KR101862729B1

KR101862729B1 - 초음파 가진을 이용한 공구의 진동특성 분석장치

Info

Publication number: KR101862729B1
Application number: KR1020160169707A
Authority: KR
Inventors: 김성진; 허은영; 이희관
Original assignee: 사단법인 캠틱종합기술원
Priority date: 2016-12-13
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2018-05-31

Abstract

본 발명에 의하면, 공구의 진동특성을 분석하는 장치로서, 초음파를 이용하여 공구를 비접촉식으로 가진시키는 가진부(110); 상기 공구의 진동을 측정하는 공구 진동 측정 센서부(140); 및 상기 공구 진동 측정 센서부로부터 상기 공구의 진동 데이터를 수집하는 데이터 수집부(150)를 포함하는 공구의 진동특성 분석장치가 제공된다.

Description

초음파 가진을 이용한 공구의 진동특성 분석장치 {APPARATUS FOR ANALYZING VIBRATION CHARACTERISTICS OF TOOL USING ULTRASONIC EXCITATION}

본 발명은 커팅다이나믹스 고속가공기술에 적합한 가공 조건 선정에 필수적으로 필요한 공구의 진동특성을 분석하는 장치에 관한 것이다.

최근 금형, 부품 등 가공기술은 신소재의 출현으로 생산성 향상과 품질개선에 있어서 한계에 부딪혀 있다. 커팅다이나믹스(cutting dynamics) 고속가공기술은 임팩트 해머로 공구의 진동특성을 측정하는 기술을 기반으로 채터링을 발생시키지 않는 RPM, 이송속도, 절삭깊이 등을 통해서 고품질 가공면을 기존 가공기술에 비해서 신속하게 생성하는 기술이다. 가공 생산성 및 품질 측면에서 절삭력의 크기보다 주축 성능을 초과하지 않는 최대 소재 제거율(MRR; material removal rate)을 갖는 절삭조건의 선정이 필요하며, 공구의 진동 모드를 반영한 절삭조건 선정이 필요하다. 이러한 커팅다이나믹스 고속가공기술에서 공구의 진동특성 분석은 지금까지 일반적으로 공구를 직접 강하게 때려서 진동을 발생시키는 임팩트 해머(impact hammer)를 이용해왔는데, 이러한 임팩트 해머를 이용한 방식은 가진 과정에서 높은 숙련도가 요구되며, 임팩트 해머가 공구와 직접 접촉하여 가진시키기 때문에 공구를 손상시킬 수 있다는 문제가 있어서 개선이 요구된다.

본 발명의 목적은 공구와 직접 접촉하지 않고 공구를 가진함으로써 가진 과정에서 공구가 손상되는 것을 방지하면서 정확한 공구의 진동특성 분석이 가능한 공구의 진동특성 분석장치를 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면,

공구의 진동특성을 분석하는 장치로서, 초음파를 이용하여 공구를 비접촉식으로 가진시키는 가진부(110); 상기 공구의 진동을 측정하는 공구 진동 측정 센서부(140); 및 상기 공구 진동 측정 센서부로부터 상기 공구의 진동 데이터를 수집하는 데이터 수집부(150)를 포함하는 공구의 진동특성 분석장치가 제공된다.

상기 공구 진동 측정 센서부는 상기 공구에 부착되는 가속도 센서일 수 있다.

상기 가속도 센서는 모달(modal) 분석을 위해 수직방향(nomal)과 접선방향(tangential)의 진동을 각각 측정하도록 상기 공구에 2개가 부착될 수 있다.

상기 공구의 진동특성 분석장치는 상기 가진부에서 발생하는 초음파의 주파수를 조절하는 가진기 제어부(120)를 더 포함할 수 있다.

상기 공구의 진동특성 분석장치는 상기 공구를 가진하는 초음파의 주파수를 측정하는 가진 주파수 측정 센서(130)를 더 포함하며, 상기 가진 주파수 측정 센서로부터 측정된 가진 초음파 주파수 데이터는 상기 데이터 수집부로 전달될 수 있다.

