KR102594205B1 - 리니어 모션 가이드 건전성 평가 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리니어 모션 가이드(Linear Motion Guide: LM Guide, 이하 "LM 가이드"라 함)의 건전성 평가 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 퓨리에 변환(Fourier Transform: FT)에 기반한 주파수 에너지 추적(Frequency Energy Tracking: FET) 방식을 적용하여 LM 가이드의 건전성을 평가하는 리니어 모션 가이드 건전성 평가 시스템 및 방법에 관한 것이다.

Description

리니어 모션 가이드 건전성 평가 시스템 및 방법{Linear motion guide health evaluation system and method thereof}
본 발명은 리니어 모션 가이드(Linear Motion Guide: LM Guide, 이하 "LM 가이드"라 함)의 건전성 평가 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 푸리에 변환(Fourier Transform: FT)에 기반한 주파수 에너지 추적(Frequency Energy Tracking: FET) 방식을 적용하여 LM 가이드의 건전성을 평가하는 리니어 모션 가이드 건전성 평가 시스템 및 방법에 관한 것이다.
LM 가이드는 수치제어(CNC) 공작기계, 용접 로봇, 3D 프린터 등의 다양한 분야의 제조 공정에서 정밀한 움직임을 제공하기 위해 널리 사용되는 부품이다.
이러한 LM 가이드의 오작동은 제품의 품질 저하 및 다운타임(Down time)으로 이어질 수 있다.
최근, 이러한 고장을 예방하기 위해 다양한 분야 다양한 부품들에 고장 예지 및 건전성 관리(Prognostics and Health Management: PHM)가 적용되고 있다.
통상적으로 PHM은 특징인자 추출, 건전성 진단 및 고장 예지의 3단계로 구성된다.
상기 첫 번째 단계인 특징인자 추출 단계는 진동이나 음향 방출 등의 센서신호로부터 건전성 상태를 반영하는 특징 인자를 추출하는 단계이다.
그리고 두 번째 단계인 건전성 진단 단계는 적절한 건전성 인자(Health Index: HI)를 사용하여 기계의 고장 여부를 진단하거나 고장의 심각도를 정량화한다.
그리고 마지막 단계인 고장 예지 단계는 사전에 정의된 임계값에 대한 수명 종료 시점(End of Life: EOL)이 예측되어 잔존 유효 수명(Remaining Useful Life: RUL)을 산출한다.
상기 세 단계 중에서도 고장 예지 단계는 기계 시스템의 다운타임을 예방할 수 있는 가장 중요한 단계로, 고장 예지의 성능은 사용하고 있는 건전성 인자(HI)에 크게 자우된다.
좋은 건전성 인자(HI)는 고장의 진행을 적절하게 반영하여 초기부터 정확한 EOL 예측을 끌어낼 수 있게 한다.
따라서 적절한 HI를 개발하는 것이 PHM 기술 적용에 있어서 매우 중요하다.
그럼에도 불구하고, LM 가이드에 대해서 적용되는 PHM 기술은 적극적으로 이루어지고 있지 않다.
일반적인 LM 가이드에 대한 PHM 기술로는 웨이블릿 패킷 분해(Wavelet Packet Decomposition) 방식, 가변적 자동엔코더 방식, 예압 열화 과정 모니터링 방식 등이 있다.
웨이블릿 패킷 분해 방식은 LM 가이드에서 발생되는 진동 신호에 웨이블릿 패킷 분해(Wavelet Packet Decomposition)을 적용하여 통계학적인 특징 인자들을 추출하여 윤활의 상태를 진단하도록 분류 모델을 학습한다.
상기 가변적 자동엔코더 방식은 비지도학습 알고리즘으로, 비지도학습 알고리즘을 통해 단시간 푸리에 변환(Short Time Fourier Transform: STFT)을 통해 계산한 스펙트로그램을 이용하여 모델을 학습하여 LM 가이드의 이상징후를 감지한다.
상기 열화 과정 모니터링 방식은 유한 요소 해석을 이용하여 요잉 모드(Yawing Mode)의 고유 진동수가 예압 편차에 민감하다는 것을 이용하여 LM 가이드의 건전성을 평가한다.
상술한 종래 LM 가이드 건전성 평가 방식은 LM 고장 진단 및 수명 예지와 관련하여 성공적인 성과를 거두었지만, 대부분 고장 모드의 분류를 통한 고장 진단에 중점을 두므로 단순 고장 상태 여부만을 진단할 수 있을 뿐 수명이 얼마나 남아 있는지에 대한 예지를 수행할 수 없는 문제점이 있었다.
그리고 종래 LM 가이드 건전성 평가 방식은 자연적 결함 대신 서로 다른 심각도를 가진 인위적으로 인가된 결함이 사용되므로 실제로 발생하지 않는 불필요한 결함을 적용함으로써 그 정확도가 떨어지는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-1289436호(2013.07.24.공고)
따라서 본 발명의 목적은 푸리에 변환(Fourier Transform: FT)에 기반한 주파수 에너지 추적(Frequency Energy Tracking: FET) 방식을 적용하여 LM 가이드의 건전성을 평가하는 리니어 모션 가이드 건전성 평가 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리니어 모션 가이드 건전성 평가 시스템은: LM 가이드의 LM 블록에 부착되어 LM 블록의 진동에 따른 진동데이터인 측정데이터를 출력하는 진동 측정부; 상기 측정된 측정데이터를 사이클별로 누적하여 저장하는 측정데이터 DB를 포함하는 저장부; 및 상기 진동 측정부를 통해 측정되어 사이클별로 누적되어 상기 저장부에 저장되어 있는 측정데이터를 입력받아 푸리에 변환하여 생성되는 주파수(성분) 중 진폭이 증가하는 주파수 대역인 특징 주파수 대역(CFB)을 추적하고, 상기 특징 주파수 대역(CFB)의 주파수별 측정데이터에 대한 표준편차를 계산하여 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프를 생성한 후, 상기 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프의 표준편차가 미리 설정된 크기 이상으로 변화하기 이전의 주파수의 개수를 기준치로 하여 추출할 주파수 수(nf)의 주파수를 결정한 후, 상기 주파수 수의 주파수들에 대한 건전성 인자를 계산하여 상기 LM 가이드의 건전성을 평가하는 제어모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 저장부는, 다수의 종류의 LM 가이드에 대한 수명데이터를 저장하는 수명데이터 DB를 더 포함하되, 상기 제어모듈은, PHM 평가 이벤트가 발생되는지를 모니터링하는 PHM 평가 이벤트 모니터링부; PHM 평가 이벤트가 발생되면 상기 PHM 평가를 수행할 LM 가이드의 종류에 대응하는 수명데이터가 상기 수명데이터 DB에 존재하는지를 판단하는 수명데이터 유무 판단부; 상기 수명데이터 유무 판단부를 통해 수명데이터가 존재하는 것으로 판단되면 상기 수명데이터 DB에 저장된 해당 LM 가이드의 수명데이터 및 진동 측정부를 통해 측정되는 측정데이터를 획득하여 출력하고, 수명데이터가 존재하지 않는 것으로 판단되면 진동 측정부를 통해 측정되는 측정데이터를 획득하여 측정데이터 DB에 저장하는 데이터 획득부; 상기 데이터 획득부로부터 수명데이터 및 측정데이터를 입력받고, 상기 수명데이터들을 푸리에 변환하여 생성되는 주파수(성분)들의 진폭이 증가하는 주파수 대역인 특징 주파수 대역(CFB)을 추적하여 검출하고, 상기 특징 주파수 대역의 주파수에 대응하는 측정데이터에 대한 표준편차를 계산하여 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프를 생성한 후, 상기 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프의 표준편차가 미리 설정된 크기 이상으로 변화하기 이전의 주파수의 개수를 기준치로 하여 추출할 주파수 수(nf)의 주파수를 결정한 후, 누적되어 측정되는 상기 측정데이터 중 상기 주파수 수의 주파수들에 대응하는 측정데이터에 대해서 건전성 인자를 계산하여 상기 LM 가이드의 건전성을 평가하는 제1파이프라인 처리부; 및 상기 데이터 획득부에 의해 일정 사이클 동안 누적된 측정데이터를 입력받고, 상기 누적된 측정데이터에 포함된 특징 주파수 대역을 검출하고, 추출된 주파수별 측정데이터에 대한 표준편차를 계산하여 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프를 생성한 후, 상기 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프의 표준편차가 미리 설정된 크기 이상으로 변화하기 이전의 주파수의 개수를 기준치로 하여 추출할 주파수 수(nf)의 주파수를 결정한 후, 상기 측정데이터 중 상기 주파수 수의 주파수들에 대응하는 측정데이터에 대해서 건전성 인자를 계산하여 상기 LM 가이드의 건전성을 평가하는 제2파이프라인 처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1파이프라인 처리부는, 상기 데이터 획득부로부터 수명데이터를 입력받고, 상기 수명데이터에 대한 푸리에 변환, 특징 주파수 대역 추적, 상기 특징 주파수 대역의 주파수별 측정데이터의 공분산 및 상기 주파수별 측정데이터의 표준편차 계산, 계산된 표준편차에 의한 주파수 수 결정 및 결정된 주파수 수의 주파수를 결정하고, 결정된 주파수 수의 주파수별 건전성인자를 