KR101618470B1 - 가속도 센서를 이용한 공작기계 주축 감지 시스템 - Google Patents

가속도 센서를 이용한 공작기계 주축 감지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 공작기계 주축 감지 시스템에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 공작기계 주축의 정렬 불량 및 불평형 등의 주축 이상을 감지 하기 위해 가속도 센서를 이용하여 주축의 상태를 사용자에게 알려 주며, 주축에 이상 발생 시 즉각적인 조치가 가능하도록 하여, 가공물의 품질 향상과 주축 수명 증대 및 공구 비용을 절감할 수 있는 가속도 센서를 이용한 공작기계 주축 감지 시스템을 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 공작기계 주축의 상부와 하부 각각에 대한 가속도를 센싱하는 센서부; 상기 센서부로부터 입력된 가속도를 속도와 변위로 변환하고, 속도를 이용하여 주축의 상부와 하부 각각에 대한 위상차를 계산하고, 속도 또는 변위를 이용하여 주축의 상부와 하부 각각에 대한 궤도를 검출하는 신호 처리부; 및 상기 신호처리부로부터의 출력 신호를 이용하여 사용자에게 알람을 출력하는 인간 기계 인터페이스부를 포함하는 공작기계 주축 감지 시스템을 개시한다.

Description

가속도 센서를 이용한 공작기계 주축 감지 시스템{Main shaft sensing system of machine tool using acceleration sensor}
본 발명의 일 실시예는 가속도 센서를 이용한 공작기계 주축 감지 시스템에 관한 것이다.
특허문헌 1(일본특허공개공보 2013-63497호(2013.04.11)) 및 특허문헌 2(한국등록특허 10-1134940호(2012.04.17))에서는, 주축의 정렬 불량 및 불평형 등의 주축 이상을 감지 하기 위하여, 가속도 센서를 통하여 진동 신호를 수집하게 되며, 일반적으로 이 신호의 크기 변화 또는 특정 주파수 성분 크기의 변화로 주축의 정렬 불량 및 불평형 등의 주축 이상을 판단하게 된다.
특허문헌 1 및 도 1을 참조하면, 주축 1개소에 진동 센서를 부착하여 진동 신호를 수집 하고, 도 2에서와 같이 수집된 진동 신호의 크기가 기준치 이내인지 아닌지를 판단하여 주축의 상태를 판단하게 된다.
이러한 주축 상태의 판단은 수집된 신호를 도 3에서와 같이 푸리에 변환 하여 주축 회전 영역에 해당하는 주파수 대역의 진동 값을 산출하게 되고, 이 값의 크기 변화로 현재의 가공 상태를 판단하게 된다. 입력된 진동 신호에서 푸리에 변환 후 특정 주파수 대역의 크기 변화는 주축의 상태를 대변하는 가장 특징적인 지표이며, 이는 회전체의 상태 판단에 일반적으로 사용되고 있는 방법이다.
종래 기술에서의 가장 큰 문제점은 주축의 정확한 상태를 특정하기 어렵다는 것이다. 단순 진폭의 크기 변화를 이용하여, 현재 상태의 심각도를 판단하고 그에 따른 제어를 수행 하지만, 현재 주축이 비정상 런아웃(run out) 상태인지, 정렬 불량인지, 또는 정상인지를 알 수 없다.
또한, 일반적으로 사용하는 푸리에 변환은 공작기계의 상태를 판단함에 있어 충분한 시스템 자원을 필요로 하며, 이는 곧 시스템의 제조 원가 상승을 가져오게 되는 문제점이 있다.
