KR101857738B1 - 접촉식 센서와 비접촉식 센서를 이용한 채터진동 감지시스템 및 감지방법 - Google Patents

접촉식 센서와 비접촉식 센서를 이용한 채터진동 감지시스템 및 감지방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 접촉식 센서와 비접촉식 센서를 이용한 채터진동 감지시스템 및 감지방법에 관한 것으로, 공구에 대한 가공신호를 획득하기 위하여 접촉식 센서와 비접촉식 센서를 복합적으로 이용하고 이를 근거로 실시간 공정감시를 실시함으로써 채터진동을 정확하고 신속하게 감지할 수 있도록 한 것이다.
이러한 본 발명 중 채터진동 감지시스템의 경우, 공작기계의 공구에 직접 부착되어 가속도를 센싱하는 접촉센서와, 상기 공구로부터 이격된 공간에서 공구에서 발생하는 음향을 센싱하는 제1비접촉센서와, 상기 공구로부터 이격된 공간에서 공구의 진폭을 센싱하는 제2비접촉센서를 구비하는 센서부와; 상기 센서부에서 센싱하여 획득한 가공신호에 대하여 노이즈를 제거하고 증폭하는 전치증폭부와; 상기 전치증폭부를 거친 가공신호를 재증폭하는 주증폭부와; 재증폭된 가공신호로부터 채터진동 특성을 추출하여 채터진동 여부를 파악하고 채터진동을 회피하기 위한 가공조건을 제시하는 채터진동진단부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

접촉식 센서와 비접촉식 센서를 이용한 채터진동 감지시스템 및 감지방법{Chatter vibration diagnosis system and method using direct type sensor and indirect type sensor}
본 발명은 채터진동 감지시스템 및 감지방법에 관한 것으로, 특히 공구에 대한 가공신호(Cutting signal)를 획득하기 위하여 접촉식 센서(Direct sensor)와 비접촉식 센서(Indirect sensor)를 복합적으로 이용하고 이를 근거로 실시간 공정감시(Real-time process monitoring)를 실시함으로써 채터진동을 정확하고 신속하게 감지할 수 있도록 한 접촉식 센서와 비접촉식 센서를 이용한 채터진동 감지시스템 및 감지방법에 관한 것이다.
기계가공에서 발생하는 채터진동은 강제진동(Forced vibration)과 자려진동(Regenerative vibration)으로 나눠지며, 일반적으로 자려진동을 의미한다.
채터진동은 기계가공을 진행하면서 이전가공에서 생성된 가공표면의 파형(Waviness)에 의한 절삭변수(ex: 절삭깊이, 이송량)의 미세한 변화에 의해 절삭력이 변화하면서 절삭공구를 가진(Excitation)함으로써 발생하게 된다.
채터진동이 발생하면 가공표면(Machined surface)에 독특한 형태의 반복적인 무늬가 발생하게 되며, 이로 인해 표면거칠기(Surface roughness)가 높아지고, 표면품질이 악화된다. 또한 공구의 진동으로 인해 공구절삭날이 손상됨으로써 공구수명도 단축되는 문제가 발생한다.
채터진동을 회피하고 억제하기 위해 일반적으로 공구와 가공소재의 동적특성값을 이용하는 해석적인 방법(Analytical method)을 이용하여 채터안정선도(Chatter stability lobe)를 작성함으로써 채터진동이 발생하지 않는 가공조건을 선정하여 왔다. 하지만 공구와 가공소재의 형상과 크기는 다양하여, 채터안정선도는 특정 소재와 형상에서만 유효하며, 모든 조건에서 정확하게 적용 가능한 것은 아니다. 또한 가공소재 및 형상이 변화할 때마다 새로운 채터안정선도를 작성하여야 하는 어려움이 있다.
따라서 해석적 기법을 통한 채터진동에 대한 예측뿐만 아니라, 가공공정에서 발생하는 진동을 공구와 직접 접촉하는 가속도계를 이용하여 실시간으로 파악하고 이를 근거로 채터진동을 판단하는 채터진동 감지장치 및 방법에 관한 기술이 한국등록특허공보 제0497660호(2005.06.17)를 통해 개시된 바 있다.
도 1은 한국등록특허공보 제0497660호에 개시된 채터진동 감지장치의 전체 구성을 나타낸 도면으로서, 진동감지수단, 데이터분석수단, 회전수측정수단, 채터진동검출수단, 및 NC선반제어수단으로 이루어진 것을 볼 수 있다.
이같은 종래기술에 의한 구성에 따르면 공구에 직접 부착된 진동감지장치(가속도계)가 공구의 진동을 측정하면 이를 근거로 얻어진 시간대별 진동주파수를 분석하여 채터진동을 판단하게 된다.
그러나 이같은 종래기술의 경우 단순히 공구에 접촉하도록 설치된 진동감지장치에서 측정된 가속도신호에만 의존하여 채터진동 감지정확도가 떨어지는 문제점이 있었다.
