KR100436573B1 - 진동 및 소음품질 자동검사장치 - Google Patents

Abstract

모터, 압축기, 엔진 등 많은 기계제품에서는 운전 중 필연적으로 진동 및 소음이 발생되며, 이러한 제품의 진동 및 소음품질은 이러한 제품이 부품으로 사용되는 에어컨, 냉장고와 같은 최종제품의 진동 및 소음 품질에 큰 영향을 주고 있다. 특히, 동력원으로서 가장 일반적으로 사용되고 있는 AC모터에서 발생되는 진동 및 소음은 다양한 기계적, 전기적 원인에 의하여 발생되는 것으로 알려져 있으며, 이러한 모터의 진동 및 소음특성(크기와 주파수)은 모터와 조립되는 팬 등의 기계부품의 동적 특성과 연계되어, 공진(resonance)이 유발되어, 최종제품의 진동 및 소음품질을 크게 악화시키는 경우가 있다. 본 발명은 모터와 같이 진동 및 소음품질이 중요한 제품의 진동품질을 관리하기 위하여, 대상물에서의 진동계측에서 진동품질의 평가까지를 자동으로 검사할 수 있는 검사시스템에 대한 발명이다.

Description

진동 및 소음품질 자동검사장치{Automatic vibration and sound quality evaluation system}

도 1에서와 같이 계측대상물의 진동 또는 소음을 계측하기 위하여 계측대상물에 부착된 진동센서(4) 또는 일정한 거리를 두고 설치된 소음센서(5)에서 발생된 출력은 증폭기(6)에 의하여 신호가 증폭되어, 검사장치(1)의 채널로 입력된다. 검사장치의 검사개시는 사용자 편의를 위하여 조작반(2)에 의하여 이루어지며, 검사장치내 프로그램으로 구성된 검사로직에 따라 검사가 이루어지며, 검사결과는 모니터, 타워램프 등의 출력장치(3)로 표시된다.

도 2는 대표적으로 진동품질이 중요한 검사대상물, AC 모터의 진동품질이 모터가 조립된 완제품의 구조진동 및 구조기인소음과의 연관관계를 나타내며, 특히 모터의 진동 및 소음품질은 기계적 원인(1), 유동적 원인(2) 및 전자기적 원인(3) 등 다양한 원인에 의하여 발생되고 있음을 나타낸다.

도 3은 진동 및 소음센서로부터 발생된 전압을 센서의 감도(sensitivity)를 곱하여 해당 물리량 단위로 변환시키고, dB 축으로 표시하기 위하여, 소음 및 진동 기준값을 기준으로 파워를 계산하는 과정을 나타낸다.

도 4는 모터의 축방향 및 반경방향의 진동을 계측하기 위하여 모터(1)에 설치된 축방향으로 설치된 가속도계 및 반경방향 가속도계(2)를 나타낸다. 모터의 진동이 모터가 설치된 바닥을 통해 외부로 전달됨으로써, 진동계측 정도(acccuracy)를 저하시키는 것을 방지하기 위하여, 유연한 재료인 폴리우레탄(PU) 폼(3) 위에 모터를 설치하고 운전시킨다.

도 5는 도 4와 같이 모터에 설치된 진동가속도계에서 측정되는 시간영역의 진동가속도(1)와 시간영역의 진동가속도를 주파수영역으로 변환하여 얻은 주파수 스펙트럼(2)을 각각 나타낸다. 주파수 영역의 주파수 스펙트럼을 이용하여 진동 또는 소음의 크기 및 특정주파수에서의 크기를 검사 또는 관리할 수 있다.

도 6은 AC모터의 축방향 및 반경방으로 측정된 진동가속도 스펙트럼을 나타내며, 저주파수 영역 (1)에서 무부하 회전수에 해당하는 주파수 피크, 120 Hz의 하모닉(2) 및 800 Hz 이상의 비교적 높은 주파수 영역 (3)에서 모터 기구물의 구조진동에 의한 진동성분을 알 수 있다. 특히, 전원주파수의 배수에 해당하는 120 Hz의 하모닉 성분의 진동은 모터와 조립되는 기구물의 공진을 유발하는 경우가 많으므로, 해당주파수영역에서의 크기를 관리할 필요가 있다.

