KR101472890B1 - 채터진동 검출방법 및 채터진동 회피방법, 그리고 공작기계 - Google Patents

채터진동 검출방법 및 채터진동 회피방법, 그리고 공작기계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 워크 가공시의 공구(4)의 진동 데이터를 소정의 샘플링 주기(Δt)로 취득하고, 취득한 시계열의 진동 데이터에 근거하여, 절삭날(4a, 4b)이 복수회 워크(W)에 접촉하는데에 필요한 시간만큼의 자기상관계수(Rxx')를 산출하는 동시에, 산출한 자기상관계수(Rxx')의 특성의 주기(Tx)를 산출하여, 절삭날(4a, 4b)이 워크(W)에 접촉할 때의 접촉 주기(T1)가 산출한 주기(Tx)의 정수배가 아닐 때, 채터진동의 발생으로 판정한다.

Description

채터진동 검출방법 및 채터진동 회피방법, 그리고 공작기계{Chatter Vibration Detection Method, Chatter Vibration Avoidance Method, and Machine Tool}
본 발명은 워크를 가공할 때에 발생하는 채터진동, 특히 재생 채터라고 불리는 채터진동을 검출하는 채터진동 검출방법 및 채터진동을 회피하는 채터진동 회피방법, 그리고 공작기계에 관한 것이다.
종래부터 회전주축에 장착된 공구를 워크에 대하여 상대이동시켜서 워크를 가공하는 공작기계에 있어서, 가공 중에 발생하는 채터진동을 억제하도록 한 장치가 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1을 참조). 이러한 특허문헌 1에 개시된 장치에서는, FFT 연산장치에 있어서 진동가속도의 푸리에 해석을 행하고, 푸리에 해석에 의하여 산출된 각 최대가속도와 미리 설정된 기준값을 비교하여, 어느 하나의 최대가속도가 기준값을 넘은 경우, 억제해야 할 채터진동이 발생하고 있다고 판정한다.
(특허문헌)
특허문헌 1: 일본공개특허공보 2008-290164호
하지만, 상기 특허문헌 1에 개시된 장치는, 푸리에 해석을 행함으로써 채터진동의 발생을 판정하므로, 많은 데이터가 필요하다. 그 때문에, 예를 들어 1초 정도의 긴 데이터 샘플링 시간이 필요하게 되어, 가공 중의 채터진동의 발생을 즉시 검출 및 회피하는 것이 어렵다.
본 발명은, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은, 거의 실시간으로 채터진동을 검출하여, 그 진동을 신속하게 회피하는 것이다.
본 발명은, 절삭날을 가지는 공구를 회전주축에 장착하고, 이 공구를 워크에 대하여 상대이동시켜서 워크를 가공하였을 때에 발생하는 채터진동을 검출하는 채터진동 검출방법으로서, 워크 가공시의 공구의 진동과 상관관계를 가지는 진동 데이터를 소정의 샘플링 주기로 취득하는 데이터 취득순서와, 데이터 취득순서에 의하여 취득한 시계열의 진동 데이터에 근거하여, 절삭날이 복수회 워크에 접촉하는데에 필요한 시간만큼의 자기상관함수를 산출하는 동시에, 산출한 자기상관함수의 특성의 주기 또는 진동수를 산출하는 산출순서와, 절삭날이 워크에 접촉하는 접촉주기가, 산출순서에 의하여 산출된 주기의 정수배가 아닐 때, 또는 산출순서에 의하여 산출된 진동수가, 공구의 날수와 회전주축의 회전속도의 곱의 정수배가 아닐 때, 채터진동의 발생으로 판정하는 판정순서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 채터진동 회피방법은, 상술한 판정순서에 의하여 채터진동의 발생으로 판정하였을 때, 절삭날의 접촉주기와 산출순서에 의하여 산출된 주기로부터 구해지는 위상차, 또는 공구의 날수 및 회전주축의 회전속도의 곱과 산출순서에 의하여 산출한 진동수로부터 구해지는 위상차를 산출하고, 산출한 위상차에 근거하여 회전주축의 회전속도를 소정 비율로 증감하며, 산출한 위상차가 거의 0이 될 때까지 회전주축의 회전속도의 증감을 반복하는 회전속도 증감순서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 본 발명은 절삭날을 가지는 공구가 회전주축에 장착되고, 이 공구가 워크에 대하여 상대이동되어 워크를 가공하는 공작기계로서, 워크 가공시에서의 공구의 진동과 상관관계를 가지는 진동 데이터를 소정의 샘플링 주기로 취득하는 데이터 취득수단과, 데이터 취득수단에 의하여 취득된 시계열의 진동 데이터에 근거하여, 절삭날이 복수회 워크게 접촉하는데에 필요한 시간만큼의 자기상관함수를 산출하는 동시에, 산출된 자기상관함수의 특성의 주기 또는 진동수를 산출하는 산출수단과, 절삭날이 워크에 접촉하는 접촉주기가, 산출수단에 의하여 산출된 주기의 정수배가 아닐 때, 또는 산출수단에 의하여 산출된 진동수가, 공구의 날수와 회전주축의 회전속도의 곱의 정수배가 아닐 때, 채터진동의 발생으로 판정하는 판정수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서의 내용 중에 포함되어 있음.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 공작기계의 개략구성을 나타내는 도면이다.