한국등록특허공보 제0497660호(2005.06.17)
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 공구에 대한 가공신호(Cutting signal)를 획득하기 위하여 접촉식 센서(Direct sensor)와 비접촉식 센서(Indirect sensor)를 복합적으로 이용하고 이를 근거로 실시간 공정감시(Real-time process monitoring)를 실시함으로써 채터진동을 정확하고 신속하게 감지할 수 있도록 한 접촉식 센서와 비접촉식 센서를 이용한 채터진동 감지시스템 및 감지방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 채터진동 시스템은, 공작기계의 공구에 직접 부착되어 가속도를 센싱하는 접촉센서와, 상기 공구로부터 이격된 공간에서 공구에서 발생하는 음향을 센싱하는 제1비접촉센서와, 상기 공구로부터 이격된 공간에서 공구의 진폭을 센싱하는 제2비접촉센서를 구비하는 센서부와; 상기 센서부에서 센싱하여 획득한 가공신호에 대하여 노이즈를 제거하고 증폭하는 전치증폭부와; 상기 전치증폭부를 거친 가공신호를 재증폭하는 주증폭부와; 재증폭된 가공신호로부터 채터진동 특성을 추출하여 채터진동 여부를 파악하고 채터진동을 회피하기 위한 가공조건을 제시하는 채터진동진단부를 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1비접촉센서는 상기 공구를 중심으로 동일한 거리에 위치하는 4개의 음향센서로 구비되어 각각의 음향센서가 공구에서 발생하는 음향을 동시에 센싱하며, 상기 채터진동진단부는 4개의 음향센서가 동시에 센싱하여 획득한 음향신호 특성을 비교하여 서로 다른 특성을 갖는 영역은 외부 노이즈로 간주하여 제거하고 서로 간에 동일한 특성을 갖는 영역만을 공구에서 발생한 음향으로 간주하여 채터진동 분석에 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제2비접촉센서는 2개의 레이저 진폭센서로 구비되어 상기 공구로부터 동일선상에서 거리를 달리한 두 지점의 진폭을 각각 동시에 센싱하며, 상기 채터진동진단부는 2개의 레이저 진폭센서가 동시에 센싱하여 취득한 진폭신호 특성을 비교하여 상기 공구로부터 이격된 거리에 비례하여 감소하는 진폭신호 특성만을 공구에서 발생한 진폭으로 간주하여 채터진동 분석에 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 채터진동진단부는 가공신호를 주파수대역 통과필터를 이용하여 가공 특성정보를 담고 있는 특정 주파수대역만을 통과시킨 후 필터처리된 가공신호의 시영역 분석을 위해 실효치 연산과 이동평균 연산을 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 채터진동진단부는 주파수영역 분석을 위해 가공신호에 대한 고속푸리에변환 연산을 수행한 후 FFT 그래프의 주파수별 값을 최대값을 기준으로 상대화하여 패턴화하기 위해 노멀라이징 연산을 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 채터진동진단부는 가공신호 실효치의 이동평균값이 기준값를 초과하는 신호 상승시간과 유지시간, 그리고 단위시간당 이벤트횟수를 분석하여 채터진동 발생 여부를 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 채터진동진단부는 고속푸리에변환 처리된 가공신호의 주파수신호에서 최대 피크값과 절삭날통과 주파수의 일치여부와 채터진동 주파수 범위 내에 존재 여부를 통해 채터진동 발생 여부를 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 채터진동진단부는, 노멀라이징 처리된 패턴을 입력값으로 하여 학습된 인공신경망을 통해 각 가공상태의 출력벡터와 비교하여 채터진동 발생 여부를 판단하며, 주파수대역필터를 통과한 가공신호에 대해 이산웨이블릿변환 연산을 수행하고 고역필터를 통과시킨 디테일 신호에 대하여 연속웨이블릿연산을 수행하며 도출된 연속웨이블릿변환 계수의 누적연산을 수행하여 초당 문턱값을 초과하는 횟수인 이벤트카운트를 연산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 채터진동진단부에는 가공신호의 원신호를 표시하는 그래프 모듈과 실효치의 이동평균값을 나타내는 그래프 모듈과 공구 고유진동수, 최대주파수, 그리고 채터진동 주파수를 나타내는 모듈과 채터진동 발생 여부를 나타내는 모듈과 채터진동을 회피할 수 있는 가공조건 후보군을 나타내는 모듈로 이루어진 가공상태 감시 프로그램이 설치된 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 채터진동 감지방법은, 공작기계의 공구에 직접 부착된 접촉센서인 가속도센서가 가속도를 센싱하고, 상기 공구로부터 거리를 두고 떨어진 제1비접촉센서인 음향센서가 공구로부터 발생하는 음향을 센싱하며, 상기 공구로부터 거리를 두고 떨어진 제2비접촉센서인 레이저 진폭센서가 공구에서 발생하는 진폭을 센싱하여 