KR102120753B1

KR102120753B1 - 진동 특성 분석을 이용한 공구 수명 예측 방법

Info

Publication number: KR102120753B1
Application number: KR1020180071155A
Authority: KR
Inventors: 이선휘; 이신혜
Original assignee: 퓨처메인 주식회사
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2018-06-21
Publication date: 2020-06-09
Also published as: KR20190000815A

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 공구 수명 예측 방법은 (A) 공작기계 제어기(400)로부터 공정신호를 수신하여, 제어 모듈(500)이 선정된 공구를 인식하는 단계; (B) 상기 제어 모듈(500)은 데이터 취득장치(300)로부터 진동 데이터를 취득하는 단계; (C) 상기 제어 모듈(500)이 상기 진동 데이터를 이용하여 진동량을 평가하거나 또는 진동 주파수를 분석하는 단계; (D) 상기 제어 모듈(500)이 상기 공구의 잔여 수명을 예측하는 단계; (E) 상기 제어 모듈(500)이 표시 장치(600)를 통해 공구상태를 표시하고, 예측된 공구 수명에 따른 상기 공구의 교체 시기를 표시하는 단계; 및 (F) 상기 제어 모듈(500)이 표시 장치(600)를 통해 상기 공구의 교체를 위한 새로운 공구의 주문을 위한 작업자의 확인 항목을 표시하는 단계;를 포함한다.

Description

진동 특성 분석을 이용한 공구 수명 예측 방법{PROGNOSTIC METHOD OF TOOL LIFE USING VIBRATION PROPERTIES ANALYSIS}

본 발명은 공구 수명 예측 방법에 관한 것으로, 특히 공구의 종류에 따라 변화하는 회전 수를 인식하고, 각각의 진동 특성을 분석하여 공구의 마모 및 결함 상태를 인지하며, 이를 근거로 공구의 잔여 수명을 예측하는 공구 수명 예측 방법에 관한 것이다.

산업기술이 발전함에 따라 정밀가공 소재의 요구가 증가하여, NC 공작기계의 사용이 많아지고, 특히 스마트 공장을 위해 공작기계들의 자동화가 필요하게 되었다.

공작기계에서 자동화가 요구되는 부분은 가공 방법과 가공 소재에 따른 공구의 교체 및 공구의 한계 수명에 따른 주기적인 공구의 교체이다. 이때, 가공 방법과 가공 소재에 따른 공구의 교체는 종래에 프로그램에 의해 자동화가 되어 있다. 그러나 공구의 한계 수명에 따른 주기적인 공구의 교체는 작업자가 일일이 공구의 상태를 주기적으로 점검하고, 경험에 의해 교체함에 따라 공작기계가 주기적으로 정지하여야 하므로 생산에 영향을 주고 있다.

또한, 공구의 마모나 결함 정도를 점검하는 경우에도 작업자의 숙련도에 따라 판단이 다르고, 교체 작업 시간도 서로 다르기 때문에 가공물의 품질이나 공구의 수명도 일정하지 않아 생산 효율과 완제품 신뢰도에서 차이를 보이고 있다.

따라서, NC 공작기계에서 공구의 마모 또는 결함 정도를 객관적이고 표준화된 방법을 통해 검출하고, 이렇게 검출된 결과를 이용하여 공구의 수명을 예측하며, 최적의 교체시기를 설정하여 공구를 교체하는 것이 필요한 실정이다.

종래에 공구의 수명을 예측하는 방법으로 공구별 모터 부하량의 최대값을 측정하고 저장한 뒤, 측정된 모터 부하량의 최대값을 근거로 설정값을 입력하고, 이후 공작기계 가공시 측정되는 모터 부하량이 설정 값을 초과하게 되면 기계를 정지시키는 방법을 사용하고 있다.

그러나 이러한 종래의 공구 수명 예측방법은 불량공구를 사용하거나, 가공물 재질의 변화 및 예기치 못한 공구의 파손 등이 있는 경우에는 설정 값과 관련 없이 공구의 손상이 발생하므로 가공된 제품의 상태나 공구의 상태를 육안으로 확인해야만 하는 문제점이 있다.

