KR100497660B1

KR100497660B1 - Ｎｃ선반에서 발생하는 채터진동 감지장치 및 방법

Info

Publication number: KR100497660B1
Application number: KR1020040041293A
Authority: KR
Inventors: 조종두; 김명구; 최봉학; 이흥식
Original assignee: 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2005-07-01

Abstract

본 발명은 NC선반의 채터진동여부를 파악하여 운전조건을 변화시키는 NC선반에서 발생하는 채터진동 감지장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 NC선반에서 발생하는 진동을 가속도계를 이용하여 실시간으로 파악하고 상기 가속도계에서 파악된 데이터를 고속후리에 변환과 캡스트럼변환을 차례로 거쳐 변환시킨다.

이와 같이 변환된 데이터는 공구대에서 실시간으로 파악되는 주축대 회전수 및 캡스트럼변환된 값을 실시간으로 비교하여 일정한 값에 이르면 NC선반에 채터진동이 발생하고 있다고 판단하고 NC선반의 운전조건을 변경하는 채터진동 감지장치 및 그 방법에 관한 것이다.

Description

ＮＣ선반에서 발생하는 채터진동 감지장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR DETECTING CHATTER VIBRATION IN THE NC LATHE}

이와 같이 변환된 데이터는 공구대에서 실시간으로 파악되는 주축대 회전수와 캡스트럼 변환된 값을 서로 비교하여 일정한 값에 이르면 NC선반에 채터진동이 발생하고 있다고 판단하고 NC선반의 운전조건을 변경하는 채터진동 감지장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 선반의 절삭가공시 발생하는 진동은 강제진동(Forced Vibration)과 자려진동(Self-Excited Vibration)으로 나누어진다.

강제진동(Forced Vibration)은 일반적으로 공작기계에 주기적으로 가해지는 어떤 힘에 의해 야기된다. 이러한 힘의 원천은 기어전동장치, 공작기계 구성요소들 사이의 불균형, 공작물의 부적절한 설치, 모터나 펌프등에서 찾을 수 있고, 또한 스플라인 축이나 키홈이 있는 축의 선삭작업과 밀링작업에서와 같이 절삭공구에 걸리는 힘이 주기적으로 변하는 것도 강제진동의 원인이 된다.

강제진동을 억제하는 기본적인 해결책은 이러한 힘의 근원을 제거하거나 격리시키는 것이다. 만약, 작용력의 진동수가 공작기계와 공구로 이루어진 진동시스템의 어떤 고유진동수와 같거나 비슷할 경우에는 공진현상이 발생한다. 이러한 경우에 진폭을 줄이기 위해서는 이 시스템의 강성이나 감쇠계수를 증가시켜야 한다. 일반적으로 절삭공정변수들의 변화가 강제진동에 커다란 영향을 주지는 않으나, 절삭속도나 공구형상의 변화가 진동 억제에 도움이 될 수도 있다.

통상 채터(chatter)로 더 잘알려져 있는 자려진동(Self-Excited Vibration)은 주로 절삭과정에서 공작기계 및 공구와 칩 사이의 상호작용에 의해 야기되며, 일반적으로 매우 큰 진폭을 가진다. 채터의 발생은 전형적으로 절삭부의 불안정한 상태로부터 시작된다. 절삭부가 불안정하게 되는 요인으로는 공작물 재료의 불균질성, 공작물 표면상태의 불균일성, 생성되는 칩형태의 변화, 절삭유의 성능저하 등으로 인한 공작물과 칩 접촉면에서의 마찰상태의 변화 등이 있다.

재생채터(Regenerative Chatter)는 기계가공에 있어서 가장 중요한 형태의 자려진동이다. 이 현상은 공구가 이전 절삭에서 남은 진동흔적과 같이 어떤 웨이브형상을 가지고 있는 표면을 절삭할 때 발생한다. 이러한 경우, 절삭깊이의 변화에 따른 절삭력의 변동으로 인하여 진동이 야기되며, 그 결과 가공면에는 다시 새로운 진동흔적이 남는다.

이상과 같은 자려진동은 일반적으로 시스템의 동적강성 및 감쇠계수를 증가시킴으로써 억제시킬 수 있다. 공작기계는 각 진동수마다 상이한 강성을 가지고 있으므로 절삭속도와 같은 공정변수의 변화는 채터에 영향을 줄 수 있다.

