KR102191653B1 - 위상차 스트로보스코피를 이용한 회전 공구 실시간 상태 감시 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 회전 공구의 상태를 감시하기 위한 시스템에 있어서, 감시 대상인 회전 공구의 회전 주파수를 측정하기 위한 회전 주파수 측정부, 상기 회전 공구에 조명을 조사하기 위한 조명부, 상기 회전 공구를 촬영하기 위한 촬영부 및 상기 회전 주파수 측정부에서 측정된 회전 공구의 회전 주파수와 다른 조사 주파수로 상기 조명부에서 위상차 스트로보스코피(stroboscopy) 조명이 조사되도록 하고, 이때 상기 촬영부에서 촬영된 위상차를 갖는 회전 공구의 이미지들로부터 상기 회전 공구의 실시간 상태를 감시하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 의하면, 위상차 스트로보스코피를 이용하여 고속으로 회전하는 공구의 상태를 감시함으로써, 공정 중에 실시간으로 공구 상태를 감시할 수 있고, 비교적 저렴한 비용으로 공구 감시 시스템을 구축할 수 있다는 효과가 있다.

Description

위상차 스트로보스코피를 이용한 회전 공구 실시간 상태 감시 시스템 {System for in-process monitoring of rotating tools using phase-shifted stroboscopy}

본 발명은 고속으로 회전하는 절삭 공구에 대한 실시간 상태 감시 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 위상차 스트로보스코피(stroboscopy)를 이용한 회전 공구 실시간 상태 감시 기술에 관한 것이다.

기계 산업의 발전으로 인하여 가공 공정의 무인화가 가속되고 있다. 따라서 기계 운전 중 발생하는 공구 이상을 감시하기 위해 고안된 방법인 공구 상태 감시(Tool Condition Monitoring, TCM) 시스템이 주목받고 있다.

간접적 TCM이란 공구의 변형 혹은 마멸에 비례하여 증가하는 물리량인 절삭력, 진동, 음압 등을 공구동력계, 가속도계 또는 acoustic emission 센서를 이용하여 계측하는 것으로 공구 상태 판단의 척도로써 활용하는 방법이고, 직접적 TCM의 경우 레이저를 이용한 변위 센서 혹은 CCD, IR 기반의 카메라를 이용하여 공구 표면의 이미지를 얻어낸 후, 이미지 전처리 과정을 통해 공구 상태 판단에 적용하는 방법이다.

간접적 TCM의 경우 센서 특성 상 가공 중 데이터 취득이 용이하나 공구 상태를 간접적으로 판단하기 때문에 정확도가 떨어진다는 단점이 있다. 반면에 정확도 문제를 해결하기 위해 제안된 방법인 직접적 TCM은 카메라를 이용해 얻어낸 공구 표면의 이미지를 통해 공구 상태를 직관적으로 판단할 수 있다. 하지만 상태 판단에 필요한 공구의 명확한 상을 얻기 위해서는 반드시 공정을 멈춰야 한다는 단점이 있다.

이처럼 고속으로 회전하는 절삭 공구의 상태를 감시하기 위해서, 기존에는 변형, 마모, 파손 등의 공구 상태와 상관관계가 밝혀진 절삭력, 진동, 탄성파 등의 신호들을 측정하여, 이로부터 공구 상태를 추정하는 방법이 많이 사용되었다. 하지만 공구 상태와 신호들과의 관계가 명확하지 않고, 공구를 이용한 가공 작업 진행 중에 방해를 주지 않고 해당 신호를 측정하기 위한 센서들을 설치하는 것이 어렵다는 문제점이 있다. 그래서, 비전을 사용하여 직접 관찰하는 방법도 시도되고 있으나, 고속으로 회전하는 공구의 상태를 감시하기 위해서는 10,000 fps(frames per second) 이상의 촬영이 가능한 고가의 초고속 카메라를 사용해야 한다.

도 1은 마이크로 밀링 공구의 정지 화상 및 고속 회전 화상 이미지이다.

