KR19980072253A - 압전소자 미세절입장치를 이용한 정밀가공용 파상도 보정시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공작물의 단면에 생성되는 파상도를 정확하게 보정할 수 있는 압전소자 미세절입장치를 이용한 정밀가공용 파상도 보정시스템을 제공하려는 것이다.

본 발명에 따르면, 선반(2)의 주축(3)에 고정된 피삭재(4)의 정밀단면선삭을 수행하기 위한 것이며, 상기 피삭재(4)의 단면을 가공하기 위해 사용되는 공구(19)와 상기 공구(19)를 Z축방향으로 미세하게 이동시키는 압전소자(15)를 구비하며 상기 선반(2)의 테이블(5)에 고정되어 있는 미세절입장치(1)와, 상기 미세절입장치(1)의 하면에 위치하여 상기 미세절입장치(1)의 상대변위를 측정하는 감지장치(6)와, 상기 감지장치(6)에서 검출한 신호를 데이터화하여 신호를 처리 및 분석하는 검출수단(8,9,10) 및, 상기 검출수단(10)에서 전송된 신호를 이용하여 고전압을 출력하여 상기 압전소자(15)에 전달하는 고전압 출력앰프(11)를 포함하며, 상기 고전압 출력앰프(11)로부터 전달된 고전압이 상기 압전소자(15)를 구동하여 변위를 제어함으로써, 상기 미세절입장치(1)의 공구(19)와 상기 피삭재(4)의 상대변위가 직선을 이루게 되는 것을 특징으로 하는 압전소자 미세절입장치를 이용한 정밀가공용 파상도 보정시스템이 제공된다.

Description

압전소자 미세절입장치를 이용한 정밀가공용 파상도 보정시스템

본 발명은 압전소자를 장착한 미세절입장치를 이용하여 피삭재의 정밀단면선삭에서 나타나는 파상도(waviness)를 보정하는 압전소자 미세절입장치를 이용한 정밀가공용 파상도 보정시스템에 관한 것이다.

최근, 항공 우주산업, 메카트로닉스 산업 등의 발달로 인하여 정밀기계부품의 가공은 고부가가치 기술로서 매우 중요하게 인식되고 있다. 이러한 정밀가공을 위해서는 절삭 깊이가 마이크로미터 이하에서 안정적으로 이루어질 수 있는 미세이송이 공작기계의 성능으로 요구되고 있다.

그러나, 종래의 가공기술을 이용하여 정밀기계부품을 가공할 경우에는, 테이블의 이송오차, 공구와 공작물의 상관관계 등으로 인하여 공작물의 단면에는 파상도(waviness)가 생성되며, 이런 파상도는 정밀기계부품의 가공시에 공작물의 형상오차를 저하시키게 하여 제품의 품질을 떨어뜨리는 요인이 되고 있다. 일반적으로, 이와 같은 문제점은 공작기계 자체가 가지고 있는 고유의 테이블의 이송오차, 선반주축의 회전특성 그리고 진동 등으로 인하여 발생함으로 가공조건의 변화로는 개선이 어려우며 공작물의 단면에 생성되는 파상도를 보정할 수 있는 외부의 능동적인 시스템이 필요하게 되었다.

이렇게 정밀기계부품을 정교하게 가공하기 위한 것 중에서 가장 대표적인 것은 압전소자(piezo-electric element)를 이용한 미세이송장치라 할 수 있다. 또한, 이런 압전소자를 사용함으로써 마이크로미터 이하의 이송 분해능이 가능하고, 기계적 이송장치에서 발생하는 백래쉬(backlash), 스틱슬립(stick-slip; 원활하지 못하고 무엇인가 걸린 것 같은 채터진동이라 불리는 진동을 수반하는 마찰현상으로 이동 테이블과 안내면 사이에서 발생하며, 이동기구에서 발생하는 탄성변형과 그 복원의 반복현상을 의미한다.)등의 문제점을 해결할 수 있어서 많은 연구가 진행되고 있을 뿐만 아니라 여러 분야에 응용되고 있다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 공작물의 단면에 생성되는 파상도를 정확하게 보정할 수 있는 압전소자 미세절입장치를 이용한 정밀가공용 파상도 보정시스템을 제공하려는 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 압전소자 미세절입장치를 이용한 정밀가공용 파상도 보정 시스템의 구성요소들을 설명하기 위한 구성도.

