KR101514147B1 - Chatter vibration control method of machine tool using destructive interference effects and apparatus thereof - Google Patents

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Abstract

An embodiment of the present invention relates to a method and an apparatus to control chatter vibration of a machine tool using destructive interference effects. A technical problem to be solved is to provide the method and apparatus to control the chatter vibration of the machine tool using the effects of destructive interference capable of improving the accuracy and roughness of a processed product by suppressing the chatter vibration which has the greatest effect on the processing quality among vibrations generated when processing a raw material in the machine tool. To achieve this, the present invention comprises: a sensing step which senses a chatter vibration signal of the machine tool; a signal analyzing and generating step which generates a control signal to suppress the chatter vibration by analyzing the chatter vibration signal obtained from the sensing step; and an excitation step which excites the machine tool using the control signal obtained from the signal analyzing and generating step.

Description

상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 및 그 장치{Chatter vibration control method of machine tool using destructive interference effects and apparatus thereof}[0001] The present invention relates to a method and apparatus for controlling chatter vibration of a machine tool using destructive interference effects,

본 발명의 일 실시예는 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 공작 기계에서 소재를 가공할 때에 발생하는 진동 중 가공 품질에 가장 큰 영향을 미치는 채터(Chatter) 진동을 억제하여 가공물의 정밀도와 조도를 향상시킬 수 있는 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 및 그 장치에 관한 것이다.One embodiment of the present invention relates to a method and apparatus for controlling chatter vibration of a machine tool using a destructive interference effect. Particularly, the present invention relates to a machine tool using a destructive interference effect that can improve chatter vibrations, which have the greatest influence on machining quality, among vibrations generated when machining a workpiece in a machine tool, And a method of controlling the chatter vibration of the chatter vibration.

일반적으로 공구(Tool)을 회전하는 주축에 부착하여 피삭재를 가공하는 형태의 공작 기계에서는 가공 공구나 피삭재에 절삭 저항에 의한 휨이 발생하기 쉽다. 그리고 이 휨에 기인하여 가공 공구나 피삭재에 진동이 야기된다. 이 진동이 채터링(재생 채터링을 포함)으로 되어 가공에 나타나는 경우가 있다. Generally, in a machine tool in which a tool is attached to a rotating main shaft to machine the workpiece, bending due to cutting resistance is likely to occur in the tool or the workpiece. And, due to this bending, vibration is caused in the machining tool and the workpiece. This vibration may be chattering (including chattering) and appearing in machining.

상기의 채터링을 억제하기 위하여 종래의 기술에서는 가공 및 미 가공 중에 발생하는 진동 신호를 취득하여 이를 채터 진동인지, 아닌지를 판단하고 이를 억제하기 위하여 회전하는 주축의 회전수(RPM)을 변경하는 방법을 사용하고 있다. (일본특허공개번호 2007-44852호 참조)In order to suppress the above-described chattering, in the conventional technique, a vibration signal generated during machining and non-machining is acquired and it is judged whether or not the vibration signal is chatter vibration and a method of changing the rotation number (RPM) . (See Japanese Patent Laid-Open No. 2007-44852)

도 1a 및 도 1b에서와 같이 종래의 기술에서 채터링을 억제하는 방법은 가공 공구의 회전이 개시될 때에 발생하는 진동을 검출하는 공정(S2)과, 회전 개시 시부터 검출되는 상기 진동이 한계치를 초과하는지 아닌지를 판단하는 공정(S3), 상기 진동이 한계치를 초과한다고 판단되었을 때, 진동을 푸리에 급수 전개에 의해 해석(S4~S20)하여, 주파수×60÷칼날수의 연산식으로부터, 기계 주축의 회전수를 조정하는 공정(S21)을 갖고 있다. 1A and 1B, a method for suppressing chattering in a conventional technique includes a step S2 of detecting vibration generated when the rotation of the tool is started, and a step S2 for detecting the vibration, (S4 to S20), the vibration is analyzed by the Fourier series expansion, and when it is judged that the vibration exceeds the limit value, the vibration is analyzed by the Fourier series expansion (S4 to S20) (Step S21).

상기 방법에 따른 공작 기계의 채터링 억제 방법 및 장치에서는, 회전 개시시부터 진동을 검출하여, 상기 진동을 푸리에 급수 전개에 의해 해석하고 있다. 푸리에 급수 전개는, 연산이 간단하고 신속한 처리가 가능하기 때문에 즉시성이 양호하게 향상되어, 실제로 채터링이 발생하기 전에, 채터링 진동을 예상할 수 있다. In the method and apparatus for suppressing chattering of a machine tool according to the above method, vibration is detected from the start of rotation and the vibration is analyzed by Fourier series expansion. The Fourier series expansion improves the immediacy because the calculation is simple and quick, and chattering vibration can be predicted before chattering actually occurs.

따라서, 회전 개시와 함께 진동이 0부터 성장하는 재생 채터링을 가급적 조기에 예상하는 것이 가능해 진다. 이에 의해, 실제로 채터링에 의한 영향이 발생하기 전에, 기계 주축의 회전수를 조정할 수 있어, 재생 채터링의 발생을 억제한다. Therefore, it becomes possible to anticipate regenerative chattering in which vibration starts from zero with the start of rotation as early as possible. Thereby, before the influence by the chattering actually occurs, the number of revolutions of the machine main shaft can be adjusted, thereby suppressing the occurrence of regeneration chattering.

종래의 방법에서 채터링 진동의 판단을 위한 구제척인 방법으로 수집된 진동 신호의 파워 스펙트럼을 10Hz 간격으로 주사하여 그 중의 피크치를 검색하는 조검색(S6)을 실시한다. 피크치가 있다고 판단되면, 조검색된 피크치의 전후 수십Hz를 1Hz마다 주사하여 정검색(S8)을 실시한다. 정검색에서 최대 피크인 주파수를 얻고, 이의 고조파 성분을 제거한 후 기본파의 주파수를 기준으로 회전수에 의한 진동인지, 칼날수에 의한 진동인지를 비교하며, 두 조건의 진동이 아닐 경우 채터 진동으로 판단하여 주파수×60÷칼날수의 연산식으로부터 주축의 회전수를 조정하게 된다. In the conventional method, a power spectrum of the collected vibration signal is scanned at intervals of 10 Hz by a remedy method for determining chattering vibration, and a search (S6) is performed to retrieve a peak value therefrom. If it is judged that there is a peak value, a predetermined search (S8) is performed by scanning several tens Hz before and after the retrieved peak value every 1 Hz. The frequency of the fundamental wave is compared with the frequency of the fundamental wave by the number of rotations and the number of the blades. And determines the number of rotations of the main shaft from the equation of frequency x 60 / blade count.

도 2에서와 같이 종래 채터 진동 억제 장치의 컨트롤러는 공작 기계에 진동 검출기를 부착하여 진동 신호를 입력받고 이를 컨트롤러에서 처리한 후 채터 억제를 위한 신호를 공작기계 제어 장치로 출력하는 구조를 갖고 있다. As shown in FIG. 2, the controller of the conventional chatter vibration suppression apparatus has a structure in which a vibration detector is attached to a machine tool, a vibration signal is input, a controller processes the vibration signal, and a chatter suppression signal is output to the machine tool control device.

