KR20240099608A

KR20240099608A - 공작기계 이송축의 열변형 보정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20240099608A
Application number: KR1020220181304A
Authority: KR
Inventors: 조민제
Original assignee: 주식회사 디엔솔루션즈
Priority date: 2022-12-22
Filing date: 2022-12-22
Publication date: 2024-07-01

Abstract

제1부재 상에서 제1부재의 열변위 방향으로 제2부재를 서보모터에 의해 이송 제어하는 공작기계에서, 상기 제1부재에 상기 제1부재의 열변위 방향과 반대 방향으로 상기 제1부재의 열변위율 보다 높은 열변위율을 가지는 이종 소재 거치대를 설치하고, 상기 거치대의 일 면 중앙에 상기 거치대의 열변위를 추종하여 열변위를 검출하도록 리니어스케일을 설치하여, 상기 리니어스케일의 피드백 신호를 제어부에 제공하여 제2부재의 이송모터를 피드백 제어함으로써, 온도센서를 사용하지 않고서도 제2부재의 위치 오차를 보상할 수 있다.

Description

공작기계 이송축의 열변형 보정 장치 및 방법{Apparatus and method for compensating thermal deformation of machine tool feed axis}

본 발명은 공작기계 이송축의 열변형 보정 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 특히 열팽창된 부재 상에서 이송 제어되는 또 다른 부재의 이송 위치를 보정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

공작기계는 금속 구조물로 형성되며, 서로 다른 방향으로 이송되는 복수의 이송축계와, 이들 이송축계 상에서 또는 자체적으로 회전동작을 수행하는 회전축계를 구비한다. 이송축계는 주로 공작기계의 베드 상에서 수평 방향(X축)으로 왕복 이송 동작을 수행하는 새들(Saddle)과, 상기 새들 상에서 상기 새들의 이송방향에 직교하는 수평 방향(Y축)으로 왕복 이송 동작을 수행하는 컬럼(Column)과, 상기 컬럼의 일측면에서 상하 방향(Z축)으로 이송 동작을 수행하는 스핀들(Spindle)을 구비할 수 있다. 또한, 공작기계의 유형에 따라서는 상기에 언급한 베드, 새들, 컬럼 중에 일부가 생략되거나 이송 동작을 하지 않을 수도 있으며, 경우에 따라서는 이중으로 설치될 수도 있다.

또한, 회전축계는 스핀들이나 공작물을 고속으로 회전시키는 스핀들모터와, 그 외에 공작기계의 테이블이나 공구를 회전시키는 서보모터를 구비할 수 있다.

이러한 공작기계의 이송축계와 회전축계는 각각의 서보모터의 회전동작을 회전지지하는 베어링의 발열, 서보모터 회전에 따라 이송되는 이송체의 마찰운동, 가공부위에서 공작물과 공구의 마찰에 발열 등으로 인해 열이 발생한다. 이렇게 발생된 열은 공작기계 구조물에 전도되어 열변위를 발생시킨다. 특히 공작물을 가공하는 스핀들은 이러한 열변위가 누적되어 나타나므로 공작물의 가공정밀도에 악영향을 미친다.

특히 이송축계 및 회전축계의 동작에 따라 발생된 열은 열전도를 통해 이송축계의 슬라이드부를 열팽창 시킨다. 따라서 열팽창된 슬라이드부 상에서 제어장치의 지령에 의해 이송 동작을 수행하는 이송체는 제어 위치 오차가 발생한다. 이러한 이송체의 위치 오차는 궁극적으로 공구와 공작물의 상대 거리를 변화시켜 공작물의 가공정밀도 저하시키는 궁극적인 원인이 된다.

특히 공작기계의 베드 상에서 이송동작을 수행하는 새들을 구비하고, 이 새들 상에서 컬럼이 이송 동작을 수행하고, 컬럼에는 공작물을 가공하는 스핀들이 장착된 컬럼 이동식 머시닝센터와 같은 공작기계는, 이송되는 컬럼의 무게 중심이 새들의 전방에 위치하는 경우가 많다. 이러한 공작기계에서 스핀들을 포함한 축계를 작동시켜 공작물을 가공하게 되면, 새들이 열변위에 의해서 전방(Y축)으로 팽창하게 되고, 이와 같이 열변위가 발생된 새들 상에서 스핀들을 장착하고 전방(Y축)으로 이송되는 컬럼은 위치 오차가 발생하여 공작물의 가공 정밀도를 저하시킨다.

