KR20060071201A - Dynamic characteristics identification system of high-speed m/t spindles - Google Patents

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KR20060071201A
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Abstract

본 발명에 따른 고속주축의 동특성 측정시스템은, 주축공구단의 외경에 설치되어 외력에 대한 주축의 변위를 측정하도록 된 제1정전용량 변위센서와, 상기 주축공구단과 마주하는 공작기계의 테이블 상에 설치된 공구동력계와 결합되어 상기 주축에 대한 가진을 가하는 동시에 주축과 연결된 마스터 실린더의 변위를 측정하도록 된 변위센서 내장형 비접촉식 마그네틱 가진기로 구성되는 것을 특징으로 한다.The system for measuring the dynamic characteristics of a high speed spindle according to the present invention includes a first capacitive displacement sensor installed at an outer diameter of a spindle tool end and measuring a displacement of the spindle with respect to an external force, and on a table of a machine tool facing the spindle tool end. Coupled with the installed tool dynamometer is characterized in that it consists of a non-contact magnetic excitation with a built-in displacement sensor to apply the excitation to the main axis and to measure the displacement of the master cylinder connected to the main axis.

상기 본 발명은 비접촉식 마그네틱 가진기를 통해 주축이 고속 회전중이더라도 주축의 동특성에 전혀 영향을 미치지 않고, 실제 가공조건에서와 동일한 상태의 가진을 가할 수 있게 되는 효과가 있다.According to the present invention, even when the main shaft is rotating at a high speed through the non-contact magnetic exciter, there is an effect that the excitation in the same state as in the actual processing conditions can be applied without affecting the dynamic characteristics of the main shaft at all.

또한, 본 발명은 마그네틱 가진기의 착탈이 용이하기 때문에 주축을 분해하는 등의 번거로움 없이, 간편하게 설치할 수 있고 및 주축에 대한 정동 특성의 측정이 용이하게 이루어지는 효과가 있다.In addition, the present invention has an effect that the magnetic exciter can be easily attached and detached, so that the magnetic shaft can be easily installed without the hassle of disassembling the main shaft, and the measurement of the static characteristics on the main shaft is facilitated.

Description

고속주축의 동특성 측정 시스템 {Dynamic Characteristics Identification System of High-Speed M/T Spindles}Dynamic Characteristics Identification System of High-Speed M / T Spindles}

도 1은 본 발명에 따른 고속주축의 동특성 측정시스템을 보인 개략도.1 is a schematic view showing a dynamic characteristic measurement system of a high speed spindle according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 정전용량 변위 센서 내장형 비접촉식 마그네틱 가진기의 구조를 보인 사시도.Figure 2 is a perspective view showing the structure of the capacitive displacement sensor built-in non-contact magnetic exciter according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 정전용량 변위 센서 내장형 비접촉식 마그네틱 가진기의 구조를 보인 단면도.Figure 3 is a cross-sectional view showing the structure of a non-contact magnetic exciter built-in capacitive displacement sensor according to the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

10: 주축 공구단 20: 제1정전용량 변위센서10: spindle tool end 20: first capacitance displacement sensor

30: 공작기계 테이블 40: 공구 동력계30: machine tool table 40: tool dynamometer

50: 마그네틱 가진기 60: 액츄에이터50: magnetic excitation 60: actuator

61: 제1하우징 63: 전자석61: first housing 63: electromagnet

70: 제2정전용량 변위센서 71: 제2하우징70: second capacitance displacement sensor 71: second housing

73: 센서면 80: 마스터 실린더73: sensor surface 80: master cylinder

본 발명은 고속 공작기계의 주축에 관한 것으로서, 특히 고속주축의 동특성 측정을 위한 동특성 측정시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a spindle of a high speed machine tool, and more particularly to a dynamic characteristic measurement system for measuring dynamic characteristics of a high speed spindle.

