KR102175530B1 - Drill condition monitoring system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 드릴링 공정에서 드릴 상태를 모니터링하여 적절한 시기에 드릴을 교체할 수 있게 하는 드릴 상태 모니터링 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a drill condition monitoring system that monitors a drill condition in a drilling process and enables a drill to be replaced at an appropriate time.
최근 4차 산업혁명 시대에 접어들면서, 제조업계는 시장 경쟁력 확보를 위한 공정 무인화 및 자동화를 적극 추진하고 있다. 이를 위해, 자체 측정이 가능하고 제품 품질에 영향을 미치는 인자들에 대한 상태 모니터링 기술이 필수적으로 요구되고 있다. 특히, 공구 마모는 점진적으로 진행되므로, 공구 상태를 모니터링하여 적절한 시기에 공구를 교체할 수 있는 시스템 구현은 자동화의 가장 큰 과제 중 하나이다.Recently, as the 4th industrial revolution has entered the era, the manufacturing industry is actively promoting unmanned processes and automation to secure market competitiveness. To this end, a condition monitoring technology for factors that can self-measure and affect product quality is required. In particular, since tool wear progresses gradually, implementing a system capable of monitoring tool conditions and replacing tools at an appropriate time is one of the biggest challenges of automation.
예를 들어, 드릴링 공정은 실제 가공 공정의 약 25%를 차지할 정도로 절삭 가공 공정에서 큰 비중을 차지한다. 일반적으로, 드릴링 공정은 가공 순서상 후순위에 있으므로, 드릴 파손과 같은 이상 현상은 전체 생산성 향상에 막대한 지장을 초래한다.For example, the drilling process occupies a large portion of the cutting process, accounting for about 25% of the actual machining process. In general, since the drilling process is placed in a lower order in the processing order, abnormal phenomena such as drill breakage cause enormous obstacles to overall productivity improvement.
한편, 드릴과 같은 절삭 공구의 상태를 측정하는 방식은 직접적인 측정방식과 간접적인 측정방식으로 구분될 수 있다. 직접적인 측정방식은 공구 마모를 광학현미경 등을 이용하여 직접 측정하는 방식인데, 고가의 광학장비가 요구되고, 공구 마모를 측정하기 위해서는 공작 기계로부터 공구를 분리해야 하기 때문에 생산성 저하 및 비용이 증가하는 문제가 있다. 간접적인 측정방식은 공구 마모와 관련된 간접적인 지표로 공구의 절삭력 진동을 가속도 센서 등을 이용하여 측정하는 방식인데, 센서 설치 위치에 따른 신호 감쇠 및 노이즈에 취약하며 설치 용이성이 낮은 문제가 있다.Meanwhile, a method of measuring the state of a cutting tool such as a drill may be divided into a direct measurement method and an indirect measurement method. The direct measurement method is a method of directly measuring tool wear using an optical microscope, etc., which requires expensive optical equipment and requires separating the tool from the machine tool in order to measure tool wear, resulting in lower productivity and increased cost. There is. The indirect measurement method is a method of measuring the cutting force vibration of the tool using an acceleration sensor as an indirect index related to tool wear. It is vulnerable to signal attenuation and noise according to the sensor installation location, and the installation is low.
본 발명의 과제는 드릴링 공정에서 드릴 파손을 예측하여 즉각적이고 신속한 대응을 할 수 있게 하는 드릴 상태 모니터링 시스템을 제공함에 있다.An object of the present invention is to provide a drill condition monitoring system that predicts drill breakage in a drilling process and enables immediate and rapid response.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 드릴 상태 모니터링 시스템은 Z축을 중심으로 회전함에 따라 XY 평면상의 피가공물을 드릴링 가공하는 드릴과 드릴을 회전시키는 주축모터와 드릴을 Z축 방향으로 이송시키는 이송모터를 포함하는 드릴링 머신에 채용되어 드릴 상태를 모니터링하는 시스템으로서, 전류 센서와, 적외선 센서모듈, 및 시스템 제어기를 포함한다. 전류 센서는 이송모터로 인입되는 전류를 측정한다. 적외선 센서모듈은 드릴로 적외선을 조사해서 드릴로부터 반사되는 적외선 세기를 측정한다. 시스템 제어기는 드릴이 피가공물을 드릴링 가공하는 동안 전류 센서로부터 측정되는 전류를 기반으로 마모로 인한 드릴의 파손을 예측하여 드릴의 교체를 판단하며, 마모로 인한 드릴의 파손이 예측되지 않은 경우 드릴이 피가공물로부터 벗어나 회전하는 동안 적외선 센서모듈로부터 측정되는 적외선 세기를 기반으로 드릴의 돌발적 파손을 예측하여 드릴의 교체를 판단한다.The drill condition monitoring system according to the present invention for achieving the above object is a drill that drills a workpiece on the XY plane as it rotates around the Z axis, a spindle motor that rotates the drill, and a feed that transports the drill in the Z axis direction. A system employed in a drilling machine including a motor to monitor a drill state, and includes a current sensor, an infrared sensor module, and a system controller. The current sensor measures the current drawn into the transfer motor. The infrared sensor module irradiates infrared rays with a drill and measures the intensity of infrared rays reflected from the drill. The system controller predicts the damage of the drill due to wear based on the current measured from the current sensor while the drill is drilling the workpiece, and determines the replacement of the drill. If the damage of the drill due to wear is not predicted, the drill is The replacement of the drill is determined by predicting the sudden damage of the drill based on the infrared intensity measured from the infrared sensor module while rotating away from the workpiece.