이러한 공작기계 구조물의 열변위를 저감하기 위해 종래에는 열변위가 발생하는 구조물에 온도센서를 부착하고, 이 온도센서에서 감지되는 온도의 변화에 따라 공작기계 수치제어장치(NC)에서 복잡한 열변위 보정 알고리즘을 시행시켜 열연변위를 보정하는 방법을 사용하고 있다. 그러나 이러한 방법은 온도 차에 의한 비례적인 수치에 의존하여 열변위를 보정하기 때문에 보정 오차가 발생할 뿐만 아니라, 보정을 위해 여러 개의 온도센서와 이들의 모듈을 설치해야 하는 단점이 있다.

한편, 리니어스케일을 사용하여 위치 오차를 측정하고, 측정된 오차 신호를 피드백 받아 열변위를 보정하는 경우가 있다. 이 때 서보모터의 회전에 의해 볼스크류가 이송체를 지령 위치까지 이송시키는 과정에 리니어스케일은 이송체의 실제 위치를 측정하여 지령된 위치와 비교를 통해 오차만큼 서보모터에 피드백 신호를 제공하여 이송체의 위치를 보정한다.

그러나 베드 상에서 제1이송부재인 새들이 이송되고, 이 제1이송부재 상에서 제2이송부재인 컬럼이 이송될 경우, 공작물을 가공하는 스핀들을 구비한 제2이송부재인 컬럼에 대해 열변위에 따른 위치 오차를 보정하기 위해서는 베드 상에서 이송되는 제1이송부재인 새들의 열변위를 정확하게 검출할 수 있어야 한다.

그러나 새들의 열변위를 검출하기 위해 이송 동작을 하는 새들에 리니어스케일을 장착할 경우, 리니어스케일도 새들과 함께 같은 방향으로 이송됨과 동시에 열변위가 발생하여 새들의 정확한 열변위를 검출할 수 없는 상태가 된다. 이와 같이 이송동작을 수행하명 열변위가 발생하는 제1이송부재 상에서 열변위 보정 대상이 되는 제2이송부재가 이송 동작을 할 경우, 제1이송부재에 리니어스케일을 사용하여 열변위를 측정하는 것은 부정확한 측정결과를 제공할 수 있어 정확한 열변위 보정을 할 수 없다.

한편, 종래기술로, 특허문헌 1에서는 기구부의 위치를 검출하는 위치검출스케일의 값과 기구부를 이송 제어하는 서보모터의 로터리엔코더 신호로부터 연산된 위치 값의 차이를 연산하고, 이 차이 값의 평균값을 이용하여 열변위에 따른 오차를 보정하는 방법을 소개하고 있으나, 이 경우 위치검출스케일이 설치된 기구부가 이동체이고, 열변위가 발생할 경우 위치검출스케일이 검출한 값이 정확하지 않게 되는 문제가 있다. 또한, 위치검출스케일의 값과 로터리엔코더 신호 값 차이의 평균 값을 이용하는 과정에 실질적인 열변위와 괴리가 발생하여 정확한 보정을 담보할 수 없는 문제가 있다.

또한, 특허문헌 2에서도 이송축의 위치 피드백 신호를 제공하는 리니어스케일을 사용하여 열변위를 보정하는 방법을 제시하고 있으나, 이 방법 역시 위치검출 신호를 피드백 제공하는 리니어스케일이 설치된 기구부가 이동하는 상태에서 열변위가 발생할 경우, 리니어스케일의 부정확한 검출 값으로 인해, 이 값을 이용하여 열변위를 보정하는 것이 부정확하게 되어 다른 열변위 보정수단을 겸비해야 하는 문제가 있다.

한국 공개특허공보 제10-2001-0062356호 한국 공개특허공보 제10-2020-0131727호

상기한 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 공작기계에서 온도 센서 없이 손쉽게 열변위를 보정하는 보정 장치와 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 이송동작을 하는 다중 이송축계로 구성되는 공작기계에서 리니어스케일을 이용하여 열변위를 정확하게 측정하고, 이를 이용하여 보다 정확하게 열변위를 보정하는 장치와 방법을 제공한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 공작기계 이송축의 열변형 보정 장치는,

제1부재 상에서 상기 제1부재의 열변위 방향으로 제2부재를 서보모터에 의해 이송 제어하는 공작기계에 있어서,

상기 제1부재에 상기 제1부재의 열변위 방향과 반대 방향으로 설치되며 상기 제1부재의 열변위율 보다 높은 열변위율을 가지는 이종 소재로된 거치대;

상기 거치대의 일 면 중앙에 상기 거치대의 열변위를 추종하여 열변위를 검출하도록 설치되는 리니어스케일;