현재, 주축의 정동특성을 파악하기 위한 방법으로, 공작기계의 주축의 공구단에 별도의 베어링을 장착하고, 상기 베어링의 외륜을 접촉식 가진기를 이용하여 회전중인 주축을 가진, 주축의 동특성을 파악하고, 또한 파악된 동특성을 기반으로 주축에 내장된 3축 가속도계를 이용, 절삭 중인 주축의 가속도를 측정하여 절삭력을 예측하는 방법이 사용되었다.At present, a method for grasping the static characteristics of the main shaft is to install a separate bearing on the tool end of the main shaft of the machine tool, and to grasp the dynamic characteristics of the main shaft with the main shaft being rotated using a contact type exciter of the outer ring of the bearing. In addition, a method of estimating cutting force by measuring acceleration of the cutting spindle using a 3-axis accelerometer built on the spindle based on the identified dynamic characteristics was used.

그러나, 상기와 같은 측정방법은 주축의 가진 시, 베어링의 동특성이 주축의 동특성에 포함되어 나타날 수 있고, 회전하는 베어링의 외륜을 가진한다 하더라도 접촉식 가진기를 이용하기 때문에 주축과 베어링, 가진기의 정렬이 정밀하게 이루어지지 않으면 고속에서의 가진이 불가능하다는 문제점이 있다. However, the above measuring method can be shown that the dynamic characteristics of the bearing during the excitation of the main shaft is included in the dynamic characteristics of the main shaft, and the contact shaft is used even if the outer ring of the rotating bearing is used. If the alignment is not precise, there is a problem that the excitation at high speed is impossible.

또한, 회전체의 축방향의 여러 지점에서 가진을 하고 또한 해당 위치에서 변위 또는 가속도를 측정하는 다중 입력-다중 출력(multi-input-multi-output ; MIMO) 회전체-베어링 시스템 식별 방법을 사용하기 위해서는, 주축 전체가 외부로 노출되어야 하는 문제가 있다.In addition, using a multi-input-multi-output (MIMO) rotor-bearing system identification method that excites at different points in the axial direction of the rotor and also measures displacement or acceleration at that position. In order to solve this problem, the entire spindle must be exposed to the outside.

따라서, 이러한 종래 기술에서의 측정방법은, 회전체의 설계 및 제작 단계에서만 수행할 수 있는 것으로서, 실제 구동 중에 있는 고가의 주축을 분해하기란 불가능한 문제가 있다.Therefore, the measurement method in the prior art, which can be performed only at the stage of designing and manufacturing the rotating body, has a problem in that it is impossible to disassemble an expensive main shaft in actual driving.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 주축의 동특성을 파악하기 위해 주축의 가진 중 주축의 동특성에 영향을 미치지 않고 고속의 회전 중에도 가진을 가할 수 있도록 하는 비접촉 방식의 마그네틱 가진기를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention for solving the above problems is to provide a magnetic contactor of a non-contact type magnetic excitation that can be applied during high-speed rotation without affecting the dynamic characteristics of the main shaft of the main shaft to grasp the dynamic characteristics of the main shaft There is this.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고속주축의 동특성 측정시스템은, 주축공구단의 외경에 설치되어 외력에 대한 주축의 변위를 측정하도록 된 제1정전용량 변위센서와, 상기 주축공구단과 마주하는 공작기계의 테이블 상에 설치된 공구동력계와 결합되어 상기 주축에 대한 가진을 가하는 동시에 주축과 연결된 마스터 실린더의 변위를 측정하도록 된 변위센서 내장형 비접촉식 마그네틱 가진기로 구성되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a system for measuring dynamic characteristics of a high speed spindle according to the present invention includes a first capacitive displacement sensor installed at an outer diameter of a spindle tool end and configured to measure displacement of the spindle with respect to an external force, and facing the spindle tool end. Combined with a tool dynamometer installed on the table of the machine tool is characterized in that it consists of a non-contact magnetic vibrator with a displacement sensor to apply the excitation to the main axis and to measure the displacement of the master cylinder connected to the main axis.