도 1은 초고속 카메라를 이용하여 촬영한 정지(stationary) 화상과 고속 회전(rotaing) 화상을 보여주고 있다. 이처럼 카메라를 이용한 측정 방법은 지속적인 광원을 조사하는 중에 궤적으로 나타난 공구를 카메라로 촬영하는 것이며, 도 1에서 광원의 위치 및 카메라의 노출 시간을 달리하는 것으로 얻어낸 공구의 궤적 화상을 나타내고 있다.

이러한 초고속 카메라를 이용한 측정 방법은 장비가 고가이므로, 비용적인 부담이 크고, 공구의 상이 다소 흐릿하다는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허 10-2003-0046787

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에서는 공구 상태 판단의 정확성이 뛰어난 직접적 TCM의 시간 해상도 문제를 해결하기 위하여, 조명의 조사 주파수를 공구의 회전 주파수와 비동기화 시켜 공구가 천천히 회전하는 것처럼 보이게 함으로써 저가의 일반 카메라로도 선명한 이미지를 얻을 수 있게 하는 위상차 스트로보스코피(stroboscopy)를 제안하고, 이를 이용하여 고속 회전 공구의 실시간 상태 감시 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 회전 공구의 상태를 감시하기 위한 시스템에 있어서, 감시 대상인 회전 공구의 회전 주파수를 측정하기 위한 회전 주파수 측정부, 상기 회전 공구에 조명을 조사하기 위한 조명부, 상기 회전 공구를 촬영하기 위한 촬영부 및 상기 회전 주파수 측정부에서 측정된 회전 공구의 회전 주파수와 다른 조사 주파수로 상기 조명부에서 위상차 스트로보스코피(stroboscopy) 조명이 조사되도록 하고, 이때 상기 촬영부에서 촬영된 위상차를 갖는 회전 공구의 이미지들로부터 상기 회전 공구의 실시간 상태를 감시하는 제어부를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 제어부는 위상차를 갖는 이미지들로부터 상기 회전 공구의 흔들림(run-out) 및 변형량을 측정할 수 있다.

상기 회전 공구가 절삭 가공에 사용되는 것인 경우, 상기 제어부는 상기 회전 공구의 변형량과 절삭력과의 관계식을 도출하고, 이 관계식으로부터 상기 회전 공구의 절삭력을 추정할 수 있다. 이때, 상기 제어부는 상기 회전 공구의 이송 속도를 높여가면서 측정한 변형량 곡선과 절삭력 곡선을 산출하고, 상기 변형량 곡선과 절삭력 곡선 간의 커프 피팅을 통해 관계식을 도출할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서 상기 제어부는 위상차를 갖는 이미지들로부터 상기 회전 공구의 마모 정도를 측정할 수 있다.