특히, 이상과 같은 채터진동이 발생할 확률은 절삭력과 절삭깊이, 그리고 절삭폭의 크기에 비례한다는 연구결과가 나오고 있으나, 이는 선형적으로 변화하는 것이 아닌 수개의 복합적인 원인으로 인한 비선형성을 가지고 있다.

이상과 같은 채터진동을 검출하는 종래의 기술은 다음과 같다.

우선, 절삭 중 일어나는 진동을 가속도계를 이용하여 그 가속도나 위치의 크기를 측정하고 기준치를 설정하여 실제 그 가공시 진동측정치가 그 이상이면 채터로 판정하는 것과 관련하여 미국 특허공보 제4899594호 "공구에 작용하는 절삭력 측정장치"가 있다.

또한, 연삭반의 적당한 위치에 설치된 진동검출기에 의해 연삭중의 진동을 검출하고, 상기 검출된 진동신호를 진동계를 거쳐 고속후리에변환(FFT) 애널라이져에 입력하고, 상기 고속후리에변환(FFT) 애널라이져로부터 검출된 측정데이터는 이것에 접속되고 있는 퍼스널 컴퓨터에 입력되고, 이상과 같이 입력된 데이터는 컴퓨터내에서 일정한 기준치와 비교하여 채터진동인지여부가 판단되는 것과 관련하여 일본국 특허공보 특개평8-174379호 "채터진동억제방법"이 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 발명들은 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 기본적으로 일반적인 NC선반은 보통의 선반과 달리 절삭가공을 진행하는 경우 주축대의 회전속도는 초기에 설정한 회전속도를 유지하지 못하고 절삭깊이, 절삭속도등에 따라 계속적으로 변화하게 된다. 그러나, 상기 발명들은 진동의 진폭과 진동진폭의 변화량의 크기만을 기준값으로 삼아 일률적으로 채터진동의 유무를 판별하였기 때문에, 절삭속도, 절삭깊이, 공구 등의 절삭조건등을 제대로 반영하지 못하게 되며, 만약, 이를 정확하게 반영하려면 상기 기준값들을 상황에 따라 계속 변경시켜야 한다.

둘째, 상기 발명들은 이미 채터진동이 일정정도 진행되고 나서야 채터진동임을 감지하여 운전조건등을 변화시키게 되어, 이미 채터진동에 의한 공구의 마멸이 진행되어 장시간 선반가공을 어렵게 한다.

셋째, 상기 발명들은 일정한 크기이상의 진동을 모두 채터진동으로 판별하기 때문에, 채터이외의 다른원인(강제진동)에 의한 진동에도 반응하여 운전조건을 바꾸기 때문에 진정한 채터진동에 대처하기 어렵다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다음과 같다.

첫째, 본 발명은 진동의 진폭과 진동진폭의 변화량 크기만으로 채터진동의 유무를 판별하지 않고, 아래 설명한 방법과 같이 주축대의 회전속도(또는 회전주파수)와 채터진동사이에 일정한 상관관계가 있음을 바탕으로 하여, 가공조건에 상관없이 언제나 적용가능한 채터진동 검출장치를 목적으로 한다.

둘째, 일정정도 진행되고 나서야 채터진동임을 감지하는 것이 아니라, 이미 설정해 놓은 주파수에 진동주파수가 일치하고, 동시에 그 진동주파수의 진폭이 미리설정해 놓은 진폭의 범위에 속하게 되면 채터진동으로 판단하여 즉시 운전조건을 변화함으로서 채터진동을 미리 예측하고 신속하게 판단하는 것을 목적으로 한다.

셋째, 일정한 범위내에서 채터진동여부를 판별하기 때문에 전혀 다른 원인, 즉 강제진동에 의한 진동에는 반응하지 않도록 하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 , 본 발명인 NC선반에서 발생하는 채터진동 감지장치는 공구대에 부착되어 공구의 진동을 측정하는 진동감지장치와 상기 진동감지장치로부터 얻어진 데이터를 증폭시키는 증폭장치로 이루어진 진동감지수단과;

상기 진동감지수단으로부터 얻어진 데이터를 주파수대별로 분석하여 고속푸우리에 변환시켜주는 후리에변환(FFT)수단과 상기 후리에변환(FFT)수단으로부터 얻어진 데이터를 캡스트럼분석을 하여 시간대별 데이터를 얻어내는 캡스트럼수단으로 이루어진 데이터분석수단과;

