KR101495395B1 - 진동 분석 방법과 장치, 이를 위한 샘플 데이타베이스 및 샘플 데이타베이스의 용도 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음향 방출 분석을 위한 방법과 장치에 관한 것으로, 부품의 사용 중에, 부품의 시험 중에 또는 칩핑가공, 용접, 성형, 결합 및/또는 분리 등에 의한 작업물의 가공 중에 발생 되는 진동을 기록해서 평가하고, 진동 스펙트럼을 상이한 시간에서 또는 연속적으로 기록하고 다차원적으로 평가한다.

Description

진동 분석 방법과 장치, 이를 위한 샘플 데이타베이스 및 샘플 데이타베이스의 용도{METHOD AND DEVICE FOR VIBRATION ANALYSIS AND SAMPLE DATABASE THEREFOR AND USE OF A SAMPLE DATABASE}

본 발명은 부품의 사용 중에, 부품의 시험 중에 그리고/또는 칩핑가공, 용접, 성형, 결합 및/또는 분리 등에 의한 작업물의 가공 중에 발생 되는 진동 스펙트럼을 분석하는 방법과 장치에 관한 것이다. 또한 본 발명은 이를 위한 샘플 데이타베이스 및 그의 용도에 관한 것이다.

작업물의 기계가공을 모니터링하기 위한 많은 방법들이 종래 기술에 알려져 있다.

따라서 심지어 손상이 발생하기 전에 위험한 상태를 진단하여 손상과 뜻하지 않은 고장으로 인한 댓가와 비용을 피하기 위해 기계 공구의 작동 상태를 모니터링하기 위한 방법이 DE 10 2005 034 768 A1 에 알려져 있다. 이 공지된 방법에서는 공구 스핀들 또는 모터 스핀들의 로터, 펌프나 팬(fan)과 같은 기계 공구의 회전 부품이 진동 센서로 모니터링 된다. 이러한 목적으로, 불균형 및/또는 공구 진동을 검출하고 그리하여 균형이 불량하게 잡혀 있거나 부정확하게 장력을 받거나 또는 마모된 공구를 검출하기 위해 저 주파수 진동이 진동 센서에 의해 기록된다. 평가는 미리 정해진 주파수에서의 신호 진폭의 개별적인 값에 기초하여 그래프를 이용해서 이루어진다. 그러나, DE 102 44 426 D4 및 DE 103 40 697 A1 에도 알려져 있는 바와 같이, 개별적인 저 주파수 진동의 이러한 유형의 평가는 작업물의 기계가공의 질에 대하여 칩핑가공 공정을 평가하는데 있어서 제한된 정도로만 적합하다.

칩핑가공 공정을 최적화하기 위해 작업물의 기계가공 중에 저 주파수 진동을 기록하고 또한 공구에 관한 정보에 의거하여 공구의 속도에 대한 판단 기준 값을 제공하는 것이 DE 698 04 982 T2 에 알려져 있는데, 이로써 채터링(chattering)으로 알려져 있는 바림직하지 않은 진동이 제거 또는 감소될 수 있다.

DE 44 05 660 A1 는 또한 그러한 채터링(진동 센서에 의해 기록됨)을 줄이거나 방지하는 것을 다루고 있는데, 이를 위해 제어 기구가 사용된다.

기계가공 공정에서 신호를 얻기 위한 진동 센서 장치가 D 94 03 901 에 알려져 있다. 이 예에서는 음향 신호 및 기계가공 공정에 의해 발생 되는 떨림 진동이 작업물에서 센서로 전달될 수 있도록 조직 기인(structure-borne) 음향 센서가 작업물과 접촉하는 감지 아암에 고정된다. 이와 관련하여 D 94 03 901 에는 또한 고 주파수 음향 신호가 언급되어 있다. 그러나, 용어 "고 주파수" 는 DE 38 29 825 A1 와 관련하여 사용되고 있는데, 이 특허 문헌에서는 20 kHz ∼ 2 MHz 사이의 주파수 범위가 평균값 형성기에 공급된다. 이러한 주파수 범위도 D 94 03 901 의 감지 아암 커플링에 의해서는 거의 전달 및 확인될 수 없다.

기계가공 공정을 평가하기 위한 방법이 DE 44 36 445 A1 에 알려져 있는데, 이 방법에서는 공구의 진동/조직 기인 음향 신호가 한편으로 부하 상태에서 기록되고 다른 한편으로는 무 부하 상태에서 동일한 속도에서 기록되며, 공구를 평가하기 위해 각 속도에 대해 무 부하 상태와 부하 상태에서 작동의 대응 진동수를 일차원적으로 비교하게 된다.

일체화된 음향 센서를 포함하는 절삭 공구가 WO 88/07911 및 WO 89/12528 각각에서 알려져 있는데, 상기 센서는 일차원 전압 신호를 공급하며 이 전압 신호는 진동 주파수에 비례한다.

DE 38 29 825 C2 에서는 작업물의 칩핑가공 중에 음향 센서의 신호 레벨이 주파수의 함수로 기록되며 시간 구간에 대해 평균 된다. 평균값과 임계 또는 설정 값을 비교하면 공구 또는 기계가공 공정의 질에 관한 결론을 얻을 수 있다.

상기 공지된 모든 방법들이 본래 갖고 있는 단점은 공구와 칩핑가공 공정은 부적절하게만 평가될 수 있다는 것이다.

또한 상기 공지된 방법들은 칩핑가공에 의한 기계가공에 한정된다. 용접(레이저 용접, 아크 용접 등), 성형, 결합 및/또는 분리 등과 같은 다른 기계가공 공정을 모니터링 하기 위한 신뢰할 수 있는 음향 기반 방법은 종래 기술에 알려져 있지 않다.