도 2의 (a)는 안정한계선도의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2의 (b)는 안정한계선도의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 절삭 중의 워크 가공면을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1의 공작기계의 제어구성을 나타내는 블록도이다.
도 5의 (a)는 채터진동이 발생하고 있지 않은 경우의 진동 데이터의 파형의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5의 (b)는 채터진동이 발생하고 있는 경우의 진동 데이터의 파형의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 (b)의 진동 데이터로부터 얻어지는 자기상관계수를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 4의 제어장치로 실행되는 처리의 일례를 나타내는 플로차트이다.
도 8은 위상차의 다른 산출방법을 설명하는 도면이다.
이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 실시형태를 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 공작기계(10)의 개략구성을 나타내는 도면이며, 일례로서 입형의 머시닝센터를 나타내고 있다.
베드(1) 상에 컬럼(2)이 세워 설치되고, 컬럼(2)에는 직선 이송기구를 통하여 주축헤드(3)가 상하방향(Z방향)으로 승강 가능하게 지지되어 있다. 주축헤드(3)에는, 회전주축을 통하여 아래쪽으로 절삭용 공구(4)가 장착되어 있다. 공구(4)는, 예를 들어 둘레방향 대칭위치에 2장의 절삭날(제 1 절삭날(4a)과 제 2 절삭날(4b))을 가지는 엔드밀이며, 주축헤드(3) 내의 스핀들 모터에 의하여 회전구동된다. 베드(1) 상에는, 직선 이송기구를 통하여 수평방향(Y방향)으로 이동 가능하게 새들(5)이 지지되고, 새들(5) 상에는 직선 이송기구를 통하여 Y방향과 직교하는 수평방향(X방향)으로 이동 가능하게 테이블(6)이 지지되어 있다. X방향, Y방향 및 Z방향의 직선 이송기구는, 예를 들어 볼나사와 볼나사를 회전 구동하는 서보 모터에 의하여 각각 구성된다.
이상의 구성에 의하여, 워크(W)에 대하여 공구(14)가 X, Y, Z방향으로 상대이동하여 워크(W)가 가공된다. 한편, 이하에서는 주축헤드(3) 내의 스핀들 모터를 주축용 모터, 주축헤드(3)를 Z방향으로 이동시키는 모터를 Z축용 모터, 새들(5)을 Y방향으로 이동시키는 모터를 Y축용 모터, 테이블(6)을 X방향으로 이동시키는 모터를 X축용 모터라고 각각 칭한다. 이들 각 모터는, 공작기계(10)에 설치된 후술하는 제어장치(30)에 의하여 제어된다.
이와 같은 공작기계(10)에 있어서는, 워크(W)의 절삭량을 크게 하면, 가공 중에 채터진동이 발생하여 가공면의 품질이 저하되는 것뿐만 아니라, 회전주축이나 공구(4)의 내구성 등에도 악영향을 미칠 우려가 있다. 채터진동의 대표적인 것으로는, 공구(4)와 워크(W) 사이에 발생하는 자려(自勵)진동의 일종인 재생 채터진동과, 공구(4)를 가지는 공작기계(10)가 진동원이 되는 강제 채터진동이 있다. 이 중, 특히 재생 채터진동은, 주축의 회전속도(S)와 절삭 깊이(z)로 정해지는 동작 포인트가, 공작기계(10)와 공구의 조합으로 정해지는 안정한계선도의 아래쪽에 존재하면 억제할 수 있다.
도 2의 (a), (b)는, 안정한계선도의 일례를 나타내는 도면이다. 도면 중에 안정한계선도보다 아래쪽이 안정 영역, 위쪽이 불안정 영역이다. 안정한계선도에는, 도시한 바와 같이 안정한계가 부분적으로 높아지는 복수의 피크 영역(안정포켓)이 존재한다. 따라서, 동작 포인트가 불안정 영역에 있는 경우, 주축의 회전속도(S) 또는 절삭 깊이(z)를 변경하여, 동작 포인트를 안정 포켓의 안쪽으로 이동시키면, 채터진동의 발생을 억제하면서 효율적으로 워크(W)를 가공할 수 있다. 예를 들어, 동작 포인트가 도 2의 (a)의 P2인 경우, 절삭 깊이를 설정값(z1)으로 유지하면서, 주축의 회전속도를 증속하여 동작 포인트를 P2'로 이동시키면, 채터진동없이 가공 효율을 떨어뜨리지 않고 양호하게 워크(W)를 가공할 수 있다.
그런데, 채터진동의 검출에는, 진동 데이터를 FFT 해석하여 채터진동 주파수를 산출하는 방법이 있다. 하지만, 이러한 방법에서는, 주파수 분해능을 높이기 위하여 긴 샘플링 시간이 필요하게 된다. 예를 들어, 주축회전속도가 30000min-1에 있어서 진동해석을 행하는 경우, 주축회전속도의 분해능으로서 최저 60min-1이 필요하다고 하면, 주파수 분해능은 1Hz가 되어, 1초의 샘플링 시간이 필요하게 된다. 그 때문에, 채터진동을 검출하여 회피할 때까지 최저 1초가 걸려서, 그 동안의 가공동작에 의하여 워크 가공면의 품질이 손상된다. 이것을 방지하기 위해서는, 샘플링 시간을 짧게 하여 채터진동을 가급적 빨리 검출할 필요가 있다.
