KR101015058B1 - 공작기계의 채터진동 보상장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공작기계의 구동 중 발생되는 채터진동을 실시간으로 감지하여 이를 보상함으로써 보다 빨리 채터진동을 보상함을 물론 보다 정밀한 가공물을 생산할 수 있는 채터진동 보상장치에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 공작기계의 채터진동 보상장치는 콘트롤러의 제어에 의해 구동되는 공작기계의 채터진동을 감지하여 보상하는 채터진동 보상장치에 있어서, 상기 공작기계에 설치되어 공작기계의 채터진동을 감지하는 센서와 ; 상기 센서로부터 감지된 채터진동에 따라 보상값을 산출하는 채터보상기를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

공작기계, 채터진동, 센서, 채터보상기, 실효값추출기, 디지털필터

Description

공작기계의 채터진동 보상장치{Apparatus for compensation of chatter vibration in machine tools}

본 발명은 채터진동 보상장치에 관한 것으로써, 상세하게는 공작기계의 구동 중 발생되는 채터진동을 실시간으로 감지하여 이를 보상함으로써 보다 빨리 채터진동을 보상함을 물론 보다 정밀한 가공물을 생산할 수 있는 채터진동 보상장치에 관한 것이다.

공작기계를 이용한 가공시 열변형 다음으로 가공정밀도에 큰 영향을 미치는 것이 채터진동(chatter vibration)이다.

채터진동은 공작기계를 이용한 가공 과정에서 소재와 공구사이에 나타나는 급격한 상대진동으로 이러한 진동은 가공 소재 품질에 심각한 영향을 미치는 요소일 뿐만 아니라 가공 툴(tool)과 기계에 손상을 유발시키는 원인으로 작용한다.

따라서 가공성과 안정성을 확보하기 위해서는 채터진동은 반드시 제거되어야 하여야 한다. 이러한 공작기계의 가공시 발생하는 채터진동은 특정한 절삭조건에서 발생한다. 즉, 가공기계의 구동속도나 이동속도, 절삭깊이 등을 조절함에 의해 채터진동을 줄일 수 있다.

따라서, 공작기계는 이러한 채터진동을 보상하기 위하여 채터진동 예측모델 및 이송속도 및 회전속도 조절을 위한 기능을 컨트롤러인 CNC(Computerized Numerical Controller)를 실장하여 사용하고 있다.

이러한 채터진동을 줄이는 기존의 채터진동 보상 방법은 공작기계에 가공물을 물려놓은 후 여러 가공조건으로 실험을 수행할 때 작업자의 시각적인 정보즉, 육안(肉眼)으로 가공시 공구가 심하게 떨리는지를 판단하고 이를 DB화해서 다음의 가공 수행시 채터진동이 일어나지 않도록 하는 가공조건 검사 방법과, 육안(肉眼)을 대신하여 가속도 센서로 데이터를 획득하고 이를 분석하여 각 가공조건에 대한 채터진동의 유무를 분류하여 다음 작업시 채터진동이 일어나지 않도록 가공조건을 선정하는 방법이 사용되고 있다.

그러나 이러한 채터진동 조정 방법은 실시간 보상의 개념이 아니어서 미리 가공전에 충분한 실험 데이터를 확보한 후 이 실험 데이터를 근거로 채터진동을 보상하여야 하므로 채터진동의 보상에 많은 시간과 노력이 소요되는 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로써, 가공 과정에서 발생되는 채터진동을 실시간에 감지하고, 채터진동 발생시 동적으로 가공조건을 변화시킬 수 있도록함으로써 보다 능동적으로 채터진동을 보상할 수 있는 채터진동 보상장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 본 발명의 공작기계의 채터진동 보상장치는 콘트롤러의 제어에 의해 구동되는 공작기계의 채터진동을 감지하여 보상하는 채터진동 보상장치에 있어서, 상기 공작기계에 설치되어 공작기계의 채터진동을 감지하는 센서와 ; 상기 센서로부터 감지된 채터진동에 따라 보상값을 산출하는 채터보상기를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명은 공작기계의 구동 중 발생되는 채터진동을 실시간으로 감지하여 이를 보상함으로써 보다 빨리 채터진동을 보상함을 물론 보다 정밀한 가공물을 생산할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 공작기계의 채터진동 보상장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 공작기계의 채터진동 보상장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 공작기계의 채터진동 보상장치에 구성된 채터보상기의 구성도이고, 도 3은 센서의 위치를 도시한 것이고, 도 4는 본 발명에 따른 공작기계의 채터진동 보상장치를 이용한 공작기계의 제어과정을 도시한 흐름도이다.

