KR101498999B1 - 절삭용 공구의 손상 검출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 절삭용 공구의 손상 검출장치에 관한 것으로서, 절삭물을 절삭하는 절삭용 공구의 손상 검출장치에 있어서, 피절삭물의 절삭하기 위해 피절삭물을 고정하는 고정홀더를 회전시키는 회전모터; 피절삭물을 절삭하는 절삭용 공구를 고정하는 홀더의 수직 또는 수평으로 이동시켜 절삭용 공구를 피절삭물로 이동을 도모하여 절삭을 수행하게 하는 수평모터와 수직모터; 상기 회전모터, 수평모터, 수직모터의 전류선에 각각 취부되어 전류선에 흐르는 전류값을 측정하여 아날로그 전압신호로 출력하는 홀센서; 상기 홀센서에서 출력되는 아날로그 전압신호를 디지털 신호로 변환하는 신호변환기; 상기 신호변환기에서 변환된 디지털 신호를 디스플레이하는 디스플레이수단;이 포함되어 이루어짐을 특징으로 하는 절삭용 공구의 손상 검출장치를 제공한다.
따라서 피절삭물과 절삭용 공구를 작동하는 회전모터, 수평모터, 수직모터들의 토크값에 따라 전류선에 흐르는 전류값을 측정하여 절삭용 공구의 손상을 검출하여 보다 간편하게 절삭용 공구의 손상에 대한 진단을 더욱 정확하게 하는 효과를 발휘한다.

Description

절삭용 공구의 손상 검출방법{Tool Failure Detection Method}

본 발명은 절삭용 공구의 손상 검출방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 피절삭물과 절삭용 공구를 작동하는 모터들의 토크값에 따라 전류선에 흐르는 전류값을 측정하여 마멸 및 파손 등 절삭용 공구의 손상을 검출하는 절삭용 공구의 손상 검출방법에 관한 것이다.

일반적으로 절삭가공을 도모하는 공작기계에 설치되어 사용되는 절삭용 공구는 절삭 가공과 함께 점차 손상되며, 계속되는 손상을 거쳐 최종적으로는 파손에 이르게 된다.

따라서 공작기계를 통한 절삭가공을 수행하는 과정에서 절삭용 공구의 손상은 필수적으로 수반되며, 절삭용 공구의 손상에 따른 적절한 공구의 교환은 공작기계를 이용한 절삭가공의 최적화를 위해 가장 중요한 요소 중 하나라고 할 수 있다.

즉, 손상된 절삭용 공구를 사용함으로서 가공물의 치수 정밀도는 물론 가공 표면의 품질을 저하시키게 되며, 공구의 돌발적인 손상은 가공물을 손상시켜 금전적인 손해를 발생시킬 뿐만 아니라, 특히 CNC 공작기계에서의 무인 가공을 어렵게 만드는 중요한 원인 중 하나이다.

따라서 생산시스템의 자동화, 생산성의 증대, 고품질을 생산하기 위해서는 절삭용 공구의 수명이 끝났을 때 적절한 절삭용 공구의 교환이 요구되고 있는 실정이다.

이러한 문제 해결을 위해, 절삭용 공구가 사용된 시간을 체크하고, 미리 설정된 사용 시간에 맞추어 절삭용 공구를 자동으로 교환되도록 하고 있으나 이러한 방식은 대량 생산 방식에서 절삭용 공구가 특정한 가공 조건에서만 사용하는 경우에 적용 가능한 방식이며, 매번 다른 모양의 부품을 가공하는 경우에 대해서는 적용이 불가능하며, 이러한 가공조건을 무시한 절삭용 공구의 교환은 경제성이 저하될 뿐만 아니라 절삭용 공구의 손상 및 가공품의 불량화를 야기시키는 문제점을 내포하고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 공구동력계(Tool Dynamometer)를 이용하여 측정하지만, 이는 각 기계마다 고가의 공구동력계를 필요로 하게 되어 근본적인 문제점의 해결과제가 되지 못하였다.