일본특허공개공보 2013-63497호(2013.04.11): "공작기계에 있어서의 회전축 회전 속도의 모니터 방법 및 모니터 장치, 공작기계" 한국등록특허 10-1134940호(2012.04.17): "고속 주축의 절삭 진동 값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법"
본 발명에서는 종래의 문제를 해결하여 공작기계 주축의 상태를 감지하는 시스템을 제공한다. 즉, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 가속도 센서를 이용한 공작기계 주축 감지 시스템을 제공하는데 있다. 더욱 상세하게 설명하면, 본 발명은 공작기계에서 주축의 정렬 불량 및 불평형 등의 주축 이상을 감지하기 위해 가속도 센서를 이용하여 주축의 상태를 사용자에게 알려 주며, 주축에 이상 발생 시 즉각적인 조치가 가능하도록 하여, 가공물의 품질 향상과 주축의 수명 증대 및 공구 비용을 절감할 수 있는 공작기계 주축 감지 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 센서를 이용한 공작기계 주축 감지 시스템은 공작기계 주축의 상부와 하부 각각에 대한 가속도를 센싱하는 센서부; 상기 센서부로부터 입력된 가속도를 속도와 변위로 변환하고, 속도를 이용하여 주축의 상부와 하부 각각에 대한 위상차를 계산하고, 속도 또는 변위를 이용하여 주축의 상부와 하부 각각에 대한 궤도를 검출하는 신호 처리부; 및 상기 신호처리부로부터의 출력 신호를 이용하여 사용자에게 알람을 출력하는 인간 기계 인터페이스부를 포함한다.
상기 센서부는 상기 공작기계 주축의 상부에서 X축 및 Y축 각각의 가속도를 센싱하는 상부 가속도 센서; 및 상기 공작기계 주축의 하부에서 X축 및 Y축 각각의 가속도를 센싱하는 하부 가속도 센서를 포함할 수 있다.
상기 신호 처리부는 상기 센싱된 가속도에서 오프셋을 제거하는 고역 통과 필터와, 상기 가속도를 속도로 변환하는 제1적분기와, 상기 속도를 변위로 변환하는 제2적분기를 포함하는 아날로그 신호부; 및 상기 속도 또는 변위를 이용하여 상기 주축의 상부 및 하부 각각에 대한 궤도를 검출하는 궤도 검출 모듈과, 상기 속도를 이용하여 상기 주축의 상부 및 하부 각각에 대한 위상차를 계산하는 위상차 계산 모듈과, 상기 궤도 또는 위상차가 이상 상태인지 판단하는 이상 상태 판단 모듈을 포함하는 DSP 보드부를 포함할 수 있다. 상기 궤도 검출 모듈은 상기 주축의 속도가 기준값보다 클 경우 상기 속도만을 이용하여 상기 주축의 상부 및 하부 각각에 대한 궤도를 검출할 수 있다. 상기 궤도 검출 모듈은 상기 주축의 상부 및 하부 각각에 대한 X축 및 Y축의 변위 또는 속도를 X축 및 Y축을 갖는 사분면에 그래프로 표시하고, 상기 사분면에서 상기 그래프의 최대값 및 최소값에 대한 좌표점을 구하며, 상기 좌표점으로부터 단축 a 및 장축 b의 값을 계산하고, 상기 장축 b와 사분면의 기울어진 각도 θ를 계산하며, 상기 주축의 상부 및 하부 각각에 대한 각도 θ로부터 상부 궤도와 하부 궤도 사이의 각도 Φ를 계산하여, 상기 주축의 상부 궤도와 하부 궤도 사이의 차이를 검출할 수 있다. 상기 궤도 검출 모듈은 상기 상부 궤도의 그래프 및 하부 궤도의 그래프가 교차되는 좌표점을 찾고, 상기 교차되는 좌표점을 중심으로 나누어지는 타원 영역의 면적을 계산할 수 있다. 상기 궤도 검출 모듈은 상기 상부 궤도의 그래프 및 하부 궤도의 그래프가 교차되는 복수개의 좌표점을 찾고, 상기 복수개의 교차되는 좌표점을 중심으로 나누어지는 복수개의 타원 영역의 면적을 계산할 수 있다. 상기 이상 상태 판단 모듈은 상기 궤도 검출 모듈과 위상차 계산 모듈로부터 전달받은 정보를 기반으로, 상기 공작기계 주축의 상태 정보를 생성하되, 상기 사분면에 그려지는 그래프의 형태가 미리 설정된 각도 및 타원 영역의 면적보다 클 경우 알람 신호를 상기 인간 기계 인터페이스부에 출력할 수 있다. 상기 궤도 검출 모듈과 위상차 계산 모듈로부터 전달받은 정보를 기반으로, 상기 공작기계 주축의 상태 정보를 정의하여 미리 저장해 놓는 메모리를 더 포함하고, 상기 메모리에 미리 저장된 공작기계 주축의 상태 정보와 현재 입력된 공작기계 주축의 상태 정보를 상호간 비교하여 상태 알람 출력 여부를 결정할 수 있다.