도시한 바와 같이 본 발명에 따른 공작기계의 채터보장장치는 콘트롤러(3)의 제어에 의해 구동되는 공작기계(100)의 채터진동을 감지하여 보상하는 채터진동 보상장치에 있어서, 상기 공작기계(100)에 설치되어 공작기계의 채터진동을 감지하는 센서(1)와 ; 상기 센서(1)로부터 감지된 채터진동에 따라 보상값을 산출하는 채터 보상기(2)를 포함하여 구성된다.

상기 센서(1)는 공작기계의 공구툴에 설치되어 공구툴의 채터링을 감지하기 위한 수단으로 공구툴의 수평진동은 물론 상하진동을 감지한다.

상기 센서(1)는 가속도센서를 이용할 수 있으며, 공구툴의 진동에 따른 속도를 감지하며, 도 3에 도시한 바와 같이, 수평진동을 감지하기 위해서는 X축변위를 감지하기 위한 센서(1x)와, Y축변위를 감지하기 위한 센서(1y)를 구비하고 있으며, 상하진동을 감지하기 위해서는 Z축변위를 감지하는 센서(1z)를 구비하고 있다.

상기 센서(1)에서 감지된 신호는 도 1에 도시한 바와 같이 신호증폭기(4)에 의해 증폭된 상태로 채터보상기(2)로 전달된다.

이렇게 감지된 신호를 신호증폭기(4)로 증폭하여 전송함으로써 감지된 신호가 외부의 노이즈에 의해 변형되는 것을 방지할 수 있다.

상기 센서(1)에서 감지된 신호는 상기 채터보상기(2)에 의해 연산되어 채터보상기에 기 입력된 기준값과 비교하여 채터진동의 발생여부를 판단하고 채터진동이 발생되었을 때에는 공작기계가 채터진동을 일으키지 않는 상태로 작동할 수 있는 조건인 보상값을 산출하여 상기 콘트롤러(3)에 제어신호를 전송하여 공작기게의 공구툴의 회전속도나 이송속도 또는 절삭깊이를 조절하여 채터진동이 발생되지 않게 한다.

상기 채터보상기(2)와 콘트롤러(3)는 통신수단으로 연결되어 채터보상기(2)에서 전송되는 신호에 의해 콘트롤러(3)의 제어가 이루어질 수 있으며, 통신방식으로는 유선통신보다는 무선통신방식을 이용함으로써 채터보상기(2)와 콘트롤러(3) 사이에 통신선을 연결하는 번거로움과 통신선의 배선에 따른 복잡함을 해소하였다.

이렇게 상기 채터보상기(2)와 콘트롤러(3)를 무선통신으로 연결하기 위해 상기 상기 채터보상기(2)와 콘트롤러(3)에는 무선통신모듈(2a, 3a)이 구비되어 있으며, 상기 무선통신모듈(2a, 3a)은 채터보상기(2)와 콘트롤러(3) 사이의 거리가 멀지 않음으로 블루투스모듈로 사용할 수 있다.

상기한 바와 같이 상기 채터보상기(2)는 센서(10에서 감지된 신호로부터 공구툴의 채터진동여부를 판단하고 채터진동이 발생한 경우 보상값을 출력하여 콘트롤러(3)가 보상된 값으로 공작기계를 제어할 수 있게 하기 위한 수단으로 A/D변환기(21)와, 디지털필터(22)와, 실효값추출기(23) 및 보상프로세서(24)를 포함하여 구성된다.