공구대에 부착되어 주축대의 회전을 실시간으로 측정하는 회전수측정수단과;

상기 회전수측정수단으로부터 얻어진 주축대의 회전수와 상기 데이터분석수단으로부터 얻어진 데이터를 비교하여 채터진동의 발생유무를 알아내는 채터진동검출수단과;

상기 채터진동검출수단으로부터 파악된 채터진동의 유무에 따라 NC선반의 회전수 , 절삭이송속도 및 절삭깊이를 조정하는 NC선반의 제어수단으로 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 채터진동 감지방법은 다음과 같이, 주축대의 회전을 타코메터에 의하여 분석하여 회전주파수를 실시간으로 얻어내는 회전수측정단계;

또한, 본 발명인 NC선반에서 발생하는 채터진동감지방법은 공구대에 부착된 진동감지장치로부터 얻어진 데이터를 증폭시키는 진동감지단계;

상기 증폭된 데이터를 고속후리에변환시키고 상기 후리에변환된 데이터를 캡스트럼변환시키는 데이터분석단계;

상기 분석된 데이터를 공구대에 설치된 주축대의 회전속도측정장치에서 얻어진 데이터와 비교하여 채터진동여부를 판별하는 채터진동검출단계;

상기 채터진동검출단계에서 얻어진 자료로부터 채터진동임이 판별되면 주축대의 회전수, 절삭깊이, 이송속도를 변화시키는 NC선반제어단계로 이루어진다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도1은 본 발명을 NC선반에 적용한 실시예의 구성이 나타나고 있고, 상세하게는 진동감지수단(10), 데이터분석수단(20), 회전수측정수단(30), 채터진동검출수단(40), 및 NC선반제어수단(50)으로 크게 이루어진다.

먼저 진동감지수단(10)은 공구(3)의 진동을 감지하는 진동감지장치(11)와 상기 진동감지장치로부터 얻어진 데이터를 증폭시키는 증폭장치(12)로 이루어져 있다.

상기 진동감지장치(11)는 NC선반의 공구(3)에 부착되어 있으며, 본 발명에서는 진동감지장치로써 가속도계(11a)가 사용된다. 상기 가속도계(11a)는 상하방향(z축)과 좌우방향(x축)의 진동 변위를 측정할 수 있도록 공구(3)의 전면에 X축과 Z축상에 부착되어 있다.

증폭장치(12)는 상기 가속계(11a)로부터 입력된 값을 증폭시켜 데이터분석수단(20)으로 보내는 증폭기로 구성된다.

데이터분석수단은 후리에변환(FFT)수단(21)과 캡스트럼수단(22)으로 구성되어 있으며 상기 후리에변환(FFT)수단은 신호증폭기로부터 입력된 시간신호를 받아 후리에 변환을 하며, 이상과 같이 변환된 값을 오토스펙트럼이라 한다. 또한 캡스트럼수단(21)에서는 상기 후리에변환(FFT)수단(21)에서 받은 주파수값을 역후리에변환하며, 이상과 같이 얻은 데이터는 캡스트럼이라한다.

회전수측정수단(30)은 주축대(1)의 회전수를 검출하는 타코메터(31)로 구성되며 상기 타코메타(31)는 주축대(1)에 부착되어 있다.

다만, 회전수측정수단(30)은 타코메터(31)에 한하지 않으며, 기타 회전수를 측정하는 수단이라면 이에 해당한다.

채터진동검출수단(40)은 타코메터(31)에서 나오는 기본회전주파수(fo)와 캡스트럼에서 나오는 진동주파수(f)가 입력된다. 이상과 같이 각각의 주파수가 입력되면, 첫 번째단계로써 주파수값(f)(fo)을 서로 비교하여, 진동주파수(f)값이 일정범위내에 들게되면, 두 번째 단계로써 상호진폭값을 비교하여 채터진동인지여부가 파악된다.

채터진동여부가 파악되면 그 결과는 NC선반제어수단(50)에 보내어 진다.

NC선반제어수단(50)은 상기 채터진동검출수단(40)과 연결되어 있어 채터진동인지 여부가 판단되면 주축대(1)와 공구대(4)에 각각 신호를 보내어 NC선반의 운전조건을 변경시킨다.

이하, 상기한 구성의 본 발명의 작용을 설명한다.

