KR20110118969A

KR20110118969A - 취성 재료 가공 감시 장치

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Publication number: KR20110118969A
Application number: KR1020100038398A
Authority: KR
Inventors: 김성렬; 김철민; 김형재; 박범영; 이영철; 조형호
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2010-04-26
Filing date: 2010-04-26
Publication date: 2011-11-02

Abstract

본 발명은 취성 재료 가공 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 취성 재료의 가공 감시 장치에서 가공 중 음향 방출(AE, Acoustic Emission) 정보를 이용한 취성 재료 가공 상태를 감시하는 취성 재료 가공 감시 장치를 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 스퀘어 가공 후 표면 가공으로 이어지는 취성 재료 가공 장치의 이상 상태를 감시하기 위한 취성 재료 가공 감시 장치에 있어서, 취성 재료를 척킹하는 척킹 지그에 장착되는 AE 센서; 상기 AE 센서의 신호를 증폭하는 전-증폭기; 상기 전-증폭기에서 출력되는 신호를 증폭하는 후-증폭기; 상기 후-증폭기에서 출력되는 신호를 필터링하는 필터; 상기 필터의 출력 신호를 RMS 값으로 변환하는 RMS-DC 변환기; 및 상기 RMS-DC 변환기의 출력 신호를 이용하여 현 가공 상태를 표준 가공 상태와 동시에 출력하는 감시수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 취성 재료 가공 감시 장치를 제공한다.

Description

취성 재료 가공 감시 장치{Monitoring apparatus for machining fragile material}

본 발명은 취성 재료 가공 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 취성 재료의 가공 감시 장치에서 가공 중 음향 방출(AE, Acoustic Emission) 정보를 이용한 취성 재료 가공 상태를 감시하는 취성 재료 가공 감시 장치를 제공한다.

근래 반도체 산업의 급격한 발전으로 단결정 실리콘이 반도체 소자의 기저로 많이 적용되고 있으며, 또한 엘이디 분야의 발전으로 단결정 사파이어 역시 엘이디 소자의 기저로 많이 적용되고 있으며, 앞으로 이러한 단결정의 실리콘 및 단결정의 사파이어의 적용이 더욱더 넓어질 것으로 예상되고 있다.

상기 단결정 실리콘 및 단결정 사파이어는 취성이 높아 일반적인 구조체로 많이 적용되고 있는 금속재와는 달리 그 기계적인 가공이 제한적이다.

대부분의 취성 재료들은 연마 방식에 의한 가공이 주를 이루며, 절단, 표면 가공 등에 따라 상기 연삭을 기본으로 추가 구성에 의하여 가공이 이루어진다.

상기 취성 재료 특히 취성 단결정의 기계적인 가공 중 종래 방식의 잉곳의 가공 공정을 살펴보면, 먼저 잉곳의 외부를 절단하여 사각형의 단면으로 가공하는 스퀘어 가공과 상기 스퀘어 가공 후 표면을 연마하는 표면 가공으로 구분된다.

상기 가공 공정은 공작물의 이상 상태가 없는 경우에는 비교적 균일한 표면을 얻을 수 있으나, 연삭 휠의 압력 등에 표면이 민감하게 반응하여 가공 하중의 불균일성이 있는 경우 또는 잉곳 자체가 이상 상태인 파손부, 크랙, 칩핑 등이 있는 경우에는 표면의 가공이 원하는 요구 조건을 만족할 수 없는 상태로 가공되는 점등이 있다.

또한 상기 방식은 연삭 휠의 가압에 민감한 특성이 있으므로, 외기의 변화, 공작물의 상태 등에 의하여 외경의 가공 정도 역시 민감하게 반응하여 매번 공작물의 가공을 위하여 가공 조건을 예민하게 조절해야 되므로 균일한 품질의 표면을 갖는 가공물의 양산이 힘든 단점이 있다.

