KR101581204B1 - 공작기계로 가공된 가공표면 거칠기의 정량적 표시방법 - Google Patents

공작기계로 가공된 가공표면 거칠기의 정량적 표시방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가공표면 거칠기의 정량적 표시방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가공물의 표면 거칠기데이터를 고속푸리에 변환하여 샘플링 주파수에 따른 진폭값을 계산하고, 가공조건에 따른 고유주파수의 진폭값과 샘플링 주파수별 진폭값의 합의 비를 가공물의 표면의 품질지수로 산출해냄으로써, 가공물의 품질을 정량적으로 나타낼 수 있는 가공표면 거칠기의 정량적 표시방법에 관한 것이다.

Description

공작기계로 가공된 가공표면 거칠기의 정량적 표시방법{Quantitative expression method of surface roughness worked machine tools}
본 발명은 가공표면 거칠기의 정량적 표시방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가공물의 표면 거칠기데이터를 고속푸리에 변환하여 샘플링 주파수에 따른 진폭값을 계산하고, 가공조건에 따른 고유주파수의 진폭값과 샘플링 주파수별 진폭값의 합의 비를 가공물의 표면의 품질지수로 산출해냄으로써, 가공물의 품질을 정량적으로 나타낼 수 있는 가공표면 거칠기의 정량적 표시방법에 관한 것이다.
가공기계로 가공된 가공물의 표면품질을 나태내기 위해서는 표면거칠기 측정장치가 이용된다.
한국공개특허, 10-2002-0055725호에는 표면에 가공된 거칠기를 측정하는 측정부와 측정된 데이터를 분석하고 연산하는 연산 작업부로 이루어지는 롤 표면조도 검사장치가 개시되어 있다.
종래의 표면조도 검사장치는 롤 표면을 섹터 별로 구분하고, 롤 표면 전체영역에 대하여, 거칠기를 측정함으로써, 품질불만의 요인을 방지할 수 있는 장점을 지니고 있다.
또한, 한국 등록특허, 10-1197970호에는 표준시편의 표면거칠기를 측정하여 보정계수를 산출하고 이를 이용하여 표면거칠기 측정값을 보정함으로써 표면거칠기 측정값의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 표면거칠기 측정값 보정 방법 및 장치가 개시되어 있다.
하지만, 종래의 표면거칠기 측정장치들은 산술평균거칠기(Ra), 최대높이(Ry), 10점 평균 거칠기(Rz) 등으로 표면 거칠기를 절대적인 값으로만 측정이 가능하기 때문에, 가공물의 표면품질을 직관적 및 정량적으로 확인하기 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 가공조건에 따른 고유주파수의 진폭값과, 샘플링 주파수별 진폭값의 합의 비를 가공물의 표면 품질지수로 산출해냄으로써, 가공물의 품질을 정량적으로 나타낼 수 있는 가공표면 거칠기의 정량적 표시방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 가공물의 표면 품질지수를 활용하여, 가공장치의 결함여부를 용이하게 확인할 수 있는 가공표면 거칠기의 정량적 표시방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 가공물의 표면 거칠기를 측정하여, 측정거리에 따른 가공물의 표면 높이 데이터인 거칠기데이터를 생성하는 단계; 상기 거칠기데이터를 고속푸리에 변환(FFT, Fast Fourier Transform)하여, 샘플링 주파수에 따른 진폭값을 계산하는 단계; 및 하기 수학식 1과 같이, 가공조건에 따른 고유주파수의 진폭값과, 샘플링 주파수별 진폭값의 합의 비를 가공된 금속의 표면품질 지수로 산출해내는 단계;를 포함하는 가공표면 거칠기의 정량적 표시방법을 제공한다.
[수학식 1]
Figure 112015037037730-pat00001
바람직한 실시예에 있어서, 상기 고유주파수는 가공시의 초당 스핀들 회전수와 공구 날 개수의 배수로 산출된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 표면품질 지수는 1에 가까울수록 표면품질이 높음을 의미한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 샘플링 주파수는 상기 가공물의 측정 길이를 상기 거칠기 데이터의 개수로 나누어 데이터 사이의 거리인 단위거리를 산출해내는 단계; 상기 단위거리를 가공기계의 이송속도로 나누어, 상기 단위거리를 가공할때 소요되는 단위시간을 산출해내는 단계; 및 상기 단위시간의 역수인 샘플링주파수를 산출해내는 단계;를 포함하여 산출된다.
또한, 본 발명은 본 발명의 정량적 표시방법을 수행하기 위한 매체에 저장된 가공표면 거칠기의 정량적 표시 프로그램을 제공한다.
또한, 본 발명은 본 발명의 정량적 표시 프로그램이 저장되어, 정량적 표시방법을 수행하는 가공표면 거칠기의 정량적표시시스템을 제공한다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 갖는다.
먼저 본 발명의 가공표면 거칠기의 정량적 표시방법에 의하면, 가공조건에 따른 고유주파수의 진폭값과, 샘플링 주파수별 진폭값의 합의 비를 가공물의 표면 품질지수로 산출해냄으로써, 가공물의 품질을 정량적으로 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명의 가공표면 거칠기의 정량적 표시방법에 의하면, 가공물의 표면 품질지수를 활용하여, 가공장치의 결함여부를 용이하게 확인할 수 있는 효과를 지닌다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가공표면 거칠기의 정량적 표시방법을 보여주는 단계도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가공물의 표면 거칠기를 측정한 거칠기데이터를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 거칠기데이터를 고속푸리에 변환하여, 샘플링 주파수에 따른 진폭값을 보여주는 그래프이다.
도 4a는 정상적인 가공기계로 가공된 가공물의 표면 거칠기, 도 4b는 도 4a의 거칠기데이터를 고속푸리에 변환하여, 샘플링 주파수에 따른 진폭값을 보여주는 도면이다.