도 2는 도 1에 도시된 압전소자 미세절입장치를 이용한 정밀가공용 파상도 보정시스템의 파상도 보정원리를 도시한 파형도.

도 3은 도 1에 도시된 압전소자 미세절입장치를 이용한 정밀가공용 파상도 보정시스템의 미세절입장치의 구성요소들을 설명하기 위한 확대도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1:미세절입장치2:CNC선반

3:선반주축4:피삭재

5:X-테이블6:간극센서 프루브

7:간극센서 앰프8:A/D 컨버터

9:개인용 컴퓨터10:D/A 컨버터

11:고전압 출력앰프12:테이블 이송오차

13:미세절입장치 제어14:공구궤적

15:압전소자16:볼

17:스크류볼트18:탄성힌지

19:공구20:실린더

21:지지부재

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 선반의 주축에 고정된 피삭재의 정밀단면선삭을 수행하기 위한 것이며, 상기 피삭재의 단면을 가공하기 위해 사용되는 공구와 상기 공구를 Z축방향으로 미세하게 이동시키는 압전소자를 구비하며 상기 선반의 테이블에 고정되어 있는 미세절입장치와, 상기 미세절입장치의 하면에 위치하여 상기 미세절입장치의 상대변위를 측정하는 감지장치와, 상기 감지장치에서 검출한 신호를 데이터화하여 신호를 처리 및 분석하는 검출수단 및, 상기 검출수단에서 전송된 신호를 이용하여 고전압을 출력하여 상기 압전소자에 전달하는 고전압 출력앰프를 포함하며, 상기 고전압 출력앰프로부터 전달된 고전압이 상기 압전소자를 구동하여 변위를 제어함으로써, 상기 미세절입장치의 공구와 상기 피삭재의 상대변위가 직선을 이루게 되는 것을 특징으로 하는 압전소자 미세절입장치를 이용한 정밀가공용 파상도 보정시스템이 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 검출수단은 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D컨버터와, 상기 A/D컨버터에서 전송된 데이터를 분석하는 컴퓨터, 및 상기 컴퓨터에서 분석한 데이터를 아날로그 신호로 변환하는 D/A컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자 미세절입장치를 이용한 정밀가공용 파상도 보정시스템이 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 공구와 상기 압전소자의 사이에는 상기 압전소자에 생성된 변위를 상기 공구에 전달하는 탄성힌지가 부가적으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 압전소자 미세절입장치를 이용한 정밀가공용 파상도 보정시스템이 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 검출수단에서 처리된 데이터를 기초로 미세절입장치를 이용하여 테이블의 이송오차를 보정함으로써 상기 공구와 상기 피삭재의 상대변위는 오차가 발생하지 않는 것을 특징으로 하는 압전소자 미세절입장치를 이용한 정밀가공용 파상도 보정시스템이 제공된다.

아래에서, 본 발명에 따른 압전소자 미세절입장치를 이용한 정밀가공용 파상도 보정시스템의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 압전소자 미세절입장치를 이용한 정밀가공용 파상도 보정시스템의 구성요소들을 설명하기 위한 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 압전소자 미세절입장치를 이용한 정밀가공용 파상도 보정시스템의 파상도 보정원리를 도시한 파형도이며, 도 3은 도 1에 도시된 압전소자 미세절입장치를 이용한 정밀가공용 파상도 보정시스템의 미세절입장치의 구성요소들을 설명하기 위한 확대도이다.

도 1 내지 도 3에 보이듯이, 도면 부호 1은 CNC선반(2)의 주축(3)에 고정된 피삭재(4)의 정밀단면선삭 가공을 수행하며 CNC선반(2)의 X-테이블(5)에 고정되어 있는 미세절입장치를 의미하며, 도면 부호 6은 상기 미세절입장치(1)의 변위를 검출하는 간극센서 프루브를 의미한다. 이런 간극센서 프루브(6)는 상기 미세절입장치(1)의 하면에 위치하여 이런 미세절입장치(1)의 상대변위를 측정한다.

또한, 도면부호 7은 상기 간극센서 프루브(6)에서 검출된 신호를 증폭하고 필터링하는 간극센서 앰프를 의미하며, 이런 간극센서 앰프(7)는 간극센서 프루브(6)에서 검출된 신호를 측정된 미세절입장치(1)의 상대변위에 비례하도록 ±5V의 전압으로 증폭시킨다.

