KR101865081B1 - 가공 정밀도 향상을 위한 공작 기계의 채터 검출방법 - Google Patents

가공 정밀도 향상을 위한 공작 기계의 채터 검출방법 Download PDF

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Abstract

채터 현상이 발생했을 때의 주파수 응답에서 스핀들 회전에 의한 하모닉한 토날(tonal) 성분과 그 외 토날 성분이 발생하는 특성을 이용하고, 이동 평균 필터(Moving Average Filter) 및 힐버트 변환(Hilbert transform)을 이용한 엔벨로프(envelope)를 추가로 신호 처리하여 정확하게 채터 발생 유무를 판단할 수 있도록 한 가공 정밀도 향상을 위한 공작 기계의 채터 검출방법에 관한 것으로서, 채터 분석을 위한 분석 신호를 획득하는 단계; 상기 획득한 분석 신호를 설정 대역으로 필터링하고, 고속 푸리에 변환하여 주파수 데이터로 변환하는 단계; 상기 변환된 주파수 데이터의 이동 평균을 산출하는 단계; 변환된 주파수 데이터를 힐버트 변환하여 엔벨로프를 검출하는 단계; 산출한 이동 평균과 검출한 엔벨로프를 기초로 채터 판단을 위한 채터 인덱스를 추출하는 단계; 및 추출한 채터 인덱스를 분석하여 채터 발생 유무를 판단하는 단계를 포함하여, 가공 정밀도 향상을 위한 공작 기계의 채터 검출방법을 구현한다.

Description

가공 정밀도 향상을 위한 공작 기계의 채터 검출방법{Monitoring method of machine chatter for improving machining accuracy}
본 발명은 가공 정밀도 향상을 위한 공작 기계의 채터(chatter) 검출에 관한 것으로, 특히 채터 현상이 발생했을 때의 주파수 응답에서 스핀들 회전에 의한 하모닉한 토날(tonal) 성분과 그 외 토날 성분이 발생하는 특성을 이용하고, 이동 평균 필터(Moving Average Filter) 및 힐버트 변환(Hilbert transform)을 이용한 엔벨로프(envelope)를 이용하여 정확하게 채터 발생 유무를 판단할 수 있도록 한 가공 정밀도 향상을 위한 공작 기계의 채터 검출방법에 관한 것이다.
공작 기계를 이용한 절삭 가공은 스핀들, 공구, 그리고 가공의 자동화 등의 기술의 발전과 함께 경쟁력을 갖췄으며, 제조 산업에서 중요한 역할을 하고 있다.
특히, 최근에 항공우주, 자동차, 그리고 조선과 같은 가공 제품을 많이 사용하는 산업에서 수요가 많았으며, 그에 따라 빠르게 상용화되었다.
하지만, 여전히 산업계에서는 절삭가공된 재료의 생산성 향상이 요구되며, 회전체(스핀들)의 회전속도의 상승은 필수적이다. 스핀들 회전수의 상승으로 인해 기계 장비는 열적, 동적으로 가혹한 환경에 처해 졌다.
이러한 문제를 극복하기 위해서 많은 연구가 이루어졌으며, 많은 문제점이 해결되었으나, 공작 기계 가공중 발생하는 채터(chatter) 현상은 여전히 절삭 공정 중에서 까다로운 문제이다.
채터 현상은 공구와 피 삭재 간의 상호 작용으로 인하여 나타나는 현상이며, 너무나도 많은 원인이 존재한다. 그 중에서 고속의 스핀들 회전수에 의한 자려 진동이 큰 원인 중의 하나이다. 자려 진동이 발생하면 공구가 흔들림으로써 피삭재에 물결무늬가 생기게 되고, 이는 가공물의 표면 품질 저하와 가공 오차를 야기하며, 공구의 수명 또한 빠르게 줄어들게 한다. 가공물의 품질 저하와 가공 오차는 그 자체로 경제적 손실이며, 이 가공물을 이용하는 많은 산업에서도 큰 손실을 발생시키며, 자칫 큰 사고를 야기할 수도 있다.
따라서 채터 현상 예측을 하는 모니터링 시스템 구축은 매우 중요하며, 현재 연구자들은 채터 현상 예측 시스템에 대해서 많은 연구를 하고 있지만, 여전히 작업장에선 숙련된 작업자의 경험에 의해서 채터 현상을 판별하고 있다.