진동 검출기는 가속도 센서와 음파를 취득하는 마이크로폰으로 구성되며, 검출기에서 수집된 신호는 앰프와 필터링 회로를 거쳐 채터링 억제 연산 유닛으로 전달 된다. 상기 컨트롤러 시스템은 가공 공구의 칼날 수나 회전수를 입력하기 위한 가공 조건 입력 유닛을 구비하고 있으며, 채터 진동 억제를 위한 회전수 변화량을 사용자에게 알려줄 수 있는 표시 유닛을 구비하고, 연산의 한계치를 표시하는 한계유닛 및 회전수 갱신치를 공작 기계 제어 장치로 출력하는 출력 유닛을 구비함을 특징으로 한다. The vibration detector consists of an acceleration sensor and a microphone that acquires a sound wave. The signal collected by the detector is transmitted to the chattering suppression computation unit via the amplifier and the filtering circuit. The controller system is provided with a machining condition input unit for inputting the number of blades and the number of revolutions of the machining tool and includes a display unit capable of informing the user of the change in the number of revolutions for suppressing chatter vibration, And an output unit for outputting the limit unit and the revolution number update value to the machine tool control device.

도 3에서는 공작 기계에 진동 가속도 센서가 부착되는 위치와 음파 신호를 수집하기 위한 마이크로폰의 개략적인 위치를 나타내고 있고, 채터 억제 제어 유닛과 공작 기계 제어 장치로의 회전 속도 갱신 신호의 흐름을 보여주고 있다.3 shows the position where the vibration acceleration sensor is attached to the machine tool and the approximate position of the microphone for collecting the sound signal, and shows the flow of the rotation speed update signal to the chatter suppression control unit and the machine tool control device .

종래 기술에서의 가장 큰 문제점은 채터 회피를 위하여 가공 중에 주축의 회전 속도를 변경하는 것이다. The biggest problem in the prior art is to change the rotational speed of the main shaft during machining to avoid chatter.

주축의 회전속도는 가공 품질과 조건 및 생산성을 고려하여 사용자가 결정하게 되는데 종래의 방식으로 채터 억제를 실시하게 되면, 사용자가 설정한 주축의 속도를 무시하고 임의로 회전 속도를 변경하여 가공을 진행하게 된다. The rotational speed of the main spindle is determined by the user in consideration of the machining quality, conditions, and productivity. When the chatter control is performed by the conventional method, the speed of the main spindle set by the user is ignored, do.

채터가 발생한 구간에 대해서는 가공 품질 측면에서 채터 회피 효과를 얻을 수 있지만, 회전 속도가 사용자가 설정한 설정치 보다 낮은 속도로 강제 변경되게 될 경우에는 가공 시간(Cycle time) 증가로 생산성에 악영향을 미치게 되며, 반대로 설정치 보다 높은 속도로 강제 변경되게 될 경우에 주축의 한계 속도보다 높게 설정될 가능성이 높으며, 이 경우에는 채터 회피 효과를 얻을 수 없게 된다. However, if the rotational speed is forcibly changed at a speed lower than the set value set by the user, the productivity is adversely affected due to an increase in the cycle time . On the contrary, when the speed is forcibly changed at a speed higher than the set value, it is highly likely that the speed is set higher than the critical speed of the main shaft. In this case, the chatter avoiding effect can not be obtained.

또한, 주축 회전 속도를 변경할 수 없는 특별한 가공 조건에서는 종래의 주축 회전 속도를 변경하여 채터를 회피하는 방법을 사용할 수 없다.Further, in a special processing condition in which the main shaft rotation speed can not be changed, a conventional method of avoiding chatter by changing the main shaft rotation speed can not be used.

가공 중 회전 속도 변경에 있어 문제점 중 하나는 일정 속도로 가공을 진행 할 때 보다 공구의 인서트의 마모가 광범위하게 그리고 불규칙적으로 발생한다는 것이다. 이는 공구 수명 예측을 어렵게 만들어 공구 교환시기를 설정하기 어렵게 하는 원인이 된다. 공작기계 운용에 있어 공구 교환이 적절한 시점에 이루어 지지 않으면 가공물의 불량이 증가하고, 곧 생산성의 악화로 이어진다. One of the problems in changing the rotational speed during machining is that the insert wear of the tool is widespread and irregular rather than machining at a constant speed. This makes it difficult to predict the tool life and makes it difficult to set the tool change timing. If tool replacement is not carried out at an appropriate point in machine tool operation, defects in workpieces will increase, leading to deterioration in productivity.

일본특허공개번호 2007-044852(2007.02.22)Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-044852 (February 22, 2007)

본 발명의 일 실시예는 공작 기계에서 소재를 가공할 때에 발생하는 진동 중 가공 품질에 가장 큰 영향을 미치는 채터(Chatter) 진동을 억제하여 가공물의 정밀도와 조도를 향상시킬 수 있는 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 및 그 장치를 제공한다.One embodiment of the present invention is a method of suppressing chatter vibration which has the greatest influence on the machining quality among vibrations generated when machining a workpiece in a machine tool, and using the destructive interference effect capable of improving the precision and roughness of the workpiece A method of controlling chatter vibration of a machine tool and a device therefor are provided.

본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법은 공작 기계의 채터 진동 신호를 센싱하는 센싱 단계; 상기 센싱 단계에서 얻은 채터 진동 신호를 분석하여 채터 진동 억제를 위한 억제 신호를 생성하는 신호 분석 및 생성 단계; 및 상기 신호 분석 및 생성 단계에서 얻은 억제 신호를 이용하여 상기 공작 기계를 가진시키는 가진 단계를 포함한다.A method of controlling chatter vibration of a machine tool using a destructive interference effect according to an embodiment of the present invention includes sensing a chatter vibration signal of a machine tool; A signal analysis and generation step of generating a suppression signal for chatter vibration suppression by analyzing the chatter vibration signal obtained in the sensing step; And an excitation step of exciting the machine tool using the suppression signal obtained in the signal analysis and generation step.

상기 가진 단계는 상기 채터 진동 신호와 동일한 가진 신호를 상기 공작 기계에 제공하되, 상기 가진 신호의 위상각이 상기 채터 진동 신호와 180도 다를 수 있다.The exciting step may provide the same excitation signal as the chatter oscillation signal to the machine tool, wherein the phase angle of the excitation signal may be 180 degrees different from the chatter oscillation signal.

상기 신호 분석 및 생성 단계는 상기 채터 진동 신호중 분석 가능한 주파수 영역만을 통과시키는 필터링 단계; 상기 필터링된 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환 단계; 상기 디지털 신호를 푸리에 변환 분석하는 푸리에 변환 분석 단계; 상기 푸리에 변환 분석된 신호를 이용하여 채터 진동수의 주파수 및 크기를 검출하는 채터 진동 검출 단계; 상기 채터 진동이 상쇄되도록 상기 채터 진동수의 주파수 및 크기와 동일하고, 위상차가 180도인 가진 신호를 생성하는 상 제어 단계; 및 상기 상 제어 단계로부터 얻은 위상차가 180도인 가진 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털 아날로그 변환 단계를 포함한다. 상기 채터 진동 검출 단계는 상기 공작 기계 중 주축대의 회전 속도에 의한 질량 불평형 진동 주파수 또는 설계 시 반영된 기계 요소에 의한 진동 주파수 성분을 제외한 주파수 대역의 진동 성분 중에서 미리 설정된 설정치보다 크게 진동 크기가 증가하거나 주파수가 이동하는 주파수를 채터링 성분으로 판정한다.Wherein the signal analysis and generation step comprises: a filtering step of passing only a frequency region that can be analyzed in the chatter vibration signal; An analog-to-digital conversion step of converting the filtered signal into a digital signal; A Fourier transform analysis step of performing Fourier transform analysis on the digital signal; A chatter vibration detecting step of detecting a frequency and a magnitude of the chatter frequency using the Fourier transform-analyzed signal; A phase control step of generating an excitation signal having the same frequency and magnitude as the chatter frequency and having a phase difference of 180 degrees so that the chatter vibration is canceled; And a digital-to-analog conversion step of converting the excitation signal having a phase difference of 180 degrees obtained from the phase control step into an analog signal. Wherein the chatter vibration detection step includes a step of detecting a chatter vibration of the machine tool, the vibration amplitude of which is larger than a preset value among vibration components of a frequency band excluding a vibration unbalance frequency caused by a mechanical element reflected at a design, As a chattering component.

