KR20150139754A - 볼 스크루 예압 검출 시스템 및 검출 방법 - Google Patents

볼 스크루 예압 검출 시스템 및 검출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 볼 스크루 예압 검출 시스템은, 볼 스크루, 검출장치, 캡쳐장치, 및 처리장치를 포함한다. 볼 스크루는 예압을 갖는다. 검출장치는 볼 스크루의 회전속도 및 상태를 포함하는 작동 신호를 검출한다. 볼 스크루의 상태는 볼 스크루의 작동으로 발생하는 진동 또는 소리이다. 캡쳐장치는 검출장치에 연결된다. 처리장치는 작동 신호를 볼 통과 신호로 처리하고, 볼 통과 신호가 임계치를 초과할 경우, 볼 스크루의 예압이 소실된 것으로 판단한다. 이렇게 검출 시스템은 볼 스크루의 예압 상태를 확실하게 판단할 수 있다.

Description

볼 스크루 예압 검출 시스템 및 검출 방법{SYSTEM AND METHOD OF SURVEILLANCE OF PRELOAD OF BALL SCREW}
본 발명은 볼 스크루의 사용 가능한 수명의 판단에 관한 것으로, 특히 볼 스크루 예압 검출 시스템 및 검출 방법에 관한 것이다.
공작기계 산업의 발전에 따라, 공작기계의 위치 결정 정밀도에 대한 요구도 점점 높아지고 있다. 볼 스크루는 흔히 보는 전동소자로서, 높은 정밀도, 긴 수명 및 정역방향 고속 전동 등의 장점이 있다.
일반적으로, 출고 전에, 제조업자는 고객의 요구에 따라 볼 스크루에 예압을 주어 볼 스크루의 축방향 백래시(backlash)를 제거하여, 볼 스크루의 위치 결정 정밀도와 강성을 향상시킨다.
그러나 볼 스크루는 장시간 작동하면, 스크루, 볼 및 너트가 마모되므로 볼 스크루의 축방향 백래시가 발생하고, 볼 스크루의 예압이 점차 작아진다. 이는 볼 스크루의 위치 결정 정밀도 및 강성 모두가 따라서 낮아짐을 의미한다.
상기 설명으로부터 알 수 있듯이, 볼 스크루의 예압은 볼 스크루의 내부에 존재하므로 측정기기에 의해 예압을 직접 측정할 수 없다. 현재 예압 측정은 대부분 토크 측정기, 장력 측정기 또는 변위계로 진행된다. 대만 제I400438호 특허는 전동 소자의 검측 장치를 공개하였고, 이 검측 장치가 예압 유무를 판단하는 방식은 볼이 단위 시간 내에 홀 IC(Hall IC)를 통과하는 주파수(즉 볼 통과 주파수)를 이용하여, 판독장치에 의해 볼 통과 주파수(Ball Passing Frequency)와 미리 설정된 볼 통과 주파수 값을 비교하여, 볼 스크루에 예압이 아직도 존재하는지 여부를 판단하는 것이다.
그 밖에, 대만 제I407026호 특허는 볼 스크루 예압 손실 진단 방법 및 장치를 공개하였고, 힐버트 후앙 변환(Hilbert-Huang Transform)을 이용하여 멀티스케일 엔트로피 콤플렉시티 모델(Multiscale Entropy Complexity model)을 생성하여 볼 스크루의 예압을 진단한다.
볼 발명의 볼 스크루 예압의 검출 시스템 및 그 검출 방법은 볼 스크루의 볼 진동 또는 소리 등을 검출한 조건에 의해 볼 스크루 예압의 소실 여부를 판단함으로써 예압 소실 판단 정확성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 이루기 위하여, 본 발명은 볼 스크루, 검출장치, 캡쳐장치 및 처리장치를 포함하는 볼 스크루 예압 검출 시스템을 제공한다. 볼 스크루는 예압을 가지고, 검사장치는 볼 스크루의 회전 속도 및 상태를 포함하는 작동 신호를 검출하고, 상기 상태는 볼 스크루의 작동으로 발생하는 진동 또는 소리이다. 캡쳐장치는 검출장치에 연결되어 작동 신호를 수신한다. 처리장치는 캡쳐장치에 연결되고 임계치를 갖는다. 처리장치는 작동 신호를 볼 통과 신호로 처리하고, 볼 통과 신호가 임계치를 초과할 경우, 볼 스크루의 예압이 소실된 것으로 판단한다.