계산하는 학습부; 및 상기 측정데이터의 주파수 중 상기 학습부에서 결정된 상기 주파수 수의 주파수에 대응하는 측정데이터에 대해서 건전성 인자를 계산하여 상기 측정데이터를 발생시킨 LM 가이드의 건전성을 평가하는 테스트부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 학습부는, 상기 사이클별 측정데이터들로 구성되는 수명데이터를 푸리에 변환을 수행하여 다수의 주파수(성분)를 포함하는 주파수 스펙트럼을 생성하고 사이클에 따라 주파수 스펙트럼을 누적한 3D 스펙트로그램을 생성한 후, 상기 특징 주파수 대역(CFB)을 추적하여 출력하는 주파수 에너지 추적부; 상기 특징 주파수 대역의 주파수들 각각의 사이클과 진폭 사이의 공분산을 계산하고 상기 공분산의 표준편차(stdev)를 계산하는 공분산 계산부; 상기 표준편차에 근거하여 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프를 생성한 후, 상기 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프의 표준편차가 미리 설정된 크기 이상으로 변화하기 이전의 주파수의 개수를 기준치로 하여 추출할 주파수 수(nf)를 결정한 후, 결정된 주파수 수의 주파수를 출력하는 주파수 추출부; 및 선택된 상기 주파수 수의 주파수들에 대한 건전성 인자(HI)를 계산하여 출력하는 건전성 인자 계산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2파이프라인 처리부는, 상기 데이터 획득부에 의해 일정 사이클 동안 누적된 측정데이터를 입력받아 푸리에 변환을 수행하여 다수의 주파수(성분)를 포함하는 3D 스펙트로그램을 생성하고, 상기 3D 스펙트로그램에서 진폭이 증가하는 특징 주파수 대역(CFB)을 추적 및 검출하여 출력하는 주파수 에너지 추적부; 상기 특징 주파수 대역의 주파수들 각각의 사이클과 진폭 사이의 공분산을 계산하고, 상기 공분산의 표준편차(stdev)를 계산하는 공분산 계산부; 상기 표준편차에 근거하여 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프를 생성한 후, 상기 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프의 표준편차가 미리 설정된 크기 이상으로 변화하기 이전의 주파수의 개수를 기준치로 하여 추출할 주파수 수(nf)를 결정한 후, 결정된 주파수 수의 주파수를 출력하는 주파수 추출부; 선택된 상기 주파수 수의 주파수들에 대한 건전성 인자(HI)를 계산하여 출력하는 건전성 인자 계산부; 및 상기 계산된 건전성 인자에 근거하여 상관성, 단조성 및 견고성 지표를 계산하여 상기 LM 가이드에 대한 건전성 평가정보를 제공하는 건전성 판정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1파이프라인 처리부 및 제2파이프라인 처리부는, 상기 결정된 주파수별 진폭값의 평균을 사용하여 상기 건전성 인자(HI)를 계산하는 것을 특징으로 한다.
상기 파이프라인 처리부 및 제2파이프라인 처리부는, 상기 건전성 인자(HI)를 전체 사이클까지 매 사이클별로 적분한 적분 건전성 인자(CHI)를 계산하여 상기 LM 가이드의 건전성을 평가하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리니어 모션 가이드 건전성 평가 방법은: 진동 측정부가 LM 가이드의 LM 블록에 부착되어 LM 블록의 진동에 따른 진동데이터인 측정데이터를 출력하는 진동 측정 과정; 제어모듈이 사이클별로 입력되는 측정데이터를 누적하여 측정데이터 DB에저장하는 측정데이터 누적 과정; 및 상기 제어모듈이 저장부에 누적 저장되는 측정데이터를 획득하고, 상기 획득된 측정데이터를 푸리에 변환하여 생성되는 주파수(성분) 중 진폭이 증가하는 주파수 대역인 특징 주파수 대역(CFB)을 추적하고, 상기 특징 주파수 대역(CFB)의 주파수별 측정데이터에 대한 표준편차를 계산하여 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프를 생성한 후, 상기 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프의 표준편차가 미리 설정된 크기 이상으로 변화하기 이전의 주파수의 개수를 기준치로 하여 추출할 주파수 수(nf)의 주파수를 결정한 후, 상기 주파수 수의 주파수들에 대한 건전성 인자를 계산하여 상기 LM 가이드의 건전성을 평가하는 건전성 평가 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 건전성 평가 과정은, 상기 제어모듈이 PHM 평가 이벤트 모니터링부를 통해 PHM 평가 이벤트가 발생되는지를 모니터링하는 PHM 평가 이벤트 모니터링 단계; 상기 제어모듈이 PHM 평가 이벤트가 발생되면 수명데이터 유무 판단부를 통해 상기 PHM 평가를 수행할 LM 가이드의 종류에 대응하는 수명데이터가 수명데이터 DB에 존재하는지를 판단하는 수명데이터 유무 판단 단계; 상기 제어모듈이 상기 수명데이터 유무 판단부를 통해 수명데이터가 존재하는 것으로 판단되면 데이터 획득부를 통해 상기 수명데이터 DB에 저장된 해당 LM 가이드의 수명데이터 및 진동 측정부를 통해 측정되는 측정데이터를 획득하여 출력하고, 수명데이터가 존재하지 않는 것으로 판단되면 진동 측정부를 통해 측정되는 측정데이터를 획득하여 측정데이터 DB에 저장하는 데이터 획득 단계; 상기 제어모듈이 제1파이프라인 처리부를 통해 상기 데이터 획득부로부터 수명데이터 및 측정데이터를 입력받고, 상기 수명데이터들을 푸리에 변환하여 생성되는 주파수(성분)들의 진폭이 증가하는 주파수 대역인 특징 주파수 대역(CFB)을 추적하여 검출하고, 상기 특징 주파수 대역의 주파수에 대응하는 측정데이터에 대한 표준편차를 계산하여 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프를 생성한 후, 상기 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프의 표준편차가 미리 설정된 크기 이상으로 변화하기 이전의 주파수의 개수를 기준치로 하여 추출할 주파수 수(nf)를 결정한 후, 누적되어 측정되는 상기 측정데이터 중 상기 주파수 수의 주파수들에 대응하는 측정데이터에 대해서 건전성 인자를 계산하여 상기 LM 가이드의 건전성을 평가하는 제1파이프라인 처리 단계; 및 상기 제어모듈이 제2파이프라인 처리부를 통해 상기 데이터 획득부에 의해 일정 사이클 동안 누적된 측정데이터를 입력받고, 상기 누적된 측정데이터에 포함된 특징 주파수 대역을 검출하고, 추출된 주파수별 측정데이터에 대한 표준편차를 계산하여 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프를 생성한 후, 상기 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프의 표준편차가 미리 설정된 크기 이상으로 변화하기 이전의 주파수의 개수를 기준치로 하여 추출할 주파수 수(nf)를 결정한 후, 상기 측정데이터 중 상기 주파수 수의 주파수들에 대응하는 측정데이터에 대해서 건전성 인자를 계산하여 상기 LM 가이드의 건전성을 평가하는 제2파이프라인 처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1파이프라인 처리 단계는, 상기 제어모듈이 상기 제1파이프라인 처리부의 학습부를 통해 상기 데이터 획득부로부터 수명데이터를 입력받고, 상기 수명데이터에 대한 푸리에 변환, 특징 주파수 대역 추적, 상기 특징 주파수 대역의 주파수별 측정데이터의 공분산 및 상기 주파수별 측정데이터의 표준편차 계산, 계산된 표준편차에 의한 주파수 수 결정 및 결정된 주파수 수의 주파수를 결정하고, 결정된 주파수 수의 주파수별 건전성 인자를 계산하는 학습 단계; 및 상기 제어모듈이 상기 제1파이프라인 처리부의 테스트부를 통해 상기 측정데이터의 주파수 중 상기 학습부에서 결정된 상기 주파수 수의 주파수에 대응하는 측정데이터에 대해서 건전성 인자를 계산하여 상기 측정데이터를 발생시킨 LM 가이드의 건전성을 평가하는 테스트 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 학습 단계는, 상기 제어모듈이 상기 학습부의 주파수 에너지 추적부를 통해 상기 사이클별 측정데이터들로 구성되는 수명데이터를 푸리에 변환을 수행하여 다수의 주파수(성분)를 포함하는 주파수 스펙트럼을 생성하고 사이클에 따라 주파수 스펙트럼을 누적한 3D 스펙트로그램을 생성한 후, 상기 특징 주파수 대역(CFB)을 추적하여 출력하는 주파수 에너지 추적 단계; 상기 제어모듈이 상기 학습부의 공분산 계산부를 통해 상기 주파수 스펙트럼의 주파수들 각각의 사이클과 진폭 사이의 공분산을 계산하고 공분산의 표준편차(stdev)를 계산하는 공분산 계산 단계; 상기 제어모듈이 학습부의 주파수 추출부를 통해 상기 표준편차에 근거하여 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프를 생성한 후, 상기 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프의 표준편차가 미리 설정된 크기 이상으로 변화하기 이전의 주파수의 개수를 기준치로 하여 추출할 주파수 수(nf)를 결정한 후, 결정된 주파수 수의 주파수를 출력하는 주파수 추출 단계; 및 