상기 센싱 단계에서 센서는 공작 기계의 주축과 공구대 또는 테이블에 부착되어 진동 가속도를 센싱할 수 있다.In the sensing step, the sensor may be attached to the main shaft of the machine tool and the tool table or table to sense the vibration acceleration.

상기 가진 단계에서 가진기는 공작 기계의 주축, 테이블 또는 공구대에 부착되어 가진 신호를 제공할 수 있다.The exciter in the exciting step may provide a signal attached to the spindle, table or tool rest of the machine tool.

본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 장치는 공작 기계의 채터 진동 신호를 센싱하는 센싱부; 상기 센싱부에서 얻은 채터 진동 신호를 분석하여 채터 진동 억제를 위한 억제 신호를 생성하는 신호 분석 및 생성부; 및 상기 신호 분석 및 생성부에서 얻은 억제 신호를 이용하여 상기 공작 기계를 가진시키는 가진부를 포함한다.An apparatus for controlling chatter vibration of a machine tool using a destructive interference effect according to an embodiment of the present invention includes a sensing unit sensing a chatter vibration signal of a machine tool; A signal analysis and generation unit for analyzing the chatter vibration signal obtained by the sensing unit to generate a suppression signal for chatter vibration suppression; And an excitation unit for exciting the machine tool using the suppression signal obtained from the signal analysis and generation unit.

상기 가진부는 상기 채터 진동 신호와 동일한 가진 신호를 상기 공작 기계에 제공하되, 상기 가진 신호의 위상각이 상기 채터 진동 신호와 180도 다를 수 있다.The excitation unit may provide the same excitation signal as the chatter oscillation signal to the machine tool, and the phase angle of the excitation signal may be 180 degrees different from the chatter oscillation signal.

상기 신호 분석 및 생성부는 상기 채터 진동 신호중 분석 가능한 주파수 영역만을 통과시키는 필터링부; 상기 필터링된 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부; 상기 디지털 신호를 푸리에 변환 분석하는 푸리에 변환 분석부; 상기 푸리에 변환 분석된 신호를 이용하여 채터 진동수의 주파수 및 크기를 검출하는 채터 진동 검출부; 상기 채터 진동이 상쇄되도록 상기 채터 진동수의 주파수 및 크기와 동일하고, 위상차가 180도인 가진 신호를 생성하는 위상 제어부; 및 상기 위상 제어부로부터 얻은 위상차가 180도인 가진 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털 아날로그 변환부를 포함한다. 상기 채터 진동 검출부는 상기 공작 기계 중 주축대의 회전 속도에 의한 질량 불평형 진동 주파수 또는 설계 시 반영된 기계 요소에 의한 진동 주파수 성분을 제외한 주파수 대역의 진동 성분 중에서 미리 설정된 설정치보다 크게 진동 크기가 증가하거나 주파수가 이동하는 주파수를 채터링 성분으로 판정할 수 있다.Wherein the signal analyzing and generating unit includes: a filtering unit for passing only a frequency region that can be analyzed in the chatter vibration signal; An analog-digital converter for converting the filtered signal into a digital signal; A Fourier transform analysis unit for Fourier transforming and analyzing the digital signal; A chatter vibration detector for detecting the frequency and magnitude of the chatter frequency using the Fourier transform-analyzed signal; A phase controller for generating an excitation signal having the same frequency and magnitude as the chatter frequency and having a phase difference of 180 degrees so that the chatter vibration is canceled; And a digital-analog converter for converting the excitation signal having a phase difference of 180 degrees obtained from the phase controller into an analog signal. The chatter vibration detecting unit may increase the vibration magnitude or increase the frequency of the mass unbalance vibration frequency due to the rotational speed of the main shaft of the machine tool or a predetermined value among the vibration components of the frequency band excluding the vibration frequency component caused by the mechanical elements reflected at the design The moving frequency can be determined as a chattering component.

상기 센싱부에서 센서는 공작 기계의 주축과 공구대 또는 테이블에 부착되어 진동 가속도를 센싱할 수 있다.In the sensing unit, the sensor may be attached to the main shaft of the machine tool and the tool table or the table to sense the vibration acceleration.

상기 가진부에서 가진기는 공작 기계의 주축, 테이블 또는 공구대에 부착되어 가진 신호를 제공할 수 있다.The vibrating part of the vibrating part may provide a signal attached to the main shaft of the machine tool, the table or the tool rest.

본 발명의 일 실시예는 공작 기계에서 소재를 가공할 때에 발생하는 진동 중 가공 품질에 가장 큰 영향을 미치는 채터(Chatter) 진동을 억제하여 가공물의 정밀도와 조도를 향상시킬 수 있는 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 및 그 장치를 제공한다.One embodiment of the present invention is a method of suppressing chatter vibration which has the greatest influence on the machining quality among vibrations generated when machining a workpiece in a machine tool, and using the destructive interference effect capable of improving the precision and roughness of the workpiece A method of controlling chatter vibration of a machine tool and a device therefor are provided.

도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 공작 기계의 채터 진동 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 공작 기계의 채터 진동 제어 장치를 도시한 블럭도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 공작 기계에서 가속도 센서 및 마이크로폰의 설치 위치를 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 장치를 도시한 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 중 채터 감지 방법을 도시한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 중 위상 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 중 디지털 아날로그 변환부의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계(선반)의 채터 진동의 제어 장치의 구성을 도시한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계(밀링)의 채터 진동의 제어 장치의 구성을 도시한 개략도이다.
1A and 1B are flowcharts showing a chatter vibration control method of a conventional machine tool.
2 is a block diagram showing a chatter vibration control apparatus of a conventional machine tool.
3 is a schematic view showing an installation position of an acceleration sensor and a microphone in a conventional machine tool.
4 is a block diagram illustrating an apparatus for controlling chatter vibration of a machine tool using a destructive interference effect according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart illustrating a chatter detection method in a method of controlling chatter vibration of a machine tool using a destructive interference effect according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a flowchart showing a phase control method in a method of controlling chatter vibration of a machine tool using a destructive interference effect according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a flowchart illustrating a control method of a digital-analog converter in a method of controlling chatter vibration of a machine tool using a destructive interference effect according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic view showing a configuration of an apparatus for controlling chatter vibration of a machine tool (lathe) using a destructive interference effect according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic view showing a configuration of an apparatus for controlling chatter vibration of a machine tool (milling) using a destructive interference effect according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.The embodiments of the present invention are described in order to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following embodiments may be modified into various other forms, The present invention is not limited to the embodiment. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be more faithful and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.

또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.In the following drawings, thickness and size of each layer are exaggerated for convenience and clarity of description, and the same reference numerals denote the same elements in the drawings. As used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the listed items.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. As used herein, the singular forms "a," "an," and "the" include singular forms unless the context clearly dictates otherwise. Also, " comprise "and / or" comprising "when used herein should be interpreted as specifying the presence of stated shapes, numbers, steps, operations, elements, elements, and / And does not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, operations, elements, elements, and / or groups.

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
Although the terms first, second, etc. are used herein to describe various elements, components, regions, layers and / or portions, these members, components, regions, layers and / It is obvious that no. These terms are only used to distinguish one member, component, region, layer or section from another region, layer or section. Thus, a first member, component, region, layer or section described below may refer to a second member, component, region, layer or section without departing from the teachings of the present invention.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 장치를 도시한 블럭도이다.4 is a block diagram illustrating an apparatus for controlling chatter vibration of a machine tool using a destructive interference effect according to an embodiment of the present invention.

고속으로 회전하는 공작 기계에서는 공구(Tool)나 소재 가공시 발생하는 절삭력에 의한 진동이 발생하기 쉬우며, 이 진동은 재생 채터링으로 성장하여 소재 가공 시 지속적인 진동의 영향을 주게 된다. In a machine tool rotating at a high speed, vibration due to a cutting force generated during tooling or material processing is likely to occur, and this vibration grows as recycling chattering, which causes continuous vibration during material processing.