특허문헌 : 등록특허공보 제749280호

본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 작업자가 공작기계 가동 시 정기적으로 공구의 상태를 검사하지 않고 진동 센서를 이용하여 공구의 마모나 결함 상태 등을 검출하여 진동특성을 수집하고, 수집된 진동특성을 정량적 및 정성적으로 분석하며, 구축된 공구수명 예측 알고리즘을 이용하여 공구의 잔여 수명을 예측함으로써 사전에 불량 공구를 교체할 수 있게 하는 공구 수명 예측 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 실시예에 따른 공구 수명 예측 방법에서 상기 (A) 단계는 미리 각각의 공구에 대한 가공과정에서 마모, 결함 또는 파손에 따른 진동 특성을 분석하고 분류한 결함 패턴의 데이터 베이스를 저장 구축하고, 상기 제어 모듈(500)이 상기 저장 구축된 데이터 베이스 중 상기 선정된 공구의 결함 패턴을 포함하는 데이터 베이스를 선택하여 불러오는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 공구 수명 예측 방법에서 상기 (B) 단계는 (B-1) 상기 데이터 취득장치(300)가 3축 가속도센서(200)로부터 실시간으로 검출되는 진동 데이터를 마모 또는 결함 분석을 위한 진동 주파수 파형으로 변환하는 단계; 및 (B-2) 상기 데이터 취득장치(300)가 상기 변환된 진동 주파수 파형을 통신모듈을 통해 상기 제어모듈(500)로 전달하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 공구 수명 예측 방법에서 상기 (C) 단계는 (C-11) 상기 제어 모듈(500)이 진동량을 평가하는 단계; (C-12) 상기 제어 모듈(500)이 상기 취득한 진동량 데이터 수치에 따라 정상 상태, 마모의 발생 상태 및 공구 파손의 중대결함상태 중 어느 하나의 상태로 구분하는 단계; 및 (C-13) 상기 제어 모듈(500)이 상기 공구 파손의 중대결함상태로 판단하면, 상기 제어 모듈(500)은 공작기계의 가동을 중단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 공구 수명 예측 방법에서 상기 (C) 단계는 (C-21) 상기 제어 모듈(500)이 상기 진동 데이터를 진동 주파수로 변환하여 분석하는 단계; 및 (C-22) 상기 제어 모듈(500)이 미리 저장된 데이터 베이스에 저장된 진동 주파수의 결함 패턴과 비교하여, 고차 조화파(Harmonic) 성분과 반조화파(Half-harmonic) 성분을 포함한 결함 스펙트럼이 검출되면 결함 상태로 판단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고, 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명의 공구 수명 예측 방법은 종래에 정해진 공구 수명에 따라 교체하는 방식의 문제점인 수명 전 파손 또는 공구가 충분히 사용 가능한 상태인데도 조기에 교체되는 낭비 요인을 줄이고, 잦은 공구 마모 검사에 따른 가동 정지 시간을 줄임으로써 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공작기계 공구수명 예측 시스템의 구성도.
도 2는 엔드 밀의 초기부터 파손 상태까지 시간에 따라 측정 위치별로 검출된 진동량 변화의 그래프.
도 3은 엔드 밀의 정상 가공 시 수평방향 진동가속도의 주파수 파형도.
도 4는 엔드 밀의 정상 가공 시 수직방향 진동가속도의 주파수 파형도.
도 5는 엔드 밀의 정상 가공 시 수평방향 진동속도의 주파수 파형도.
도 6은 엔드 밀의 정상 가공 시 수직방향 진동속도의 주파수 파형도.
도 7은 엔드 밀의 결함 초기시 수평방향 진동가속도의 주파수 파형도.
도 8은 엔드 밀의 결함 초기시 수직방향 진동가속도의 주파수 파형도.
도 9는 엔드 밀의 공구 마모 시 수평방향 진동가속도의 주파수 파형도.
도 10은 엔드 밀의 공구 마모 시 수직방향 진동가속도의 주파수 파형도.
도 11은 파손된 공작기계 공구의 예시 이미지.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 공구 수명 예측 방법을 설명하기 위한 순서도.
도 13은 공구 상태 및 잔여 수명을 표시한 예시도.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 제1, 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. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공작기계 공구수명 예측 시스템의 구성도이고, 도 2는 엔드 밀의 초기부터 파손 상태까지 시간에 따라 측정 위치별로 검출된 진동량 변화의 그래프이며, 도 3은 엔드 밀의 정상 가공 시 수평방향 진동가속도의 주파수 파형도이며, 도 4는 엔드 밀의 정상 가공 시 수직방향 진동가속도의 주파수 파형도이며, 도 5는 엔드 밀의 정상 가공 시 수평방향 진동속도의 주파수 파형도이며, 도 6은 엔드 밀의 정상 가공 시 수직방향 진동속도의 주파수 파형도이며, 도 7은 엔드 밀의 결함 초기시 수평방향 진동가속도의 주파수 파형도이며, 도 8은 엔드 밀의 결함 초기시 수직방향 진동가속도의 주파수 파형도이며, 도 9는 엔드 밀의 공구 마모 시 수평방향 진동가속도의 주파수 파형도이며, 도 10은 엔드 밀의 공구 마모 시 수직방향 진동가속도의 주파수 파형도이며, 도 11은 파손된 공작기계 공구의 예시 이미지이다.