이와 같이 하여 본 발명은 공작기계에서 주축의 정렬 불량 및 불평형 등의 주축 이상을 감지 하기 위해 가속도 센서를 이용하여 주축의 상태를 사용자에게 알려 주며, 주축에 이상 발생 시 즉각적인 조치가 가능하도록 하여, 가공물의 품질 향상과 주축 수명 증대 및 공구 비용을 절감할 수 있는 공작기계 주축 감지 시스템을 제공한다.
즉, 본 발명은 주축의 정확한 상태를 사용자에게 제공 할 수 있게 되어 가공 중 발생 할 수 있는 가공 표면의 품질에 영향을 주는 주축의 런아웃(run out) 상태 및 정렬 불량, 불평형 불량 등에 대한 즉각적인 조치가 가능하게 되어 품질 불량으로 인한 생산성 저하를 개선할 수 있으며, 주축의 비정상 상태로 인한 주축 모터의 부하 증가를 방지하여 주축의 수명을 연장 시킬 수 있도록 한다.
또한, 공작기계의 생산 공정 중 후반부의 시험 가공을 통하여 주축 조립 정밀도를 판단하게 되는데, 주축 정밀도가 기준치 이상일 경우 주축의 재조립과 시험 가공을 반복하며 정밀도를 확보 하게 된다. 여기서, 본 발명은 주축 조립 공정에서 조립자의 실수(Human error)에 기인한 주축 상태 불량을 1회의 시험 가공으로 파악할 수 있게 되어 조립 공정 후반부의 공수를 줄일 수 있으며, 이는 공작기계의 생산원가 절감 효과를 가져 오도록 한다.
더불어, 본 발명은 상태 판단 시 푸리에 변환이 불필요하게 되어 푸리에 변환이 가능한 고성능 고비용의 DSP 대신 상대적으로 저비용의 DSP를 사용 할 수 있게 되어 시스템 제작 시 원가 절감 효과를 가져 오도록 한다.
도 1은 종래의 진동 센서를 이용한 주축 진동 신호 수집 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 종래의 주축 상태 판단 방법을 도시한 개략도이다.
도 3은 종래의 푸리에 변환 방법을 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 가속도 센서를 이용한 공작기계 주축 감지 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 5는 본 발명에서 센서부의 부착 위치를 도시한 개략도이다.
도 6은 본 발명에서 신호처리부 중 아날로그 신호부의 구성을 도시한 개략도이다.
도 7 내지 9는 본 발명에서 DSP 보드부에 의한 궤도 검출 상태의 일례를 도시한 개략도이다.
도 10 및 도 11은 본 발명에서 DSP 보드부에 의한 궤도 검출 상태의 다른 예를 도시한 개략도이다.
도 12는 본 발명에서 DSP 보드부에 의한 위상차 계산 상태의 일례를 도시한 개략도이다.
도 13 내지 도 16은 본 발명에 따른 가속도 센서를 이용한 공작기계 주축 감지 방법의 구성을 도시한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
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.
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. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
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.
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.