특히 잘못된 가공의 경우에는 단일 잉곳의 가격이 높아 경제적인 손실 역시 큰 부담으로 작용하여 실리콘 잉곳, 사파이어 잉곳 등의 외형 가공이 비교적 균일하게 수행될 수 있는 감시 시스템의 필요성이 대두되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 단점을 극복하기 위하여 안출된 것으로 가공 중 발생되는 AE 신호를 수신하고, 상기 신호를 기반으로 취성 재료의 연삭 상태를 파악하여 가공물의 가공 양불 여부를 리얼 타임으로 판단할 수 있는 취성 재료 가공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 스퀘어 가공 후 표면 가공으로 이어지는 취성 재료 가공 장치의 이상 상태를 감시하기 위한 취성 재료 가공 감시 장치에 있어서, 취성 재료를 척킹하는 척킹 지그에 장착되는 AE 센서; 상기 AE 센서의 신호를 증폭하는 전-증폭기; 상기 전-증폭기에서 출력되는 신호를 증폭하는 후-증폭기; 상기 후-증폭기에서 출력되는 신호를 필터링하는 필터; 상기 필터의 출력 신호를 RMS 값으로 변환하는 RMS-DC 변환기; 및 상기 RMS-DC 변환기의 출력 신호를 이용하여 현 가공 상태를 표준 가공 상태와 동시에 출력하는 감시수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 전-증폭기의 게인은 10이상 1000이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 후 증폭기의 게인은 100이상 1000이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 필터의 대역 주파수는 200kHz 이상 1.2 Mhz 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 RMS-DC 컨버터의 평균시간은 10ms이상 500ms이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 감시수단은 공정별로 분류된 해당 표준 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 감시수단은 가공기의 가공상태 정보를 이용하여 해당 가공조건에 해당하는 표준 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 과제 해결 수단에 의하여 본 발명은 취성 재료 가공 장치의 이상 상태 가공 상황을 검출할 수 있어 시동 시간 및 소재의 비용을 줄일 수 있는 효과가 있으며, 취성 재료의 최적 가공 조건과 균열, 치핑, 파손 등의 이상 상태를 검출할 수 있는 효과가 있으며, 또한 가공 중 가공 단면의 상태를 유추할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 감시시스템의 구성을 나타낸 구성도이며,
도 2는 본 발명에 적용되는 가공 공정 중 스퀘어 공정을 나타내는 구성도이며,
도 3은 본 발명의 스퀘어 가공 공정에서 블레이드와 잉곳의 상대적 위치를 설명하는 구성도이며,
도 4는 본 발명의 표면 가공 공정에서 연삭 숫돌과 잉곳의 상대적인 거리를 나타내는 구성도이며,
도 5는 본 발명의 스퀘어 공정 중 정상상태의 출력 신호를 나타내는 그래프이며,
도 6은 본 발명의 스퀘어 공정 중 이송 속도 이상에 따른 이상 상태를 나타내는 그래프이며,
도 7은 본 발명의 스퀘어 공정 중 블레이드의 휨에 따른 이상 상태를 나타내는 그래프이며,
도 8은 본 발명의 표면 가공 공정 중 정상 상태를 나타내는 그래프이며,
도 9는 본 발명의 표면 가공 공정 중 잉곳과 연삭 숫돌과의 접촉 불량 상태에 따른 이상 상태를 나타내는 그래프이며,
도 10은 본 발명의 표면 가공 공정 중 잉곳의 평탄도 불량에 의한 이상 상태를 나타내는 그래프이다.

이하 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

본 발명은 AE 신호를 처리하는 신호처리부와 상기 신호처리부에서 추출된 정보를 이용하여 고취성재료 가공 시 이상 상태를 감시하는 감시 수단으로 크게 구분된다.

취성 재료의 가공 특히 단결정의 실리콘 또는 사파이어 잉곳의 경우에는 주로 연삭 방식에 의하여 가공한다. 상기 재료는 충격에 약하여 가공시 균열(crack), 치핑(chipping) 또는 파손(fracture) 등이 생기기 쉬운 단점이 있다.

따라서 높은 품질의 제품을 생산하기 위해서는 잉곳의 연삭 가공 시 나타날 수 있는 이상 상태 즉, 가공 기계의 작동 시작(set up) 상태 이상, 컷팅 블래이드 마모, 연삭 휠 마모, 가공 조건 이상 등을 검출하여 작업자에게 상태를 알려줄 필요가 있다. 본 발명은 단결정 실리콘 또는 사파이어 잉곳과 같은 취성 재료가 균열 및 치핑 시 고주파의 AE 신호를 방출하는 특성에 착안하여 AE 센서에 의한 이상 상태를 검출할 수 있는 장치를 구현한 것에 특징이 있다.

본 발명의 감시 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 센서(10), 신호 처리 장치(100) 및 감시수단(200)으로 이루어져 있다.