이에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 장치(100)는 공작 기계의 채터 진동 신호를 센싱하는 센싱부(110); 센싱부(110)에서 얻은 채터 진동 신호를 분석하여 채터 진동 억제를 위한 억제 신호를 생성하는 신호 분석 및 생성부(120); 및, 신호 분석 및 생성부(120)에서 얻은 억제 신호를 이용하여 공작 기계를 가진(加振)시키는 가진부(130)를 포함한다. 즉, 본 발명은 채터 진동 주파수와 동일한 진동을 공구나 워크(Work)에 강제로 입력하되, 그 위상각이 180도 차이나게 하여, 상쇄 간섭 효과에 의하여 채터 진동의 진폭을 감소시키거나 제거한다. 이러한 본 발명의 구성 및 동작에 대해 좀더 구체적으로 설명한다.Accordingly, as shown in FIG. 4, an apparatus 100 for controlling chatter vibration of a machine tool using a destructive interference effect according to the present invention includes a sensing unit 110 for sensing a chatter vibration signal of a machine tool; A signal analysis and generation unit 120 for analyzing the chatter vibration signal obtained by the sensing unit 110 to generate a suppression signal for chatter vibration suppression; And an excitation unit 130 for exciting the machine tool using the suppression signal obtained from the signal analysis and generation unit 120. [ That is, the present invention forcibly inputs a vibration equal to the chatter vibration frequency to a tool or a work, the phase angle of which is different by 180 degrees, and the amplitude of the chatter vibration is reduced or eliminated by the destructive interference effect. The construction and operation of the present invention will be described in more detail.

센싱부(110)는 상술한 바와 같이 공작 기계의 채터 진동 신호를 센싱하며, 이를 위해 센서(111)를 포함한다. 센서(111)는 공작 기계의 주축과 공구대 및/또는 테이블 등에 부착되어 진동 가속도를 센싱한다. 더불어 센서(111)의 설치 위치는 상술한 위치로 한정되지 않으며, 센서(111)는 공작 기계의 형태에 따라 가장 신뢰성 있는 진동 신호를 수집할 수 있는 위치에 설치될 수 있다.The sensing unit 110 includes a sensor 111 for sensing the chatter vibration signal of the machine tool as described above. The sensor 111 is attached to the main shaft of the machine tool and the tool rest and / or the table to sense the vibration acceleration. In addition, the mounting position of the sensor 111 is not limited to the above-described position, and the sensor 111 can be installed at a position where the most reliable vibration signal can be collected according to the shape of the machine tool.

신호 분석 및 생성부(120)는 센싱부(110)에서 얻은 채터 진동 신호를 분석하여 채터 진동 억제를 위한 억제 신호를 생성한다. 이러한 신호 분석 및 생성부(120)는 경우에 따라 DSP 보드(Digital Signal Processor board)로 지칭될 수 있다.The signal analysis and generation unit 120 analyzes the chatter vibration signal obtained from the sensing unit 110 and generates a suppression signal for chatter vibration suppression. The signal analysis and generation unit 120 may be referred to as a DSP (Digital Signal Processor) board.

또한, 신호 분석 및 생성부(120)는 필터링부(121), 아날로그 디지털 변환부(122), 푸리에 변환 분석부(123), 채터 진동 검출부(124), 위상 제어부(126), 디지털 아날로그 변환부(125)를 포함한다.The signal analysis and generation unit 120 includes a filtering unit 121, an analog-digital conversion unit 122, a Fourier transform analysis unit 123, a chatter vibration detection unit 124, a phase control unit 126, (125).

필터링부(121)는 센서(111)로부터 얻은 채터 진동 신호중 분석 가능한 주파수 영역만을 통과시킨다. 여기서, 채터 진동 신호는 아날로그 신호이다.The filtering unit 121 allows only the frequency domain of the chatter vibration signal obtained from the sensor 111 to pass through. Here, the chatter vibration signal is an analog signal.

아날로그 디지털 변환부(122)는 필터링부(121)에서 얻은 필터링된 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다. 이러한 아날로그 디지털 변환부(122)는 미리 정해진 분해능과 샘플링 속도를 가지며, 상술한 필터링된 채터 진동 신호를 양자화한다.The analog-to-digital converter 122 converts the filtered signal obtained by the filtering unit 121 into a digital signal and outputs the digital signal. The analog-to-digital converter 122 has a predetermined resolution and a sampling rate, and quantizes the filtered chatter vibration signal.

푸리에 변환 분석부(123)는 아날로그 디지털 변환부(122)에서 얻은 디지털 신호를 고속 푸리에 변환하여 분석한다. 여기서, 푸리에 변환 분석된 신호는 하기할 채터 진동 검출부(124) 및 디지털 아날로그 변환부(125)에 각각 전송된다.The Fourier transform analysis unit 123 performs fast Fourier transform on the digital signal obtained from the analog-to-digital converter 122 and analyzes it. Here, the Fourier transform-analyzed signal is transmitted to the chatter vibration detection unit 124 and the digital-analog conversion unit 125, respectively.

여기서, 상술한 센서(111)로부터 푸리에 변환 분석부(123)까지의 동작은 실시간(real time)으로 이루어진다.Here, the operations from the sensor 111 to the Fourier transform analysis unit 123 are performed in real time.

채터 진동 검출부(124)는 푸리에 변환 분석된 신호를 이용하여 채터 진동수(주파수) 및 크기를 검출한다. 즉, 채터 진동 검출부(124)는 공작 기계 중 주축대의 회전 속도에 의한 질량 불평형 진동 주파수 및/또는 설계 시 반영된 기계 요소에 의한 진동 주파수 성분을 제외한 주파수 대역의 진동 성분 중에서 미리 설정된 설정치보다 크게 진동 크기가 증가하거나 주파수가 이동하는 주파수를 채터링 성분으로 판정하여 검출한다. 여기서, 채터링 성분으로 판정된 주파수는 1개 또는 그 이상일 수 있다. 더불어, 이와 같이 검출된 해당 주파수의 값과 크기는 위상 제어부(126)로 전송된다. 이러한 채터 진동 검출부(124)의 동작은 도 5에 도시되어 있으며, 이는 아래에서 더욱 상세하게 설명한다.The chatter vibration detecting unit 124 detects the chatter frequency (frequency) and the magnitude using the Fourier transform-analyzed signal. That is, the chatter vibration detection unit 124 detects the vibration amplitude of the vibration amplitude component of the vibration amplitude component of the vibration component of the frequency band excluding the vibration component of the mass unbalanced vibration due to the mechanical element reflected at the design and / Or a frequency at which the frequency moves is determined as a chattering component and detected. Here, the frequency determined as a chattering component may be one or more. In addition, the value and magnitude of the detected frequency are transmitted to the phase controller 126. The operation of the chatter vibration detector 124 is shown in FIG. 5, which will be described in more detail below.

위상 제어부(126)는 채터 진동이 상쇄되도록 상술한 채터 진동수의 주파수 및 크기와 동일하고, 위상차는 180도인 가진 신호(억제 신호)를 생성하여 출력한다. 일례로, 위상차 180도 만큼의 시간 지연(time delay)을 기본 정현파 신호에 삽입하여 완전한 한 주기를 갖는 데이터 스트림(data stream)을 생성하며, 이러한 데이터 스트림은 배열(structure) 구조에 연속적인 디지털 값의 집합으로 이루어질 수 있다. 이러한 위상 제어부(126)의 동작은 도 6에 도시되어 있으며, 이는 아래에서 더욱 상세하게 설명한다.The phase control unit 126 generates and outputs an excitation signal (suppression signal) equal to the frequency and magnitude of the chatter frequency described above so that the chatter vibration is canceled, and the phase difference is 180 degrees. For example, a time delay of 180 degrees of phase difference is inserted into a fundamental sinusoidal signal to produce a data stream having a complete period, which data sequence has a continuous digital value As shown in FIG. The operation of this phase control unit 126 is shown in Figure 6, which is described in more detail below.