가공신호를 획득하는 가공신호 획득 단계와; 각각의 가공신호에 대하여 전치증폭부에서 노이즈를 제거하고 증폭한 후, 주증폭부에서 재증폭하는 가공신호 증폭 단계와; 증폭된 가공신호에 대하여 채터진동진단부에서 주파수대역통과필터를 이용하여 가공특성정보를 담고 있는 주파수대역만을 통과시킨 후 필터처리된 가공신호의 시영역 분석을 위해 실효치 연산과 이동평균 연산을 수행하고, 주파수영역 분석을 위해 가공신호에 대한 고속푸리에변환 연산을 수행한 후 FFT 그래프의 주파수별 값을 최대값을 기준으로 상대화하여 패턴화하기 위해 노멀라이징 연산을 수행하는 신호처리 단계와; 상기 채터진동진단부가 시영역 분석을 통해 실효치의 이동평균값 기준값인 문턱값을 초과하는 신호상승 시간과 신호상승 후 유지시간, 그리고 단위시간당 문턱값을 초과하는 횟수를 나타내는 이벤트횟수를 분석하고, 주파수영역 분석을 통해 FFT 그래프에서 최대 피크값이 채터진동 주파수 범위 내에 존재하는지 여부와 노멀라이징 처리된 FFT 그래프의 패턴이 채터진동 발생시의 FFT 그래프 패턴과 일치하는지 여부를 판단하는 신호특성 분석 단계와; 상기 신호특성 분석 단계에서 행해진 분석을 근거로 채터진동인지를 최종 결정하는 채터진동 분석 단계를 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1비접촉센서인 음향센서는 공구를 중심으로 동일한 거리에 위치하는 복수의 음향센서로 구비되어 각각의 음향센서가 공구에서 발생하는 음향을 동시에 센싱하며, 상기 채터진동진단부는 복수의 음향센서가 동시에 센싱하여 획득한 음향신호 특성을 비교하여 서로 다른 특성을 갖는 영역은 외부 노이즈로 간주하여 제거하고 서로 간에 동일한 특성을 갖는 영역만을 공구에서 발생한 음향으로 간주하여 채터진동 분석에 이용하며, 상기 제2비접촉센서인 레이저 진폭센서는 상기 공구로부터 동일선상에서 거리를 달리한 두 지점의 진폭을 각각 동시에 센싱하는 2개의 센서로 이루어지며, 상기 채터진동진단부는 2개의 레이저 진폭센서가 동시에 센싱하여 취득한 진폭신호 특성을 비교하여 공구로부터 이격된 거리에 비례하여 감소하는 진폭신호 특성만을 공구에서 발생한 진폭으로 간주하여 채터진동 분석에 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 의한 접촉식 센서와 비접촉식 센서를 이용한 채터진동 감지시스템 및 감지방법은, 공구에 대한 가공신호(Cutting signal)를 획득하기 위하여 접촉식 센서(Direct sensor)와 비접촉식 센서(Indirect sensor)를 복합적으로 이용하고 이를 근거로 실시간 공정감시(Real-time process monitoring)를 실시함으로써 채터진동을 정확하고 신속하게 감지할 수 있다.
도 1은 종래기술에 의한 채터진동 감지장치의 구성을 설명하기 위한 구성도
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템의 구성도
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템에서 공구신호를 획득하기 위한 센서들의 구성을 설명하기 위한 평면도
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템에서 센서들의 배치상태를 설명하기 위한 측면도
도 5 내지 도 7은 채터진동진단부의 음향신호 특성 비교 과정을 설명하기 위한 일련의 참조도
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템에서 채터진동진단부가 가공신호에 대하여 신호처리를 행하는 과정을 설명하기 위한 참조순서도
도 9는 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템에서 채터진동진단부가 가공신호에 대하여 신호특성 분석을 행하는 과정을 설명하기 참조순서도
도 10은 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템에서 채터진동진단부가 신호특성 분석 중 시영역 분석 단계를 구체화하여 나타낸 참고도
도 11은 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템에서 채터진동진단부가 신호특성 분석 중 시영역 분석 단계를 구체적으로 설명하기 위한 순서도
도 12는 도 11의 이벤트카운트 'C' 연산단계를 구체적으로 나타낸 참조도
도 13은 도 9의 주파수영역 분석 단계를 구체적으로 나타낸 참조도
도 14는 도 8의 FFT 그래프의 노멀라이징 패턴화 연산에 대해 구체적으로 나타낸 참조도
도 15는 도 9의 패턴인식 방법에 대해 구체적으로 나타낸 참조도
도 16은 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템에서 채터진동진단부에 설치된 가공상태 감시 프로그램의 구성예를 나타낸 참조도
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템 및 감지방법에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.
