KR20170066818A

KR20170066818A - 절삭 작업을 위한 공구의 마모 및 파손 감지 방법

Info

Publication number: KR20170066818A
Application number: KR1020150172943A
Authority: KR
Inventors: 오영교; 메르니쳐 알렉스; 윤여찬; 방태형; 저커맨 마크; 패인스테인 보리스; 타바흐니 에드워드; 라비노비치 시몬
Original assignee: 현대위아 주식회사; 오마트 엘티디.
Priority date: 2015-12-07
Filing date: 2015-12-07
Publication date: 2017-06-15
Also published as: KR101867136B1

Abstract

본 발명은 공구의 마모 및 파손 감지 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 절삭 작업을 위해 회전하는 공구의 진동 스펙트럼 주파수 성분을 분석하여 실시간으로 공구의 마모 및 파손을 정확하게 감지할 수 있는 절삭 작업을 위한 공구의 마모 및 파손 감지 방법에 관한 것이다.

Description

절삭 작업을 위한 공구의 마모 및 파손 감지 방법{Method of tool wear and breakage detection for material cutting operations}

일반적으로 주축에 공구를 장착하여 가공물을 절삭 가공하는 형태의 공작기계는 공구와 가공물 간의 절삭 저항에 의해 공구의 점진적인 마모가 발생하고, 가공 공정 중, 다양한 원인에 의해 공구의 파손이 발생하게 된다.

이러한 공구의 마모 및 파손은 가공품의 가공불량을 야기한다.

한편, 가공불량의 판단은 가공 종료 후, 최종 검사 단계에서 이루어지는데, 불량 발생 후 최종 검사가 이루어지기 전까지 생산 라인에 정체된 가공품은 모두 가공 불량으로 판단되므로 생산성이 낮아지게 된다.

더불어 마모나 파손된 공구의 교체에 따른 공작기계의 비가동 시간이 증가하게 되며 이 역시 생산성 하락의 한 원인이 된다.

따라서, 절삭 작업 중 공구의 마모 및 파손을 실시간으로 정확하게 감지하여 생산성을 향상시키고 가공품의 가공 정밀도 및 조도를 향상시킬 수 있는 공구의 마모 및 파손 감지 방법을 개발하고자 하는 요구가 있다.

본 발명은 상술한 요구를 충족시키기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 절삭 작업 중에 공구의 마모 및 파손을 실시간으로 감지하여 생산성 및 가공품의 가공 정밀도를 향상시킬 수 있는 공구의 마모 감지 방법 및 파손 감지 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 절삭 작업을 위한 공구의 마모 감지 방법으로서, 절삭 작업 중, 소정의 샘플링 주기로 공구의 진동을 검출하여 진동량을 계산하는 단계; 및 이전 샘플링 시간과 현재 샘플링 시간의 진동량 변화분을 계산하고, 상기 진동량 변화분이 소정의 기준 변화분보다 클 경우 마모가 발생한 것으로 감지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공구의 마모 감지 방법을 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 진동량을 계산하는 단계:는, 칼날 개수에 따른 칼날 조화 주파수들을 계산하는 단계; 절삭 작업이 개시되고, 공구의 진동을 검출하는 단계; 및 검출된 진동신호를 푸리에 변환하여 각 칼날 조화 주파수의 실효 진폭값을 계산하고, 계산된 실효 진폭값들을 곱하여 진동량을 계산하는 단계;를 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 절삭 작업은 소정의 사이클로 수행되고, 상기 공구의 진동은 한 사이클동안 소정의 샘플링 주파수로 검출되며, 상기 진동량의 계산은 각 샘플링마다 수행되고, 상기 진동량을 계산하는 단계 이후에, 각 사이클 동안 진동량을 평균하여 진동 총량을 계산하는 단계;를 더 포함하고, 상기 진동 총량의 계산 이후에, 이전 사이클과 현재 사이클의 진동 총량 변화분을 계산하고, 상기 진동 총량 변화분이 소정의 기준 변화분보다 클 경우 마모가 발생한 것으로 감지한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 실효 진폭값은 해당 칼날 조화 주파수, 해당 칼날 조화 주파수에 소정의 주파수를 더한 상위 주파수 및 해당 조화 주파수에 소정의 주파수를 뺀 하위 주파수의 평균 실효 진폭값으로 계산된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 칼날 조화 주파수는 아래의 수학식 1에 의해 계산된다.

[수학식 1]

여기서, f_H(i)은 상기 칼날 조화 주파수, RPM은 공구의 분당 회전수, flutes는 공구의 칼날 개수, i은 상기 칼날 조화 수파수의 각 차수(1,...,n)이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 진동량은 아래의 수학식 2에 의해 계산된다.

