및 상기 3축 변위 측정부의 타측 단부에 결합되어 상기 측정용 프루브가 상기 3차원 가공면에 접촉하도록 상기 측정용 프루브를 3차원 가공면을 향하는 방향인 제1방향으로 이동시키는 액츄에이터부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 3축 변위 측정부는, 일측이 상기 액츄에이터부에 결합되어 액츄에이터부에 의해 상기 제1방향으로 이동하는 제1변위모듈, 상기 제1방향과 수직한 제2방향으로 이동가능하도록 상기 제1변위모듈의 일측에 결합된 제2변위모듈, 상기 제1방향 및 제2방향과 수직한 제3방향으로 이동가능하도록 상기 제2변위모듈의 일측에 결합한 제3변위모듈, 상기 제1변위모듈, 제2변위모듈, 제3변위모듈 또는 베이스부 중 적어도 어느 하나에 설치되어 상기 제1,2,3변위모듈의 변위량을 측정하는 3축 변위 측정모듈, 및 상기 3축 변위 측정모듈의 측정결과를 미리 정해진 기준값과 대비하여 불량인 치수를 판단하는 불량판단모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 3차원 가공면 치수 동시 측정 방법은 평면 형상의 베이스부에 검사하고자 하는 3차원 가공면을 가진 피가공물을 고정하는 제1단계, 액츄에이터부를 이용하여 상기 피가공물의 3차원 가공면 형상과 동일한 형상으로 이루어진 측정용 프루브를 3차원 가공면을 향하는 방향인 제1방향으로 이동시켜 상기 3차원 가공면에 측정용 프루브를 접촉시키는 제2단계, 및 상기 3차원 가공면에 측정용 프루브가 접촉된 상태에서 상기 3차원 가공면의 치수를 동시에 측정하고, 상기 측정결과를 미리 정해진 기준값과 대비하여 불량인 치수를 판단하는 제3단계를 포함하되, 상기 액츄에이터부와 측정용 프루브 사이에는 상기 측정용 프루브의 이동에 따라 3축 방향으로의 변위를 발생시키면서 3축 방향 각각의 변위량을 측정하는 3축 변위 측정부가 결합된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기준값은 제1단계를 수행하기 이전에 상기 베이스에 피가공물과 동일한 형상의 마스터를 고정하고, 상기 측정용 프루브를 마스터의 가공면에 접촉시켜 상기 3축 변위 측정부에 의해 얻어진 3축 방향 변위량인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 3차원 가공면 치수 동시 측정 장치 및 측정 방법은 일측 단부에 측정용 프루브가 결합되고 타측 단부에 액츄에이터부가 결합되어 상기 액츄에이터부에 의해 측정용 프루브를 가공면과 접촉하도록 이동시킬 경우 상기 측정용 프루브의 이동에 따라 3축 방향으로의 변위를 발생시키면서 3축 방향 각각의 변위량을 측정하는 3축 변위 측정부에 의하여 3차원 형상의 가공면에 치수 측정용 프루브를 접촉시키는 것만으로도 상기 가공면의 3차원 치수에 대한 불량 여부를 동시에 측정 가능하도록 구성됨으로써 자동차의 변속부품 등과 같이 MCT와 같은 가공장치를 이용하여 가공된 3차원 형상의 가공면에 대한 정밀 치수를 신속하고 정확하게 측정할 수 있는 장점이 있다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 가공면 측정 방법을 설명하기 위한 공정도,
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 가공면 측정 방법에 따라 3차원 가공면의 치수를 측정하기 위한 장치의 구성을 설명하기 위한 사시도,
도3은 도2에 도시한 측정 장치가 피가공물의 3차원 가공면을 측정하는 상태에서의 A-A부에 대한 단면도, 및
도4와 도5는 각각 도3의 B-B부와 도4의 C-C부에 대한 단면도이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 이용하여 상세히 설명하기로 한다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 가공면 측정방법을 설명하기 위한 공정도이고, 도2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 가공면 측정 방법에 따라 3차원 가공면의 치수를 측정하기 위한 장치의 구성을 설명하기 위한 사시도이다.
또한, 도3은 도2에 도시한 측정 장치가 피가공물의 3차원 가공면을 측정하는 상태에서의 A-A부에 대한 단면도이고, 도4와 도5는 각각 도3의 B-B부와 도4의 C-C부에 대한 단면도이다.

