Part Accuracy Improvement by On-Machine Measurement System on CNC Machine Tools = 기상측정 시스템을 이용한 CNC 공작기계의 정밀도 향상
저자
발행사항
[서울]: 연세대학교, 2003
학위논문사항
학위논문(박사)-- The Graduate School Yonsei University: Department of Mechanical Engineering 2003
발행연도
2003
작성언어
영어
주제어
KDC
570.000
발행국(도시)
대한민국
형태사항
ix, 137 p.
소장기관
기상측정 시스템을 이용한 CNC 공작기계의 정밀도 향상 본 연구에서는 기존의 제품검사 방식의 문제점을 해결하기 위해 터치프로브를 이용한 기상측정(on-machine measurement) 시스템을 구현함으로써 한대의 공작기계에서 가공 및 측정작업을 동시에 수행할 수 있도록 하였으며, 터치프로브로 측정한 가공오차를 오차보정 알고리듬에 적용함으로써 새로운 공구경로를 산출하여 원하는 가공정밀도를 얻을 수 있는 폐회로 가공시스템을 제안하였다.
터치프로브는 공작기계의 주축에 장착되어 공작물을 측정하게 되므로, 측정데이터는 가공오차 이외에 터치프로브의 구조적 특성에서 기인하는 프로빙오차와 공작기계의 이송축을 따라 움직이며 발생하는 위치오차를 포함하게 된다. 신뢰성 있는 기상측정 시스템을 구현하기 위해서는 이러한 오차들을 측정하고 적절한 방법을 통해 보정해야 하는데, 프로빙오차의 경우 정밀한 링게이지를 공작기계 테이블에 설치한 후 캘리브레이션함으로써 임의의 접근방향에서 오차를 5㎛이내로 줄일 수 있었다. 공작기계의 위치오차의 경우에는 다양한 오차요인들이 공구/프로브 끝단에 미치는 영향을 고려하기 위해, 동차변환행렬을 이용한 입체오차모델을 제시하고 각각의 오차성분을 다항식으로 근사화하여 파라미터화된 오차모델을 제안함으로써 작업공간 내 임의의 위치에서 위치오차를 예측할 수 있도록 하였다. 프로빙오차의 방향성과는 별도로 공작물 측정시 터치프로브 접근방향에 따른 영향을 고려하기 위해, 기하학적 오차의 백래쉬 성분을 오차모델에 반영한 새로운 오차모델을 제안하였다. 즉, 공작기계 이송축의 이송방향에 따라 정방향 오차모델과 역방향 오차모델로 구분하였으며, 측정시작점과 목표점을 연결하는 벡터를 이용하여 정방향 혹은 역방향 오차모델을 선택하여 사용하였다.
오차모델의 파라미터를 결정하기 위해 8개의 큐브로 이루어진 cube array artifact를 제안하였으며, 기존의 방법들과는 달리 캘리브레이션 과정을 통해 정방향과 역방향의 모델계수를 한번에 결정할 수 있다는 특징이 있다. 3차원 좌표측정기에서 각 큐브 꼭지점을 측정한 후, 공작기계 테이블에 artifact를 설치하고 터치프로브로 측정하여 오차벡터를 생성함으로써 미지의 모델계수를 결정하였다. 추정된 모델계수를 이용하여 큐브 꼭지점에서의 위치오차를 예측한 결과 측정값과의 편차가 5㎛이내로 나타났으며, 이는 본연구에서 제안한 오차모델과 모델 추정방법이 타당함을 말해준다. 또한, 기상측정 시스템을 이용하여 스텝게이지와 기준시편을 측정한 결과 CMM 측정결과와의 편차가 10㎛이내로 나타났으며, 이는 공작기계를 3차원 좌표측정기로서 사용 가능함을 말해준다.
기상측정 시스템을 실제 가공에 적용하기 위해, 공작물을 가공한 후 터치프로브로 측정한 가공오차를 오차보정 알고리듬에 적용하여 새로운 공구경로를 산출하고 재가공을 수행하는 폐루프 가공시스템을 구현하였다. 즉, 원하는 가공정밀도를 얻을 때까지 가공-측정-재가공 작업을 반복함으로써 직선, 곡선 및 곡면형상의 가공오차를 10㎛이내로 줄일 수 있었다. 본 연구에서 개발한 기상측정 및 오차보정 시스템은 공작기계에 측정기의 기능을부여함으로써, 기존의 제품검사 방식에서 나타나는 문제점들을 해결함과 동시에 제조비용을 절감하고 제품생산시간을 단축시킬 수 있게 되었다.
This paper suggests a methodology to implement an on-machine measurement system as an alternative to the conventional post-process measurement using a commercial touch probe system for part inspection, and to improve the machining accuracy in material removal process.
Probing errors due to the mechanical structure supporting the stylus were reduced to less than 5㎛through the simple calibration process using a precise ring gauge. To estimate positioning errors of a multi-axis machine tool, error modeling technique using the general homogeneous transformation method was used, and parameterized by approximating error components as polynomial functions of axis positions. Since backlash errors affect the on-machine measurement data together with the directional effects of a touch probe, backlash errors were included in the error model by assuming them as constant irrespective of axis positions. The parameterized error models with a few parameters to be determined were decomposed into forward and backward models according to the axis movement direction, where the backlash errors were included in backward error model.
To determine the unknown coefficients in the error models, cube array artifact with eight steel cubes was used. Based on the estimated model parameters, positioning errors at arbitrary positions within the workspace of a machine tool were simulated and showed that the measured and predicted positioning errors agreed well. Verification experiments using reference parts showed that the developed OMM system enabled a machine tool to be used as a measuring machine with acceptable accuracy. And, the developed OMM system for part inspection was used to reduce the machining errors of the finished parts in the actual machining process. the machining errors were reduced to within 10㎛by realizing a closed-loop machining system, where machining and measurement processes were performed on the same machine tool.
The developed on-machine measurement system extends the functionality of a conventional machine tool to a measuring machine, and the repetitive machining process produces high quality parts by error compensation technique. Also, many problems of the conventional manufacturing process with post-process measurement can be easily solved out or avoided with the aid of the suggested process-intermittent measurement system, i.e., on-machine measurement system, resulting in shorter lead time and low manufacturing costs.
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