본 발명은 또한 아래의 단계를 포함하는 볼 스크루 예압 검출 방법을 제공한다. 우선, 검사장치는 작동 중의 볼 스크루의 작동 신호를 검사한다. 작동 신호는 볼 스크루의 회전 속도와 상태를 포함하고, 볼 스크루의 상태는 볼 스크루의 작동으로 발생되는 진동 또는 소리이다. 볼 스크루는 복수의 볼(ball) 및 적어도 하나의 리턴 파이프(return pipe)를 포함하고, 상기 볼은 리턴 파이프를 통과한다. 이어서, 캡쳐장치는 작동 신호를 수신한다. 그 다음, 처리장치는 작동 신호를 수신하고, 또한 임계치를 가진다. 계속하여 처리장치는 오더 추적 절차를 수행하여, 작동 신호를 분석함으로써 볼 통과 주파수 오더를 추적한다. 볼 통과 주파수 오더는 볼 스크루의 볼 공전 속도와 관련이 있다. 그 다음, 처리장치는 볼 통과 분석 절차를 수행하여, 볼 통과 주파수 오더에 따라 대응되는 볼 통과 신호를 찾아낸다. 마지막으로, 처리장치는 볼 통과 신호가 임계치를 초과할 경우, 볼 스크루의 예압이 소실된 것으로 판단하고, 볼 통과 신호가 임계치를 초과하지 않았을 경우, 볼 스크루의 예압이 소실되지 않은 것으로 판단한다.
본 발명의 볼 스크루 예압 검출 시스템 및 검출 방법은 종래 기술에 비해 볼 스크루의 예압을 더 정확하게 판단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 볼 스크루 예압 검출 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 볼 스크루 예압 검출 방법의 단계 흐름도이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 검출 시스템 및 검출 방법을 이용하여 얻은 검출 결과 도면이다.
도 4는 도 2의 오더(order) 순차 추적 절차의 상세 흐름도이다.
이하, 각 도면과 바람직한 실시예를 결합하여 본 발명의 볼 스크루 예압 검출 시스템 및 검출 방법의 구성, 측정 결과 및 효과에 대해 설명한다. 그러나 각 도면에서의 볼 스크루 예압 검출 시스템 및 검출 방법의 구성 및 측정 결과 또는 본 발명의 상세한 설명 및 본 발명을 실시하기 위한 특정 실시예는 단지 본 발명의 기술특징을 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명의 특허청구범위를 한정하는 것이 아니다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 볼 스크루 예압 검출 시스템(10)은 볼 스크루(11), 검출장치(12), 캡쳐장치(13) 및 처리장치(14)를 포함한다. 볼 스크루(11)는 이미 광범위하게 응용되고 있으며, 그 구조, 작동 역시 본 분야의 통상의 기술자가 잘 알고 있는 부분이나, 볼 스크루(11)는 외순환 방식, 내순환 방식 또는 엔드 캡 순환 방식을 불문하고, 모두 스크루, 너트, 복수의 볼 및 적어도 하나의 리턴 파이프를 구비한다. 볼 스크루(11)가 작동 시, 상기 볼은 각각 스크루와 너트 사이에서 이동하면서 리턴 파이프를 통과하나, 이 또한 모두 종래기술이므로 이에 대해 더 이상 설명하지 않는다.
검출장치(12)는 볼 스크루(11)의 작동 신호를 검출한다. 작동 신호는 볼 스크루(11)의 회전 속도 및 상태를 포함하고, 볼 스크루의 상태는 볼 스크루(11)의 작동으로 발생하는 진동 또는 소리이다.
캡쳐장치(13)는 검출장치(12)에 연결되어 작동 신호를 수신한다.
처리장치(14)는 캡쳐장치(13)에 연결되고, 임계치를 가지며, 작동 신호를 볼 통과 신호로 처리하고, 볼 통과 신호가 임계치를 초과할 경우, 볼 스크루의 예압(preload, 預壓)이 소실된 것으로 판단한다.
이상, 본 발명의 볼 스크루 예압 검출 시스템(10)의 구성 및 각 장치의 기능을 설명하였고, 검출 시스템(10)은 볼 스크루(11)의 예압을 효과적으로 검출할 수 있다. 이어, 본 발명의 볼 스크루 예압 검출 방법을 상세하게 설명한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 볼 스크루 예압 검출 방법은,
검출장치가 작동 중의 볼 스크루의 작동 신호를 검출하는 단계 S20;
캡쳐장치가 작동 신호를 수신하는 단계 S21;
처리장치가 작동 신호를 수신하는 단계 S22;
처리장치가 오더 추적 절차를 수행하여, 작동 신호를 분석함으로써 볼 스크루의 볼 공전 속도와 관련이 있는 볼 통과 주파수의 오더를 추적하는 단계 S23;
처리장치가 볼 통과 분석 절차를 수행하여, 볼 통과 주파수의 오더에 따라 대응되는 볼 통과 신호를 찾아내는 단계 S24;
처리장치가 임계치를 제공하는 단계 S25;
처리장치가 임계치에 따라 볼 스크루 예압의 소실 여부를 판단하는 단계 S26;
볼 통과 신호가 임계치를 초과할 경우, 볼 스크루 예압이 소실된 것으로 판단하는 단계 S27;
볼 통과 신호가 임계치를 초과하지 않을 경우, 볼 스크루 예압이 소실되지 않은 것으로 판단하는 단계 S28을 포함한다.