그리고 또 다른 방법으로는 가공물의 절삭작업시에 가공물의 가공 소음을 검출하여 공구의 손상과 마모를 감시하는 기술이 개발된 바 있으며, 이러한 가공물의 가공 소음을 검출하여 공구의 손상과 마모를 감시하는 대표적인 기술로는 공개특허 제10-2000-0012975호가 있다.

하지만 상기 공개특허 제2000-0012975호와 같이 가공물의 가공 소음을 전송받는 과정에서 신호의 왜곡, 손실, 그리고 외부잡음 등에 의한 신호가 정밀하지 못해 여전히 절삭용 공구의 교환시기를 산출해내지 못하는 단점이 여전히 존재하게 되었다.

대한민국 공개특허 제10-2000-0012975호(2000. 03. 06)

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 피절삭물과 절삭용 공구를 작동하는 모터들의 토크값에 따라 전류선에 흐르는 전류값을 측정하여 절삭용 공구의 손상을 검출하고, 상기 절삭용 공구의 손상이 검출되면 다시 CCM카메라로 다시 절삭용 공구의 손상을 모니터링하여 정밀한 절삭용 공구의 손상을 감지할 수 있어 생산시스템의 자동화와 더불어 생산성을 증대시키는 절삭용 공구의 손상 검출방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 절삭물을 절삭하는 절삭용 공구의 손상 검출장치에 있어서, 피절삭물의 절삭을 위해 피절삭물을 고정하는 고정홀더를 회전시키는 회전모터; 피절삭물을 절삭하는 절삭용 공구를 고정하는 홀더의 수직 또는 수평으로 이동시켜 절삭용 공구를 피절삭물로 이동을 도모하여 절삭을 수행하게 하는 수평모터와 수직모터; 상기 회전모터, 수평모터, 수직모터의 전류선에 각각 취부되어 전류선에 흐르는 전류값을 측정하여 아날로그 전압신호로 출력하는 홀센서; 상기 홀센서에서 출력되는 아날로그 전압신호를 디지털 신호로 변환하는 신호변환기; 상기 신호변환기에서 변환된 디지털 신호를 디스플레이하는 디스플레이수단;이 포함되어 이루어짐을 특징으로 하는 절삭용 공구의 손상 검출장치를 제공한다.

또한 상기 절삭용 공구의 여유면을 관찰 가능한 위치에 설치되어 제어부의 제어에 따라 절삭용 공구 여유면의 이미지를 전송하는 CCM카메라가 구성되고, 상기 CCM카메라에서 전송되는 절삭용 공구 여유면의 이미지가 디스플레이되는 디스플레이부가 구성됨을 특징으로 한다.

그리고 상기의 구성을 이용한 절삭용 공구의 손상 검출방법은, 상기 디스플레이부에 절삭공구의 여유면에 대한 최초 이미지를 저장함과 동시에 홀센서, 신호변환기, 디스플레이수단의 전원을 공급하여 작동하여 디스플레이수단을 통해 공구의 손상을 감지하는 모니터링단계; 상기 모니터링단계에서 디스플레이수단에 의해 절삭용 공구의 손상을 나타내는 데이터가 산출되면 제어부로 하여금 CCM카메라를 작동하는 작동단계; 상기 작동단계를 통해 CCM카메라가 작동되면 CCM카메라에서 전송되는 절삭용 공구 여유면의 이미지를 디스플레이부에 전송하고 CM카메라에서 전송되는 절삭용 공구 여유면의 이미지와 모니터링단계에서 디스플레이부에 저장된 절삭용 공구 여유면의 최초이미지를 각각 디스플레이하는 디스플레이단계;가 순차적으로 수행되어 이루어짐을 특징으로 한다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 피절삭물과 절삭용 공구를 작동하는 회전모터, 수평모터, 수직모터들의 토크값에 따라 전류선에 흐르는 전류값을 측정하여 절삭용 공구의 손상을 검출하여 보다 간편하게 절삭용 공구의 손상에 대한 진단을 더욱 정확하게 하는 효과가 있다.