하기의 <특허문헌 1> 내지 <특허문헌 4> 에 공작 기계에서 발생하는 채터 진동을 검출하기 위한 종래의 기술이 개시되어 있다.
<특허문헌 1> 에 개시된 종래기술은 공구의 진동을 측정하는 진동감지수단, 감지된 진동을 주파수대별로 분석하는 데이터 분석수단, 주축 대의 회전을 실시간으로 측정하는 회전측정수단, 채터진동 검출수단을 포함하여 NC 선반에서 발생하는 채터진동 감지장치를 구현한다. 이러한 구성을 통해, NC 선반에서 발생하는 진동을 가속도계를 이용하여 실시간으로 파악하고 가속도계에서 파악된 데이터를 고속 푸리에 변환과 캡스트럼 변환으로 변환하고, 변환된 값을 기반으로 채터 진동을 판단한다.
또한, <특허문헌 2> 에 개시된 종래기술은 바이트 또는 워크의 회전이 개시될 때 발생하는 진동을 검출하고, 회전 개시시부터 검출되는 상기 진동이 한계치를 초과하는지 아닌지를 판단하여, 채터 진동을 검출한다. 이어, 검출 진동이 한계치를 초과한다고 판단되면, 진동을 푸리에 급수 전개에 의해 해석하여 주축의 회전수를 조정한다.
또한, <특허문헌 3> 에 개시된 종래기술은 워크 가공 시의 공구의 진동 데이터를 소정의 샘플링 주기로 취득하고, 취득한 시계열의 진동 데이터에 근거하여 절삭 날이 복수 회 워크에 접촉하는데에 필요한 시간만큼의 자기상관계수를 산출하는 동시에 산출한 자기상관계수의 특성의 주기를 산출하여, 절삭 날이 워크에 접촉할 때의 접촉 주기가 산출한 주기의 정수배가 아닐 때 채터 진동의 발생을 판정한다.
또한, <특허문헌 4> 에 개시된 종래기술은 공작 기계의 다수개의 운전 특성 인자들에 대한 데이터들을 수집하고, 수집한 데이터들을 기초로 하여 다변량 분석 방법을 이용하여 공작 기계에서의 비정상 진동 판단을 위한 한계 값을 획득한다. 이를 통해 공작 기계에서의 비정상 진동을 조기에 감지하여 공작 기계의 회전수를 조절하여 비정상 진동을 신속하게 회피한다.
대한민국 등록특허 10-0497660호(2005.06.17. 등록)(NC 선반에서 발생하는 채터진동 감지장치 및 방법) 대한민국 등록특허 10-1300301호(2013.08.20. 등록)(작업 기계의 채터링 억제 방법 및 장치) 대한민국 등록특허 10-1472890호(2014.12.09. 등록)(채터진동 검출방법 및 채터진동 회피방법, 그리고 공작 기계) 대한민국 공개특허 10-2015-0120160호(2015.10.27. 공개)(공작 기계에서의 비정상 진동 판단 방법 및 장치)
그러나 상기와 같은 종래기술들은 공구의 진동을 측정하고, 이를 고속 푸리에 변환과 캡스트럼 변환으로 변환하여 채터 진동을 분석하거나 자기상관계수 또는 다변량 분석 방법을 이용하여 채터 진동을 분석하는 방식으로서, 이러한 채터 진동 분석 방식은 검출 값과 기준 값만을 단순 비교하는 방식이며, 채터 현상이 발생했을 때 나타나는 특징을 고려하지 않는 분석 방법이므로, 채터 진동을 검출하는 데 정확성이 결여되는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하고 더욱 정확하게 채터 발생을 판단하기 위해서 제안된 것으로서, 채터 현상이 발생했을 때의 주파수 응답에서 스핀들 회전에 의한 하모닉한 토날(tonal) 성분과 그 외 토날 성분이 발생하는 특성을 이용하고, 이동 평균 필터(Moving Average Filter) 및 힐버트 변환(Hilbert transform)을 이용한 엔벨로프(envelope)를 이용하여 정확하게 채터 발생 유무를 판단할 수 있도록 한 가공 정밀도 향상을 위한 공작 기계의 채터 검출방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 가공 정밀도 향상을 위한 공작 기계의 채터 검출방법은 (a) 채터 분석을 위한 분석 신호를 획득하는 단계; (b) 상기 획득한 분석 신호를 설정 대역으로 필터링하고, 고속 푸리에 변환하여 주파수 데이터로 변환하는 단계; (c) 상기 (b)단계에서 변환된 주파수 데이터의 이동 평균을 산출하는 단계; (d) 상기 (b)단계에서 변환된 주파수 데이터를 힐버트 변환하여 엔벨로프를 검출하는 단계; (e) 상기 (c)단계에서 산출한 이동 평균과 상기 (d)단계에서 검출한 엔벨로프를 기초로 채터 판단을 위한 채터 인덱스를 추출하는 