KR102589476B1

KR102589476B1 - 공작기계 스핀들의 열변형 보정 방법 및 장치, 이를 이용한 공작기계

Info

Publication number: KR102589476B1
Application number: KR1020190102826A
Authority: KR
Inventors: 김기홍
Original assignee: 주식회사 디엔솔루션즈
Priority date: 2019-08-22
Filing date: 2019-08-22
Publication date: 2023-10-16
Also published as: KR20210023107A

Abstract

본 발명은 공작기계 스핀들 내부에 베어링과, 상기 베어링의 주변온도를 검출하기 위해 상기 베어링 주변에 설치된 적어도 한 개 이상의 온도센서와, 상기 베어링의 발열을 억제하기 위해 상기 베어링 주변에 냉각유체를 유통시키는 냉각유로를 구비한다.
이러한 공작기계 스핀들의 열변형 보정은 온도센서로부터 검출한 온도 값에 따라 상기 스핀들의 열변형 보정량을 계산하되, 열변형 보정 구간을 발열구간과 냉각구간으로 구분하고, 발열구간과 냉각구간에 대해 서로 다른 열변형 보정량 계산식을 적용하되, 발열구간과 냉각구간이 전환될 때 발열구간과 냉각구간의 비교에 의한 상쇄이득을 열변형 보정량 계산식에 반영하여 열변형 보정량의 편차가 발생하지 않도록 한다.

Description

공작기계 스핀들의 열변형 보정 방법 및 장치, 이를 이용한 공작기계{Method and apparatus for correcting thermal deformation of machine tool spindle, machine tools using the same}

본 발명은 공작기계 스핀들의 열변형 보정방법에 관한 것으로서, 특히 스핀들의 발열과 냉각을 추종하는 스핀들의 열변형 보정 방법 및 장치에 관한 것이다.

공작기계는 금속 구조물로 형성되어, 작동 시 회전부의 발열에 의해 구조물에 열변형이 발생한다. 도 1과 같이 공작기계(10)의 컬럼에 설치된 스핀들(20)은 공작물을 가공하기 위해 내부에 장착된 베어링(40)에 의해 빠른 속도로 회전한다. 이 때 스핀들(20)의 회전력은 스핀들(20)에 내장된 베어링(40)을 통해 그 선단에 장착된 공구(미도시)를 회전시킨다. 이 때 스핀들(20)을 회전 상태로 지지하는 베어링(40)에 열이 발생하고, 이 열은 베어링(40) 주변의 스핀들(20) 본체에 전도된다.

또한, 스핀들(20)의 회전속도 증가와 회전 시간에 따라 베어링(40)의 발열은 증가하게 되고, 이는 스핀들(20) 전체에 전달된다. 이와 같이 베어링(40)의 발열은 스핀들(20)의 열변형을 일으키고, 스핀들(20)의 열변형은 스핀들(20)선단에 장착된 공구와 공작물의 상대 거리를 변화시켜 공작물의 가공정밀도 저하를 초래한다.

따라서 공작기계(10) 스핀들(20)의 열변형 보정은, 스핀들(20)의 열변형 량을 계산해내고, 계산한 열변형 량 만큼 액츄에이터(60)를 구동하여 스핀들(20)의 위치를 보정해 주는 것이다.

이러한 스핀들(20)의 열변형을 보정하기 위해서는, 스핀들(20) 내부의 베어링(40) 주변에 적어도 한 개 이상의 온도센서(30)를 설치하고, 수치제어장치(70)에서 온도센서(30)의 값을 취득하여 스핀들(20)의 열변형 량을 계산하고, 이를 기준으로 스핀들(20)의 열변형을 보정하는 방법을 사용해 오고 있다.

그러나 이러한 온도센서(30)를 이용한 열변형 보정량의 계산은, 실제에 있어서는 스핀들(20)의 회전 정지나 회전속도 변화, 스핀들(20) 내부에 냉각유체를 순환시키기 위해 설치된 냉각유로(50)와 같은 다양한 요소로 인해 비선형적으로 나타나는 열변형 특성을 만족스럽게 보정할 수 없다.

이하에서 공작기계(10)에서 보편적으로 사용되고 있는 열변형 보정 방법을 소개하고, 나아가 그 문제점을 살펴 본다.

공작기계(10) 스핀들(20)의 내부 베어링(40) 주위에 온도센서(30)를 설치하고, 이 온도센서(30)를 통해 스핀들(20)의 온도를 검출한다. 검출한 온도 데이터를 기준으로 수치제어장치(70)에 미리 저장해 둔 온도 구간별 스핀들(20)의 열변형 보정량을 판독하고, 이를 수치제어장치(70)에 반영하여 스핀들(20)의 위치를 보정해줌으로써 온도에 따른 스핀들(20)의 열변형 보정을 수행한다.

하지만 온도센서(30)을 이용한 스핀들(20)의 열변형 보정은, 도 2와 도 3에서 개시한 바와 같이, 갑작스런 스핀들(20) 회전속도의 변화나, 스핀들(20) 내부의 냉각유로(cooling line)(50)에 의한 냉각작용 등으로 열변형이 비선형적인 그래프 형상으로 나타난다.

따라서 이와 같이 비선형적인 그래프 형상으로 나타나는 스핀들(20)의 열변형은, 열변형 보정 알고리즘의 프로그램 코딩 간소화와, 보정 결과 값의 신뢰성도 향상을 위해 사용환경에 해당하는 구간에서 아래 수식 1의 선형방정식을 이용하여 선형보정(linear fitting) 하여 사용해 왔다.