본 발명의 실시예에 따른 공작기계 공구수명 예측 시스템은 공작기계를 구성하는 주축 스핀들(100)의 일측 고정부에 구비된 3축 가속도센서(200), 3축 가속도센서(200)와 연결된 데이터 취득장치(300), 공작기계의 동작을 제어하는 공작기계 제어기(400), 데이터 취득장치(300)와 공작기계 제어기(400)에 연결된 제어 모듈(500) 및 제어 모듈(500)에 연결되어 공구수명 예측정보를 디스플레이하는 표시 장치(600)를 포함한다.

3축 가속도 센서(200)는 공작 기계의 주축 스핀들(100)의 일측에 구비되어 공작 기계의 가공동작 과정에서 발생하는 진동을 수집한다. 여기서, 주축 스핀들(100)의 축을 축 방향으로 설정하고, 주축 스핀들(100)의 반경을 기준으로 수평 방향과 수직 방향으로 나누어 진동 측정 방향을 설정한다. 이러한 설정은 주축 스핀들(100)이 모든 방향으로 이동하면서 가공물을 가공할 때 발생하는 진동을 모두 측정하기 위한 것이다. 진동 측정은 가공 과정의 전체 시간에 거쳐 실시간으로 수행되고, 이렇게 측정된 진동 데이터는 데이터 취득장치(300)로 전달된다.

데이터 취득장치(300)는 3축 가속도센서(200)와 연결되고, 3축 가속도센서(200)로부터 실시간으로 검출되는 진동 데이터를 마모나 결함 분석을 위한 진동 주파수 파형으로 변환하고, 변환된 진동 주파수 파형을 통신모듈을 통해 제어모듈(500)로 전달한다.

여기서, 공작 기계는 가공 종류에 따라 선정된 공구를 장착하게 되고, 선정된 공구는 회전 속도와 절삭 방법에 따라 마모와 파손의 종류가 각각 다르기 때문에 각 공구의 가공 시점을 인식한 후에 전체 가공과정에서 마모, 결함 또는 파손에 따른 진동 특성을 분석하고 분류하여 미리 결함 패턴의 데이터 베이스로서 저장 구축한다.

특히, 공구의 마모, 결함 또는 파손은 공구의 날에서 발생하고, 예컨대 날끝각, 치즐각 및 치끝에지 등에 의해 각각의 진동 특성이 다르며, 마모 및 손상은 주 절삭날, 치즐에지 또는 치즐 포인트에서 발생한다. 이때, 공구마다 이러한 치수들이 모두 다르기 때문에, 미리 이들 특성에 따른 데이터 베이스를 미리 구축한다.

제어모듈(500)은 공작기계 제어기(400)에서 전달된 가공 신호와 공정 신호를 이용하여 가공하는 공구 번호를 인식하고, 미리 저장된 공구의 데이터 베이스를 불러온다. 진동분석 파라미터를 기반으로 데이터 취득장치(300)에서 전송되는 진동 데이터를 미리 저장된 데이터 베이스와 비교, 즉 가공 시 진동 특성을 결함 유형별로 분류하여 결함 패턴과 비교함으로써 마모상태나 공구의 결함 등을 인지하여 공구의 잔여 수명을 예측할 수 있다.