상기 제어모듈이 학습부의 건전성 인자 계산부를 통해 선택된 상기 주파수 수의 주파수들에 대한 건전성 인자(HI)를 계산하여 출력하는 건전성 인자 계산 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2파이프라인 처리 단계는, 상기 제어모듈이 제2파이프라인 처리부의 주파수 에너지 추적부를 통해 상기 데이터 획득부에 의해 일정 사이클 동안 누적된 측정데이터를 입력받아 푸리에 변환을 수행하여 다수의 주파수(성분)를 포함하는 3D 스펙트로그램을 생성하고, 상기 3D 스펙트로그램에서 진폭이 증가하는 특징 주파수 대역(CFB)을 추적 및 검출하여 출력하는 주파수 에너지 추적 단계; 상기 제어모듈이 제2파이프라인 처리부의 공분산 계산부를 통해 상기 주파수 스펙트럼의 주파수들 각각의 사이클과 진폭 사이의 공분산을 계산하고, 상기 공분산의 표준편차(stdev)를 계산하는 공분산 계산 단계; 상기 제어모듈이 제2파이프라인 처리부의 주파수 추출부를 통해 상기 표준편차에 근거하여 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프를 생성한 후, 상기 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프의 표준편차가 미리 설정된 크기 이상으로 변화하기 이전의 주파수의 개수를 기준치로 하여 추출할 주파수 수(nf)를 결정한 후, 결정된 주파수 수의 주파수를 출력하는 주파수 추출 단계; 상기 제어모듈이 제2파이프라인 처리부의 건전성 인자 계산부를 통해 선택된 상기 주파수 수의 주파수들에 대한 건전성 인자(HI)를 계산하여 출력하는 건전성 인자 계산 단계; 및 상기 제어모듈이 제2파이프라인 처리부의 건전성 판정부를 통해 상기 계산된 건전성 인자에 근거하여 상관성, 단조성 및 견고성 지표를 계산하여 상기 LM 가이드에 대한 건전성 평가정보를 제공하는 건전성 판정 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어모듈이 상기 제1파이프라인 처리 단계 및 제2파이프라인 처리 단계에서 상기 결정된 주파수별 진폭값의 평균을 사용하여 상기 건전성 인자를 계산하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어모듈이 상기 제1파이프라인 처리 단계 및 제2파이프라인 처리 단계에서 상기 건전성 인자(HI)를 전체 사이클까지 매 사이클별로 적분한 적분 건전성 인자(CHI)를 계산하여 최종 건전성 인자로서 상기 LM 가이드의 건전성을 평가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 수명데이터가 없는 경우와 수명데이터가 있는 경우의 두 가지의 경우에 대해 모두 LM 가이드의 건전성을 평가할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 초기에 수명데이터를 사용하여 LM 가이드의 이상을 발생시키는 주파수를 학습하고, 측정되는 측정데이터에 대해서는 상기 학습된 주파수에 대응하는 측정데이터에 대해서만 건전성 인자을 계산하여 LM 가이드의 건전성 평가를 수행하므로 보다 빠르게 건전성 평가를 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 수명데이터를 사용하여 적분 건전성 인자(CHI)를 추출할 수 있으므로 성능 저하를 추정하고, 고장 임계값에 대한 남은 수명을 정량적으로 예측할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 수명데이터가 없는 경우, 초기 정상상태에 대한 건정성 인자(HI)와 측정되는 측정데이터의 건전성 인자를 비교하므로 초기 정상상태와의 차이점을 갖는 이상 징후를 감지하고 결함 진행을 정성적으로 모니터링할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 리니어 모션 가이드 건전성 평가 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 LM 가이드의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 리니어 모션 가이드 건전성 평가 시스템에서 획득되는 3개의 LM 가이드에서 측정되는 진동신호인 측정데이터 중 z축에 대한 사이클별 가속도 데이터 그래프를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 주파수 에너지 추적 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 3개의 LM 가이드의 3D 스펙트로그램을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 3개의 LM 가이드에 대한 수명데이터에 대한 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 LM 가이드에 대한 수명데이터의 사이클별 건전성 인자(HI) 그래프를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 LM 가이드에 대한 수명데이터의 사이클별 적분 건전성 인자(CHI) 그래프를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 적용되는 LM 가이드의 통계 특징별 그래프 및 통계 특징 및 본 발명의 건전성 인자 그래프로, 상관성, 단조성 및 견고성 지표를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 따라 수명데이터가 없는 경우의 LM 가이드 주파수 추출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명에 따라 수명데이터가 없는 경우의 실시간 주파수 추출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 수명데이터가 없는 경우의 사이클별 건전성 인자 그래프를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 LM 가이드 건전성 평가 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 14는 본 발명에 따른 LM 가이드 건전성 평가 방법 중 수명데이터가 존재하는 경우인 제1파이프라인 처리 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 15는 본 발명에 따른 제1파이프라인 처리 방법 중 수명데이터 학습 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 16은 본 발명에 따른 LM 가이드 건전성 평가 방법 중 수명데이터가 존재하지 않는 경우인 제2파이프라인 처리 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 LM 가이드 건전성 평가 시스템의 구성 및 동작을 상세히 설명하고, 상기 장치에서의 LM 가이드 건전성 평가 방법을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 리니어 모션 가이드 건전성 평가 시스템의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 LM 가이드의 구성을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 리니어 모션 가이드 건전성 평가 시스템에서 획득되는 3개의 LM 가이드에서 측정되는 진동신호인 측정데이터 중 z축에 대한 사이클별 가속도 데이터 그래프를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 주파수 에너지 추적 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 3개의 LM 가이드의 3D 스펙트로그램을 나타낸 도면이며, 도 6은 본 발명에 따른 3개의 LM 가이드에 대한 수명데이터에 대한 표준편차별 주파수 개수 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프를 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 LM 가이드에 대한 수명데이터의 사이클별 건전성 인자(HI) 그래프를 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명에 따른 LM 가이드에 대한 수명데이터의 사이클별 적분 건전성 인자(CHI) 그래프를 나타낸 도면이고, 도 9는 본 발명에 적용되는 LM 가이드의 통계 특징별 그래프 및 통계 특징 및 본 발명의 건전성 인자 그래프로, 상관성, 단조성 및 견고성 지표를 나타낸 도면이고, 도 10은 본 발명에 따라 수명데이터가 없는 경우의 LM 가이드 주파수 추출 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 11은 본 발명에 따라 수명데이터가 없는 경우의 실시간 주파수 추출 방법을 설명하기 위한 도면이며, 도 12는 본 발명에 따른 수명데이터가 없는 경우의 사이클별 건전성 인자 그래프를 나타낸 도면이다. 이하 도 1 내지 도 12를 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 리니어 모션 가이드 건전성 평가 시스템은 진동 측정부(100), 제어모듈(200) 및 저장부(300)를 포함한다. 상기 리니어 모션 가이드 건전성 평가 시스템은 입력수단 및 출력수단을 더 포함할 수 있으나 도 1에 도시하지 않았다.