(수식 1) y = Σa_n(t_n-T_n)

여기서 y = 보정량, n = 온도센서 번호, a_n= 온도센서 이득, t_n= 온도센서 데이터, T_n= 온도센서 오프셋 이다.

그러나 상기 수식 1에 따른 스핀들(20)의 열변형 보정은 스핀들(20)의 선단 부근에 설치된 베어링(40)과 온도센서(30) 사이에 냉각유로(50)가 있고 이 냉각유로(50)의 냉각 작용으로 인해, 도 3 에서 개시한 바와 같이, 스핀들(20)이 일정 속도 또는 그 이상으로 회전하여 스핀들(20)의 온도가 증가하는 발열구간(heating phase)과, 스핀들(20)의 회전이 정지하거나 급감속하고 이와 동시에 냉각유로(50)에 의해 스핀들(20)의 온도가 내려가는 냉각구간(cooling phase)에서 열변형 특성이 달라진다.

따라서 이와 같이 발열구간과 냉각구간에서 열변형 특성이 달라지는 경우, 발열구간과 냉각구간에서 다음 수식과 같이 서로 다른 열변형 보정량 특성방정식 적용한다.

발열구간 열변형 보정량(Y)=G x H x C_heat

냉각구간 열변형 보정량(Y)=G x H x C_cool

여기서, G=게인(gain) 값, H=온도센서 값, C_heat = 발열구간(heating phase)에서 스핀들 열변형과 온도센서 간의 특성방정식, C_cool = 냉각구간(cooling phase)에서 스핀들 열변형과 온도센서 간의 특성방정식이다.

상기와 같이 발열구간과 냉각구간에 서로 다른 열변형 보정량 특성방정식을 적용함으로써, 도 4 및 도 5에서 보는 바와 같이, 스핀들(20)의 열변형 보정은, 공작기계가 처음 작동되는 초기, 스핀들(20)이 회전을 지속하는 발열구간에서는 열변형 보정량 특성방정식은 지수함수에 가깝게 스핀들(20)의 열변형 보정량을 계산하고, 이를 기반으로 스핀들(20)의 위치(보다 정확하게는 스핀들의 선단에 장착된 공구의 위치)를 보정해 줌으로써, 스핀들(20)을 열변형이 일어나지 않은 원래의 위치로 비교적 정확하게 보정할 수 있다.

하지만, 도 5에서 보는 바와 같이, 스핀들(20)이 발열구간에서 회전을 갑자기 정지하거나 회전속도를 일정 속도 이하로 급감속하는 냉각구간으로 변경될 경우에는, 냉각구간 열변형 보정량 특성방정식이 적용되고, 이 냉각구간 열변형 보정량 특성방정식은 발열구간 열변형 보정 특성방정식과 시정수를 달리하므로, 계산된 보정량은 발열구간의 열변형 보정량과 편차(A-B)가 발생한다. 즉, 발열구간에서 냉각구간으로 변경될 경우 편차 만큼 열변형 보정량이 갑자기 변경되어 스핀들이 이동함으로 인해 공작물의 가공정밀도가 나빠지는 문제점이 발생한다.

마찬가지로, 냉각구간이 적용된 후에 재차 스핀들(20)의 회전속도를 증가시켜 발열구간으로 전환(switching) 할 경우, 또 다시 시정수를 달리하는 발열구간 열변형 보정량 특성방정식으로 변경됨으로 인해, 열변형 보정량 편차가 발생하고 이로 인해 공작물의 가공정밀도는 또다시 악화되는 문제가 발생한다.

이와 같이 발열구간과 냉각구간의 전환이 거듭될수록 스핀들(20)의 열변형 보정량은 오차를 증폭시키게 되고, 이로 인해 공작물의 가공정밀도는 점점 더 나빠지게 된다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 공작기계 스핀들의 열변형 보정량을 산출하는 방법 또는 장치로서, 스핀들이 발열구간(heating phase)과 냉각구간(cooling phase)이 서로 전환할 때, 스핀들의 열변형 보정량의 편차로 인해 열변형의 보정이 부정확해지는 것을 방지하여 보다 정확한 열변형 보정량을 산출하고, 이를 기반으로 스핀들의 열변형을 보정함으로써 공작물의 가공정밀도를 향상 시키는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 해결 수단은, 비선형적인 공작기계 스핀들의 열변형과 온도센서 간의 상관관계를 수학적으로 더 정확히 표현하기 위해 곡선형 보정(curve fitting)의 고차 특성방정식을 추출하고, 이를 이산방정식으로 변환하여 공작기계 수치제어장치(NC)에 이식하여 열변형을 보정한다.

좀 더 상세한 본 발명의 해결 수단은, 공작기계 스핀들의 열변형 보정 방법으로, 베어링과, 상기 베어링의 주변온도를 검출하기 위해 상기 베어링 주변에 설치된 적어도 한 개 이상의 온도센서와, 상기 베어링의 발열을 억제하기 위해 상기 베어링 주변에 냉각유체를 유통시키는 냉각유로를 구비한 공작기계 스핀들의 열변형 보정을 위해, 상기 온도센서로부터 검출한 온도 값에 따라 상기 스핀들의 열변형 보정량을 계산하고, 상기 계산한 열변형 보정량에 따라 상기 스핀들의 열변형을 보정하는 공작기계의 열변형 보정 방법에 있어서,

상기 온도센서로부터 상기 스핀들 주변의 온도 값을 검출하고,

상기 온도센서로부터 검출한 온도 값을 기준으로 상기 스핀들이 회전함에 따라 발열 상태를 지속하는 것을 전제로 한 발열구간의 1차 열변형 보정량과, 상기 스핀들이 미리 정해진 속도범위 이하로 감속하거나 회전을 정지함에 따라 냉각 상태를 지속하는 것을 전제로 한 냉각구간의 1차 열변형 보정량을 각각 계산하고,