단계; (f) 상기 (e)단계에서 추출한 채터 인덱스를 분석하여 채터 발생 유무를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 가공 정밀도 향상을 위한 공작 기계의 채터 검출방법의 제1 실시 예는 (g) 상기 (f)단계의 채터 판단 결과 채터 발생으로 판단이 되면, 추출한 채터량에 따라 회전체의 회전속도와 이송량 조절을 제어하여 채터 발생을 억제하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 (b)단계의 설정 대역은 채터 발생 시 정상상태와 차별화되는 주파수 영역으로서, 채터를 유발하는 주파수대를 의미하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 (d)단계는 회전체로부터 검출한 진동에 따른 주파수 응답에서 회전에 의한 하모닉한 토날 성분과 상기 하모닉한 토날 성분을 제외한 토날 성분을 분석하기 위해 힐버트 변환을 통해 엔벨로프를 검출하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 (e)단계는 채터 발생 시 날과 피삭재가 부딪힐 때 발생하는 신호의 크기가 증가하는 토날 성분을 엔벨로프로 추출하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 (e)단계는 엔벨로프 결과와 이동 평균 결과를 연산하여 그 차를 채터 인덱스로 추출하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 (e)단계는 엔벨로프 데이터와 이동 평균 결과를 감산하여 그 차이를 채터 판별을 위한 인덱스로 추출하고, 상기 추출한 인덱스를 미리 설정된 채터 판단을 위한 기준 인덱스와 비교하여 그 대소 여부로 채터 발생 유무를 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 획득한 신호의 주파수 응답에서 스핀들 회전에 의한 하모닉한 토날(tonal) 성분과 그 외 토날 성분이 발생하는 특성을 이용하고, 이동 평균 필터(Moving Average Filter) 및 힐버트 변환(Hilbert transform)을 통한 엔벨로프(envelope)를 이용하여 채터 인덱스를 추출하고, 이를 기반으로 채터 발생을 판별함으로써 정확하게 채터 발생 유무를 판단할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 공작 기계의 채터 검출방법이 적용되는 채터 검출장치의 개략 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 가공 정밀도 향상을 위한 공작 기계의 채터 검출방법의 제1 실시 예를 보인 흐름도,
도 3a 및 도 3b는 본 발명에서 저차 모드 응답 특성 분석 예시도,
도 4a 및 도 4b는 본 발명에서 벤딩 모드 응답 특성 분석 예시도,
도 5a 및 도 5b는 모드에 의한 공구 진동 발생 형태도로서, 도 5a는 정상상태 밀링 가공시의 형태도, 도 5b는 채터발생 상태 시 밀링 가공의 형태도,
도 6a 및 도 6b는 모드 응답과 비교 예시도,
도 7a 및 도 7b는 모드 분석 예시도,
도 8은 회전체 회전에 의한 하모닉한 토날 성분과 하모닉 토날 성분을 제외한 토날 성분의 예시도,
도 9a 및 도 9b는 정상 상태와 채터 발생 시의 주파수 도메인,
도 10a 및 도 10b는 채터 특성 판별을 위한 신호 처리 예시도로서, FFT 데이터와 이동 평균 데이터의 비교 예시도,
도 11a 및 도 11b는 채터 특성 판별을 위한 신호 처리 예시도로서, 힐버트 변환으로 산출한 엔벤로프 데이터 비교 예시도,
도 12는 엔벨로프 데이터와 이동 평균 데이터 간의 비교를 통한 채터 인덱스 도출 예시도,
도 13은 엔벨로프를 이용한 채터 인덱스 예시도,
도 14는 채터 판별 지수를 적용한 결과 그래프.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가공 정밀도 향상을 위한 공작 기계의 채터 검출방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가공 정밀도 향상을 위한 공작 기계의 채터 검출방법이 적용되는 채터 검출 장치의 개략 구성도이다.
