KR101479292B1 - 회전기기의 베어링 마모 측정방법 및 그 장치 - Google Patents

회전기기의 베어링 마모 측정방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

개시된 내용은 회전기기의 베어링 마모 측정방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 소음 제거부는 관절부위에 구비된 마이크로부터 입력되는 베어링 움직임에 따라 발생하는 사운드 신호에서 소음을 제거하고, 샘플 검출부는 소음이 제거된 사운드 신호에서 베어링이 움직이는 구간의 사운드 신호를 샘플로 검출하고, 주파수 변환부는 샘플 검출부에서 검출한 사운드 신호를 파형 분석을 위한 주파수로 변환하고, 베어링 마모 검출부는 주파수 변환부에서 변환한 베어링 움직임에 따라 획득한 사운드 신호의 주파수 파형과 이전 샘플의 주파수 파형을 비교하여 변화폭을 확인한 후 변화폭이 문턱값을 초과하는지를 판단하며, 제어부는 변화폭이 문턱값을 초과하면 경고부를 통해 베어링 마모 위험을 알리는 경고음을 발생시킨다.
따라서, 본 발명은 마모가 발생한 베어링의 교체작업을 빠르게 진행할 수 있으며, 회전기기의 관절부위 이상에 따라 발생할 수 있는 생산라인의 중단을 방지할 수 있음은 물론, 이를 토대로 생산작업의 효율을 크게 증대시킬 수 있다.

Description

회전기기의 베어링 마모 측정방법 및 그 장치{Method of measuring bearing abrasion in rotating machine and apparatus thereof}
본 발명은 회전기기의 관절부위에서 획득한 사운드 신호의 주파수 파형 분석을 토대로 베어링의 마모 정도를 파악할 수 있도록 하는 회전기기의 베어링 마모 측정방법 및 그 장치에 관한 것이다.
일반적으로 로봇 관절과 같은 회전기기에는 많은 베어링이 구비되어 축을 고정시키고 하중을 지지하는 역할을 한다.
이러한 회전기기는 장시간 사용, 과도한 하중, 윤활 불량, 이물질 삽입 등의 요인으로 인하여 파손될 수 있다. 회전기기의 파손은 주로 회전축 및 회전축에 연결된 베어링에서 발생하는데, 대표적인 파손은 베어링 롤러나 볼의 깨짐, 균열 등이다.
이처럼 베어링의 파손은 회전기기의 안전이나 수명에 직결되며, 회전기기와 연결된 다른 설비나 전체 생산공정에도 영향을 주게 된다. 즉 베어링의 마모로 인해 관절이 부러지게 되면 생산라인이 정지되어 출하, 생산에 큰 차질을 빚게 되는 것이다.
이에 따라 최근 들어 회전기기 구동시 발생할 수 있는 파손을 사전에 방지하기 위해 진동, 사운드 등을 이용하여 관절부위의 이상 유무를 검출하는 방법들이 개발되고 있다.
그러나, 상술한 바와 같은 종래의 회전기기의 관절부위 이상 유무 검출방식은, 회전기기가 발생하는 사운드와 주변의 사운드가 중첩되어 회전기기 자체에서 발생하는 사운드를 검출하기가 쉽지 않았고, 대부분 사운드의 크기 등을 이용하여 마모 정도를 측정하였기 때문에 신뢰성이 저하되었으며, 이에 따라 생산현장에 적용하지 못하고 있는 실정이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0076586호 2011. 7. 6. 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0009586호 2005. 1. 25. 대한민국 공개특허공보 제10-1989-0000896호 1989. 3. 17.
본 발명은, 회전기기의 관절부위에서 획득한 사운드 신호의 주파수 파형 분석을 토대로 베어링의 마모 정도를 파악할 수 있도록 하는 회전기기의 베어링 마모 측정방법 및 그 장치를 제공한다.