또한 전류값에 의해 절삭용 공구의 손상이 확인되면 절삭용 공구의 손상 부위를 모니터링이 이루어지는 CCM카메라와 디스플레이부가 구성되기 때문에, 절삭용 공구의 손상 부위를 정밀하게 모니터링 할 수 있어 절삭용 공구가 공작기계에 장착된 상태에서 손상 정도를 보다 정확하게 측정하여 생산시스템의 자동화, 생산성의 증대, 고품질을 생산을 도모할 수 있는 효과가 있다.

또한 디스플레이부는 절삭용 공구의 최초 이미지와 CCM카메라에서 전송되는 절삭용 공구의 여유면의 이미지를 같이 디스플레이함으로서 보다 효율적이면서도 정밀한 절삭용 공구의 손상을 산출할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 형태를 나타내는 예시도,
도 2는 본 발명의 바람직한 형태를 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 절삭용 공구의 손상 검출방법을 나타내는 순서도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거하여 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 형태를 나타내는 예시도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 형태를 나타내는 구성도로서, 본 발명에 따른 절삭용 공구의 손상 검출장치는 절삭물을 절삭하는 절삭용 공구의 손상 검출장치에 있어서, 피절삭물의 절삭하기 위해 피절삭물을 고정하는 고정홀더를 회전시키는 회전모터와, 피절삭물을 절삭하는 절삭용 공구를 고정하는 홀더의 수직 또는 수평으로 이동시켜 절삭용 공구를 피절삭물로 이동을 도모하여 절삭을 수행하게 하는 수평모터와 수직모터가 포함되어 구성된다.

상기 회전모터, 수평모터, 수직모터의 전류선에 각각 취부되어 절삭용 공구로 하여금 절삭물을 절삭할 때 절삭용 공구에 부과되는 마찰력에 의하여 회전모터, 수평모터, 수직모터의 토크값에 따라 전류선에 흐르는 전류값을 측정하여 아날로그 전압신호로 출력하는 홀센서(10)가 포함되며, 상기 홀센서(10)로 하여금 회전모터, 수평모터, 수직모터의 전류값을 측정하는 것은 절삭용 공구을 이용한 절삭물의 절삭상태에서의 절삭부하를 측정하기 위함이다.

여기서 대부분의 절삭상태의 식별은 피절삭물이 고정된 고정홀더의 회전을 도모하는 회전모터의 전류를 활용하면 가능하지만 가공정밀도 및 표면 정도와 관련이 있는 절삭용 공구의 진동 등을 파악하기 위해 수평모터, 수직모터의 전류를 함께 측정하였다.

또한 기본적으로 회전모터, 수평모터와 수직모터의 구동전류량의 차이는 회전모터 25~40A였으며, 수평모터와 수직모터는 1~2A로 대략 20배 정도 차이를 가졌다. 회전모터에 대한 가감속의 크기는 구동전류량을 훨씬 넘는 80~100A정도로 나타났으며 수평모터와 수직모터에 대한 가감속의 크기는 10A미만에서 나타났다.

이에 따라 상기 홀센서(10)의 측정 가능한 전류의 범위가 0~20A 및 0~200A까지 두 가지 경우로 변환이 가능하여 사용하게 되었으며 확실도 또한 0.01%정도로 정밀도 또한 우수하게 측정된다.

그리고 상기 홀센서(10)에서 출력되는 아날로그 전압신호를 디지털 신호로 변환하는 신호변환기(20)가 포함되어 구성된다.

상기 신호변환기(20)는 홀센서(10)에서 출력되는 출력신호를 A/D컨버터를 통해 신호변환을 한 후 Software에서 데이터를 수집한다. 더욱 상세하게는 측정주파수와 측정시간을 설정하여 취득한 측정값에 대하여 실시간으로 그래프화시켜 측정데이터를 확인하지 않고 육안으로 확인할 수 있으며, 이를 데이터시트에 저장시켜 데이터 분석이 가능하도록 한다.

그리고 상기 신호변환기(20)에서 변환된 디지털 신호를 디스플레이하는 디스플레이수단(30)이 포함되어 구성된다.