본 발명에 의하면, 위상차 스트로보스코피를 이용하여 고속으로 회전하는 공구의 상태를 감시함으로써, 공정 중에 실시간으로 공구 상태를 감시할 수 있고, 비교적 저렴한 비용으로 공구 감시 시스템을 구축할 수 있다는 효과가 있다. 즉, 종래 비전을 활용한 공구 상태 감시 방법의 경우, 공구 이상을 감시하기 위해 공정을 정지시킨 후 계측해야 하므로 공정 중 발생하는 공구의 변형 및 흔들림에 대응할 수 없었으나, 본 발명에 의하면 공정 중에 실시간으로 공구 상태를 감시할 수 있으므로 공구의 변형 및 흔들림을 감지하여 대응할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 센서 장착이 어려운 드릴링, 밀링 등의 공구를 실시간으로 감시할 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 마이크로 밀링 공구의 정지 화상 및 고속 회전 화상 이미지이다.
도 2는 위상차 스트로보스코피의 조사 주파수 파형을 도시한 그래프이다.
도 3은 위상차 스트로보스코피를 예시한 것이다.
도 4는 위상차 스트로보스코피를 이용한 고속 회전 공구를 촬영한 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 공구 실시간 상태 감시 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 공구 실시간 상태 감시 시스템의 실제 구성을 예시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 공구 실시간 상태 감시 시스템에서 가공 중 공구 흔들림을 측정한 이미지이다.
도 8은 본 발명에서 공구 흔들림(run-out)의 정의를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명에서 카메라를 이용한 공구 흔들림을 측정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 공구 흔들림 실험에서 실험 조건을 나타낸 도표이다.
도 11은 본 발명의 공구 흔들림 실험에서 공구의 윤곽선을 추출한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 공구 흔들림 실험에서 공구 흔들림을 측정하기 위한 카메라 배치를 예시한 것이다.
도 13은 본 발명의 공구 변형 실험에서 드릴 날의 절삭력 분포를 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명의 공구 변형 실험에서 마이크로 드릴링 공정 중 공구 변형을 나타낸 것이다.
도 15는 본 발명의 공구 변형 실험에서 마이크로 드릴의 실험 조건을 나타낸 도표이다.
도 16은 본 발명의 공구 변형 실험에서 마이크로 드릴링 공정 중 공구 변형과 절삭력 실험 결과를 도시한 그래프이다.
도 17은 본 발명의 공구 변형 실험에서 공구 변형량과 절삭력 사이의 커프 피팅을 도시한 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 공구 실시간 상태 감시 시스템에서 공구 마모를 측정한 것이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 공구 실시간 상태 감시 시스템에서 공구 흔들림 계산 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 공구 실시간 상태 감시 시스템에서 공구 변형량과 절삭력 사이의 관계를 도출하는 방법을 보여주는 흐름도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 직접적 TCM의 시간 해상도 문제를 극복하기 위하여 공구의 정지 화상을 취득할 수 있는 스트로보 효과를 이용한 광학 시스템을 구축한다. 여기서 스트로보 효과란 일정한 속도로 움직이는 물체를 향해 짧고 강한 빛을 조사할 때 마치 멈춘 것과 같은 시각적인 현상을 뜻하는 것으로서, 본 발명에서는 이를 적용한 시스템을 이용해 일반 카메라를 사용하여 공구의 정지 화상을 촬영한다.

본 발명은 조명의 조사 주파수와 공구의 회전 주파수를 일치시켜 저가의 일반 카메라로 정지된 것과 같은 이미지를 얻을 수 있게 하는 스트로보스코피(stroboscopy)를 활용하여 고속으로 회전하는 공구의 상태를 감시하는 시스템에 대한 것이다.

이러한 스트로보스코피의 조사 주파수는 공구의 회전 주파수와 완전히 동기화되어 있으므로 공구 한 방향의 정지 화상만을 지속적으로 얻게 되는데, 공구의 편심, 마모와 같이 공구의 전면에 걸쳐 발생하는 상태 변화를 정량화하기 위해서는 공구의 전면에 대한 화상을 얻어야 한다.

본 발명에서는 조명의 조사 주파수와 공구의 회전 주파수를 미세하게 다르게 하는 위상차 스트로보스코피를 이용하여 공구가 느린 속도로 회전하는 것과 같은 영상 효과를 만들어내고, 이를 통해 공구 상태를 감시하는 방법을 제안한다.

도 2는 위상차 스트로보스코피의 조사 주파수 파형을 도시한 그래프이고, 도 3은 위상차 스트로보스코피를 예시한 것이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 공구의 회전속도를 측정하는 타코미터 시그널 파형과, 조명의 스트로보 주파수 신호 파형의 주파수가 다르고, 이에 따라 피사체의 정지 화상은 0°, 45°, 90°, 134°, 180°, 225°의 위상차가 발생하여, 일정한 각도로 회전하는 것을 확인할 수 있다.

도 4는 위상차 스트로보스코피를 이용한 고속 회전 공구를 촬영한 이미지이다.

도 4는 공구의 회전 화상으로서, 도 2의 위상 변이를 적용하여 얻어낸 것이다.

이처럼 본 발명에서는 위상차 스트로보스코피를 이용한 공구 상태 감시 시스템을 제안하며, 이를 통해 고속 회전 공구에서 느리게 회전하는 공구의 정지 화상을 얻을 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 공구 실시간 상태 감시 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.