또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템의 구성도이다. 그리고, 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템에서 공구신호를 획득하기 위한 센서들의 구성을 설명하기 위한 평면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템에서 센서들의 배치상태를 설명하기 위한 측면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템은 채터진동 판단의 근거 데이터가 되는 가공신호를 획득하기 위한 센서부(110, 120a120d, 130a130b 포함)와, 상기 센서부에서 센싱하여 획득한 가공신호에 대하여 노이즈를 제거하고 증폭하는 전치증폭부(140a)와, 상기 전치증폭부를 거친 가공신호를 재증폭하는 주증폭부(140b)와, 재증폭된 가공신호로부터 채터진동 특성을 추출하여 채터진동 여부를 파악하고 채터진동을 회피하기 위한 가공조건을 제시하는 채터진동진단부(150) 및 가공상태 감시 프로그램의 감시 상태를 표시하는 디스플레이(160)를 포함한다.
이같은 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템의 구성에서 주목할 수 있는 것은 가공신호를 획득하기 위한 센서부가 도 3 및 도 4에 도시된 것처럼 공작기계의 공구대(40)에 장착된 공구(30)에 직접 부착되어 공구의 가속도를 센싱하는 접촉센서(110)인 가속도센서와 더불어 상기 공구(30)로부터 이격된 공간에서 공구(30)에서 발생하는 음향을 센싱하는 제1비접촉센서(120a~120d)인 음향센서와, 상기 공구(30)로부터 이격된 공간에서 공구의 진폭을 센싱하는 제2비접촉센서(130a~130b)인 레이저 진폭센서를 복합적으로 구비하고 있다는 점이다. 이처럼 접촉센서(110)인 가속도센서와 비접촉센서(110)인 음향센서 및 레이저 진폭센서에 의해 복합적으로 가공신호를 획득하게 되면 채터진동 여부에 대한 보다 정확한 판단이 가능하게 되는 것이다.
이 중 접촉센서(110)인 가속도센서는 공구(30)에 부착되어 있으며 상하방향(Z축)과 좌우방향(X축)의 진동변위를 측정할 수 있도록 공구(30)의 전면에 X축과 Y 축선상에 부착된다. 이처럼 접촉센서(110)인 가속도센서의 경우 제1비접촉센서(120a~120d)인 음향센서와 제2비접촉센서(130a~130b)인 레이저 진폭센서와 함께 활용함으로써 가공공정에 의해 발생하는 진동 및 소음 이외에 다른 외란요소(작업자의 목소리, 타 공정 장비에 의한 진동 및 충격 등)로 인해 하나의 센서만으로 채터진동의 정확한 판단이 어려운 문제를 보완할 수 있다. 특히 접촉센서(110)인 가속도센서의 경우 제1비접촉센서(120a~120d)인 음향센서가 음압형태로 발산되는 채터진동의 특징을 감지하는데 상당히 효과적이나 작업자에 의해 발생하는 소음이나 다른 공정장치에서 발생하는 소음에 상당히 취약하고, 제2비접촉센서(130a~130b)인 레이저 진폭센서가 공구진폭 측정센서는 타 공정장비에 의한 외란요소에 의한 간섭을 받지 않아 채터진동에 의한 공구(30)의 떨림을 감지하는데 효과적이지만 가공시 사용되는 절삭유와 칩(Chip)에 의한 공정자체의 간섭을 받기 쉬운 문제를 보완할 수 있도록 해준다. 따라서 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템에서는 제1비접촉센서(120a~120d)인 음향센서와 제2비접촉센서(130a~130b)인 레이저 진폭센서를 이용하여 1차적으로 채터진동 발생 여부를 판단하고, 접촉센서(110)인 가속도센서를 이용하여 2차적으로 채터진동을 가속도신호를 검출할 수 있는 접촉센서(110)를 이용하여 2차적으로 채터진동 발행 여부를 판단함으로써 채터진동의 감지 정확도를 높이고, 가공품질과 생산성을 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다. 여기서 상기 접촉센서(110)는 가속도센서뿐만 아니라 절삭력을 센싱하여 절삭력신호를 획득할 수 있는 절삭력 감지센서, 음향을 센싱하여 음향신호를 획득할 수 있는 음향센서로 구비될 수도 있다.