본 발명은, 회전기기의 관절부위 마모 정도를 측정한 결과 일정 수준 이상의 마모가 발생할 경우 관리자에게 즉시 통보하여 베어링 교체작업을 신속하게 수행할 수 있도록 하는 회전기기의 베어링 마모 측정방법 및 그 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 회전기기의 베어링 마모 측정방법은, (1) 사운드 입력부는, 관절부위에 구비된 마이크로부터 베어링 움직임에 따라 발생하는 사운드 신호를 입력받는 단계와, (2) 소음 제거부는, (1) 단계를 통해 사운드 입력부로부터 제공받은 사운드 신호에서 소음을 제거하는 단계와, (3) 샘플 검출부는, (2) 단계를 통해 소음 제거부에서 소음이 제거된 사운드 신호에서 베어링이 움직이는 구간의 사운드 신호를 샘플로 검출하는 단계와, (4) 주파수 변환부는, (3) 단계를 통해 샘플 검출부에서 검출한 사운드 신호를 파형 분석을 위한 주파수로 변환하는 단계와, (5) 베어링 마모 검출부는, (4) 단계를 통해 주파수 변환부에서 변환한 베어링 움직임에 따라 획득한 사운드 신호의 주파수 파형과 이전 샘플의 주파수 파형을 비교하여 변화폭을 확인하는 단계와, (6) 베어링 마모 검출부는, (5) 단계를 통해 확인된 변화폭이 기설정된 문턱값을 초과하는지를 판단하는 단계, 그리고 (7) 제어부는, (6) 단계의 판단결과 변화폭이 기설정된 문턱값을 초과하면 경고부를 통해 베어링 마모 위험을 알리는 경고음을 발생시키고, 변화폭이 기설정된 문턱값 미만이면 (1) 단계 이후를 반복, 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 회전기기의 베어링 마모 측정장치는, 관절부위에 구비된 마이크로부터 베어링 움직임에 따라 발생하는 사운드 신호를 입력받는 사운드 입력부와, 사운드 입력부로부터 입력되는 사운드 신호에서 소음을 제거하는 소음 제거부와, 소음 제거부로부터 입력되는 소음이 제거된 사운드 신호에서 베어링이 움직이는 구간의 사운드 신호를 샘플로 검출하는 샘플 검출부와, 샘플 검출부에서 샘플로 검출된 사운드 신호를 파형 분석을 위한 주파수로 변환하는 주파수 변환부와, 베어링 마모 위험을 경고하기 위한 문턱값이 저장되어 있는 저장부와, 주파수 변환부에서 변환한 베어링 움직임에 따라 획득한 사운드 신호의 주파수 파형과 이전 샘플의 주파수 파형을 비교하여 변화폭을 확인하며, 확인된 변화폭이 저장부에 저장되어 있는 기설정된 문턱값을 초과하는지를 판단하는 베어링 마모 검출부와, 마이크를 통한 사운드 신호의 입력, 입력된 사운드 신호에서의 소음 제거, 소음이 제거된 사운드 신호에서의 베어링이 움직이는 구간의 샘플 검출, 샘플로 검출된 사운드 신호의 파형 분석을 위한 주파수 변환, 이전 샘플과의 주파수 파형 비교를 통한 변화폭 확인 및 기설정 문턱값과의 비교를 통한 베어링 마모 위험 확인, 베어링 마모 위험을 알리는 경고음 발생을 제어하는 제어부, 그리고 제어부로부터 입력되는 경고음 발생 제어신호를 토대로 기설정 시간 동안 경고음을 발생시키는 경고부를 포함할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명의 회전기기의 베어링 마모 측정방법 및 그 장치에 따르면, 회전기기의 관절부위에서 획득한 사운드 신호의 주파수 파형 분석을 토대로 베어링의 마모 정도를 파악하고, 일정 수준 이상의 마모가 발생할 경우 관리자에게 즉시 통보함으로써, 마모가 발생한 베어링의 교체작업을 신속하게 진행할 수 있으며, 회전기기의 관절부위 이상에 따라 발생할 수 있는 생산라인의 중단을 방지할 수 있음은 물론, 이를 토대로 생산작업의 효율을 크게 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전기기의 베어링 마모 측정장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 측정방식에 따른 스펙트럼 분석 파형의 일 예를 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전기기의 베어링 마모 측정방법의 동작과정을 상세하게 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 회전기기의 베어링 마모 측정방법 및 그 장치를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전기기의 베어링 마모 측정장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 2는 본 발명의 측정방식에 따른 스펙트럼 분석 파형의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 측정장치는, 사운드 입력부(10), 소음 제거부(20), 샘플 검출부(30), 주파수 변환부(40), 저장부(50), 베어링 마모 검출부(60), 제어부(70), 경고부(80) 등으로 구성된다.