일반적으로 공구(Tool)를 회전하는 주축에 부착하여 피삭재를 가공하는 형태의 공작기계에서는 가공 공구나 피삭재에 절삭 저항에 의한 휨이 발생하기 쉽다. 그리고 이 휨에 기인하여 가공 중 가공 공구나 피삭재에 진동이 야기된다. 이는 피삭재의 불균일한 표면 품질의 원인이 되며, 주축의 정상적인 회전을 방해하여 필요 이상의 부하를 발생 시키는 등 주축의 상태에 악영향을 끼치게 된다.
또한, 가공 중이 아니더라도 공작기계의 생산 공정 중 주축 조립 공정에서 조립자의 실수(Human error)로 인하여 조립 상태가 불량 할 때에도 표면 품질 및 주축의 강건성에 악영향을 주게 된다.
이러한 주축의 상태를 감지하여 사용자에게 알려 줌으로서, 가공 중 사용자는 상기 문제에 대하여 즉각적으로 대처하여 가공물의 품질 향상 및 공작기계 주축 수명을 증대를 기대 할 수 있으며, 공작기계 생산 후 정밀도 향상을 위한 조립 상태 평가에서도 많은 시간과 인력을 절감 할 수 있게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 공작기계 주축 감지 시스템(100)은 센서부(110), 신호 처리부(120), HMI부(130)(Human Machine Interface)를 포함하며, 여기서 신호 처리부(120)는 아날로그 신호부(121) 및 DSP(Digital Signal Processor) 보드부(124)를 포함한다.
센서부(110)는 x축 가속도 센서(111) 및 y축 가속도 센서(112)를 포함하며, 이는 주축 상태를 감지하고, 이를 전기적 신호로 변환하여 신호 처리부(120)에 출력한다.
신호 처리부(120)는 센서부(110)에서 입력된 진동 가속도 신호를 아날로그 신호부(121)를 이용하여 하드웨어 또는 소프트웨어에서 처리 가능한 신호로 변환한다. 즉, 아날로그 신호부(121)의 필터(122)와 적분기(123)가 상술한 센싱 신호를 공작기계의 주축 상태 감지에 적합한 신호 형태로 가공한다. 여기서, 필터(122)는 소정의 컷오프(Cut-off) 주파수를 갖는 고역 통과 필터(122)(High pass filter)이고, 적분기(123)는 직렬 연결된 2개의 단일 적분기를 포함하는 이중 적분기일 수 있다.
이러한, 아날로그 신호부(121)의 역할은 입력된 가속도 신호에 포함되어 있는 미소한 오프셋 값을 삭제하여 적분회로 통과 시 적분 결과에서 발생할 수 있는 오차를 최소화하는 것으로서, 탑재된 이중 적분기(123)는 특히 입력된 가속도 신호를 속도 신호와 변위 신호로 각각 변환하여 신호 처리부(120)의 후단에 연결된 DSP 보드부(124)로 전달하는 역할을 한다.
DSP 보드부(124)는 ADC 모듈(125), 궤도(orbit) 검출 모듈(126), 위상차 계산 모듈(127) 및 이상 상태 판단 모듈(128)을 포함하며, 이는 신호의 ADC 변환 후 디지털 필터로 처리하지 않고 아날로그 신호를 직접 가공하여, DSP의 연산 부하를 경감시키는 역할을 한다. 이는 높은 가격의 고성능 DSP 대신에 비교적 낮은 가격의 DSP로도 본 발명의 목적에 필요한 연산을 수행 할 수 있음을 의미한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 센서부(110)는 주축의 상부 및 하부에 각 90도 각도를 갖는 배치로 가속도 센서(111,112)를 배치하게 된다. 이러한 배치는 주축 회전 시 각 부의 2개 센서로 입력되는 진동 신호에서 주축의 현재 상태 판단을 용이하게 하는 배치이다. 여기서 주축의 상부 및 하부는 일반적인 예시이며, 공작기계 특성과 주축 구조를 고려하여 이 배치는 반드시 상부 및 하부가 아닌, 소정의 위치에 배치 될 수 있으며, 90도 각도를 갖는 센서 배치 및 주축의 구조와 특성을 고려하여 소정의 각도를 갖는 배치로 변경 될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 신호 처리부(120)에서 아날로그 신호부(121)는 상부 및 하부에 설치된 각 2개의 센서로부터 총 4개 채널의 가속도 신호를 입력 받으며, 각각의 가속도 신호는 고역 통과 필터(122)와 이중 적분기(123)를 통과하게 된다.