본 발명이 적용되는 채터 검출 장치는 공작 기계에서 가공물인 피삭제를 가공하는 공구를 장착하고, 장착된 공구를 회전시키는 공작 기계 회전체(10), 상기 공작 기계 회전체(10)에 부착되어 채터 분석을 위한 신호를 획득하는 신호 획득부(20), 상기 신호 획득부(20)에서 획득한 신호를 분석하여 채터 발생을 판단하는 채터 분석부(30), 상기 채터 분석부(30)에서 분석한 채터 지수 및 채터 발생 유무 결과를 화면에 디스플레이해주는 표시부(40) 및 상기 채터 분석부(30)에 의해 채터 발생으로 판단되면 공작 기계 회전체의 회전수 및 가공물의 이송량을 조절하여 채터 발생을 억제하는 공작 기계 제어부(50)를 포함한다.
도 2는 본 발명에 따른 가공 정밀도 향상을 위한 공작 기계의 채터 검출방법을 보인 흐름도로서, S는 단계(step)를 나타낸다.
본 발명에 따른 가공 정밀도 향상을 위한 공작 기계의 채터 검출방법은 (a) 공구로부터 채터 분석을 위한 분석 신호를 획득하는 단계(S11), (b) 상기 획득한 분석 신호를 설정 대역으로 필터링하고, 고속 푸리에 변환(FFT)하여 주파수 데이터로 변환하는 단계(S12 ~ S13), (c) 상기 (b)단계에서 변환된 주파수 데이터의 이동 평균(Moving Average)을 산출하는 단계(S14), (d) 상기 (b)단계에서 변환된 주파수 데이터를 힐버트 변환하여 엔벨로프(Envelop)를 검출하는 단계(S15), (e) 상기 (c)단계에서 산출한 이동 평균과 상기 (d)단계에서 검출한 엔벨로프를 기초로 채터 판단을 위한 채터 인덱스(Chatter Index)를 추출하는 단계(S16), (f) 상기 (e)단계에서 추출한 채터 인덱스를 분석하여 채터 발생 유무를 판단하는 단계(S17)를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 가공 정밀도 향상을 위한 공작 기계의 채터 검출방법의 제1 실시 예는 (g) 상기 (f)단계의 채터 판단 결과 채터 발생으로 판단이 되면, 추출한 채터량에 따라 회전체의 회전속도(rpm)와 이송량 조절을 제어하여 채터 발생을 억제하는 단계(S18 ~ S19)를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 가공 정밀도 향상을 위한 공작 기계의 채터 검출방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 단계 S11에서 신호 획득부(20)는 채터 분석을 위한 분석 신호를 획득한다. 여기서 신호 획득부(20)는 가공물인 피삭제를 가공하는 공구를 장착하고 상기 공구를 회전하는 공작 기계의 회전체(예를 들어, 스핀들)에 장착되어, 채터 분석 신호를 획득하는 것이 바람직하다. 예컨대, 공작 기계로 절삭 가공 시 발생하는 채터 진동은 특정 절삭 조건에서 발생하므로, 다양한 절삭조건에 대한 실험적인 데이터를 취득하기 위해서, 회전체인 스핀들의 x, y, z 방향으로 가속도 센서를 장착하고, 스핀들의 회전수를 변경하면서 가공을 수행한다. 이어, 각각의 조건에 따라 분석 신호를 획득한다. 실험 결과 x축 방향이 가장 신호가 뚜렷하여 분석 신호로는 x축 방향의 진동 신호를 이용한다. 실험 시 공구가 없는 상태에서 회전체를 회전시켜 획득 신호를 제1 기준 신호로 획득하며, 공구를 장착하고 회전체를 회전시켜 획득 신호를 제2 기준 신호로 획득하고, 공구를 장착하고 공구를 재료에 고정한 상태에서 회전체를 회전시켜 획득 신호를 제3 기준 신호로 획득한다. 아울러 실험 시 가진 위치를 변경하며 각 5회 평균 신호를 취득하고, 공구의 팁도 steel(1 ~ 6kHz), plastic(400 ~ 3kHz), rubber(0 ~ 400Hz)로 변경하면서 분석 신호를 취득한다.