여기에서, 채터진동의 발생 메커니즘에 대하여 설명한다. 도 3은, 절삭 중의 워크 가공면을 모식적으로 나타내는 도면이고, 도면의 오른쪽에는 채터진동이 없는 경우 및 있는 경우의 A부 확대도를 각각 나타내고 있다. 도면 중에 Wa는 제 1 절삭날(4a)의 이동궤적, Wb는 제 2 절삭날(4b)의 이동궤적이고, Wa와 Wb 사이의 두께가 제 1 절삭날(4a)에 의한 절삭 후에 제 2 절삭날(4b)에 의하여 절삭되는 절삭 두께(h)에 상당한다.
각 절삭날(4a, 4b)의 이동궤적(Wa, Wb)은, 미시적으로 보면 요철로 변동된다. 이 때문에, 이동궤적(Wa, Wb)의 파형에 위상차가 없으면, 절삭 두께(h)는 일정해진다. 이 경우에는, 절삭 부하가 일정해지기 때문에, 채터진동은 발생하지 않는다. 이에 대하여, 이동궤적(Wa, Wb)의 파형에 위상차가 있으면, 절삭 두께(h)가 변하므로, 절삭 부하가 변동되어, 이에 의하여 채터진동이 발생한다. 위상차는 워크 가공면에 절삭날이 4회 접촉하는 것만큼의 진동 데이터가 있으면 구할 수 있다. 이 점을 고려하여, 본 실시형태에서는 이하와 같이 적은 데이터 샘플링수로 단시간에서의 채터진동의 검출을 가능하게 한다.
도 4는 본 실시형태에 따른 채터진동 검출방법 및 채터진동 회피방법을 실행하는 공작기계(10)의 제어구성을 나타내는 블록도이다. 제어장치(30)에는, 워크 가공에 관한 각종 정보를 입력하는 입력장치(21)와, 주축의 직경방향의 축변위를 검출하는 변위 센서(22)가 접속되어 있다. 제어장치(30)에서는, 이들 입력장치(21) 및 변위 센서(22)로부터의 신호를 판독하여, 미리 정해진 소정의 가공 프로그램을 실행하고, 공작기계(10)에 설치된 주축용 모터(25), X축용 모터(26), Y축용 모터(27) 및 Z축용 모터(28)를 제어한다.
입력장치(21)는 조작 패널이나 키보드 등에 의하여 구성되고, 입력장치(21)를 통하여 절삭 깊이의 설정값(z1)이나 주축회전속도(S)의 설정값(S1), 데이터 샘플링 주기, 워크(W)의 가공개시지령 등이 입력된다. 변위 센서(22)는, 예를 들어 주축의 X방향의 축변위(dx) 및 Y방향의 축변위(dy)를 검출하는 2개의 와전류식 변위 센서에 의하여 구성된다.
도 5의 (a), (b)는, 각각 공구(4)를 워크(W)에 대하여 X방향으로 상대이동시켰을 때, 변위 센서(22)에 의하여 얻어진 X방향의 축변위(dx)의 일례이고, 시계열의 진동 데이터의 특성을 나타내는 도면이다. 특히, 도 5의 (a)는 채터진동이 발생하지 않은 경우의 진동 데이터의 파형을, 도 5의 (b)는 채터진동이 발생하고 있는 경우의 진동 데이터의 파형을 각각 나타내고 있다. 도면 중에 T0는 주축의 회전주기이고, T0 내의 진동 데이터는 제 1 절삭날(4a)과 제 2 절삭날(4b)이 각 1회씩 워크(W)에 접촉하였을 때에 얻어지는 진동 데이터에 상당한다.
도 5의 (a), (b)에 나타내는 진동 데이터는, 도 3의 이동궤적(Wa, Wb)에 대응하여 주기적으로 변동하고 있다. 이러한 진동 데이터의 주기성은, 자기상관함수를 사용하여, 현재의 진동 데이터와 이 진동 데이터를 지연시간(τ)만큼 어긋나게 한 진동 데이터와의 상관값(지가상관함수(Rxx))을 연산함으로써 평가할 수 있다. 도 6은 도 5의 (b)의 진동 데이터로부터 구해진 자기상관함수(Rxx)의 특성을 나타내는 도면이다. 한편, 도면에서는 데이터의 취급을 용이하게 하기 위하여, 자기상관함수(Rxx)를 표준편차를 사용하여 평균, 분산화 처리하고, -1과 +1 사이에 모든 데이터가 포함되도록 자기상관계수(Rxx')로 변환하고 있다.
자기상관계수(Rxx')는, 지연시간(τ)이 0일 때에는 1이고, 지연시간(τ)의 증가에 따라서 증감을 반복하여, 극대값과 극소값을 가지는 주기(Tx)의 파형(이하, 이것을 자기상관파형(g)이라고 함)을 나타내고 있다. 도면 중에 T1은 주축회전속도(S)와 공구날수(C)(여기에서는 2)의 곱의 역수(1/C·S), 즉 절삭날이 워크(W)에 접촉하는 주기(T1(=T0/C))이다. 여기에서, 가령 자기상관파형(g)의 극대값이 접촉주기(T1)에 일치하고 있는 경우, 발생하고 있는 것은 절삭날이 워크(W)에 접촉함으로써 생기는 강제진동이고, 재생 채터진동은 발생하지 않는다.