예컨대, 레이저 가공을 모니터링하는 광학 시스템이 현재 사용되고 있는데, 이 시스템은 작용 지점에서 반사된 빛을 측정하고 재료에서 실제 레이저 가공이 어떻게 이루어졌는지를 스펙트럼이나 세기(intensity)로부터 알려고 한다. 그러므로 만족스러운 결과를 항상 얻을 수 있는 것은 아닌데, 왜냐하면 복수의 재료가 서로 연결되어 있고 또한 침투 용접 공정, 즉 레이저 에너지에 의해 모든 부품에서 필요한 용융과 열 침투가 또한 일어났는지를 표면에서 반사되는 레이저 방출로는 확인할 수 없기 때문이다.

또한, 작동 중인 부품, 예컨대 작동중인 열차의 객차의 강재 바퀴 또는 작동 중인 엔진의 부품을 모니터링하기 위한 신뢰할 수 있는 음향 기반 방법이 종래 기술에는 알려져 있지 않다. 특히, 예컨대 열차, 항공기 및 모터 차량을 이용하여 사람들을 수송하는 경우나 잠재적인 위험이 있는 시스템, 예컨대 발전소에서와 같이 안전관련 용도의 경우에는 부품 고장의 회피는 필요 불가결한데 이는 비작동시에 정기적인 검사와 시험으로 높은 비용을 들여서만 가능한 것이다.

위와 같은 문제점들을 감안한 본 발명의 목적은 부품, 작업물, 공구 및/또는 기계가공 공정을 정확하게 모니터링 및/또는 평가할 수 있는 진동 분석, 특히 음향 분석 방법과 장치, 이를 위한 샘플 데이타베이스 및 진동 분석을 위한 샘플 데이타베이스의 용도를 제공하는 것이다.

상기 목적은 청구항 1, 16, 19 및 20 의 특징적 사항에 따라 각각 달성된다.

따라서, 부품이나 작업물 또는 공구의 진동을 기록 및 평가하는 진동 분석 방법으로서, 진동 스펙트럼을 상이한 시간에서 또는 연속적으로 기록하고 다차원적으로 평가하는 진동 분석 방법이 제공된다.

진동은 작동 중인 열차의 강재 바퀴나 축과 같은 부품의 사용 중에, 선택적으로 노킹(knocking)이나 음향 커플링에 의해 외부에서 진동을 여기시키거나 운동 등을 주어서 설치 또는 비설치 상태에서 부품을 검사하는 중에, 그리고/또는 칩핑 가공, 용접, 성형, 결합 및/또는 분리 등에 의한 작업물의 기계가공 중에 발생 될 수 있다. 이들 각 개별적인 용도 및 기술적으로 유사한 다른 용도에 대해 진동 분석을 사용하는 것은 각 경우에 독립적이고 독창적인 중요성이 있다.

본 발명에 따라 적절한 샘플 비율을 사용해서 상이한 시간에서 또한 바람직하게는 연속적으로 또는 준 연속적으로 진동 스펙트럼을 기록함으로써 다차원적인 데이타 평가가 가능하게 되는데, 이러한 평가는 부품, 작업물, 공구 및/또는 기계가공 공정의 정확한 평가를 위한 기초를 형성한다.

바람직한 실시 형태의 경우, 다차원 데이타 평가는 예컨대 주파수축, 시간축 및 진폭축으로 정의되는 공간에서 확장될 수 예컨대 랜드스케이프(landscape)로 3차원적으로 도시될 수 있다. 이러한 랜드스케이프는 시간에 따른 음향 방출을 시각화해주는 것으로 실제로 각기 지문을 형성할 수 있는 특유한 특징을 포함한다. 이들 특유한 특징은 적절한 방법을 사용해서 결정될 수 있다. 이들 특유한 특징과의 편차가 또한 결정될 수 있다. 특정 결함이나 결함 유형에 특유한 특징이 또한 다차원 데이타에서 결정될 수 있다. 일반적으로, 특히 다차원 데이타(바람직한 실시 형태에서 특히 주파수-시간-진폭 공간에서 랜드스케이프를 형성함)에 기초하여 그리고 좀더 구체적으로는 일반적으로 칩핑가공, 용접, 성형, 결합 및/또는 분리 등과 같은 많은 기계가공 공정을 실행하면서 작업물의 기계가공 공정의 질을 특히 여전히 기계가공 공정 중에 실시간으로 높은 신뢰성으로 결정할 수 있다. 또한 공구의 마모 정도나 파손 드릴과 같은 공구 결함 또한 대응하는 특유한 특징을 사용해서 결정 및 확인될 수 있다. 마지막으로, 부품을 시험할 때 예상되는 특유한 특징과의 편차를 결정할 수 있고 또한 결함의 특징과 일치하면 특정 결함 또는 결함 유형을 진단할 수 있다. 부품은 심지어 그의 작동 중에도 시험 될 수 있는데, 예컨대 열차의 작동 중에 진동 스펙트럼 및 특히 음향 방출 스펙트럼이 축 또는 바퀴에서 측정될 수 있고 또한 예컨대 마모, 마모의 정도, 파손이나 균열과 같은 결함, 또는 그 밖의 표준 거동이나 아주 일반적으로는 그 표준 거동과의 편차를 결정하기 위해 특유한 특징에 대해 검사를 받을 수 있다.

상기 평가는 바람직하게는 샘플 확인에 근거하여 자동화된 방식으로 수행된다. 다차원 특히 3차원 샘플 확인을 위해, 컴퓨터에 기반하여 신속하고 신뢰할 수 있으며 또한 조정가능한 확인 파라미터를 갖고 형성될 수 있는 적절한 알고리즘이 사용될 수 있는데, 이 알고리즘은 저장되어 있는 진동 스펙트럼 데이타에 실시간으로 접근하거나 그 진동 스펙트럼 데이타를 처리하게 된다.