여기서, 시스템 제어기는 전류 센서로부터 입력된 전압 신호가 설정 문턱값 이상이면 파손 예측 신호로 감지하여 마모로 인한 드릴의 파손을 예측할 수 있다.Here, if the voltage signal input from the current sensor is greater than or equal to a set threshold value, the system controller may detect the damage prediction signal as a damage prediction signal and predict damage to the drill due to wear.
그리고, 시스템 제어기는 적외선 센서모듈로부터 입력되는 전압을 기반으로, 드릴 코너 마모가 발생하는 구간을 이루는 2개 지점의 전압 신호에서 시간에 따른 전압 기울기를 XY축 상의 전압 기울기 벡터로 변환하고, 변환된 전압 기울기 벡터의 X방향 성분과 Y방향 성분의 절대값 비가 설정 문턱값을 초과하면 드릴의 돌발적 파손을 예측할 수 있다.And, based on the voltage input from the infrared sensor module, the system controller converts the voltage slope over time into a voltage slope vector on the XY axis from the voltage signals at two points forming a section where drill corner wear occurs, and If the ratio of the absolute value of the X-direction component and the Y-direction component of the voltage gradient vector exceeds the set threshold value, the sudden breakage of the drill can be predicted.
본 발명에 따른 드릴 상태 모니터링 시스템은, 비교적 저가의 전류 센서와 적외선 센서모듈을 이용하여 드릴링 공정에서 마모로 인한 파손과 돌발적 파손을 동시에 예측할 수 있으므로, 드릴을 적절한 시기에 교체하여 드릴 파손으로 인한 후처리, 가공 시간 증가 및 경제적 손실을 최소화할 수 있다. 그 결과, 드릴 상태 모니터링 시스템은 스마트 팩토리의 고도화의 핵심 기술로서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.The drill condition monitoring system according to the present invention uses a relatively inexpensive current sensor and an infrared sensor module to simultaneously predict damage due to wear and sudden damage in the drilling process, so that the drill is replaced at an appropriate time and Processing, processing time increase and economic loss can be minimized. As a result, it is expected that the drill condition monitoring system can be used as a key technology for advancement of smart factories.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 드릴 상태 모니터링 시스템에 관한 구성도이다.
도 2는 적외선 센서모듈에 의해 드릴의 코너 마모를 측정하는 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 실험 예에 따라 드릴의 파손 예측 신호 감지를 위한 문턱값을 설정하는 예를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 실험 예에 따라 드릴을 측정한 적외선 센서모듈의 출력 전압을 나타낸 그래프이다.
도 5는 실험 예에 따라 적외선 센서모듈의 출력 전압 그래프를 극좌표계로 변환한 그래프이다.
도 6은 실제 드릴을 촬영한 사진이다.
도 7은 실험 예에 따라 드릴 코너 마모와 관련된 2개 지점의 전압 기울기를 나타낸 그래프이다.
도 8은 실험 예에 따라 전압 기울기 벡터의 X방향 성분과 Y방향 성분의 절대값의 비를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 드릴 상태 모니터링 시스템에 의해 드릴 교체를 판단하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.1 is a block diagram of a drill condition monitoring system according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing an example of measuring the corner wear of the drill by the infrared sensor module.