디지털 아날로그 변환부(125)는 위상 제어부(126)로부터 얻은 위상차가 180도인 가진 신호를 아날로그 신호로 변환하여, 가진부(130)로 출력한다. 여기서, 신호 분석 및 생성부(120)는 채터 진동 검출부(124)로 입력되는 프리에 변환 분석 결과를 피드백으로 이용하여 디지털 아날로그 변환부(125)에 의한 출력 전,후 값을 비교하여 미리 설정한 비율에 가까워질 때까지 제어 루프 안에서 제어가 수행되도록 한다. 이러한 디지털 아날로그 변환부(125)의 동작은 도 7에 도시되어 있으며, 이는 아래에서 더욱 상세하게 설명한다.The digital-to-analog converter 125 converts the excitation signal having the phase difference of 180 degrees obtained from the phase controller 126 into an analog signal, and outputs the analog signal to the exciter 130. [ Here, the signal analysis and generation unit 120 compares the pre- and post-output values of the output from the digital-analog converter 125 using the results of the pre-conversion analysis input to the chatter vibration detection unit 124 as a feedback, So that control is performed in the control loop. The operation of the digital-to-analog converter 125 is shown in FIG. 7, which will be described in more detail below.

가진부(130)는 신호 분석 및 생성부(120)에서 얻은 억제 신호를 이용하여 공작 기계를 가진시켜 채터 진동이 제거되도록 한다. 즉, 가진부(130)는 채터 진동 신호와 동일한 가진 신호를 공작 기계에 제공하되, 가진 신호의 위상각이 채터 진동 신호와 180도 다르도록 한다. 실질적으로, 이러한 가진부(130)는 증폭기(131)와 가진기(132)를 포함하며, 증폭기(131)는 억제 신호를 증폭하고, 가진기(132)는 실제로 공작 기계를 가진시킨다. 가진부(130)에서 가진기(132)는 공작 기계(선반, 밀링)의 주축, 테이블 및/또는 공구대에 부착되어 가진 신호를 제공할 수 있다. 더불어, 필요에 따라 가진기(132)는 선반의 공구대나 밀링의 테이블에 부착되어, 180도 위상차를 갖는 가진 주파수에 의해 상쇄 간섭을 일으켜 채터 진동이 감소 또는 제거되도록 한다.The excitation unit 130 excites the machine tool using the suppression signal obtained from the signal analysis and generation unit 120, thereby eliminating the chatter vibration. That is, the excitation unit 130 provides the same excitation signal as the chatter oscillation signal to the machine tool, so that the phase angle of the excitation signal is 180 degrees different from the chatter oscillation signal. Substantially, this excitation 130 includes an amplifier 131 and a exciter 132 which amplifies the suppression signal and exciter 132 actually energizes the machine tool. The machine 132 in the exciter 130 may provide a signal attached to the spindle, table, and / or tool rest of a machine tool (lathe, mill). In addition, as necessary, the exciter 132 is attached to the table of the tool or milling of the lathe, causing destructive interference by the excitation frequency having a 180 degree phase difference, thereby reducing or eliminating chatter vibrations.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 중 채터 감지 방법을 도시한 순서도이다.FIG. 5 is a flowchart illustrating a chatter detection method in a method of controlling chatter vibration of a machine tool using a destructive interference effect according to an embodiment of the present invention.

채터 진동 검출부(124)는 일례로, 1Hz 간격으로 푸리에 변환 분석 결과를 입력받으며, 모든 피크 주파수를 검색한다. The chatter vibration detection unit 124 receives Fourier transform analysis results at intervals of 1 Hz, for example, and searches for all peak frequencies.

또한, 채터 진동 검출부(124)는 피크 주파수 중에서 알려지지 않은 주파수가 있는지 판단한다. 채터 진동 검출부(124)는 만약, 알려지지 않은 주파수가 있다면, 이러한 알려지지 않은 주파수를 추적한다. In addition, the chatter vibration detection unit 124 determines whether there is an unknown frequency among the peak frequencies. The chatter vibration detector 124 tracks this unknown frequency if there is an unknown frequency.

채터 진동 검출부(124)는 알려지지 않은 주파수의 크기가 커지고 있는지 판단한다. 알려지지 않은 주파수의 크기가 커지고 있다면, 채터 진동 검출부(124)는 채터 진동이 존재하는 것으로 판정하고, 알려지지 않은 주파수의 크기가 커지고 있지 않다면, 이러한 알려지지 않은 주파수가 푸리에 변환 분석 범위의 오차 범위 이상으로 이동하는지 판단한다. 알려지지 않은 주파수가 푸리에 변환 분석 범위의 오차 범위 이상으로 이동한다면, 채터 진동 검출부(124)는 채터 진동이 존재하는 것으로 판정한다.The chatter vibration detection unit 124 determines whether the unknown frequency magnitude increases. If the magnitude of the unknown frequency is large, the chatter vibration detector 124 determines that chatter vibration exists, and if the unknown frequency does not increase in size, the unknown frequency shifts beyond the error range of the Fourier transform analysis range . If the unknown frequency shifts beyond the error range of the Fourier transform analysis range, the chatter vibration detecting section 124 determines that chatter vibration exists.

채터 진동 검출부(124)는 주파수에서 배수 성분(즉, 하모닉(Harmonic))이 있는지 판단하고, 배수 성분이 있다면 배수 성분을 삭제한다. 그리고, 채터 진동 검출부(124)는 위상 제어부(126)에 해당 주파수 값 및 크기를 전송한다. 또한, 채터 진동 검출부(124)는 주파수에 배수 성분이 없을 경우, 상술한 바와 같이 해당 주파수 값 및 크기를 위상 제어부(126)에 그대로 전송한다.The chatter vibration detection unit 124 determines whether there is a drain component (i.e., harmonic) in frequency, and deletes the drain component if there is a drain component. The chatter vibration detection unit 124 transmits the frequency value and the magnitude to the phase control unit 126. If there is no drain component in the frequency, the chatter vibration detector 124 transmits the frequency value and the magnitude to the phase controller 126 as it is, as described above.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 중 위상 제어 방법을 도시한 순서도이다.FIG. 6 is a flowchart showing a phase control method in a method of controlling chatter vibration of a machine tool using a destructive interference effect according to an embodiment of the present invention.

위상 제어부(126)는 입력된 주파수가 1개 이상인지 판단하여, 1개 이상일 경우 τ(지연시간)=1/f(주파수)의 공식에 의해, 180도 위상차를 만드는 n개의 지연 시간(delay time)을 계산한다. 또한, 위상 제어부(126)는 Y=A·sin(ωt)에 의해 n개의 정현파형을 생성한다. 또한, 위상 제어부(126)는 계산된 지연 시간만큼 각각의 정현파형을 쉬프트(shift)하고, 쉬프트된 n개의 정현파를 합산(sum)하여 데이터 스트림(data stream)을 생성한다. 또한, 위상 제어부(126)는 상술한 데이터 스트림을 디지털 아날로그 변환부(125)에 전송한다. 여기서, n은 자연수, Y는 가진 신호값, A는 진폭, ω는 각진동수, t는 시간이다.The phase control unit 126 determines whether the input frequency is equal to or more than 1, and if the frequency is equal to or more than 1, the phase control unit 126 calculates n delay times (delay time) ). Further, the phase control unit 126 generates n sinusoidal waveforms by Y = A sin (t). The phase control unit 126 shifts each sinusoidal waveform by the calculated delay time and sums the shifted n sinusoidal waves to generate a data stream. Further, the phase control section 126 transmits the above-described data stream to the digital-analog conversion section 125. [ Here, n is a natural number, Y is a signal value, A is amplitude, ω is angular frequency, and t is time.