이에 대하여, 자기상관파형(g)의 극대값과 접촉주기(T1)와의 사이에 도시한 바와 같이 오차(위상차(ε))가 발생하면, 절삭 두께(h)에 편차가 생겨서 채터진동이 발생한다. 이러한 경우, 도 2의 (a)에 나타내는 바와 같이 절삭 깊이(z)가 안정 포켓의 극대값 이하이면, 위상차(ε)가 0이 되도록 주축회전속도(S)를 증감시킴으로써, 채터진동의 발생을 억제할 수 있다. 이상의 점을 고려하여, 본 실시형태에서는 도 4의 제어장치(30)를 구성한다.
제어장치(30)는, CPU, ROM, RAM, 그 밖의 주변회로 등을 가지는 연산처리장치를 포함하여 구성되고, 기능적 구성으로서 데이터 취득부(31)와, 산출부(32)와, 판정부(33)와, 모터 제어부(34)를 가진다. 데이터 취득부(31)에서는, 소정의 샘플링 주기로 변위 센서(22)로부터의 진동 데이터를 취득한다. 산출부(32)에서는, 데이터 취득부(31)에서 취득한 시계열의 진동 데이터로부터 자기상관계수(Rxx')를 산출하고, 그 자기상관파형(g)의 주기(Tx)를 산출한다. 판정부(33)에서는 산출부(32)에서 산출한 주기(Tx)를 이용하여 위상차(ε)를 산출하고, 위상차(ε)에 근거하여 채터진동 발생의 유무를 판정한다. 모터 제어부(34)에서는 판정부(33)에서 채터진동의 발생으로 판정되었을 때, 위상차(ε)가 0이 되도록 주축용 모터(25) 및 X축용 모터(26)를 제어한다.
이하, 제어장치(30)에서의 구체적인 처리에 대하여 설명한다. 도 7은 제어장치(30)에서 실행되는 처리의 일례를 나타내는 플로차트이다. 이러한 플로차트에 나타내는 처리는, 예를 들어 입력장치(21)로부터 워크(W)의 가공개시지령이 입력되면 개시된다. 제어장치(30)에는, 미리 주축회전속도의 설정값(S1), 절삭 깊이의 설정값(z1), 샘플링 주기(Δt), 데이터 샘플수(N) 등이 설정되어 있다. 한편, N은 채터진동의 판정에 필요한 데이터 샘플수이고, 절삭날이 워크(W)에 4회 접촉하는 만큼의 샘플수가 필요하다. 본 실시형태와 같이 공구날수(C)가 2이면, 주축의 2회전만큼의 진동 데이터가 있으면 된다. 제어장치(30)에는 미리 계측된 주축의 무부하 회전시의 진동 데이터가 저장되어 있다.
단계 S1에서는, 모터(25~29)에 제어신호를 출력하고, 미리 정해진 설정조건으로 워크의 가공을 개시한다. 즉, 설정회전속도(S1)로 주축을 회전시키는 동시에, 공구(4)를 설정 절삭 깊이(z1)의 가공개시위치에서 X방향으로 가공 프로그램으로 설정된 이송속도(V)로 상대이동시킨다.
단계 S2에서는, 변위 센서(22)로부터의 신호를 판독하여, 소정의 샘플링 주기(Δt)로 진동 데이터를 취득한다. 단계 S3에서는, 이러한 진동 데이터로부터 미리 저장된 주축의 무부하 회전시의 진동 데이터를 빼서 진동 데이터를 보정한다. 이러한 보정을 행함으로써, 주축의 흔들림에서 기인하는 진동성분이 취소되어, 이후의 연산결과의 신뢰성이 향상된다.
단계 S4에서는, 자기상관함수를 사용하여, 보정 후의 현재의 진동 데이터에 대한 자기상관함수(Rxx)를 다음 식(I)에 의하여 산출한다.
Figure 112013019192246-pct00001
상기 식(I)은, 이산함수로서의 자기상관함수를 나타내는 식이고, m은 자기상관함수를 연산할 때의 시프트 시간을 의미하며, 연속함수의 지연시간(τ)(도 6)에 상당한다.
단계 S5에서는, 자기상관함수(Rxx)를 다음 식(II)에 의하여 표준편차를 이용하여 평균, 분산화 처리하고, Rxx를 자기상관계수(Rxx')로 변환한다.
Figure 112013019192246-pct00002
단,
Figure 112013019192246-pct00003
단계 S6에서는, 자기상관계수(Rxx')의 자기상관파형(g)의 주기(Tx)를 산출한다. 이 경우, 자기상관계수(Rxx')가 소정값(Ra)(예를 들어 0.5) 이상의 피크점(극대값)을 추출하고, Rxx'=1인 시점부터의 시간간격(도 6), 또는 피크점 사이의 시간간격을 산출하면 된다. 한편, 소정값(Ra)은 미리 실험 등에 의하여 정해지며, 0.6이나 0.7로 하여도 된다.
단계 S7에서는, 다음 식(III)에 의하여 접촉주기(T1)와 주기(Tx)의 위상차(ε)(도 6)를 산출한다.
Figure 112013019192246-pct00004
즉, 접촉주기(T1)(=1/C·S)를 주기(Tx)로 나눈 값(1/(C·S·Tx))으로부터 그 정수부분을 감산하고, 다시 1을 감산한 것에 360을 곱한다. 여기에서 산출한 위상차(ε)는, 항상 마이너스의 각도(deg)가 된다.