3 is a graph for explaining an example of setting a threshold value for detecting a damage prediction signal of a drill according to an experimental example.
4 is a graph showing an output voltage of an infrared sensor module measuring a drill according to an experimental example.
5 is a graph obtained by converting an output voltage graph of an infrared sensor module into a polar coordinate system according to an experimental example.
6 is a photograph of an actual drill.
7 is a graph showing voltage slopes at two points related to drill corner wear according to an experimental example.
8 is a graph showing a ratio of an absolute value of an X-direction component and a Y-direction component of a voltage gradient vector according to an experimental example.
9 is a flowchart illustrating a method of determining a drill replacement by a drill condition monitoring system according to an embodiment of the present invention.
본 발명에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.The present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings as follows. Here, the same reference numerals are used for the same configuration, and repeated descriptions and detailed descriptions of known functions and configurations that may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention will be omitted. Embodiments of the present invention are provided in order to more completely describe the present invention to those of ordinary skill in the art. Accordingly, the shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer explanation.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 드릴 상태 모니터링 시스템에 관한 구성도이다.1 is a block diagram of a drill condition monitoring system according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 드릴 상태 모니터링 시스템(100)은 Z축을 중심으로 회전함에 따라 XY 평면상의 피가공물(1)을 드릴링 가공하는 드릴(11)과 드릴(11)을 회전시키는 주축모터(12)와 드릴(11)을 Z축 방향으로 이송시키는 이송모터(13)를 포함하는 드릴링 머신(10)에 채용되어 드릴(11) 상태를 모니터링하는 시스템으로서, 전류 센서(110)와, 적외선 센서모듈(120), 및 시스템 제어기(130)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the drill
드릴링 머신(10)은 드릴(11)을 주축모터(12)에 의해 회전시킨 상태로 이송모터(13)에 의해 피가공물(1)로 진입시켜 피가공물(1)을 드릴링 가공하게 된다. 이송모터(13)는 주축모터(12)를 Z축 방향으로 이송시킴에 따라 드릴(11)을 Z축 방향으로 이송시킬 수 있다. 피가공물(1)은 워크테이블(14) 상에 안착되어 XY 이송기구에 의해 X축 및/또는 Y축 방향으로 이송됨으로써, 드릴(11)에 대해 상대 이동할 수 있다.The
전류 센서(110)는 이송모터(13)로 인입되는 전류를 측정한다. 전류 센서(110)는 홀 센서를 포함할 수 있다. 홀 센서는 홀 효과를 이용한 센서로서, 전류가 흐르는 도체에 자기장을 걸어주면 전류의 세기에 비례하는 홀 전압을 발생시키므로, 전압을 측정하면 전류의 세기를 측정할 수 있다. 홀 센서는 드릴링 머신(10)의 제어 박스(Control box, 15) 내에 있는 이송모터(13)의 전원 공급선에 설치됨으로써, 드릴링 공정에 간섭을 주지 않을 수 있다.The