도 7은 측정된 진동신호를 주파수분석(FFT)하여 주파수를 축으로 표시한 주파수 스펙트럼으로서, 도 4에서와 같이 특정주파수에서의 크기를 검사하기 위하여, 특정주파수(2)에서의 크기를 변수, P로 치환하고, 측정주파수 영역 내에서의 모든 주파수성분(3)을 변수, T로 치환하여, 검사로직에 따라 계산을 수행한다.

도 8은 에어컨에 사용되는 팬 구동모터(3)의 진동을 계측하기 위하여 3축 가속도 센서가 설치된 모습을 나타내며, 이때 센서의 접착방법 (1), 계측대상물인 모터의 지지조건에 의한 계측영향을 평가하여야 한다. 센서의 접착방법은 밀납(bee wax)을 이용하는 경우, 모터에서 발생하는 열에 의하여 밀납이 녹아, 고정조건이 불안정해져 측정오차가 커지는 문제점이 있으므로, 모터에서 발생하는 열의 영향을 최소화시키고, 안정된 센서 고정방법(도 10)이 필요하다. 또한, 모터의 지지방법은 유연한 재료를 이용하여 모터를 지지하는 재료를 통하여 모터에서 발생된 힘이 외부로 전달되지 않도록 하여야 한다.

도 9는 도 6의 모터(3)를 지지하는 폴리우레탄 폼(2)의 두께에 따른 모터 진동의 편차를 나타내며, 모터에서 발생되는 진동주파수가 큰 차이가 없으며, 측정된 진동의 크기 또한 큰 차이가 없음을 알 수 있다.

도 10은 모터의 진동을 계측할 때, 모터(1)에서 발생되는 열에 의한 영향과 진동센서의 설치에 따른 영향을 최소화하기 위하여, 모터에 방진고무가 설치되는 위치(6)에 모터 외부 케이싱의 곡률을 이용하여, 설치되는 센서 설치지그(2)와 센서 설치지그에 조립된 가속도계(3)와 그 출력 케이블(4)을 나타낸다.

도 11은 생산라인에서 진동품질이 중요한 제품의 진동품질검사를 위한 인라인 테스트를 위한 검사기준 설정방법을 나타내며, 관측주파수 범위 (Frequency Range Setting)를 설정하고, 모터의 120 Hz 하모닉 성분과 같이 크기를 검사할 필요가 있는 주파수를 측정(관심)주파수로 설정하고, 그 주파수 영역을 설정한다. 또한, 관심주파수의 주파수 폭(Frequency Bandwidth)을 설정함으로써 관심주파수를 중심으로 주파수 폭 만큼의 영역에서 계측된 진동의 주파수 크기를 검사한다.

진동품질 검사장치의 검사판단 로직은 크게, 판단기준 1 : 전체 소음도(Overall)에서 특정 주파수에서의 소음도의 차이에 따른 검사방법과 판단기준 2 : 특정 주파수에서의 소음의 절대적 크기에 따른 검사방법 (관심주파수의 Peak Limit)으로 구분할 수 있다.

본 발명의 목적은 진동품질이 중요한 제품의 진동품질을 진동의 계측에서 진동품질의 평가까지를 자동으로 검사할 수 있는 검사시스템에 대한 발명이다.

현재까지 제품의 진동품질을 검사하기 위해서는 일반 진동계측기를 사용하여야 하는 경우, 정확한 계측을 위해서 (1)측정주파수 영역 (2) 입력범위 (3) 신호처리를 위한 윈도우 형태 등 신호처리와 관련된 설정을 하여야 한다. 이러한 설정과정은 계측결과의 신뢰성을 높이는 중요한 과정이나, 진동과 관련된 전문지식이 없는 일반인이 설정하기 위해서는 매우 번거로우며, 기술적 어려움이 있어 현실적으로 검사가 원활히 이루어지지 못하고 있는 실정이다. 본 발명은 설정환경을 데이터 베이스에 저장하고, 진동계측을 조작반을 통하여 수행하는 방식으로 계측에서 검사결과 처리까지의 일련의 검사과정을 진동과 관련된 전문지식이 없는 일반인도 용이하게 진동계측 및 진동품질을 검사할 수 있도록 하는 진동품질 자동검사 시스템에 대한 발명이다.