가속도 신호는 첫번째 적분기(123)를 통과하여 속도 신호로 변환되고, 두번째 적분기(123)를 통하여 변위 신호로 변환되게 되며, 이 신호는 DSP 보드부(124)로 전송되어 주축 상태 진단에 필요한 연산을 수행하게 된다.
이렇게 가공된 속도 및 변위 신호는 DSP 보드부(124)의 ADC 모듈(125)을 거쳐 DSP에서 처리 가능한 디지털 데이터로 변환되며, 이 데이터로부터 변환된 변위 신호는 궤도 검출 모듈(126)로, 속도 신호는 위상차 계산 모듈(127)로 입력된다.
이러한 변위 신호 및/또는 속도 신호는 사용자가 입력한 소정의 주축 회전 속도 이하에서 상기 설명과 같이 입력 되지만, 그 이상의 주축 회전 속도에서는 속도 신호만을 사용하여 궤도 검출 모듈(126)과 위상차 계산 모듈(127)로 입력하게 된다. 즉, 주축 회전 속도가 일정 속도 이상인 경우에는, 변위 신호보다는 속도 신호에 의한 궤도 검출 효율이 더 높기 때문이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 궤도 검출 모듈(126)에서는 주축 상부의 X축과 Y축, 그리고 주축 하부의 X축과 Y축의 변위(속도) 신호를 그래프의 X축 및 Y축으로 정의하여 2차원 공간의 사분면 상에 표시 할 수 있도록 하고, 각 사분면에서 최대값과 최소값을 구하여 좌표점을 설정한다. 여기서, X축과 Y축은 90도의 각도를 이루며, X축과 Y축 사이에 사분면이 구비된다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 계산된 좌표점으로 부터 장축 b, 단축 a의 값을 구하고, 장축 b와 사분면 사이의 기울어진 각도 θ를 계산한다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 구해진 주축 상부 및 주축 하부의 각도 θ, 즉, 상부 θtop 및 하부 θbottom의 궤도에서 |θtop-θbottom|를 계산하여 두 궤도 사이의 벌어진 각도 Φ를 계산한다.
여기서, 진원도를 구할 수 있는 궤도 그래프일 때에, 상부 및 하부의 각도 θ가 동일하다면, 각도 Φ는 제로(0)의 값을 갖게 되지만, 상부 및 하부의 각도 θ가 다르다면, 각도 Φ는는 소정 값을 갖게 된다.
일례로, 도 10에 도시된 바와 같이, 진원도를 구할 수 없는 복수의 진원을 갖는 궤도가 얻어질 경우, 궤도 그래프가 교차되는 좌표점을 찾고, 교차점에서 나뉘는 타원 A, B의 면적을 계산한다. 다른예로, 도 11에 도시된 바와 같이, 진원도를 구할 수 없는 복수의 원을 갖는 궤도가 얻어질 경우, 궤도 그래프가 교차되는 좌표점을 찾고, 교차점에서 나뉘는 타원 A, B, C의 면적을 계산한다.
궤도 검출 모듈(126)은 이와 같이 계산된 교차점의 개수와 면적을 이상 상태 판단 모듈(128)로 전달한다.
도 12에 도시된 바와 같이, 위상차 계산 모듈(127)은 주축 상부의 속도와 주축 하부의 속도 사이의 위상 차이를 계산하고, 이러한 위상 차이를 이상 상태 모듈로 전달한다.
