접촉식 측정 프로브는 3 차원 좌표 측정기 및 CNC 공작기계 등에서 제품 검사에 많이 활용되고 있고, 최근 품질 향상을 위한 가공 및 검사장비의 고정도화에 따라 측정의 정확도도 또한 매우 중요시 되고 있다. 이에 따라 스트레인 게이지 등을 이용한 고정도의 측정 프로브가 사용되고 있기는 하지만, 본 연구에서는 경제적인 측면을 고려하여 산업현장에서 공작기계에 많이 활용되는 일반 접촉식 측정 프로브의 메커니즘을 이해하고, 측정 시 발생할 수 있는 프로빙 오차에 대한 분석 및 보정을 통하여 그 활용성을 높이고자 하였다. 이를 위하여 스타일러스 반경 및 중심 정렬오차가 규명되었고, 3 차원 공간상의 측정 좌표에서 프로빙 오차에 대한 해석이 이루어졌다. 이러한 오차들을 보정하기 위한 알고리즘이 개발되었으며, 실제 CNC 공작기계 상에서 기준구 측정을 통한 검증이 이루어졌다.
접촉식 측정 프로브는 3 차원 좌표 측정기 및 CNC 공작기계 등에서 제품 검사에 많이 활용되고 있고, 최근 품질 향상을 위한 가공 및 검사장비의 고정도화에 따라 측정의 정확도도 또한 매우 중요시 되고 있다. 이에 따라 스트레인 게이지 등을 이용한 고정도의 측정 프로브가 사용되고 있기는 하지만, 본 연구에서는 경제적인 측면을 고려하여 산업현장에서 공작기계에 많이 활용되는 일반 접촉식 측정 프로브의 메커니즘을 이해하고, 측정 시 발생할 수 있는 프로빙 오차에 대한 분석 및 보정을 통하여 그 활용성을 높이고자 하였다. 이를 위하여 스타일러스 반경 및 중심 정렬오차가 규명되었고, 3 차원 공간상의 측정 좌표에서 프로빙 오차에 대한 해석이 이루어졌다. 이러한 오차들을 보정하기 위한 알고리즘이 개발되었으며, 실제 CNC 공작기계 상에서 기준구 측정을 통한 검증이 이루어졌다.
Kinematic contact trigger probes are widely used for feature inspection and measurement on coordinate measurement machines (CMMs) and computer numerically controlled (CNC) machine tools. Recently, the probing accuracy has become one of the most important factors in the improvement of product quality...
Kinematic contact trigger probes are widely used for feature inspection and measurement on coordinate measurement machines (CMMs) and computer numerically controlled (CNC) machine tools. Recently, the probing accuracy has become one of the most important factors in the improvement of product quality, as the accuracy of such machining centers and measuring machines is increasing. Although high-accuracy probes using strain gauge can achieve this requirement, in this paper we study the universal economic kinematic contact probe to prove its probing mechanism and errors, and to try to make the best use of its performance. Stylus-ball-radius and center-alignment errors are proved, and the probing error mechanism on the 3D measuring coordinate is analyzed using numerical expressions. Macro algorithms are developed for the compensation of these errors, and actual tests and verifications are performed with a kinematic contact trigger probe and reference sphere on a CNC machine tool.
Kinematic contact trigger probes are widely used for feature inspection and measurement on coordinate measurement machines (CMMs) and computer numerically controlled (CNC) machine tools. Recently, the probing accuracy has become one of the most important factors in the improvement of product quality, as the accuracy of such machining centers and measuring machines is increasing. Although high-accuracy probes using strain gauge can achieve this requirement, in this paper we study the universal economic kinematic contact probe to prove its probing mechanism and errors, and to try to make the best use of its performance. Stylus-ball-radius and center-alignment errors are proved, and the probing error mechanism on the 3D measuring coordinate is analyzed using numerical expressions. Macro algorithms are developed for the compensation of these errors, and actual tests and verifications are performed with a kinematic contact trigger probe and reference sphere on a CNC machine tool.