이렇게 본 발명의 검출 방법은 볼 스크루가 작동하는 과정에서 검출장치에 의해 작동 신호를 직접 검출하고, 캡쳐장치 또한 작동 신호를 수신한 후 처리장치로 전송하여 처리장치가 처리, 분석 및 판단하게 한다(즉 단계 S22~S28).
볼 스크루가 일정 시간 또는 일정 거리를 작동하는 과정에서, 검출장치는 지속적으로 단계 S20을 수행하고, 동일하게, 캡쳐장치도 지속적으로 단계 S21을 수행하고, 처리장치도 지속적으로 단계 S22~S28을 수행한다. 그러므로 본 발명의 볼 스크루 예압 검출 시스템 및 검출 방법을 통해 도 3의 결과를 얻을 수 있다. 도 3에서 횡축은 볼 스크루의 작동 거리를 표시하고, 단위는 킬로미터(Km)이고, 종축은 볼 스크루의 진동량을 표시한다. 도면을 살펴보면, 볼 스크루의 작동 거리가 630킬로미터를 초과하면 볼 통과 진동량이 빠르게 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 볼 스크루의 스크루, 볼 및 너트 간의 마모로 인해 볼 스크루의 축방향 백래시가 발생하여, 볼 스크루의 예압이 현저하게 줄어드나, 볼 스크루가 사용하지 못할 정도에 이르지 않았음을 의미하며, 이는 볼 통과 신호가 아직 임계치(도면의 점선과 같음)를 초과하지 않기 때문이다. 이 실시예에서 임계치는 0.1m/s2로 설정되었으나, 실제로 임계치의 설정 값은 볼 스크루가 다름에 따라 차이가 있다. 따라서, 임계치의 설정 값은 0.1m/s2에 한정되지 않는다.
그러나 볼 스크루가 계속 작동함에 따라 680Km를 초과하면, 볼 통과 신호는 임계치를 초과하였다. 다시 말하면, 처리장치는 볼 스크루 예압이 소실된 것으로 판단한다. 비록 볼 스크루는 예압이 소실된 것으로 판단되나, 볼 스크루의 예압이 전혀 없음을 의미하는 것이 아니라, 볼 스크루 자체의 잔존 예압이 부족함을 의미하므로 교체해야 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 오더 추적 절차(단계 S23)는 아래 단계를 더 포함한다:
처리장치가 추적 오더를 구축하고(단계 S231), 추적 오더의 노이즈(noise)를 필터링하여(단계 S232), 볼 통과 주파수 오더를 획득한다(단계 S233). 추적 오더는 처리장치 내에서 구조 방정식 및 데이터 방정식으로 구축되고, 노이즈 필터링은 구조 방정식 및 데이터 방정식을 이용하여 추적 오더의 노이즈를 분리해낸다. 마지막으로 처리 장치 내에 수학 최적화 방법(예를 들면 최소 평방법)을 더 구축하고, 그 기능은 노이즈를 필터링 제거하여, 볼 통과 신호가 볼 스크루 자체의 진동 또는 소리에 더 근접하게 하는 것이다. 다시 말하면, 처리장치는 신호처리를 통해 볼 진동 또는 소리 이외의 노이즈를 필터링하여 제거함으로써 예압을 감시하는 정확성을 향상시킨다.
상술한 설명에서 알 수 있듯이, 볼 통과 주파수 오더는 볼의 공전 속도와 관련이 있고, 볼 통과 신호는 볼과 충돌하여 발생하는 진동 또는 소리와 관련이 있고, 노이즈는 볼 스크루의 볼 자체에 의해 발생되는 진동 또는 소리가 아닌 것을 가리킨다. 다시 말하면, 볼 통과 신호는 볼과 관련이 있고, 노이즈는 볼 이외의 소자(예를 들면 스크루 및 너트 등)가 발생시키는 진동 또는 소리이다.