이러한 제어 모듈(500)은 가공시 공구에서 발생하는 (ⅰ) 진동량 특성 또는 (ⅱ) 진동 주파수 특성을 기준으로 공구의 마모 정도와 잔여 수명을 예측하게 된다.

먼저, (ⅰ) 진동량 특성을 이용하여 공구의 마모 정도와 잔여 수명을 예측하기 위해 각각의 공구에 대한 진동량 데이터를 수집하여 구축할 필요가 있다. 이에 따라 도 2와 아래의 [표 1] 과같이 여러 절삭 공구들 중 엔드 밀(End Mill)을 선정하여 처음부터 공구가 파손될 때까지 가공과정에서 진동량 데이터를 검출하여 이용할 수 있다.

특히 [표 1]은 도 2의 진동량 데이터를 시간별로 분리하여 정상 가공 시와 초기 결함 시, 마모의 진전 과정 및 공구 파손까지의 진동량을 표시한 것이다.

진동량 특성 변화를 살펴보면, 정상 상태의 경우에 수평 방향의 진동이 다른 방향에 비해 상대적으로 높게 발생하고, 1.5mm/sec 이하의 안정된 진동 값을 나타낸다. 초기 이상 증상은 11시 52분부터 나타나기 시작하고, 수직 및 축 방향의 진동이 서서히 증가하여 수평 방향의 진동량과 같은 값을 유지하다가 점차 증가하여 수평 방향의 진동 값을 초월하여 수직 및 축 방향의 진동이 상대적으로 높게 나타난다.

진동량 변화를 보면, 1.5mm/s를 초과하는 시점은 11시 56분 이후이며, 2.0 mm/s를 초과하는 시점은 11시 59분 이후이다. 2.5 mm/s를 초과하는 시점은 12시 00분으로 1.5 mm/s를 초과하여 2.0 mm/s를 초과하는데 4분이 경과한다. 진동량이 3.0 mm/s를 초과하는 시점은 12시 01분이며, 공구가 파손되는 시점은 12시 04분으로 진동량이 2.5 mm/s를 초과하여 공구 파손까지 4분이 소요된다.

진동량 변화에 따른 공구의 결함 예측은 상술한 진동량 데이터를 이용하여 충분히 감지할 수 있는 것으로 판단된다. 초기 결함 감지의 경우에 공구 파손 12분 전에 감지가 가능하며, 현저한 진동량 변화를 감지하는 것은 공구가 파손되기 8분 전에 감지할 수 있다. 정상적인 진동인 1.5 mm/sec 이하에서 초기 결함 증상을 보이고, 진동량 변화를 보이는 시점, 즉 1.5 mm/s 이상을 보이는 시점까지 4분의 시간 차이가 있다.

또한, 초기 진동량 변화에서 현저한 진동량 증가인 2.5 mm/s 이상의 진동을 보이는 시점은 4분이 경과된 후에 나타나고 있다. 이후, 공구 파손까지는 4분의 시간이 지나므로, 공구의 고장을 예측하기 위한 주의 및 경고 단계를 충분히 설정할 수 있다고 판단된다.

[표 1] 에서 보는 바와 같이, 진동량이 2.0 mm/s를 초과하는 경우에는 진동량의 증가 속도가 빨라지는 것으로 나타나며, 이 시점부터는 가공물의 품질에 영향을 주고 있을 것으로 판단된다. 따라서, 안정적인 공구 수명의 관리와 제품의 품질을 고려하면, 적정 수준의 진동량 변화가 나타났을 때 공구를 교체하는 것이 바람직하다.

더 정확한 평가를 위해서는 많은 데이터가 필요하지만, 2.0 mm/s 이상의 진동이 발생할 때에는 공구를 교체하는 것이 적절할 것으로 판단되고, 이를 근거로 하여 엔드 밀 공구의 수명을 예측할 수 있다.

이와 함께, (ⅱ) 진동 주파수 특성을 기준으로 공구의 마모 정도와 잔여 수명을 예측하는 것이 필요하다.