단계 S8에서는, 위상차(ε)에 근거하여, 단계 S9 이후의 주축회전속도의 증감에 의하여 회피할 수 있는 채터진동이 발생하고 있는지 아닌지를 판정한다. 즉, 위상차(ε)가 거의 0°또는 거의 -360°인지 아닌지를 판정한다. 보다 구체적으로는, ε가 소정값(ε0)(예를 들어 -5°) 이하 또는 소정값(ε1)(예를 들어 -355°) 이상일 때, 재생 채터진동이 발생하고 있다고 하고 단계 S9로 진행한다. ε0이나 ε1의 값은 실험에 의하여 적정값을 구한다.
단계 S9에서는 위상차(ε)가 -180°이상인지 아닌지를 판정한다. 단계 S9가 긍정되면 단계 S10으로 진행하고, 부정되면 단계 S12로 진행한다.
단계 S10에서는 주축용 모터(25)에 제어신호를 출력하고, 주축의 회전속도(S)를 감속시킨다. 이에 따라 접촉주기(T1)가 증가하고, 위상차(ε)가 0°에 가까워진다. 이 경우, 위상차(ε)에 따라서 회전속도(S)의 감속량을 변경하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 위상차(ε)가 -180°이상이며 -150°미만일 때, 설정회전속도(S1)의 5%만 감속시키고, 위상차(ε)가 -150°이상이며 -5°미만일 때, 설정회전속도의 3%만 감속시킨다. 이와 같이 위상차(ε)의 크기에 따라서 주축회전속도의 변화율을 바꾸는 것은, 빠르게 채터진동을 회피할 수 있는 주축회전속도에 수속시키기 위해서이다.
단계 S11에서는, X축용 모터(26)에 제어신호를 출력하고, 회전속도(S)의 감속 전후에서 절삭날 1날당 이송이 일정해지도록 회전속도(S)의 감속에 따라서 이송속도(V)도 감속시킨다. 단계 S11이 종료되면 단계 S2로 되돌아가서 같은 처리를 반복한다.
한편, 단계 S12에서는 주축용 모터(25)에 제어신호를 출력하고, 주축의 회전속도(S)를 증속시킨다. 이에 따라 접촉주기(T1)가 감소하여 위상차(ε)가 -360°에 가까워진다. 이 경우, 위상차(ε)에 따라서 회전속도(S)의 증속량을 변경하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 위상차(ε)가 -210°이상이며 -180°미만일 때, 설정회전속도(S1)의 5%만 증속시키고, 위상차(ε)가 -355°이상이며 -210°미만일 때, 설정회전속도의 3%만 증속시킨다.
단계 S13에서는, X축용 모터(26)에 제어신호를 출력하고, 회전속도(S)의 증속 전후에서 절삭날 1날당 이송이 일정해지도록 회전속도(S)의 증속에 따라서 이송속도(V)도 증속시킨다. 단계 S13이 종료되면 단계 S2로 되돌아가서 같은 처리를 반복한다.
단계 S8에서는 주축회전속도의 증감에 의하여 회피 가능한 재생 채터진동이 발생하고 있지 않다고 판정되면 단계 S14로 진행한다. 단계 S14에서는 강제 채터진동 또는 주축회전속도의 증감에 의하여 회피할 수 없는 재생 채터진동이 발생하고 있는지 아닌지를 판정한다. 예를 들어, 변위 센서(22)에 의하여 검출된 변위가 소정값을 넘고 있는 경우에, 강제 채터진동, 또는 주축회전속도의 증감에 의하여 회피할 수 없는 재생 채터진동이 발생하였다고 판정된다, 단계 S14가 긍정되면 단계 S15로 진행하고, 부정되면 단계 S2로 되돌아간다.
단계 S15에서는 X축용 모터(26)에 제어신호를 출력하고, 회전속도(S)를 유지한채로 이송속도(V)만을 소정량 감속시킨다. 이에 따라 절삭부하를 감속시키고, 즉 가진력을 감속시켜서 강제 채터진동을 회피하거나, 또는 주축회전속도의 증감에 의하여 회피할 수 없는 재생 채터진동을 회피한다. 단계 S15가 종료되면 단계 S2로 되돌아가서 같은 처리를 반복한다.
이상의 제어장치(30)에서의 동작을 정리하면 다음과 같이 된다. 우선, 워크 가공시의 변위 센서(22)로부터의 신호를 소정의 샘플링 주기(Δt)로 취득한다(단계 S2). 이어서, 취득한 시계열의 진동 데이터를 주축의 무부하 회전시의 진동 데이터로 보정하고(단계 S3), 보정 후의 진동 데이터에 근거하여 절삭날이 4회 워크(W)에 접촉하는데에 필요한 시간(T0)만큼의 자기상관함수(Rxx)를 산출한다(단계 S4). 즉, 진동 데이터의 주기성을 평가하기 위하여, 샘플수(N)의 진동 데이터를 사용하여, 현재의 진동 데이터에 대한 자기상관함수(Rxx)를 산출한다.
더욱이, 자기상관함수(Rxx)의 취급을 용이하게 하기 위하여, 자기상관함수(Rxx)를 평균, 분산화 처리하고, 모든 데이터가 -1~+1의 사이에 포함되도록 Rxx를 자기상관계수(Rxx')로 변환한 후(단계 S5), 이 자기상관계수(Rxx')의 특성(도 6의 자기상관파형(g))의 주기(Tx)를 산출한다(단계 S6). 이어서, 절삭날의 접촉주기(T1)와 주기(Tx)와의 위상차(ε)를 -360°~0°의 범위로 산출한다(단계 S7).