사운드 입력부(10)는 관절부위에 구비된 마이크로부터 베어링 움직임에 따라 발생하는 사운드 신호를 입력받아 소음 제거부(20)로 출력한다.
소음 제거부(20)는 사운드 입력부(20)로부터 입력되는 사운드 신호에서 소음을 제거하여 샘플 검출부(30)로 출력한다.
이때 소음 제거부(20)에서의 소음 제거는 2개의 마이크로부터 동시에 획득하는 베어링에서 발생한 사운드 신호와 일정 시간 지연되어 입력되는 소음 각각에 대하여 MFFT(Masked Fast Fourier Transform)를 수행하고, 두 사운드의 주파수 분포를 분석하여 소음을 제거한다. 즉 본 발명에서는 2개의 마이크를 사용하는데, 마이크는 베어링이 있는 관절부위에 근접하게 설치되어 있으므로 베어링에서 발생하는 사운드 신호가 지연 없이 2개의 마이크로 입력되고, 반대로 공장에서 발생하는 소음들(예를 들어, 사운드의 반사, 회절 등의 특성에 의한 소음)은 여러 경로를 거쳐 상당한 지연 이후에 마이크로 입력되며, 이후 2개의 마이크로 입력된 신호 각각이 MFFT를 거치게 되고, 두 사운드의 주파수 분포를 분석하여 소음을 제거하게 되는 것이다.
샘플 검출부(30)는 소음 제거부(20)로부터 입력되는 소음이 제거된 사운드 신호에서 베어링이 움직이는 구간의 사운드 신호를 샘플로 검출하여 주파수 변환부(40)로 출력한다. 즉 마이크로부터 입력된 전 구간의 사운드 신호가 아닌 관절이 움직였을 경우에 발생하는 사운드 신호의 샘플만을 검출하도록 하는 것이다. 이는 주파수 파형 분석에 불필요한 구간이 포함되지 않아 사운드 분석 성능을 향상시키기 위함이다.
주파수 변환부(40)는 샘플 검출부(30)에서 샘플로 검출된 사운드 신호를 파형 분석을 위한 주파수로 변환하여 베어링 마모 검출부(60)로 출력한다.
이때 주파수 변환부(40)는 샘플 검출부(30)에서 샘플링된 신호들을 MFFT를 통해 획득하되, 44.1kHz로 샘플링된 신호들에 초당 15개의 마스크를 씌운 후 이들 각각에 대하여 FFT를 수행하여 획득한다.
저장부(50)는 베어링 마모 위험을 경고하기 위한 문턱값(threshold value)이 저장되어 있으며, 베어링 마모 검출부(60)에서 수행하는 현재 샘플의 주파수 파형과 이전 샘플의 주파수 파형 비교시 이전 샘플이 되는 주파수 파형 정보가 누적, 저장된다. 이때 문턱값은 베어링의 형태, 베어링이 장착된 관절의 형태 등에 따라 변화될 수 있다.
베어링 마모 검출부(60)는 주파수 변환부(40)에서 변환한 베어링 움직임에 따라 획득한 사운드 신호의 주파수 파형과 이전 샘플의 주파수 파형을 비교하여 변화폭을 확인하며, 확인된 변화폭이 저장부(50)에 저장되어 있는 기설정된 문턱값을 초과하는지를 판단하여 그 결과를 제어부(70)로 출력한다.