상기 입력수단은 다수의 설정 및 명령을 수행할 수 있는 다수의 키, 버튼, 스위치 등을 포함하는 입력장치일 수 있고, 출력수단은 액정표시장치(Liquid Crystal Display: LCD) 등의 표시장치, 프린터 등일 수 있을 것이다. 또한, 상기 입력수단 및 출력수단은 네트워크에 연결되어 있는 다른 컴퓨터, 서버 등과 데이터 통신을 수행할 수 있는 통신장치일 수도 있을 것이다.
진동 측정부(100)는 도 2에서 보이는 바와 같이 LM 가이드(10)의 LM 레일(1) 위를 따라 왕복 운동하는 LM 블록(2)의 일측부에 부착되어 LM 블록(2)의 왕복 이동 시 LM 블록(2)에서 발생하는 진동을 측정하고, 진동에 따른 진동데이터인 측정데이터를 제어모듈(200)로 출력한다. 상기 LM 블록(2)가 한 번 왕복 운동할 때 출력하는 진동신호가 1 사이클로 정의될 수 있을 것이다.
LM 가이드(10)는 도 2에서 보이는 바와 같이 LM 레일(1), LM 블록(2) 및 다수의 볼(Ball)들로 구성되는 볼케이지(3)를 포함하여 구성되며, 상기 LM 블록(2)은 LM 레일(1) 및 볼케이지(3)의 가이드에 따라 왕복 운동한다.
상기 LM 블록(2)에는 상기 볼 케이지(3)를 따라 저항을 최소화하면서 이동하기 위한 볼 케이지 가이드(4)가 구성되며, 이 볼 케이지 가이드(4)에 6과 같이 플랙킹(Flaking)(6)이 발생할 수 있으며, 플랙킹의 발생 정도에 따라 다양한 주파수의 진동이 발생된다.
따라서 진동 측정부(100)에 의해 측정되는 측정데이터에는 상기 플랙킹에 따른 다수의 주파수 성분이 포함될 것이다.
상기 진동 측정부(100)는 진동 센서로서 가속도 센서가 적용될 수 있으며, 상기 가속도 센서에 출력되는 X, Y, Z축의 가속도(Acceleration) 신호 중 Z축의 가속도 신호를 진동신호로 적용하는 것이 바람직할 것이다.
진동 측정부(100)는 LM 블록(2)이 LM 레일(1)을 따라 단일 왕복하는 것을 하나의 사이클로 도 3과 같은 Z축의 진동신호를 출력한다. 도 3에서는 3개의 LM 가이드(10)에 대한 Z축 진동신호를 나타낸 것으로, 도 3의 3개의 LM 가이드(10)는 동일 유형이지만 두 개의 다른 제조업체서 제작된 것이다.
도 3의 진동신호 파형(301, 302, 303) 중 1600K 사이클에서 플랙킹이 발생한 것은 진동신호 파형(301)이다. 즉, 첫 번째 LM 가이드에서만 플랙킹이 발생하였다.
저장부(300)는 본 발명에 따른 LM 가이드 건전성 평가 시스템의 전반적인 동작을 제어하기 위한 제어프로그램을 저장하는 프로그램영역, 상기 제어프로그램 수행 중에 발생되는 데이터를 일시적으로 저장하는 임시영역, 상기 제어프로그램 수행에 필요한 데이터 및 상기 제어프로그램 수행 중에 발생되는 데이터를 반영구적으로 저장하는 데이터영역을 포함한다. 본 발명에 따라 상기 데이터영역에는 수명데이터 DB(310) 및 측정데이터 DB(320)가 구성될 수 있을 것이다.
수명데이터 DB(310)는 다양한 LM 가이드 종류별 수명데이터(Run-to-Fail Data: RTF 데이터)를 저장한다. 수명데이터는 LM 가이드 제조사로부터 제공받을 수 있을 것이다. 그러나 LM 가이드 제조사에 따라 수명데이터를 제공하지 않거나 제공할 수 없는 경우도 있을 것이다.
제어모듈(200)은 PHM 평가 이벤트 모니터링부(110), 수명데이터 유무 판단부(120), 데이터 획득부(130), 제1파이프라인 처리부(140) 및 제2파이프라인 처리부(150)을 포함하여 본 발명에 따른 LM 가이드 건전성 평가 시스템의 전반적인 동작을 제어한다.
PHM 평가 이벤트 모니터링부(110)는 PHM(Prognostics and Health Management: 고장 예지 및 건전성 관리) 평가 이벤트가 발생하는지를 모니터링한다. 상기 PHM 평가 이벤트는 관리자에 의한 입력수단의 입력신호에 의해 발생할 수도 있고, 일정 주기로 발생할 수도 있으며, LM 블록(2)의 움직임 시 발생할 수도 있을 것이다.
수명데이터(RTF 데이터) 유무 판단부(120)는 건전성을 평가하고자 하는 LM 가이드(10)에 대한 LM 가이드 제조사 정보 등을 입력수단을 통해 입력받고, 해당 LM 가이드 제조사에 대한 수명데이터가 수명데이터 DB(310)에 저장되어 있는지를 검사하여 수명데이터의 존재 유무를 판단한다.
데이터 획득부(130)는 수명데이터 유무 판단부(120)를 통해 건전성 평가를 수행해야 할 LM 가이드(10)에 대한 수명데이터가 있는 것으로 판단되면 수명데이터 DB(310)에서 해당 수명데이터를 로드하여 제1파이프라인 처리부(140)의 학습부(160)로 출력하고, 학습부(160)의 동작 완료 시 진동 측정부(100)를 통해 측정되어 측정데이터 DB(320)에 저장되어 있는 측정데이터를 테스트부(170)로 출력한다.
반면, 데이터 획득부(130)는 수명데이터 유무 판단부(120)를 통해 건전성 평가를 수행할 LM 가이드(10)에 대한 수명데이터가 없는 것으로 판단되면 진동 측정부(100)로부터 입력되는 측정데이터를 미리 설정된 일정 사이클동안 측정데이터 DB(320)에 저장한 후, 상기 사이클동안 측정데이터가 누적되면 상기 사이클의 측정데이터를 제2파이프라인 처리부(150)로 출력한다. 상기 일정 사이클은 50K일 수 있을 것이다.
제1파이프라인 처리부(140)는 학습부(160) 및 테스트부(170)를 포함한다.
학습부(160)는 주파수 에너지 추적부(Frequency Energy tracking: FET)(161), 공분 계산부(162), 주파수 추출부(163) 및 건전성 인자 계산부(164)를 포함하여, 상기 데이터 획득부(130)로부터 수명데이터를 입력받고, 상기 수명데이터에 대한 주파수 추출, 추출된 주파수별 공분산 계산, 계산된 공분산에 의한 주파수 수 및 결정된 주파수 수의 주파수를 결정하고, 결정된 주파수 수의 주파수별 건전성 인자(Health Index: HI)를 계산한다.
구체적으로 설명하면, 주파수 에너지 추적부(161)는 푸리에 변환부(165) 및 추적부(166)를 포함한다.
푸리에 변환부(165)는 입력되는 LM 가이드의 수명이 끝날 때까지의 사이클에 대한 사이클별 측정데이터들을 포함하는 수명데이터에 대해 도 4의 401과 같이 푸리에 변환(Fourier Transform: FT)을 수행하여 시간영역의 수명데이터를 주파수 영역으로 변환하여 상기 수명데이터에 포함되어 있는 주파수 성분들을 포함하는 도 4의 402와 같은 3D 스펙트로그램(Spectrogram)을 생성한다.