위상차(ε)가 거의 0°또는 거의 -360°일 때에는, 재생 채터진동은 발생하고 있지 않거나 주축회전속도의 증감에 의하여 회피할 수 없는 재생 채터진동이 발생하고 있다고 판정한다. 이에 대하여, 위상차(ε)가 0°및 -360°에서 예를 들어 5°이상 괴리되어 있을 때에는, 주축회전속도의 증감에 의하여 회피할 수 있는 재생 채터진동의 발생으로 판정한다. 이러한 경우, 위상차(ε)가 -180°이상일 때에는, 주축의 회전속도(S)를 감속한다. 이에 따라, 도 2의 (a)에 나타내는 바와 같이 동작 포인트(P1)가 P1'으로 이동한다(단계 S10). 위상차(ε)가 -180°보다 작으면 주축의 회전속도(S)를 증속한다. 이에 따라, 도 2의 (a)에 나타내는 바와 같이 동작 포인트(P2)가 P2'로 이동한다(단계 S12). 이와 같이 주축의 회전속도(S)를 증감시킴으로써, 동작 포인트가 안정한계선도의 안정 영역으로 이동하므로, 채터진동을 억제할 수 있어, 안정된 워크 가공동작을 실현할 수 있다. 이때, 주축의 회전속도(S)의 변경에 따라, 1날당 이송이 일정해지도록 이송속도(V)를 감속 또는 증속한다(단계 S11, 단계 S13). 이에 따라 절삭부하가 일정해지므로, 워크(W)의 완성면 품질 및 공구(4)에게 있어서 바람직한 가공동작이 가능해진다.
한편, 절삭 깊이의 설정값(z1)이 너무 큰 경우, 예를 들어 동작 포인트가 도 2의 (b)의 P3일 때에는, 주축회전속도의 증감에 의하여 회피할 수 없는 재생 채터진동의 발생 또는 강제 채터진동의 발생이 있는 것으로 하여, 주축의 회전속도(S)를 변경하지 않고 이송속도(V)를 감속한다(단계 S15). 이에 따라 공구(4)의 부하가 저감되므로, 절삭 깊이(z)를 작게 한 것과 마찬가지의 효과가 있어, 동작 포인트(P3)가 P3'으로 이동한다, 그 후, 주축의 회전속도(S)가 증속하여(단계 S12), 동작 포인트(P3')가 P3''으로 이동한다. 이에 따라 안정 영역에 있어서 채터진동을 억제하면서, 워크(W)를 가공할 수 있다.
본 실시형태에 따르면, 이하와 같은 작용효과를 나타낼 수 있다.
(1) 제어장치(30)에 있어서, 워크 가공시의 진동 데이터를 소정의 샘플링 주기로 취득하고(데이터 취득순서), 이렇게 취득한 시계열의 진동 데이터에 근거하여, 절삭날이 복수회 워크(W)에 접촉하는데에 필요한 시간만큼의 자기상관계수(Rxx')를 산출하는 동시에, 그 자기상관계수(Rxx')의 특성의 주기(Tx)를 산출하여(산출순서), 절삭날이 워크(W)에 접촉할 때의 접촉주기(T1)가 주기(Tx)의 정수배가 아닐 때, 주축회전속도의 증감에 의하여 회피할 수 있는 재생 채터진동의 발생으로 판정하도록 하였다(판정순서). 이에 따라 적은 데이터 샘플수(N)에서의 채터진동의 판정이 가능해져서, 채터진동이 발생한 후에 즉시 채터진동을 검출할 수 있다. 이 경우, 판정순서에서의 정수배는 엄밀한 의미에서의 정수배가 아니라, 위상차(ε)가 거의 0°또는 거의 -360°일 때(예를 들어 ±5°의 범위에 포함될 때)에 정수배이므로 제어가 안정적이다. 예를 들어, 주축회전속도 30000min-1, 공구날수 2, 샘플링 주기 0.1m초인 경우, 절삭날이 4회 워크(W)에 접촉하는데에 필요한 시간(회전주축이 2회전하는 시간)은 4m초이고, 그 동안의 데이터 샘플수는 40개 있다. 자기상관계수(Rxx')의 산출, 채터진동의 판정, 채터진동 회피의 주축회전 속도증감의 산출 등의 연산시간은 무시할 수 있다고 하면, 거의 실시간(4m초)으로 채터진동을 검출하여, 그 회피순서가 개시되게 된다. 종래의 푸리에 해석방식에 비하여 채터진동은 신속하게 회피된다.
(2) 제어장치(30)에 있어서 채터진동의 발생으로 판정하였을 때, 위상차(ε)가 0이 되도록, 즉 접촉주기(T1)가 자기상관계수에 의한 주기(Tx)의 정수배가 되도록 주축의 회전속도(S)를 증감시키도록 하였다(회전속도 증감순서). 이러한 주축회전속도의 증감은, 산출한 위상차에 따라서 소정의 비율씩 증감하는 동작을, 위상차가 거의 0이 될 때까지 반복하는 방법을 채용하고 있으므로, 미리 기계의 안정한계선도를 구해 두지 않아도, 채터진동을 즉시 회피할 수 있어, 워크 가공면의 품질 저하를 억제할 수 있다.
