[논문]레이저 트래커를 이용한 소형 공작기계의 서보 불일치 추정

이훈희; 권성환; 손진관; 양승한

doi:10.7736/kspe.2016.33.8.683

[국내논문] 레이저 트래커를 이용한 소형 공작기계의 서보 불일치 추정
Servo Mismatch Estimation of Miniaturized Machine Tools Using Laser Tracker 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.33 no.8, 2016년, pp.683 - 689

이훈희 (경북대학교 기계공학부) , 권성환 (경북대학교 기계연구소) , 손진관 (경북대학교 기계공학부) , 양승한 (경북대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Servo mismatch, which affects positioning accuracy of multi-axis machine tools, is usually estimated via the circular test. However, due to mechanical restrictions in measuring instruments, the circular test using a double ball-bar is difficult to apply in miniaturized or super-large sized machine tools. Laser trackers are widely used to measure the form accuracy of parts and the positioning accuracy of driving systems. In this paper, a technique for the servo mismatch estimation of multi-axis machine tools is proposed via the circular test using a laser tracker. To verify the proposed technique, experiments using a double ball-bar and laser tracker are conducted in a 3-axis machine tool. The difference in the evaluation results is 0.05 msec. The servo mismatch for the miniaturized machine tool is also evaluated using the proposed technique.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구는 레이저 트래커를 이용한 원호 테스트 절차를 소개하고, 측정된 좌표 데이터로부터 공작기계 구동 축 간의 서보 불일치를 추정하는 방법을 제안한다. 실험은 FARO 社의 Vantage 모델 레이저 트래커를 이용하여 측정했고, 볼바 측정이 가능한 3축 공작기계에서 제안한 방법과 Renishaw 社의 QC-20W 볼바 시스템으로 측정한 서보 불일치 결과를 비교했다.

제안 방법

실험은 FARO 社의 Vantage 모델 레이저 트래커를 이용하여 측정했고, 볼바 측정이 가능한 3축 공작기계에서 제안한 방법과 Renishaw 社의 QC-20W 볼바 시스템으로 측정한 서보 불일치 결과를 비교했다. 또한, 소형 공작기계의 서보불일치 추정 실험은 SURUGA SEIKI 社의 직선스테이지로 구성된 공작기계에서 실시했다.
본 연구에서 제안한 서보 불일치 추정 방법의 검증을 위해, Table 1의 사양으로 볼바 측정이 가능한 구동 영역을 가진 KOMATEC 社의 STP-T30 3축 공작기계에서 Fig. 5와 같이 레이저 트래커와볼바를 이용하여 서보 불일치 추정 실험을 실시했다. 실험에서 사용한 볼바는 Renishaw plc.

대상 데이터

제안한 방법을 이용한 소형 공작기계 서보 불일치 측정 실험은 Table 3과 같은 성능의 SURUGA SEIKI 社의 단축 스테이지 KS103-70와 KS302-100으로 구성된 3축 공작기계의 X, Y축을 대상으로 Fig. 8과 같이 실시했다. 원호 테스트 반경 R, 구동 속도 f, 원호 중심 위치 x_c, y_c는 각 10 mm, 4 mm / sec, 35 mm, 35 mm로 설정했고, 측정한 반경 방향오차는 Fig.
社의 QC-20W이고, 레이저 트래커는 FARO 社의 Vantage로 각 측정기의 사양은 Table 2와 같다. 측정은 공작기계 X, Y축 간의 서보 불일치를 대상으로 수행했다. 볼바를 이용한 실험은 Fig.