도 5에서 감시 대상인 회전 공구(20)가 스핀들(spindle)(10)에 장착되어 있다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 회전 공구 실시간 감시 시스템은 회전 주파수 측정부(110), 조명부(120), 촬영부(130), 제어부(140)를 포함한다.

회전 주파수 측정부(110)는 감시 대상인 회전 공구(20)의 회전 주파수를 측정하는 역할을 한다. 본 발명의 일 실시예에서 회전 주파수 측정부(110)는 적외선 센서(IR sensor)로 구현될 수 있다.

조명부(120)는 회전 공구(20)에 조명을 조사하는 역할을 한다. 본 발명의 일 실시예에 조명부(120)는 LED 광원으로 구현될 수 있다.

촬영부(130)는 회전 공구(20)를 촬영하는 역할을 한다. 본 발명의 일 실시예에서 촬영부(130)는 CCD(Charged Coupled Device) 카메라로 구현될 수 있다.

제어부(140)는 회전 주파수 측정부(110)에서 측정된 회전 공구의 회전 주파수와 다른 조사 주파수로 조명부(120)에서 위상차 스트로보스코피(stroboscopy) 조명이 조사되도록 하고, 이때 촬영부(130)에서 촬영된 위상차를 갖는 회전 공구의 이미지들로부터 회전 공구(20)의 실시간 상태를 감시한다.

본 발명의 일 실시예에서 제어부(140)는 위상차를 갖는 이미지들로부터 회전 공구(20)의 흔들림(run-out) 및 변형량을 측정할 수 있다.

본 발명에서 회전 공구(20)가 절삭 가공에 사용되는 것인 경우, 제어부(140)는 회전 공구(20)의 변형량으로부터 절삭력과의 관계식을 도출하고, 이 관계식으로부터 회전 공구(20)의 절삭력을 추정할 수 있다.

이때, 제어부(140)는 회전 공구(20)의 회전 속도를 높여가면서 측정한 변형량 곡선과 절삭력 곡선을 산출하고, 변형량 곡선과 절삭력 곡선 간의 커프 피팅(curve fitting)을 통해 관계식을 도출할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서 제어부(140)는 위상차를 갖는 이미지들로부터 회전 공구(20)의 마모 정도를 측정할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 공구 실시간 상태 감시 시스템의 실제 구성을 예시한 것이다. 도 6은 도 5에 도시된 회전 공구 실시간 감시 시스템을 기반으로 구축한 실제 시스템을 예시한 것이다. 도 6의 시스템에서 작업대(30)가 구비되어 있다.

본 발명의 회전 공구 실시간 감시 시스템은 느리게 회전하는 영상을 통해 공구 흔들림(tool run-out)이나 변형을 측정할 수 있다.

도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 공구 실시간 상태 감시 시스템에서 공구 흔들림 계산 방법을 보여주는 흐름도이다.

도 19를 참조하면, 스핀들이 회전하면(S110), 제어부(140)는 회전 주파수 측정부(110)를 통해 회전 주파수를 측정하고(S120), 이에 따라 PWM 신호를 생성한다(S130).

그리고, 제어부(140)는 생성된 PWM 신호를 이용하여 조명부(120)에서 스트로보스코피 조명이 방출되도록 제어한다(S140).

그리고, 촬영부(130)에서 공구 이미지를 촬영하면(S150), 제어부(140)는 촬영된 영상에 대해 이미지 처리를 이용하여 공구 흔들림을 계산한다(S160).

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 공구 실시간 상태 감시 시스템에서 가공 중 공구 흔들림을 측정한 이미지이다. 도 7은 본 발명의 실험을 통해 얻어낸 공구의 정지 화상을 이용하여 가공 중 공구 거동을 정량화한 것이다.

도 8은 본 발명에서 공구 흔들림(run-out)의 정의를 설명하기 위한 도면이다.

도 8을 참조하면, 공구 제작 중 발생한 불량 혹은 공구를 스핀들에 장착하는 과정에서 사용자의 실수로부터 기인한 공구 반경 방향(a), 또는 축 방향 오차(b)를 일반적으로 공구 흔들림(tool run-out)이라고 한다.