예를 들어 강성이 강한 재질을 가공하는 경우에 진동량 변화가 거의 없이 공구가 파손되므로, 진동량 변화 분석과 함께 진동 주파수 분석이 반드시 수행되어야 한다. 이는 초기 결함부터 파손 전까지의 마모 변화를 보다 명확하게 규명할 수 있어서 공구의 잔여 수명 예측에 필요한 분석이다.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 가공 후 45분(15시 18분) 이전까지 진동 특성을 살펴보면, 가속도의 경우에 주 회전성분인 100Hz의 조화파(Harmonic) 성분들이 낮은 진동 값을 갖고 발생하고 있었으나, 이후 4 차 성분의 조화파 성분들이 상대적으로 높게 상승하고 있다.

이러한 특성은 3 축 모두에서 동일하게 나타나고 있으며 진동량은 수평 방향 성분이 가장 높다. 가속도 특성 역시 회전 성분의 4 차 성분이 가장 높은 값을 보이고 있다. 진동의 초기 변화는 회전 성분의 4 차 성분과 이들의 조화파 성분이 증가하고 있으며, 반조화파(Half-harmonic) 성분들이 나타나는 특징이 있다.

1차 결함의 초기 증상으로 판단되는 2차 진동 특성의 변화는 가공 후 48분이 경과한 15시 18분 39초에 나타나기 시작하였다. 특히 도 7에 도시된 바와 같이 가속도 스펙트럼에서 저주파수의 조화파(Harmonic) 성분들이 증가하고 이들 성분 주변에 측파대(Sideband) 성분이 증가하고 있다.

속도 스펙트럼의 경우에는 회전 성분의 진동량이 증가하고, 역시 저주파수의 조화파 성분에서 측파대(Sideband) 성분이 증가하고 있다. 가공 후 46분이 경과 한 15시 19분 15초에 가속도 스펙트럼의 경우 측파대(Sideband)를 갖는 조화파 성분들이 지속적으로 증가하며, 특히 회전 성분의 4차 성분의 배수 성분들이 높아지고 있다. 속도의 경우에는 도 8에 도시된 바와 같이 저주파 조화파(Harmonic) 성분들이 증가하고 있으며, 3 Hz의 매우 낮은 주파수 성분이 높은 값을 갖고 발생하고 있다.

결함의 뚜렷한 증상을 보이는 3차 진동 특성의 변화는 운전 후 49분이 경과된 15시 19분 20초에서 나타나기 시작하였다. 도 9와 도 10에서 가속도 스펙트럼의 변화를 살펴보면, 각 측 모두에서 1,400 Hz ~ 1,500 Hz 대역에서 진동 성분이 증가하고 있다.

이와 함께 전반적으로 기저 진동이 상승하며, 도 11에 도시된 공구 파손은 1분 뒤인 15시 21분 26초에 발생하였다. 공구 파손 이후 전체 진동량이 감소하고 조화파 성분의 진동량도 함께 감소한다.

주파수 분석 결과를 보면, 운전 후 45분까지는 정상적인 진동 특성을 보이고 있으나, 15시 15분 이후 초기 결함 특성인 고차 조화파(Harmonic) 성분과 반조화파(Half-harmonic) 성분들이 발생하고 있으며, 명확한 결함 증상은 가공 후 48분이 경과된 15시 18분 39초에서 나타나기 시작한다.

강성이 강한 재질에 대한 엔드 밀의 진동 특성을 분석해 보면, 공구 파손 전에 뚜렷한 진동 주파수 변화를 파악할 수 있으며 단계적으로 결함을 미리 예측할 수 있다고 판단된다. 특히, 강성 재질의 경우 진동량 변화가 거의 없으므로 진동량에 따른 수명 예측보다는 각 축의 진동 특성 변화 및 주파수 특성 변화를 활용하면 공구의 결함과 수명을 미리 예측하는 것이 더욱 용이하다는 것을 알 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 공구 수명 예측 방법에 대해 설명한다. 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 공구 수명 예측 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 13은 공구 상태 및 잔여 수명을 표시한 예시도이다.

본 발명의 실시예에 따른 공구 수명 예측 방법은 도 1에 도시된 공작기계 공구수명 예측 시스템을 이용하여 진동 특성을 수집하고, 수집된 진동 특성을 정량적 및 정성적으로 분석하여 공구의 마모나 결함 상태 등을 검출하며, 공구수명 예측 알고리즘을 이용하여 공구의 잔여 수명을 예측함으로써, 사전에 불량 공구를 교체할 수 있게 한다.