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문제 정의
(4) 본 연구를 통하여 매우 경제적이고, 그 기능의 다양성으로 인하여 산업현장에서 활용도가 높은 접촉식 측정 프로브에 대하여 측정 정확도를 높이고 신뢰성을 확보할 수 있는 방법을 제시하였다.
이러한 연구들에 의해 프로브 오차에 대한 수학적 분석이 이루어지고, 측정 및 평가하는 방법들이 많이 제안되었지만 그 방법이 난해하고 복잡하여 아직까지도 실제 산업현장에서는 접촉식 측정 프로브를 교정하고 구조적인 오차를 보정하여 정밀한 프로브의 기능을 충분히 갖추지 못하고 있는 실정이다. 따라서 본 논문에서는 프로브 메커니즘을 이해하고 분석을 통한 측정오차의 규명 및 유효반경 설정, 센터 정렬오차 교정, 프로빙 오차 보상을 수행할 수 있는 알고리즘을 제시하였다. 이러한 보상 알고리즘은 매크로 프로그램을 통하여 실제 접촉식 측정 프로브를 사용하는 NC 공작기계에 적용되었으며 실험을 통한 검증이 이루어졌다.
제안 방법
(1) 프로빙 메커니즘에 대하여 이해하고 스타일러스 볼의 반경오차 및 3 차원 공간상의 측정 좌표에서의 프로빙 오차에 대한 해석이 이루어 졌다.
(2) 반경오차 교정 알고리즘과 프로빙 오차 회피 알고리즘을 설계하여 이를 구현할 수 있는 매크로 프로그램이 작성되었으며 분석된 오차에 대한 교정이 이루어졌다.
(3) 프로브 오차 교정을 위한 실험을 통하여 유효 반경에 따른 오차를 평가하고 보정하였을 뿐만 아니라, 프로빙 오차 및 로빙 오차에 대한 평가 및 보정도 이루어졌다.
구면상에 표시된 오차성분을 좀더 상세히 표현하기 위하여 Fig. 11과 같이 프로브 운동방향 평면 직교좌표 (Ø, θ) 상에서 반경방향 편차를 표시하였다.
따라서 스핀들과 공구방향에 따른 오차의 영향을 줄이기 위하여 측정 프로브의 미세조절 나사를 이용하여 스타일러스 볼의 중심을 기계적으로 스핀들 중심축에 일치시킬 필요가 있다. 또한 Fig. 3 과 같이 정확한 위치를 알고 있는 기준형상을 스타일러스 볼 옵셋 교정 매크로 프로그램을 이용하여 교정함으로써 런아웃 오차에 의한 X, Y 축 방향 옵셋을 확인할 수 있다. 교정을 통하여 스핀들 중심에 대한 프로브의 X, Y 축 방향 옵셋이 확인이 되면, 이후에는 임의의 형상에 대한 공작물 좌표계 설정 시 측정된 소재의 중심에서 X, Y 축 방향 옵셋을 보정하여 실제 중심을 산출한다.
5는 접촉식 프로브 길이, 스타일러스 X/Y 옵셋, 스타일러스 볼반경 보정을 수행하기 위한 매크로 프로그램 순서도(Flowchart)를 나타낸다. 스타일러스 볼에 대한 런아웃(Run out) 조정이 완료된 후 교정모드를 수행하여 정확한 접촉식 프로브 유효길이 및 스타일러스 X/Y 옵셋과 스타일러스 볼 반경을 보정하기 위한 매크로 변수를 설정한다. 기준이 되는 링게이지를 이용하여 프로브의 정확한 유효길이 및 스타일러스 옵셋과 유효반경을 교정 매크로 변수에 설정하게 되면, 위치와 치수를 모르는 임의의 공작물 측정 시 각 형상에 대한 프로브의 트리거 위치에 교정 매크로 변수에 설정된 스타일러스 옵셋과 유효반경을 보정하여 정확한 공작물 위치와 형상 치수를 산출할 수 있다.