상기 추적부(166)는 상기 푸리에 변환부(165)에 의해 생성된 3D 스펙트로그램에서 주파수 진폭이 특정 사이클에서 증가하기 시작하며, 이 사이클에서의 주파수 성분들을 포함하는 특성 주파수 대역(Characteristic Frequency Band: CFB)을 추적하여 검출한다.
상기 CFB는 도 3의 LM 가이드들에 대해 도 4의 402 및 403에서 보이는 바와 같이 2KHz ~4KHz의 대역이 될 수 있을 것이다.
공분산 계산부(162)는 상기 CFB의 주파수들 각각에 대한 사이클과 진폭 사이의 공분산을 계산하고, 상기 공분산의 표준편차(stdev)를 계산한다.
주파수 추출부(163)는 상기 공분산 계산부(162)에서 계산된 주파수별 표준편차에 의해 CFB의 주파수들 중 최적의 주파수 수(nf)의 주파수를 추출한다.
도 6은 서로 다른 양쪽의 축으로 각기 다른 곡선과 붉은색 점들을 표시하고 있다. 도 6에서 그림 왼쪽 축의 곡선은 nf의 함수로 나타낸 표준편차(stdev)의 값을 나타낸 것이고, 그림의 오른쪽 축의 빨간색 점은 nf개만큰 추출한 주파수 위치를 의미한다.
주파수 추출부(163)는 CFB의 주파수들 중 주파수의 개수(nf)가 증가할 때 주파수의 값이 일정 값 이상 떨어지는 지점의 주파수를 경계로 주파수의 개수(nf)를 결정한다. 즉, 주파수 추출부(163)는 CFB의 주파수들 중 주파수의 개수(nf)가 1인 주파수를 기준으로 갑자기 일정 차 이상의 주파수값을 가지는 주파수가 검출되는 주파수 개수를 임계값으로 상기 임계값 이하의 주파수들을 선택하여 주파수 수(nf)를 결정한다.
LM 가이드 1의 주파수별 표준편차에 대한 개수(nf)를 나타낸 도 6의 601을 참조하면, 도 6에서 외쪽에서 오른쪽으로 주파수의 개수(nf)를 증가시키면서 주파수의 값을 비교하면 12번째 주파수에서 11번째 주파수와의 차가 500Hz만큼 갑작스럽게 변동한다. 따라서 주파수 추출부(163)는 미리 설정된 일정 주파수 차가 발생하는 12번째 이전까지의 주파수들을 추출한다. 따라서 601의 경우 주파수 추출부(163)는 11개의 주파수를 추출하고, 602의 경우 6개의 주파수를 추출하며, 603의 경우 8개의 주파수를 추출한다.
건전성 인자 계산부(164)는 상기 추출된 개수(nf)의 각 주파수의 진폭값의 평균을 적용하여 건전성 인자(Health Index: HI)를 계산한다.
상기 수학식1을 적용하여 HI를 계산하면 도 7과 같이 사이클별 HI가 계산된다. 도 7에서 보이는 바와 같이 사이클별 HI 그래프는 도 5의 3D 스펙트로그램과 유사한 형태로 구성됨을 알 수 있다. 도 7에서 보이는 바와 같이 LM1(LM 가이드1), LM2(LM 가이드2), LM3(LM 가이드3)는 약 1100k 및 1400k 번째 사이클에서 피크가 발생한다.
상기 건전성 인자 계산부(164)는 도 7에서 보이는 바와 같이 각 LM 가이드의 HI 추세가 모두 비슷하지만 피크 값이 동일한 것이 아니며, 단조성이 부족하기 때문에서 예측 관점에서 좀 더 유용하게 하기 위해 하기 수학식 2를 적용하여 사이클에 대해 HI를 적분하여 적분 건전성 인자(Cumulative Health Index: CHI)를 계산한다.
이와 같이 CH를 적분함으로써 도 8과 같이 선형성이 향상된 건전성 인자 그래프를 얻을 수 있다.
도 8은 CHI가 초반에는 0에 가깝게 유지되다가 500k 번째 사이클에서 서서히 상승하기 시작하여 에너지 집중 현상이 발생하는 900k 번째 사이클 지점에서 빠르게 증가한다. 따라서 CHI는 수명 예지에 유용한 정보를 제공한다. 즉 도 8의 CHI 그래프는 선형성이 있으므로 그 예측 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 임의로 임계치(Threshold)를 약 1,000으로 설정했을 때 초기 단계에서 이상 징후가 감지되어 이후 경과를 모니터링할 수 있다. 도 8을 참조할 때 LM 가이드1(LM1)이 플랙킹이 발생할 확률이 가장 높음을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 CHI 이외의 LM 가이드의 진동신호에 대한 건전성 인자(HI)로 적용할 수 있는 RMS, 첨도 및 최대값 등 같은 시간영역의 통계적 특성인자의 사이클별 HI를 나타낸 그래프이다. 하단의 막대 그래프는 본 발명의 CHI와 시간영역의 통계적 특성인자들의 상관성, 단조성 및 견고성 지표를 나타낸 그래프이다.
도 9에서 볼 수 있듯이 본 발명에 따른 CHI의 상관성, 단조성 및 견고성 지표 모두가 시간영역의 통계적 특성인자들보다 높음을 알 수 있다.
테스트부(170)는 상기 진동 측정부(100)로부터 입력되는 측정데이터의 주파수 중 상기 학습부(160)에서 결정된 주파수에 대응하는 주파수에 대해서 건전성 인자를 계산하여 상기 측정데이터를 발생시킨 LM 가이드의 건전성을 평가한다.
테스트부(170)는 상기 계산된 건전성 인자를 하기의 수학식 3 내지 4에 적용하여 상관성(Correlation), 단조성(Monotonicity), 견고성(Robustness) 지표를 계산하여 출력수단을 통해 출력하도록 구성되는 것이 바람직할 것이다.
여기서, K는 전체 사이클의 개수이고, X={xk}k=1:K와 T={tk}k=1:K는 각각 HI와 사이클 벡터를 의미한다. HI의 추세 값, {xk T}k=1:K은 HI에 이동 평균 필터를 적용하여 얻을 수 있다. 물결표시는 해당 변수의 순위를 나타낸다.
제2파이프라인 처리부(150)는 학습부(160)와 동일하게 주파수 에너지 추적부(151), 공분산 계산부(152), 주파수 추출부(153), 건전성 인자 계산부(154)를 포함하고, 건전성 판정부(155)를 더 포함한다.
주파수 에너지 추적부(151)는 상기 데이터 획득부(130)에 의해 도 10의 901과 같은 일정 사이클 동안 누적된 측정데이터를 입력받아 푸리에 변환을 수행하여 다수의 주파수(성분)를 포함하는 3D 스펙트로그램을 생성하고, 상기 3D 스펙트로그램에서 특성 주파수 대역(CFB)를 추적하고 CFB의 주파수들을 추출하여 도 10의 902와 같은 주파수별 개수(nf) 및 표준편차별 개수(nf) 그래프를 생성한다.
공분산 계산부(152)는 상기 주파수 에너지 추적부(151)에서 추적된 3D 스펙트로그램의 CBF의 주파수별 사이클과 진폭 사이의 공분산을 계산하고, 상기 공분산의 표준편차를 계산한다.
주파수 추출부(153)는 상기 공분산 계산부(162)에서 계산된 주파수별 표준편차에 의해 CFB의 주파수들 중 최적의 주파수 수(nf)의 주파수를 추출한다.
건전성 인자 계산부(154)는 추출된 주파수 수의 주파수별 진폭에 대한 평균을 취하여 건전성 인자(HI)를 계산하고, 실시예에 따라 적분 건전성 인자(CHI)를 계산한다.
도 10에서 보이는 바와 같이 제1파이프라인 처리부(140)의 주파수별 개수 및 표준편차별 개수 그래프와는 달리 제2파이프라인 처리부(150)에서 계산된 공분산 및 표준편차는 현재 사이클까지의 진폭을 사용하여 계산되기 때문에 사이클마다 추출된 주파수가 매번 변화한다. 새 측정데이터가 추가되면 공분산이 변경되고 상위 공분산을 갖는 nf개의 주파수 위치도 변경된다. 유일한 상수는 추출하고자 하는 주파수의 개수이다.