상기 제1비접촉센서(120a~120d)인 음향센서는 4개가 공구(30)를 중심으로 동일한 거리에 위치하도록 설치되어 각각의 음향센서가 공구(30)에서 발생하는 음향을 동시에 센싱한다. 그러면 상기 채터진동진단부(150)는 4개의 음향센서가 동시에 센싱하여 획득한 음향신호 특성을 비교하여 서로 다른 특성을 갖는 영역은 외부 노이즈로 간주하여 제거하고 서로 간에 동일한 특성을 갖는 영역만을 공구(30)에서 발생한 음향으로 간주하여 채터진동 분석에 이용한다. 이같은 채터진동진단부(150)의 음향신호 특성 비교 과정은 첨부된 도 5 내지 도 7에 개념적으로 잘 예시되어 있다. 도 5의 경우 (a), (b), (c), (d)에는 각각 제1음향센서(120a), 제2음향센서(120b), 제3음향센서(120c), 제4음향센서(120d)가 각각 각자의 위치에서 센싱한 음향으로부터 획득한 음향신호 특성을 개념 설명의 편의를 위해 도식적으로만 나타낸 것이다. 이들 특성 그래프들을 살펴보면 서로 간에 동일한 특성을 갖는 N0 영역과 N1 영역이 존재하고 동일하지 않은 N2 ~ N5 영역이 존재하는 것을 알 수 있다. 상기 채터진동진단부(150)에서는 프로그램을 구동하여 도 6에 도시된 것처럼 바와 같이 특성 그래프들을 겹쳐 동일 영역과 비동일 영역을 식별한 후 비동일 영역에 대해서는 공구로부터 발생한 음향이 아닌 외부 노이즈로 간주하여 제거한다. 그러면 도 7에 도시된 것처럼 각 음향센서에서 센싱하여 획득한 음향신호 특성 중 동일 특성인 N0 및 N1 영역만 남게 되어 이들 영역만을 채터진동 분석에 이용할 수 있게 된다.
이처럼 음향센서를 복수 설치하여 외부 노이즈를 식별하고 제거할 수 있도록 한 구성에 의하면 음향센서가 음압형태로 발산되는 채터진동의 특징을 감지하는데 상당히 효과적이나 작업자에 의해 발생하는 소음이나 다른 공정장치에서 발생하는 소음에 상당히 취약한 단점을 갖는 단점을 효과적으로 보완할 수 있게 된다.
상기 제2비접촉센서(130a~130b)인 레이저 진폭센서는 2개가 구비되어 상기 공구로부터 동일선상에서 거리를 달리한 두 지점의 진폭을 각각 동시에 센싱하도록 설치된다. 이같은 레이저 진폭센서의 센싱작업을 정밀하고 편리하게 수행하기 위해서 도 4에 도시된 것처럼 공구대(40)에 공구로부터 동일선상에 위치한 지점에 거리를 배수로 달리하여 마킹을 하는 것이 바람직하다. 제1마킹(135a)은 제1레이저 진폭센서(130a)가 레이저를 조사하는 지점이고 제2마킹(135b)은 제2레이저 진폭센서(130b)가 레이저를 조사하는 지점이다. 그러면 상기 채터진동진단부(150)는 제1레이저 진폭센서(130a)와 제2레이저 진폭센서(130b)가 동시에 센싱하여 취득한 진폭신호 특성을 비교하여 상기 공구(30)로부터 이격된 거리에 비례하여 감소하는 진폭신호 특성만을 공구에서 발생한 진폭으로 간주하여 채터진동 분석에 이용한다.
이처럼 상기 제1레이저 진폭센서(130a)와 제2레이저 진폭센서(130b)가 공구(30)로부터 동일선상에서 거리를 배수로 달리한 두 지점의 진폭을 동시에 센싱하고 이로부터 거리에 비례하여 감소하는 진폭신호 특성을 추출하도록 한 구성에 따르면 공구에서 발생한 진폭신호만을 정확하게 추출할 수 있게 된다. 따라서 타 공정장비에 의한 외란요소에 의한 간섭을 받지 않아 채터진동에 의한 공구(30)의 진동을 감지하는데 효과적이지만 가공시 사용되는 절삭유와 칩(Chip)에 의한 공정자체의 간섭을 받기 쉬운 레이저 진폭센서의 단점을 효과적으로 보완할 수 있는 것이다. 참고로 도 3에서 설명되지 않은 도면부호 10과 20은 각각 주축대와 공작물을 가리킨다.
계속해서, 위에서 언급된 접촉센서(110)와 비접촉센서(110)를 통해 획득한 가공신호(Cutting signal)를 이용하여 채터진동진단부(150)가 채터진동 여부를 파악하고 채터진동을 회피하기 위한 가공조건을 제시하는 구체적인 프로세스를 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템에서 채터진동진단부가 가공신호에 대하여 신호처리를 행하는 과정을 설명하기 위한 참조순서도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템에서는 채터진동진단부가 전술된 접촉센서(110)와 제1비접촉센서(110)들을 통해 획득한 가공신호를 주파수대역 통과필터를 이용하여 가공특성 정보를 담고 있는 주파수대역만을 통과시킨 후 필터처리된 가공신호의 시영역 분석을 위해 실효치 연산과 이동평균 연산을 수행한다. 그리고 주파수영역 분석을 위해 가공신호에 대한 고속푸리에변환 연산을 수행한 후 FFT 그래프의 주파수별 값을 최대값을 기준으로 상대화하여 패턴화하기 위해 노멀라이징 연산을 수행한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템에서 채터진동진단부가 가공신호에 대하여 신호특성 분석을 행하는 과정을 설명하기 참조순서도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템에서는 채터진동진단부(150)가 시영역 분석을 통해 실효치의 이동평균값의 기준값인 문턱값을 초과하는 신호상승 시간과 신호상승 후 유지시간, 그리고 단위시간당 문턱값을 초과하는 횟수를 나타내는 이벤트횟수를 분석하여 채터진동 발생 여부를 판단한다.