상기의 구성으로 인하여 별도의 공구동력계(Tool Dynamometer)를 사용하지 않더라도 절삭용 공구의 교환시기가 감지되어 간편하게 절삭용 공구의 손상에 대한 진단을 더욱 정확하게 하여 양질의 가공제품을 생산해내는 효과를 가지게 되는 것이다.

한편, 본 발명에서는 이러한 효과를 입증하기 위해 공지의 공구동력계를 이용하여 절삭용 공구로 하여금 절삭물을 절삭할 때 절삭용 공구에 부과되는 마찰력에 의한 회전모터의 주분력, 수평모터의 이송분력, 수직모터의 배분력을 측정하며 나타나는 데이터와 상기 구성을 이용하여 회전모터, 수평모터, 수직모터의 토크값에 따라 전류선에 흐르는 전류값을 측정하여 나타난 데이터를 비교 분석하여 효용성을 살펴보기로 한다.

상기 표1, 2, 3은 절삭용 공구를 이용하여 절삭물의 절삭속도 변화에 따라 공구동력계와 본 발명의 전류값을 측정하여 나타난 데이터를 그래프화시켜 나타낸 것으로 더욱 상세하게는 표1은 공구동력계를 이용하여 절삭용 공구에 부과되는 마찰력에 의한 회전모터의 주분력 데이터와 본 발명의 회전모터의 토크값에 따라 전류선에 흐르는 전류값을 측정하여 나타난 데이터이고, 표2는 공구동력계를 이용하여 절삭용 공구에 부과되는 마찰력에 의한 수평모터의 이송분력 데이터와 본 발명의 수평모터의 토크값에 따라 전류선에 흐르는 전류값을 측정하여 나타난 데이터이며, 표3은 공구동력계를 이용하여 절삭용 공구에 부과되는 마찰력에 의한 수직모터의 배분력 데이터와 본 발명의 수평모터의 토크값에 따라 전류선에 흐르는 전류값을 측정하여 나타난 데이터이다.(상기 표1, 2, 3에 나타난 검은색 데이터는 공구동력계에 의한 데이터이고, 붉은색 데이터는 본 발명의 전류값에 대한 데이터이다.)

상기 표4는 절삭공구를 이용하여 절삭물의 절삭속도의 변화, 절삭공구의 이송속도의 변화, 절삭물에 대한 공구의 절삭깊이 변화, 절삭물의 단면 방향에 대한 절삭깊이의 변화, 절삭물의 단면 방향에 대한 절삭공구의 이송속도 변화 5가지 실험에 대한 회전모터의 전류값과 공구동력계의 데이터를 비교하여 서로 비례관계가 있음을 볼 수 있는 데이터이며, 표5는 절삭물의 절삭속도, 절삭공구의 이송속도, 절삭물에 대한 절삭공구의 절삭깊이 변화에 대한 수평모터, 수직모터의 전류값과 공구동력계의 데이터를 비교하여 서로 비례관계가 성립하는 것을 보여 주는 데이터이다.

상기 표1, 2, 3, 4, 5에 나타난 바와 같이 공구동력계의 데이터와 비교하여도 본 발명의 회전모터, 수평모터, 수직모터의 토크값에 따라 전류선에 흐르는 전류값을 측정하여 나타난 데이터는 절삭용 공구의 절삭속도에 따른 토크의 변화를 정밀히 산출할 수 있는 것을 증명한다.

상기 표6, 7은 절삭용 공구의 손상상황에 따른 공구동력계와 본 발명의 전류값을 측정하여 나타난 데이터를 그래프화시켜 나타낸 것으로, 표6은 절삭용 공구가 손상에 따른 공구동력계를 이용하여 절삭용 공구에 부과되는 마찰력에 의한 회전모터의 주분력 데이터와 본 발명의 회전모터의 토크값에 따라 전류선에 흐르는 전류값을 측정하여 나타난 데이터이고, 표7은 절삭용 공구가 손상에 따른 공구동력계를 이용하여 절삭용 공구에 부과되는 마찰력에 의한 수평모터의 이송분력 데이터와 본 발명의 수평모터의 토크값에 따라 전류선에 흐르는 전류값을 측정하여 나타난 데이터이다.(상기 표6, 7에 나타난 검은색 데이터는 공구동력계에 의한 데이터이고, 붉은색 데이터는 본 발명의 전류값에 대한 데이터이다.)