이상 상태 판단 모듈(128)에서는 궤도 검출 모듈(126)과 위상차 계산 모듈(127)에서 전달받은 정보를 기반으로 도 13, 도 14 및 도 15에 기술된 알고리즘을 통하여 다양한 주축 상태에 대한 정보를 생성하고, 사분면에 그려지는 그래프의 형태가 사용자가 기설정해 둔 Φ 값 및/또는 A,B 및/또는 C의 면적 값 이상으로 상승하면 이를 HMI부(130)로 전달하여 사용자가 주축의 상태를 알 수 있도록 알람을 출력한다.
또한, 상술한 알고리즘을 통한 주축 상태 판단 이외에, 사분면에 그려지는 그래프의 형태가 주축의 특정 상태를 대변할 수 있는 경우 도 16과 같이 사분면 상의 그래프 정보를 사용자가 메모리에 저장하고, 이후 주축 상태 판단 시 미리 저장 된 값을 활용 할 수 있도록 할 수 있다.
일례로, 본 발명에 따른 가속도 센서를 이용한 공작기계 주축 감지 방법은, 도 13에 도시된 바와 같이, 가속도 센서의 입력을 받는 단계, 주축 속도가 설정 값 이상인지 판단하는 단계, 주축 속도가 설정 값 이상일 경우 가속도를 속도로 변환하는 단계, 주축 속도가 설정 값 이상이 아닐 경우 가속도를 변위로 변환하는 단계, 속도 값 및/또는 변위 값을 이용하여 궤도를 검출하는 단계, 주축 상,하부 궤도의 a,b가 설정한 계수 값보다 큰지 판단하는 단계, 상,하부 궤도의 a,b가 설정한 계수 값보다 클 경우 하부 값이 상부 값보다 큰지 판단하는 단계, 하부 값이 상부 값보다 클 경우 런 아웃 알람을 출력하는 단계, 하부 값이 상부 값보다 크지 않을 경우 불평형 알람을 출력하는 단계, 상,하부 궤도의 a,b가 설정한 계수 값보다 클 경우 계산된 Φ 값이 설정한 계수 값보다 큰지 판단하는 단계, 계산된 Φ 값이 설정한 계수 값보다 클 경우 비틀림 정렬 불량 알람을 출력하는 단계를 포함한다.
다른예로, 본 발명에 따른 가속도 센서를 이용한 공작기계 주축 감지 방법은, 도 14에 도시된 바와 같이, 가속도 센서의 입력을 받는 단계, 주축 속도가 설정 값 이상인지 판단하는 단계, 주축 속도가 설정 값 이상일 경우 가속도를 속도로 변환하는 단계, 주축 속도가 설정 값 이상이 아닐 경우 가속도를 변위로 변환하는 단계, 속도 값 및/또는 변위 값을 이용하여 궤도를 검출하는 단계, 궤도의 교차점이 1개 이상인지 판단하는 단계, 궤도의 교차점이 2개 이상인지 판단하는 단계, 궤도의 교차점이 2개 이상일 경우 심각한 정령 불량 알람을 출력하는 단계, 궤도의 교차점이 2개 이상이 아닐 경우 두 궤도의 면적 비율 A,B 및/또는 C가 설정값 이상인지 판단하는 단계, 두 궤도의 면적 비율 A,B 및/또는 C가 설정값 이상일 경우 하모닉 성분을 갖는 정렬 불량 알람을 출력하는 단계, 두 궤도의 면적 비율 A,B 및/또는 C가 설정값 이상이 아닐 경우 정렬 불량 알람을 출력하는 단계를 포함한다.