데이터처리

1과 같이 측정기 좌표계 (Laser Tracker Coordinate System, LCS)를 기준으로한 반사경 SMR (Spherically Mounted Retro-Reflector) 중심점 p까지의 좌표 p^L 를 측정하는 장비이다. SMR의 좌표는 SMR을 추적하는 레이저 트래커 헤드 내부의 2개의 로터리 인코더로 측정된 방위각φ, θ (Azimuth, Elevation)과 레이저 간섭계 (Laser Interferometer)로 측정된 거리 D를 이용한 구 좌표계 데이터를 직교 좌표계로 변환하여 계산한다.
본 연구는 레이저 트래커를 이용한 원호 테스트 절차를 소개하고, 측정된 좌표 데이터로부터 공작기계 구동 축 간의 서보 불일치를 추정하는 방법을 제안한다. 실험은 FARO 社의 Vantage 모델 레이저 트래커를 이용하여 측정했고, 볼바 측정이 가능한 3축 공작기계에서 제안한 방법과 Renishaw 社의 QC-20W 볼바 시스템으로 측정한 서보 불일치 결과를 비교했다. 또한, 소형 공작기계의 서보불일치 추정 실험은 SURUGA SEIKI 社의 직선스테이지로 구성된 공작기계에서 실시했다.
최소자승법을 통해 추정된 미지수 벡터의 첫 번째 항 X_x(1), X_y(1) 과 두 번째 항 X_x(2), X_y(2) 으로 부터 두 축의 위상 지연은 다음과 같이 계산한다.

이론/모형

(2) 최소자승법을 이용한 각 축 원호 구동 위상 지연을 추정 및 서보 불일치 계산 방법을 제안.

성능/효과

(1) 레이저 트래커를 이용한 양방향 원호 테스트 데이터로부터 준정적 오차 영향을 제거.
(3) 일반 3축 공작기계에서 상용 볼바와의 비교실험을 통해 제안한 방법의 타당성을 검증.

후속연구

(4) 레이저 트래커의 간편한 설치, 유연한 측정 영역으로 볼바로 측정하기 어려운 소형 공작기계뿐 아니라 중/대형 공작기계 서보 불일치 측정에도 활용 가능.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제안된 레이저 트래커를 이용하여 추정하는 방법은 어떤 측정에 활용 가능한가?	(4) 레이저 트래커의 간편한 설치, 유연한 측정 영역으로 볼바로 측정하기 어려운 소형 공작기계뿐 아니라 중/대형 공작기계 서보 불일치 측정에도 활용 가능.
	공작기계의 위치 정확도는 어떤오차 원인으로 저하되는가?	소형 기계 부품, 항공기 부품 가공 등 공작기계의 사용 범위가 다양해지면서, 소형 공작기계 (Miniaturized Machine Tool), 초대형 공작기계 (Super-Large Size Machine Tool)와 같이 다양한 가공 영역을 가진 공작기계의 사용이 증가하고 있다. 이러한 공작기계의 중요한 성능 지표가 되는 위치 정확도 (Positioning Accuracy)는 다양한 오차 원인에 의해 저하되며, 주된 오차 원인으로는 기하학적 오차, 열 변위 오차와 같은 준정적 오차와 백래쉬, 서보불일치, 기계 진동과 같은 동적 오차가 있다. 1-3 서보 불일치는 구동 축 간의 불완전한 서보 루프 게인 (Servo Loop Gain) 설정으로 인한 축 간 응답속도 차이로 인해 발생하며 부정확한 경로를 유발한다.
	공작기계의 서보 불일치는 무엇을 유발하는가?	이러한 공작기계의 중요한 성능 지표가 되는 위치 정확도 (Positioning Accuracy)는 다양한 오차 원인에 의해 저하되며, 주된 오차 원인으로는 기하학적 오차, 열 변위 오차와 같은 준정적 오차와 백래쉬, 서보불일치, 기계 진동과 같은 동적 오차가 있다. 1-3 서보 불일치는 구동 축 간의 불완전한 서보 루프 게인 (Servo Loop Gain) 설정으로 인한 축 간 응답속도 차이로 인해 발생하며 부정확한 경로를 유발한다.4 구동 축 간의 서보 불일치를 측정하기 위해서는 두 축 동시 구동을 통한 측정이 필요하다.

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