상기 표6, 7에 따라 절삭용 공구의 손상이 진행되면 부하가 증가되어 공구동력계와 동일하게 데이터의 전류값이 상승됨을 나타내어 절삭용 공구의 손상에 대한 정확한 감지를 할 수 있게 되는 것이다.

한편, 상기 홀센서(10)에는 홀센서(10)에서 출력되는 전원의 출력 전압을 증폭하고 잡음을 제거하는 전압증폭기(15)가 구성되어 상기 홀센서(10)에서 출력되는 출력신호에 대한 노이즈를 현저하게 감소시켜 홀센서(10)로 하여금 보다 정밀한 전류값을 측정하도록 한다.

여기서 절삭용 공구의 절삭력에 가장 큰 영향을 미치면서도 절삭용 공구의 손상을 가장 효과적으로 감지할 수 있는 방법으로는 절삭용 공구의 여유면을 관찰하여 모니터링하는 것이다.

이를 위해 상기 절삭용 공구의 여유면을 관찰하도록 설치되어 제어부(35)의 제어에 따라 작동됨으로서 절삭용 공구의 여유면의 이미지를 전송하는 CCM카메라(40)가 구성됨과 아울러 상기 CCM카메라(40)에서 전송되는 절삭용 공구 여유면의 이미지가 디스플레이되는 디스플레이부(50)가 구성된다.

상기 디스플레이부(50)는 절삭용 공구 여유면의 이미지를 원하는 각도로 디스플레이하는 기능과 디스플레이되는 부위의 확대기능을 구비되는 것이 바람직하다.

즉, 작업인원이 직접 절삭용 공구를 모니터링하여 절삭용 공구의 교환시기를 결정하게 되는 것이며, 이와 더불어 앞서 언급한 상기 홀센서(10)의 전류값측정에 의해 1차적으로 절삭용 공구의 손상이 감지된 상태에서 2차적으로 CCM카메라(40)와 디스플레이부(50)로 하여금 절삭용 공구의 손상 부위를 모니터링 할 수 있어 절삭용 공구가 공작기계에 장착된 상태에서 손상 정도를 보다 정확하게 측정하여 생산시스템의 자동화, 생산성의 증대, 고품질을 생산을 도모할 수 있는 효과를 가지게 되는 것이다.

한편 디스플레이부(50)는 절삭용 공구의 여유면에 대한 최초 이미지가 저장되며, 상기 저장된 최초이미지와 CCM카메라(40)에서 전송되는 절삭용 공구 여유면의 이미지를 비교 분석되도록 디스플레이되어 보다 효율적이면서도 정밀한 절삭용 공구의 손상을 판별할 수 있는 효과를 가지게 되는 것이다.

여기서 상기의 구성을 이용하여 본 발명에 따른 절삭용 공구의 손상 검출방법은, 도 3에 도시된 바와 같이 모니터링단계(S100) - 작동단계(S200)- 디스플레이단계(S300)가 순차적으로 수행되어 이루어지게 된다.

모니터링단계(S100)는 디스플레이부(50)에 절삭공구의 여유면에 대한 최초 이미지를 저장함과 동시에 홀센서(10), 신호변환기(20), 디스플레이수단(30)의 전원을 공급하여 작동하여 디스플레이수단(30)을 통해 공구의 손상을 감지하는 단계이다.

작동단계(S200)는 상기 모니터링단계(S100)에서 디스플레이수단(30)에 의해 절삭용 공구의 손상을 나타내는 데이터가 산출되면 제어부(35)로 하여금 CCM카메라(40)를 작동하는 단계이다.