상기 A/D변환기(21)는 상기 센서(1)로부터 감지된 아날로그 신호를 디지털신호로 변환하는 수단이고, 상기 디지털필터(22)는 기 설정된 주파수 대역의 신호를 검출하기 위한 수단으로서 상기 A/D변환기에서 출력되는 신호를 주파수 분리하기 위한 것이며, 상기 실효값추출기(RMS)(23)는 필터링된 신호의 에너지레벨을 산출하기 위해 제곱 평균(Root Mean Square)하여 실효값을 추출하는 수단이다.

상기 보상프로세서(24)는 기 설정된 기준값 즉, 채터진동 여부를 판단하기 위한 기준 에너지레벨과 검출된 신호의 에너지레벨을 비교하여 채터진동 여부를 판단하고, 채터진동이 발생하였을 때에는 보상된 제어신호를 상기 콘트롤러(3)에 전송하는 역할을 한다.

상기 보상프로세서(24)는 프로그램으로 구성될 수 있으며, 이는 컴퓨터 수치 제어(CNC : computerized numerical control)로 구성될 수 있다.

상기와 같이 구성된 공작기계의 채터진동 보상장치에 있어서, 이송속도 및 회전속도는 아래와 같은 시스템 변수를 통해 입출력이 가능하다.

$AC_OVR : 패스 오버라이드

S : 스핀들 스피드

프로그래밍의 로직은 아래와 같이 일정한 가공패턴을 반복하는 NC 프로그램으로 작성되고, 가공중 Spindle Speed, Axis Feedrate 절환을 위해 “Synchronized action" 기능을 사용하였으며, NC 프로그램의 Spindle speed, Axis Feedrate 관련 링크변수를 직접제어. 링크변수의 변화가 있을 때에는 가공에 즉시 적용할 수 있게 하였다.

도 1은 본 발명에 따른 공작기계의 채터진동 보상장치의 구성도이고,

도 2는 본 발명의 공작기계의 채터진동 보상장치에 구성된 채터보상기의 구성도이고,

도 3은 센서의 위치를 도시한 것이고,

도 4는 본 발명에 따른 공작기계의 채터진동 보상장치를 이용한 공작기계의 제어과정을 도시한 흐름도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1, 1x, 1y, 1z : 센서

2 : 채터보상기

2a, 3a : 통신모듈

21 : A/D변환기

22 : 디지털필터

23 : 실효값추출기

24 : 보상프로세서

3 : 콘트롤러

4 : 신호증폭기

Claims (6)

1. 채터 진동 보상기능을 구비한 콘트롤러(3)의 제어에 의해 구동되는 공작기계(100)의 채터진동을 감지하여 보상하는 채터진동 보상장치에 있어서,

   상기 공작기계(100)에 설치되어 공작기계의 채터진동을 감지하는 가속도센서인 센서(1)와, 상기 센서(1)로부터 감지된 채터진동에 따라 보상값을 산출하는 채터보상기(2)와,상기 센서(1)의 출력단에 설치되어 센서의 출력신호를 증폭하는 신호증폭기(4)를 포함하여 구성하되,

   상기 채터보상기(2)는

   상기 센서(1)로부터 감지된 아날로그 신호를 디지털신호로 변환하는 A/D변환기(21)와 ;

   기 설정된 주파수 대역과 비교하여 감지된 신호의 채터진동 여부를 판단할 수 있도록 상기 A/D변환기에서 디지털신호로 변환된 신호를 필터링하는 디지털필터(22)와 ;

   필터링된 신호의 에너지레벨을 산출하기 위해 제곱 평균(Root Mean Square)하여 실효값을 추출하는 실효값추출기(RMS)(23)와 ;

   기 설정된 기준값과 검출된 신호의 에너지레벨을 비교하여 채터진동 여부를 판단하고, 채터진동이 발생하였을 때에는 보상된 제어신호를 상기 콘트롤러(3)에 전송하는 보상프로세서(24)로 구성됨을 특징으로 하는 공작기계의 채터진동 보상장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 채터보상기(2)와 콘트롤러(3)에는 무선통신모듈(2a, 3a)을 구비함을 특징으로 하는 공작기계의 채터진동 보상장치.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 센서(1)는 X축변위를 감지하는 센서(1x)와, Y축변위를 감지하는 센서(1y)와, Z축변위를 감지하는 센서(1z)임을 특징으로 하는 공작기계의 채터진동 보상장치.

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