본 발명에 따른 채터진동검출수단의 핵심적인 작용으로 채터진동인지 여부를 판별하는 방식은 다음과 같다.

우선 절삭깊이, 절삭속도에 따라 실시간으로 변화되는 주축대의 회전수를 기본주파수(fo)로 삼는다.

첫 번째 단계에서, 공구에서 검출되는 진동주파수(f)가 실시간으로 변화하는 기본주파수(fo)의 배수배(n), 즉 n×fo 인 값이 되는가를 계속적으로 추적하여, 채터진동이 발생할 주파수에 속하게 되는지 파악한다.

만약, 이상의 방법에서 상기 진동주파수(f)가 소정의 주파수(n×fo)에 속하게 되면, 두 번째 단계로 상기 진동이 진정한 채터진동인지 확인하는 단계로 진폭비교를 하게 된다. 상기 진폭비교는 기본주파수(fo)에서 진폭(Ho)을 100%로 하였을 때, 상기 진동주파수(f)의 진폭(H)이 상기 기본주파수의 진폭(Ho)의 5%이상이 되는 경우를 기준으로 한다.

상기와 같은 원리에 의하여 본 발명의 작용을 보다 구체적으로 설명한다.

선반에서 선삭가공시 발생하는 채터진동은 가속도계(11a)로 측정하고, 이상과 같이 측정한 데이터는 증폭장치(12)에 의하여 진동신호의 크기가 증대된다.

이상과 같이 증대된 진동신호는 신호분석기인 후리에변환(FFT)수단(21)에 의하여 고속후리에변환을 하여 진동의 시간신호가 주파수신호로 변환되며, 이 주파수 신호가 오토스펙트럼이 된다. 이 오토스펙트럼을 캡스트럼수단(22)에 의하여 역후리에변환을 시키면 오토스펙트럼이 켑스트럼신호로 다시 변환된다.

여기서, 캡스트럼이란 대수파워스펙트럼의 파워스펙트럼, 즉 오토스펙트럼 대수를 역후리에 변환한것으로써, 원래는 지진신호의 에코검출을 위해 자기상관함수의 대안으로 제시된 것이다.

이상과 같은 캡스트럼은 오토스펙트럼상에서 고주파의 하모닉성분이나 측대파의 성분들이 어느 일정한 주파수간격으로 스팩트럼으로 나열되어 있으면 그 간격을 하나의 주기로 표현한다. 이상과 같은 캡스트럼에서는 고주파의 하모닉성분과 측대파 성분들이 시간축에서 하나의 피크성분으로 나타나기 때문에 주파수 변조나 비선형 현상을 분석하는 데 주로 사용된다.

그래프를 이용하여 캡스트럽의 특성에 관하여 설명하면 다음과 같다.

도2는 캡스트럼으로 변환전의 오토스펙트럼을 나타낸 그래프이며, 상기 그래프에서 X축은 진동주파수를 나타내고, Y축은 크기를 나타낸다. 도3은 도2의 오토스펙트럼이 역후리에 변환된 후의 캡스트럼을 나타낸 그래프로써, 상기 그래프에서 X축은 시간을 나타내고, Y축은 크기를 나타낸다.

도2에 나타나듯이 주파수영역에서 많은 피크주파수들의 하모닉성분으로 나타나고 있다. 상기 그래프를 통하여 알 수 있듯이 피크주파수중에서 어느 곳이 채터진동을 나타내고 있는 지 구별해내기 어렵다.

이상에서 나타난 오토스펙트럼을 역변환하면 도3과 같이 수개의 주파수성분들이 하나의 피크성분으로 나타나게 되며, 이를 통하여 간단하게 피크지점을 판별함으로써 채터진동의 발생지점을 판별할 수 있다.

이상과 같이 판별된 캡스트럼신호는 주축대(1)의 회전수와 비교를 통하여 채터진동인지 여부가 판별되게 되는 데, 우선 주축대(1)의 회전수의 측정을 위하여 타코메터(31)가 사용되었다.

상기 타코메터(31)는 실시간으로 주축대(1)의 회전속도를 측정하고 있다. 이상과 같이 타코메터(31)에서 계측된 회전속도는 회전주파수로 변환되며, 이상과 같이 변환된 회전주파수(fo)는 켑스트럼에서 분석된 진동주파수(f)와 비교하여 채터진동인지여부를 판단한다.