상기 발열구간의 1차 열변형 보정량과 냉각구간의 1차 열변형 보정량의 차이에 따른 상쇄이득 값을 계산하고,

상기 스핀들이 발열구간인지 또는 냉각구간인지를 판단하고,

상기 스핀들이 발열구간인 경우 상기 발열구간의 1차 열변형 보정량에 상기 상쇄이득 값을 곱하여 상기 스핀들의 최종 열변형 보정량으로 계산하고, 상기 스핀들이 냉각구간인 경우 상기 냉각구간의 1차 열변형 보정량에 상기 상쇄이득 값을 곱하여 상기 스핀들의 최종 열변형 보정량으로 계산하며,

상기 스핀들의 최종 열변형 보정량을 공작기계의 수치제어장치(NC)의 열변형 보정 프로그램에 반영하여 상기 스핀들의 열변형 보정을 실행하도록 제어하여 공작기계 스핀들의 열변형 보정 방법을 구현한다.

한편, 상기 발열구간 1차 열변형 보정량은 상기 온도센서로부터 검출한 온도 값을 발열구간 열변형 특성 이산방정식에 대입하여 계산하고, 상기 냉각구간의 1차 열변형 보정량은 상기 온도센서로부터 검출한 온도 값을 냉각구간 열변형 특성 이산방정식에 대입하여 계산하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 발열구간 및 냉각구간의 1차 열변형 보정량은 다음 수식 2, 3과 같이 계산하고,

(수식 2) 발열구간 1차 열변형 보정량(Y) = G x H x C_heat

(수식 3) 냉각구간 1차 열변형 보정량(Y) = G x H x C_cool

상기 최종 열변형 보정량의 계산은 상기 수식 2, 3에서 각각 상기 발열구간과 냉각구간의 1차 열변형 보정량 차이에 따른 상쇄이득 값을 반영하여 다음 수식 5와 같이 계산하고,

(수식 5) 최종 열변형 보정량(Y) = G_iH_iΣ(a_niz^-n) / Σ(b_niz^-n)

상기 수식 5에서 온도센서 값(H)과 열변형 보정량(Y)의 관계를 다음 수식 6과 같이 7차 이산방정식으로 모델링하고,

(수식 6) Y(z)/H(z) = G{a₇z^-7+ ... + a₀} / {b₇z^-7+ ... + 1}

상기 수식 6을 다음 수식 7과 같이 열변형 보정량 이산방정식으로 표현하여,

(수식 7) y(k) = G{a₇h(k-7)+a₆h(k-6)...+a₁h(k-1)+a₀h(k)} - b₇y(k-7)- b₆y(k-6)...-b₁y(k-1)

상기 수식들에서 Y=열변형 보정량, G=게인(gain) 값, H=온도센서 값,

C_heat = 발열구간(heating phase)에서 스핀들 열변형과 온도센서 간의 특성방정식,

C_cool = 냉각구간(cooling phase)에서 스핀들 열변형과 온도센서 간의 특성방정식

y(k)=현재 열변형 보정량, i=센서번호, n=0 이상의 정수,

a_n=온도센서 n차 지연데이터의 계수, b_n=보정량 n차 지연데이터의 계수,

z^-1=1차 시간지연(time delay), z^-n=n차 시간지연 이다.

상기 수식 7을 공작기계 수치제어장치(NC)에 이식하여 스핀들의 열변형 보정을 시행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 상쇄이득 값은 상기 발열구간과 냉각구간의 1차 열변형 보정량을 계산한 후에, 상기 공작기계가 첫 작동인지를 판별하고, 상기 공작기계가 첫 작동인 경우에는 상기 상쇄이득 값을 1로 설정하고, 상기 공작기계가 첫 작동이 아닌 경우에는 상기 발열구간과 냉각구간의 1차 열변형 보정량의 비율을 상쇄이득 값으로 계산하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 공작기계가 첫 작동이 아닌 경우, 상기 상쇄이득 값은 현재의 발열구간 1차 열변형 보정량(A)에 향후 적용될 발열구간 1차 열변형 보정량(B) 또는 냉각구간 1차 열변형 보정량(B)을 나누기하여 계산한다.

또한, 상기 발열구간 1차 열변형 보정량과 냉각구간 1차 열변형 보정량은 상시로 계산하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 일 실시예에서, 공작기계 스핀들의 열변형 보정 장치는, 베어링과, 상기 베어링의 주변 온도를 검출하기 위해 상기 베어링 주변에 설치된 적어도 한 개 이상의 온도센서와, 상기 베어링의 발열을 억제하기 위해 상기 베어링 주변에 냉각유체를 유통시키는 냉각유로를 구비한 공작기계 스핀들과,

상기 온도센서로부터 검출한 온도 값을 기준으로 상기 스핀들이 회전함에 따라 발열 상태를 지속하는 것을 전제로 한 발열구간의 1차 열변형 보정량과, 상기 스핀들이 미리 정해진 속도범위 이하로 감속하거나 회전을 정지함에 따라 냉각 상태를 지속하는 것을 전제로 한 냉각구간의 1차 열변형 보정량을 각각 계산하고, 상기 발열구간의 1차 열변형 보정량과 냉각구간의 1차 열변형 보정량의 차이에 따른 상쇄이득 값을 계산하고, 상기 스핀들이 발열구간인지 또는 냉각구간인지를 판단하고, 상기 스핀들이 발열구간인 경우 상기 발열구간의 1차 열변형 보정량에 상기 상쇄이득 값을 곱하여 상기 스핀들의 최종 열변형 보정량으로 계산하고, 상기 스핀들이 냉각구간인 경우 상기 냉각구간의 1차 열변형 보정량에 상기 상쇄이득 값을 곱하여 상기 스핀들의 최종 열변형 보정량으로 계산하며, 상기 스핀들의 최종 열변형 보정량을 열변형 보정 프로그램에 반영하여 상기 스핀들의 열변형 보정을 실행하도록 제어하는 수치제어장치(NC)와,