여기서, 상기 비접촉 마그네틱 가진기는 가진력을 발생시키는 전자석으로 이루어진 고정자인 액츄에이터와, 상기 액츄에이터 중앙에 하단부가 삽입되고 상단부가 주축에 결합되어 가진력을 주축에 전달하는 회전자 역할을 하는 마스터 실린더와, 상기 마스터 실린더를 감싸도록 액츄에이터 상단에 결합되어 마스터 실린더와 이를 감싸는 센서면 사이에 형성되는 정전용량의 변화를 통해 주축의 동강성이 측정되도록 한 제2정전용량 변위센서로 구성되는 것을 특징으로 한다.Here, the non-contact magnetic exciter is an actuator which is a stator made of an electromagnet for generating an excitation force, a master cylinder which acts as a rotor for transmitting the excitation force to the main shaft by inserting a lower end portion in the center of the actuator and an upper end portion coupled to the main shaft, It is characterized by consisting of a second capacitance displacement sensor coupled to the top of the actuator to surround the cylinder to measure the dynamic stiffness of the main shaft through a change in capacitance formed between the master cylinder and the sensor surface surrounding it.

여기서, 상기 액츄에이터는 중앙에 적정 직경의 내경을 갖는 제1하우징과, 상기 제1하우징 내경면에 설치되는 전자석으로 구성되는 것을 특징으로 한다.Here, the actuator is characterized by consisting of a first housing having an inner diameter of the appropriate diameter in the center and an electromagnet provided on the inner diameter surface of the first housing.

여기서, 상기 액츄에이터와 마스터 실린더의 반경방향 틈새는 약 0.15 mm로 형성하는 것을 특징으로 한다.Here, the radial clearance between the actuator and the master cylinder is characterized by forming about 0.15 mm.

여기서, 상기 제2정전용량 변위센서는 제1하우징 상면에 결합되고, 중앙에 적정 직경의 내경을 갖는 제2하우징과, 상기 제2하우징의 내경면에 마스터 실린더의 원주면을 감싸도록 설치되는 다수개의 센서면으로 구성되는 것을 특징으로 한다.Here, the second capacitive displacement sensor is coupled to the upper surface of the first housing, the second housing having an inner diameter of a suitable diameter in the center and a plurality of installed to surround the circumferential surface of the master cylinder on the inner diameter surface of the second housing It is characterized by consisting of two sensor surfaces.

여기서, 상기 센서면은 4조각 또는 8조각으로 형성되는 것을 특징으로 한다.Here, the sensor surface is characterized in that formed in four pieces or eight pieces.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 첨부도면을 참조하여 자세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail.

도 1은 본 발명에 따른 고속주축의 동특성 측정시스템을 보인 개략도로서, 동 도면에서 보여지는 바와 같은 고속주축의 동특성 측정시스템은 주축공구단(10)의 외경에 부착되는 제1정전용량 변위센서(20)와, 상기 주축공구단과 마주보는 공작기계의 테이블(30)에 설치되는 공구동력계(40)와 결합되는 비접촉식 마그네틱 가진기(50)로 구성된다.1 is a schematic view showing a dynamic characteristic measurement system of a high speed spindle according to the present invention, the dynamic characteristic measurement system of a high speed spindle as shown in the drawing is a first capacitive displacement sensor (attached to the outer diameter of the spindle tool stage 10) 20) and a non-contact magnetic exciter 50 coupled with a tool dynamometer 40 installed on the table 30 of the machine tool facing the spindle tool end.

이때, 상기 제1정전용량 변위센서(20)는 주축의 변위를 측정하게 된다. 또한, 상기 비접촉식 마그네틱 가진기(50)는 임의의 가진력을 발생시켜 실제 가공조건에서와 유사한 환경의 특성이 파악될 수 있도록 하는데, 이때의 가진력은 공구동력계(40)에 의하여 간접적으로 측정된다.At this time, the first capacitance displacement sensor 20 measures the displacement of the main shaft. In addition, the non-contact magnetic exciter 50 generates an arbitrary excitation force to be able to determine the characteristics of the environment similar to the actual processing conditions, the excitation force is measured indirectly by the tool dynamometer 40.

상기 비접촉 마그네틱 가진기(50)의 자세한 구성에 대해 도 2내지 도 3을 통해 설명하도록 한다.A detailed configuration of the non-contact magnetic exciter 50 will be described with reference to FIGS. 2 to 3.

도 2는 본 발명에 따른 정전용량 변위 센서 내장형 비접촉식 마그네틱 가진 기의 구조를 보인 사시도 이고, 도 3은 본 발명에 따른 정전용량 변위 센서 내장형 비접촉식 마그네틱 가진기의 구조를 보인 단면도이다.Figure 2 is a perspective view showing the structure of the capacitive displacement sensor built-in non-contact magnetic exciter according to the present invention, Figure 3 is a cross-sectional view showing the structure of the capacitive displacement sensor built-in non-contact magnetic exciter according to the present invention.