앞장에서 분석한 프로빙 오차에 대한 검증 및 교정을 위하여 fig 7과 같이 기계상에서 기준구를 이용한 측정이 이루어졌다.
여기서 기준구에 대한 프로빙 오차를 효율적으로 계산하기 위하여 기꼐 좌표축을 기준으로 프로브가 접근하기 위한 프로브 좌표계를 설정하였다 fig.6 과 같이 공간상의 구의 측정위치에 대한 프로빙 방향을 항상 3차원 좌표상의 법선 방향으로 접근하도록 하였다. R을 구의 반경 θ를 XY평면상에서 Z축이 이루는 각도, θ를 X축으로부터의 각도, (Øi, θj) 를 기준구 상의 (i, j)번째 프로빙 법선 방향을 나타내는 각도라고 할 때 프로브 좌표계에서 측정목표점의 좌표값을 PA(X,Y,Z)는 식 (13)과 같이 표현한다.
따라서 본 논문에서는 프로브 메커니즘을 이해하고 분석을 통한 측정오차의 규명 및 유효반경 설정, 센터 정렬오차 교정, 프로빙 오차 보상을 수행할 수 있는 알고리즘을 제시하였다. 이러한 보상 알고리즘은 매크로 프로그램을 통하여 실제 접촉식 측정 프로브를 사용하는 NC 공작기계에 적용되었으며 실험을 통한 검증이 이루어졌다.
접촉식 터치프로브를 이용하여 3 차원 공간상에서 정의된 측정점 자동계측 시 스위칭 매카니즘에 의하여 발생하는 프로빙 오차에 대하여 다루고자 한다. 측정하고자 하는 위치에 터치 프로브를 접촉시키면 트리거 신호가 수신기 및 인터페이스를 통하여 스킵 신호로 CNC 컨트롤러에 입력되고 X, Y, Z 의 현재위치가 CNC 컨트롤러의 시스템 변수에 저장된다.
정확한 측정을 위하여 3장에서 서술한 식 (13)을 이용하여 XY평면상에서 Z축이 이루는 각(Ø) 30도, X축으로부터의 각(θ) 18도의 일정한 간격으로 기준구 상의 측정위치를 계산하였고, Fig. 9와 같이 M A T L A B을 이용하여 구면좌표계를 직각좌표계로 변환하였다.
대상 데이터
실험에 사용된 장비는 Fanuc Robodrill-21αi이며 접촉식 측정 프로브는 공작기계에서 가장 보편적으로 많이 사용되는 레니쇼 사의 OMP40프로브를 사용하였다.
성능/효과
하지만 본 연구에서는 이러한 접촉식 측정 프로브의 측정 각도에 따른 반경 오차에 대하여 3장에서 제시한 유효반경 보상 알고리즘이 반영된 매크로 프로그램을 운영하여 보정한 결과 측정 방향에 관계없이 Fig. 8의 (b) 플롯과 같이 최대 3um의 오차범위 이내에서 측정이 이루어짐을 확인하였다. 이러한 유효반경 오차는 보정이 이루어지지 않았을 경우 상대적으로 큰 측정오차를 가질 수 있지만 매우 정량적이고 예측할 수 있는 오차이기 때문에 적절한 교정이 이루어 질 경우 본 실험 결과와 같이 매우 우수한 성능을 갖춘 접촉식 측정 프로브로 활용이 가능하다.
후속연구
하지만 프리 트래블 특성에 의하여 측정 시 계산되는 유효 볼 반경은 공칭 볼 반경에 비하여 작은 수치를 갖게 된다. 따라서 링 게이지(Ring Gauge) 또는 기준구(Datum Ball or Reference sphere)와 같이 정확한 크기를 알고 있는 기준형상을 스타일러스 볼 반경 교정 매크로 프로그램을 이용하여 측정함으로, 향후 프로브 측정방향에 대한 프리 트래블 량을 설정하고, 스타일러스의 유효 볼 반경을 교정할 수 있다. 교정을 통하여 스타일러스의 정확한 유효 볼 반경이 확인되면, 이후에는 임의의 형상에 대한 치수 측정시 실제 스킵위치에서 유효반경을 가감하여 형상의 정확한 치수를 산출한다.