또한, 도면부호 8은 상기 간극센서 앰프(7)에서 필터링되고 증폭된 ±5V의 전압의 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환하는 A/D 컨버터를 의미하고, 도면부호 9는 상기 A/D컨버터(8)를 통과하면서 형성된 데이터를 저장하며, 이렇게 저장된 데이터 중에서 측정된 테이블의 이송오차, 가공조건, 압전소자의 히스테리시스(hysteresis)특성, 제어알고리즘 등을 이용하여 데이터를 처리하는 개인용 컴퓨터를 의미한다. 이런 개인용 컴퓨터(9)에는 작업초기에 피삭재(4)의 가공조건이 기억되어 있으며, 이런 초기환경과 A/D컨버터(8)로부터 전송된 자료를 종합하여 데이터를 D/A컨버터(10)에 전송한다. 이런, D/A컨버터(10)는 개인용 컴퓨터(9)로 부터 전송된 디지털 신호를 아날로드 신호로 변환하는 작업을 수행한다.

또한, 도면부호 11은 상기 D/A컨버터(10)에서 수신된 신호를 전송받아 상기 미세절입장치(1)의 소정의 위치에 배치되어 있는 압전소자(15)에 고전압을 전달하여 이런 압전소자(15)를 구동시키고 이런 압전소자(15)의 구동에 의해 미세절입장치(1)의 변위를 제어함으로써 최종적으로 미세절입장치의 공구(19)와 피삭재(4)의 상대변위의 이송오차를 보정하여 직선을 이루게 하는 고전압 출력앰프를 의미한다.

또한, 이런 미세절입장치(1)에는, 압전소자(15)를 밀착하는 실린더(20)와 이런 실린더(20)를 밀착하는 볼(16)과 이런 볼(16)을 밀착하는 스크류볼트(17)가 배치되어 있으며, 이런 스크류볼트(17)를 조임으로써 실린더(20)가 균일하게 압전소자(15)를 밀착하게 되고, 이로써, 압전소자(15)가 예압되고 미세절입장치(1)에 고정된다. 또한, 이런 미세절입장치(1)에는, 고전압 출력앰프(11)에서 출력된 고전압에 의하여 압전소자(15)중의 약한 쪽의 변위가 신장되게 되는데 이런 신장되는 변위를 피삭재(4)의 단면을 정밀선삭하는 공구(19)에 전달하는 탄성힌지(18)가 배치되어 있다. 이런 탄성힌지(18)는 압전소자(15)와 공구(19)를 지지하는 지지부재(21)의 사이에 위치해 있다. 이렇게 압전소자(15)에서 형성된 변위의 변동에 의해 탄성힌지(18)는 Z축방향으로만 작동하게 되고, 이런 Z축방향으로의 작동에 의해 공구(19)의 변위가 형성된다. 이런 공구(19)의 변위를 적절하게 제어함으로써 테이블의 이송오차에 의하여 생성되는 공구(19)와 피삭재(4)간의 상대변위를 직선으로 조절가능하게 되며, 이로써, 피삭재(4)에 생성되는 파상도를 보정할 수가 있다.

아래에서, 앞서 설명한 바와 같이 구성된 본 발명의 압전소자 미세절입장치를 이용한 정밀가공용 파상도 보정시스템의 작동에 상세히 설명하겠다.

먼저, 공구(9)가 장착된 지지부재(21)의 하단에 배치되어 있는 간극센서 프루브(6)가 미세절입장치(1)의 상대변위를 측정한다. 예를 들어, 이렇게 측정된 변위가 10μm정도이면, 이에 해당하는 신호가 간극센서 앰프(7)에 수신된다. 그러면, 간극센서 앰프(7)는 이런 신호를 증폭하고 필터링한 후에 ±5V의 전압의 아날로그 신호를 A/D 컨버터(8)에 전송한다. 이렇게 전송된 신호는 A/D 컨버터(8)에 의해 디지털 신호로 전환되어 개인용 컴퓨터(9)에 전달된다. 그러면, 개인용 컴퓨터(9)는 간극이 10μm라고 인식하게 되고, 이렇게 인식된 데이터와 초기조건에서 제공된 데이터를 종합하여 D/A 컨버터(10)에 디지털 신호를 전달한다. 그런 다음, D/A컨버터(10)는 전송받은 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 고전압 출력앰프(11)에 전달되게 된다. 이렇게 전달된 신호를 고전압 출력앰프(11)에서는 약 100V의 전압으로 증폭시켜 압전소자(15)에 전달하게 된다. 그러면, 압전소자(15)의 변위가 약 10μm 정도 신장되고, 이로써, 이런 압전소자(15)에 맞닿아 있는 탄성힌지(18)의 Z축방향으로의 변위가 형성된다. 이런 탄성힌지(18)의 변위에 의해 공구(19)의 변위가 형성되며, 이로써, 테이블의 이송오차 등에 의하여 생성되는 공구(19)와 피삭재(4)간의 상대변위를 직선으로 조절하여 피삭재(4)에서 생성되는 파상도를 보정할 수 있다. 즉, 도 2에 보이듯이, 테이블이 가지고 있는 테이블 이송오차(12)에 반대되는 크기의 변위를 미세절입장치의 제어(13)를 이용하여 인가함으로서 최종적으로 공구궤적(14)은 직선을 이루게 된다. 그러므로, 피삭재(4)의 가공단면에는 파상도가 전혀 생성되지 않는다.