동 도면에서 보여 지는 바와 같은 본 발명에 따른 비접촉식 마그네틱 가진기(50)는 가진력을 발생시키는 전자석(63)으로 이루어진 고정자인 액츄에이터(60)와, 상기 액츄에이터(60) 중앙에 하단부가 삽입되고 상단부가 주축에 결합되어 가진력을 주축에 전달하는 회전자 역할을 하는 마스터 실린더(80)와, 상기 마스터 실린더(80)를 감싸도록 액츄에이터(60) 상단에 결합되어 마스터 실린더(80)와 이를 감싸는 센서면 사이에 형성되는 정전용량의 변화를 통해 주축의 동강성이 측정되도록 한 제2정전용량 변위센서(70)로 구성된다.The non-contact magnetic vibrator 50 according to the present invention as shown in the figure is an actuator 60, which is a stator made of an electromagnet 63 for generating an excitation force, and a lower end is inserted into the center of the actuator 60, and an upper end is The master cylinder 80 is coupled to the main shaft and serves as a rotor for transmitting the excitation force to the main shaft, and coupled to the upper end of the actuator 60 to surround the master cylinder 80, between the master cylinder 80 and the sensor surface surrounding it The second capacitance displacement sensor 70 is configured to measure the dynamic stiffness of the main shaft through a change in the capacitance formed in the.

상기 액츄에이터(60)는 마그네틱 베어링과 같은 원리로 제작되는데, 개략적 구성을 살펴보면, 중앙에 적정 직경의 내경을 갖는 제1하우징(61)과, 상기 제1하우징(61) 내경면에 설치되는 전자석(63)으로 구성된다.The actuator 60 is manufactured on the same principle as the magnetic bearing. Referring to the schematic configuration, a first housing 61 having an inner diameter of an appropriate diameter in the center and an electromagnet installed on the inner diameter surface of the first housing 61 are provided. 63).

상기 마스터 실린더(80)는 일단이 주축단에 장착되도록 구성되는데, 크게 두가지의 역할을 한다. 하나는 가진력이 전달되는 회전자(rotor)의 역할이며, 또 하나는 주축의 흔들림을 측정하기 위한 주축의 마스터 실린더의 역할을 한다.The master cylinder 80 is configured so that one end is mounted on the main shaft end, it serves largely two roles. One is the role of the rotor through which the excitation force is transmitted, and the other is the role of the master cylinder of the main shaft to measure the shake of the main shaft.

이때, 상기 고정자인 액츄에이터(60)와 회전자인 마스터 실린더(80)의 반경방향 틈새는 약 0.15 mm로 형성하는 것이 바람직하다. At this time, the radial clearance between the actuator 60 as the stator and the master cylinder 80 as the rotor is preferably about 0.15 mm.

상기 제2정전용량 변위센서(cylindrical capacitive sensor; CCS)(70)는 회전중인 주축의 동강성을 측정하기 위한 것으로서, 제1하우징(61) 상면에 결합되고, 중앙에 적정 직경의 내경을 갖는 제2하우징(71)과, 상기 제2하우징(71)의 내경면에 마스터 실린더(80)의 원주면을 감싸도록 설치되는 다수개의 센서면(73)으로 구성된다.The second capacitive displacement sensor (CCS) 70 is for measuring dynamic stiffness of a rotating main shaft and is coupled to an upper surface of the first housing 61 and has an inner diameter of an appropriate diameter in the center thereof. It consists of a two housing (71) and a plurality of sensor surfaces (73) installed to surround the circumferential surface of the master cylinder (80) on the inner diameter surface of the second housing (71).

상기 센서면(73)은 4조각 또는 8조각으로 이루어지는 것이 바람직하다.The sensor surface 73 is preferably made of four pieces or eight pieces.