판단기준은 첫째, 진동주파수값이 채터진동이 발생할 주파수값에 속하는 지 여부를 판단한다. 이를 위하여 이미 설정된 주파수값(n×fo)과 진동주파수(f)값이 서로 일치하는지 여부를 파악하는데, 여기서 이미 설정된 주파수값은 타코메터에서 실시간으로 얻어진 회전주파수(fo)를 기본회전주파수(fo)로 하고 상기 기본회전주파수(fo)값에 아래에서 설명하는 실험에서 얻어진 소정의 배수배를 곱함으로써 얻어지게 된다.

만약 상기 주파수값들이 상호일치하여 채터진동이 발생할 주파수에 속한다고 판단하면, 두 번째 단계로써 진동주파수의 진폭(H)이 소정의 값에 포함되는 지 파악하고, 상기 소정의 범위에 포함되면 채터진동이라고 판단한다. 이때, 상기 소정의 범위이란, 기본회전주파수(fo)에서의 진폭(Ho)을 기준으로 하여 그 기준값의 5%이상이 되는 범위(H >= 0.05×Ho)을 말한다.

이상과 같이 채터진동을 판단하는 주파수값을 설정하기 위하여 다음과 같이 실험을 실시하였다.

본 실험의 목적은 우선 실시간으로 변화하는 주축대의 회전속도(또는 회전주파수)와 채터진동간에 일정한 상관관계가 있다고 가정하고, 이를 증명하기 위하여 실험을 수행하였다.

본 실험에서는 절삭깊이를 변화시키고, 기본회전속도를 변화시켜가면서 실험을 수행하였다.

절삭깊이의 변화를 위하여 테이퍼진 원통형 시편을 사용하였으며, 이는 공작기계의 절삭공정이 안정된 상태에서 점차 불안정한 상태로 진입시키기 위함이다.

이를 위하여 테이퍼진 시편을 공작기계의 주축대에 고정시키고 심압대에서 주축대방향으로 일정한 회전속도에서 절삭을 진행함으로써 절삭 깊이가 연속적으로 증가하도록 하였다. 절삭량의 증가로 절삭계는 점차 불안정하게 되고 어느 한계 절삭깊이에 도달하게 되면 채터진동이 발생하기 시작한다.

또한, 본실험에서는 주축대의 기본적인 회전수를 510rpm, 710rpm, 1010rpm으로 변화시켜가면서 절삭속도의 변화에 따라 어느 범위에서 채터진동이 어떻게 발생하여 변화하여 가는지 살펴보았다.

<실험1>

주축대(1)의 회전수가 510rpm인 경우 회전주파수는 8.5Hz(fo)이고 주기는 117.65ms이다. 도4는 일반적인 가공 시 발생하는 캡스트럼을 나타내고 있으며, 이는 일반적인 가공과정에서, 즉 채터진동 등이 없는 경우에 캡스트럼의 변화를 알아보기 위한 실험이다. 본 실험을 통하여 살펴보면 회전수가 510rpm인 경우 캡스트럼분석에서는 111.82ms에서 하나의 피크가 나타남을 알 수 있다.

상기 피크점은 통상적인 공작물의 절삭가공시 발생하는 진동주파수를 나타내는 것으로써, 채터진동과 무관하게 가공초기단계부터 발생하고, 이는 주축대의 회전주파수와 동일한 값을 가진다. 따라서, 이러한 진동은 채터진동을 나타내는 것이 아니라 통상적으로 공작물의 가공시 발생하는 진동이다. 그러므로, 이하 설명에서 기본회전주파수(fo)라 불리우는 주파수는 채터진동을 유발하는 주파수에서 제외하고 설명하겠다.

한편, 상기 111.82ms는 주파수가 8.94Hz로 주축대(1)의 최초 회전주파수(8.5Hz)보다 조금 큰 값을 갖는다. 이상과 같이 피크점에서의 주파수(8.94Hz)와 최초 설정된 주축대의 회전주파수(8.5Hz)가 차이가 나는 이유는 절삭이 진행됨에 따라 절삭깊이가 깊어지고, 이에 따라 절삭저항이 증대되어 주축대의 회전수가 변화되기 때문이다.

도5는 도4의 실험에서 절삭깊이를 증가시켜 결국 채터진동이 발생하고 난 후의 캡스트럼분석을 나타낸 그래프이다.