결과는 도 11 내지 도 12에 나타나 있다. 도 11의 파란색 원형 마커는 해당 사이클에서 추출된 nf개의 주파수를 나타내고, 도 12는 시간 경과에 따라 생성된 HI를 나타낸다.
도 12에서 확인할 수 있듯이 CFB는 700K에서 1000k 번째 사이클에서 뚜렷해지며, 약 3kHz에서 형성된다.
도 13은 본 발명에 따른 LM 가이드 건전성 평가 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 13을 참조하면, 우선, 제어모듈(200)은 PHM 평가 이벤트가 발생되는지를 모니터링한다(S10).
PHM 평가 이벤트가 발생되면 제어모듈(200)은 평가대상, 즉 건전성을 평가할 LM 가이드의 제조사, LM 식별정보 등을 포함하는 평가대상 정보를 획득한다(S20). 상기 평가대상 정보는 입력수단을 통해 획득될 수 있을 것이다.
평가대상 정보가 획득되면 제어모듈(200)은 평가대상 정보에 대응하는 수명데이터가 수명데이터 DB(310)에 존재하는지를 검사하여 평가대상의 수명데이터가 있는지를 판단한다(S30).
평가대상의 수명데이터가 있으면 제어모듈(200)은 제1파이프라인 처리부(140)를 활성화하여 제1파이프라인 처리에 의한 평가대상인 LM 가이드의 PHM 평가를 수행하고(S40), 평가대상의 수명데이터가 없으면 제2파이프라인 처리부(150)를 활성화하여 제2파이프라인 처리에 의한 평가 대상인 LM 가이드의 PHM 평가를 수행한다(S50).
도 14는 본 발명에 따른 LM 가이드 건전성 평가 방법 중 수명데이터가 존재하는 경우인 제1파이프라인 처리 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 14를 참조하면, 상기 도 13에서 제어모듈(200)에 의해 활성화된 제1파이프라인 처리부(140)는 수명데이터 DB(310)에 저장된 해당 LM 가이드의 수명데이터를 데이터 획득부(130)로부터 입력받아 학습부(160)를 활성화하여 학습을 수행한다(S200). 상기 학습 과정은 도 16을 참조하여 상세히 설명한다.
상기 학습 수행 후 제1파이프라인 처리부(140)는 테스트부(170)를 활성화하여 데이터 획득부(130)에 의해 진동 측정부(100)로부터 연속적으로 획득되는 측정데이터로부터 학습된 CFB의 주파수들에 대응하는 주파수만츨 추출한 후, HI 및 CHI 중 어느 하나 이상을 계산하는 해당 LM 가이드의 측정데이터에 대한 PHM 평가를 수행한다(S300).
도 15는 본 발명에 따른 제1파이프라인 처리 방법 중 수명데이터 학습 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 15를 참조하여 설명하면, 제1파이프라인 처리부(140)의 학습부(160)는 데이터획득부(130)를 통해 평가대상인 LM 가이드의 수명데이터를 획득한다(S211).
수명데이터가 획득되면 학습부(160)는 수명데이터의 사이클별 측정데이터들을 푸리에 변환(Fourier Transform: FT)을 수행하여 주파수 스펙트럼 데이터를 생성하고(S213), 수명데이터 전체에 대해 누적하여 3D 스펙트로그램을 생성한다(S215).
3D 스펙트로그램이 생성되면 학습부(160)는 주파수의 진폭이 증가하기 시작하는 사이클에 대응하는 특성 주파수 대역을 추적하여 검출한다(S217).
CFB 대역이 검출되면 학습부(160)는 상기 CFB 대역의 주파수의 사이클과 진폭 사이의 공분산 및 공분산의 표준편차를 계산하여 도 6과 같은 주파수별 개수 및 표준편차별 개수 그래프를 생성한다(S218).
학습부(160)는 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프가 생성되면 개수(nf)가 최소인 주파수를 결정한(S221) 후, 결정된 주파수를 기준으로 일정 주파수 차 이상인 주파수의 개수를 기준치로 상기 기준치 미만의 개수를 최종 추출 주파수 수(nf)로 결정한다(S223).
주파수 수(nf)가 결정되면 학습부(160)는 결정된 주파수 수의 주파수별로 진폭값들의 평균을 취하여 건전성 인자(HI)를 계산한다(S225).
건전성 인자(HI)가 계산되면 학습부(160)는 선택적으로 적분 건전성 인자(CHI)를 계산한다(S225).
HI 및 CHI 중 어느 하나 이상이 계산되면 학습부(160)는 실시예에 따라 HI 및 CHI 중 어느 하나를 적용한 건전성 평가 지표인 상관성, 단조성, 견고성 등 중 하나 이상을 계산한(S229) 후, 일반적인 통계 특성 정보의 HI들과의 비교정보를 생성하여 출력수단을 통해 출력하도록 구성될 수 있을 것이다.
상기 학습부(160)는 상술한 특성 주파수 대역 검출 과정(S217)까지만 수행되도록 구성될 수도 있을 것이다.
상기 학습부(160)에 의한 학습 후, 테스트부(170)는 연속적으로 측정되는 측정데이터 중 상기 특성 주파수 대역에 대응하는 측정데이터에 대해서만 공분산 및 표준편차를 계산하는 S219 이후의 과정을 수행하여 HI 및 CHI 중 어느 하나 이상을 계산하고, 상기 계산된 HI, CHI 건전성 평가 지표 중 둘 이상을 출력수단을 통해 출력할 것이다.
도 16은 본 발명에 따른 LM 가이드 건전성 평가 방법 중 수명데이터가 존재하지 않는 경우인 제2파이프라인 처리 밥업을 나타낸 흐름도이다.
도 16을 참조하면, 제2파이프라인 처리부(150)는 초기 과정부터 일정 사이클까지의 측정데이터를 수집한다(S311). 상기 일정 사이클은 일예로 50k 사이클일 수 있을 것이다.
일정 사이클까지의 측정데이터가 수집되면 제2파이프라인 처리부(150)는 상기 초기 사이클의 측정데이터들을 푸리에 변환하여 사이클별 주파수 스펙트럼을 생성하고, 사이클별 주파수 스펙트럼들을 누적하여 3D 스펙트로그램을 생성한다(S313).
상기 사이클별 3D 스펙트로그램이 생성되면 제2파이프라인 처리부(150)는 상기 사이클까지에 대한 주파수별 공분산 및 표준편차를 계산하고(S315, S317), 주파수 개수가 최소인 주파수를 기준으로 일정 주파수 이상의 차가 발생하는 주파수 위치에 의한 주파수의 개수를 결정한다(S223).
주파수 개수가 결정되면 제2파이프라인 처리부(150)는 상기 수학식 1 내지 수학식 5를 적용하여 결정된 주파수 수의 주파수별로 진폭의 평균값을 계산하여 HI를 계산하고, HI를 적분하여 CHI를 계산하며, 평가지수를 계산한다(S321,
HI, CHI 및 평가지수 등이 계산되면 제2파이프라인 처리부(150)는 출력수단을 통해 출력한다(S323).
한편, 본 발명은 전술한 전형적인 바람직한 실시예에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.