상기 센서(10)는 잉곳 가공 시 미소 AE 신호를 검출하여 상기 신호 처리 종치에 송신하는 것으로 고증폭률과 우수한 필터링 기능을 갖추고 있어야 하며, 압전형으로 Pb(Zr, Ti)OB3B, BaTiOB3B 및 PbNbB2BOB3B 중 선택된 어느 하나이다.

상기 신호 처리 장치(100)는 상기 센서(10)의 신호를 증폭, 필터링, 컨버팅하여 컴퓨터에 출력하는 역할을 하는 것으로 전-증폭기(110), 후-증폭기(120), 필터(130), RMS-DC 변환기(140)를 포함하여 구성되며, 상기 요소들은 순차적으로 연결되어 신호를 처리한다.

상기 센서(10)은 상기 신호 처리 장치(100)와 인터페이스(150)를 매개로 연결된다. 상기 인터페이스(150)는 일반적인 연결 소켓이 적용되며, 필요한 경우에는 무선 방식의 인터페이스를 적용할 수 있다.

여기서 상기 전-증폭기(110)는 공구와 소재 사이에 마찰 및 마멸에 의한 미세 소재 제거시 발생하는 수 mV의 음향 신호를 수십~수백배로 증폭하는 역할을 한다. 이때 증폭기의 게인을 너무 크게 하면 고주파 신호 성분의 주파수 이득이 나빠지기 때문에 1000배 이하로 제한하는 것이 바람직하며, 최소 게인은 신호증폭을 위하여 적어도 10 이상으로 설정하는 것이 바람직하다.

상기 전-증폭기(110)에서 출력된 신호는 후-증폭기(120)로 입력된다. 상기 후-증폭기(120)는 주변 장치(예를 들면 RMS-DC 변환기)에서 신호처리하기 용이하도록 수백 내지 수천배로 입력된 신호를 증폭한다.

상기 후-증폭기(120)에 의해 증폭된 신호는 필터(130)에 의해 필터링된다. 상기 대역 필터(130)는 상기 후-증폭기(120)에 의해 증폭된 음향 신호 중에서 기계의 진동이나 전원 잡음 등의 저주파 신호와 주변기기에 의해서 들어오는 고주파 잡음을 제거하기 위한 목적으로 하이 패스 필터(high pass filter) 또는 밴드 패스 필터(band pass filter)를 사용한다.

상기 필터(130)의 통과 대역은 단결정 잉곳 가공 시 나타나는 원 신호의 주파수 분석에 의하여 설정하며, 바람직하게는 200kHz 내지 1.2MHz이다.

상기 필터를 통과한 음형 신호는 RMS-DC 변환기(140)에서 RMS신호로 변환된다. AE 원신호로부터 이상 상태를 현상을 검출하기에는 처리해야할 정보량이 너무 많아 컴퓨터의 처리 속도 및 메모리의 한계로 인해 실제 적용하기에는 어려움이 있어, 상기와 같이 고주파의 AE 원신호를 저주파의 RMS 값으로 변환한다. 상기 RMS-DC변환기(140)의 검출시간은 검출 신호의 주파수 특성을 고려하여 설정되며, 일반적으로 고주파일수록 검출시간을 짧게 설정해야 소재의 미세 제거시 발생하는 미소 AE 신호의 변화를 검출이 가능하며, 바람직하게는 10ms 내지 500ms이다.

상기 RMS-DC변환기(140)에서 출력된 음향신호는 출력 인터페이스(160)을 통하여 필요 시 오실로스코프에서 직접 관찰이 가능하며 또한 A/D 컨버터를 통해 컴퓨터에 입력되어 컴퓨터 상에 구현된 감시수단(200)에서 사용자에게 출력된다.

한편 상기 센서(10)는 고취성 가공기 중 AE 신호를 감지할 수 있는 위치에 설치되며, 바람직하게는 잉곳을 지지하는 척킹 지그에 장착한다.

다음은 감시수단(200)에 대하여 설명한다.

상기 감시수단(200)은 컴퓨터 상에 구현되는 것으로 상기 컴퓨터는 상기 신호처리장치(100)에서 출력되는 음향 신호의 디지털화를 위하여 A/D 컨버터를 내장하거나 외장형을 사용할 수 있다. 상기 A/D컨버터는 통상의 상업용 보드가 이용될 수 있다.

