KR20050030925A - 가공공정에서 표면결함 및 공구상태에 대한 음향신호 분석시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기계가공 중 발생하는 가공상태의 예측과 공구의 마멸 및 파손의 상태를 예측하여 공정을 개선하고 생산성을 향상시켜 생산원가절감 제시에 관한 것이다.

PZT소재를 공구, 공구대 혹은 작업대에 삽입 할 수 있게 나사선을 형성하여 음향센서를 제작하고 가공 중(In-Processing) 신호를 수집하여 육안으로 관찰할 수 있도록 화면에 표시함으로서 가공상태를 예측하고, 음향신호를 분석함으로서 공구의 마멸이나 파손에 의한 공구의 교체시기 및 수명을 예측한다.

이로서 공정과정에서 In-Processing 처리가 가능해져서 불량 판별의 효율성과 공구의 파손에 의한 불량률 감소로 원가절감에 효과가 있다.

Description

가공공정에서 표면결함 및 공구상태에 대한 음향신호 분석 시스템{AE Signal monitoring system for surface defects and tool conditions on manufacturing process}

본 발명은 기계가공 공정에서 현장 작업자의 경험에 의해 판단하는 불량검출과 공구의 교체 시기 선정을 보완하기 위함이다. 현재 대부분의 제조업에서의 공정은 가공의 자동화는 발전되어 있는 반면 검출 및 판별 공정은 현장 작업자의 경험에 의존해 진행되고 있다.

현재 진행되고 있는 검출 및 판별 공정은 경험에 의존해 진행되고 있는데 그에 따른 작업자의 판단기준 차이나 실수에 대한 손실이 많이 발생하고 있다.

이에 본 발명을 통하여 가공상태를 검출할 수 있는 신호를 수집 분석하여 현장 작업자의 불량기준 설정에 기준을 제시하고 판별과정에 도움을 줄 수 있다. 또한 공구의 마멸과 파손에 의한 공구교체 필요시기를 예측함으로서 공구파손으로 인한 불량품을 미연에 방지하고, 공구사용 시간을 극대화함으로서 원가절감 및 공구비용을 감소시키는 효과를 꾀한다.

또한 간단하게 부착할 수 있는 센서 지지대를 고안함으로서 공구의 교체에도 빠르게 적용할 수 있는 방법을 제시한다.

공구, 공구대 혹은 작업대에 센서를 설치하려면 많은 시간이 소모되고 설치기술 또한 요구된다. 이에 PZT소재의 센서를 탈착이 쉽도록 나사선을 가지고 있는 지지대(12)를 부착하여 공구 등에 가공된 나사탭에 설치함으로서 시간과 노력을 절약할 수 있게 된다.(도3)

가공상태 예측시스템과 공구파손 감시시스템은 공구(2, 7)에 AE센서(1, 8, 10)를 부착함으로서 구성된다. 예시도면에서의 공구는 선삭공정에 사용되는 Bite로 선삭의 특성상 공작물이 회전하므로 센서의 부착이 불가능하거나 복잡한 장치가 필요하다. 따라서 선삭의 경우는 센서를 공구에 부착한다. 반면 플레이닝, 세이핑 등의 평삭공정에서는 공작물에 센서를 부착할 수도 있다.

부착된 센서는 절삭가공에서 발생되는 AE(Acoustic Emission) Signal을 측정하게 된다. 절삭과정은 공작물의 소성변형 및 전단의 과정으로부터 음향신호가 발생되고 매체를 통해 전달된다. 이러한 신호를 공구에 설치된 센서로 수집분석해서 가공의 상태를 분석할 수 있다.

가공상태 예측시스템(13)은 절삭저항의 변동을 도시하여 가공표면 및 형상치수의 변동을 파악한다. 절삭저항이 변동되는 원인은 가공장비의 이상 진동이나 가공물의 자체진동이 증폭되었을 때 발생한다. 이 때 가공 표면은 원하지 않는 결함이 발생하여 불량품이 되어버린다. 이러한 신호를 분석하여 Display(3)함으로서 설정된 기준에 의해 정상과 결함을 판정한다. 15는 이상가공 표면을 예측하여 도시한 그래프이다. 17부분에서 이상신호가 포착되었고, 불량판별 과정을 거친 결과 미세한 표면불량이 발생함을 확인할 수 있었다. 많은 실험결과 눈으로 판별할 수 없는 정도의 미세한 표면 불량 상태도 예측할 수 있음이 확인되었다. 16은 표면결함 신호(15)를 데이터 분석을 통해 도시한 그래프이다. x축(시간 및 위치)과 y축(측정신호)로 구성되며 절삭저항의 변동 사항을 나타낸다. 가공오차 범위를 적용하여 16의 그래프에 적용하면 그 기준을 벗어났을 때 이상가공 상태를 예측할 수 있게 된다. 각 가공의 특성에 맞게 가공오차를 설정하면 여러 가공품의 경우도 본 시스템을 적용할 수 있다.