이어 획득한 신호에 대한 특성을 분석한다. 도 3a는 저차 모드 응답 특성을 분석한 예시 도이다. 도 3b에서 a와 같은 1차 모드(80Hz), b와 같은 2차 모드(110Hz), c와 같은 3차 모드(146Hz)에서는 rigid mode가 발생함을 알 수 있으며, 이 경우 채터에 직접적인 영향을 미치지 않는다.
도 4a는 벤딩(Bending) 모드 응답 특성을 분석한 예시 도이다. 도 4b에서 a와 같은 1차 모드(2018Hz), b와 같은 2차 모드(3000Hz), c와 같은 3차 모드(3958Hz), d와 같은 4차 모드(7848Hz)를 분석해 보면, 채터 발생 시 2000 ~ 5000Hz 영역에서 정상상태와 뚜렷하게 차이가 발생함을 알 수 있다. 예컨대, 주파수 영역 2000 ~ 5000Hz 영역에서 벤딩 모드가 발생하며, 이것은 채터를 유발하는 진동 모드이다.
모드에 의한 공구 진동 상태를 분석하여 보면, 도 5a와 같은 정상상태 밀림 가공시에 대비하여, 도 5b와 같이 채터가 발생한 상태에서 밀링 가공을 하면 벤딩 모드가 크게 발생하여 공구가 크게 진동하고, 채터 발생 시 날(공구)과 피삭재가 부딪힐 때 발생하는 신호의 크기가 증가한다. 특히, 주파수 응답에서 5kHz 이상의 토날 성분이 증폭되고, 물결무늬가 생성됨을 알 수 있다.
아울러 채터 발생 판단을 위한 다른 실험으로서, 도 6a 및 도 6b에서 모드 응답과 공구(Tool 1, Tool 2) 측정 결과를 비교하였다. 엔벨로프 값과 기계의 모드 응답과 비교해 볼 때, 벤딩 모드 영역에서 차이가 채터와 연관성이 크며, 모드 1 ~ 3차 응답의 회전 성분에서는 정상상태와 채터 발생 시의 차이가 뚜렷하지 않음을 알 수 있다. 특히, 정상 및 채터 신호의 특성이 기계의 모드 응답과 일치함도 알 수 있다. 아울러 고차 모드(예를 들어, 8차 ~ 11차) 에서 발생하는 진동이 마찬가지로 채터를 유발하는 특성과 연관되어 있음도 알 수 있다.
또한, 고정된 회전체의 모드 응답 차이에 대한 모드 분석을 하였다. 도 7a 및 7b에 도시한 바와 같이 공구가 재료에 고정되었을 때 주파수 응답(FRF; Frequency response)을 비교한 것이다. 구속조건에 의해 영향을 받는 주파수 영역(2kHz ~ 5kHz, 벤딩 모드 발생구간)이 채터 발생 전후로 가장 명확한 차이를 유발함을 알 수 있다.
아울러 도 7b에 도시한 바와 같이, Magnitude를 분석해 보면, 노말 상태의 평균값은 Fix의 진동 모드와 더 유사하며, 채터 상태의 평균값은 Free의 진동 모드와 유사함을 알 수 있다. 채터 발생에 의한 스핀들 모드의 변화 영역으로 유추 가능하다.
또한, 도 8과 같이 회전체의 회전에 의한 Harmonic 성분(토날 성분)과 그 이외의 사이드 밴드 성분을 분석해 보면, 5kHz 이하의 진동 모드에 의해 채터가 발생함을 알 수 있으며, 채터에 의한 특성은 5kHz 이상에서 나타남을 알 수 있다. 예컨대, 5kHz 이상의 토날 성분을 채터의 특성을 나타낼 수 있는 지수(인덱스)로 사용할 수 있음을 알 수 있다.
따라서 단계 S11에서 채터 분석 신호를 획득한 후, 단계 S12에서 채터 분석을 위해 획득한 신호를 대역 필터링하여, 채터 분석을 위한 신호로 추출한다. 여기서 대역 필터링은 5kHz 이상의 주파수 대역을 추출하는 대역 필터를 이용하는 것이 바람직하다.
다음으로, 단계 S13에서 상기 대역 필터로 필터링한 주파수를 고속 푸리에 변환(FFT)하여, 주파수 데이터를 처리한다.