홀 센서로부터 출력되는 전압 신호는 이동평균 필터(Moving average filter, 111)를 걸쳐 필터링될 수 있다. 이동평균 필터(111)는 드릴(11)의 드릴링 가공 종료 후 가공홀 위치에서 다음 가공홀 위치로 이송하기 위해 일정 높이까지 Z축 방향으로 이동할 때 생기는 신호와 드릴링 공정에서 발생하는 정적신호 및 저주파 신호를 홀 센서의 출력 전압 신호로부터 제거한다. 이동평균 필터(111)를 거친 신호는 데이터 획득 장치(112), 예컨대 DAQ board로 전송되어 시스템 제어기(130)에 저장될 수 있다.The voltage signal output from the Hall sensor may be filtered through a moving
일반적으로, 드릴링 가공 중 드릴(11)의 파손은 전단 방향으로 발생한다. 그 원인은 드릴(11)에 파손직전 가해지는 절삭 추력과 절삭 토크가 급격히 증가하게 되는데, 이때 절삭 추력의 증가율보다 절삭 토크의 증가율이 더 크기 때문이다. 따라서, 드릴(11) 파손을 검출하기 위해서는 절삭 추력이나 절삭 토크를 측정하는 것이 필요하다.In general, the breakage of the
절삭 토크는 주축모터 전류와 상관관계가 있고, 절삭 추력은 이송모터 전류와 상관관계가 있다. 드릴(11) 파손을 검출하기 위해 절삭 토크를 이용하는 경우, 주축모터 전류가 이송모터 전류에 비해 동적 민감도가 낮고, 절삭 칩의 끼임과 배출 반복으로 인한 절삭 토크의 요동 문제가 있으며, 주축계 관성이 이송계 관성보다 큼에 따라 드릴(11) 파손 검출시 발생하는 시간 지연이 있으며, 드릴(11) 직경이 작아질 경우 절삭 구간과 비절삭 구간의 구분이 힘들어지는 등의 문제점을 가지고 있다.The cutting torque is correlated with the main shaft motor current, and the cutting thrust is correlated with the feed motor current. When the cutting torque is used to detect the breakage of the
따라서, 본 발명의 실시예에서는 전류 센서(110)로부터 측정되는 이송모터 전류를 드릴(11) 파손 예측에 사용한다. 절삭 추력과 이송모터 전류의 관계식은 이송모터(13)의 자중을 고려하여, 다음의 수학식 1과 같이 정리될 수 있다.Therefore, in the embodiment of the present invention, the transfer motor current measured from the
여기서, Ftrust는 절삭 추력이며, Fweight는 이송모터의 자중에 의한 힘이며, KT는 드릴링 머신마다 일정한 값은 갖는 모터상수 값이며, IFM은 이송모터 전류이다.Here, F trust is the cutting thrust, F weight is the force due to the self- weight of the feed motor, K T is the constant value of the motor for each drilling machine, and I FM is the feed motor current.
수학식 1에 따르면, 이송모터 전류는 드릴(11)에 가해지는 절삭 추력을 추종하여 절삭 추력과 비례 관계가 있는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 드릴(11) 파손직전 급격히 증가하는 절삭 추력을 이송모터 전류를 이용하여 측정할 수 있기 때문에, 전류 센서(110)로부터 측정되는 이송모터 전류를 드릴(11) 파손 예측에 사용할 수 있다.According to
적외선 센서모듈(120)은 드릴(11)로 적외선을 조사해서 드릴(11)로부터 반사되는 적외선 세기를 측정한다. 적외선 센서모듈(120)은 발광소자(121)와, 광섬유(optical fiber, 122), 및 수광소자(123)를 포함할 수 있다.The
발광소자(121)는 적외선을 방출한다. 광섬유(122)는 발광소자(121)로부터 방출된 적외선을 전달받아 드릴(11)로 조사하고 드릴(11)로부터 반사되는 적외선을 전달받는다. 수광소자(123)는 광섬유(122)로부터 전달된 적외선 세기를 측정한다.The light-emitting
발광소자(121)는 발광다이오드 등으로 이루어질 수 있다. 광섬유(122)는 한쪽 단에 광출입부(122a)가 형성되고 다른 쪽 단에 발광소자(121)와 수광소자(123)가 연결될 수 있다. 광출입부(122a)는 드릴(11)을 향해 배치된 상태로 센서블록(124)에 지지될 수 있다. 광출입부(122a)는 드릴(11)과 설정 거리만큼 이격된 상태로 유지함으로써, 적외선을 드릴(11)로 조사한 후 드릴(11)로부터 반사되는 적외선을 수신할 수 있다. 수광소자(123)는 포토트랜지스터(phototransistor) 등으로 이루어질 수 있다.The
적외선 센서모듈(120)은 발광소자(121)로부터 광섬유(122)를 통해 드릴(11)로 조사된 적외선이 드릴(11) 표면에서 반사되어 광섬유(122)로 입사되면 수광소자(123)가 수신한 빛의 세기만큼 빛 에너지를 전기 에너지로 변환해 전압으로 환산한다.The