도 5a는 결함이 있는 가공기계로 가공된 가공물의 표면 거칠기, 도 5b는 도 5a의 거칠기데이터를 고속푸리에 변환하여, 샘플링 주파수에 따른 진폭값을 보여주는 도면이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가공표면 거칠기의 정량적 표시방법은 공작기계등의 가공기계로 가공된 가공물의 표면품질을 정량적으로 나태내기 위한 것으로, 먼저, 거칠기데이터를 생성한다(S1000).
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 거칠기데이터는 가공기계로 가공된 가공물의 표면 거칠기를 측정하여, 측정거리에 따른 가공물의 표면 높이를 나타내는 데이터(측정거리에 따른 표면높이의 파형)이다.
이때, 상기 거칠기데이터를 측정하기 위한 표면거칠기 측정장치는 특별히 제한되는 것은 아니며, 촉침식 측정장치가 이용될 수 있다.
다음, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 거칠기데이터를 고속푸리에 변환(FFT, Fast Fourier Transform)하여, 샘플링 주파수에 따른 진폭값을 계산한다(S2000).
여기서, 상기 샘플링 주파수는 상기 거칠기데이터에 가공조건이 반영되어 산출된다.
상기 샘플링 주파수를 산출해내기 위해서는, 먼저 상기 가공물의 측정거리를 상기 거칠기 데이터의 골 또는 산의 개수 나누어 단위거리를 산출해낸다.
즉, 상기 가공물의 측정거리와 측정 데이터 수를 통해 데이터 사이의 거리를 산출해낸다.
다음, 상기 단위거리를 가공기계의 이송속도로 나누어, 단위시간을 산출해낸다.
여기서, 상기 단위시간은 상기 단위거리를 가공할 때 소요되는 시간이다.
다음, 상기 단위시간의 역수를 구하여, 샘플링 주파수를 산출해낸다.
즉, 샘플링 주파수에 따른 진폭값을 계산하는 단계(S2000)에서는 상기 단위거리에 따른 가공기계에서의 샘플링 주파수를 산출해내고, 푸리에 변환하여 샘플링 주파수별 진폭 값을 계산하는 것이다.
다음, 표면품질 지수를 산출해낸다(S3000).
여기서, 상기 표면품질 지수는 하기 수학식 1에 의해 산출된다.
[수학식 1]
Figure 112015037037730-pat00002
여기서, 상기 n은 특별히 제한되는 바는 아니나, 바람직하게는 가공범위 내의 주파수인 0Hz 내지 1000hz 내의 특정 값일 수 있다.
즉, 상기 표면품질 지수는 가공조건에 따른 고유주파수의 진폭값과, 상기 샘플링 주파수별 진폭값의 합의 비로 계산된다.
여기서, 상기 표면품질 지수는 1에 가까울수록 표면 품질이 높음을 의미한다.
그 이유는 상기 고유주파수의 진폭 값과 상기 샘플링 주파수별 진폭값의 합의 값이 차이가 적을수록, 전체 주파수 내에서 고유주파수의 진폭 값의 비중이 높은 것을 의미하고, 이는 표면 거칠기의 품질이 우수한 상태임을 의미하기 때문이다.
또한, 상기 고유주파수는 가공시의 초당 스핀들 회전수에 가공기계의 공구날의 개수를 곱하여 산출된다.
이때, 상기 고유주파수는 스핀들 알피엠(spindle rpm)을 60으로 나누어 계산된다.
실험예 1
본 발명에 따른 표면 거칠기의 정량적 표시방법을 이용하여, 정상적인 가공기계로 가공된 가공물의 표면 지수 및 결함이 있는 가공기계로 가공된 가공물의 표면 지수를 산출하였다.
이때, 가공조건은 정상적인 가공기계와 베어링 결함이 있는 가공기계 모두 스핀들 알피엠은 8,000 알피엠, 가공기계의 이송속도는 1,000mm/min으로 동일하다.
정상적인 가공기계로 가공된 가공물의 표면 거칠기를 측정하여, 도 4a에 도시하였고, 도 4a의 거칠기데이터를 고속푸리에 변환하여, 샘플링 주파수별 진폭값 그래프를 도 4b에 도시하였다.
또한, 베어링 결함이 있는 가공기계로 가공된 가공물의 표면 거칠기를 측정하여 도 5a에 도시하였고, 도 5a의 거칠기데이터를 고속푸리에 변환하여, 샘플링 주파수별 진폭값 그래프를 도 5b에 도시하였다.
그 결과, 정상적인 가공기계로 가공된 가공물의 품질 지수는 0.2203으로 나타났으며, 결함이 있는 가공기계로 가공된 가공물의 품질지수는 0.0099로 나타났다.
즉, 본 발명에 따른 표면 거칠기의 정량적 표시방법을 이용하게 되면, 가공물의 표면 품질지수로 산출될 수 있으므로, 가공장치의 결함여부를 직관적이면서도 용이하게 확인할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 표면 거칠기의 정량적 표시방법은 실질적으로 정량적 표시 프로그램이 설치된 컴퓨터 시스템에 의해 수행된다.
또한, 상기 컴퓨터 시스템은 일반적인 퍼스널 컴퓨터, 임베디드 시스템, 스마트 기기뿐만 아니라 표면 거칠기의 정량적 표시 시스템을 포함하는 광의의 개념이다.
즉, 본 발명은 상기 표면 거칠기의 정량적 표시 프로그램이 저장된 컴퓨터, 또는 임베디드 시스템의 형태로 제공될 수도 있다.
또한, 상기 정량적 표시 프로그램은 별도로 기록 매체에 저장되어 제공될 수 있으며, 상기 기록매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되어 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야에서 통상의 지식을 가진 자에서 공지되어 사용 가능한 것일 수 있으며, 예를 들면, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD, DVD와 같은 광 기록 매체, 자기 및 광 기록을 겸할 수 있는 자기-광 기록 매체, 롬, 램, 플래시 메모리 등 단독 또는 조합에 의해 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치일 수 있다.
또한, 상기 표면 거칠기의 정량적 표시 프로그램은 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등이 단독 또는 조합으로 구성된 프로그램일 수 있고, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라, 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드로 짜여진 프로그램일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 표면 거칠기의 정량적 표시방법은 표면 품질지수로 산출해냄으로써, 가공물의 품질을 직관적으로 나타낼 수 있게 되는 것이다.
더욱이, 본 발명은 가공 표면 거칠기의 정량적 표시 프로그램 및 상기 프로그램들이 저장된 시스템을 더 제공함으로써, 사용자가 가공물의 표면 품질지수을 활용하여, 가공장치의 결함여부를 용이하게 확인할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (6)