상기 수치제어장치로부터 스핀들의 열변형 보정 제어신호를 인가 받아 상기 스핀들의 위치를 보정량 만큼 이동시키는 액츄에이터를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따른 일 실시예에서, 본 발명의 공작기계는 상기 공작기계 스핀들의 열변형 보정 장치를 포함하여 이루어진다.

본 발명은 공작기계 스핀들의 회전에 따른 발열구간과, 스핀들의 회전 정지나 급감속에 따른 냉각구간에서 서로 다른 열변형 보정량 계산식을 사용하면서도, 발열구간과 냉각구간이 전환될 때 열변형 보정량의 편차가 발생하지 않아 스핀들의 열변형을 보다 정확하게 추종함으로써, 열변형 보정에 따른 보정 편차를 없애고, 나아가 정확한 스핀들의 열변형 보정을 통해 공작물의 가공정밀도를 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 종래기술의 일 실시예로서, 열변형이 일어나는 스핀들을 구비한 공작기계의 사시도이다.
도 2는 종래기술의 일 실시예로서, 선형보정(linear fitting)에 의한 열변형 보정을 개념적으로 나타내는 그래프이다.
도 3은 종래기술의 일 실시예로서, 열변형 보정을 나타내는 그래프이다.
도 4는 종래기술의 일 실시예로서, 발열구간에서 냉각구간으로 전환될 때 스핀들의 열변형 보정을 나타내는 그래프이다.
도 5는 종래기술의 일 실시예로서, 발열구간에서 냉각구간으로 전환될 때 스핀들의 열변형 보정량 변동을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예로서, 스핀들의 열변형 보정 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예로서, 곡선형 보정(curve fitting)에 의한 열변형 보정을 개념적으로 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예로서, 발열구간에서 냉각구간으로 전환될 때 스핀들의 열변형 보정량 변동을 나타내는 그래프이다.

첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

먼저 본 열변형 보정 방법이 적용되는 공작기계(10)는 스핀들(20) 내부에 베어링(40)과, 상기 베어링(40)의 주변온도를 검출하기 위해 상기 베어링(40) 주변에 설치된 적어도 한 개 이상의 온도센서(30)와, 상기 베어링(40)의 발열을 억제하기 위해 상기 베어링(40) 주변에 냉각유체를 유통시키는 냉각유로(50)를 구비한다.

이러한 공작기계(10) 스핀들(20)의 열변형 보정은 상기 온도센서(30)로부터 검출한 온도 값에 따라 상기 스핀들(20)의 열변형 보정량을 계산하는 수치제어장치(70)와, 상기 수치제어장치(70)로부터 인가되는 열변형 보정량 신호에 따라 엑츄에이터(60)를 구동하여 상기 스핀들(20)을 이동 시킴으로써 스핀들(20)의 열변형 보정을 수행한다.

이하 도 6 내지 도 8을 참조하여 본 발명, 공작기계(10) 스핀들(20)의 열변형 보정 방법의 실시예에 대해 설명한다.

공작기계(10)가 가동 상태가 되면 수치제어장치(70)가 스핀들(20)의 열변형 보정을 수행하기 위한 준비상태가 되고, 다음과 같은 동작으로 스핀들(20)의 열변형 보정이 진행된다.

스핀들(20)의 온도센서(30)로부터 상기 스핀들(20) 주변의 온도 값을 검출한다.

이어서 상기 온도센서(30)로부터 검출한 온도 값을 이용하여 1차 열변형 보정량을 계산한다. 여기서 1차 열변형 보정량 계산은 상기 스핀들(20)이 회전함에 따라 발열 상태를 지속하는 것을 전제로 한 발열구간(Heating phase)과 상기 스핀들(20)이 미리 정해진 속도범위 이하로 감속하거나 회전을 정지함에 따라 냉각 상태를 지속하는 것을 전제로 한 냉각구간(Cooling phase)에 대해 각각 독립적으로 계산한다.

한편, 상기 발열구간 1차 열변형 보정량은 상기 온도센서(30)로부터 검출한 온도 값을 발열구간 열변형 특성 이산방정식에 대입하여 계산하고, 상기 냉각구간의 1차 열변형 보정량은 상기 온도센서(30)로부터 검출한 온도 값을 냉각구간 열변형 특성 이산방정식에 대입하여 계산한다.

즉, 온도센서에 의한 열변형 보정량(Y) = 게인(gain) 값 ⅹ 온도센서 값 ⅹ 온도센서 값과 열변형 보정량(Y) 간의 특성방정식 전달함수로 나타낼 수 있다.

이를 다음 수식 2, 3과 같이 발열구간과 냉각구간의 1차 열변형 보정량 수식으로 표현할 수 있다.

(수식 2) 발열구간 1차 열변형 보정량(Y) = G x H x C_heat

(수식 3) 냉각구간 1차 열변형 보정량(Y) = G x H x C_cool

여기서 G=게인(gain) 값, H=온도센서 값, C_heat = 발열구간(heating phase)에서 스핀들 열변형과 온도센서 간의 특성방정식, C_cool = 냉각구간(cooling phase)에서 스핀들 열변형과 온도센서 간의 특성방정식이다.