수광소자(123)로부터 출력되는 전압의 아날로그 신호는 저대역 통과 필터(low pass filter, 125)를 거쳐 데이터 획득 장치(126), 예컨대 DAQ board로 전송되어 시스템 제어기(130)에 저장될 수 있다.The analog signal of the voltage output from the light-receiving
일반적으로, 드릴링 공정에서 드릴(11)에 발생하는 마모는 플랭크 마모(Flank wear), 크레이터 마모(Crater wear), 코너 마모(Outer corner wear), 마진 마모(Margin wear), 치즐 에지 마모(Chisel edge wear), 칩핑(Chipping) 등으로 분류되며, 이들 중에서 플랭크 마모는 드릴(11)의 수명판단 기준으로 사용되고 있다.In general, the wear that occurs on the
그러나, 드릴(11)의 여유면에 발생하는 플랭크 마모는 드릴(11)의 여유면이 드릴 축을 중심으로 선단각(Point angle)의 반각만큼 기울어져 있기 때문에 직접 측정하기 어렵고, 측정하기 위해서는 드릴(11)을 드릴링 머신(10)에서 분리한 후 전자 현미경 등을 이용하여 측정해야 하기 때문에 가공 시간 증가 및 생산성 저하의 요인이 될 수 있다. 또한, 드릴링 공정 시 드릴(11)의 주절삭날에 성장하는 구성인선(Built up edge)은 정확한 플랭크 마모 측정을 더욱 어렵게 만든다.However, flank wear that occurs on the clearance surface of the
따라서, 본 발명의 실시예에서는 플랭크 마모에 비해 측정이 용이하고 드릴(11) 수명과 밀접한 관련이 있는 드릴(11)의 코너 마모를 드릴(11) 수명 판단 기준으로 사용한다. 드릴(11)의 코너는 드릴(11)의 이송 방향에 수직한 방향에 위치하므로, 적외선 센서모듈(120)을 이용한다면 플랭크 마모에 비해 용이하게 측정될 수 있다.Accordingly, in the embodiment of the present invention, the corner wear of the
드릴(11)을 드릴링 머신(10)에 결합한 상태에서 일정한 주축 회전속도(Spindle speed)로 드릴(11)을 회전시킬 경우, 드릴(11)의 곡면 형상에 따라 광섬유(122)와 드릴(11) 사이의 거리가 변화하게 되어 1회전당 반복되는 신호파형이 적외선 센서모듈(120)로부터 나타나며, 이러한 1회전 신호파형은 드릴(11)의 바깥쪽 프루트(Outer flute)와 안쪽 프루트(inner flute), 마진 등 드릴(11) 형상의 상대적 거리에 따른 출력전압 차이로 드릴(11)의 형상을 전압 신호에 반영한다.When the
이러한 드릴 형상에 따른 출력전압 차이는 드릴(11)의 마모가 진행될수록 전압 신호에 나타나게 된다. 그 이유가 피가공물(1), 드릴(11) 재질, 회전속도, 이송속도, 드릴링 가공 깊이 등 동일한 조건에서 드릴링 공정을 진행하게 되면, 드릴(11) 코너는 점진적으로 마모되어 드릴(11) 형상 및 표면 거칠기가 변화되기 때문이다.The difference in output voltage according to the shape of the drill appears in the voltage signal as the wear of the
또한, 그 이유가 드릴(11)은 중심부로부터 반경방향으로 갈수록 반지름에 비례해 회전속도가 빨라져 가공 중 가공 벽면과 일으키는 마찰로 인해 높은 열이 발생하므로, 드릴(11) 코너 에지(edge)의 경도가 저하되기 때문이다.In addition, the reason is that the rotational speed of the
이와 같이, 드릴(11) 코너의 마모가 점진적으로 진행되면 에지가 무뎌지고 드릴(11)의 표면 거칠기가 나빠진다. 이는 광섬유(122)와 드릴(11) 코너 사이의 미소거리 차이와 드릴(11) 표면의 난반사를 유발하며, 결과적으로 드릴(11) 코너에서 반사되어 광섬유(122)로 수광되는 광량을 감소시킨다. 따라서, 시간에 따른 수광소자(123)의 전압 신호를 이용하면, 드릴(11) 코너의 마모를 측정할 수 있다.As such, when the wear of the corners of the
시스템 제어기(130)는 드릴(11)이 피가공물(1)을 드릴링 가공하는 동안 전류 센서(110)로부터 측정되는 전류를 기반으로 마모로 인한 드릴(11)의 파손을 예측하여 드릴(11)의 교체를 판단한다. 시스템 제어기(130)는 전류 센서(110)로부터 입력된 전압 신호가 설정 문턱값 이상이면 파손 예측 신호로 감지하여 마모로 인한 드릴(11)의 파손을 예측할 수 있다.The
드릴(11) 파손이 발생하면 이송모터 전류가 급격히 증가하고, 급격한 전류의 증가가 홀 센서의 RMS 전압 신호의 급격한 증가로 나타난다. 이는 드릴(11) 파손직전 절삭 추력의 증가율이 급격히 증가하는 드릴(11) 파손 메커니즘과 동일한 결과이다.When the