본 연구에서 오차분석이 이루어지고 보정이 완료되어 우수한 성능을 갖추고 그 활용성이 높아진 접촉식 측정 프로브는 최근 관심이 높아지고 많은 연구가 수행되고 있는 기기상에서 기준 홀 플레이트(HOLE PLATE ARTIFACT)를 이용한 기하학적 오차 측정 및 평가에도 많이 활용되고 신뢰성을 부여할 수 있을 것으로 본다.
8의 (b) 플롯과 같이 최대 3um의 오차범위 이내에서 측정이 이루어짐을 확인하였다. 이러한 유효반경 오차는 보정이 이루어지지 않았을 경우 상대적으로 큰 측정오차를 가질 수 있지만 매우 정량적이고 예측할 수 있는 오차이기 때문에 적절한 교정이 이루어 질 경우 본 실험 결과와 같이 매우 우수한 성능을 갖춘 접촉식 측정 프로브로 활용이 가능하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
프로브를 생크/홀더에 장착하면 어떤 문제가 발생하는가?
프로브를 생크/홀더에 장착 시 프로브 스타일러스의 중심이 스핀들 중심축에 정확히 일치하지 않기 때문에 런아웃(Run-out) 문제가 발생한다. 공차범위이내의 작은 량의 런아웃은 무시될 수 있지만 일반적으로 임의의 형상 위치를 측정 시 부정확한 결과를 초래할 수 있다.
향후 프로브 측정방향에 대한 프리 트래블 량을 설정하고, 스타일러스의 유효 볼 반경을 교정하는 방법은?
하지만 프리 트래블 특성에 의하여 측정 시 계산되는 유효 볼 반경은 공칭 볼 반경에 비하여 작은 수치를 갖게 된다. 따라서 링 게이지(Ring Gauge) 또는 기준구(Datum Ball or Reference sphere)와 같이 정확한 크기를 알고 있는 기준형상을 스타일러스 볼 반경 교정 매크로 프로그램을 이용하여 측정함으로, 향후 프로브 측정방향에 대한 프리 트래블 량을 설정하고, 스타일러스의 유효 볼 반경을 교정할 수 있다. 교정을 통하여 스타일러스의 정확한 유효 볼 반경이 확인되면, 이후에는 임의의 형상에 대한 치수 측정시 실제 스킵위치에서 유효반경을 가감하여 형상의 정확한 치수를 산출한다.
참고문헌 (6)
Kunzmann, H., Trepet, E. and Waldele, F., 1993, "Concept for the Traceability of Measurements with Coordinate Measuring Machines," International Progress in Precision Engineering, pp. 40-52.
Balazinski, M., Czogala, E., Mayer, M. and Shen, Youlan, 1997, "Pre-travel Compensation of Kinematic Touch Trigger Probes using Fuzzy Decision Support System," Seventh IFSA World Congress, pp. 339-344.
Tyler Estler, W., Phillips, S. D., Borchardt, B., Hopp, T., Levenson, M., Eberhardt, K., McClain, M., Shen Y. and Zhang, X., 1997, "Practical Aspects of Touch Trigger Probe Error Compensation," Precision Engineering, Vol. 21, Issue 1, pp. 1-17.
Park, H. J. and Lee, K. I., 1994, "Calibration/Compensa-tion of Error of the Touch Probe," Trans. KSME A, Vol. 18, No. 8, pp. 2081-2087.
Kim, K. D. and Chung, S. C., 1999, "Design and Analysis of 2 BDC Dimensional On-the-Machine Measuring and Inspection System Using Touch Trigger Probes," Trans. KSME A, Vol. 23, No. 1, pp. 37-46.
Song, K. S., Kwon, K. H., Park, J. J. and Cho, N. G., 2003, "A Study of Development for Contact CMM Probe using Three-Component Force Sensor," KSPE, Vol. 20, No. 8, pp. 101-107.
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