한편, 상기 1차 열변형 보정량을 계산하는 특성 방정식은, 도 7과 같이 비선형적인 스핀들(20)의 열변형과 온도센서(30) 간의 상관관계를 수학적으로 더 정확히 표현하기 위해 곡선형으로 보정하는(curve fitting)의 고차 특성방정식이다.

한편, 상기 발열구간 1차 열변형 보정량과 냉각구간 1타 열변형 보정량은 공작기계(10) 작동이 온(On)되는 순간부터 공작기계(10) 작동이 오프(Off) 될 때까지 상시로 계산된다. 다시 말해 공작기계(10)의 수치제어장치(70)가 온(On)되는 순간부터 오프(Off) 될 때까지 상시로 계산되는 것이다.

다음으로, 공작기계(10)가 첫 작동(전원을 켜서 작동을 시작한 상태)인지를 판단한다. 보다 정확하게는 공작기계(10) 수치제어장치(70)가 온(On) 되고 나서 미리 정해진 시간 범위 이내인 경우 공작기계(10) 첫 작동으로 판단한다.

상기 판단 결과 공작기계(10)가 첫 작동인 경우에는 상기 발열구간의 1차 열변형 보정량(A)과 냉각구간의 1차 열변형 보정량(B)의 차이에 따른 상쇄이득 값을 1로 설정한다.

만일, 상기 판단 결과 공작기계(10)가 첫 작동이 아닌 경우에는, 공작기계(10) 스핀들(20)의 회전속도를 읽어 들여 스핀들(20)이 회전 상태인지를 판단한다.

상기 스핀들(20) 회전 상태 판단 결과, 스핀들(20)이 회전 상태가 아닌 경우에는 온도센서(30)로부터 온도 값을 읽어 들이는 초기 상태로 돌아간다. 상기 판단 결과 스핀들(20)이 회전 상태로 판단된 경우에는, 현재의 발열구간 1차 열변형 보정량(A)에 향후 적용될 발열구간 1차 열변형 보정량(B) 또는 냉각구간 1차 열변형 보정량(B)을 나누기하여 1차 열변형 보정량 차이에 따른 상쇄이득 값을 계산한다.

이를 좀 더 구체적인 수식으로 나타내면 아래 수식 4와 같이 표현할 수 있다.

(수식 4) 상쇄이득(A/B) = GHΣ(a_nz^-n)/Σ(b_nz^-n)

또한, 여기서 온도센서(30)가 여러 개인 경우, 상기 수식 4는 아래 수식 5와 같이 표현 할 수 있다.

(수식 5) 상쇄이득(A/B) = G_iH_iΣ(a_niz^-n) / Σ(b_niz^-n)

상기 수식 4 내지 5에서 G=게인(gain) 값, H=온도센서 값, i=센서번호, n=0 이상의 정수, a_n=온도센서 n차 지연데이터의 계수, b_n=보정량 n차 지연데이터의 계수, z^-1=1차 시간지연(time delay), z^-n=n차 시간지연을 의미한다.

다음 단계로, 상기 스핀들(20)이 발열구간인지 또는 냉각구간인지를 판단한다.

판단 결과, 상기 스핀들(20)이 발열구간인 경우 상기 발열구간 1차 열변형 보정량에 상기 상쇄이득 값을 곱하여 상기 스핀들(20)의 최종 열변형 보정량으로 계산하고, 상기 스핀들(20)이 냉각구간인 경우 상기 냉각구간 1차 열변형 보정량에 상기 상쇄이득 값을 곱하여 상기 스핀들(20)의 최종 열변형 보정량으로 계산한다.

상기 최종 열변형 보정량의 계산은 상기 수식 2, 3에서 각각 상기 발열구간과 냉각구간의 1차 열변형 보정량 차이에 따른 상쇄이득 값을 반영한 것으로, 다음 수식 6과 같이 표현할 수 있으며, 이는 수식 5에서 온도센서 값(H)과 열변형 보정량(Y)의 관계를 7차 이산방정식으로 모델링한 것이다.

(수식 6) Y(z)/H(z) = G{a₇z^-7+ ... + a₀} / {b₇z^-7+ ... + 1}

또한, 상기 수식 6을 다음 수식 7과 같이 열변형 보정량 이산방정식으로 표현한다.

상기 수식 6 내지 7에서, Y=열변형 보정량, G=게인(gain) 값, H=온도센서 값,

y(k)=현재 열변형 보정량, i=센서번호, n=0 이상의 정수,

z^-1=1차 시간지연(time delay), z^-n=n차 시간지연을 의미한다.

다음으로, 상기 수식 7을 상기 스핀들(20)의 최종 열변형 보정량으로 공작기계(10)의 수치제어장치(70)의 열변형 보정 프로그램에 반영하여 상기 스핀들(20)의 열변형 보정을 실행한다.

상기 와 같이, 본 발명의 공작기계(10) 스핀들(20)의 열변형 보정 방법은 공작기계(10) 스핀들(20)의 회전에 따른 발열구간과, 스핀들(20)의 회전 정지나 급감속에 따른 냉각구간에서 서로 다른 열변형 보정량 계산식을 사용하면서도, 발열구간과 냉각구간이 전환될 때 열변형 보정량의 편차가 발생하지 않아 스핀들(20)의 열변형을 보다 정확하게 추종함으로써, 열변형 보정에 따른 보정 편차를 없애고, 나아가 정확한 스핀들(20)의 열변형 보정을 통해 공작물의 가공정밀도를 향상시키는 효과가 있다.