상기 제2정전용량 변위센서(70)는 표면 형상오차의 영향이 적고, 대역폭이 약 10 kHz에 이르며, 약 50 nm 이상의 변위 분해능을 가지도록 제작된다.The second capacitive displacement sensor 70 is manufactured to have a small effect of surface shape error, a bandwidth of about 10 kHz, and a displacement resolution of about 50 nm or more.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 비접촉식 마그네틱 가진기(50)는 주축이 고속 회전중이더라도 주축의 동특성에 전혀 영향을 미치지 않고, 실제 가공조건에서와 동일한 상태의 가진을 가할 수 있게 된다.The non-contact magnetic exciter 50 of the present invention having the above configuration does not affect the dynamic characteristics of the main shaft at all even when the main shaft is rotating at high speed, and can apply excitation in the same state as in actual processing conditions.

상기 비접촉식 마그네틱 가진기(50)는 고속 주축에 실제 가공이 이루어질 때와 유사한 수준의 가진이 이루어지기 위해서 다음 표 1에서와 같은 설계 사양을 갖도록 한다.The non-contact magnetic vibrator 50 has a design specification as shown in Table 1 in order to achieve the same level of excitation as the actual machining is performed on the high speed spindle.

(표 1)Table 1

가진력의 최대 진폭(RMS)Maximum amplitude of excitation force (RMS) 300 N300 N 가진력의 최대 가진 주파수Frequency with the maximum of excitation force 2 kH2 kH 가진 지점에서의 run-outRun-out at the point 2 micron2 micron 가진 지점에서의 최대 처짐Maximum deflection at the point of excitation 20 micron20 micron

본 발명은 도 1에서 보여지는 바와 같이 주축에서의 변위는 공구단에 부착된 제1정전용량 변위센서(20)를 통하여 측정이 되고, 비접촉식 마그네틱 가진기(50)에 의해 가해지는 가진력은 공구동력계(40)에 의하여 간접적으로 측정된다. As shown in FIG. 1, the displacement in the main shaft is measured by the first capacitance displacement sensor 20 attached to the tool end, and the excitation force applied by the non-contact magnetic exciter 50 is a tool dynamometer. Indirectly measured by (40).

이때, 주축시스템의 정확한 주파수 응답 함수를 산출해내기 위해서는 주축에 실제로 인가되는 가진력과 주축의 실제 변위를 측정하여야 한다. At this time, to calculate the exact frequency response function of the spindle system, the excitation force actually applied to the spindle and the actual displacement of the spindle should be measured.

그러나, 제1정전용량 변위센서(20)와 공구동력계(40)에 의해 측정되는 측정 값들은 각 센서들의 동특성(dynamics)과 주축의 오차운동 및 원심력에 의하여 왜곡됨에 따라, 주축 시스템에 가해지는 정확한 가진력과 주축 변위를 구하기 위해서는 제1정전용량 변위센서(20)와 가진기-공구동력계 시스템에서의 동특성과 주축의 오차운동을 파악하여 각 측정 신호들을 보정하는 절차가 필요하다.However, the measured values measured by the first capacitive displacement sensor 20 and the tool dynamometer 40 are distorted by the dynamics of the sensors, the error movement of the spindle and the centrifugal force, and thus the exact values applied to the spindle system. In order to calculate the excitation force and the main shaft displacement, it is necessary to determine the dynamic characteristics and the error movement of the main shaft in the first capacitive displacement sensor 20 and the excitation-tool dynamometer system to correct each measurement signal.

이러한, 측정 신호의 왜곡을 보상하기 위하여 다음과 같은 방법을 사용한다.In order to compensate for the distortion of the measurement signal, the following method is used.

먼저, 주축이 공회전을 하고 있을 때의 변위 신호의 주파수 특성과 가진력에 의한 주축 변위의 주파수 특성이 상호 독립적이라고 가정한다.First, it is assumed that the frequency characteristic of the displacement signal when the main axis is idling and the frequency characteristic of the spindle displacement due to the excitation force are mutually independent.

이러한, 가정 하에 주축에 가해지는 가진력과 원심력, 그리고 여러 가지 원인에 의해 왜곡된 변위 신호를 아래 표 2와 같이 모델링할 수 있다.Under these assumptions, the displacement signal distorted by the excitation force, centrifugal force, and various causes applied to the main axis can be modeled as shown in Table 2 below.