상기 가진 주파수 측정 센서는 마이크로폰일 수 있다.

상기 공구의 진동특성 분석장치는 상기 데이터 수집부에 수집된 공구 진동 데이터를 이용하여 상기 공구의 진동 특성을 분석하는 진동 특성 분석부(160)를 더 포함하며, 상기 진동 특성 분석부는 상기 공구 진동 측정 센서부로부터 측정된 진동 데이터를 고속프리에변환(FFT)할 수 있다.

본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 초음파를 이용하여 공구를 비접촉식으로 원하는 주파수로 가진시키는 가진부를 구비하므로, 가진 과정에서 공구와 공구를 손상시키지 않으면서 공구의 정확한 진동특성을 분석할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 가진을 이용한 공구의 진동특성 분석장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 초음파 가진에 따른 센서 FFT의 분석 예의 화면을 도시한 것이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공구의 진동특성 분석장치(100)는 공구를 가진시키는 가진기(110)와, 가진기(110)의 작동을 제어하는 가진기 제어부(120)와, 가진 주파수를 측정하는 가진 주파수 측정 센서(130)와, 공구(T)의 진동을 측정하는 공구 진동 측정 센서부(140)와, 가진 주파수 측정 센서(130) 및 공구 진동 측정 센서부(140)로부터 진동 데이터를 수집하는 데이터 수집부(이하, 'DAQ'라 함)(150)와, 데이터 수집부(150)로부터 수집된 진동 데이터를 이용하여 공구(T)의 진동특성을 분석하는 진동 특성 분석부(160)를 포함한다.

가진기(110)는 공구(T)와는 직접 접촉하지 않고 공구(T)를 가진시킨다. 본 실시예에서 가진기(110)는 자기변형(Terfenol-D) 소자를 이용하는 초음파 액추에이터로서, 초음파를 공구(T)의 특정 위치에 집중시킴으로써 초음파 에너지를 극대화하는 집속형 초음파 트랜스튜서를 구비하는 것으로 설명한다. 또한, 본 실시예에서 가진기(110)는 100 내지 1000Hz의 초음파 진동을 발생시키는 것으로 설명한다. 공구(T)와 직접 접촉하지 않고 초음파에 의해 공구(T)가 가진되므로, 직접 접촉에 의한 충격으로 인한 공구(T)의 손상이 방지된다. 또한, 임팩트 해머를 이용하는 직접 접촉에 의한 가진의 경우 공구와 순간적으로 여러 번 충돌이 발생하여 다이나믹스 측정에 오류가 발생할 수 있지만, 본 발명에서는 비접촉식 가진가가 사용되므로 이러한 문제가 발생하지 않게 된다. 가진기(110)의 작동은 가진기 제어부(120)에 의해 제어된다.

가진기 제어부(120)는 초음파 액추에이터인 가진기(110)의 작동을 제어한다. 가진기 제어부(120)에 의해 가진기(110)로부터 공구(T)로 가해지는 초음파의 주파수를 포함한 출력이 조절된다.

가진 주파수 측정 센서(130)는 공구(T)를 가진시키기 위해 가진기(110)로부터 출력되는 초음파의 주파수가 측정된다. 본 실시예에서는 가진 주파수 측정 센서(130)로서 음향 센서가 사용되는데, 구체적으로 G.R.A.S사의 Type 40PP의 마이크로폰(micrpophone)이 사용되는 것으로 설명한다. 가진 주파수 측정 센서(130)로부터 측정된 가진 주파수 데이터는 DAQ(150)로 전달된다.

공구 진동 측정 센서부(140)는 가진부(110)로부터 출력되는 초음파에 의한 공구(T)의 진동을 측정한다. 공구 진동 측정 센서부(140)는 진동의 모달 분석을 위해 수직방향과 접선방향의 진동을 측정하도록 공구(T)에 부착되는 2개의 가속도 센서를 구비한다. 본 실시예에서는 공구 진동 측정 센서부(140)에 사용되는 가속도 센서로서 Dytran사의 Model#3225F가 사용되는 것으로 설명한다. 공구 진동 측정 센서부(140)에 의해 측정된 공구(T)의 진동 데이터는 DAQ(150)로 전달된다.