그래프에서 알 수 있듯이 채터진동이 발생된 후 캡스트럼에서의 여러 개의 피크가 나타나게 되는데, 이중 36.62ms(27.3Hz), 112.79ms(8.87Hz) 와 225.586ms(4.43Hz)에서 두드러지게 나타난다. 여기서, 각각의 주파수는 기본 회전주파수(fo) 8.87Hz의 3배가 되는 3fo의 고차조화진동과 기본 회전주파수(fo) 8.87Hz의 1/2가 되는 1/2fo의 분수조화진동으로 분류된다.

결국, 이상의 실험을 통하여 기본적인 진동주파수의 3배 및 1/2배가 되는 지점에서 채터진동이 발생함을 알 수 있다.

<실험2>

주축대(1)의 회전수가 710rpm인 경우 회전주파수는 11.83Hz이고 주기는 84.51ms이다. 도면상에 도시하지는 않았지만, 가공시 회전주파수가 710rpm일 때 캡스트럼분석에서 하나의 피크가 80.09ms(12.49Hz)에서 나타난다. 이상과 같이 최초 회전주파수와 피크점에서 주파수가 상이한 점은 앞서 설명한 것과 같다.

도7은 채터진동이 발생하고 난후의 캡스트럼분석을 나타낸 도면으로써 510rpm과 마찬가지고 여러개의 피크점이 발생함을 알 수 있다. 이중 27.34ms(36.57Hz), 53.71ms(18.61Hz), 82.03ms(12.19Hz), 136.72(7.31Hz), 및 163.57ms(6.11Hz)에서 피크가 두드러졌다. 이를 기본회전주파수(fo) 12.19Hz와 비교하면 각각 3fo, 1.5fo, 2/3fo, 1/2fo가 됨을 알 수 있다.

결국 이를 통하여, 채터진동시 주축대(1)의 회전주파수를 기준으로 판단하면 3fo, 1.5fo와 같은 2개의 고차조화진동운동과 2/3fo, 1/2fo와 같은 2개의 분수조화운동이 일어났음을 알 수 있다.

<실험3>

주축대(1)의 회전수가 1010rpm인 경우 회전주파수는 16.82Hz이고 주기는 59.42ms이다. 이 경우 본 도면에 도시하지 않았지만, 채터진동이 발생하기 전, 진동신호를 캡스트럼 분석을 하면 하나의 피크인 56.64ms(17.65Hz)에서 진동이 발생하기 시작한다.

도8은 채터진동이 발생하고 난 후의 캡스트럼분석을 나타낸 도면으로써 , 기본주파수fo 58.11ms(17.21Hz)를 기준으로 고차조화진동인 19.36ms(51.63Hz, 3fo), 25.82(38.73Hz, 1.5fo) 와 분수조화운동 87.18ms(11.47Hz, 2/3fo), 116.15ms(8.61Hz, 1/2fo), 135.51ms(7.38Hz, 3/7fo), 193.7ms(5.16Hz, 3/10fo)이 발생한다..

이를 기준주파수(fo) 17.21Hz와 비교하면 각각 3fo, 1.5fo, 2/3fo, 1/2fo, 3/7fo, 3/10fo가 됨을 알 수 있다.

이상과 같은 3개의 실험을 통하여 주축대(1)의 기본회전수(fo)와 진동수파수(f) 간에는 일정한 배수의 비율을 가지고 채터진동이 발생함을 알 수 있다.

즉 주축대(1)의 기본회전주파수(fo)의 3, 1.5, 2/3, 1/2의 배수가 되는 주파수, 즉 3fo, 1.5fo, 2/3fo, 1/2fo, 3/7fo, 3/10fo에서 채터진동이 발생한다.

따라서, 상기 배수를 채터진동검출수단에 미리 입력시켜놓고, 타코메터(31)로부터 검출된 기본회전주파수(fo)에 상기 배수를 곱한 주파수와 동일한 주파수가 캡스트럼에 의하여 발견되면, 채터진동이 발생할 수 있는 주파수임을 첫 번째로 판단한다.

상기 단계에서 채터진동이 발생할 주파수임이 판단되면 (즉, f=3fo,1.5fo,1/2fo, 2/3fo, 3/7, 3/10 인 경우), 두 번째 단계로, 실제 채터진동이 발생하고 있는지를 진폭을 통하여 판단한다. 이상의 진폭비교는 진동주파수의 진폭이 기본회전주파수(fo)의 5%이상이 되는가 여부로써 판단하고, 5%이상이 되면, 최종적으로 채터진동으로 판별하게 된다.