상기 리니어스케일의 검출 신호를 제공 받아 제2부재의 이송모터를 피드백 제어하여 제2부재의 위치 오차를 보상하는 제어부를 포함 한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 공작기계 이송축의 열변형 보정 장치의 상기 거치대는 상기 제1부재의 열변위율의 두 배의 열변위율을 가지는 이종 소재의 재질로 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 공작기계 이송축의 열변형 보정 장치의 상기 거치대는 알루미늄을 포함하는 이종 소재로 이루어진 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 공작기계 이송축의 열변형 보정 장치의 상기 제1부재는 공작기계의 베드 상에서 좌우방향(X축) 방향으로 이송되는 새들이고, 상기 제2부재는 상기 새들 상에서 전후방향(Y축)으로 이송되는 컬럼인 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 공작기계 이송축의 열변형 보정 장치의 상기 거치대는 막대형으로 한쪽 끝 부분에는 상기 제1부재에 고정되는 마운트부를 형성하며, 상기 마운트부를 제외하고 상기 제1부재 상에서 상기 제1부재의 열변위 방향의 반대 방향(Y축)으로 신축이 가능하도록 측면에 복수 개의 탄력 브라켓으로 상기 제1부재에 설치된 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 공작기계 이송축의 열변형 보정 장치의 상기 마운트부는 상기 제1부재에 고정되는 상기 거치대의 위치를 변경할 수 있도록 상기 거치대의 길이 방향(Y축)으로 복수 개의 고정용 구멍을 형성한 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 공작기계 이송축의 열변형 보정 장치의 상기 탄력 브라켓은 탄성 복원력을 가지는 얇은 스프링 강판으로 이루어지며, 상기 거치대의 측면에 접촉되어 장착되는 측면 장착부와, 상기 측면 장착부와는 직교하는 방향으로 상기 제1부재의 상부 면에 접촉되어 장착되는 평면 장착부를 구비한 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 공작기계 이송축의 열변형 보정 장치에서 상기 측면 장착부와 상기 평면 장착부에는 각각 상기 거치대의 측면과 상기 제1부재의 상부 면에 고정볼트를 사용하여 상기 탄력 브라켓을 설치할 수 있는 장착홀을 구비한 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 공작기계 이송축의 열변형 보정 장치에서 상기 측면 장착부에 형성된 상기 장착홀은 상기 거치대의 길이 방향으로(Y축)으로 장공으로 형성하며, 상기 평면 장착부에 형성된 상기 장착홀은 상기 거치대의 길이 방향과 직교하는 방향(X축)으로 장공으로 형성하고, 상기 거치대의 측면과 상기 제1부재의 상부 면에는 상기 장착홀을 통과하는 고정볼트가 체결될 수 있는 복수의 체결구멍을 형성한 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 공작기계 이송축의 열변형 보정 장치의 상기 리니어스케일은 상기 거치대의 상부 면 중앙에 상기 거치대와 동일한 방향(Y축)으로 좌우로 연장되어 상기 제1부재의 열변위 량을 검출하도록 설치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 공작기계 이송축의 열변형 보정 방법은,

제1부재 상에서 상기 제1부재의 열변위 방향으로 제2부재를 서보모터에 의해 이송 제어하는 공작기계의 제어방법에 있어서,

상기 제1부재에 상기 제1부재의 열변위 방향과 반대 방향으로 상기 제1부재의 열변위율 보다 높은 열변위율을 가지는 이종 소재 거치대를 설치하고, 상기 거치대의 일 면 중앙에 상기 거치대의 열변위를 추종하여 열변위를 검출하도록 리니어스케일을 설치하여, 상기 리니어스케일의 피드백 신호를 제어부에 제공하여 제2부재의 이송모터를 피드백 제어함으로써 제2부재의 위치 오차를 보상하는 것을 포함 한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 공작기계 이송축의 열변형 보정 방법에서, 상기 제1부재의 열변위율의 두 배의 열변위율을 가지는 이종 소재의 재질로 된 거치대에 상기 리니어스케일을 설치하여 상기 거치대의 열변위를 추종하여 열변위를 검출하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 공작기계 이송축의 열변형 보정 방법의 상기 제1부재는 공작기계의 베드 상에서 좌우방향(X축) 방향으로 이송되는 새들이고, 상기 제2부재는 상기 새들 상에서 전후방향(Y축)으로 이송되는 컬럼으로, 상기 리니어스케일은 상기 컬럼의 전후방향(Y축) 위치 오차를 보상하는 것을 것을 특징으로 한다.

본 발명은 열변위가 발생하는 공작기계에서 온도 센서 없이 열변위를 보정함에 따라 열변위 보정장치의 구조를 단순화 할 수 있고, 복잡한 열변위 보정프로그램을 사용하지 않고서도 간편하게 이송축계의 열변위를 보정할 수 있다.