또한, 필요한 경우 상기 감시수단(200)은 DSP(Digiral Signal Processor) 를 장착한 독립된 신호처리장치를 통해 구현될 수 있으며, DSP에 내장된 A/D 컨버터를 활용할 수도 있다.

상기 감시수단(200)은 상기 A/D컨버터의 디지털 출력 신호를 매개로 소프트웨어적으로 구현된다.

또한 상기 감시수단(200)은 가공기의 공정 정보를 네트워크로 입력받아 가공기 작동 상태 정보를 이용할 수 있다.

또한 상기 감시수단(200)은 고취성 재료인 실리콘 단결정 또는 사파이어 단결정의 가공 특성을 고려하여 작업자에게 가공의 상태를 알려주는 기능을 수행하며, 대부분의 음향 신호(RMS값)는 그래프형태로 출력된다.

상기 감시수단(200)은 정상상태의 가공 신호를 가공기의 표준 형태의 신호로 획득하여 저장한다.

예를 들면, 가공기의 시동(set up) 시 가공기의 AE 신호, 원형의 잉곳을 사각 단면으로 가공하는 사각 가공에서의 AE 신호, 그리고 표면 가공에서 접촉하는 연삭기의 수와 연마 깊이 등 공정 조건을 고려한 AE 신호 등을 저장한다.

상기 표준 신호는 정상적인 가공이 수행된 것으로 향후 다른 연삭 작업에 대비하기 위한 표준 신호 역할을 한다.

실제 가공 시에는 AE 신호를 그래프 형태로 출력하되 상기 출력 그래프와 표준 그래프와 대비하여 동시에 출력하여 작업자가 이상 상태임을 쉽게 인식할 수 있게 한다.

다음은 상기 감시수단(200) 구현을 위하여 단결정 잉곳의 가공 공정과 공정 중 발생하는 이상 상태에 대하여 구체적으로 설명한다.

단결정 잉곳의 외형 가공은 스퀘어 가공과 표면 가공으로 구분되며, 스퀘어 가공 후에 표면 가공이 실시된다.

도 2에 도시된 바와 같이 상기 스퀘어 가공은 대략 원통형상의 잉곳(30)을 사각형의 단면을 갖는 사각 기둥으로 일부 외곽부를 블레이드(40a, 40b)에 의하여 절단하는 작업이다.

상기 블레이드(40)는 날 끝에 다이아몬드 입자가 융착되어 있다.

상기 블레이드(40)와 잉곳(30)의 상대적 위치가 도 3에 도시된 바와 같이 블레이드(40)이 우측부가 잉곳(30)에 진입할 때를 a, 그리고 잉곳(30) 모든 절단면에 블레이드(40)이 위치할 경우 b, 그리고 일부 블레이드(40)가 잉곳(30)에서 빠져나가는 위치를 c라 하면, 도 5에 도시된 바와 같이 정상 형태의 AE RMS신호를 얻을 수 있다. 여기서 정상상태는 가공이 끝난 후 단면의 상태로 판단하며, 단면이 균일한 표면을 갖는 경우에 정상으로 판단한다.

상기 도 5에 도시된 신호가 스퀘어 가공에서 표준 신호가 된다.

한편 스퀘어 가공에서 잉곳(30)의 이송속도 변화되는 경우에는 도 6에 도시된 AE RMS신호를 얻는다.

도 6과 도 5를 비교하면, 그 차이점이 명확하다.

또한 블레이드(40)의 휨에 따른 이상 상태의 AE RMS 신호는 도 7에 도시된 바와 같다. 도 7 역시 표준 신호인 도 5와 차이를 명확히 나타낸다.

따라서 도 5의 표준 신호를 이용하는 경우 현재 가공 시 나타나는 신호와 대비하는 경우 현재의 가공이 정상인지 이상 상태인지 손쉽게 판단할 수 있다.

상기 스퀘어 가공의 후공정으로 연삭 숫돌을 이용하여 표면 고경면, 고평탄화를 위한 연삭 작업의 표면 가공이다.

상기 표면 가공은 도 4에 도시된 바와 같이 원주 단면에 숫돌(51)이 부착된 컵 형의 연삭 숫돌(50)을 이용하여 잉곳(30)의 표면을 가공한다.

상기 연삭 숫돌(50)이 잉곳(30)의 표면을 가공하는 절차를 살펴보면, 첫째로 상태 'I'와 같이 연삭 숫돌(50)의 우측면이 가공물의 표면을 가공하는 단계에서 출발한다.