더불어, 위상 제어부(126)는 입력된 주파수가 1개 이상이 아닐 경우, Y=A·sin(ωt)에 의해 데이터 스트림을 생성한다. 또한, 위상 제어부(126)는 τ=1/f의 공식에 의해, 180도 위상차를 만드는 n개의 지연 시간(delay time)을 계산한다. 더불어, 위상 제어부(126)는 지연 시간 및 데이터 스트림을 디지털 아날로그 변환부(125)에 전송한다In addition, if the input frequency is not more than one, the phase control unit 126 generates a data stream by Y = A sin (t). In addition, the phase control unit 126 calculates n delay times to make a phase difference of 180 degrees by a formula of? = 1 / f. In addition, the phase control unit 126 transmits the delay time and the data stream to the digital-analog converter 125

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 중 디지털 아날로그 변환부의 제어 방법을 도시한 순서도이다.FIG. 7 is a flowchart illustrating a control method of a digital-analog converter in a method of controlling chatter vibration of a machine tool using a destructive interference effect according to an embodiment of the present invention.

디지털 아날로그 변환부(125)는 상술한 위상 제어부(126)로부터 입력받은 신호 또는 정보로부터 지연 시간 정보가 있는지 판단한다.The digital-to-analog converter 125 determines whether there is delay time information from the signal or information received from the phase controller 126.

디지털 아날로그 변환부(125)는 억제 신호의 출력 전에 상술한 푸리에 변환 분석부(123)로부터 푸리에 변환 분석값을 입력받고, 상술한 지연 시간을 적용하여 억제 신호를 출력한다.The digital-analog converter 125 receives the Fourier transform analysis value from the Fourier transform analysis unit 123 before outputting the suppression signal, and outputs the suppression signal by applying the delay time described above.

또한, 디지털 아날로그 변환부(125)는 억제 신호의 출력 후 다시 푸리에 변환 분석부(123)로부터 푸리에 변환 분석값을 입력받고, 출력 전,후의 주파수 크기가 미리 설정된 기준치 이하인지 판단한다.Also, the digital-analog converter 125 receives the Fourier transform analysis value from the Fourier transform analysis unit 123 after outputting the suppression signal, and determines whether the frequency magnitude before and after the output is equal to or less than a preset reference value.

디지털 아날로그 변환부(125)는 출력 전,후의 주파수 크기가 미리 설정된 기준치 이하일 경우 출력을 유지하고, 출력 전,후의 주파수 크기가 기준치 이하가 아닐 경우 지연 시간을 변경할 수 있도록, 상술한 디지털 아날로그 변환부(125)에 의한 출력 전 푸리에 변환 분석값을 입력받는 단계로 복귀한다.The digital-to-analog converter 125 maintains the output when the frequency magnitude before and after the output is equal to or less than a preset reference value, and changes the delay time when the magnitude of the frequency before and after the output does not fall below the reference value, And returns to the step of receiving the output full Fourier transform analysis value by the FFT analyzing unit 125.

한편, 디지털 아날로그 변환부(125)는 지연 시간 정보가 없는 경우, 상술한 데이터 스트림 배열을 메모리에 저장한다. 이어서, 디지털 아날로그 변환부(125)는 출력 전 푸리에 변환 분석부(123)로부터 푸리에 변환 분석값을 입력받으며, 상술한 메모리가 디지털 아날로그 변환부(125)에 데이터 스트림 배열을 출력한다. 또한, 디지털 아날로그 변환부(125)는 출력 후 푸리에 변환 분석부(123)로부터 푸리에 변환 분석값을 입력받는다. 더불어, 디지털 아날로그 변환부(125)는 출력 전,후의 주파수 크기가 기준치 이하일 경우 출력을 유지하고, 출력 전,후의 주파수 크기가 기준치 이하가 아닐 경우 상술한 데이터 스트림 배열을 쉬프트하기 위해 지연 시간 정보가 있는지 판단하는 단계로 복귀한다.On the other hand, if there is no delay time information, the digital-analog converter 125 stores the above-described data stream arrangement in a memory. Then, the digital-analog converter 125 receives the Fourier transform analysis value from the output pre-Fourier transform analysis unit 123, and the memory outputs the data stream array to the digital-analog converter 125. The digital-analog converter 125 receives the Fourier transform analysis value from the Fourier transform analysis unit 123 after the output. In addition, the digital-analog converter 125 maintains the output when the frequency magnitude before and after the output is less than the reference value, and when the magnitude of the frequency before and after the output does not fall below the reference value, And returns to the step of judging whether or not it exists.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계(선반)의 채터 진동의 제어 장치의 구성을 도시한 개략도이다.FIG. 8 is a schematic view showing a configuration of an apparatus for controlling chatter vibration of a machine tool (lathe) using a destructive interference effect according to an embodiment of the present invention.

도 8에 도시된 바와 같이 공작 기계(선반)는 모터에 주축이 연결되고, 주축에 소재가 결합되며, 소재의 일측에 심압대가 결합되고, 소재의 타측에 공구대가 위치된다. 여기서, 상술한 센서(111)는 모터, 주축, 심압대 등에 설치될 수 있고, 3축으로 가진이 가능한 가진기(132)는 주축 및 공구대 등에 설치될 수 있다. 물론, 센서(111)로부터의 신호는 신호 분석 및 생성부(120)(DSP 보드)에 전달되고, 가진기(132)는 신호 분석 및 생성부(120)에 연결된 증폭기(131)에 연결되어 제어를 받는다. 또한, 신호 분석 및 생성부(120)는 공작 기계 제어부에 의한 제어를 받는다.As shown in Fig. 8, a machine tool (lathe) is connected to a main shaft of a motor, a workpiece is coupled to the main shaft, a pressure ball is coupled to one side of the workpiece, and a tool bar is positioned on the other side of the workpiece. Here, the sensor 111 described above may be installed in a motor, a main shaft, a tailstock, etc., and the vibrator 132 capable of vibrating in three axes may be installed on a main shaft, a tool stand, or the like. Of course, the signal from the sensor 111 is transmitted to the signal analysis and generation unit 120 (DSP board), and the exciter 132 is connected to the amplifier 131 connected to the signal analysis and generation unit 120, . Also, the signal analysis and generation unit 120 is controlled by the machine tool control unit.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계(밀링)의 채터 진동의 제어 장치의 구성을 도시한 개략도이다.FIG. 9 is a schematic view showing a configuration of an apparatus for controlling chatter vibration of a machine tool (milling) using a destructive interference effect according to an embodiment of the present invention.

도 9에 도시된 바와 같이 공작 기계(밀링)은 모터에 주축이 연결되고, 주축에 공구대가 연결되며, 또한, 테이블 위에 소재가 위치된다. 여기서, 상술한 센서(111)는 모터, 주축, 테이블 등에 설치될 수 있고, 3축으로 가진이 가능한 가진기(132)는 주축 및 테이블 등에 설치될 수 있다. 물론, 센서(111)로부터의 신호는 신호 분석 및 생성부(120)(DSP 보드)에 전달되고, 가진기(132)는 신호 분석 및 생성부(120)에 연결된 증폭기(131)에 연결되어 제어를 받는다. 또한, 신호 분석 및 생성부(120)는 공작 기계 제어부에 의한 제어를 받는다.As shown in Fig. 9, a machine tool (milling) is connected to a motor with a main shaft, a tool bar is connected to the main shaft, and a workpiece is placed on the table. Here, the sensor 111 may be installed in a motor, a main shaft, a table, etc., and the vibrator 132 capable of vibrating in three axes may be installed on a main shaft, a table, or the like. Of course, the signal from the sensor 111 is transmitted to the signal analysis and generation unit 120 (DSP board), and the exciter 132 is connected to the amplifier 131 connected to the signal analysis and generation unit 120, . Also, the signal analysis and generation unit 120 is controlled by the machine tool control unit.