또한, 이송 동작을 하는 다중 이송축계로 구성되는 공작기계에서 리니어스케일을 이용하여 정확하게 열변위를 측정하고, 이를 이용하여 보다 정확하게 열변위를 보정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예로서, 리니어스케일을 이용하여 새들의 열변위를 측정하고, 새들 상에서 이송되는 컬럼의 위치 오차를 보정하는 공작기계의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예로서, 이종 소재로 된 거치대에 리니어스케일을 설치한 공작기계 새들 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예로서, 리니어스케일을 장착하기 위한 이종 소재로 된 거치대를 새들에 설치한 공작기계 새들 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예로서, 리니어스케일을 장착하기 위한 이종 소재로 된 거치대를 공작기계 새들에 설치한 구조도이다.
도 5는 도 4의 A부분의 확대로로, 이종 소재의 거치대를 공작기계 새들에 설치하는 부분 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예로서, 이종 소재의 거치대를 새들에 설치하기 위한 탄력 라켓의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예로서, 리니어스케일을 설치하는 이종 소재의 거치대 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예로서, 리니어스케일을 설치하는 이종 소재의 거치대 평면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예로서, 이종 소재로 된 거치대에 리니어스케일을 설치하여 새들의 열변위를 보상하는 개념도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

먼저, 도 1은 본 발명의 실시예로서, 리니어스케일(51)을 이용하여 새들(20)의 열변위를 측정하고, 새들(20) 상에서 이송되는 컬럼(30)의 위치 오차를 보정하는 공작기계의 사시도이다. 도 2는 본 발명의 실시예로서, 이종 소재로 된 거치대(52)에 리니어스케일(51)을 설치한 공작기계 새들(20) 사시도이다. 도 3은 본 발명의 실시예로서, 리니어스케일(51)을 장착하기 위한 이종 소재로 된 거치대(52)를 새들(20)에 설치한 공작기계 새들(20) 사시도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예의 공작기계는 5축 수직형 머시닝센터로, 공작기계의 하부구조에 해당하는 베드(10)와, 이 베드(10) 상에서 좌우 방향(X축)으로 슬라이드 이동하는 새들(20)과, 새들(20) 상에서 전후 방향(Y축)으로 슬라이드 이동하는 컬럼(30)과, 컬럼(30)의 일측에서 수직 방향(Z축)으로 슬라이드 이동하며 동시에 고속 회전 동작을 하는 스핀들유닛(40)을 포함한다.

또한, 본 실시예의 5축 수직형 머시닝센터는 상기 베드(10) 상에서 공작물을 공정하는 테이블(미도시)를 구비할 수 있다.

또한, 상기 베드(10) 상의 일 측에는 새들이송모터(21)를 설치하고, 상기 새들이송모터(21)에 연장된 볼스크류(12)에 상기 새들(20)을 X축 방향으로 이송시킬 수 있도록 연결 구성한다. 또한, 상기 새들(20) 상의 일 측에는 컬럼이송모터(21)를 설치하고, 상기 컬럼이송모터(21)에 연장된 볼스크류(22)에 상기 컬럼(30)을 Y축 방향으로 이송시킬 수 있도록 연결 구성한다. 마찬가지로 상기 컬럼(30)의 일 측에는 스핀들이송모터(31)를 설치하고, 상기 스핀들이송모터(31)에 연장된 볼스크류(미도시)에 상기 스핀들유닛(40)을 Z축 방향으로 이송시킬 수 있도록 연결 구성한다.

한편, 상기 베드(10)의 상부 일 면에는 상기 새들(20)을 X축 방향으로 슬라이드 이동시킬 수 있는 제1슬라이드부(13)를 구비하고, 또한 상기 새들(20)의 상부 일 면에는 상기 컬럼(30)을 Y축 방향으로 슬라이드 이동시킬 수 있는 제2슬라이드부(23)를 구비하며, 상기 컬럼(30)의 수직 방향 일 측면에는 상기 스핀들유닛(40)을 Z축 방향으로 슬라이드 이동시킬 수 있는 제3슬라이드부(33)를 구비한다.

또한, 상기 스핀들유닛(40)은 회전 동작을 통해 하부의 테이블에 고정된 공작물을 가공하는 스핀들(41)과 상기 스핀들(41)을 회전시키는 스핀들모터(42)를 구비한다.

한편, 상기 새들(20) 상에는 상기 컬럼(30)을 슬라이드 이송하기 위한 제2슬라이드부(23)와 동일한 Y축 방향으로 새들(20)의 Y축방향 열변위를 검출하는 열변위 검출유닛(50)을 설치한다.

한편, 상기 새들이송모터(21)와, 컬럼이송모터(21)와, 스핀들이송모터(31)와, 열변위 검출유닛(50)은 공작기계를 제어하는 제어부(70)에 제어 가능하게 전기적으로 연결된다. 상기 제어부(70)는 상기 열변위 검출유닛(50)에서 제공되는 열변위 량 신호를 상기 컬럼이송모터(21)의 실시간 피드백 제어신호로 사용하도록 구성한다.