  1. 가공물의 표면 거칠기를 측정하여, 측정거리에 따른 가공물의 표면 높이 데이터인 거칠기데이터를 생성하는 단계;
    상기 거칠기 데이터를 고속푸리에 변환(FFT, Fast Fourier Transform)하여, 샘플링 주파수에 따른 진폭값을 계산하는 단계; 및
    하기 수학식 1과 같이, 가공조건에 따른 고유주파수의 진폭값과, 샘플링 주파수별 진폭값의 합의 비를 가공물의 표면품질 지수로 산출해내는 단계;를 포함하는 가공표면 거칠기의 정량적 표시방법.
    [수학식 1]
    Figure 112015037037730-pat00003
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고유주파수는 가공시의 초당 스핀들 회전수와 공구 날 개수의 배수로 산출되는 것을 특징으로 하는 가공표면 거칠기의 정량적 표시방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 표면품질 지수는 1에 가까울수록 표면품질이 높음을 의미하는 것을 특징으로 하는 가공표면 거칠기의 정량적 표시방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 샘플링 주파수는
    상기 가공물의 측정 길이를 상기 거칠기 데이터의 개수로 나누어 데이터 사이의 거리인 단위거리를 산출해내는 단계;
    상기 단위거리를 가공기계의 이송속도로 나누어, 상기 단위거리를 가공할때 소요되는 단위시간을 산출해내는 단계; 및
    상기 단위시간의 역수인 샘플링주파수를 산출해내는 단계;를 포함하여 산출되는 것을 특징으로 하는 가공표면 거칠기의 정량적 표시방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 정량적 표시방법을 수행하기 위한 매체에 저장된 가공표면 거칠기의 정량적 표시 프로그램.
  6. 제 5항의 정량적 표시 프로그램이 저장되어, 정량적 표시방법을 수행하는 가공표면 거칠기의 정량적표시시스템.

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