베어링 마모 검출부(60)에서 베어링의 마모 정도를 판단할 때, 베어링의 마모 정도가 심해지면 도 2에 도시한 바와 같이 20kHz 근처에서 피크가 발생하고, 이들의 하모닉스 성분(10kHz, 5kHz 등)에서도 크기가 약한 피크 성분이 나타남을 확인할 수 있다. 베어링 마모 검출부(60)에서는 이 피크치를 비교하여 문턱값보다 크면 베어링의 마모 정도가 심하다는 것을 알리는 경보음 발생을 제어부(70)로 요청하고, 제어부(70)에서는 경고부(80)를 통해 경보를 울려 작업을 중지하도록 한다. 즉 베어링 마모 검출부(60)에서는 특정 주파수 성분의 크기가 이전 샘플과 비교해서 변화폭이 계속 증가하면, 이를 베어링의 수명이 다 되어 간다는 것으로 판단하게 된다. 이 경우 베어링 마모 검출부(60)에서는 베어링의 형태, 베어링이 장착된 관절의 형태에 따라 문턱값을 변화하면서 적용시킬 수 있다.
제어부(70)는 마이크를 통한 사운드 신호의 입력, 입력된 사운드 신호에서의 소음 제거, 소음이 제거된 사운드 신호에서의 베어링이 움직이는 구간의 샘플 검출, 샘플로 검출된 사운드 신호의 파형 분석을 위한 주파수 변환, 이전 샘플과의 주파수 파형 비교를 통한 변화폭 확인 및 기설정 문턱값과의 비교를 통한 베어링 마모 위험 확인, 베어링 마모 위험을 알리는 경고음 발생 등 본 발명의 측정장치의 총괄적인 동작을 제어한다.
경고부(80)는 제어부(70)로부터 입력되는 경고음 발생 제어신호를 토대로 기설정 시간 동안 경고음을 발생시켜 작업자가 베어링의 교체 시기가 되었음을 알 수 있도록 한다.
이때 경고부(80)는 제어부(70)로부터 입력되는 경고음 발생 제어신호를 토대로 베어링 마모 위험을 경고하는 경고음을 발생하는 것과 동시에, 베어링 마모 위험을 경고하는 문자 데이터를 생성한 후, 해당 문자 데이터를 저장부(50)에 저장되어 있는 관리자가 소지한 통신 단말기로 전송할 수도 있다.
다음에는, 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 회전기기의 베어링 마모 측정방법의 일 실시예를 도 3을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전기기의 베어링 마모 측정방법의 동작과정을 상세하게 나타낸 순서도이다.
우선, 사운드 입력부(10)는 관절부위에 구비된 마이크로부터 베어링 움직임에 따라 발생하는 사운드 신호를 입력받고, 입력된 사운드 신호를 소음 제거부(20)로 출력한다(S10).
소음 제거부(20)는 S10 단계를 통해 사운드 입력부(10)로부터 제공받은 사운드 신호에서 소음을 제거하고, 소음이 제거된 사운드 신호를 샘플 검출부(30)로 출력한다(S20). 이때 S20 단계에서의 소음 제거는 2개의 마이크로부터 동시에 획득하는 베어링에서 발생한 사운드 신호와 일정 시간 지연되어 입력되는 소음 각각에 대하여 MFFT를 수행하고, 두 사운드의 주파수 분포를 분석하여 소음을 제거한다.
샘플 검출부(30)는 S20 단계를 통해 소음 제거부(20)에서 소음이 제거된 사운드 신호에서 베어링이 움직이는 구간의 사운드 신호를 샘플로 검출하고, 검출된 샘플의 사운드 신호를 주파수 변환부(40)로 출력한다(S30). 즉 마이크로부터 입력된 전 구간의 사운드 신호가 아닌 관절이 움직였을 경우에 발생하는 사운드 신호의 샘플만을 검출하는 것이다.