한편, 도 4는 본 발명의 실시예로서, 리니어스케일(51)을 장착하기 위한 이종 소재로 된 거치대(52)를 공작기계 새들(20)에 설치한 구조도이다. 도 5는 도 4의 A부분의 확대로로, 이종 소재의 거치대(52)를 공작기계 새들(20)에 설치하는 부분 사시도이다. 도 6은 본 발명의 실시예로서, 이종 소재의 거치대(52)를 새들(20)에 설치하기 위한 탄력 브라켓(55)도이다. 도 7은 본 발명의 실시예로서, 리니어스케일(51)을 설치하는 이종 소재의 거치대(52) 사시도이다. 도 8은 본 발명의 실시예로서, 리니어스케일(51)을 설치하는 이종 소재의 거치대(52) 평면도이다.

도 4 내지 도 8을 참조하면, 본 발명 실시예의 열변위 검출유닛(50)은, 새들(20)보다 열변위율이 높은 이종 소재로 된 막대형 거치대(52)를 포함한다. 이 거치대(52)는 상기 새들(20) 상에 설치하며, 상기 새들(20) 상에서 상기 컬럼(30)을 슬라이드 이송하는 제2슬라이드부(23)와 동일한 Y축 방향으로 평행하게 설치하되, 열변위가 발생하는 제2슬라이드부(23)의 끝 지점 일 측에 한 쪽 끝을 고정하는 마운트부(53)를 형성하여 새들(20)의 열변위 방향과 반대 방향으로 설치한다.

또한, 상기 거치대(52)는 새들(20)에 고정되는 한쪽 끝 부분의 마운트부(53)를 제외하고 상기 새들(20) 상에서 상기 새들(20)의 열변위 방향의 반대 방향(Y축)으로 신축이 가능하도록 측면에 복수 개의 탄력 브라켓(55)으로 새들(20)에 설치된다.

바람직하게는 상기 거치대(52)는 열변위 검출 대상이 되는 새들(20)의 열변위율의 두 배의 열변위율을 가지는 이종 소재의 재질로 구성한다. 바람직하게 상기 거치대(52)의 재료가 되는 이종 소재는 알루미늄을 포함하는 소재로 이루어진다. 그러나 이종 소재의 재료는 반드시 알루미늄 소재일 필요는 없고, 열변위 검출 대상이 되는 새들(20)의 열변위율 보다 높은 열변위율을 가지는 소재면 본 발명의 목적을 어느 정도 달성할 수 있다. 또한, 거치대(52)를 새들(20)에 고정하기 위한 상기 마운트부(53)는 새들(20)에 고정되는 거치대(52)의 위치를 변경할 수 있도록 거치대(52)의 길이 방향(Y축)으로 복수 개의 고정용 구멍(54)을 설치할 수 있다.

상기 탄력 브라켓(55)은 탄성 복원력을 가지는 얇은 스프링 강판으로 이루어지며, 도 5와 도 6에 도시한 것처럼, 거치대(52)의 측면에 접촉되어 장착되는 측면 장착부(56)와, 상기 측면 장착부(56)와는 직교하는 방향으로 상기 새들(20)의 상부 면에 접촉되어 장착되는 평면 장착부(57)를 구비한다.

상기 측면 장착부(56)와 평면 장착부(57)에는 각각 상기 거치대(52)의 측면과 새들(20)의 상부 면에 고정볼트(58)를 사용하여 상기 탄력 브라켓(55)을 설치할 수 있는 장착홀(59)을 설치한다. 상기 측면 장착부(56)에 형성된 장착홀(59)은 거치대(52)의 길이 방향으로(Y축)으로 장공으로 형성하며, 상기 평면 장착부(57)에 형성된 장착홀(59)은 거치대(52) 길이 방향과 직교하는 방향(X축)으로 장공으로 형성한다.

따라서 상기 탄력 브라켓(55)은 탄성 복원력을 가지는 얇은 스프링 강판으로 이루어져 거치대(52)를 새들(20)의 열변위 방향의 반대 방향의 길이 방향으로(Y축)으로 신축 가능하게 탄력 지지할 뿐만 아니라, 상기 측면 장착부(56)에 형성된 장공 형상의 장착홀(59)에 의해서도 거치대(52)를 새들(20)의 열변위 방향인 Y축 방향으로 신축 가능하게 지지한다. 또한, 탄력 브라켓(55)은 평면 장착부(57)에 형성된 장공 형상의 장착홀(59)에 의해서는 거치대(52)가 새들(20)의 열변위 방향인 Y축 방향에 대해 직교하는 X축 방향으로도 신축 가능하게 지지한다. 결국 상기 탄력 브라켓(55)은 새들(20) 상에서 거치대(52)를 지지하되 거치대(52)가 열변위에 의해 신축되는 것에 저항을 최소화 한다

한편, 도 7과 도 8에 도시한 것처럼, 상기 탄력 브라켓(55)이 장착되는 거치대(52)의 측면과 상기 새들(20)의 상부 면에는 상기 탄력 브라켓(55)의 장착홀(59)을 통과하는 고정볼트(58)가 체결될 수 있는 복수의 체결구멍(60)을 형성한다.