가공표면 결함 발생의 또 다른 원인은 공구의 마멸이나 파손에 의한 진동발생이다. 따라서 공구 감시시스템의 중요성도 커지고 있다.

공구 감시시스템(14)은 별도의 센서설치 없이 가공상태 예측시스템(13)에서 측정한 AE신호를 분석하여 판단된다. 공구는 파손 이전에 마멸의 단계를 거친다. 마멸이 되면서 미리 파손을 암시하는 원리를 적용해 마멸이 진행되는 단계를 분석하여 파손의 시기를 예측하는 것이다. 공구가 마멸을 일으키면 미세한 Chipping현상이 발생하고 이상진동을 일으키기도 한다. 그러한 현상이 중복되어 지속될 때 공구에 Crack이 발생하거나 더 이상 가공을 할 수 없을 정도로 무뎌진다. 미세 Chipping이 발생하는 신호를 수집하여 공구의 파손을 예측함으로 파손시 발생되는 불량품의 양을 줄일 수 있다. 또 공구의 파손은 장비에서 분해해서 확인해야 하는 어려움이 있고, 육안으로는 파악하기 힘든 파손상태도 가공표면에 많은 영향을 미치고 있어 가공현장에서는 그 정도를 파악하기 힘들다. 이에 파손상태를 도시함으로서 그 기준을 제시할 수 있다. 15는 공구의 파손상태를 도시한 그래프이다. 이는 일정한 패턴을 이루고 있어 공구의 상태를 예측하여 파손에 의한 교체시기를 판단할 수 있다. 19과 20은 공구의 수명이 다르게 나타났음에도 불구하고 같은 패턴을 가지고 있어 공구의 각각의 특징 및 장비의 특징이 다를 때도 예측이 가능함을 볼 수 있다.

기존의 센서를 이용하여 공구나 공작물 등에 부착을 하는 작업은 많은 시간과 노력을 필요로 하게 된다. 이에 AE센서에 나사선(12-1)을 포함한 지지대(12)를 부착함으로서 센서 설치의 효율을 증가함으로서 공구나 공작물의 교체에도 손쉬운 설치가 가능하다.

가공 현장에서 측정이 난해하거나 기준이 모호한 경우를 대상으로 그 대안을 제시한다. 가공상태 예측시스템(13)은 불량의 전수검사를 가능하게 한다. 불량품이 다음 공정으로 진행되거나 출하되는 위험성을 낮추고, 다음 공정에서 소모되는 원자재의 소모를 막을 수 있어 원가 절감의 효과가 있다.

공구마모 예측시스템(14)은 공구의 교체시기를 예측해 공구의 효율적 사용과 불량 발생으로 인한 원자재 소모를 막을 수 있다. 이에 공구비용의 감소와 원가 절감의 효과가 기대된다.

도 1은 장치 구성 및 처리 순서 개략도

도 2는 Bite에 AE센서를 부착한 예

도 3은 나사선을 포함한 PZT소재의 AE센서

도 4은 가공상태 및 공구파손 감시 시스템 블록도

도 5는 가공상태 감시를 도시한 그래프

도 6 는 공구파손 감시를 도시한 그래프

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1, 8, 10 : AE 센서

2, 7 : 공구

3, 9 : 신호 검출 장치

4 : 신호 처리 장치

11 : 접속단자가 포함된 AE센서(PZT 소재)

12 : 나사선을 포함한 센서 지지대(12-1 : 나사선)

13 : 가공상태 신호검출 시스템

14 : 공구상태 및 수명 예측 시스템

Claims (4)

1. 나사선이 있는 센서지지대를 포함한 PZT 소재의 AE 센서.
2. 제1항의 AE 센서를 부착한 공구(바이트).
3. 제 2항의 AE센서 부착 바이트를 이용, AE Signal 측정을 통해 가공 중 발생하는 절삭저항의 변화를 측정, 가공표면의 결손은 물론 장비의 이상진동 발생을 가공 중에 예측하여 불량발생의 가능성을 판단하는 가공상태 감시 및 예측 시스템.
4. 제 2항의 검출신호를 이용하여 데이터 수집 및 RMS분석 장치를 이용하여 공구의 마멸 및 파손의 유형을 정의함으로 공구의 상태를 감시해 파손시기를 예측함으로서 파손된 공구에 의한 불량 가공을 방지할 수 있는 공구파손 감시 및 교체시기 예측 시스템.