본 발명에 따른 3차원 가공면 치수 동시 측정 방법은 평면 형상의 베이스부(10)에 검사하고자 하는 3차원 가공면(21)을 가진 피가공물(20)과 동일한 형상의 마스터(미도시)를 고정하고(S10), 후술하는 측정장치의 액츄에이터부(30)를 이용하여 측정용 프루브(50)를 3차원 가공면을 향하는 방향인 제1방향으로 이동시켜 상기 마스터의 3차원 가공면에 접촉시키고 3축 변위 측정부(40,51,52,53)를 이용하여 3축 방향 변위를 측정하여 기준값을 얻는다(S20).

상기 S20 단계에 의하여 기준값이 얻어진 이후에는 실제 검사하고자 하는 3차원 가공면(21)을 가진 피가공물(20)(즉, 피측정물)을 상기 베이스부(10)에 고정한 후(S30), 후술하는 측정장치의 액츄에이터부(30)를 이용하여 측정용 프루브(50)를 상기 제1방향으로 이동시켜 상기 피가공물의 3차원 가공면에 접촉시키고 3축 변위 측정부(40,51,52,53)를 이용하여 3축 방향 변위를 측정한다(S40).

S40 단계가 완료되면, 상기 S40 단계에서 측정된 3축 방향 변위를 상기 S20 단계에서 측정된 기준값과 대비하여 피가공물(20)의 3차면 가공면(21)이 불량인지 여부를 판단하게 된다(S50).

이를 위하여, 상기 측정장치는 액츄에이터부(30)와 측정용 프루브(50) 사이에는 상기 측정용 프루브(50)의 이동에 따라 3축 방향으로의 변위를 발생시키면서 3축 방향 각각의 변위량을 측정하는 3축 변위 측정부(40,51,52,53)가 결합된 것을 특징으로 한다.

구체적으로는, 본 발명에 따른 3차원 가공면 치수 동시 측정 방법에 사용되는 3차원 가공면 측정장치는 검사하고자 하는 3차원 가공면(21)을 가진 피가공물(20)이 고정되는 베이스부(10), 일측 단부가 상기 피가공물의 3차원 가공면(21) 형상과 동일한 형상으로 이루어진 측정용 프루브(50), 일측 단부가 상기 측정용 프루브(50)의 타측 단부에 결합되고, 상기 측정용 프루브(50)의 이동에 따라 3축 방향으로의 변위를 발생시키면서 3축 방향 각각의 변위량을 측정하는 3축 변위 측정부(40,51,52,53), 및 상기 3축 방향 변위 측정부(40,51,52,53)의 타측 단부에 결합되어 상기 측정용 프루브(50)가 상기 3차원 가공면(21)에 접촉하도록 상기 측정용 프루브(50)를 3차원 가공면(21)을 향하는 방향인 제1방향으로 이동시키는 액츄에이터부(30)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 실시예의 경우 상기 피가공물(20)은 일예로서 검사하고자 하는 가공면이 상부를 향하도록 상기 베이스부(10)에 고정되는데, 이를 위하여 상기 베이스부(10)에는 피가공물을 고정시키기 위한 한 쌍의 고정용 지그(11,12)가 설치되어 있다.

또한, 상기 측정용 프루브(50)는 상기 베이스부(10)의 상면에 수직한 봉 형상으로 구성되는데, 상기와 같은 구성에 의하여 본 실시예의 경우 상기 측정용 프루브(50)는 액츄에이터부(30)의 동작에 의하여 베이스부(10)의 상면과 수직한 방향인 제1방향으로 이동하게 된다.

또한, 상기 액츄에이터부(30)는 3축 방향 변위 측정부(40,51,52,53)에 결합된 단부가 상기 제1방향으로 승강할 수 있도록 구성되는데, 본 실시예에서는 일예로서 상기 액츄에이터부(30)는 통상의 유압 실린더 또는 전동 실린더 등을 이용하여 바람직하게 구성될 수 있다.

또한, 상기 3축 변위 측정부(40,51,52,53)는 3축 변위모듈(40)과 상기 3축 변위모듈(40)의 변위량을 측정하는 3축 변위 측정모듈(51,52,53)을 포함하여 구성된다.
이때, 상기 3축 변위모듈(40)은, 일측이 상기 액츄에이터부(30)의 단부에 결합되어 액츄에이터부(30)에 의해 상기 제1방향으로 이동하는 제1변위모듈(41), 상기 제1방향과 수직한 제2방향으로 이동가능하도록 상기 제1변위모듈(41)의 일측에 결합된 제2변위모듈(42), 및 상기 제1방향 및 제2방향과 수직한 제3방향으로 이동가능하도록 상기 제2변위모듈(42)의 일측에 결합한 제3변위모듈(43)을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 3축 변위 측정모듈(51,52,53)은 3축 변위모듈(40) 또는 베이스부(10) 중 적어도 어느 하나에 설치되어 상기 제1,2,3변위모듈(41,42,43)의 변위량을 측정하게 된다.