(표 2)Table 2

Figure 112004060306137-PAT00001
Figure 112004060306137-PAT00001

상기 표 2에서

Figure 112004060306137-PAT00002
는 주축의 회전 중 원심력에 의한 변위, 주축단의 오차운동, CCS 특성에 의해 발생하는 주축 변위의 주파수 스펙트럼이다.
Figure 112004060306137-PAT00003
는
Figure 112004060306137-PAT00004
일 때, 다시 말하면 가진력이 가해지지 않고 주축이 공회전할 때의 주축 변위 신호를 측정하면 간단히 얻을 수 있다. In Table 2 above
Figure 112004060306137-PAT00002
Is the frequency spectrum of the main shaft displacement caused by the centrifugal displacement during the rotation of the main shaft, the error motion of the main shaft end, and the CCS characteristics.
Figure 112004060306137-PAT00003
Is
Figure 112004060306137-PAT00004
In other words, it can be obtained simply by measuring the spindle displacement signal when the spindle is idle without applying excitation force.

즉, 가진이 이루어지고 있는 상태에서 주축 변위의 스펙트럼에서 주축이 공회전할 때의 주축 변위 스펙트럼을 빼면, 순수하게 가진력에 의한 주축 변위의 주 파수 스펙트럼을 구할 수 있을 것이다.In other words, by subtracting the main axis displacement spectrum when the main axis is idle in the spectrum of the main axis displacement in the excited state, it is possible to obtain the frequency spectrum of the main axis displacement by the pure excitation force.

하지만,

Figure 112004060306137-PAT00005
와
Figure 112004060306137-PAT00006
가 각각 일정한 진폭 스펙트럼을 갖는다 하더라도, 가진력에 의한 응답과 왜곡 변위 신호 각각의 위상의 차이에 따라 두 신호가 합성된 신호인
Figure 112004060306137-PAT00007
의 주파수 스펙트럼이 변화하게 된다.However,
Figure 112004060306137-PAT00005
Wow
Figure 112004060306137-PAT00006
Even though each has a constant amplitude spectrum, the two signals are synthesized according to the difference in the phase of each of the response and the distortion displacement signal due to the excitation force.
Figure 112004060306137-PAT00007
Will change the frequency spectrum.

따라서, 가진력에 의한 변위 응답 신호의 위상 스펙트럼과 원심력, 흔들림 등에 의한 변위 신호(공회전 신호)의 위상 스펙트럼 사이의 관계를 표 3을 참조하여 자세히 설명하도록 한다.Therefore, the relationship between the phase spectrum of the displacement response signal due to the excitation force and the phase spectrum of the displacement signal (idle signal) due to centrifugal force, shaking, etc. will be described in detail with reference to Table 3.

(표 3)Table 3

Figure 112004060306137-PAT00008
Figure 112004060306137-PAT00008

우선, 주축 변위 응답을 측정할 때, 가진력에 의한 변위만 측정하지 않고 표본 시간(sampling time) 또는 표본 개수를 연장하여 가진력이 사라지고 주축이 공 회전할 동안에도 연속해서 신호를 측정한다.First, when measuring the spindle displacement response, instead of measuring the displacement by the excitation force, the sampling time or the number of specimens is extended to remove the excitation force and measure the signal continuously while the spindle is idle.

그 후 표본화된 전체 데이터 중 공회전 시의 주축 변위 데이터(데이터 창의 뒷부분)로부터 주축 회전 1주기 성분에 해당하는 데이터를 절삭한 후 그 신호를 시간 축에 대하여 전방(과거)으로 덧붙여 주기 연장을 수행한다. After that, the data corresponding to one cycle component of the spindle rotation is cut from the spindle displacement data (at the rear of the data window) during idling, and the signal is forwarded (past) along the time axis to extend the cycle. .

측정된 전체 데이터에서 주기 연장한 공회전 신호를 뺀 후 순수하게 가진력에 의한 주축의 응답 신호를 구해낸 다음 주파수 스펙트럼을 구한다.After subtracting the period-long idle signal from the measured data, obtain the response signal of the purely driven main axis and then obtain the frequency spectrum.

단, 측정 시간 중 주축의 회전수가 일정하고 시간에 따라 주축 회전 1주기 성분에 해당하는 파형이 동일하게 반복되어야 한다.However, the number of revolutions of the main axis is constant during the measurement time, and the waveform corresponding to one cycle component of the main axis rotation should be repeated in time.