특정 용도에 적합한 샘플을 갖는 샘플 데이타베이스가 적절하게 제공된다. 샘플은 선택적으로는 허용 공차 범위를 갖고서 샘플 랜드스케이프부의 형태로 저장될 수 있고/있거나 함수로 정의될 수 있다. 한편 이는 특정 용도 또는 용도 부류를 위해 미리 정해진 샘플, 예컨대 특정의 드릴링 가공 단계를 위한 샘플을 사용할 수 있게 해준다. 또한, 학습 단계 중에 데이타를 모을 수 있고 이 데이타는 샘플로서 또한 선택적으로는 허용 공차 값을 가지고 저장될 수 있다. 그리하여 예컨대 음향 방출 스펙트럼이 작업물과 공구의 드릴링 및 교환 중에 기록될 수 있고 이로부터 샘플을 추출할 수 있는데, 이 샘플에 기초하여 다음 기계가공 공정을 평가할 수 있다. 따라서, 간단한 방식으로 또한 필요한 경우에는 자동화된 방식으로 샘플들을 예컨대 특정 공정 또는 특정 가공 기계 또는 특정 부품 또는 어떤 부품을 위한 특정 시험 상황에 개별적으로 맞출 수 있다. 샘플은 허용가능한 편차를 규정하고/하거나 확인가능성을 단순화하기 위해 값의 범위를 커버할 수도 있다.

자동화된 평가를 위해, 기록된 진동 스펙트럼이나 그의 일부의 엔빌롭(envelope)이 바람직하게 형성되고 비교 엔빌롭과 비교된다. 예컨대 상기 엔빌롭은 평활 함수에 의해, 또는 공간에서 서로 인접해 있는 데이타점들을 평균하거나 또는 다차원 데이타를 평탄화하기 위한 적절한 방법을 사용해서 형성된다. 상기 엔빌롭과 비교 엔빌롭 간의 편차는 부품, 작업물, 공구 및/또는 공정, 예컨대 기계가공 공정의 질을 평가하기 위한 판단 기준으로 사용될 수 있다. 또한, 엔빌롭을 사용하면, 작업물 접촉과 같은 공정의 일부 또는 특정의 기계가공 공정을 자동화된 방식으로 확인할 수 있다. 또한, 샘플 확인은 엔빌롭의 사용으로 간단하게 되며 확인 속도가 개선된다.

진동 스펙트럼은 바람직하게는 고 주파수에서 그리고/또한 광대역에 걸쳐 기록 및 평가된다.

광대역의 가능성이 적절한데, 왜냐하면 주파수에 있어서 서로 멀리 떨어져 있는 음향 방출 스펙트럼의 영역에서 특유한 특징이 발생할 수 있기 때문이다. 예컨대, 따라서 균열 형성은 고 주파수 "지문"을 가지며, 파손된 드릴은 음향 방출 스펙트럼에서 비교적 낮은 주파수의 특징을 남기며, 선반의 동심 불량과 같은 기계 결함은 진동 스펙트럼의 저 주파수 범위에서 특유한 특징을 남기게 된다. 바람직하게는 진동의 전체 주파수 스펙트럼이 기록되며, 이를 위해 상이한 주파수 범위를 커버할 수 있는 다른 센서들이 선택적으로 제공된다. 바람직한 실시 형태에서 단지 하나의 센서, 즉 음향 센서만 사용되지만, 다른 실시 형태에서는 다른 진동 센서가 추가적으로 또는 대안적으로 사용될 수 있다.

고 주파수 기록은 유익하게도 부품, 작업물 또는 공구에서의 미세 가공도 평가할 수 있게 해준다.

예컨데 솔리드 바디(solid body)의 칩핑 가공 중에 재료부가 그들의 결합력에 대항하여 그들의 위치에서 떨어지게 된다. 이에 필요한 힘은 공구에 의해 가해진다. 결합력은 미세하게 작은 부분 사이에 존재한다. 그러므로 칩핑 가공은 연속된 미세 분리로 이해될 수 있다. 이들 각각의 작은 분리는 인접한 재료를 통해 임펄스를 보낸다. 진동은 이들 임펄스에 의해 발생 된다. 진동 주파수는 임펄스의 지속 기간과 재료의 탄성에 의존하게 된다. 각각의 칩핑 가공은 많은 연속된 미세 분리, 즉 또한 작고 많은 임펄스 열로 이루어진다. 이들 임펄스는 시간순으로 연속적으로 발생된다. 일단 미세 분리가 일어나면, 칩핑가공 공구의 경로에 걸쳐 분리력이 아직 결합되어 있는 다음 재료 입자에 다시 형성된다. 필요한 분리력이 일단 초과되면 다음 임펄스가 발생 된다. 이렇게 해서 새로운 진동이 항상 여기되며, 시간에 따른 이 진동의 분포는 절삭 속도 및 분리된 재료 입자의 크기에 연관되어 있다. 이리하여 재료와 공구의 진동 여기가 발생 되며, 이의 주파수와 진폭의 추이는 각 칩핑가공 공정에 특유한 것이다.

따라서 이들 미세 분리로 인해 고 주파수 칩핑가공 진동 스펙트럼이 얻어지게 되며, 이로부터 미세 수준에 있어서 실제 칩핑가공 공정에 관한 특징을 얻을 수 있다.

본 발명의 다른 용도, 예컨대 용접이나 부품 시험에서, 고 주파수의 특유한 특징이 또한 진동 스펙트럼에서 나타난다.

기록된 진동 스펙트럼은 바람직하게는 주파수-시간 분석을 받게 된다. 이 주파수-시간 분석의 결과에 따라, 한편으로 기록된 진동이 시간축을 따라 공정의 과정에 할당될 수 있고, 다른 한편으로는 관심의 대상이 아닌 진동, 예컨대 다른 주파수 범위를 차지하고 있는 기계 진동과 의사 진동에서 관심 대상의 진동이 분리될 수 있다. 그러므로 평가는 각 용도에 대해 특유한 범위에 집중될 수 있다.