이때, 상기 제1변위모듈(41)은 본 실시예의 경우 일예로서 상부면이 상기 액츄에이터부(30)의 단부에 결합된 평판의 양측에 상기 제1방향으로 레그가 연장되어 형성된 대략 'ㄷ'자 형상으로 구성된다.

상기와 같은 구성에 의하여 상기 제1변위모듈(41)은 액츄에이터부(30)가 승강할 경우 이에 연동하여 상기 측정용 프루브(50)와 함께 제1방향을 따라 승강하도록 구성된다.

또한, 상기 제1변위모듈(41)의 양측 레그의 내부에는 도4에 도시한 바와 같이 제2변위모듈(42)이 제2방향을 따라 이동할 수 있도록 가이드하는 한 쌍의 제1가이드 레일(41a)이 형성되어 있다.

또한, 상기 제2변위모듈(42)은 본 실시예의 경우 일예로서 양측 단부가 상기 제1변위모듈(41)의 양측 레그의 내측면에 결합되는 평판 형상으로 구성되는데, 이를 위하여 상기 제2변위모듈(42)의 양측 단부에는 각각 상기 제1변위모듈(41)의 양측 레그에 형성된 제1가이드 레일(41a)에 결합되는 제1가이드 롤러(42b)가 설치되어 있다.

상기와 같은 구성에 의하여 상기 제2변위모듈(42)은 후술하는 바와 같이 측정 프루브(50)의 단부가 3차원 가공면(21)에 접촉할 때 발생되는 제2방향의 변위에 따라 상기 제1가이드 레일(41a)을 따라 제1가이드 롤러(42b)가 회전하면서 변위를 발생시키게 된다.

또한, 상기 제3변위모듈(43)은 본 실시예의 경우 일예로서 상부면이 상기 제2변위모듈(42)의 하부면에 결합되는 평판 형상으로 구성되는데, 이를 위하여 상기 제3변위모듈(42)의 상부면에는 상기 제2변위모듈(41)의 하부면에 형성된 제2가이드 레일(42a)에 결합되는 제2가이드 롤러(43b)가 설치되어 있다.

상기와 같은 구성에 의하여 상기 제3변위모듈(43)은 후술하는 바와 같이 측정 프루브(50)의 단부가 3차원 가공면(21)에 접촉할 때 발생되는 제3방향의 변위에 따라 상기 제2가이드 레일(42a)을 따라 제2가이드 롤러(43b)가 회전하면서 변위를 발생시키게 된다.

상기와 같은 구성에 의하여 상기 제1,2,3변위모듈(41,42,43)은 액츄에이터부(30)에 의하여 상기 측정 프루브(50)의 단부가 3차원 가공면(21)에 접촉하는 경우 액츄에이터부(30)에 의한 구동력과, 상기 측정 프루브(50)의 단부와 3차원 가공면(21)의 결합에 의한 구속력에 의하여 각각 제1방향, 제2방향, 제3방향으로의 변위를 발생시키게 된다.

이때, 본 실시예에서와 같이 상기 3차원 가공면이 반구형의 홈과 같은 곡면일 경우 이와 대응되는 곡면 형상으로 돌출되어 형성된 상기 측정 프루브의 단부는, 피가공물의 가공 오차에 의하여 상기 곡면 형상의 홈(본 실시예의 경우 반구형 홈)과 정확하게 일치하지 않는 경우에도 액츄에이터부(30)의 구동력에 의하여 자연스럽게 곡면 형상의 홈 내부로 슬라이딩됨으로써 정합하게 되고, 이 과정에서 상기 제1,2,3변위모듈(41,42,43)은 상술한 가공 오차에 따른 3축 방향의 변위를 발생시키게 된다.