따라서, 상기 장치에서는 수개의 채터진동이 발생될 주파수의 배수배 및 소정의 진폭값의 범위를 미리 입력시켜 놓고, 계속적으로 이와 동일한 진동주파수가 나타나는지 추적하게 된다.

이상과 같은 수단에 의하여 채터진동임이 판명되면, NC선반의 제어수단(50)은 자동적으로 주축대(1) 및 공구대(4)로 상기 신호를 보내 선반의 주축대(1)의 회전수, 공구대(4)의 이송부절삭이송속도 또는 공구(3)의 절삭깊이등의 운전조건을 조절하여 채터진동의 발생을 억제한다.

본 발명에 따른 NC선반에서 채터진동감지방법은 도8에 나타난 바와 같이 공구(3)의 진동가속도를 가속도계(11)를 이용하여 측정하고 상기 측정된 데이터를 증폭시키는 진동감지단계(100);

상기 증폭된 데이터를 주파수변환시키는 후리에변환 및 캡스트럼변환시켜 진동주파수(f)를 구하는 데이터분석단계(200);

주축대(1)의 회전을 타코메터(31)에 의하여 분석하여 회전주파수(fo)를 실시간으로 얻어내는 회전수측정단계(300);

캡스트럼변환된 진동주파수(f) 와 회전주파수(fo)를 비교하여 채터진동유무를 판단하는 채터진동검출단계(400);

상기 채터진동검출단계에서 채터진동임이 판단되면 상기 NC선반이 운전조건을 변화시키는 NC선반제어단계(500)로 이루어진다.

이상과 같은 본 발명에 따른 방법은 채터진동의 발생을 미리 예측하여 사람의 별도의 조작이 없이 자동적으로 채터진동을 회피하는 방법이다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 NC선반의 채터진동검출장치 및 방법에 대한 효과는 다음과 같다.

첫째, 진동의 진폭과 진동진폭의 변화량의 크기만으로 채터진동의 유무를 판별하지 않고, 실시간으로 변동하는 주축대의 회전주파수(fo)를 기준으로 이용하여 채터진동을 판단함으로써 다양한 절삭조건에 따라 기준치가 변화되지 않아 다양한 NC선반등에 동일하게 적용가능하다.

둘째, 일정정도 진행되고 나서야 채터진동임을 측정하는 것이 아니라, 채터진동의 판별을 위하여 이미 설정해 놓은 주파수에 진동주파수가 일치하고 이 진동주파수에서 켑스트럼 레벨값이 설정치 이상이 되면 즉시 운전조건을 변화함으로서 신속한 채터진동이 판단이 가능하다.

셋째, 일정한 범위내의 주파수에서만 채터진동여부를 판별하기 때문에 전혀 다른 원인에 의한 진동에는 반응하지 않는다.

넷째, 최초의 설정작업이 이뤄지면, 채터진동에 따른 별도의 조작이 요구되지 않아 완전 자동화 작업이 이루어진다.

다섯째, 고속절삭이나 단위시간당 절삭량이 높은 중절삭의 경우에 발생하는 다양한 채터진동에도 대응 가능하여 생산성향상은 물론 가공정밀도 향상에 탁월한 효과가 있다.

도1은 본 발명에 따른 채터진동감지장치의 전체 구성을 나타내는 도면.

도2는 본 발명에 따른 오토스펙트럼을 나타낸 그래프.

도3은 상기 도2에서 나타난 오토스펙트럼 값을 역후리에변환한 캡스트럼을 나타낸 그래프.

도4는 본 발명장치에 있어서 주축대의 회전수가 510rpm인 경우 일반적인 가공상태에서의 캡스트럼을 나타내는 그래프.

도5은 본 발명장치에 있어서 주축대의 회전수가 510rpm인 경우 채터진동발생 후의 캡스트럼을 나타낸 그래프.

도6은 본 발명장치에 있어서 주축대의 회전수가 710rpm인 경우 채터진동발생 후의 캡스트럼을 나타낸 그래프.

도7은 본 발명장치에 있어서 주축대의 회전수가 1010rpm인 경우 캡스트럼을 나타낸 그래프.