도 9는 본 발명에서 카메라를 이용한 공구 흔들림을 측정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 9에서 보는 바와 같이, 공구 흔들림을 측정하기 위한 방법은 레이저 변위 센서를 이용하거나, 카메라를 이용하는 것으로서, 공구가 공회전 중일 때 얻어낸 궤적을 이용하여 반경 방향, 축 방향으로 발생하는 오차의 정도를 정량화하게 된다.

본 발명에서 마이크로 공구에서 공구 흔들림 측정의 실험조건은 도 10에 도시한 바와 같다. 도 10은 본 발명의 공구 흔들림 실험에서 실험 조건을 나타낸 도표이다.

본 발명의 공구 흔들림 실험을 위해서, 우선적으로 스핀들의 회전이 시작된 후, 적외선 센서를 통해 초당 회전 수인 회전 주파수를 얻어낸다. 얻어낸 회전 주파수에 위상 변이를 가하는 것으로 느린 속도로 회전하는 공구의 연속 화상을 얻기 위한 광원을 발생시킬 수 있다.

그리고, 광원을 발생시킨 후, 카메라를 통해 일정 시간 동안의 공구의 화상을 취득한다. 그리고 매트랩 기반의 이미지 전처리 과정을 통해 공구의 윤곽선을 얻어 사이 거리가 최대인 한 쌍의 이미지를 이용해 흔들림(run-out)을 정량화하게 된다. 이러한 실험 장치의 경우, 각 단계에서의 측정이 NI myrio 내부에 미리 입력한 알고리즘을 이용해 자발적으로 실행되도록 하였으며 도출된 결과가 화면에 도시되도록 하였다.

도 11은 본 발명의 공구 흔들림 실험에서 공구의 윤곽선을 추출한 그래프이다.

실험을 통해 얻어진 상을 소벨 필터(Sebel filter) 알고리즘을 사용하여 윤곽선을 추출하고, 도 11에 도시된 바와 같이 비교하는 것으로 상대 변위가 최대인 것을 구해냄으로써 동적 상태의 흔들림(run-out)을 정량화할 수 있다.

이때, 공구 변형의 경우, 가공 방향에 따라 발생하는 정도의 편차가 발생하기 때문에 보다 완전한 측정을 위해서는, 도 12에 도시한 바와 같이, 한 쌍의 카메라(131, 132)를 공구(20) 반경 방향으로 90° 각도로 배치하고 180°의 위상차를 갖는 한 쌍의 이미지를 얻어, 각각으로부터 상대 변위를 구해 벡터 합을 계산하는 방식으로 정량화할 수 있다.

이제 본 발명에서 가공 중 발생하는 공구 변형(tool deflection) 측정에 본 시스템을 적용하고자 미세 홀 가공에 주로 사용하는 마이크로 드릴을 시스템 적용 대상으로써 선정하여 실험을 진행한다.

도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 공구 실시간 상태 감시 시스템에서 공구 변형량과 절삭력 사이의 관계를 도출하는 방법을 보여주는 흐름도이다.

도 20을 참조하면, 스핀들이 회전하면(S210), 제어부(140)는 공구 변형을 계산하고(S220), 공구의 절삭력을 측정한다(S230).

그리고, 제어부(140)는 공구 변형 곡선과 절삭력 곡선에 대하 커브 피팅을 수행한다(S240).

그리고, 제어부(140)는 커브 피팅 결과, 공구 변형과 절삭력 사이의 관계식을 도출한다(S250).

도 13은 본 발명의 공구 변형 실험에서 드릴 날의 절삭력 분포를 나타낸 것이다.

일반적으로 가공 중인 드릴의 날은 피삭재에 모두 절입된다. 이때 절삭력 분포는 도 13 (a)에 나타낸 바와 같이, 축을 중심으로 대칭을 이루게 되므로 반경 방향 및 접선방향으로의 절삭력 F _rz, F _sz의 합은 0N으로 수렴하며, 축 방향으로의 추력 F _vz만이 발생하게 된다.