그리고 주파수영역 분석을 통해 FFT 그래프에서 최대 피크값이 채터진동 주파수 범위 내에 존재하는지 여부와 노멀라이징 처리된 FFT 그래프의 패턴이 채터진동 발생시의 FFT 그래프 패턴과 일치하는지 여부를 판단하여 채터진동 발생 여부를 판단한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템에서 채터진동진단부가 신호특성 분석 중 시영역 분석 단계를 구체화하여 나타낸 참고도이며, 도 11은 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템에서 채터진동진단부가 신호특성 분석 중 시영역 분석 단계를 구체적으로 설명하기 위한 순서도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템에서는 채터진동진단부(150)가 가공신호에 대한 실효치 연산과 이동평균 연산을 수행한 후 도출된 신호평균값 'A'가 문턱값인 신호 기준값 'At' 보다 작으면 채터진동이 발생하지 않은 것으로 판단하며, 높거나 같으면 다음 단계로 넘어가서 신호 기준값보다 높은 신호값을 유지하는 시간인 지속시간 'D'가 지속시간 기준값인 'Dt'와 비교연산을 수행한다. 지속시간 'D'가 지속시간 기준값인 'Dt'보다 작으면 채터진동이 발생하지 않은 것으로 판단하며, 높거나 같으면 다음 단계로 넘어가서 신호값이 신호 기준값을 초과하는 횟수인 이벤트카운트 'C'를 연산하고 이벤트카운트 기준값 'Ct'와 비교연산을 수행한다. 이벤트카운트 'C'가 이벤트카운트 기준값 'Ct'보다 작으면 채터진동이 발생하지 않은 것으로 판단하고, 높거나 같으면 시영역 분석 단계에서는 최종적으로 채터진동이 발생한 것으로 판단한다.
도 12는 도 11의 이벤트카운트 'C' 연산단계를 구체적으로 나타낸 참조도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템에서는 채터진동진단부(150)가 주파수대역필터를 통과한 가공신호에 대해 이산웨이블릿변환(Discrete wavelet transform: DWT) 연산을 수행하여 고역필터(High pass filter: HPF)를 통과시켜 채터진동과 관련된 정보를 포함하고 있는 디테일(Detail) 신호를 획득한다. 그리고, 디테일 신호에 대해 연속웨이블릿변환(Continuous wavelet transform: CWT)연산을 수행함으로써 연속웨이블릿변환 계수(CWT coefficient)의 누적연산을 수행함으로써 초당 문턱값을 초과하는 횟수인 이벤트카운트 'C'를 계산하는 것이다.
도 13은 도 9의 주파수영역 분석 단계를 구체적으로 나타낸 참조도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템에서는 채터진동진단부(150)가 가공신호에 대한 고속푸리에변환(FFT) 연산을 수행한 후 주파수영역신호의 최대값을 나타내는 최대주파수 'A'를 탐색한 후, 절삭날통과 주파수 'B'와 비교연산을 수행한다. 최대주파수 'A'와 절삭날통과 주파수 'B'가 같으면 채터진동이 발생하지 않은 것으로 판단하고, 같지 않으면 다음 연산 단계로 넘어간다. 채터진동 주파수 범위 'C'에 최대주파수 'A'가 포함되지 않으면 채터진동이 발생하지 않은 것으로 판단하고, 포함되면 주파수영역 단계에서는 최종적으로 채터진동이 발생한 것으로 판단한다.
도 14는 도 8의 FFT 그래프의 노멀라이징 패턴화 연산에 대해 구체적으로 나타낸 참조도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템에서는 채터진동진단부(150)가 0~20,000Hz 영역을 100Hz단위로 나누어 총 200개의 Frequency bin을 생성한다. 그리고 100Hz마다 최대값을 대표값으로 선정하여 각 Frequency bin의 값으로 입력한다. Frequency bin의 값은 도면에 나타난 것처럼 정규화 연산을 거쳐 패턴화된다. 정규화 연산에서 mi는 Frequency bin의 값이고 xi는 정규화된 Frequency bin의 값이며, μ는 Frequency bin값의 평균값, 그리고 σ는 Frequency bin값의 정규분포이다.