부품 또는 작업물의 재료의 미세 입도에 대응하고 또한 다른 용도 종속적인 인자에도 선택적으로 대응하는 주파수 해상도를 사용하여 진동 스펙트럼이 바람직하게 기록된다. 칩핑가공 공정에서 칩핑가공 속도는 예컨대 다른 인자로 간주될 것이다. 예컨대 칩핑가공 속도가 3000 m/min 인 경우, 관련된 칩핑가공 진동에서 약 1 ㎛ 의 조직을 검출하기 위해서는 50 MHz 의 주파수 해상도가 필요하다. ㎛ 범위의 위 또는 아래에 있을 수 있는 미세 입도 및 칩핑가공 속도에 따라 더 높거나 더 낮은 주파수 해상도가 제공될 수 있다. 본 발명에 따르면 모든 용도를 커버하기 위해 주파수 해상도는 바람직하게는 50 MHz 이지만, 40 MHz, 30 MHz, 20 MHz 또는 10 MHz 의 영역에 있을 수도 있다.

상기 진동 스펙트럼은 주파수(f), 시간(t) 및 진폭(A)의 좌표로 기록될 수 있다. 이 기록은 컴퓨터에서의 수치해석에 적합하며, 3차원 어레이가 f, t, A 에 대한 주어진 함수 종속, 예컨대, (lf, mt, nA^x)(여기서, l, m, n 및 x 는 임의의 수이다)로 저장될 수 있도록 상기 좌표는 또한 주파수(f), 시간(t) 및 진폭(A)의 함수 a(f), b(t) 및/또는 c(A) 또는 a(f, t, A), b(f, t, A) 및/또는 c(f, t, A)일 수도 있다. 실례 및/또는 수동 분석의 목적으로 진동 스펙트럼을 세 개의 좌표를 사용해서 그래프로 도시할 수 있다. 이 예에서는 3차원적인 도시를 선택할 수 있는데, 이 경우 주파수와 시간은 한 평면을 이루고 높이 프로파일은 진폭(또는 그의 함수)으로 정해진다. 이러한 그래프 도시는 평가될 관련 진동의 확인을 쉽게 해주며, 예컨대 이들은 시간축에서 분리에 의해 기계가공 공정의 과정과 관련될 수 있으며 주파수 축에서는 기계 진동 및 다른 의사 진동으로부터 분리된다.

진동을 기록하기 위해 음향 센서, 특히 피에조 음향 센서가 바람직하게 사용된다. 그러한 음향 센서는 본 발명에 따라 필요한 고 주파수를 처리할 수 있고 큰 주파수 대역폭을 가지며 또한 비용면에서 효과적인 방식으로 제조될 수 있고 또한 유지 보수가 필요 없다.

부품, 작업물 또는 공구 또는 이 부품, 작업물 및/또는 공구에 진동적으로 결합 되어 있는 부품에 배치될 수 있는 센서, 특히 음향 센서는 그의 결합 후에 또한 그 후에도 주기적으로 또는 각각의 사용 전에 보정을 받게 된다. 그리하여 항상 높은 측정 정밀도가 보장된다. 따라서, 센서를 새로운 작업물에 부착하거나 유지 보수의 목적으로 제거한 다음에 다시 부착하는 경우에 보정이 특히 적절한데, 왜냐하면 부착의 결과로 다른 결합 거동이 설정될 수 있기 때문이다. 본 발명에 따르면, 보정을 위해 음항 센서는 음향 신호를 방출하기 위해 특정의 전기 임펄스를 받게 된다. 그런 다음 이 음향 신호의 에코가 기록되어 설정 에코와 비교된다. 그리하여 작업물 또는 공구 또는 부품에 대한 음향 센서의 결합의 질이 확인될 수 있으며 측정 동안에 고려될 수 있다.

평가는 바람직하게 실시간으로 수행된다. 따라서 데이타를 저장할 필요가 없다. 안전 관련 부품에서는 결함의 부재 또는 결함에 대한 증거를 제공하기 위해 데이타의 저장이 적절할 수도 있다. 데이타는 전체 기계가공 공정에 대해 또는 작업물이나 부품의 전체 모니터링 기간에 대해 완전히 저장되거나 또는 그밖에 관심 대상의 특징이 확인된 시간 영역에서 부분적으로만 저장될 수 있다.

본 발명의 다른 양태는 적절한, 예컨대 선형의 함수나 맵핑을 사용해서 관심 대상의 진동 스펙트럼 또는 그의 주파수 범위를 가청 음향 스펙트럼으로 변환하는 것에 관한 것이다. 이러면 사람에 의한 가청 모니터링 및 평가를 할 수 있다. 가청 모니터링은 다차원 평가에 추가하여 적절히 수행되지만 이 다차원 평가를 대체할 수도 있다.

특히 적절한 실시 형태에서는 손상에 전형적인 샘플이 진동 스펙트럼에서 검출된다. 특히 이는 결함 확인에 한정된 평가를 단순화시킬 수 있다.

본 발명은 또한 작업물의 기계가공에 직접 연관이 없는 결함을 기록할 수 있게 해준다. 예컨대 온도 변동으로 인한 응력 균열이나 외부적 요인에 의해 야기되는 일반적인 손상도 확인할 수 있다.

과부하 및/또는 피로 균열도 확인할 수 있다. 이는 특히 부품을 시험할 때나 작동중인 부품을 관찰할 때, 예컨대 열차 객차의 바퀴를 모니터링할 때 유익하다.

따라서 본 발명은 자동화된 방식으로 부품, 작업물 및 기계가공 공정의 질을 모니터링 및 보장하고 또한 이들을 시험할 수 있게 해주는 방법과 장치를 제공한다.