이때 드릴은 도 13 (b)에 도시한 바와 같이 섕크 부와 가공 부의 2점 고정지지 보의 형태로 모델링될 수 있다. 따라서 축 방향의 추력 F _vz의 증가에 따라 반경 방향 변형 δ가 발생하게 된다.

도 14는 본 발명의 공구 변형 실험에서 마이크로 드릴링 공정 중 공구 변형을 나타낸 것이다.

도 14에 도시된 바와 같이, 추력 F _vz는 이송속도의 증가와 비례하기 때문에 공구는 좌굴의 형태로 변형될 것으로 예상된다.

도 13에 도시된 바와 같이, 드릴의 경우, X, Y축으로 발생하는 절삭력이 0에 가깝고, 절입량에 따라 Z축에서 발생하는 추력과 반경 방향 변형이 발생하게 된다. 드릴은 스핀들의 고정 부와 공구 선단의 가공 부를 기준으로, 2점 고정 지지 보의 형태를 띠며 과도한 가공 조건 하에서 좌굴이 발생하게 된다.

따라서 본 발명의 회전 공구 실시간 감시 시스템을 적용한 예로, 도 15의 절삭조건을 적용하여 마이크로 드릴을 이용해 가공 중 추력의 증가에 따른 공구 변형의 양상을 실시간으로 계측하기 위한 실험을 진행한다. 이를 위해 서보 액추에이터가 설치된 3축 절삭 장치에서 이송속도(mm/s)가 제어된 절삭 실험이 이루어진다. 도 15는 본 발명의 공구 변형 실험에서 마이크로 드릴의 설험 조건을 나타낸 도표이다.

도 16은 본 발명의 공구 변형 실험에서 마이크로 드릴링 공정 중 공구 변형과 절삭력 실험 결과를 도시한 그래프이다.

전술한 바와 같이, 드릴링 가공 시 반경 방향으로의 절삭력은 0으로 수렴하고 축 방향으로의 추력만 작용하기 때문에 결과적으로 공구 거동에 영향을 미치는 것은 추력이라고 예상하고, 따라서 공구의 회전 속도는 동일하게 하되, 이송 속도를 높여감에 따라 측정한 추력 및 변형량의 곡선을 도 16에 나타내었다. 이 실험은 절삭 조건에 따라 3회씩 진행하였으며 절삭력과 변형량은 동시에 계측되었다.

도 16의 결과에서 보는 바와 같이, 이송속도의 증가에 따라 드릴의 반경 방향 변형과 축 방향 절삭력이 증가하는 양상을 보이는 것을 확인할 수 있다. 이송 속도가 65mm/s를 넘어설 경우, 변형량이 급격히 커져 좌굴이 발생하여 공구가 파손되었다.

도 17은 본 발명의 공구 변형 실험에서 공구 변형량과 절삭력 사이의 커프 피팅을 도시한 그래프이다.

추력과 변형량 간의 커브 피팅을 통해 얻어낸 다항식이 도 17에 표시되어 있다. 즉, 다항식은 y=-4E-0.5x³+0.0059x²+0.038x+1.1232 로 나타낼 수 있다.

이상에서, 본 발명의 회전 공구 실시간 감시 시스템에서 제안한 공구 상태를 판단하기 위해서 카메라로 촬영하고 있는 공구의 표면을 한 곳에 집중하지 않고 일정 속도로 회전시키며 공구의 전반적인 모습을 실시간으로 얻고자 하였다. 그리고, 본 발명의 시스템의 적용 예로써 공구 공회전 중 발생하는 공구 흔들림(tool run-out), 가공 중 발생하는 공구 변형(tool deflection)에 대해 정량화할 수 있었다. 그런데, 실제 가공 도중 발생하는 공구의 상태 이상 중 중요한 요소는 공구의 마모라고 할 수 있다. 즉, 공구와 피삭재 사이의 상대운동으로 인해 발생하는 마찰력은 열을 동반하게 되는데 이때 공구 날이 점진적으로 마모되는 현상을 보이게 된다.

도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 공구 실시간 상태 감시 시스템에서 공구 마모를 측정한 것이다.