도 9a는 스핀들 회전수가 3000rpm인 경우 정상적인 절삭 가공이 이루어졌을 경우의 획득 신호를 FFT 처리한 주파수 분석 결과이고, 도 9b는 스핀들 회전수가 9000rpm인 경우 채터 진동이 발생하였을 때의 FFT 처리한 주파수 분석 결과이다.
FFT 데이터를 보면 회전 주파수에 의해 지배적으로 영향을 받는 것을 볼 수 있으며, 정상과 채터 현상을 구분하기 어려움을 알 수 있다.
이와 같이 FFT 데이터에서 회전 주파수의 영향이 지배적이어서 채터 신호와 정상 신호의 구분이 어려웁다.
따라서 본 발명에서는 FFT를 적용한 주파수 데이터에 추가로 단계 S14와 같이 이동 평균을 산출하고, 단계 S15에서 힐버트 변환을 이용하여 엔벨로프를 검출한다.
이동 평균은 이미 알려진 이동 평균 필터(Moving average filter)를 이용하여 이동 평균을 추출하였다. 도 10a 및 도 10b는 채터 특성 판별을 위한 신호 처리 예로서, 이동 평균 필터를 이용하여 이동 평균 데이터를 산출하고, 이를 FFT 데이터와 비교한 예시이다. 이동 평균 필터를 통해 추출한 주파수 데이터를 FFT 데이터와 비교해 보면, 채터 전후로 5kHz 이상에서 평균값은 비슷한 수치를 나타냄을 알 수 있다.
아울러 채터 특성 판별을 위한 신호 처리를 분석한다. 도 11a 및 도 11b에 도시한 바와 같이, 이미 알려진 힐버트 변환을 통해 스펙트럼의 피크 성분들의 특성을 보여주는 엔벨로프 데이터를 추출하여 분석해 보면, 5 ~ 15kHz 주파수 영역의 엔벨로프 결과가 채터 특성을 보여줌을 알 수 있다.
따라서 상기 산출한 이동 평균과 엔벨로프 데이터를 이용하여, 채터 발생을 판별할 수 있음을 알 수 있다.
이에 따라 단계 S16에서는 상기 이동 평균 데이터와 엔벨로프 데이터를 기초로 채터를 판별할 수 있는 인자를 채터 인덱스로 추출한다.
도 12는 엔벨로프 데이터와 이동 평균 데이터를 기반으로 채터를 판별할 수 있는 인자인 채터 인덱스를 추출하는 개념 설명도이다.
도 12를 보면, 주파수 영역 5 ~ 15kHz 사이에서 채터 발생의 차이가 뚜렷함을 유추할 수 있으며, 채터 발생에 따라 엔벨로프 차이는 명확하지만 이동 평균 차는 크지 않음을 알 수 있다. 따라서 상기 두 값의 차이(엔벨로프 - 이동 평균)를 이용하여 채터를 판별할 수 있는 인자로 설정하면, 채터 발생을 명확하게 판별할 수 있게 되는 것이다.
한편, 상기 엔벨로프를 이용한 채터 인덱스를 이용하여 채터 발생을 판별하는 것도 가능하다. 도 13은 엔벨로프를 이용한 인덱스의 예시이다. 회전체의 회전수(rpm)와 엔벨로프 - 이동평균으로 산출한 인덱스를 보면, 표에 도시한 바와 같이 채터 인덱스(엔벨로프 - 이동 평균)가 약 18 - 22점 이상 일 때, 채터 발생으로 판별할 수 있다.
이를 입증하기 위해서, 도 14와 같이 채터 판별 지수(인덱스) 적용 결과를 실험하였다. 도 14의 a 내지 e를 살펴 보면, 모든 경우에 채터 인덱스가 약 18 ~ 22점을 넘어갈 때 채터가 발생함을 알 수 있다. 엔벨로프와 이동 평균값의 차이를 이용한 인자(인덱스)는 다른 인자에 비해 매우 선형적 특성을 띄며, 공구의 종류 및 신호의 크기에 무관함을 알 수 있다.
따라서 단계 S17에서는 상기 단계 S16에서 추출한 채터 인덱스를 기준으로 설정된 기준 인덱스와 비교하여, 추출한 채터 인덱스가 기준 인덱스(18 ~ 22)의 범위에 들거나 상기 기준 인덱스를 초과하면, 채터 발생으로 판별한다(S18).