또한, 파손 직전 드릴링 가공시 홀 센서의 아날로그 전압 신호가 급격히 증가하는 파손 예측 신호가 나타난다. 파손 예측 신호는 연속 드릴링 가공 중 드릴(11) 마모가 진행되면서 드릴(11)에 가해지는 절삭부하 증가에 따른 열화작용으로 드릴(11)의 경도가 급격히 저하된 상태에서 다음 가공홀 위치로 이동하기 위해 드릴(11)의 가공방향의 역방향으로 빠지는 순간 측정되는 신호이다.In addition, a damage prediction signal appears in which the analog voltage signal of the Hall sensor rapidly increases during drilling just before the damage. The damage prediction signal moves to the next hole position while the hardness of the
따라서, 파손 예측 신호를 측정하면 드릴(11) 파손을 예측할 수 있고, 설정 문턱값을 넘어가는 RMS 신호값이 측정될 경우 드릴(11) 파손의 위험이 있다고 판단할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 설정 문턱값은 실험을 통해 데이터를 기준으로, 파손 직전 가공홀 위치에서 측정되는 홀 센서의 전압이 정상 상태의 드릴링 가공 중 측정되는 홀 센서 전압의 평균값에 비해 7% 상승한 값으로 설정될 수 있다. 시스템 제어기(130)는 전류 센서(110)로부터 입력된 전압 신호가 7% 이상이면 파손 예측 신호로 감지하여 마모로 인한 드릴(11)의 파손을 예측할 수 있다.Therefore, if the damage prediction signal is measured, the damage of the
시스템 제어기(130)는 마모로 인한 드릴(11)의 파손이 예측되지 않은 경우 드릴(11)이 피가공물(1)로부터 벗어나 회전하는 동안 적외선 센서모듈(120)로부터 측정되는 적외선 세기를 기반으로 드릴(11)의 돌발적 파손을 예측하여 드릴(11)의 교체를 판단한다.When the damage of the
시스템 제어기(130)는 적외선 센서모듈(120)로부터 입력되는 전압을 기반으로, 드릴(11) 코너 마모가 발생하는 구간을 이루는 2개 지점의 전압 신호에서 시간에 따른 전압 기울기를 XY축 상의 전압 기울기 벡터로 변환하고, 변환된 전압 기울기 벡터의 X방향 성분과 Y방향 성분의 절대값 비가 설정 문턱값을 초과하면 드릴(11)의 돌발적 파손을 예측할 수 있다.Based on the voltage input from the
드릴(11) 코너 마모가 발생하는 구간을 이루는 2개 지점은 실험을 통해 미리 선정될 수 있다. 이에 대해, 도 4 내지 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저, 도 4에 도시된 바와 같이, 적외선 센서모듈(120)의 수광소자(123)로부터 측정된 전압 신호는 드릴(11) 1/2회전당 5개의 변곡점(A, B, C, D, E)이 발생한다. The two points constituting the section where the corner wear of the
도 5에 도시된 바와 같이, 5개의 변곡점(A, B, C, D, E) 중 실제 드릴(11) 코너 마모와 연관된 변곡점을 선정하기 위해 시간에 따른 전압 그래프를 라디안과 전압의 극좌표계로 변환하였다. 적외선 센서모듈(120)의 광섬유(122) 위치, 즉 센서 위치는 고정되어 있으므로, 극좌표계의 각 변곡점(A, B, C, D, E)의 좌표를 이용하면 센서 위치로부터 각도를 각 변곡점(A, B, C, D, E)의 위치를 계산할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 극좌표계의 각 변곡점(A, B, C, D, E)의 위치를 전계방사형 주사전자현미경(Field emission transmission electron microscope)으로 촬영한 실제 드릴(11) 사진과 비교하여, 실제 드릴(11) 코너 마모와 관련된 2개의 변곡점(A, B)을 선정하였다.As shown in Fig. 5, the voltage graph over time is converted into a polar coordinate system of radians and voltages to select an inflection point related to corner wear of the
도 7에 도시된 바와 같이, 선정된 2개 지점(A, B)의 전압 신호에서 시간에 따른 전압 기울기는 드릴(11)의 정상 상태에서 점진적으로 변화하고 파손직전 드릴링 가공 후에는 급격하게 변화하였다. 이는 드릴(11)의 마모가 점진적으로 발생 후 급격히 파손에 이르는 드릴(11) 파손 메커니즘과 동일한 결과이다.As shown in FIG. 7, the voltage slope over time in the voltage signals of the two selected points (A, B) gradually changed from the normal state of the