또 다른예로, 본 발명에 따른 가속도 센서를 이용한 공작기계 주축 감지 방법은, 도 15에 도시된 바와 같이, 가속도 센서의 입력을 받는 단계, 가속도를 속도로 변환하는 단계, 주축의 상부 속도와 하부 속도의 위상차를 검출하는 단계, 위상차가 설정한 계수값 이상인지 판단하는 단계, 위상차가 설정한 계수값 이상일 경우 위상차가 180도 이상인지 판단하는 단계, 위상차가 180도 이상일 경우 심각한 정렬 불량 알람을 출력하는 단계, 위상차가 180도 이상이 아닐 경우 정렬 불량 알람을 출력하는 단계를 포함한다.
또 다른 예로, 본 발명에 따른 가속도 센서를 이용한 공작기계 주축 감지 방법은, 도 16에 도시된 바와 같이, 주축의 상부와 하부의 궤도를 검출하는 단계, 사용자 저장 모드인지 판단하는 단계, 사용자 저장 모드일 경우 사분면 그래프 정보를 메모리에 저장하는 단계, 사용자 저장 모드가 아닐 경우 주축의 상태를 특정할 수 있는지 판단하는 단계, 주축의 상태를 특정할 수 있을 경우 상술한 바와 같은 이상 상태 판단 알고리즘을 실행하는 단계, 이상 상태 판단 알고리즘에 의해 상태 알람을 출력하는 단계, 주축의 상태를 특정할 수 없을 경우 저장된 그래프 정보와 유사한지 판단하는 단계, 주축의 상태가 저장된 그래프 정보와 유사할 경우 상태 알람을 출력하는 단계를 포함한다.
이와 같이 하여, 본 발명으로 주축의 정확한 상태를 사용자에게 제공 할 수 있게 되어 가공 중 발생 할 수 있는 가공 표면 품질에 영향을 주는 주축의 런아웃(run out) 상태 및 정렬 불량, 불평형 불량 등에 대한 즉각적인 조치가 가능하게 되어 품질 불량으로 인한 생산성 저하를 개선 할 수 있으며, 주축의 비정상 상태로 인한 주축 모터의 부하 증가를 방지하여 주축의 수명을 연장 시킬 수 있다.
또한, 공작기계 생산 공정 중 후반부의 시험 가공을 통하여 주축 조립 정밀도를 판단하게 되는데, 주축 정밀도가 기준치 이상일 경우 주축의 재 조립과 시험 가공을 반복하며 정밀도를 확보 하게 된다. 본 발명으로 주축 조립 공정에서 조립자의 실수(Human error)에 기인한 주축 상태 불량을 1회의 시험 가공으로 파악할 수 있게 되어 조립 공정 후반부의 공수를 줄일 수 있으며, 이는 공작기계 생산원가 절감 효과를 가져 올 수 있다.
더불어 상태 판단 시 푸리에 변환이 불필요하게 되어 푸리에 변환이 가능한 고성능 고비용의 DSP 대신 상대적으로 저비용의 DSP를 사용 할 수 있게 되어 시스템 제작 시 원가 절감 효과를 가져올 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 가속도 센서를 이용한 공작기계 주축 감지 시스템을 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.