또한, 미세절입장치(1)의 변위에 대한 자료를 A/D컨버터(8)를 통해 개인용 컴퓨터(9)에 전송하면, 이런 개인용 컴퓨터(9)에서는 수신된 데이터를 기초로 미세절입장치(1)를 이용하여 테이블의 이송오차를 보정함으로써 상기 공구(19)와 상기 피삭재(4)의 상대변위의 오차가 발생하지 않게 할 수 있다. 그러므로, 피삭재(4)의 가공단면에는 파상도가 전혀 생성되지 않는다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 압전소자 미세절입장치를 이용한 정밀 가공용 파상도 보정시스템은 마이크로미터 이하의 이송 분해능이 가능하고, 기계적 이송장치에서 발생하는 백래쉬, 스틱슬립 등의 문제점을 해결할 수 있어서 정밀기계부품의 가공시에 발생 하는 파상도가 전혀 생성되지 않는다.

이상에서 본 발명의 압전소자 미세절입장치를 이용한 정밀가공용 파상도 보정시스템에 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 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (4)

1. 선반(2)의 주축(3)에 고정된 피삭재(4)의 정밀단면선삭을 수행하기 위한 것이며, 상기 피삭재(4)의 단면을 가공하기 위해 사용되는 공구(19)와 상기 공구(19)를 Z축방향으로 미세하게 이동시키는 압전소자(15)를 구비하며 상기 선반(2)의 테이블(5)에 고정되어 있는 미세절입장치(1)와, 상기 미세절입장치(1)의 하면에 위치하여 상기 미세절입장치(1)의 상대변위를 측정하는 감지장치(6)와, 상기 감지장치(6)에서 검출한 신호를 데이터화하여 신호를 처리 및 분석하는 검출수단(8,9,10) 및, 상기 검출수단(10)에서 전송된 신호를 이용하여 고전압을 출력하여 상기 압전소자(15)에 전달하는 고전압 출력앰프(11)를 포함하며, 상기 고전압 출력앰프(11)로부터 전달된 고전압이 상기 압전소자(15)를 구동하여 변위를 제어함으로써, 상기 미세절입장치(1)의 공구(19)와 상기 피삭재(4)의 상대변위가 직선을 이루게 되는 것을 특징으로 하는 압전소자 미세절입장치를 이용한 정밀가공용 파상도 보정시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 검출수단(8,9,10)은 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D컨버터(8)와, 상기 A/D컨버터(8)에서 전송된 데이터를 분석하는 컴퓨터(9) 및, 상기 컴퓨터(9)에서 분석한 데이터를 아날로그 신호로 변환하는 D/A컨버터(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자 미세절입장치를 이용한 정밀가공용 파상도 보정시스템.
3. 제1항에 있어서,

   상기 공구(19)와 상기 압전소자(15)의 사이에는 상기 압전소자(15)에 생성된 변위를 상기 공구(19)에 전달하는 탄성힌지(18)가 부가적으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 압전소자 미세절입장치를 이용한 정밀가공용 파상도 보정시스템.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 검출수단(9)에서 처리된 데이터를 기초로 미세절입장치(1)를 이용하여 테이블의 이송오차를 보정함으로써 상기 공구(19)와 상기 피삭재(4)의 상대변위는 오차가 발생하지 않는 것을 특징으로 하는 압전소자 미세절입장치를 이용한 정밀가공용 파상도 보정시스템.