이러한 경향성을 기반으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 2개 지점(A, B)의 전압 기울기를 XY축 상의 전압 기울기 벡터, (n번째 구멍의 전압 기울기 벡터)로 변환하였고, 변환된 전압 기울기 벡터의 X방향 성분과 Y방향 성분을 살펴본 결과, 모든 실험 조건에서 드릴(11)의 파손 직전 가공홀 위치에서 X방향 성분과 Y방향 성분의 절대값의 비가 모두 1 ΔV/Δt 를 초과하였다. 이는 드릴(11)의 파손직전 가공홀 위치에서 두 방향 성분이 이루는 각도가 45도를 벗어난 경우로 모든 실험조건에서 동일하게 나타났다.Based on this tendency, as shown in FIG. 8, the voltage slope of the two points A and B is a voltage slope vector on the XY axis, (Voltage gradient vector of the n-th hole), and as a result of examining the X-direction and Y-direction components of the converted voltage gradient vector, under all experimental conditions, the X-direction component and Y The ratios of the absolute values of the fragrance components all exceeded 1 ΔV/Δt. This is a case where the angle formed by the two direction components at the position of the drilling hole just before the breakage of the
따라서, 실험 결과를 기반으로, 설정 문턱값은 1 ΔV/Δt으로 설정될 수 있으며, 시스템 제어기(130)는 전압 기울기 벡터의 X방향 성분과 Y방향 성분의 절대값 비가 문턱값은 1 ΔV/Δt 을 초과하면 드릴(11)의 돌발적 파손을 예측할 수 있다.Therefore, based on the experimental result, the set threshold may be set to 1 ΔV/Δt, and the
전술한 드릴 상태 모니터링 시스템(100)에 의해, 마모로 인한 드릴(11)의 파손과 드릴(11)의 돌발적 파손을 예측해서 드릴(11) 교체를 판단하는 과정 예에 대해, 도 9를 참조하여 설명하면 다음과 같다.For an example of a process of determining the replacement of the
먼저, 드릴(11)이 피가공물(1)을 드릴링 가공하는 동안 전류 센서(110)에 의해 전류를 측정한다. 전류 센서(110)로부터 출력되는 전압 신호의 RMS 값을 계산한 후, 계산된 RMS 값을 이동평균 필터(111)에 의해 필터링한다. 이후, 전압 신호에서 파손 예측 신호가 감지되면, 드릴(11)의 교체로 판단한다.First, the current is measured by the
파손 예측 신호가 감지되지 않으면, 드릴(11)을 회전시킨 상태에서 적외선 센서모듈(120)에 의해 드릴(11) 코너 마모를 측정하고, 적외선 센서모듈(120)로부터 출력되는 전압 신호를 저대역 통과 필터(125)에 의해 필터링한다. 이후, 드릴(11) 코너 마모가 발생하는 구간을 이루는 2개 지점(A, B)의 전압 신호에서 시간에 따른 전압 기울기를 XY축 상의 전압 기울기 벡터로 변환하고, 변환된 전압 기울기 벡터의 X방향 성분과 Y방향 성분의 절대값 비가 설정 문턱값을 초과하면, 드릴(11)의 교체로 판단한다. X방향 성분과 Y방향 성분의 절대값 비가 설정 문턱값을 초과하지 않으면, 드릴링 가공을 계속 진행하고 전류 센서(110)로부터 전류를 측정한다.If the damage prediction signal is not detected, the
이와 같이, 드릴 상태 모니터링 시스템(100)에 따르면, 비교적 저가의 전류 센서(110)와 적외선 센서모듈(120)을 이용하여 드릴링 공정에서 마모로 인한 드릴(11)의 파손과 드릴(11)의 돌발적 파손을 동시에 예측할 수 있으므로, 드릴(11)을 적절한 시기에 교체하여 드릴(11) 파손으로 인한 후처리, 가공 시간 증가 및 경제적 손실을 최소화할 수 있다. 그 결과, 드릴 상태 모니터링 시스템(100)은 스마트 팩토리의 고도화의 핵심 기술로서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.As described above, according to the drill
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다. The present invention has been described with reference to one embodiment shown in the accompanying drawings, but this is only illustrative, and those of ordinary skill in the art will understand that various modifications and other equivalent embodiments are possible therefrom. I will be able to. Therefore, the true scope of protection of the present invention should be determined only by the appended claims.