(1) 진동품질이 중요한 제품의 진동품질을 자동으로 검사하기 위한 계측, 신호처리, 분석 및 검사 등의 일련의 검사과정 자동화

(2) 진동계측에 대한 편의성을 위하여 측정주파수 영역, 입력범위, 신호처리를 위한 윈도우 형태 등 신호처리와 관련된 설정값의 데이터베이스 저장

(3) 조작반에 의한 계측기의 조작

(4) 검사대상물의 진동특성을 고려하여, 주파수영역에서의 검사기준 설정

제 1도는 진동 및 소음 자동계측시스템의 구성도

제 2도는 모터가 사용되는 에어컨 세트와 모터와의 구조진동 및 구조기인소음과의 연관관계도

제 3도는 진동 및 소음 계측 물리량을 검사에 활용하기 위하여 파워로 계산하는 과정을 나타낸다.

제 4도는 모터의 진동 측정방법

제 5도는 모터에서 계측된 진동 가속도의 시간영역 신호 및 주파수 영역에서의 스펙트럼

제 6도는 모터의 진동품질 검사를 위하여 주파수 스펙트럼에서, 무부하 회전수, 자기진동 및 모터의 구조진동에 의한 주파수 영역으로 구분됨을 나타낸다.

제 7도는 계측된 진동스펙트럼에서 특정주파수에서의 크기 및 전체 주파수 성분의 값을 기준으로 품질검사가 이루어짐을 나타낸다.

제 8도는 모터의 진동을 계측하기 위한 방법에서, 모터 및 센서의 설치방법을 나타낸다.

제 9도는 모터를 지지하는 폴리우레탄 폼의 수에 따른 측정정도의 차이를 나타낸다.

제 10도는 모터의 진동을 일정한 설치조건에서 측정한 설치방법을 나타낸다.

제 11도는 진동품질을 자동으로 검사하기 위하여, 프로그램에서 설정하는 측정주파수 및 관심주파수 영역을 나타낸다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 진동 및 소음품질 자동검사장치는, (a) 진동 및 소음센서로부터 진동 및 소음물리량을 측정하는 단계; 특히 모터의 진동측정시 측정반복정도를 확보하기 위하여 모터의 회전둘레를 지지하는 센서 설치지그를 이용하는 단계 (b) 측정된 물리량을 계측기에서 표시될 수 있을 수준으로 증폭시키거나, 관심주파수 이외의 신호를 노이즈로 필터링(filtering)시키는 단계; (c) 조작반에 의하여 계측기가 계측을 동작시키는 단계; (d) 증폭된 진동 또는 소음신호가 계측기내 설치된 프로그램 및 데이터 베이스에 설정된 신호처리 설정값에 따라서 계측이 수행되는 단계; (e) 계측기 내부에 프로그램으로 구현된 검사로직에 의하여 검사결과를 계산하는 단계; (f) 검사결과를 설정된 검사기준과 비교하여, 그 판정결과를 출력시키는 단계; 로 구성된다.

본 발명을 통하여 모터, 압축기, 엔진 등 많은 기계제품에서는 운전 중 필연적으로 발생하는 진동 및 소음품질을 생산현장 등에서 용이하게 검사할 수 있으며, 진동 및 소음 계측과 관련된 복잡한 설정을 데이터베이스에 저장시킴으로써, 진동 및 소음에 지식이 충분하지 않은 사람도 정확한 계측과 품질검사를 수행할 수 있도록 된다. 또한, 진동 및 소음품질이 중요한 부품이 최종적으로 조립된 완성품의 진동 및 소음품질을 확보할 수 있도록 하는 유용한 검사장치이다.

Claims (3)

1. 진동품질이 중요한 제품의 진동품질을 검사하기 위하여, 센서, 계측기, 조작반으로 이루어진 자동검사장치로서, 진동계측의 시작, 분석 및 검사결과처리 등의 검사과정을 일체로 수행하는 진동품질자동검사시스템
2. 모터의 축방향 및 반경방향 진동가속도를 동시에 일정한 설치반복정도를 확보하면서 계측하기 위하여 유연한 재료 위에 설치되어 무부하 회전하는 모터에서, 방진고무가 설치되는 구조물 위치에 모터의 둘레를 지지하며 설치될 수 있는 (3축) 가속도계가 조립된 센서 설치지그를 이용하여 모터의 진동을 계측하는 방법
3. 계측된 진동 또는 소음 신호의 주파수스펙트럼에서, 특별히 관리가 요구되는 특정주파수성분에서의 진동 또는 소음의 크기, 또는 전체 주파수 성분의 크기를 이용하여, 검사대상물의 진동품질을 검사하는 진동품질검사방법