그리고 가공이 진행되면 연삭 숫돌(50)의 좌측면도 잉곳(30)의 표면을 가공하는 단계 'II"에 진입한다. 이때는 연삭 숫돌(50)은 좌측면과 우측면이 동시에 잉곳의 표면을 연삭한다.

상기 단계를 지나면, 우측면은 잉곳(30)을 벗어나고 좌측면만이 잉곳(30)의 표면을 가공하는 'III' 상태가 된다.

마지막으로는 연삭 숫돌(50)의 좌측면이 잉곳(30)을 벗어나는 'IV' 상태에서 가공은 마무리된다. 이때 상태 'I'과 'II'사이를 a, 'II'와 'III'사이를 b, 'III'과 'IV'사이를 c라 각각 정의한다.

상기 표면 가공에서 정상 상태의 AE RMS 신호가 도 8에 도시되어 있다. 표면 가공에서도 정상 상태의 판정은 단면의 가공 상태를 보고 판단한다. 즉 균일한 표면을 얻는 경우 정상 상태로 판단하고 그외는 이상 상태로 판단한다.

상기 도 8에 도시된 바와 같이 연삭 숫돌(50)의 접촉면에 따라 기본적인 정보가 변화되며, 특히 c에서와 같이 연삭 숫돌(50)의 우측 부분이 잉곳(30)을 벗어나는 지점에서 신호가 급격히 줄어드는 경향을 나타내며, 신호의 DC 값은 a와 b는 동이하고 c에서 낮은 값을 나타낸다.

도 9는 연삭 숫돌(50)과 잉곳의 접촉 불량에 기인한 AE 신호이다. 신호의 DC값이 변화되는 특성을 나타낸다.

도 10은 잉곳(30)의 평탄도 불량인 경우의 AE 신호이다. 신호의 DC 값이 불연속되는 특성이 있다.

이상 상태인 도 9 및 도 10의 신호는 정상 상태의 도 8 신호와는 명확히 구분되므로 양 신호를 동시에 나타낼 경우 작업자는 손쉽게 현 가공 상태의 이상 유무를 확인할 수 있다.

상기 스퀘어 가공 또는 표면 가공에서의 정상 상태의 신호는 가공 조건에 따라 다양하게 얻을 수 있으며, 이러한 정상 상태의 정보는 DB에 저장하여 필요시 조건에 따라 상기 감시수단(200)에서 이용한다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

10: 센서 30: 잉곳
40a,b: 블레이드 50: 연삭 숫돌
51: 숫돌 100: 신호 처리 장치
110: 전-증폭기 120: 후-증폭기
130: 필터 140: RMS-DC 증폭기
150: 입력 인터페이스 160: 출력 인터페이스
200: 감시수단

Claims

스퀘어 가공 후 표면 가공으로 이어지는 취성 재료 가공 장치의 이상 상태를 감시하기 위한 취성 재료 가공 감시 장치에 있어서,
취성 재료를 척킹하는 척킹 지그에 장착되는 AE 센서;
상기 AE 센서의 신호를 증폭하는 전-증폭기;
상기 전-증폭기에서 출력되는 신호를 증폭하는 후-증폭기;
상기 후-증폭기에서 출력되는 신호를 필터링하는 필터;
상기 필터의 출력 신호를 RMS 값으로 변환하는 RMS-DC 변환기; 및
상기 RMS-DC 변환기의 출력 신호를 이용하여 현 가공 상태를 표준 가공 상태와 동시에 출력하는 감시수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 취성 재료 가공 감시 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 전-증폭기의 게인은 10이상 1000이하인 것을 특징으로 하는 취성 재료 가공 감시 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 후 증폭기의 게인은 100이상 1000이하인 것을 특징으로 하는 취성 재료 가공 감시 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 필터의 대역 주파수는 200kHz 이상 1.2 Mhz 이하인 것을 특징으로 하는 취성 재료 가공 감시 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 RMS-DC 컨버터의 평균시간은 10ms이상 500ms이하인 것을 특징으로 하는 취성 재료 가공 감시 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 감시수단은 공정별로 분류된 해당 표준 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 취성 재료 가공 감시 장치.
청구항 6에 있어서, 상기 감시수단은 가공기의 가공상태 정보를 이용하여 해당 가공조건에 해당하는 표준 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 취성 재료 가공 감시 장치.