이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 공구 수명 예측 방법은 먼저 작업자가 공작 기계에 대한 가공조건, 가공재료 및 가공 종류에 따라 공구를 선정하고, 공작기계 제어기(400)로부터 공정신호를 수신하면, 제어 모듈(500)이 선정된 공구를 인식한다(S810).

이때, 미리 각각의 공구에 대한 가공과정에서 마모, 결함 또는 파손에 따른 진동 특성을 분석하고 분류하여 결함 패턴의 데이터 베이스를 저장 구축하고, 제어 모듈(500)이 저장 구축된 데이터 베이스 중 선정된 공구의 결함 패턴을 포함하는 데이터 베이스를 선택하여 불러올 수 있다.

이러한 데이터 베이스는 공구의 날, 예컨대 날끝각, 치즐각 및 치끝에지 등에서 발생하는 마모, 결함 또는 파손 각각의 진동 특성, 즉 진동량 변화와 진동 주파수 변화를 포함할 수 있다.

공구를 인식한 후, 제어 모듈(500)은 데이터 취득장치(300)로부터 진동 데이터를 취득한다(S820).

구체적으로, 데이터 취득장치(300)는 3축 가속도센서(200)로부터 실시간으로 검출되는 진동 데이터를 마모나 결함 분석을 위한 진동 주파수 파형으로 변환하고, 변환된 진동 주파수 파형을 통신모듈을 통해 제어모듈(500)로 전달한다.

진동 데이터를 취득함에 따라, 제어 모듈(500)은 진동량을 평가하는 단계(S830) 및 진동 주파수 분석 단계(S840)를 각각 수행한다.

먼저, 진동량을 평가하는 단계(S830)는 상술한 [표 1]과 도 2의 진동량 데이터를 취득한 진동량 데이터 수치에 따라 정상 상태, 마모의 발생 상태 및 공구 파손의 중대결함상태를 구분할 수 있다.

예를 들어, 수평 방향의 진동이 다른 방향에 비해 상대적으로 높게 발생하고 1.5mm/sec 이하의 안정된 진동 값이 취득된다면, 제어 모듈(500)은 정상 상태의 경우로 구분한다(S831).

마모의 발생 상태로 판단되면, 제어 모듈(500)은 미리 저장된 데이터 베이스의 결함 패턴과 비교함으로써 마모상태나 공구의 결함 등을 인지하는 진동경향을 분석하고(S834), 공구의 잔여 수명을 예측하는 단계(S850)를 수행한다.

반면에, 공구 파손의 중대결함상태로 판단되면, 제어 모듈(500)은 공작기계의 가동을 중단한다(S835).

이러한 과정과 별개로, 제어 모듈(500)은 도 3 내지 도 10에 도시된 주파수 파형도를 참조하여, 고차 조화파(Harmonic) 성분, 반조화파(Half-harmonic) 성분 및 측파대(Sideband) 성분을 파라미터로 하는 진동 주파수의 분석를 수행한다(S840).

즉, 제어 모듈(500)은 미리 저장된 데이터 베이스에 저장된 진동 주파수의 결함 패턴과 비교하여, 고차 조화파(Harmonic) 성분과 반조화파(Half-harmonic) 성분과 같은 결함 스펙트럼이 검출되면 결함 상태로 판단한다(S842).

이후, 제어 모듈(500)은 진동경향을 분석한 결과 또는 결함 스펙트럼의 검출 결과를 이용하여 공구의 수명을 예측한다(S850).

예를 들어, [표 1]과 도 2를 참조하여 2.0 mm/s 이상의 진동이 발생할 때 또는 도 3 내지 도 10을 참조하여 고차 조화파(Harmonic) 성분과 반조화파(Half-harmonic) 성분들이 발생한 후 48분이 경과된 시점에는 공구를 교체하는 것이 적절할 것으로 판단되고, 이를 근거로 하여 제어 모듈(500)은 공구의 수명을 예측할 수 있다.

이러한 공구 수명을 예측하면서, 제어 모듈(500)은 표시 장치(600)를 통해 도 9에 도시된 바와 같이 공구상태를 표시하고(S860), 예측된 공구 수명에 따른 공구의 교체 시기를 표시하며(S870), 공구 교체를 위한 새로운 공구의 주문을 위한 작업자의 확인 항목을 표시할 수 있다(S880).