100; 본 발명에 따른 공작기계 주축 감지 시스템
110; 센서부 111,112; 가속도 센서
120; 신호 처리부 121; 아날로그 신호부
122; 필터 123; 적분기
124; DSP 보드부 125; ADC 모듈
126; 궤도 검출 모듈 127; 위상차 계산 모듈
128; 이상 상태 판단 모듈 130; 인간 기계 인터페이스부

Claims (9)

  1. 공작기계 주축의 상부와 하부 각각에 대한 가속도를 센싱하는 센서부;
    상기 센서부로부터 입력된 가속도를 속도와 변위로 변환하고, 속도를 이용하여 주축의 상부와 하부 각각에 대한 위상차를 계산하고, 속도 또는 변위를 이용하여 주축의 상부와 하부 각각에 대한 궤도를 검출하는 신호 처리부; 및
    상기 신호처리부로부터의 출력 신호를 이용하여 사용자에게 알람을 출력하는 인간 기계 인터페이스부를 포함하고,
    상기 센서부는
    상기 공작기계 주축의 상부에서 X축 및 Y축 각각의 가속도를 센싱하는 상부 가속도 센서; 및
    상기 공작기계 주축의 하부에서 X축 및 Y축 각각의 가속도를 센싱하는 하부 가속도 센서를 포함함을 특징으로 하는 공작기계 주축 감지 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 처리부는
    상기 센싱된 가속도에서 오프셋을 제거하는 고역 통과 필터와, 상기 가속도를 속도로 변환하는 제1적분기와, 상기 속도를 변위로 변환하는 제2적분기를 포함하는 아날로그 신호부; 및
    상기 속도 또는 변위를 이용하여 상기 주축의 상부 및 하부 각각에 대한 궤도를 검출하는 궤도 검출 모듈과, 상기 속도를 이용하여 상기 주축의 상부 및 하부 각각에 대한 위상차를 계산하는 위상차 계산 모듈과, 상기 궤도 또는 위상차가 이상 상태인지 판단하는 이상 상태 판단 모듈을 포함하는 DSP 보드부를 포함함을 특징으로 하는 공작기계 주축 감지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 궤도 검출 모듈은 상기 주축의 속도가 기준값보다 클 경우 상기 속도만을 이용하여 상기 주축의 상부 및 하부 각각에 대한 궤도를 검출함을 특징으로 하는 공작기계 주축 감지 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 궤도 검출 모듈은
    상기 주축의 상부 및 하부 각각에 대한 X축 및 Y축의 변위 또는 속도를 X축 및 Y축을 갖는 사분면에 그래프로 표시하고, 상기 사분면에서 상기 그래프의 최대값 및 최소값에 대한 좌표점을 구하며, 상기 좌표점으로부터 단축 a 및 장축 b의 값을 계산하고, 상기 장축 b와 사분면의 기울어진 각도 θ를 계산하며,
    상기 주축의 상부 및 하부 각각에 대한 각도 θ로부터 상부 궤도와 하부 궤도 사이의 각도 Φ를 계산하여, 상기 주축의 상부 궤도와 하부 궤도 사이의 차이를 검출함을 특징으로 하는 공작기계 주축 감지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 궤도 검출 모듈은
    상기 상부 궤도의 그래프 및 하부 궤도의 그래프가 교차되는 좌표점을 찾고, 상기 교차되는 좌표점을 중심으로 나누어지는 타원 영역의 면적을 계산함을 특징으로 하는 공작기계 주축 감지 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 궤도 검출 모듈은
    상기 상부 궤도의 그래프 및 하부 궤도의 그래프가 교차되는 복수개의 좌표점을 찾고, 상기 복수개의 교차되는 좌표점을 중심으로 나누어지는 복수개의 타원 영역의 면적을 계산함을 특징으로 하는 공작기계 주축 감지 시스템.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 이상 상태 판단 모듈은
    상기 궤도 검출 모듈과 위상차 계산 모듈로부터 전달받은 정보를 기반으로, 상기 공작기계 주축의 상태 정보를 생성하되,
    상기 사분면에 그려지는 그래프의 형태가 미리 설정된 각도 및 타원 영역의 면적보다 클 경우 알람 신호를 상기 인간 기계 인터페이스부에 출력함을 특징으로 하는 공작기계 주축 감지 시스템.
  9. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 궤도 검출 모듈과 위상차 계산 모듈로부터 전달받은 정보를 기반으로, 상기 공작기계 주축의 상태 정보를 정의하여 미리 저장해 놓는 메모리를 더 포함하고,
    상기 메모리에 미리 저장된 공작기계 주축의 상태 정보와 현재 입력된 공작기계 주축의 상태 정보를 상호간 비교하여 상태 알람 출력 여부를 결정함을 특징으로 하는 공작기계 주축 감지 시스템.
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