본 발명의 다른 특징과 구성은 첨부 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명에서 알 수 있을 것이다 .

도 1 은 칩핑가공 공정을 평가하기 위한 장치의 개략도이다.
도 2 및 도 3 은 강 조직 내의 정자(crystallite)를 보여준다.
도 4 는 진동 스펙트럼을 그래프로 3차원적으로 도시한 것이다.
도 5 는 도 4 의 2차원적인 상세도이다.
도 6 은 도 4 를 f 축에 평행하게 절단한 단면도이다.
도 7 및 도 8 은 상이한 공구에 대해 도 1 의 기록된 전체 주파수 범위를 시간축에 투영한 것을 나타낸다.

이하 칩핑가공 공정의 실시 형태를 참조하여 먼저 본 발명을 설명할 것이다.

이 예에서는 칩핑가공 공정을 평가하기 위한 목적으로 진동 분석을 수행하기 위한 도 1 에 나타난 장치(1)는 진동을 검출하기 위한 센서(2)를 포함하며, 이 센서는 작업물(5)을 칩핑가공할 수 있는 예컨대 공구(3) 또는 기계 공구(4)에 배치된다. 센서(2)는 평가부(6)(예컨대, 컴퓨터)에 연결되어 있다. 본 발명의 다른 구성에 있어서 작업물은 다르게 기계가공되는데, 예컨대 용접, 성형, 결합 및/또는 분리되며, 또는 어떤 구성품이 결합 되어 사용되는 중에 그 구성품이 시험 또는 관찰된다.

상기 센서(2)는 바람직하게는 구조 기인 음향 센서(예컨대, 피에조 센서)이며, 바람직하게는 구조 기인 음향 신호를 기록할 수 있을 뿐만 아니라 그 신호를 방출할 수도 있다. 구조 기인 음향 신호의 방출은 특히 구성품의 시험을 위해 적절한데, 왜냐하면 이 구성품은 따라서 진동할 수 있기 때문이다. 관심 대상의 주파수 범위내에서 진동을 기록할 수 있으면 다른 종류의 센서(예컨대, 운동 센서)도 사용할 수 있다.

센서(2)는 작업물(5) 및/또는 공구(3)의 진동을 기록할 수 있도록 예시한 바와 같이 공구(3)에 결합 되거나 기계 공구(4) 또는 작업물(5) 또는 이 작업물에 진동적으로 결합 되어 있는 부분에 결합 된다. 가장 간단한 경우로 센서는 고정되게 나사 결합 된다.

상기 기계 공구(4)(예컨대, 밀러(miller) 기계)는 예컨대 강 블럭에서 기어휠을 성형하기 위해 공구(3)(예컨대, 밀러)를 사용해서 작업물(5)(예컨데, 강 블럭)을 자동화된 방식으로 기계 가공한다.

기계가공 공정 중에 작업물(5)과 공구(3)에 진동이 발생 되는데 이 진동은 센서(2)에 의해 기록된다. 이러한 목적으로 센서(2)는 하 임계값과 상 임계값 사이의 주파수를 기록할 수 있도록 설계되어 있다. 관심 대상의 전체 스펙트럼이 기록될 수 있도록 이상적으로는 하 임계값은 0이고 상 임계값은 무한대(∞) 이다. 실제로는 적어도 50 MHz, 바람직하게는 적어도 100 MHz 의 상 임계값이 적절하다. 90 kHz 또는 40 kHz 미만의 주파수는 유용한 정보를 담고 있지 않기 때문에 잘라내며, 따라서 그에 상응하는 하 임계값이 적절하지만, 200 kHz, 500 kHz 또는 1 MHz 가 될 수도 있다.

센서(2)의 실제 주파수 범위는 기계가공될 재료와 기계가공 속도에 기초해서 선택되어야 한다. 도 2 와 도 3 은 강 조직 내의 전형적인 정자를 보여준다. 입자 크기는 좀더 구체적으로 냉각 공정과 합금 성분에 따라 명확히 변한다. 재료의 입도가 예컨데 1㎛ 이고 기계가공 속도가 3000 m/min 이면, 관심 대상의 칩핑가공 진동을 검출하기 위해서 상 임계값은 적어도 50 MHz 이어야 한다. 기계가공 속도가 400 m/min 이고 평균 입자 크기가 1㎛ 인 경우, 6.66 MHz 의 최소 해상도가 주어진다. 그러나, 공구의 선단(예컨대, 1 mm)이 정자(예컨대, 1 ㎛)에 비해 매우 크기 때문에, 상기 최소 해상도는 항상 많은(예컨대, 1000개) 정자를 동시에 검출하고, 좀더 구체적으로는 입자 크기의 분율 만큼 약간 변위된다. 그러므로 칩핑가공 공정에 관한 모든 관심 대상의 주파수 정보를 검출하기 위해서는 최소 해상도 보다 실질적으로 더 높은 주파수 해상도가 적절하다.

작업물(5)의 칩핑가공 중에 센서(2)에 의해 기록된 진동은 다차원적으로 평가된다. 이러한 목적으로, 기록된 진동 스펙트럼은 평가부(6)에서 버퍼링될 수 있으며, 이 평가부는 바람직하게는 대응 인터페이스와 적절한 저장 매체를 갖고 있는 컴퓨터이다.

상기 평가부(6)에서는 진동 스펙트럼이 이미 기록중에 또는 그 후에 그래프로 도시되고/도시되거나 수치 해석되도록 주파수-시간 분석이 이루어질 수 있다.

도 4 에서 보는 바와 같이 시간, 주파수 및 진폭(또는 최대 진폭 또는 세기 등)의 좌표로 도시가 3차원적으로 제공될 수 있으며 또는 도 5 에서 보는 바와 같이 2차원적으로도 도시가 가능하며, 진폭은 윤곽선으로 가시화되어 있다. 도 5 에서 구동축이 저주파수에서 좌측에 나타나 있고 우측에는 고주파수 교란이 나타나 있으며, 자동차 기어축의 두 이의 연속적인 그라인딩은 중간에서 볼 수 있다. 시간 t 에서의 절단이 도 6 에 나타나 있는데, 이는 전형적인 주파수 스펙트럼을 보여준다.