이와 같은 과정을 포함한 본 발명의 실시예에 따른 공구 수명 예측 방법은 작업자가 공작기계 가동 시 정기적으로 공구의 상태를 검사하지 않고 진동 센서를 이용하여 공구의 마모나 결함 상태 등을 검출하여 진동특성을 수집하고, 수집된 진동특성을 정량적 및 정성적으로 분석하며, 구축된 공구수명 예측 알고리즘을 이용하여 공구의 잔여 수명을 예측함으로써 사전에 불량 공구를 교체할 수 있다.

본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.

또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

100: 주축 스핀들 200: 3축 가속도센서
300: 데이터 취득장치 400: 공작기계 제어기
500: 제어 모듈 600: 표시장치

Claims

(A) 공작기계 제어기(400)로부터 공정신호를 수신하여, 제어 모듈(500)이 선정된 공구를 인식하는 단계;
(B) 상기 제어 모듈(500)은 데이터 취득장치(300)로부터 진동 데이터를 취득하는 단계;
(C) 상기 제어 모듈(500)이 상기 진동 데이터를 이용하여 진동량을 평가하거나 또는 진동 주파수를 분석하는 단계;
(D) 상기 제어 모듈(500)이 상기 공구의 잔여 수명을 예측하는 단계;
(E) 상기 제어 모듈(500)이 표시 장치(600)를 통해 공구상태를 표시하고, 예측된 공구 수명에 따른 상기 공구의 교체 시기를 표시하는 단계; 및
(F) 상기 제어 모듈(500)이 표시 장치(600)를 통해 상기 공구의 교체를 위한 새로운 공구의 주문을 위한 작업자의 확인 항목을 표시하는 단계;
를 포함하고,
상기 (B) 단계는
(B-1) 상기 데이터 취득장치(300)가 공작 기계의 주축 스핀들(100)의 일측에 구비된 3축 가속도센서(200)로부터 상기 주축 스핀들(100)의 축 방향, 상기 주축 스핀들(100)의 반경을 기준으로 수평 방향 및 수직 방향에 대해 실시간으로 검출되는 진동 데이터를 마모 또는 결함 분석을 위한 진동 주파수 파형으로 변환하는 단계; 및
(B-2) 상기 데이터 취득장치(300)가 상기 변환된 진동 주파수 파형을 통신모듈을 통해 상기 제어모듈(500)로 전달하는 단계;
를 더 포함하며,
상기 (C) 단계는 진동 주파수를 분석하는 단계로서,
(C-21) 상기 제어 모듈(500)이 상기 진동 데이터를 진동 주파수로 변환하여 분석하는 단계; 및
(C-22) 상기 제어 모듈(500)이 미리 저장된 데이터 베이스에 저장된 진동 주파수의 결함 패턴과 비교하여, 고차 조화파(Harmonic) 성분과 반조화파(Half-harmonic) 성분을 포함한 결함 스펙트럼이 검출되면 결함 상태로 판단하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공구 수명 예측 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 (A) 단계는 미리 각각의 공구에 대한 가공과정에서 마모, 결함 또는 파손에 따른 진동 특성을 분석하고 분류한 결함 패턴의 데이터 베이스를 저장 구축하고, 상기 제어 모듈(500)이 상기 저장 구축된 데이터 베이스 중 상기 선정된 공구의 결함 패턴을 포함하는 데이터 베이스를 선택하여 불러오는 것을 특징으로 하는 공구 수명 예측 방법.
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제 1 항에 있어서,
상기 (C) 단계는 진동량을 평가하는 단계로서,
(C-11) 상기 제어 모듈(500)이 진동량을 평가하는 단계;
(C-12) 상기 제어 모듈(500)이 상기 취득한 진동량 데이터 수치에 따라 정상 상태, 마모의 발생 상태 및 공구 파손의 중대결함상태 중 어느 하나의 상태로 구분하는 단계; 및
(C-13) 상기 제어 모듈(500)이 상기 공구 파손의 중대결함상태로 판단하면, 상기 제어 모듈(500)은 공작기계의 가동을 중단하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공구 수명 예측 방법.
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