특히 전술한 실시예에서 작동 신호는 볼 스크루의 회전 속도 및 실제 작동 상태(즉 진동)를 고려하였으나, 실제로 작동 신호는 볼 스크루 작동에서 발생되는 소리를 관찰에 포함시킬 수 있다. 이렇게 하면 볼 스크루 예압 판단 정확성을 향상시킬 수 있다.
상기 내용을 종합하면, 본 발명의 스크루 예압 검출 시스템 및 검출 방법은 종래기술의 방식에 비해 기타 진동 또는 소리원에 의해 발생되는 간섭을 제거하고, 작동 중의 볼 스크루의 실제 볼 통과 진동 또는 소리 상황을 직접 관찰하는 것을 통해 비교적 정확한 예압 판단을 할 수 있다.
본 발명의 상기 실시예에서 공개한 구성요소는 단지 예를 들어 설명하기 위한 것일 뿐이지, 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니며, 등가 소자에 의한 대체 또는 변경도 본 발명의 청구범위에 포함된다.
10: 검출 시스템
11: 볼 스크루
12: 검출장치
13: 캡쳐장치
14: 처리장치
S20~S28, S241~S243: 단계

Claims (5)

  1. 예압(preload)을 갖는 볼 스크루(ball screw);
    상기 볼 스크루의 작동으로 발생되는 진동 또는 소리를 나타내는 볼 스크루의 상태 및 상기 볼 스크루의 회전속도를 포함하는 작동 신호를 검출하는 검출장치;
    상기 검출장치에 연결되어 상기 작동 신호를 수신하는 캡쳐장치; 및
    상기 캡쳐장치에 연결되고, 임계치를 가지며 상기 작동 신호를 볼 통과 신호로 처리하고, 상기 볼 통과 신호가 상기 임계치를 초과할 경우, 상기 볼 스크루의 예압이 소실된 것으로 판단하는 처리장치;
    를 포함하는 볼 스크루 예압 검출 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 볼 스크루는 복수의 볼(ball) 및 적어도 하나의 리턴 파이프(return pipe)를 포함하고, 상기 볼은 상기 리턴 파이프를 통과하고, 상기 처리장치는 상기 작동 신호를 분석하여 볼 통과 주파수 오더(ball pass frequency order)를 추적하여, 상기 볼 통과 주파수 오더에 따라 대응되는 상기 볼 통과 신호를 찾아내어 상기 임계치와 비교하고, 상기 볼 통과 주파수 오더는 상기 볼 스크루의 볼 공전 속도와 관련이 있는, 볼 스크루 예압 검출 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 처리장치는 추적 오더를 구축하고, 상기 추적 오더의 노이즈(noise)를 필터링하여 상기 볼 통과 주파수 오더를 획득하고, 상기 노이즈는 상기 볼 스크루의 볼 자체에 의해 발생된 진동 또는 소리가 아닌 것을 가리키는, 볼 스크루 예압 검출 시스템.
  4. 검출장치가 작동 중에 있는, 복수의 볼 및 적어도 하나의 리턴 파이프를 포함하고 상기 볼이 상기 리턴 파이프를 통과하는 볼 스크루의 작동 신호, 즉 볼 스크루의 작동으로 발생되는 진동 또는 소리를 나타내는 볼 스크루의 상태 및 볼 스크루의 회전속도를 포함하는 작동 신호를 검출하는 단계;
    캡쳐장치가 상기 작동 신호를 수신하는 단계;
    임계치를 가진 처리장치가 상기 작동 신호를 수신하는 단계;
    상기 작동 신호를 분석하여 상기 볼 스크루의 볼 공전 속도와 관련이 있는 볼 통과 주파수 오더를 추적하는 오더 추적 절차를 상기 처리장치가 수행하는 단계;
    상기 볼 통과 주파수 오더에 따라 대응되는 볼 통과 신호를 찾아내는 볼 통과 분석 절차를 상기 처리장치가 수행하는 단계; 및
    상기 처리장치는 상기 볼 통과 신호가 상기 임계치를 초과할 경우, 볼 스크루의 예압이 소실된 것으로 판단하고, 상기 처리장치는 상기 볼 통과 신호가 상기 임계치를 초과하지 않을 경우, 볼 스크루의 예압이 소실되지 않은 것으로 판단하는 단계;
    를 포함하는 볼 스크루 예압 검출 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 처리장치가 수행하는 상기 볼 통과 분석 절차는 추적 오더를 구축하고, 상기 추적 오더의 노이즈를 필터링하여, 상기 볼 통과 주파수 오더를 획득하는 것을 포함하고, 상기 노이즈는 볼 스크루의 볼 자체에 의해 발생되는 진동 또는 소리가 아닌 것을 가리키는, 볼 스크루 예압 검출 방법.
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