도 5 에서 샘플, 특히 각 공정에 대해 특유한 아일랜드(island)를 확인할 수 있다. 이러한 샘플은 또한 결함에 대해서도 주어진다. 따라서 공정 단계는 샘플 확인으로 검출될 수 있고 예컨대 샘플로부터의 편차의 측정값을 확인해서 평가될 수 있으며, 결함이 또한 검출 및 확인될 수 있고(파손된 드릴, 공구 부재 등), 어떤 경우든 표준 거동과의 편차는 이미 기계가공 공정 중에 검출될 수 있다.

도 4, 5 또는 6 에 기초하여 비교 데이타 또는 경험적인 데이타와 비교하여 평가를 할 수 있고, 이 평가로부터 칩핑가공 공정에 대한 특징을 구할 수 있다. 이러한 목적으로 샘플 데이타베이스에서 주어지는 샘플을 사용할 수 있다. 샘플은 샘플 데이타베이스에 저장되거나 함수적으로 기술된 특징적인 표면부일 수도 있는데, 검출된 진동 스펙트럼에서 이러한 표면부의 존재 여부가 결정될 것이다.

도 7 및 도 8 은 도 1 의 기록된 전체 주파수 범위를 시간축에 투영한 것을나타내는데, 따라서 2차원적인 이미지가 얻어진다. 이들은 강재 부품에 대한 직접적으로 연속된 두 선삭 공정을 기록한 것이다. 도 7 은 마모된 공구의 사용중의 방출을 나타내고, 도 8 은 새로운 공구를 설치한 후의 방출을 나타낸다. 도 8 은 분명히 더 매끄럽고 특정 선삭 공정을 위한 기준으로 사용될 수 있으며, 이 기준에 대한 차이는 공구 및/또는 작업물을 평가하는데 사용될 수 있다. 이 예에서는 대응하는 기준 엔빌롭이 기록된 3차원 데이타 기록물의 자동 평가에서 검출된 영역 주위에 위치될 수 있다. 차, 평균값, 분산 등이 기계가공 공정, 공구 등의 질을 위한 판단 기준으로 사용될 수 있다.

진동 스펙트럼은 공구와 작업물뿐만 아니라 기계가공 속도, 기계가공 공구, 소모품(예컨대, 절삭유) 등에도 의존한다. 따라서 진동 스펙트럼은 또한 기계가공 공구나 소모품 등에 대한 정보도 제공해 줄 수 있다. 따라서 이 진동 스펙트럼은 기계가공 공구의 진동, 예컨대 200 Hz 로 조정될 수 있다.

상기 센서(2)는 기계 공구 및 작업물로 형성된 전체 시스템에 의존하는 비선형 주파수 응답을 포함할 것이다. 이 주파수 응답은 각 센서에 대해 개별적인 것이며 또한 그의 고정 토크, 시스템 공진, 기계 소음 등에도 의존하게 된다. 따라서 측정중에 특히 정기적인 보정이 적절하다. 이 보정은 센서(2)의 임펄스 방출과 임펄스 응답의 평가 결과에 따라 일어날 수 있다.

이하 일 실시 형태로서 균열의 검출에 대해 설명한다.

부품(예컨대, 휠)이 응력을 받고 있는 경우, 조직 기인 음향 신호의 광대역 실시간 모니터링을 사용해서 균열을 높은 신뢰성으로 검출할 수 있다.

주파수 검출 관찰을 통해 과부하 또는 조직 내의 피로 균열에 의해 야기되는 자발적 부품 손상 및 정상적인 작업 소음을 선택적으로 필터링할 수 있다.

각각의 조직 분리시에는 정상적인 공정 소음으로부터 분리될 수 있는 임펄스형 조직 기인 음향이 방출된다.

시간에 대한 바람직하게는 전체의 주파수 곡선을 실시간으로 관찰함으로써, 공정의 진행 중의 변동을 검출할 수 있고 또한 손상을 예방할 수 있도록 이러한 변동에 대한 정기적인 조치를 취할 수 있다.

손상이 일부러 야기되는 시험 장비와 같은 시스템에서는 정상적인 손상 진행의 발달을 관찰할 수 있다. 따라서, 나중에 손상의 정도를 평가할 수 있을 뿐만 아니라, 손상 형성의 시간 경과적인 진행 및 손상의 발달 중의 양적 상황을 평가할 수 있다.

검출된 진동 스펙트럼을 저장되어 있는 손상 샘플 및 표준 샘플과 비교하면, 주파수 범위가 이동 또는 변하거나 새로운(미리 알려져 있지 않은) 신호가 검출되더라도, 부품에서 발생 되는 손상에 대해 매우 다양하게 반응할 수 있으며 또는 편차(drift)를 처리할 수 있다.

이러한 다양한 반응과 확인은 초기에 확립된 주파수 분리나 주파수 필터링으로는 가능하지 않다.

본 발명은 또한 용접, 특히 레이저 용접의 경우에도 적용될 수 있다.

레이저를 사용하는 재료의 기계가공 중에 그 재료는 가열되고 따라서 조직 내의 응력이 변하게 된다. 이러한 유형의 각 응력 변화는 재료를 통해 퍼져나가는 압력파를 발생시키게 된다. 레이저 에너지에 의한 열변형의 결과로 인한 이러한 압력 변동은 본 발명에 따라 조직 기인 음향 센서로 검출되어 평가될 수 있다.