11..드릴
12..주축모터
13..이송모터
110..전류 센서
120..적외선 센서모듈
130..시스템 제어기11.. Drill
12..spindle motor
13..Transfer motor
110..current sensor
120..Infrared ray sensor module
130..System controller
Claims (5)
상기 이송모터로 인입되는 전류를 측정하는 전류 센서;
상기 드릴로 적외선을 조사해서 상기 드릴로부터 반사되는 적외선 세기를 측정하는 적외선 센서모듈; 및
상기 드릴이 피가공물을 드릴링 가공하는 동안 상기 전류 센서로부터 측정되는 전류를 기반으로 마모로 인한 드릴의 파손을 예측하여 드릴의 교체를 판단하며, 마모로 인한 드릴의 파손이 예측되지 않은 경우 상기 드릴이 피가공물로부터 벗어나 회전하는 동안 상기 적외선 센서모듈로부터 측정되는 적외선 세기를 기반으로 드릴의 돌발적 파손을 예측하여 드릴의 교체를 판단하는 시스템 제어기;를 포함하며,
상기 시스템 제어기는 상기 적외선 센서모듈로부터 입력되는 전압을 기반으로, 드릴 코너 마모가 발생하는 구간을 이루는 2개 지점의 전압 신호에서 시간에 따른 전압 기울기를 XY축 상의 전압 기울기 벡터로 변환하고, 변환된 전압 기울기 벡터의 X방향 성분과 Y방향 성분의 절대값 비가 설정 문턱값을 초과하면 드릴의 돌발적 파손을 예측하는 것을 특징으로 하는 드릴 상태 모니터링 시스템.
It is adopted in a drilling machine that includes a drill that drills a workpiece on the XY plane as it rotates around the Z-axis, a spindle motor that rotates the drill, and a feed motor that transfers the drill in the Z-axis direction to monitor the state of the drill. As a system to do,
A current sensor that measures a current drawn into the transfer motor;
An infrared sensor module measuring infrared intensity reflected from the drill by irradiating infrared rays with the drill; And
While the drill is drilling the workpiece, it predicts the damage of the drill due to wear based on the current measured from the current sensor to determine the replacement of the drill.If the damage of the drill due to wear is not predicted, the drill is Including; a system controller for determining the replacement of the drill by predicting the sudden damage of the drill based on the infrared intensity measured from the infrared sensor module while rotating away from the workpiece,
The system controller converts the voltage slope over time into a voltage slope vector on the XY axis from the voltage signals at two points forming a section where drill corner wear occurs, based on the voltage input from the infrared sensor module, and the converted A drill condition monitoring system, characterized in that, when a ratio of an absolute value of an X-direction component and a Y-direction component of a voltage gradient vector exceeds a set threshold value, the drill condition monitoring system predicts accidental breakage of the drill.
상기 시스템 제어기는 상기 전류 센서로부터 입력된 전압 신호가 설정 문턱값 이상이면 파손 예측 신호로 감지하여 마모로 인한 드릴의 파손을 예측하는 것을 특징으로 하는 드릴 상태 모니터링 시스템.
The method of claim 1,
The system controller detects as a damage prediction signal when the voltage signal input from the current sensor is greater than or equal to a set threshold value and predicts the damage of the drill due to wear.
상기 전류 센서는 홀 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 드릴 상태 모니터링 시스템.
The method of claim 1,
The current sensor is a drill condition monitoring system, characterized in that it comprises a Hall sensor.
상기 적외선 센서모듈은,
적외선을 방출하는 발광소자와,
상기 발광소자로부터 방출된 적외선을 전달받아 상기 드릴로 조사하고 상기 드릴로부터 반사되는 적외선을 전달받는 광섬유, 및
상기 광섬유로부터 전달된 적외선 세기를 측정하는 수광소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 드릴 상태 모니터링 시스템.The method of claim 1,
The infrared sensor module,
A light emitting element that emits infrared rays,
An optical fiber that receives infrared rays emitted from the light emitting device, irradiates with the drill, and receives infrared rays reflected from the drill, and
Drill condition monitoring system comprising a light receiving device for measuring the intensity of infrared transmitted from the optical fiber.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2019
- 2019-07-04 KR KR1020190080537A patent/KR102175530B1/en active IP Right Grant
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