한편, 상기 거치대(52)의 상부 면 중앙에는 상기 거치대(52)와 동일한 방향(Y축)으로 좌우로 연장되어 상기 새들(20)의 열변위 량을 검출하는 리니어스케일(51)을 장착한다. 상기 리니어스케일(51)은 거치대(52)의 중앙에서 거치대(52)와 동일한 방향(Y축)으로 좌우로 연장되게 설치됨에 따라 거치대(52)의 열변위율을 추종하여 열변위 량을 검출하여 피드백 할 수 있다. 상기 리니어스케일(51)에 의해 검출되는 열변위 량 신호는 제어부(70)에 제공되어 상기 새들(20)의 제2슬라이드부(23) 상에서 Y축 방향으로 컬럼(30)을 이송시키는 컬럼이송모터(21)의 이동 위치 오차를 실시간으로 보상하기 위한 피드백 제어신호로 작용한다.

한편, 도 9는 본 발명의 실시예로서, 이종 소재로 된 거치대(52)에 리니어스케일(51)을 설치하여 새들(20)의 열변위를 보상하는 개념도이다.

도 9를 참조하여, 상기 리니어스케일(51)의 피드백 신호에 의해 새들(20)의 제2슬라이드부(23) 상에서 이송되는 컬럼(30)의 이동 위치 오차를 보상하는 방법에 대해 실시예를 설명한다.

도 9의 도면(a)에서 도시한 것처럼, 새들(20)에 열변위가 발생하지 않은 상태에서는 상부 면에 리니어스케일(51)을 설치하고 있는 이종 소재의 거치대(52)도 열변위가 발생하지 않은 상태이므로, 리니어스케일(51)은 Y축 방향으로 새들(20)과 동일한 위상을 가진다. 따라서 리니어스케일(51)에서 컬럼이송모터(21)를 피드백 제어하는 신호는 발생하지 않는다.

반면, 도 9의 도면(b)에서 도시한 것처럼, 새들(20)에 열변위가 발생하면, 새들(20)은 컬럼이송모터(21)가 설치된 새들(20)의 선단 일 측을 기준으로 Y축 상의 우측 방향으로 열변위 량(ℓ)이 발생한다. 이 때 새들(20)의 열변위 방향 선단 위치에 마운트부(53)에 의해 고정된 거치대(52)는 새들(20)의 열변위율의 대략 두 배인 알루미늄 재질을 포함하는 이종 소재로 되어 있어, 새들(20) 상에서 Y축 상의 좌측 방향으로, 새들(20)의 열변위 방향의 반대 방향으로 새들(20) 열변위 량의 두배에 해당하는 열변위 량(2ℓ)이 발생한다.

한편, 거치대(52)의 상부 면 중앙에 밀착되게 마운팅된 리니어스케일(51)은 거치대(52)와 동일 또는 비슷한 열변위율로 열변위가 발생하여 거치대(52)에 마운팅된 리니어스케일(51)의 중앙부가 Y축 상의 좌측 방향으로 열변위 량(0.5ℓ)이 발생한다. 따라서 거치대(52)에 마운팅된 리니어스케일(51)은 0.5ℓ의 열변위 량만큼의 컬럼이송모터(21) 피드백 신호를 제어부(70)에 제공하여 컬럼(30)의 Y축 방향 위치 오차를 보상한다. 결국 새들(20)에 열변위가 발생하더라도 새들(20) 상에서 이송되는 컬럼(30)은 새들(20)에 열변위가 발생하지 않은 상태의 위치까지 보상된다.

이와 같이 거치대(52)는 새들(20)의 상부 면에 새들(20)의 열변위 방향과 반대 방향으로 설치되고, 새들(20) 열변위율의 두 배 정도의 열변위율을 가지므로, 거치대(52)의 상부 면 중앙에 밀착되게 설치된 리니어스케일(51)은 새들(20)의 열변위를 추종하지 않고 거치대(52)의 열변위를 추종하여, 검출한 열변위 신호를 새들(20) 상에서 컬럼(30)을 Y축 방향으로 이송 제어하는 컬럼이송모터(21)의 피드백 신호를 실시간으로 제공한다. 따라서 새들(20) 상에서 Y축 방향으로 이송 제어되는 컬럼(30)은 제어부(70)의 피드백 제어에 의해 새들(20)의 열변위에 따른 Y축 방향 위치 오차를 보상하여 정위치로 제어된다.