레이저 가공을 모니터링하는 광학 시스템이 현재 사용되고 있는데, 이 시스템은 작용 지점에서 반사된 빛을 측정하고 재료에서 실제 레이저 가공이 어떻게 이루어졌는지를 스펙트럼이나 세기(intensity)로부터 알려고 한다. 이것으로 만족스러운 결과를 항상 얻을 수 있는 것은 아닌데, 왜냐하면 복수의 재료가 서로 연결되어 있고 또한 침투 용접 공정, 즉 레이저 에너지에 의해 모든 부품에서 필요한 용융과 열 침투가 또한 일어났는지를 표면에서 반사되는 레이저 방출로는 확인할 수 없기 때문이다.

본 발명에 따르면, 부품이나 작업물에 있는 조직 기인 음향 센서를 사용해서 열적 가열의 결과로 인한 응력 변동이 그 부품에서 발생했는지를 검출할 수 있고 또한 용접 공정을 평가하기 위해 그 응력 변동을 해석할 수 있다.

레이저 빛에 의한 에너지 소비로 인해 조직 내에서 온도 변동이 생기게 되고따라서 압력 응력, 압력파 및 주파수가 변하게 되며, 이를 이용하면 조직 내에서의 열적 변화의 유형에 대한 결론을 얻을 수 있다. 그리하여 용접 에너지 및/또는 재료에 흡수된 에너지를 맵핑할 수 있다. 특히, 연결될 다수의 부품들의 불완전한 침투 용접, 과도한 에너지 전달로 인한 구멍의 형성 또는 레이저 비임의 실패와 같은 결함을 본 발명에 따른 진동 스펙트럼의 다차원적인 평가로 검출할 수 있다.

상기 진동 센서 또는 특히 음향 센서, 선택적으로는 다수의 음향 센서는 어떤 장치를 이용하여 작업물에 진동적으로 결합 될 수 있다. 센서(들)는 또한 홀딩 장치에 배치될 수 있는데, 이 홀딩 장치는 부품이나 작업물에 응력이 가해지는 중에 진동적으로 결합 되는 방식으로 그 부품이나 작업물과 접촉하게 된다.

본 발명에 따르면, 기계가공 공정, 특히 레이저 용접 공정의 공정 내 모니터링이 가능하게 되는데, 이 경우에는 질을 모니터링 및 평가하기 위한 다른 조치는 필요 없다.

본 발명은 또한 성형 공정을 모니터링 하는데도 적합하다.

솔리드 바디(solid body)의 각 성형 공정에서 부품에 응력이 도입되거나 단절된다. 이러한 힘의 변화는 부품과 공구를 통해 퍼져나가는 압력파를 야기하게 된다.

이들 압력파의 주파수는 성형 공정의 역학, 힘의 속도 및 또한 재료의 조직에 의존한다.

일반적으로 매우 높은 주파수가 발생 될 수 있다. 주파수와 시간에 관해 음향 방출을 분석하면, 성형 공정을 정확히 설명할 수 있으며 또한 실제로 각각의 특정 성형 공정의 지문을 형성할 수 있다. 이 예에서는 상이한 재료 특성과 공정의 진행으로 인해 변동이 있을 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 냉간 성형과 열간 성형 모두에 적용될 수 있다. 손상되었거나 파손되었거나 또는 결함이 있는 성형 공구와 같은 결함을 검출할 수 있다. 성형 공정 중에 변하는 부품의 강도, 그리스/윤활제와 같은 작업 물질의 부재 또는 변화된 특성 그리고 특히 열간 성형중의 온도 변화를 검출할 수 있다. 심지어 1 ℃ 의 작은 온도차도 성형 공정에서 상당한 변화를 야기할 수 있으며 그래서 성형 역학과 압력파 방출의 특성이 변할 수 있다.

진동 검출 동안에 부품이 성형 공정 중에 냉각되면, 재료의 응력 완화 또는 냉각 및 수축 과정과 조직 변태 과정이 또한 관찰 및 평가될 수 있으며, 냉각 공정에 대한 결론을 얻을 수 있다.

이는 진동, 특히 조직 변태 그 자체로 인해 생기는 조직 기인 음향 방출 및부품과 공구 사이의 힘에 의해 야기되고 체적 변화 중에 발생 되는 방출에도 적용된다.

본 발명에 따르면, 아주 일반적으로 기계가공 공정(냉각 단계 등을 포함해서) 중에 생기는 진동 스펙트럼을 사용해서 실제로 모든 기계가공 공정을 특히 자동화된 방식으로 관찰 및 평가할 수 있으며, 상기 스펙트럼은 전술한 바와 같이 표준 거동과 이로부터의 편차에 관한 특유한 특징을 포함한다. 위에서 예를 들어 설명한 칩핑가공, 용접 기반 및 성형 기계가공 공정 외에도, 본 발명은 결합 및 분리 공정에도 적용될 수 있다.

상이한 부분들은 각각의 결합 또는 분리 공정 중에 서로 상호작용하게 된다. 운동 중에 표면들은 서로 마찰되고 재료부들은 서로에 긁혀 분리되며 어떤 형태로든 힘이 발생 된다. 이들 각각의 작용에 의해 압력파가 발생 되어 당해 부품을 통해 전파되는데, 이 압력파는 각각의 결합 또는 분리 공정에 대해 특유한 것이며 전형화될 수 있다.

그러므로 결합 및 분리 공정을 상이한 특성들의 면에서 정량적으로 또한 정성적으로 평가할 수 있는데, 즉 특유한 특징을 규정하여 확인할 수 있다.

예컨대, 축을 소켓 내로 압입할 때(이 둘은 허용 공차를 가지고 제조됨), 음향 방출 압력파는 삽입력의 척도를 제공한다. 과도한 크기 또는 바람직하지 않은 허용 공차로 설계되면, 매우 강한 음향 신호가 발생 되는데, 이는 압입 공정에 결함이 있음을 나타내는 것일 수 있다. 본 발명에 따른 기록된 진동 스펙트럼의 다차원적인 평가로, 이들 결함을 예컨대 설정 샘플과의 비교로 확인할 수 있다. 상이한 표면 특성, 예컨대 과도한 표면 거칠기나 재료 변화도 진동 스펙트럼에서 특유한 특성을 포함하기 때문에 검출될 수 있다.