데이터 수집부(DAQ)(150)는 가진 주파수 측정 센서(130)로부터 측정된 가진 주파수 데이터 및 공구 진동 측정 센서부(140)로부터 측정된 공구 진동 데이터가 수집된다. DAQ(150)에서 수집된 가진 주파수 데이터 및 공구 진동 데이터는 진동 특성 분석부(160)로 전달된다. 본 실시예에서는 DAQ(150)로서 고속 데이터 처리를 위해 NI사의 DAQ(NI9234)가 사용되는 것으로 설명한다.

진동 특성 분석부(160)는 DAQ(150)로부터 전달된 가진 주파수 데이터 및 공구 진동 데이터를 이용하여 공구(T)의 진동 특성이 분석된다. 진동 특성 분석부(160)는 DAQ(150)로부터 고속 처리된 진동 데이터를 이용하여 가진 주파수 측정 센서(130)와 공구 진동 측정 센서부(140)로부터 측정된 진동 데이터를 고속푸리에변환(FFT)하고, 가진 주파수와 동기화하여 전체 진폭과 하모닉 주파수(가진 주파수)로 구분할 수 있도록 프로그램된다. FFT 데이터는 안정선도(stability lobe curve) 산출에 활용된다. 도 2a 내지 도 2c에는 초음파 가진에 따른 센서 FFT의 분석 예가 도시되어 있다. 도 2a에서 확인되는 바와 같이 입력된 센서 데이터를 실시간 FFT 변환할 수 있으며, 가진 주파수(예를 들어, 400Hz)는 가진 주파수 측정 센서부 음향 센서에 의해 확인(도 2a에서 Mic. FFT)되며, 공구(T)에 부착된 공구 진동 측정 센서부(140)의 두 가속도 센서는 공진이 일어날 때의 최대 진폭을 갖는 주파수(도 2a에서 Acc. 1 FFT 및 Acc. 2 FFT 참조)를 보여준다. 도 2b에서는 가진 주파수 400Hz에 공진되는 하모닉 주파수의 합을 보여주고 있으며, 도 2c에서는 하모닉이 아닌 경우 공진이 일어나지 않는 것을 보여주고 있다.

이상 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.

100 : 진동특성 분석장치
110 : 가진기
120 : 가진기 제어부
130 : 가진 주파수 측정 센서
140 : 공구 진동 측정 센서부
150 : 데이터 수집부
160 : 진동 특성 분석부

Claims

공구의 일측에 위치하여 공구와 직접 접촉하지 않고 초음파를 이용하여 공구를 가진시키는 가진부(110);
상기 가진부에서 발생하여 공구로 가해지는 초음파의 주파수를 포함한 출력을 조절하는 가진기 제어부(120);
상기 공구를 가진시키기 위해 상기 가진부로부터 출력되는 초음파의 주파수를 측정하는 가진 주파수 측정 센서(130);
진동의 모달(modal) 분석을 위해 수직방향(nomal)과 접선방향(tangential)의 진동을 각각 측정하도록 상기 공구에 2개가 부착되는 가속도 센서로 이루어진 공구 진동 측정 센서부(140);
상기 가진 주파수 측정 센서(130)로부터 측정된 가진 주파수 데이터 및 상기 공구 진동 측정 센서부로부터 측정된 공구의 진동 데이터가 수집되는 데이터 수집부(150); 및
상기 데이터 수집부에 수집된 공구의 진동 데이터를 이용하여 가진 주파수 측정 센서(130)와 공구 진동 측정 센서부로부터 측정된 진동 데이터를 고속프리에변환(FFT)하고, 가진 주파수와 동기화하여 전체 진폭과 하모닉 주파수로 구분할 수 있도록 프로그램되는 진동 특성 분석부(160);를 포함하는 공구의 진동특성 분석장치.
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