1: LM 레일 2: LM 블록
3: 볼 케이지 4: 볼 케이지 가이드
10:LM 가이드 100: 진동 측정부
110: PHM 평가 이벤트 모니터링부 120: 수명데이터 유무 판단부
130: 데이터 획득부 140: 제1파이프라인 처리부
150: 제2파이프라인 처리부 160: 학습부
151, 161: 주파수 에너지 추적부 152, 162: 공분산 계산부
153, 163: 주파수 추출부 154,164: 건전성 인자 계산부
155: 건전성 판정부 165: 푸리에 변환부
166: 추적부 170: 테스트부
200: 제어모듈 300: 저장부
310: 수명데이터 DB 320: 측정데이터 DB

Claims (14)

  1. LM 가이드의 LM 블록에 부착되어 LM 블록의 진동에 따른 진동데이터인 측정데이터를 출력하는 진동 측정부;
    상기 측정된 측정데이터를 사이클별로 누적하여 저장하는 측정데이터 DB를 포함하는 저장부; 및
    상기 진동 측정부를 통해 측정되어 사이클별로 누적되어 상기 저장부에 저장되어 있는 측정데이터를 입력받아 푸리에 변환하여 생성되는 주파수(성분) 중 진폭이 증가하는 주파수 대역인 특징 주파수 대역(CFB)을 추적하고, 상기 특징 주파수 대역(CFB)의 주파수별 측정데이터에 대한 표준편차를 계산하여 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프를 생성한 후, 상기 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프의 표준편차가 미리 설정된 크기 이상으로 변화하기 이전의 주파수의 개수를 기준치로 하여 추출할 주파수 수(nf)의 주파수를 결정한 후, 상기 주파수 수의 주파수들에 대한 건전성 인자를 계산하여 상기 LM 가이드의 건전성을 평가하는 제어모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 모션 가이드 건전성 평가 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저장부는,
    다수의 종류의 LM 가이드에 대한 수명데이터를 저장하는 수명데이터 DB를 더 포함하되,
    상기 제어모듈은,
    PHM 평가 이벤트가 발생되는지를 모니터링하는 PHM 평가 이벤트 모니터링부;
    PHM 평가 이벤트가 발생되면 상기 PHM 평가를 수행할 LM 가이드의 종류에 대응하는 수명데이터가 상기 수명데이터 DB에 존재하는지를 판단하는 수명데이터 유무 판단부;
    상기 수명데이터 유무 판단부를 통해 수명데이터가 존재하는 것으로 판단되면 상기 수명데이터 DB에 저장된 해당 LM 가이드의 수명데이터 및 진동 측정부를 통해 측정되는 측정데이터를 획득하여 출력하고, 수명데이터가 존재하지 않는 것으로 판단되면 진동 측정부를 통해 측정되는 측정데이터를 획득하여 측정데이터 DB에 저장하는 데이터 획득부;
    상기 데이터 획득부로부터 수명데이터 및 측정데이터를 입력받고, 상기 수명데이터들을 푸리에 변환하여 생성되는 주파수(성분)들의 진폭이 증가하는 주파수 대역인 특징 주파수 대역(CFB)을 추적하여 검출하고, 상기 특징 주파수 대역의 주파수에 대응하는 측정데이터에 대한 표준편차를 계산하여 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프를 생성한 후, 상기 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프의 표준편차가 미리 설정된 크기 이상으로 변화하기 이전의 주파수의 개수를 기준치로 하여 추출할 주파수 수(nf)의 주파수를 결정한 후, 누적되어 측정되는 상기 측정데이터 중 상기 주파수 수의 주파수들에 대응하는 측정데이터에 대해서 건전성 인자를 계산하여 상기 LM 가이드의 건전성을 평가하는 제1파이프라인 처리부; 및
    상기 데이터 획득부에 의해 일정 사이클 동안 누적된 측정데이터를 입력받고, 상기 누적된 측정데이터에 포함된 특징 주파수 대역을 검출하고, 추출된 주파수별 측정데이터에 대한 표준편차를 계산하여 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프를 생성한 후, 상기 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프의 표준편차가 미리 설정된 크기 이상으로 변화하기 이전의 주파수의 개수를 기준치로 하여 추출할 주파수 수(nf)의 주파수를 결정한 후, 상기 측정데이터 중 상기 주파수 수의 주파수들에 대응하는 측정데이터에 대해서 건전성 인자를 계산하여 상기 LM 가이드의 건전성을 평가하는 제2파이프라인 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 모션 가이드 건전성 평가 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1파이프라인 처리부는,
    상기 데이터 획득부로부터 수명데이터를 입력받고, 상기 수명데이터에 대한 푸리에 변환, 특징 주파수 대역 추적, 상기 특징 주파수 대역의 주파수별 측정데이터의 공분산 및 상기 주파수별 측정데이터의 표준편차 계산, 계산된 표준편차에 의한 주파수 수 결정 및 결정된 주파수 수의 주파수를 결정하고, 결정된 주파수 수의 주파수별 건전성인자를 계산하는 학습부; 및
    상기 측정데이터의 주파수 중 상기 학습부에서 결정된 상기 주파수 수의 주파수에 대응하는 측정데이터에 대해서 건전성 인자를 계산하여 상기 측정데이터를 발생시킨 LM 가이드의 건전성을 평가하는 테스트부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 모션 가이드 건전성 평가 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 학습부는,
    상기 사이클별 측정데이터들로 구성되는 수명데이터를 푸리에 변환을 수행하여 다수의 주파수(성분)를 포함하는 주파수 스펙트럼을 생성하고 사이클에 따라 주파수 스펙트럼을 누적한 3D 스펙트로그램을 생성한 후, 상기 특징 주파수 대역(CFB)을 추적하여 출력하는 주파수 에너지 추적부;
    상기 특징 주파수 대역의 주파수들 각각의 사이클과 진폭 사이의 공분산을 계산하고 상기 공분산의 표준편차(stdev)를 계산하는 공분산 계산부;
    상기 표준편차에 근거하여 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프를 생성한 후, 상기 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프의 표준편차가 미리 설정된 크기 이상으로 변화하기 이전의 주파수의 개수를 기준치로 하여 추출할 주파수 수(nf)를 결정한 후, 결정된 주파수 수의 주파수를 출력하는 주파수 추출부; 및
    선택된 상기 주파수 수의 주파수들에 대한 건전성 인자(HI)를 계산하여 출력하는 건전성 인자 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 모션 가이드 건전성 평가 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제2파이프라인 처리부는,
    상기 데이터 획득부에 의해 일정 사이클 동안 누적된 측정데이터를 입력받아 푸리에 변환을 수행하여 다수의 주파수(성분)를 포함하는 3D 스펙트로그램을 생성하고, 상기 3D 스펙트로그램에서 진폭이 증가하는 특징 주파수 대역(CFB)을 추적 및 검출하여 출력하는 주파수 에너지 추적부;
    상기 특징 주파수 대역의 주파수들 각각의 사이클과 진폭 사이의 공분산을 계산하고, 상기 공분산의 표준편차(stdev)를 계산하는 공분산 계산부;
    상기 표준편차에 근거하여 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프를 생성한 후, 상기 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프의 표준편차가 미리 설정된 크기 이상으로 변화하기 이전의 주파수의 개수를 기준치로 하여 추출할 주파수 수(nf)를 결정한 후, 결정된 주파수 수의 주파수를 출력하는 주파수 추출부;
    선택된 상기 주파수 수의 주파수들에 대한 건전성 인자(HI)를 계산하여 출력하는 건전성 인자 계산부; 및
    상기 계산된 건전성 인자에 근거하여 상관성, 단조성 및 견고성 지표를 계산하여 상기 LM 가이드에 대한 건전성 평가정보를 제공하는 건전성 판정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 모션 가이드 건전성 평가 시스템.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제1파이프라인 처리부 및 제2파이프라인 처리부는,
    상기 결정된 주파수별 진폭값의 평균을 사용하여 상기 건전성 인자(HI)를 계산하는 것을 특징으로 하는 리니어 모션 가이드 건전성 평가 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1파이프라인 처리부 및 제2파이프라인 처리부는,
    상기 건전성 인자(HI)를 전체 사이클까지 매 사이클별로 적분한 적분 건전성 인자(CHI)를 계산하여 상기 LM 가이드의 건전성을 평가하는 것을 특징으로 하는 리니어 모션 가이드 건전성 평가 시스템.