도 15는 도 9의 패턴인식 방법에 대해 구체적으로 나타낸 참조도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템에서는 채터진동진단부(150)가 정규화된 Frequency bin 값을 입력층으로 하고 두 개의 은닉층(Hidden layer)을 가지며, 하나의 출력층을 가지는 학습된 인공신경망을 이용하여 패턴을 인식함으로써 채터진동으로 판정한다. 이때 출력벡터값이 (1,0,0)일 경우 채터진동이 발생하지 않는 안정적인 가공이며, 출력벡터값이 (0,1,0)일 경우 강제진동이 발생하고 채터진동인 자려진동이 발생하기 직전단계라 할 수 있는 불안정한 가공이며, 출력벡터값이 (0,0,1)일 경우 채터진동이 발생한 불안정한 가공이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템에서 채터진동진단부에 설치된 가공상태 감시 프로그램의 구성예를 나타낸 참조도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 채터진동 감지시스템에서 채터진동진단부(150)에는 가공상태 감시 프로그램이 설치되며, 이 프로그램은 적어도 가공신호의 원신호를 표시하는 그래프 모듈과 실효치 연산과 이동평균 연산된 값을 나타내는 그래프 모듈과 공구의 고유진동수, 최대 주파수, 그리고 채터진동 주파수를 나타내는 모듈과 채터진동 발생 여부를 나타내는 모듈과 채터진동을 회피할 수 있는 가공조건을 나타내는 모듈을 포함하여 이루어진다. 참고로 도면에는 상기 가공상태 감시 프로그램에 의해 관리자에게 제공되는 디스플레이(160) 상의 정보가 도시되었다.
도 17은 도 16의 가공상태 감시 프로그램에서 채터진동이 발생할 때 채터진동 발생 여부를 나타내는 모듈과 채터진동을 회피할 수 있는 가공조건을 나타내는 모듈의 상태를 나타낸 참조도이다.
도시된 바와 같이 가공상태 감시 프로그램에서 채터진동이 발생할 경우 채터진동 발생 여부를 나타내는 모듈의 색은 채터진동이 발생하지 않을 경우와는 보색 또는 시각적으로 확연히 구별이 되는 색으로 표현되는 것이 바람직하다. 또한 채터진동을 회피할 수 있는 가공조건을 나타내는 모듈에는 채터진동이 발생할 경우 채터진동을 회피하여 안정적인 가공을 수행할 수 있는 가공조건의 후보군을 표시하도록 구성된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
110 : 접촉센서 120a ~ 120d : 제1비접촉센서
130a ~ 130b : 제2비접촉센서 135a, 135b : 제1마킹, 제2마킹
140a : 전치증폭부 140b :주증폭부
150 : 패터진동진단부 160 : 디스플레이

Claims (11)

  1. 공작기계의 공구에 직접 부착되어 가속도를 센싱하는 접촉센서와, 상기 공구로부터 이격된 공간에서 공구에서 발생하는 음향을 센싱하는 제1비접촉센서와, 상기 공구로부터 이격된 공간에서 공구의 진폭을 센싱하는 제2비접촉센서를 구비하는 센서부와; 상기 센서부에서 센싱하여 획득한 가공신호에 대하여 노이즈를 제거하고 증폭하는 전치증폭부와; 상기 전치증폭부를 거친 가공신호를 재증폭하는 주증폭부와; 재증폭된 가공신호로부터 채터진동 특성을 추출하여 채터진동 여부를 파악하고 채터진동을 회피하기 위한 가공조건을 제시하는 채터진동진단부를 포함하며,
    상기 제1비접촉센서는 상기 공구를 중심으로 동일한 거리에 위치하는 4개의 음향센서로 구비되어 각각의 음향센서가 공구에서 발생하는 음향을 동시에 센싱하며,
    상기 채터진동진단부는 4개의 음향센서가 동시에 센싱하여 획득한 음향신호 특성을 비교하여 서로 다른 특성을 갖는 영역은 외부 노이즈로 간주하여 제거하고 서로 간에 동일한 특성을 갖는 영역만을 공구에서 발생한 음향으로 간주하여 채터진동 분석에 이용하는 것을 특징으로 하는 채터진동 감지시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2비접촉센서는 2개의 레이저 진폭센서로 구비되어 상기 공구로부터 동일선상에서 거리를 달리한 두 지점의 진폭을 각각 동시에 센싱하며,
    상기 채터진동진단부는 2개의 레이저 진폭센서가 동시에 센싱하여 취득한 진폭신호 특성을 비교하여 상기 공구로부터 이격된 거리에 비례하여 감소하는 진폭신호 특성만을 공구에서 발생한 진폭으로 간주하여 채터진동 분석에 이용하는 것을 특징으로 하는 채터진동 감지시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 채터진동진단부는 가공신호를 주파수대역 통과필터를 이용하여 가공 특성정보를 담고 있는 특정 주파수대역만을 통과시킨 후 필터처리된 가공신호의 시영역 분석을 위해 실효치 연산과 이동평균 연산을 수행하는 것을 특징으로 하는 채터진동 감지시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 채터진동진단부는 주파수영역 분석을 위해 가공신호에 대한 고속푸리에변환 연산을 수행한 후 FFT 그래프의 주파수별 값을 최대값을 기준으로 상대화하여 패턴화하기 위해 노멀라이징 연산을 수행하는 것을 특징으로 하는 채터진동 감지시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 채터진동진단부는 가공신호 실효치의 이동평균값이 기준값를 초과하는 신호 상승시간과 유지시간, 그리고 단위시간당 이벤트횟수를 분석하여 채터진동 발생 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 채터진동 감지시스템.