한편, 열변위가 발생한 거치대(52)는 탄력 브라켓(55)에 의해 새들(20) 상부에 Y축 방향으로 신축 가능하게 설치됨으로, 새들(20) 상에서 최소한의 저항만 받는 상태에서 열변위에 의한 팽창이 이루어질 수 있다. 즉, 거치대(52)는 Y축 방향으로 열변위가 발생하더라도, 탄력이 우수한 얇은 스프링 강판으로 된 탄력 브라켓(55)에 의해 새들(20)에 유동 가능하게 장착되어 있어 열변위에 의해 Y축 방향으로 팽창하는데 별 저항을 받지 않는다. 또한, 거치대(52)는 탄력 브라켓(55)의 측면 장착부(56)에 형성된 장공의 장착홀(59)을 통해 고정볼트(58)로 장착되고, 평면 장착부(57)에 형성된 장공의 장착홀(59)을 통해 고정볼트(58)로 새들(20)에 장착되어 있기 때문에 Y축 방향과 X축 방향으로 미세 유동이 가능하다. 따라서 거치대(52)는 Y축 및 X축 방향으로 열변위에 의해 팽창하더라도 설치 구조에 따른 저항은 무시할 정도로 최소화 된다.

한편, 도 9를 참조하여 설명한 상기 실시예는 비록 새들(20)의 열변위에 따라, 상기 새들(20) 상에서 Y축 방향으로 이송되는 컬럼(30)의 Y축 방향 위치 오차를 보상하는 방법에 대해 설명하였으나, 동일한 방식으로 베드(10) 상에서 X축 방향으로 이송되는 새들(20)의 X축 방향 위치 오차를 보상하는 방법에도 적용할 수 있으며, 또한 컬럼(30) 상에서 Z축 방향으로 이송되는 스핀들유닛(40)의 Z축 방향 위치 오차를 보상하는 방법에도 동일한 원리로 적용할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 적어도 제1부재 상에서 제1부재의 열변위 방향으로 제2부재를 서보모터에 의해 이송 제어하는 공작기계에서, 상기 제1부재에 상기 제1부재의 열변위 방향과 반대 방향으로 상기 제1부재의 열변위율 보다 높은 열변위율을 가지는 이종 소재 거치대(52)를 설치하고, 상기 거치대(52)의 일 면 중앙에 상기 거치대(52)의 열변위를 추종하여 열변위를 검출하도록 리니어스케일(51)을 설치하여, 상기 리니어스케일(51)의 피드백 신호를 제어부(70)에 제공하여 제2부재의 이송모터를 피드백 제어함으로써 제2부재의 위치 오차를 보상할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 실시예들에 따르면, 본 발명은 열변위가 발생하는 공작기계에서 온도센서 없이 열변위를 보상할 수 있음에 따라 열변위 보정장치의 구조를 단순화 할 수 있고, 복잡한 열변위 보정프로그램을 사용하지 않고서도 간편하게 이송축계의 열변위를 보정할 수 있다.

또한, 독립적으로 이송 동작을 하는 다중 이송축계로 구성되는 공작기계에서 리니어스케일(51)을 이용하여 정확하게 열변위를 측정하고, 이를 이용하여 보다 정확하게 열변위를 보정할 수 있다.

한편, 상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 이 기술 분야의 통상의 기술자라면 하기의 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 베드
11 새들이송모터
12 볼스크류
13 제1슬라이드부
20 새들
21 컬럼이송모터
22 볼스크류
23 제2슬라이드부
30 컬럼
31 스핀들이송모터
33 제3슬라이드부
40 스핀들유닛
41 스핀들
42 스핀들모터
50 열변위 검출유닛
51 리니어스케일
52 거치대
53 마운트부
54 고정용 구멍
55 탄력 브라켓
56 측면 장착부
57 평면 장착부
58 고정볼트
59 장착홀
60 체결구멍
70 제어부