또한, 본 발명에서는 가진력이 가해질 때, 가진기-공구동력계 시스템의 동특성에 의해 왜곡된 가진력 측정값을 보상하기 위해 가진기가 부착된 공구동력계를 임펄스 해머를 이용해 가진을 하여 가진기-공구동력계의 동특성을 파악하도록 한다. In addition, in the present invention, when the excitation force is applied, the dynamics of the excitation-tool dynamometer by excitation of the tool dynamometer with the exciter using an impulse hammer to compensate the excitation force measured by the dynamic characteristics of the excitation-tool dynamometer system Be aware of this.

그런 다음, 파악된 동특성의 역함수를 구하고, 측정된 가진력으로부터 실제의 가진력을 구하기 위한 전달함수를 구하도록 한다.Then, the inverse function of the identified dynamic characteristics is obtained, and the transfer function for obtaining the actual excitation force from the measured excitation force is obtained.

하기 표 4는 공구동력계에서의 동특성을 그래프로 나타낸 것으로서, 임펄스해머로 가진을 하여 가진력과 공구동력계의 출력값을 측정하고 그로부터 공구동력계에서의 주파수 응답함수

Figure 112004060306137-PAT00009
을 구하여 주파수 영역에서 나타낸 것이다. 실험의 정확성을 평가하기 위하여 측정값으로부터 평균값과 표준편차를 구하였다.The following table 4 shows the dynamic characteristics of the tool dynamometer, and the excitation hammer is used to measure the output values of the excitation force and the tool dynamometer and the frequency response function from the tool dynamometer.
Figure 112004060306137-PAT00009
Is obtained in the frequency domain. To evaluate the accuracy of the experiment, the mean and standard deviation were calculated from the measured values.

(표 4)Table 4

Figure 112004060306137-PAT00010
Figure 112004060306137-PAT00010

상기 그래프를 통해 알 수 있듯이 저주파에서는 공구동력계 신호의 왜곡이 거의 없지만 약 850 Hz부근에서 1차 고유진동수를 가지며 고주파에서 신호의 왜곡이 발생하는 것을 알 수 있다.As can be seen from the graph, at low frequencies, there is little distortion of the tool dynamometer signal, but it has a first natural frequency around 850 Hz and a signal distortion occurs at high frequencies.

측정 신호로부터 실제의 가진력을 구하기 위한 전달함수를 위 결과로부터 산출하여 표 5에 나타내었다. The transfer function for obtaining the actual excitation force from the measured signal is calculated from the above results and is shown in Table 5.

(표 5)Table 5

Figure 112004060306137-PAT00011
Figure 112004060306137-PAT00011

상기와 같은 본 발명은 원통형 정전용량 변위센서가 내장된 비접촉식 마그네틱 가진기에 구성함에 따라, 주축의 고속 회전 중에도 주축에 자유로운 가진 및 변위 측정이 가능하고, 이로 인해, 공작기계 주축에 맞는 최적의 절삭조건을 찾을 수 있게 된다.According to the present invention as described above, by configuring a non-contact magnetic vibrator having a cylindrical capacitive displacement sensor, free vibration and displacement can be measured on the spindle even during high speed rotation of the spindle. Will be found.

또한, 회전중인 주축의 정강성 측정 뿐만 아니라, 동강성 측정 및 진동 특성 측정이 가능하게 된다.In addition, the dynamic rigidity measurement and the vibration characteristic measurement as well as the static rigidity measurement of the rotating spindle can be performed.

상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명의 기술내용을 통해, 당업자라면, 본 발명의 기술사상을 일탈하지 않는 범위 안에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있다.Through the technical contents of the present invention having the above configuration, those skilled in the art can recognize that various changes and modifications can be made without departing from the technical spirit of the present invention.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라, 특허청구의 범위에 의해 정해져야 할 것이다.Therefore, the true technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the detailed description of the specification, but should be defined by the claims.

상기 본 발명은 비접촉식 마그네틱 가진기를 통해 주축이 고속 회전중이더라도 주축의 동특성에 전혀 영향을 미치지 않고, 실제 가공조건에서와 동일한 상태의 가진을 가할 수 있게 되는 효과가 있다.According to the present invention, even when the main shaft is rotating at a high speed through the non-contact magnetic exciter, there is an effect that the excitation in the same state as in the actual processing conditions can be applied without affecting the dynamic characteristics of the main shaft at all.