S30 단계를 통해 샘플 검출부(30)에서 검출한 사운드 신호를 입력받는 주파수 변환부(40)는 샘플로 검출된 사운드 신호를 파형 분석을 위한 주파수로 변환하고, 이를 베어링 마모 검출부(60)로 출력한다(S40). 이때 S40 단계에서의 주파수 변환은 S30 단계에서 샘플링된 신호들을 MFFT를 통해 획득하되, 44.1kHz로 샘플링된 신호들에 초당 15개의 마스크를 씌운 후 이들 각각에 대하여 FFT를 수행하여 획득한다.
그러면, 베어링 마모 검출부(60)는 S40 단계를 통해 주파수 변환부(40)에서 변환한 베어링 움직임에 따라 획득한 사운드 신호의 주파수 파형과 이전 샘플의 주파수 파형을 비교하여 변화폭을 확인한다(S50).
그리고 베어링 마모 검출부(60)는 S50 단계를 통해 확인된 변화폭이 저장부(50)에 기설정된 문턱값을 초과하는지를 판단한다(S60).
S60 단계의 판단결과 S50 단계를 통해 확인된 변화폭이 기설정된 문턱값을 초과하면, 제어부(70)는 경고음 발생 제어신호를 생성하여 경고부(80)로 출력하고, 경고부(80)에서는 경고음 발생 제어신호를 토대로 기설정 시간 동안 경고음을 발생시켜, 관리자가 현재 진행중인 작업을 중지하고 베어링의 교체작업을 수행하도록 한다(S70).
이때 경고부(80)에는 베어링 마모가 위험 수준에 도달되는 경우 경고음을 발생시키는 기능 이외에, 관리자에게 직접 베어링 마모 위험을 알리는 기능이 추가로 설정될 수 있는데, 이 경우 베어링 마모 위험을 경고하는 문자 데이터를 생성하여 관리자가 소지한 통신 단말기로 전송한다.
그러나, S60 단계의 판단결과 S50 단계를 통해 확인된 변화폭이 기설정된 문턱값 미만이면, 제어부(70)는 상술한 S10 단계 이후를 반복, 수행하도록 한다(S80).
이처럼, 본 발명은 회전기기의 관절부위에서 획득한 사운드 신호의 주파수 파형 분석을 토대로 베어링의 마모 정도를 즉시 파악하여 관리자에게 통보하기 때문에 이상이 발생한 베어링을 빠르게 교체할 수 있고, 관절부위 이상으로 인한 생산라인 중단이나 작업효율의 감소를 방지할 수 있다.
여기에서, 상술한 본 발명에서는 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 사운드 입력부 20 : 소음 제거부
30 : 샘플 검출부 40 : 주파수 변환부
50 : 저장부 60 : 베어링 마모 검출부
70 : 제어부 80 : 경고부

Claims (5)

  1. (1) 사운드 입력부는, 관절부위에 구비된 마이크로부터 베어링 움직임에 따라 발생하는 사운드 신호를 입력받는 단계,
    (2) 소음 제거부는, 상기 (1) 단계를 통해 상기 사운드 입력부로부터 제공받은 사운드 신호에서 소음을 제거하는 단계,
    (3) 샘플 검출부는, 상기 (2) 단계를 통해 상기 소음 제거부에서 소음이 제거된 사운드 신호에서 베어링이 움직이는 구간의 사운드 신호를 샘플로 검출하는 단계,
    (4) 주파수 변환부는, 상기 (3) 단계를 통해 상기 샘플 검출부에서 검출한 사운드 신호를 파형 분석을 위한 주파수로 변환하는 단계,
    (5) 베어링 마모 검출부는, 상기 (4) 단계를 통해 상기 주파수 변환부에서 변환한 베어링 움직임에 따라 획득한 사운드 신호의 주파수 파형과 이전 샘플의 주파수 파형을 비교하여 변화폭을 확인하는 단계,
    (6) 상기 베어링 마모 검출부는, 상기 (5) 단계를 통해 확인된 변화폭이 기설정된 문턱값을 초과하는지를 판단하는 단계, 그리고