  7. 삭제
  8. 제5항에 있어서,
    상기 채터진동진단부는, 노멀라이징 처리된 패턴을 입력값으로 하여 학습된 인공신경망을 통해 각 가공상태의 출력벡터와 비교하여 채터진동 발생 여부를 판단하며,
    주파수대역필터를 통과한 가공신호에 대해 이산웨이블릿변환 연산을 수행하고 고역필터를 통과시킨 디테일 신호에 대하여 연속웨이블릿연산을 수행하며 도출된 연속웨이블릿변환 계수의 누적연산을 수행하여 초당 문턱값을 초과하는 횟수인 이벤트카운트를 연산하는 것을 특징으로 하는 채터진동 감지시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 채터진동진단부에는 가공신호의 원신호를 표시하는 그래프 모듈과 실효치의 이동평균값을 나타내는 그래프 모듈과 공구 고유진동수, 최대주파수, 그리고 채터진동 주파수를 나타내는 모듈과 채터진동 발생 여부를 나타내는 모듈과 채터진동을 회피할 수 있는 가공조건 후보군을 나타내는 모듈로 이루어진 가공상태 감시 프로그램이 설치된 것을 특징으로 하는 채터진동 감지시스템.
  10. 기계가공 중 발생하는 채터진동을 실시간 감지하기 위한 채터진동 감지방법으로서,
    공작기계의 공구에 직접 부착된 접촉센서인 가속도센서가 가속도를 센싱하고, 상기 공구로부터 거리를 두고 떨어진 제1비접촉센서인 음향센서가 공구로부터 발생하는 음향을 센싱하며, 상기 공구로부터 거리를 두고 떨어진 제2비접촉센서인 레이저 진폭센서가 공구에서 발생하는 진폭을 센싱하여 가공신호를 획득하는 가공신호 획득 단계와;
    각각의 가공신호에 대하여 전치증폭부에서 노이즈를 제거하고 증폭한 후, 주증폭부에서 재증폭하는 가공신호 증폭 단계와;
    증폭된 가공신호에 대하여 채터진동진단부에서 주파수대역통과필터를 이용하여 가공특성정보를 담고 있는 주파수대역만을 통과시킨 후 필터처리된 가공신호의 시영역 분석을 위해 실효치 연산과 이동평균 연산을 수행하고, 주파수영역 분석을 위해 가공신호에 대한 고속푸리에변환 연산을 수행한 후 FFT 그래프의 주파수별 값을 최대값을 기준으로 상대화하여 패턴화하기 위해 노멀라이징 연산을 수행하는 신호처리 단계와;
    상기 채터진동진단부가 시영역 분석을 통해 실효치의 이동평균값 기준값인 문턱값을 초과하는 신호상승 시간과 신호상승 후 유지시간, 그리고 단위시간당 문턱값을 초과하는 횟수를 나타내는 이벤트횟수를 분석하고, 주파수영역 분석을 통해 FFT 그래프에서 최대 피크값이 채터진동 주파수 범위 내에 존재하는지 여부와 노멀라이징 처리된 FFT 그래프의 패턴이 채터진동 발생시의 FFT 그래프 패턴과 일치하는지 여부를 판단하는 신호특성 분석 단계와;
    상기 신호특성 분석 단계에서 행해진 분석을 근거로 채터진동인지를 최종 결정하는 채터진동 분석 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 채터진동 감지방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1비접촉센서인 음향센서는 공구를 중심으로 동일한 거리에 위치하는 복수의 음향센서로 구비되어 각각의 음향센서가 공구에서 발생하는 음향을 동시에 센싱하며, 상기 채터진동진단부는 복수의 음향센서가 동시에 센싱하여 획득한 음향신호 특성을 비교하여 서로 다른 특성을 갖는 영역은 외부 노이즈로 간주하여 제거하고 서로 간에 동일한 특성을 갖는 영역만을 공구에서 발생한 음향으로 간주하여 채터진동 분석에 이용하며,
    상기 제2비접촉센서인 레이저 진폭센서는 상기 공구로부터 동일선상에서 거리를 달리한 두 지점의 진폭을 각각 동시에 센싱하는 2개의 센서로 이루어지며, 상기 채터진동진단부는 2개의 레이저 진폭센서가 동시에 센싱하여 취득한 진폭신호 특성을 비교하여 공구로부터 이격된 거리에 비례하여 감소하는 진폭신호 특성만을 공구에서 발생한 진폭으로 간주하여 채터진동 분석에 이용하는 것을 특징으로 하는 채터진동 감지방법.
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JP2010105160A (ja) * 2010-01-15 2010-05-13 Nagoya Univ 機械加工装置、機械加工装置の回転数演算装置、機械加工装置のびびり振動評価装置および機械加工装置のびびり振動評価方法

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