또한, 본 발명은 마그네틱 가진기의 착탈이 용이하기 때문에 주축을 분해하는 등의 번거로움 없이, 간편하게 설치할 수 있고 및 주축에 대한 정동 특성의 측정이 용이하게 이루어지는 효과가 있다. In addition, the present invention has an effect that the magnetic exciter can be easily attached and detached, so that the magnetic shaft can be easily installed without the hassle of disassembling the main shaft, and the measurement of the static characteristics on the main shaft is facilitated.

Claims (6)

주축공구단의 외경에 설치되어 주축의 정강특성을 측정하도록 된 제1정전용량 변위센서와, 상기 주축공구단과 마주하는 공작기계의 테이블 상에 설치된 공구동력계와 결합되어 상기 주축에 대한 가진을 가하는 동시에 주축의 동강특성을 측정하도록 된 비접촉식 마그네틱 가진기로 구성되는 것을 특징으로 하는 고속주축의 동특성 측정시스템.A first capacitive displacement sensor mounted on an outer diameter of the spindle tool end to measure the shank characteristics of the spindle, and a tool dynamometer mounted on a table of the machine tool facing the spindle tool end to apply excitation to the spindle. A dynamic characteristics measuring system of a high speed spindle, characterized by comprising a non-contact magnetic exciter configured to measure dynamic characteristics of the main shaft. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 비접촉 마그네틱 가진기는 가진력을 발생시키는 전자석으로 이루어진 고정자인 액츄에이터와, 상기 액츄에이터 중앙에 하단부가 삽입되고 상단부가 주축에 결합되어 가진력을 주축에 전달하는 회전자 역할을 하는 마스터 실린더와, 상기 마스터 실린더를 감싸도록 액츄에이터 상단에 결합되어 마스터 실린더와 이를 감싸는 센서면 사이에 형성되는 정전용량의 변화를 통해 주축의 동강성이 측정되도록 한 제2정전용량 변위센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 고속주축의 동특성 측정시스템.The non-contact magnetic exciter is an actuator which is a stator made of an electromagnet for generating an excitation force, a master cylinder having a lower end inserted into the center of the actuator and an upper end coupled to the main shaft to serve as a rotor for transmitting excitation force to the main shaft, and the master cylinder. Dynamic characteristics measurement of the high speed spindle, characterized in that it is composed of a second capacitive displacement sensor coupled to the top of the actuator to be wrapped between the master cylinder and the sensor surface surrounding the sensor to determine the dynamic stiffness of the main shaft system. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 액츄에이터는 중앙에 적정 직경의 내경을 갖는 제1하우징과, 상기 제1하우징 내경면에 설치되는 전자석으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고속주축의 동 특성 측정시스템.And said actuator comprises a first housing having an inner diameter of an appropriate diameter in the center and an electromagnet provided on the inner diameter surface of the first housing. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 액츄에이터와 마스터 실린더의 반경방향 틈새는 약 0.15 mm로 형성하는 것을 특징으로 하는 고속주축의 동특성 측정시스템.A radial clearance between the actuator and the master cylinder is about 0.15 mm to form a dynamic characteristic measuring system of the high speed spindle. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 제2정전용량 변위센서는 제1하우징 상면에 결합되고, 중앙에 적정 직경의 내경을 갖는 제2하우징과, 상기 제2하우징의 내경면에 마스터 실린더의 원주면을 감싸도록 설치되는 다수개의 센서면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고속주축의 동특성 측정시스템.The second capacitive displacement sensor is coupled to the upper surface of the first housing, the second housing having an inner diameter of a suitable diameter in the center and a plurality of sensors installed to surround the circumferential surface of the master cylinder on the inner diameter surface of the second housing High-speed spindle dynamic characteristics measurement system characterized in that consisting of the surface. 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 센서면은 4조각 또는 8조각으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고속주축의 동특성 측정시스템.The sensor surface is characterized in that the four pieces or eight pieces of high-speed spindle dynamic characteristics measurement system.
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