나사 결합 연결부는 주로 어떤 차이를 주지 않는다. 이 경우에도 표면들은 구동되어 서로에 가압되며 가해진 토크는 마찰 특성과 함께 음향 방출을 발생시키는데, 이는 전형화될 수 있고 나사 연결부를 정성적으로 평가하는데 사용될 수 있다.

전술한 점들은 분리 공정, 예컨대 소켓에서 핀의 제거, 압출, 나사 풀기, 절삭 등에도 적용될 수 있다.

일단 부품이나 작업물에 변화가 더 이상 일어나지 않으면 아주 일반적으로 기계가공 공정은 종료된다. 따라서 예컨대 성형 또는 결합 또는 용접 등의 경우, 예컨대 온도 변화로 발생하며 일단 부품이나 작업물에 대한 영향이 직접 끝난 경우에도 부품에 손상을 초래할 수 있는 응력을 결정하기 위해 진동 스펙트럼을 장시간에 걸쳐 분석할 수 있다.

Claims (20)

1. 부품의 사용 중에, 부품의 시험 중에 또는 칩핑가공, 용접, 성형, 결합 또는 분리 등에 의한 작업물(5)의 기계가공 중에 발생 되는 진동을 기록해서 평가하는 진동 분석 방법으로서,
   진동 스펙트럼을 상이한 시간에서 또는 (준)연속적으로 기록하고 부품, 작업물, 공구 또는 기계가공 공정의 정확한 평가를 위한 기초를 형성하는 다차원 평가하고,
   칩핑가공에 의한 기계가공의 경우, 기계가공되는 작업물(5)의 부품의 재료의 ㎛ 범위의 미세 입도와 칩핑가공 공정의 기계가공 속도에 대응하는 주파수 해상도를 사용해서 진동 스펙트럼을 기록하는 진동 분석 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 평가는 3차원적으로 수행되는 진동 분석 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 평가는 자동화된 방식으로 샘플 확인에 기초하여 수행되는 진동 분석 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 샘플 확인에서는 어떤 시간 기간에 걸쳐 기록된 진동 스펙트럼에서 샘플을 찾고, 이 샘플은 샘플 데이타베이스에 저장되거나 정의되는 진동 분석 방법.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 진동 스펙트럼의 엔빌롭을 형성하여 비교 엔빌롭과 비교하는 진동 분석 방법.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 진동 스펙트럼은 고 주파수에서 또는 광대역적으로 기록되거나 평가되는 진동 분석 방법.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 진동 스펙트럼은 주파수-시간 분석을 받는 진동 분석 방법.
8. 삭제
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 진동 스펙트럼은 주파수, 시간, 진폭의 변수 또는 이들의 함수를 써서 그래프로 도시되는 진동 분석 방법.
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 음향 센서(2)를 사용해서 진동 스펙트럼을 기록하는 진동 분석 방법.
11. 제 10 항에 있어서, 측정 전에 음향 센서(2)를 통해 음향 신호를 방출시키고 에코를 기록해서 이를 설정 에코와 비교하여 상기 음향 센서(2)를 보정하는 진동 분석 방법.
12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 평가는 실시간으로 수행되는 진동 분석 방법.
13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 기록된 진동 스펙트럼은 사용자에 의한 청각적 평가를 위해 가청 범위로 변환되는 진동 분석 방법.
14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 샘플의 손상 상태가 진동 스펙트럼에서 확인되는 진동 분석 방법.
15. 제 14 항에 있어서, 과부하 또는 피로 균열이 확인되는 진동 분석 방법.
16. 진동 분석을 수행하는 장치(1)로서,
    부품의 사용 중에, 부품의 시험 중에 또는 칩핑가공, 용접, 성형, 결합 또는 분리 등에 의한 작업물(5)의 기계가공 중에 발생 되는 진동 스펙트럼을 기록하는 센서(2)에 연결될 수 있고, 또한 상이한 시간에서 또는 (준)연속으로 기록된 진동 스펙트럼을 부품, 작업물, 공구 또는 기계가공 공정의 정확한 평가를 위한 기초를 형성하는 다차원 평가하기 위한 평가부(6)를 포함하고,
    칩핑가공에 의한 기계가공의 경우, 기계가공되는 작업물(5)의 부품의 재료의 ㎛ 범위의 미세 입도와 칩핑가공 공정의 기계가공 속도에 대응하는 주파수 해상도를 사용해서 진동 스펙트럼을 기록하는 진동 분석 장치.
17. 제 16 항에 있어서, 고 주파수 센서가 제공되어 조직 기인 음향 스펙트럼을 기록하는 진동 분석 장치.
18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서, 샘플 데이타베이스에 다차원 진동 샘플이 제공되어 있는 진동 분석 장치.
19. 제 16 항 또는 제 17 항에 따른 장치를 위한 샘플 데이타베이스를 포함하는 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체로서,
    샘플 데이타베이스는 부품의 사용 중에, 부품의 시험 중에 또는 칩핑가공, 용접, 성형, 결합 또는 분리 등에 의한 작업물(5)의 기계가공 중에 발생 되는 진동 스펙트럼의 영역에서의 특징에 다차원 진동 샘플을 포함하는, 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체.
20. 제 19 항에 있어서, 샘플 데이터베이스는, 작동중인 부품을 관찰하고, 부품을 시험하거나 칩핑가공, 용접, 성형, 결합 또는 분리 등에 의한 작업물(5)의 기계가공을 관찰하는데 사용되는, 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체.

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