한편, 본 발명에 따른 일 실시예로서, 상기 열변형 보정 방법을 공작기계 스핀들의(20) 열변형 보정 장치로서 구현할 수 있다.

이와 같은 열변형 보정 장치 발명은, 베어링(40)과, 상기 베어링(40)의 주변 온도를 검출하기 위해 상기 베어링(40) 주변에 설치된 적어도 한 개 이상의 온도센서(30)와, 상기 베어링(40)의 발열을 억제하기 위해 상기 베어링(40) 주변에 냉각유체를 유통시키는 냉각유로(50)를 구비한 공작기계 스핀들(20)을 포함하며,

상기 온도센서(30)로부터 검출한 온도 값을 기준으로 상기 스핀들(20)이 회전함에 따라 발열 상태를 지속하는 것을 전제로 한 발열구간의 1차 열변형 보정량과, 상기 스핀들(20)이 미리 정해진 속도범위 이하로 감속하거나 회전을 정지함에 따라 냉각 상태를 지속하는 것을 전제로 한 냉각구간의 1차 열변형 보정량을 각각 계산하고, 상기 발열구간의 1차 열변형 보정량과 냉각구간의 1차 열변형 보정량의 차이에 따른 상쇄이득 값을 계산하고, 상기 스핀들(20)이 발열구간인지 또는 냉각구간인지를 판단하고, 상기 스핀들(20)이 발열구간인 경우 상기 발열구간의 1차 열변형 보정량에 상기 상쇄이득 값을 곱하여 상기 스핀들(20)의 최종 열변형 보정량으로 계산하고, 상기 스핀들(20)이 냉각구간인 경우 상기 냉각구간의 1차 열변형 보정량에 상기 상쇄이득 값을 곱하여 상기 스핀들(20)의 최종 열변형 보정량으로 계산하며, 상기 스핀들(20)의 최종 열변형 보정량을 열변형 보정 프로그램에 반영하여 상기 스핀들(20)의 열변형 보정을 실행하도록 제어하는 수치제어장치(70)와,

상기 수치제어장치(70)로부터 상기 스핀들의 열변형 보정신호를 인가 받아 상기 스핀들(20)의 위치를 보정하는 액츄에이터(60)를 포함하여 이루어진다.

한편, 상기 실시예에서 스핀들(20)의 위치를 보정하는 액츄에이터(60)는 주로 서모모터가 이용되며, 이러한 서보모터는 스핀들(20)을 직접 이동시키거나, 스핀들(20)이 고정된 컬럼이나 프레임을 정밀하게 이동 시키도록 배치된다.

또한, 본 발명에 따른 일 실시예로서, 상기 공작기계 스핀들의(20) 열변형 보정 장치를 공작기계에 적용함으로써, 열변형 보정 장치가 적용된 공작기계를 구현할 수 있다.

한편, 상기 실시예는 공작기계(10) 스핀들(20)의 열변형 보정방법을 위주로 설명하였으나, 공작기계(10)에서 발열구간과 냉각구간을 가지며 열변형이 일어나는 모든 부위에도 극히 용이하게 적용할 수 있다. 예를 들어, 공작기계(10)의 컬럼이나 프레임 같은 곳에 본 발명의 열변형 보정방법 또는 장치를 적용한다면, 공작기계(10)의 컬럼이나 프레임에서 발열이 가장 심한 부위에 온도센서(30)를 장착하여 온도를 검출하고, 상기 실시예에서 공작기계(10)의 작동여부와 스핀들(20)의 회전 상태에 따라 발열구간과 냉각구간을 구분하여 열변형 보정량을 계산한 것처럼, 컬럼이나 프레임에서 발열구간과 냉각구간의 기준이 될 수 있는 동작, 예를 들면 공작물의 가공시작 여부 또는 공작물 테이블의 이동여부를 기준으로 발열구간과 냉각구간의 열변형 보정량을 계산하고, 이를 수치제어장치(70)에 반영하여 열변형을 보정하면 될 것이다.

따라서 본 발명은 상기한 실시예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이며, 이는 본 발명의 범위에 해당하게 될 것이다.