    (7) 제어부는, 상기 (6) 단계의 판단결과 변화폭이 기설정된 문턱값을 초과하면 경고부를 통해 베어링 마모 위험을 알리는 경고음을 발생시키고, 변화폭이 기설정된 문턱값 미만이면 (1) 단계 이후를 반복, 수행하는 단계를 포함하며,
    상기 (2) 단계에서의 소음 제거는
    2개의 마이크로부터 동시에 획득하는 베어링에서 발생한 사운드 신호와 일정 시간 지연되어 입력되는 소음 각각에 대하여 MFFT(Masked Fast Fourier Transform)를 수행하고, 두 사운드의 주파수 분포를 분석하여 소음을 제거하는 회전기기의 베어링 마모 측정방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 (4) 단계에서의 주파수 변환은,
    상기 (3) 단계에서 샘플링된 신호들을 MFFT를 통해 획득하되, 44.1kHz로 샘플링된 신호들에 초당 15개의 마스크를 씌운 후 이들 각각에 대하여 FFT를 수행하여 획득하는 회전기기의 베어링 마모 측정방법.
  4. 관절부위에 구비된 마이크로부터 베어링 움직임에 따라 발생하는 사운드 신호를 입력받는 사운드 입력부,
    상기 사운드 입력부로부터 입력되는 사운드 신호에서 소음을 제거하는 소음 제거부,
    상기 소음 제거부로부터 입력되는 소음이 제거된 사운드 신호에서 베어링이 움직이는 구간의 사운드 신호를 샘플로 검출하는 샘플 검출부,
    상기 샘플 검출부에서 샘플로 검출된 사운드 신호를 파형 분석을 위한 주파수로 변환하는 주파수 변환부,
    베어링 마모 위험을 경고하기 위한 문턱값이 저장되어 있는 저장부,
    상기 주파수 변환부에서 변환한 베어링 움직임에 따라 획득한 사운드 신호의 주파수 파형과 이전 샘플의 주파수 파형을 비교하여 변화폭을 확인하며, 확인된 변화폭이 상기 저장부에 저장되어 있는 기설정된 문턱값을 초과하는지를 판단하는 베어링 마모 검출부,
    상기 마이크를 통한 사운드 신호의 입력, 입력된 사운드 신호에서의 소음 제거, 소음이 제거된 사운드 신호에서의 베어링이 움직이는 구간의 샘플 검출, 샘플로 검출된 사운드 신호의 파형 분석을 위한 주파수 변환, 이전 샘플과의 주파수 파형 비교를 통한 변화폭 확인 및 기설정 문턱값과의 비교를 통한 베어링 마모 위험 확인, 베어링 마모 위험을 알리는 경고음 발생을 제어하는 제어부, 그리고
    상기 제어부로부터 입력되는 경고음 발생 제어신호를 토대로 기설정 시간 동안 경고음을 발생시키는 경고부를 포함하며,
    상기 소음 제거부는 2개의 마이크로부터 동시에 획득하는 베어링에서 발생한 사운드 신호와 일정 시간 지연되어 입력되는 소음 각각에 대하여 MFFT(Masked Fast Fourier Transform)를 수행하고, 두 사운드의 주파수 분포를 분석하여 소음을 제거하는 것을 특징으로 하는 회전기기의 베어링 마모 측정장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 경고부는,
    상기 제어부로부터 입력되는 경고음 발생 제어신호를 토대로 베어링 마모 위험을 경고하는 경고음을 발생하는 것과 동시에,
    베어링 마모 위험을 경고하는 문자 데이터를 생성한 후, 해당 문자 데이터를 상기 저장부에 저장되어 있는 관리자가 소지한 통신 단말기로 전송하는 회전기기의 베어링 마모 측정장치.
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