도8은 본 발명인 채터진동감지방법을 표시한 플로우챠트.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 진동감지수단20: 데이터분석수단

30: 회전수측정수단40: 채터진동검출수단

50: NC선반제어수단

100: 진동감지단계200: 데이터분석단계

300: 회전수측정단계400: 채터진동검출단계

500: NC선반제어단계

Claims

공구대에 부착되어 공구의 진동을 측정하는 진동감지장치와 상기 진동감지장치로부터 얻어진 데이터를 증폭시키는 증폭장치로 이루어진 진동감지수단과;

상기 진동감지수단으로부터 얻어진 데이터를 주파수대별로 분석하여 고속후리에 변환시켜주는 후리에변환(FFT)수단과 상기 후리에변환(FFT)수단으로부터 얻어진 데이터를 캡스트럼분석을 하여 시간대별 진동주파수(f)를 얻어내는 캡스트럼수단으로 이루어진 데이터분석수단과;

공구대에 부착되어 주축대의 회전을 실시간으로 측정하는 회전수측정수단과;

상기 회전수측정수단으로 부터 얻어진 회전수를 변환시킨 기본회전주파수(fo)의 일정한 배수배(n)에 캡스트럼분석에서 얻어진 진동주파수(f)가 일치되면, 채터진동으로 판정하는 채터진동검출수단과;

상기 채터진동검출수단으로부터 파악된 채터진동의 유무에 따라 선반의 회전수 , 절삭이송속도 및 절삭깊이를 조정하는 NC선반의 제어수단으로 구성되어 NC선반에서 발생하는 채터진동 감지장치.
제1항에 있어서,

상기 진동감지수단의 진동감지장치는 가속도계를 이용하여 공구대의 X축과 Z축상의 가속도를 측정하는 것을 특징으로 하는 NC선반에서 발생하는 채터진동 감지장치
제1항에 있어서,

회전수측정수단은 실시간으로 공구대의 회전수를 감지하는 타코메터로 구성되는 것을 특징으로 하는 NC선반에서 발생하는 채터진동 감지장치
제 1항에 있어서, 상기 채터진동검출수단은 진동주파수의 진폭(H)이 일정한 값을 가지는 경우 채터진동으로 판정하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 NC선반에서 발생하는 채터진동 감지장치
제1항에 있어서,

상기 기본회전주파수(fo)의 일정한 배수배(n)는 3, 1.5, 2/3, 1/2, 3/7, 3/10가 되는 것을 특징으로 하는 NC선반에서 발생하는 채터진동 감지장치
제4항에 있어서,

상기 진동주파수 진폭(H)의 일정한 값은 기본 회전주파수 진폭(Ho)의 5%이상이 되는 것을 특징으로 하는 NC선반에서 발생하는 채터진동 감지장치
공구대에 부착된 진동감지장치로부터 얻어진 데이터를 증폭시키는 증폭단계;

상기 증폭된 데이터를 고속후리에변환시키고 상기 후리에변환된 데이터를 캡스트럼변환하여 진동주파수(f)를 얻어내는 데이터분석단계;

주축대의 회전을 회전수측정장치에 의하여 회전주파수를 실시간으로 얻어내는 회전수측정단계;

상기 회전수측정단계에서 얻어진 회전수를 변환시킨 기본회전주파수(fo)의 일정한 배수배(n)에 캡스트럼분석에서 얻어진 진동주파수(f)가 일치되면 채터진동으로 판정하는 채터진동검출단계;

상기 채터진동검출단계에서 얻어진 자료로부터 채터진동임이 판별되면 주축대의 회전수, 절삭깊이, 이송속도를 변화시키는 NC선반제어단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 NC선반에서 발생하는 채터진동감지방법.
제7항에 있어서,

상기 채터진동검출단계는 진동주파수의 진폭(H)이 일정한 값을 가지는 경우 채터진동으로 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 NC선반에서 발생하는 채터진동감지방법.
제7항에 있어서,

상기 기본회전주파수(fo)의 일정한 배수배(n)는 3, 1.5, 2/3, 1/2, 3/7, 3/10가 되는 것을 특징으로 하는 NC선반에서 발생하는 채터진동 감지방법.
제8항에 있어서,

상기 진동주파수 진폭(H)의 일정한 값은 기본 회전주파수(fo) 진폭(Ho)의 5%이상이 되는 것을 특징으로 하는 NC선반에서 발생하는 채터진동 감지방법.