10 공작기계
20 스핀들
30 온도센서
40 베어링
50 냉각유로
60 액츄에이터
70 수치제어장치

Claims

베어링과, 상기 베어링의 주변 온도를 검출하기 위해 상기 베어링 주변에 설치된 적어도 한 개 이상의 온도센서와, 상기 베어링의 발열을 억제하기 위해 상기 베어링 주변에 냉각유체를 유통시키는 냉각유로를 구비한 공작기계 스핀들의 열변형 보정을 위해 상기 온도센서로부터 검출한 온도 값에 따라 상기 스핀들의 열변형 보정량을 계산하고, 상기 계산한 열변형 보정량에 따라 상기 스핀들의 열변형을 보정하는 공작기계의 열변형 보정 방법에 있어서,
상기 온도센서로부터 상기 스핀들 주변의 온도 값을 검출하고,
상기 온도센서로부터 검출한 온도 값을 기준으로 상기 스핀들이 회전함에 따라 발열 상태를 지속하는 것을 전제로 한 발열구간의 1차 열변형 보정량과, 상기 스핀들이 미리 정해진 속도범위 이하로 감속하거나 회전을 정지함에 따라 냉각 상태를 지속하는 것을 전제로 한 냉각구간의 1차 열변형 보정량을 각각 계산하고,
상기 발열구간의 1차 열변형 보정량과 냉각구간의 1차 열변형 보정량의 차이에 따른 상쇄이득 값을 계산하고,
상기 스핀들이 발열구간인지 또는 냉각구간인지를 판단하고,
상기 스핀들이 발열구간인 경우 상기 발열구간의 1차 열변형 보정량에 상기 상쇄이득 값을 곱하여 상기 스핀들의 최종 열변형 보정량으로 계산하고, 상기 스핀들이 냉각구간인 경우 상기 냉각구간의 1차 열변형 보정량에 상기 상쇄이득 값을 곱하여 상기 스핀들의 최종 열변형 보정량으로 계산하며,
상기 스핀들의 최종 열변형 보정량을 공작기계의 수치제어장치(NC)의 열변형 보정 프로그램에 반영하여 상기 스핀들의 열변형 보정을 실행하도록 제어하는 공작기계 스핀들의 열변형 보정 방법.
제1항에 있어서, 상기 발열구간 1차 열변형 보정량은 상기 온도센서로부터 검출한 온도 값을 발열구간 열변형 특성 이산방정식에 대입하여 계산하고, 상기 냉각구간의 1차 열변형 보정량은 상기 온도센서로부터 검출한 온도 값을 냉각구간 열변형 특성 이산방정식에 대입하여 계산하는 것을 특징으로 하는 공작기계 스핀들의 열변형 보정 방법.
제2항에 있어서, 상기 1차 열변형 보정량을 계산하는 열변형 특성 이산방정식은 비선형적인 스핀들의 열변형과 온도센서 간의 상관관계를 곡선형으로 보정하는(curve fitting)의 고차 특성방정식인 것을 특징으로 하는 공작기계 스핀들의 열변형 보정 방법.
제 2항에 있어서,
상기 발열구간 및 냉각구간의 1차 열변형 보정량은 다음 수식 2, 3과 같이 계산하고,
(수식 2) 발열구간 1차 열변형 보정량(Y) = G x H x C_heat
(수식 3) 냉각구간 1차 열변형 보정량(Y) = G x H x C_cool
상기 최종 열변형 보정량의 계산은 상기 수식 2, 3에서 각각 상기 발열구간과 냉각구간의 1차 열변형 보정량 차이에 따른 상쇄이득 값을 반영하여 다음 수식 5와 같이 계산하고,
(수식 5) 최종 열변형 보정량(Y) = G_iH_iΣ(a_niz^-n) / Σ(b_niz^-n)
상기 수식 5에서 온도센서 값(H)과 열변형 보정량(Y)의 관계를 다음 수식 6과 같이 7차 이산방정식으로 모델링하고,
(수식 6) Y(z)/H(z) = G{a₇z^-7+ ... + a₀} / {b₇z^-7+ ... + 1}
상기 수식 6을 다음 수식 7과 같이 열변형 보정량 이산방정식으로 표현하여,
(수식 7) y(k) = G{a₇h(k-7)+a₆h(k-6)...+a₁h(k-1)+a₀h(k)} - b₇y(k-7)- b₆y(k-6)...-b₁y(k-1)
여기서 Y=열변형 보정량, G=게인(gain) 값, H=온도센서 값,
C_heat = 발열구간(heating phase)에서 스핀들 열변형과 온도센서 간의 특성방정식,
C_cool = 냉각구간(cooling phase)에서 스핀들 열변형과 온도센서 간의 특성방정식
y(k)=현재 열변형 보정량, i=센서번호, n=0 이상의 정수,
a_n=온도센서 n차 지연데이터의 계수, b_n=보정량 n차 지연데이터의 계수,
z^-1=1차 시간지연(time delay), z^-n=n차 시간지연
상기 수식 7을 공작기계 수치제어장치(NC)에 이식하는 것을 특징으로 하는 공작기계 스핀들의 열변형 보정 방법.
제 1항에 있어서, 상기 상쇄이득 값은 상기 발열구간과 냉각구간의 1차 열변형 보정량을 계산한 후에, 상기 공작기계 첫 작동인지를 판별하고, 상기 공작기계가 첫 작동인 경우에는 상기 상쇄이득 값을 1로 설정하고, 상기 공작기계가 첫 작동이 아닌 경우에는 상기 발열구간과 냉각구간의 1차 열변형 보정량의 비율을 상쇄이득 값으로 계산하는 것을 특징으로 하는 공작기계 스핀들의 열변형 보정 방법.
제 5항에 있어서, 상기 공작기계가 첫 작동이 아닌 경우, 상기 상쇄이득 값은 현재의 발열구간 1차 열변형 보정량(A)에 향후 적용될 발열구간 1차 열변형 보정량(B) 또는 냉각구간 1차 열변형 보정량(B)을 나누기하여 계산하는 것을 특징으로 하는 공작기계 스핀들의 열변형 보정 방법.
제 1항에 있어서, 상기 발열구간 1차 열변형 보정량과 냉각구간 1차 열변형 보정량은 상시로 계산하는 것을 특징으로 하는 공작기계 스핀들의 열변형 보정 방법.