디스플레이단계(S300)는 작동단계(S200)를 통해 CCM카메라(40)가 작동되면 CCM카메라(40)에서 전송되는 절삭용 공구 여유면의 이미지를 디스플레이부(50)에 전송하고 CM카메라(40)에서 전송되는 절삭용 공구 여유면의 이미지와 모니터링단계(S100)에서 디스플레이부(50)에 저장된 절삭용 공구 여유면의 최초이미지를 각각 디스플레이하는 단계이다.

따라서 작업인원이 디스플레이부(50)에서 디스플레이단계(S300)를 통해 전송된 CCM카메라(40)에서 전송되는 절삭용 공구 여유면의 이미지와 모니터링단계(S100)에서 디스플레이부(50)에 저장된 절삭용 공구 여유면의 최초이미지를 모니터링 및 비교 분석하여 절삭용 공구의 교환시기를 결정하게 되는 것이다.

10 : 홀센서 15 : 전압증폭기
20 : 신호변환기 30 : 디스플레이수단
35 : 제어부 40 : CCM카메라
50 : 디스플레이부

Claims (4)

1. 피절삭물의 절삭하기 위해 피절삭물을 고정하는 고정홀더를 회전시키는 회전모터; 피절삭물을 절삭하는 절삭용 공구를 고정하는 홀더의 수직 또는 수평으로 이동시켜 절삭용 공구를 피절삭물로 이동을 도모하여 절삭을 수행하게 하는 수평모터와 수직모터; 상기 회전모터, 수평모터, 수직모터의 전류선에 각각 취부되어 전류선에 흐르는 전류값을 측정하여 아날로그 전압신호로 출력하는 홀센서(10); 상기 홀센서(10)에서 출력되는 아날로그 전압신호를 디지털 신호로 변환하는 신호변환기(20); 상기 신호변환기(20)에서 변환된 디지털 신호를 디스플레이하는 디스플레이수단(30);이 포함되고, 상기 홀센서(10)에는 홀센서(10)에 공급되는 전원의 출력 전압을 증폭하는 전압증폭기(15)가 구성되고, 상기 절삭용 공구의 여유면을 관찰 가능한 위치에 설치되어 제어부(35)의 제어에 따라 절삭용 공구 여유면의 이미지를 전송하는 CCM카메라(40)가 구성되고, 상기 CCM카메라(40)에서 전송되는 절삭용 공구 여유면의 이미지가 디스플레이되며, 절삭용 공구 여유면의 이미지를 원하는 각도로 디스플레이하는 기능과 디스플레이되는 부위의 확대기능을 구비되는 디스플레이부(50)가 구성되고, 상기 디스플레이부(50)는 절삭용 공구의 여유면에 대한 최초 이미지가 저장되며, 상기 저장된 최초이미지와 CCM카메라(40)에서 전송되는 절삭용 공구 여유면의 이미지를 비교 분석되도록 디스플레이되는 절삭용 공구의 손상 검출장치를 이용한 절삭용 공구의 손상 감지방법에 있어서,
   상기 디스플레이부(50)에 절삭공구의 여유면에 대한 최초 이미지를 저장함과 동시에 홀센서(10), 신호변환기(20), 디스플레이수단(30)의 전원을 공급하여 작동하여 디스플레이수단(30)을 통해 공구의 손상을 감지하는 모니터링단계(S100);
   상기 모니터링단계(S100)에서 디스플레이수단(30)에 의해 절삭용 공구의 손상을 나타내는 데이터가 산출되면 제어부(35)로 하여금 CCM카메라(40)를 작동하는 작동단계(S200);
   상기 작동단계(S200)를 통해 CCM카메라(40)가 작동되면 CCM카메라(40)에서 전송되는 절삭용 공구 여유면의 이미지를 원하는 각도로 디스플레이하거나 디스플레이되는 부위를 확대시켜 디스플레이부(50)에 전송하고 CM카메라(40)에서 전송되는 절삭용 공구 여유면의 이미지와 모니터링단계(S100)에서 디스플레이부(50)에 저장된 절삭용 공구 여유면의 최초이미지를 각각 디스플레이하는 디스플레이단계(S300);
   가 순차적으로 수행되어 이루어짐을 특징으로 하는 절삭용 공구의 손상 검출방법.
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