이와 같이, 발생되는 상기 제1,2,3변위모듈(41,42,43)의 3축 방향의 변위는 상기 3축 변위 측정모듈(51,52,53)에 의하여 측정되는데, 본 실시예의 경우 상기 3축 변위 측정모듈(51,52,53)은 베이스부(10)의 상면에 설치된 제1방향 변위 측정모듈(51), 제1변위모듈(41)의 레그의 내측면 일측에 설치되는 제2방향 변위 측정모듈(52), 및 제2변위모듈(42)의 하부면 일측에 설치되는 제3방향 변위 측정모듈(53)로 이루어지도록 구성하였다.

이때, 상기 3축 변위 측정모듈(51,52,53)은 물체의 변위를 측정할 수 있는 공지된 센서 중 어느 하나를 이용하여 바람직하게 구성될 수 있는데, 본 실시예에서는 일예로서 상기 3축 변위 측정모듈(51,52,53)이 측정 정밀도가 높은 LVDT 센서로 구성하였다.

따라서, 상기 3차원 가공면(21)의 가공 오차에 의하여 발생되는 제1,2,3변위모듈(41,42,43)의 3축 방향의 변위는 상술한 바와 같이 측정된 후, 상기 측정결과를 불량판단모듈(미도시)에서 미리 정해진 기준값과 대비하여 3축 방향 치수 중 불량인 치수를 판단하게 된다.

이때, 상기 기준값은 상기 3축 방향 치수에 대하여 허용 공차 범위를 고려한 치수 범위로 설정되는 것이 바람직하다.

Claims (4)

1. 검사하고자 하는 3차원 가공면을 가진 피가공물이 고정되는 베이스부;
   일측 단부가 상기 피가공물의 3차원 가공면 형상과 동일한 형상으로 이루어진 측정용 프루브;
   일측 단부가 상기 측정용 프루브의 타측 단부에 결합되고, 상기 측정용 프루브의 이동에 따라 3축 방향으로의 변위를 발생시키면서 3축 방향 각각의 변위량을 측정하는 3축 변위 측정부; 및
   상기 3축 변위 측정부의 타측 단부에 결합되어 상기 측정용 프루브가 상기 3차원 가공면에 접촉하도록 상기 측정용 프루브를 3차원 가공면을 향하는 방향인 제1방향으로 이동시키는 액츄에이터부를 포함하고,
   상기 3축 변위 측정부는 일측이 상기 액츄에이터부에 결합되어 액츄에이터부에 의해 상기 제1방향으로 이동하는 제1변위모듈, 상기 제1방향과 수직한 제2방향으로 이동가능하도록 상기 제1변위모듈의 일측에 결합된 제2변위모듈, 상기 제1방향 및 제2방향과 수직한 제3방향으로 이동가능하도록 상기 제2변위모듈의 일측에 결합한 제3변위모듈, 및 상기 제1,2,3변위모듈 또는 베이스부 중 적어도 어느 하나에 설치되어 상기 제1,2,3변위모듈의 변위량을 측정하는 3축 변위 측정모듈을 포함하고,
   상기 3축 변위 측정모듈은 상기 측정용 프루브가 피가공물에 접촉하여 발생되는 변위를 측정하는 것을 특징으로 하는 3차원 가공면 치수 동시 측정 장치.
2. 삭제
3. 평면 형상의 베이스부에 검사하고자 하는 3차원 가공면을 가진 피가공물을 고정하는 제1단계;
   액츄에이터부를 이용하여 상기 피가공물의 3차원 가공면 형상과 동일한 형상으로 이루어진 측정용 프루브를 3차원 가공면을 향하는 방향인 제1방향으로 이동시켜 상기 3차원 가공면에 측정용 프루브를 접촉시키는 제2단계; 및
   상기 3차원 가공면에 측정용 프루브가 접촉된 상태에서 상기 3차원 가공면의 치수를 동시에 측정하고, 측정결과를 미리 정해진 기준값과 대비하여 불량인 치수를 판단하는 제3단계를 포함하되,
   상기 액츄에이터부와 측정용 프루브 사이에는 상기 측정용 프루브가 피가공물에 접촉함에 따라 발생하는 3축 방향으로의 각각의 변위량을 측정하는 3축 변위 측정부가 결합된 것을 특징으로 하는 3차원 가공면 치수 동시 측정 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 기준값은 제1단계를 수행하기 이전에 상기 베이스에 피가공물과 동일한 형상의 마스터를 고정하고, 상기 측정용 프루브를 마스터의 가공면에 접촉시켜 상기 3축 변위 측정부에 의해 얻어진 3축 방향 변위량인 것을 특징으로 하는 3차원 가공면 치수 동시 측정 방법.
   

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