도 18에서 (a)는 마모되지 않은 새 공구에 대해 소벨 필터 알고리즘을 사용하여 윤곽선을 도출한 화상이며, (b)는 파손된 공구에 대해 윤곽선을 도출한 화상이다. 화상에 표시한 부분에서 확인할 수 있는 바와 같이, 공구 날의 마멸로 인해 윤곽선이 올곧지 않은 것을 명확하게 확인할 수 있으며, 본 발명의 회전 공구 실시간 감시 시스템을 통해 공구 마모와 같은 점진적인 변화의 정량화를 구현할 수 있다.

본 발명에서는 고속으로 회전하는 공구의 선명한 이미지를 얻어낼 수 있는 위상차 스트로보스코피를 이용한 공구 상태 감시 시스템을 제안한다. 그리고 제안한 시스템의 적용 예로써 공구의 공회전 중 일어나는 공구의 반경 방향 편심과 마이크로 가공 중 발생하는 공구의 반경 방향 변형에 대해 정량화가 가능함을 확인하였다. 그리고 공구의 변형과 절삭력 간의 관계식을 얻어내는 것으로 공구동력계의 사용 없이 본 시스템의 활용으로 절삭력의 도출이 가능함을 확인할 수 있다.

본 발명에서 제안하는 위상차 스트로보스코피를 이용한 회전 공구 실시간 감시 시스템은 기존에 공구 상태 감시에 적용된 센서 기반 측정법 대비 정확성이 뛰어날 뿐만 아니라 가공 중 데이터 취득이 용이하다. 또한 프레임레이트가 적은 저가의 카메라를 이용하여 미세 공구의 편심 측정, 그리고 절삭 가공 중에 발생하는 공구 변형의 실시간 계측을 통한 절삭력 도출이 가능하기 때문에 비용적인 측면에서 장점이 있다. 또한, 시스템 구축에 필요한 요소인 카메라와 광원의 부피가 작아 복잡한 환경의 현장에서도 쉽게 적용 가능할 것으로 기대된다.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

110 회전 주파수 측정부 120 조명부
130 촬영부 140 제어부

Claims (5)

1. 회전 공구의 상태를 감시하기 위한 시스템에 있어서,
   감시 대상인 회전 공구의 회전 주파수를 측정하기 위해 적외선 센서로 구현되는 회전 주파수 측정부와;
   상기 회전 공구에 조명을 조사하기 위해 LED 광원으로 구현되는 조명부와;
   상기 회전 공구를 촬영하기 위해 CCD 카메라로 구현되는 촬영부와;
   상기 회전 주파수 측정부에서 측정된 회전 공구의 회전 주파수와 다른 조사 주파수로 상기 조명부에서 위상차 스트로보스코피(stroboscopy) 조명이 조사되도록 하고, 이때 상기 촬영부에서 촬영된 위상차를 갖는 회전 공구의 이미지들로부터 상기 회전 공구의 실시간 상태를 감시하는 제어부;를 포함하며,
   상기 제어부는 위상차를 갖는 이미지들로부터 상기 회전 공구의 흔들림(run-out)과 변형량 및 마모 정도를 측정하되,
   한 쌍의 카메라(131,132)를 공구(20) 반경 방향으로 90도 각도로 배치하고 180도의 위상차를 갖는 한 쌍의 이미지를 얻어, 각각으로부터 상대 변위를 구해 벡터 합을 계산하여 변형량을 정량화하는 것을 특징으로 하는 회전 공구 실시간 상태 감시 시스템.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 회전 공구가 절삭 가공에 사용되는 것인 경우, 상기 제어부는 상기 회전 공구의 변형량으로부터 절삭력과의 관계식을 도출하고, 이 관계식으로부터 상기 회전 공구의 절삭력을 추정하는 것을 특징으로 하는 회전 공구 실시간 상태 감시 시스템.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제어부는 상기 회전 공구의 회전 속도를 높여가면서 측정한 변형량 곡선과 절삭력 곡선을 산출하고, 상기 변형량 곡선과 절삭력 곡선 간의 커프 피팅을 통해 관계식을 도출하는 것을 특징으로 하는 회전 공구 실시간 상태 감시 시스템.
5. 삭제

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