Claims

제1부재 상에서 상기 제1부재의 열변위 방향으로 제2부재를 서보모터에 의해 이송 제어하는 공작기계에 있어서,
상기 제1부재에 상기 제1부재의 열변위 방향과 반대 방향으로 설치되며 상기 제1부재의 열변위율 보다 높은 열변위율을 가지는 이종 소재로된 거치대;
상기 거치대의 일 면 중앙에 상기 거치대의 열변위를 추종하여 열변위를 검출하도록 설치되는 리니어스케일;
상기 리니어스케일의 검출 신호를 제공 받아 제2부재의 이송모터를 피드백 제어하여 제2부재의 위치 오차를 보상하는 제어부를 포함하는 공작기계 이송축의 열변형 보정 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 거치대는 상기 제1부재의 열변위율의 두 배의 열변위율을 가지는 이종 소재의 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 공작기계 이송축의 열변형 보정 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 거치대는 알루미늄을 포함하는 이종 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 공작기계 이송축의 열변형 보정 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 제1부재는 공작기계의 베드 상에서 좌우방향(X축) 방향으로 이송되는 새들이고, 상기 제2부재는 상기 새들 상에서 전후방향(Y축)으로 이송되는 컬럼인 것을 특징으로 하는 공작기계 이송축의 열변형 보정 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 거치대는 막대형으로 한쪽 끝 부분에는 상기 제1부재에 고정되는 마운트부를 형성하며, 상기 마운트부를 제외하고 상기 제1부재 상에서 상기 제1부재의 열변위 방향의 반대 방향(Y축)으로 신축이 가능하도록 측면에 복수 개의 탄력 브라켓으로 상기 제1부재에 설치된 것을 특징으로 하는 공작기계 이송축의 열변형 보정 장치.
제 5 항에 있어서, 상기 마운트부는 상기 제1부재에 고정되는 상기 거치대의 위치를 변경할 수 있도록 상기 거치대의 길이 방향(Y축)으로 복수 개의 고정용 구멍을 형성한 것을 특징으로 하는 공작기계 이송축의 열변형 보정 장치.
제 5 항에 있어서, 상기 탄력 브라켓은 탄성 복원력을 가지는 얇은 스프링 강판으로 이루어지며, 상기 거치대의 측면에 접촉되어 장착되는 측면 장착부와, 상기 측면 장착부와는 직교하는 방향으로 상기 제1부재의 상부 면에 접촉되어 장착되는 평면 장착부를 구비한 것을 특징으로 하는 공작기계 이송축의 열변형 보정 장치.
제 7 항에 있어서, 상기 측면 장착부와 상기 평면 장착부에는 각각 상기 거치대의 측면과 상기 제1부재의 상부 면에 고정볼트를 사용하여 상기 탄력 브라켓을 설치할 수 있는 장착홀을 구비한 것을 특징으로 하는 공작기계 이송축의 열변형 보정 장치.
제 8 항에 있어서, 상기 측면 장착부에 형성된 상기 장착홀은 상기 거치대의 길이 방향으로(Y축)으로 장공으로 형성하며, 상기 평면 장착부에 형성된 상기 장착홀은 상기 거치대의 길이 방향과 직교하는 방향(X축)으로 장공으로 형성하고, 상기 거치대의 측면과 상기 제1부재의 상부 면에는 상기 장착홀을 통과하는 고정볼트가 체결될 수 있는 복수의 체결구멍을 형성한 것을 특징으로 하는 공작기계 이송축의 열변형 보정 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 리니어스케일은 상기 거치대의 상부 면 중앙에 상기 거치대와 동일한 방향(Y축)으로 좌우로 연장되어 상기 제1부재의 열변위 량을 검출하도록 설치된 것을 특징으로 하는 공작기계 이송축의 열변형 보정 장치.
제1부재 상에서 상기 제1부재의 열변위 방향으로 제2부재를 서보모터에 의해 이송 제어하는 공작기계의 제어방법에 있어서,
상기 제1부재에 상기 제1부재의 열변위 방향과 반대 방향으로 상기 제1부재의 열변위율 보다 높은 열변위율을 가지는 이종 소재 거치대를 설치하고, 상기 거치대의 일 면 중앙에 상기 거치대의 열변위를 추종하여 열변위를 검출하도록 리니어스케일을 설치하여, 상기 리니어스케일의 피드백 신호를 제어부에 제공하여 제2부재의 이송모터를 피드백 제어함으로써 제2부재의 위치 오차를 보상하는 것을 포함하는 공작기계 이송축의 열변형 보정 방법.
제 11 항에 있어서, 상기 제1부재의 열변위율의 두 배의 열변위율을 가지는 이종 소재의 재질로 된 거치대에 상기 리니어스케일을 설치하여 상기 거치대의 열변위를 추종하여 열변위를 검출하는 것을 특징으로 하는 공작기계 이송축의 열변형 보정 방법.
제 11 항에 있어서, 상기 제1부재는 공작기계의 베드 상에서 좌우방향(X축) 방향으로 이송되는 새들이고, 상기 제2부재는 상기 새들 상에서 전후방향(Y축)으로 이송되는 컬럼으로, 상기 리니어스케일은 상기 컬럼의 전후방향(Y축) 위치 오차를 보상하는 것을 것을 특징으로 하는 공작기계 이송축의 열변형 보정 방법.