(3) 자기상관계수(Rxx')가 -1에서 1의 범위에 포함되도록 Rxx를 Rxx'로 변환하도록 하였으므로, 자기상관계수(Rxx')의 특성을 쉽게 파악할 수 있어, 주기(Tx)를 정밀하게 산출할 수 있다.
(4) 주축의 회전속도(S)를 증감할 때, 절삭날 1날당의 이송이 일정해지도록 회전속도(S)의 증감에 따라서 공구(4)의 이송속도(V)를 증감하도록 하였으므로, 절삭부하를 일정하게 할 수 있어, 워크(W) 완성면의 품질을 양호하게 하고, 공구(4)의 수명을 길게 할 수 있다.
(5) 변위 센서(22)에 의하여 얻어지는 진동 데이터를, 주축의 무부하 회전시의 진동 데이터로 보정하므로, 재생 채터진동의 발생을 정밀하게 판정할 수 있다.
한편, 상기 실시형태에서는, 식(III)에 의하여 위상차(ε)를 산출하도록 하였는데, 이것 대신에 다음 식(IV)에 의하여 위상차(ε)를 산출하도록 하여도 좋다.
Figure 112013019192246-pct00005
여기에서, δ는 도 8에 나타내는 바와 같이 자기상관계수(Rxx')의 특성에 있어서, 접촉주기(T1)에 대한 자기상관계수(Rxx')의 피크점의 지연시간에 상당한다.
상기 실시형태에서는, 워크 가공시의 변위 센서(22)로부터의 진동을 데이터 취득부(31)에 의하여 판독하여 진동 데이터를 취득하도록 하였는데, 공구(4)의 진동과 상관관계를 가지는 진동 데이터를 소정의 샘플링 주기(Δt)로 취득하는 것이라면 데이터 취득수단은 어떠한 것이어도 좋다. 예를 들어, 주축의 진동가속도나 절삭부하를 검출하거나, 가공음을 검출하여 그 검출값을 진동 데이터로 하여도 좋다. 산출부(32)에 있어서, 시계열의 진동 데이터의 자기상관함수(Rxx)를 산출하는 동시에, 이 자기상관함수(Rxx)를 소정의 변환식(II)에 의하여 변환하고, 변환 후의 자기상관계수(Rxx')의 자기상관파형(g)의 주기(Tx)를 산출하도록 하였는데, 변환식(II)을 이용하지 않고 주기(Tx)를 산출하도록 하여도 좋으며, 산출수단의 구성은 상술한 것으로 한정되지 않는다.
판정부(33)에 있어서, 절삭날이 워크(W)에 접촉할 때의 접촉주기(T1)가 자기상관계수(Rxx')에 의하여 구한 주기(Tx)의 정수배가 아닐 때, 채터진동의 발생으로 판정하도록 하였는데, 판정수단의 구성은 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 산출부(32)에서 자기상관계수(Rxx')의 진동수(f)를 산출하고, 그 진동수(f)가 공구날수(C)와 주축의 회전속도(S)와의 곱의 정수배가 아닐 때, 판정부(33)에서 채터진동의 발생으로 판정하도록 하여도 좋다. 채터진동의 발생으로 판정되었을 때, 모터 제어부(34)로부터 주축용 모터(25)로 제어신호를 출력함으로써, 접촉주기(T1)가 주기(Tx)의 정수배가 되도록 주축의 회전속도(S)를 증감시켰는데, 자기상관계수(Rxx')의 진동수(f)가 공구날수(C)와 주축의 회전속도(S)와의 곱의 정수배가 되도록 주축의 회전속도(S)를 증감시켜도 좋으며, 회전속도 증감수단의 구성은 상술한 것으로 한정되지 않는다.
이상에서는, 입형의 머시닝센서틀 공작기계(10)로서 사용하여 채터진동 검출방법 및 채터진동 회피방법을 실현하도록 하였는데, 가로형 머시닝센터나 다른 공작기계에 의해서도 본 발명에 따른 채터진동 검출방법 및 채터진동 회피방법을 실현할 수 있다.
본 발명에 따르면, 진동 데이터의 자기상관함수를 이용하여 채터진동의 발생을 판정하도록 하였으므로, 가공 중의 채터진동의 발생을 즉시 검출 및 회피할 수 있게 된다. 이에 따라, 워크의 마무리면 품질이 향상되고, 또한 공작기계의 회전주축 및 공구의 손상을 방지할 수 있다.
4: 공구 4a: 제 1 절삭날
4b: 제 2 절삭날 10: 공작기계
22: 변위 센서 25: 주축용 모터
26: X축용 모터 30: 제어장치
31: 데이터 취득부 32: 산출부
33: 판정부 34: 모터 제어부

Claims (8)

  1. 절삭날을 가지는 공구를 회전주축에 장착하고, 이 공구를 워크에 대하여 상대이동시켜서 워크를 가공하였을 때에 발생하는 재생채터진동을 검출하는 채터진동 검출방법으로서,
    워크 가공시의 상기 공구의 진동과 상관관계를 가지는 진동 데이터를 소정의 샘플링 주기로 취득하는 데이터 취득순서와,
    상기 데이터 취득순서에 의하여 취득한 시계열의 진동 데이터에 근거하여, 절삭날이 복수회 워크에 접촉하는데에 필요한 시간만큼의 자기상관함수를 산출하는 동시에, 산출한 자기상관함수의 특성의 주기 또는 진동수를 산출하는 산출순서와,
    절삭날이 워크에 접촉하는 접촉주기가, 상기 산출순서에 의하여 산출된 주기의 정수배가 아닐 때, 또는 상기 산출순서에 의하여 산출된 진동수가, 상기 공구의 날수와 상기 회전주축의 회전속도와의 곱의 정수배가 아닐 때, 재생채터진동의 발생으로 판정하는 판정순서를 포함하는 것을 특징으로 하는 채터진동 검출방법.