이와 같이 하여, 본 발명은 공작 기계 가공품의 품질을 향상시키고, 공작 기계의 생산성을 향상시킨다. In this way, the present invention improves the quality of the machine tool product and improves the productivity of the machine tool.

품질 향상 측면에서 본 발명은 가공 중 주축 회전수의 변경이 필요 없는 채터 진동 제어로 주축 회전수 변경이 불가능한 가공 조건에서 가공 시간(Cycle time)의 변화없이 가공품의 품질을 향상시킬 수 있다. From the viewpoint of quality improvement, the present invention can improve the quality of workpieces without changing the cycle time under the machining conditions in which the spindle rotational speed can not be changed by chatter vibration control which does not require the change of the spindle rotational speed during machining.

또한, 생산성 향상 측면에서 본 발명은 종래 기술에서의 문제점 중 하나인 채터 회피 시 주축 회전수를 낮출 경우 발생하는 가공 시간 증가를 원천적으로 없앨 수 있다. Also, in terms of productivity improvement, the present invention can fundamentally eliminate the increase in machining time that occurs when the spindle rotational speed is lowered during chatter avoidance, which is one of the problems in the prior art.

또한, 본 발명은 가공 중 주축 회전수가 변화하지 않으므로, 가공 공구의 광범위하고 불규칙한 마모를 감소시켜 정량적인 공구 교환 시기를 설정할 수 있으며, 이는 공작 기계의 생산성 향상으로 이어진다.
Further, since the number of spindle revolutions does not change during machining, the present invention can reduce the wide and irregular wear of the machining tool, thereby setting a quantitative tool change period, which leads to an improvement in the productivity of the machine tool.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 및 그 장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.The present invention is not limited to the above-described embodiment, but may be applied to a method of controlling chatter vibration of a machine tool using the destructive interference effect according to the present invention, It will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims.

100; 본 발명에 따른 공작 기계의 채터 진동의 제어 장치
110; 센싱부 111; 센서
120; 신호 분석 및 생성부 121; 필터링부
122; 아날로그 디지털 변환부 123; 푸리에 변환 분석부
124; 채터 진동 검출부 125; 디지털 아날로그 변환부
126; 위상 제어부 130; 가진부
131; 증폭기 132; 가진기
100; A control device for chatter vibration of a machine tool according to the present invention
110; A sensing unit 111; sensor
120; A signal analysis and generation unit 121; The filtering unit
122; An analog-to-digital converter 123; Fourier transform analysis section
124; Chatter vibration detection unit 125; The digital-
126; A phase control unit 130; An exciting part
131; Amplifier 132; Exciter

Claims (12)