베어링과, 상기 베어링의 주변 온도를 검출하기 위해 상기 베어링 주변에 설치된 적어도 한 개 이상의 온도센서와, 상기 베어링의 발열을 억제하기 위해 상기 베어링 주변에 냉각유체를 유통시키는 냉각유로를 구비한 공작기계 스핀들과,
상기 온도센서로부터 검출한 온도 값을 기준으로 상기 스핀들이 회전함에 따라 발열 상태를 지속하는 것을 전제로 한 발열구간의 1차 열변형 보정량과, 상기 스핀들이 미리 정해진 속도범위 이하로 감속하거나 회전을 정지함에 따라 냉각 상태를 지속하는 것을 전제로 한 냉각구간의 1차 열변형 보정량을 각각 계산하고,
상기 발열구간의 1차 열변형 보정량과 냉각구간의 1차 열변형 보정량의 차이에 따른 상쇄이득 값을 계산하고,
상기 스핀들이 발열구간인지 또는 냉각구간인지를 판단하고,
상기 스핀들이 발열구간인 경우 상기 발열구간의 1차 열변형 보정량에 상기 상쇄이득 값을 곱하여 상기 스핀들의 최종 열변형 보정량으로 계산하고, 상기 스핀들이 냉각구간인 경우 상기 냉각구간의 1차 열변형 보정량에 상기 상쇄이득 값을 곱하여 상기 스핀들의 최종 열변형 보정량으로 계산하며,
상기 스핀들의 최종 열변형 보정량을 열변형 보정 프로그램에 반영하여 상기 스핀들의 열변형 보정을 실행하도록 제어하는 수치제어장치(NC)와,
상기 수치제어장치로부터 상기 스핀들의 열변형 제어신호를 인가 받아 상기 스핀들의 위치를 이동시키는 액츄에이터를 포함하는 공작기계 스핀들의 열변형 보정 장치.
제8항에 있어서, 상기 수치제어장치(NC)는 상기 발열구간 1차 열변형 보정량은 상기 온도센서로부터 검출한 온도 값을 발열구간 열변형 특성 이산방정식에 대입하여 계산하고, 상기 냉각구간의 1차 열변형 보정량은 상기 온도센서로부터 검출한 온도 값을 냉각구간 열변형 특성 이산방정식에 대입하여 계산하는 것을 특징으로 하는 공작기계 스핀들의 열변형 보정 장치.
제9항에 있어서, 상기 수치제어장치(NC)는 상기 1차 열변형 보정량을 계산하는 열변형 특성 이산방정식은 비선형적인 스핀들의 열변형과 온도센서 간의 상관관계를 곡선형으로 보정하는(curve fitting)의 고차 특성방정식인 것을 특징으로 하는 공작기계 스핀들의 열변형 보정 장치.
제 9항에 있어서, 상기 수치제어장치(NC)는 상기 발열구간 및 냉각구간의 1차 열변형 보정량은 다음 수식 2, 3과 같이 계산하고,
(수식 2) 발열구간 1차 열변형 보정량(Y) = G x H x C_heat
(수식 3) 냉각구간 1차 열변형 보정량(Y) = G x H x C_cool
상기 최종 열변형 보정량의 계산은 상기 수식 2, 3에서 각각 상기 발열구간과 냉각구간의 1차 열변형 보정량 차이에 따른 상쇄이득 값을 반영하여 다음 수식 5와 같이 계산하고,
(수식 5) 최종 열변형 보정량(Y) = G_iH_iΣ(a_niz^-n) / Σ(b_niz^-n)
상기 수식 5에서 온도센서 값(H)과 열변형 보정량(Y)의 관계를 다음 수식 6과 같이 7차 이산방정식으로 모델링하고,
(수식 6) Y(z)/H(z) = G{a₇z^-7+ ... + a₀} / {b₇z^-7+ ... + 1}
상기 수식 6을 다음 수식 7과 같이 열변형 보정량 이산방정식으로 표현하여,
(수식 7) y(k) = G{a₇h(k-7)+a₆h(k-6)...+a₁h(k-1)+a₀h(k)} - b₇y(k-7)- b₆y(k-6)...-b₁y(k-1)
여기서 Y=열변형 보정량, G=게인(gain) 값, H=온도센서 값,
C_heat = 발열구간(heating phase)에서 스핀들 열변형과 온도센서 간의 특성방정식,
C_cool = 냉각구간(cooling phase)에서 스핀들 열변형과 온도센서 간의 특성방정식
y(k)=현재 열변형 보정량, i=센서번호, n=0 이상의 정수,
a_n=온도센서 n차 지연데이터의 계수, b_n=보정량 n차 지연데이터의 계수,
z^-1=1차 시간지연(time delay), z^-n=n차 시간지연
상기 수식 7을 공작기계 수치제어장치(NC)에 이식하는 것을 특징으로 하는 공작기계 스핀들의 열변형 보정 장치.
제 8항에 있어서, 상기 수치제어장치(NC)는 상기 상쇄이득 값은 상기 발열구간과 냉각구간의 1차 열변형 보정량을 계산한 후에, 상기 공작기계 첫 작동인지를 판별하고, 상기 공작기계가 첫 작동인 경우에는 상기 상쇄이득 값을 1로 설정하고, 상기 공작기계가 첫 작동이 아닌 경우에는 상기 발열구간과 냉각구간의 1차 열변형 보정량의 비율을 상쇄이득 값으로 계산하는 것을 특징으로 하는 공작기계 스핀들의 열변형 보정 장치.
제 12항에 있어서, 상기 수치제어장치(NC)는 상기 공작기계가 첫 작동이 아닌 경우, 상기 상쇄이득 값은 현재의 발열구간 1차 열변형 보정량(A)에 향후 적용될 발열구간 1차 열변형 보정량(B) 또는 냉각구간 1차 열변형 보정량(B)을 나누기하여 계산하는 것을 특징으로 하는 공작기계 스핀들의 열변형 보정 장치.
제 8항에 있어서, 상기 수치제어장치(NC)는 상기 발열구간 1차 열변형 보정량과 냉각구간 1차 열변형 보정량은 상시로 계산하는 것을 특징으로 하는 공작기계 스핀들의 열변형 보정 장치.
청구항 제 8항의 공작기계 스핀들의 열변형 보정 장치를 포함하는 공작기계.