  2. 절삭날을 가지는 공구를 회전주축에 장착하고, 이 공구를 워크에 대하여 상대이동시켜서 워크를 가공하였을 때에 발생하는 재생채터진동을 회피하는 채터진동 회피방법으로서,
    워크 가공시의 상기 공구의 진동과 상관관계를 가지는 진동 데이터를 소정의 샘플링 주기로 취득하는 데이터 취득순서와,
    상기 데이터 취득순서에 의하여 취득한 시계열의 진동 데이터에 근거하여, 절삭날이 복수회 워크에 접촉하는데에 필요한 시간만큼의 자기상관함수를 산출하는 동시에, 산출한 자기상관함수의 특성의 주기 또는 진동수를 산출하는 산출순서와,
    절삭날이 워크에 접촉하는 접촉주기가, 상기 산출순서에 의하여 산출된 주기의 정수배가 아닐 때, 또는 상기 산출순서에 의하여 산출된 진동수가, 상기 공구의 날수와 상기 회전주축의 회전속도와의 곱의 정수배가 아닐 때, 재생채터진동의 발생으로 판정하는 판정순서와,
    상기 판정순서에 의하여 재생채터진동의 발생으로 판정하였을 때, 절삭날의 접촉주기와 상기 산출순서에 의하여 산출된 주기로부터 구해지는 위상차, 또는 상기 공구의 날수 및 상기 회전주축의 회전속도의 곱과 상기 산출순서에 의하여 산출된 진동수로부터 구해지는 위상차를 산출하고, 산출된 위상차에 근거하여 상기 회전주축의 회전속도를 소정 비율만큼 증감하며, 상기 산출된 위상차가 소정의 범위에 들어갈 때까지 상기 회전주축의 회전속도의 증감을 반복하는 회전속도 증감순서를 포함하는 것을 특징으로 하는 채터진동 회피방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 산출순서에서는, 표준편차를 이용하여 자기상관함수를 자기상관계수로 변환하고, 변환 후의 자기상관계수의 특성의 주기 또는 진동수를 산출하는 채터진동 회피방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 회전속도 증감순서에서는, 절삭날 1날당의 이송이 일정해지도록 상기 회전주축의 회전속도의 증감에 따라서 상기 공구의 이송속도를 증감시키는 채터진동 회피방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 회전속도 증감순서에 의하여 상기 산출된 위상차가 상기 소정의 범위에 들어가 있는데 상기 진동 데이터가 소정값을 넘고 있을 때에는, 상기 공구의 이송속도를 낮추는 채터진동 회피방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 산출순서에서는, 상기 데이터 취득순서에 의하여 취득한 진동 데이터로부터 미리 저장된 상기 회전주축의 무부하 회전시의 진동 데이터를 빼서 진동 데이터를 보정하고, 이러한 보정 후의 진동 데이터에 근거하여 상기 자기상관함수의 특성을 도출하는 채터진동 회피방법.
  7. 절삭날을 가지는 공구가 회전주축에 장착되고, 이러한 공구가 워크에 대하여 상대이동되어 워크를 가공하는 공작기계로서,
    워크 가공시의 상기 공구의 진동과 상관관계를 가지는 진동 데이터를 소정의 샘플링 주기로 취득하는 데이터 취득수단과,
    상기 데이터 취득수단에 의하여 취득된 시게열의 진동 데이터에 근거하여, 절삭날이 복수회 워크에 접촉하는데에 필요한 시간만큼의 자기상관함수를 산출하는 동시에, 산출된 자기상관함수의 특성의 주기 또는 진동수를 산출하는 산출수단과,
    절삭날이 워크에 접촉하는 접촉주기가, 상기 산출수단에 의하여 산출된 주기의 정수배가 아닐 때, 또는 상기 산출수단에 의하여 산출된 진동수가 상기 공구의 날수와 상기 회전주축의 회전속도와의 곱의 정수배가 아닐 때, 재생채터진동의 발생으로 판정하는 판정수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 공작기계.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 판정수단에 의하여 채터진동의 발생으로 판정되었을 때, 절삭날의 접촉주기와 상기 산출수단에 의하여 산출된 주기로부터 구해지는 위상차, 또는 상기 공구의 날수 및 상기 회전주축의 회전속도의 곱과 상기 산출수단에 의하여 산출된 진동수로부터 구해지는 위상차를 산출하고, 산출한 위상차에 근거하여 상기 회전주축의 회전속도를 소정 비율만큼 증감하여, 상기 산출한 위상차가 소정의 범위에 들어갈 때까지 상기 회전주축의 회전속도의 증감을 반복하는 회전속도 증감수단을 더 구비하는 공작기계.
KR1020137005653A 2010-09-10 2011-04-27 채터진동 검출방법 및 채터진동 회피방법, 그리고 공작기계 KR101472890B1 (ko)

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