상기 판단 결과 채터 발생으로 판단이 되면, 상기 추출한 인덱스를 표시부(40)를 통해 표시해줌과 동시에 공작 기계 제어부(50)에 전달한다. 그러면 단계 S19에서 공작 기계 제어부(50)는 공구 회전체인 스핀들의 회전수(RPM)와 피삭제 이송량을 조절하여, 채터 발생 영역을 벗어나도록 제어를 한다. 여기서 채터 발생 시 스핀들의 회전수 제어와 피삭제 이송량 제어는 추출한 인덱스를 기반으로 미리 제어 값을 제어 테이블 형태로 만들어 놓고, 제어를 하는 것이 바람직하다.
아울러 상기 표시부(40)는 전달되는 채터 발생 지수와 채터 발생 유무를 표시해주게 되는 것이다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
본 발명은 공작 기계에서 채터 발생을 검출하는 기술에 적용된다.
10: 공작 기계 회전체
20: 신호 획득부
30: 채터 분석부
40: 표시부
50: 공작 기계 제어부

Claims (8)

  1. 가공 정밀도 향상을 위해 공작 기계의 채터를 검출하는 방법으로서,
    (a) 채터 분석을 위한 분석 신호를 획득하는 단계;
    (b) 상기 획득한 분석 신호를 설정 대역으로 필터링하고, 고속 푸리에 변환하여 주파수 데이터로 변환하는 단계;
    (c) 상기 (b)단계에서 변환된 주파수 데이터의 이동 평균을 산출하는 단계;
    (d) 상기 (b)단계에서 변환된 주파수 데이터를 힐버트 변환하여 엔벨로프를 검출하는 단계;
    (e) 상기 (c)단계에서 산출한 이동 평균과 상기 (d)단계에서 검출한 엔벨로프를 기초로 채터 판단을 위한 채터 인덱스를 추출하는 단계; 및;
    (f) 상기 (e)단계에서 추출한 채터 인덱스를 분석하여 채터 발생 유무를 판단하는 단계를 포함하고,
    상기 (b)단계의 설정 대역은 채터 발생 시 정상상태와 차별화되는 주파수 영역으로서, 채터를 유발하는 주파수대를 의미하는 것을 특징으로 하는 가공 정밀도 향상을 위한 공작 기계의 채터 검출방법.
  2. 청구항 1에서, (g) 상기 (f)단계의 채터 판단 결과 채터 발생으로 판단이 되면, 발생한 채터량에 따라 회전체의 회전속도와 이송량 조절을 제어하여 채터 발생을 억제하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가공 정밀도 향상을 위한 공작 기계의 채터 검출방법.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에서, 상기 설정 대역은 5 ~ 15kHz 주파수 영역인 것을 특징으로 하는 가공 정밀도 향상을 위한 공작 기계의 채터 검출방법.
  5. 청구항 1에서, 상기 (d)단계는 회전체로부터 검출한 진동에 따른 주파수 응답에서 회전에 의한 하모닉한 토날 성분과 상기 하모닉한 토날 성분을 제외한 토날 성분을 분석하기 위해 힐버트 변환을 통해 엔벨로프를 검출하는 것을 특징으로 하는 가공 정밀도 향상을 위한 공작 기계의 채터 검출방법.
  6. 청구항 1에서, 상기 (e)단계는 채터 발생 시 날과 피삭재가 부딪힐 때 발생하는 신호의 크기가 증가하는 토날 성분을 엔벨로프로 추출하는 것을 특징으로 하는 가공 정밀도 향상을 위한 공작 기계의 채터 검출방법.
  7. 청구항 1에서, 상기 (e)단계는 엔벨로프 데이터와 이동 평균 결과를 연산하여 그 결과를 채터 인덱스로 추출하는 것을 특징으로 하는 가공 정밀도 향상을 위한 공작 기계의 채터 검출방법.
  8. 청구항 7에서, 상기 (e)단계는 상기 엔벨로프 데이터와 이동 평균 결과를 감산하여 그 차이를 채터 판별을 위한 인덱스로 추출하고, 상기 추출한 인덱스를 미리 설정된 채터 판단을 위한 기준 인덱스와 비교하여 그 대소 여부로 채터 발생 유무를 판단하는 것을 특징으로 하는 가공 정밀도 향상을 위한 공작 기계의 채터 검출방법.





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