  8. 진동 측정부가 LM 가이드의 LM 블록에 부착되어 LM 블록의 진동에 따른 진동데이터인 측정데이터를 출력하는 진동 측정 과정;
    제어모듈이 사이클별로 입력되는 측정데이터를 누적하여 측정데이터 DB에저장하는 측정데이터 누적 과정; 및
    상기 제어모듈이 저장부에 누적 저장되는 측정데이터를 획득하고, 상기 획득된 측정데이터를 푸리에 변환하여 생성되는 주파수(성분) 중 진폭이 증가하는 주파수 대역인 특징 주파수 대역(CFB)을 추적하고, 상기 특징 주파수 대역(CFB)의 주파수별 측정데이터에 대한 표준편차를 계산하여 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프를 생성한 후, 상기 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프의 표준편차가 미리 설정된 크기 이상으로 변화하기 이전의 주파수의 개수를 기준치로 하여 추출할 주파수 수(nf)를 결정한 후, 상기 주파수 수의 주파수들에 대한 건전성 인자를 계산하여 상기 LM 가이드의 건전성을 평가하는 건전성 평가 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 모션 가이드 건전성 평가 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 건전성 평가 과정은,
    상기 제어모듈이 PHM 평가 이벤트 모니터링부를 통해 PHM 평가 이벤트가 발생되는지를 모니터링하는 PHM 평가 이벤트 모니터링 단계;
    상기 제어모듈이 PHM 평가 이벤트가 발생되면 수명데이터 유무 판단부를 통해 상기 PHM 평가를 수행할 LM 가이드의 종류에 대응하는 수명데이터가 수명데이터 DB에 존재하는지를 판단하는 수명데이터 유무 판단 단계;
    상기 제어모듈이 상기 수명데이터 유무 판단부를 통해 수명데이터가 존재하는 것으로 판단되면 데이터 획득부를 통해 상기 수명데이터 DB에 저장된 해당 LM 가이드의 수명데이터 및 진동 측정부를 통해 측정되는 측정데이터를 획득하여 출력하고, 수명데이터가 존재하지 않는 것으로 판단되면 진동 측정부를 통해 측정되는 측정데이터를 획득하여 측정데이터 DB에 저장하는 데이터 획득 단계;
    상기 제어모듈이 제1파이프라인 처리부를 통해 상기 데이터 획득부로부터 수명데이터 및 측정데이터를 입력받고, 상기 수명데이터들을 푸리에 변환하여 생성되는 주파수(성분)들의 진폭이 증가하는 주파수 대역인 특징 주파수 대역(CFB)을 추적하여 검출하고, 상기 특징 주파수 대역의 각 주파수에 대응하는 측정데이터에 대한 표준편차를 계산하여 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프를 생성한 후, 상기 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프의 표준편차가 미리 설정된 크기 이상으로 변화하기 이전의 주파수의 개수를 기준치로 하여 추출할 주파수 수(nf)를 결정한 후, 누적되어 측정되는 상기 측정데이터 중 상기 주파수 수의 주파수들에 대응하는 측정데이터에 대해서 건전성 인자를 계산하여 상기 LM 가이드의 건전성을 평가하는 제1파이프라인 처리 단계; 및
    상기 제어모듈이 제2파이프라인 처리부를 통해 상기 데이터 획득부에 의해 일정 사이클 동안 누적된 측정데이터를 입력받고, 상기 누적된 측정데이터에 포함된 특징 주파수 대역을 검출하고, 추출된 주파수별 측정데이터에 대한 표준편차를 계산하여 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프를 생성한 후, 상기 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프의 표준편차가 미리 설정된 크기 이상으로 변화하기 이전의 주파수의 개수를 기준치로 하여 추출할 주파수 수(nf)를 결정한 후, 상기 측정데이터 중 상기 주파수 수의 주파수들에 대응하는 측정데이터에 대해서 건전성 인자를 계산하여 상기 LM 가이드의 건전성을 평가하는 제2파이프라인 처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 모션 가이드 건전성 평가 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1파이프라인 처리 단계는,
    상기 제어모듈이 상기 제1파이프라인 처리부의 학습부를 통해 상기 데이터 획득부로부터 수명데이터를 입력받고, 상기 수명데이터에 대한 푸리에 변환, 특징 주파수 대역 추적, 상기 특징 주파수 대역의 주파수별 측정데이터의 공분산 및 상기 주파수별 측정데이터의 표준편차 계산, 계산된 표준편차에 의한 주파수 수 결정 및 결정된 주파수 수의 주파수를 결정하고, 결정된 주파수 수의 주파수별 건전성 인자를 계산하는 학습 단계; 및
    상기 제어모듈이 상기 제1파이프라인 처리부의 테스트부를 통해 상기 측정데이터의 주파수 중 상기 학습부에서 결정된 상기 주파수 수의 주파수에 대응하는 측정데이터에 대해서 건전성 인자를 계산하여 상기 측정데이터를 발생시킨 LM 가이드의 건전성을 평가하는 테스트 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 모션 가이드 건전성 평가 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 학습 단계는,
    상기 제어모듈이 상기 학습부의 주파수 에너지 추적부를 통해 상기 사이클별 측정데이터들로 구성되는 수명데이터를 푸리에 변환을 수행하여 다수의 주파수(성분)를 포함하는 주파수 스펙트럼을 생성하고 사이클에 따라 주파수 스펙트럼을 누적한 3D 스펙트로그램을 생성한 후, 상기 특징 주파수 대역(CFB)을 추적하여 출력하는 주파수 에너지 추적 단계;
    상기 제어모듈이 상기 학습부의 공분산 계산부를 통해 상기 주파수 스펙트럼의 주파수들 각각의 사이클과 진폭 사이의 공분산을 계산하고 공분산의 표준편차(stdev)를 계산하는 공분산 계산 단계;
    상기 제어모듈이 학습부의 주파수 추출부를 통해 상기 표준편차에 근거하여 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프를 생성한 후, 상기 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프의 표준편차가 미리 설정된 크기 이상으로 변화하기 이전의 주파수의 개수를 기준치로 하여 추출할 주파수 수(nf)를 결정한 후, 결정된 주파수 수의 주파수를 출력하는 주파수 추출 단계; 및
    상기 제어모듈이 학습부의 건전성 인자 계산부를 통해 선택된 상기 주파수 수의 주파수들에 대한 건전성 인자(HI)를 계산하여 출력하는 건전성 인자 계산 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 모션 가이드 건전성 평가 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2파이프라인 처리 단계는,
    상기 제어모듈이 제2파이프라인 처리부의 주파수 에너지 추적부를 통해 상기 데이터 획득부에 의해 일정 사이클 동안 누적된 측정데이터를 입력받아 푸리에 변환을 수행하여 다수의 주파수(성분)를 포함하는 3D 스펙트로그램을 생성하고, 상기 3D 스펙트로그램에서 진폭이 증가하는 특징 주파수 대역(CFB)을 추적 및 검출하여 출력하는 주파수 에너지 추적 단계;
    상기 제어모듈이 제2파이프라인 처리부의 공분산 계산부를 통해 상기 주파수 스펙트럼의 주파수들 각각의 사이클과 진폭 사이의 공분산을 계산하고, 상기 공분산의 표준편차(stdev)를 계산하는 공분산 계산 단계;
    상기 제어모듈이 제2파이프라인 처리부의 주파수 추출부를 통해 상기 표준편차에 근거하여 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프를 생성한 후, 상기 주파수 개수별 표준편차 및 주파수 개수별 추출된 주파수 그래프의 표준편차가 미리 설정된 크기 이상으로 변화하기 이전의 주파수의 개수를 기준치로 하여 추출할 주파수 수(nf)를 결정한 후, 결정된 주파수 수의 주파수를 출력하는 주파수 추출 단계;
    상기 제어모듈이 제2파이프라인 처리부의 건전성 인자 계산부를 통해 선택된 상기 주파수 수의 주파수들에 대한 건전성 인자(HI)를 계산하여 출력하는 건전성 인자 계산 단계; 및
    상기 제어모듈이 제2파이프라인 처리부의 건전성 판정부를 통해 상기 계산된 건전성 인자에 근거하여 상관성, 단조성 및 견고성 지표를 계산하여 상기 LM 가이드에 대한 건전성 평가정보를 제공하는 건전성 판정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 모션 가이드 건전성 평가 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 제어모듈이 상기 제1파이프라인 처리 단계 및 제2파이프라인 처리 단계에서 상기 결정된 주파수별 진폭값의 평균을 사용하여 상기 건전성 인자를 계산하는 것을 특징으로 하는 리니어 모션 가이드 건전성 평가 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제어모듈이 상기 제1파이프라인 처리 단계 및 제2파이프라인 처리 단계에서 상기 건전성 인자(HI)를 전체 사이클까지 매 사이클별로 적분한 적분 건전성 인자(CHI)를 계산하여 최종 건전성 인자로서 상기 LM 가이드의 건전성을 평가하는 것을 특징으로 하는 리니어 모션 가이드 건전성 평가 방법.
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