공작 기계의 채터 진동 신호를 센싱하는 센싱 단계;
상기 센싱 단계에서 얻은 채터 진동 신호를 분석하여 채터 진동 억제를 위한 억제 신호를 생성하는 신호 분석 및 생성 단계; 및
상기 신호 분석 및 생성 단계에서 얻은 억제 신호를 이용하여 상기 공작 기계를 가진시키는 가진 단계를 포함하고,
상기 신호 분석 및 생성 단계는 상기 채터 진동 신호 중 분석 가능한 주파수 영역만을 통과시키는 필터링 단계; 상기 필터링된 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환 단계; 상기 디지털 신호를 푸리에 변환 분석하는 푸리에 변환 분석 단계; 상기 푸리에 변환 분석된 신호를 이용하여 채터 진동수의 주파수 및 크기를 검출하는 채터 진동 검출 단계;
상기 채터 진동이 상쇄되도록 상기 채터 진동수의 주파수 및 크기와 동일하고, 위상차가 180도인 가진 신호를 생성하는 상 제어 단계; 및
상기 상 제어 단계로부터 얻은 위상차가 180도인 가진 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털 아날로그 변환 단계를 포함하며,
상기 상 제어 단계에서 입력된 주파수가 1개 이상일 경우 τ(지연 시간)=1/f(주파수)에 의해, 위상차를 만드는 n개의 지연 시간을 계산하고, Y=A·sin(ωt)에 의해 n개의 정현파형을 생성하며, 계산된 지연 시간만큼 각각의 정현파형을 쉬프트(shift)하고, 쉬프트된 n개의 정현파를 합산하여 데이터 스트림(data stream)을 생성하며(여기서, n은 자연수, Y는 가진 신호값, A는 진폭, ω는 각진동수, t는 시간),
상기 디지털 아날로그 변환 단계에서 상기 데이터 스트림으로부터 지연 시간 정보가 있으면 상기 억제 신호 출력 전에 푸리에 변환 분석값을 입력받고, 상기 지연 시간을 적용하여 상기 억제 신호를 출력함을 특징으로 하는 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법.
Sensing a chatter vibration signal of the machine tool;
A signal analysis and generation step of generating a suppression signal for chatter vibration suppression by analyzing the chatter vibration signal obtained in the sensing step; And
And an excitation step of exciting the machine tool using the suppression signal obtained in the signal analysis and generation step,
Wherein the signal analysis and generation step comprises: a filtering step of passing only the analyzable frequency region of the chatter vibration signal; An analog-to-digital conversion step of converting the filtered signal into a digital signal; A Fourier transform analysis step of performing Fourier transform analysis on the digital signal; A chatter vibration detecting step of detecting a frequency and a magnitude of the chatter frequency using the Fourier transform-analyzed signal;
A phase control step of generating an excitation signal having the same frequency and magnitude as the chatter frequency and having a phase difference of 180 degrees so that the chatter vibration is canceled; And
And a digital-to-analog conversion step of converting the excitation signal having a phase difference of 180 degrees obtained from the phase control step into an analog signal,
If the frequency inputted in the phase control step is 1 or more, n delay times that make a phase difference by τ (delay time) = 1 / f (frequency) are calculated, and n is calculated by Y = A · sin (ωt) And generates a data stream by summing the shifted n sine waves (where n is a natural number and Y is a natural number), and generates a data stream by shifting each sine wave type by the calculated delay time, Signal value, A is amplitude, ω is angular frequency, t is time)
Wherein when the delay time information is present from the data stream in the digital-analog conversion step, the Fourier transform analysis value is input before the suppression signal is output, and the suppression signal is output by applying the delay time. Control method.
제 1 항에 있어서,
상기 가진 단계는 상기 채터 진동 신호와 동일한 가진 신호를 상기 공작 기계에 제공하되, 상기 가진 신호의 위상각이 상기 채터 진동 신호와 180도 다른 것을 특징으로 하는 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the energizing step provides the machine tool with the same excitation signal as the chatter vibration signal, wherein the phase angle of the excitation signal is 180 degrees different from the chatter vibration signal.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 채터 진동 검출 단계는
상기 공작 기계 중 주축대의 회전 속도에 의한 질량 불평형 진동 주파수 또는 설계 시 반영된 기계 요소에 의한 진동 주파수 성분을 제외한 주파수 대역의 진동 성분 중에서 미리 설정된 설정치보다 크게 진동 크기가 증가하거나 주파수가 이동하는 주파수를 채터링 성분으로 판정하되,
모든 피크 주파수를 검색하여, 상기 피크 주파수 중에서 알려지지 않은 주파수가 있을 경우, 상기 알려지지 않은 주파수를 추적하고, 상기 알려지지 않은 주파수의 크기가 커지고 있거나, 상기 알려지지 않은 주파수가 푸리에 변환 분석 범위의 오차 범위 이상으로 이동할 경우 채터링 성분으로 판정하고,
상기 주파수에 배수 성분이 있을 경우 배수 성분을 삭제함을 특징으로 하는 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법.
The method according to claim 1,
The chatter vibration detection step
A frequency at which the vibration magnitude increases or the frequency shifts more than a preset value among the vibration components of the frequency band excluding the vibration unbalance frequency due to the machine element reflected at the design or the vibration component due to the rotation speed of the main shaft of the machine tool, Ring component,
Searching for all peak frequencies and tracking the unknown frequency if there is an unknown frequency among the peak frequencies and if the unknown frequency is becoming larger or the unknown frequency is above the error range of the Fourier transform analysis range If it moves, it is judged as a chattering component,
And if there is a drain component at the frequency, the drain component is deleted.
제 1 항에 있어서,
상기 센싱 단계에서 센서는 공작 기계의 주축과 공구대 또는 테이블에 부착되어 진동 가속도를 센싱함을 특징으로 하는 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the sensor is attached to a main shaft of a machine tool and a tool table or a table in the sensing step to sense a vibration acceleration of the machine tool.
제 1 항에 있어서,
상기 가진 단계에서 가진기는 공작 기계의 주축, 테이블 또는 공구대에 부착되어 가진 신호를 제공함을 특징으로 하는 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the vibrator in the vibrating step provides a signal attached to a spindle, a table, or a tool bar of the machine tool.
공작 기계의 채터 진동 신호를 센싱하는 센싱부;
상기 센싱부에서 얻은 채터 진동 신호를 분석하여 채터 진동 억제를 위한 억제 신호를 생성하는 신호 분석 및 생성부; 및
상기 신호 분석 및 생성부에서 얻은 억제 신호를 이용하여 상기 공작 기계를 가진시키는 가진부를 포함하고,
상기 신호 분석 및 생성부는 상기 채터 진동 신호중 분석 가능한 주파수 영역만을 통과시키는 필터링부; 상기 필터링된 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부; 상기 디지털 신호를 푸리에 변환 분석하는 푸리에 변환 분석부; 상기 푸리에 변환 분석된 신호를 이용하여 채터 진동수의 주파수 및 크기를 검출하는 채터 진동 검출부; 상기 채터 진동이 상쇄되도록 상기 채터 진동수의 주파수 및 크기와 동일하고, 위상차가 180도인 가진 신호를 생성하는 위상 제어부; 및 상기 위상 제어부로부터 얻은 위상차가 180도인 가진 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털 아날로그 변환부를 포함하며,
상기 위상 제어부는 입력된 주파수가 1개 이상일 경우 τ(지연 시간)=1/f(주파수)에 의해, 위상차를 만드는 n개의 지연 시간을 계산하고, Y=A·sin(ωt)에 의해 n개의 정현파형을 생성하며, 계산된 지연 시간만큼 각각의 정현파형을 쉬프트(shift)하고, 쉬프트된 n개의 정현파를 합산하여 데이터 스트림(data stream)을 생성하며(여기서, n은 자연수, Y는 가진 신호값, A는 진폭, ω는 각진동수, t는 시간),
상기 디지털 아날로그 변환부는 상기 데이터 스트림으로부터 지연 시간 정보가 있으면 상기 억제 신호 출력 전에 푸리에 변환 분석값을 입력받고, 상기 지연 시간을 적용하여 상기 억제 신호를 출력함을 특징으로 하는 공작 기계의 채터 진동의 제어 장치.
A sensing unit sensing a chatter vibration signal of the machine tool;
A signal analysis and generation unit for analyzing the chatter vibration signal obtained by the sensing unit to generate a suppression signal for chatter vibration suppression; And
And an excitation unit for exciting the machine tool using the suppression signal obtained from the signal analysis and generation unit,
Wherein the signal analyzing and generating unit includes: a filtering unit for passing only a frequency region that can be analyzed in the chatter vibration signal; An analog-digital converter for converting the filtered signal into a digital signal; A Fourier transform analysis unit for Fourier transforming and analyzing the digital signal; A chatter vibration detector for detecting the frequency and magnitude of the chatter frequency using the Fourier transform-analyzed signal; A phase controller for generating an excitation signal having the same frequency and magnitude as the chatter frequency and having a phase difference of 180 degrees so that the chatter vibration is canceled; And a digital-analog converter for converting the excitation signal having a phase difference of 180 degrees, obtained from the phase controller, into an analog signal,
The phase control unit calculates n delay times that make a phase difference by τ (delay time) = 1 / f (frequency) when the input frequency is one or more, and calculates n delay times by Y = A · sin (ωt) Generates a sinusoidal waveform, shifts each sinusoidal waveform by the calculated delay time, and sifts the shifted n sinusoidal waves to generate a data stream (where n is a natural number and Y is a natural number, Value, A is amplitude, ω is angular frequency, t is time)
Wherein the digital-to-analog converter receives the Fourier transform analysis value before the suppression signal is output if there is delay time information from the data stream, and outputs the suppression signal by applying the delay time. Device.
제 7 항에 있어서,
상기 가진부는 상기 채터 진동 신호와 동일한 가진 신호를 상기 공작 기계에 제공하되, 상기 가진 신호의 위상각이 상기 채터 진동 신호와 180도 다른 것을 특징으로 하는 공작 기계의 채터 진동의 제어 장치.
8. The method of claim 7,
Wherein the excitation unit provides the excitation signal equal to the chatter vibration signal to the machine tool, wherein the phase angle of the excitation signal is 180 degrees different from the chatter vibration signal.
삭제delete 제 7 항에 있어서,
상기 채터 진동 검출부는
상기 공작 기계 중 주축대의 회전 속도에 의한 질량 불평형 진동 주파수 또는 설계 시 반영된 기계 요소에 의한 진동 주파수 성분을 제외한 주파수 대역의 진동 성분 중에서 미리 설정된 설정치보다 크게 진동 크기가 증가하거나 주파수가 이동하는 주파수를 채터링 성분으로 판정하되,
모든 피크 주파수를 검색하여, 상기 피크 주파수 중에서 알려지지 않은 주파수가 있을 경우, 상기 알려지지 않은 주파수를 추적하고, 상기 알려지지 않은 주파수의 크기가 커지고 있거나, 상기 알려지지 않은 주파수가 푸리에 변환 분석 범위의 오차 범위 이상으로 이동할 경우 채터링 성분으로 판정하고,
상기 주파수에 배수 성분이 있을 경우 배수 성분을 삭제함을 특징으로 하는 공작 기계의 채터 진동의 제어 장치.
8. The method of claim 7,
The chatter vibration detecting unit
A frequency at which the vibration magnitude increases or the frequency shifts more than a preset value among the vibration components of the frequency band excluding the vibration unbalance frequency due to the machine element reflected at the design or the vibration component due to the rotation speed of the main shaft of the machine tool, Ring component,
Searching for all peak frequencies and tracking the unknown frequency if there is an unknown frequency among the peak frequencies and if the unknown frequency is becoming larger or the unknown frequency is above the error range of the Fourier transform analysis range If it moves, it is judged as a chattering component,
And if there is a drain component at the frequency, the drain component is deleted.
제 7 항에 있어서,
상기 센싱부에서 센서는 공작 기계의 주축과 공구대 또는 테이블에 부착되어 진동 가속도를 센싱함을 특징으로 하는 공작 기계의 채터 진동의 제어 장치.
8. The method of claim 7,
Wherein the sensor in the sensing unit is attached to a main shaft of a machine tool and a tool table or a table to sense a vibration acceleration of the machine tool.
제 7 항에 있어서,
상기 가진부에서 가진기는 공작 기계의 주축, 테이블 또는 공구대에 부착되어 가진 신호를 제공함을 특징으로 하는 공작 기계의 채터 진동의 제어 장치.
8. The method of claim 7,
Wherein the vibrating unit provides a signal attached to a spindle of a machine tool, a table, or a tool rest.
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