[수학식 2]

여기서, A_v는 상기 진동량, FFT(f_H(i))는 i차수의 칼날 조화 주파수의 진폭, n은 상기 칼날 조화 주파수의 최고 차수이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 진동 총량은 아래의 수학식 3에 의해 계산된다.

[수학식 3]

여기서, Q_v는 상기 진동 총량, N은 한 사이클 당 샘플링 수, A_v(k)는 k번째 샘플링에서의 진동량이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 진동 총량 변화분은 아래의 수학식 4에 의해 계산된다.

[수학식 4]

여기서, m은 상기 진동 총량 변화분, C_(K)는 현재 사이클 번호, Q_v(K)는 현재 사이클의 진동 총량이다.

또한, 본 발명은 컴퓨터와 결합하여 상기 공구의 마모 감지 방법을 수행하기 위한 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체에 컴퓨터 프로그램을 더 제공한다.

또한, 본 발명은 동일한 사양의 두 가공물을 정상 공구를 이용하여 각각 잘삭 작업을 수행하고, 절삭 작업 중에 발생하는 공구의 진동을 소정의 샘플링 주기로 측정하며, 두 절삭 작업 간의 진동량 변화값(이하, '학습 진동량 변화값')을 각 샘플링마다 계산하여 학습 데이터 배열로 저장하는 단계; 및 실제 가공물을 현재 공구를 이용하여 절삭 작업을 수행하고, 절삭 작업 수행동안 소정의 샘플링 주기로 공구의 진동을 측정하며, 최초 샘플링과 현재 샘플링의 진동량 변화값(이하, '현재 진동량 변화값')을 계산하여, 상기 현재 진동량 변화값과 상기 학습 데이터 배열의 학습 진동량 변화값들 중, 상기 현재 샘플링에 대응하는 샘플링의 학습 진동량 변화값의 비율이 소정의 임계 비율 이상일 경우 상기 현재 공구가 파손된 것으로 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공구의 파손 감지 방법을 더 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 학습 데이터 배열을 저장하는 단계;는, 소정의 가공물(이하, '제1 가공물')을 정상공구(이하, '제1 정상공구')로 절삭 작업하는 동안 소정의 샘플링 주기로 상기 제1 정상공구의 진동을 측정하여, 각 샘플링별로 상기 제1 정상공구의 회전 조화 주파수들에 해당하는 진폭 실효치를 데이터 배열(이하, '제1 데이터 배열')로 획득하는 단계; 상기 제1 가공물과 동일한 사양의 가공물(이하, '제2 가공물')을 상기 제1 정상공구와 동일한 사양의 정상공구(이하, '제2 정상공구')로 절삭 작업하는 동안 소정의 샘플링 주기로 상기 제2 정상공구의 진동을 측정하여 각 샘플링별로 상기 제2 정상공구의 회전 조화 주파수들에 해당하는 진폭 실효치를 데이터 배열(이하, '제2 데이터 배열')로 획득하는 단계; 및 각 샘플링별로 제1 데이터 배열과 제2 데이터 배열의 차이값을 더하여 각 샘플링별 진폭 변화값을 계산하고, 상기 진폭 변화값을 상기 학습 진동량 변화값으로 하여 상기 학습 데이터 배열로 저장하는 단계;를 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 현재 공구의 파손을 판단하는 단계;는, 상기 현재 공구로 실제 절삭 작업을 시작되고, 소정의 샘플링 주기로 상기 현재 공구의 진동을 측정하며, 최초 샘플링시 상기 현재 공구의 회전 조화 주파수들에 해당하는 진폭 실효치(이하, '최초 진폭 실효치')를 획득하는 단계; 현재 샘플링에 의해 측정된 진동을 상기 회전 조화 주파수들에 해당하는 진폭 실효치(이하, '현재 진폭 실효치')로 계산하고, 상기 최초 진폭 실효치와 상기 현재 진폭 실효치의 차이값을 더하여 상기 현재 진동량 변화값을 계산하는 단계; 및 상기 현재 진동량 변화값과 상기 학습 데이터 배열의 학습 진동량 변화값들 중, 현재 샘플링에 대응하는 샘플링의 학습 진동량 변화값의 비율을 계산하고 계산된 비율이 소정의 임계 비율 이상일 경우 상기 현재 공구가 파손된 것으로 판단하는 단계;를 포함한다.

또한 본 발명은 컴퓨터와 결합하여 상기 공구의 파손 감지 방법을 수행하기 위한 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램을 더 제공한다.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.

본 발명의 공구의 마모 및 파손 감지 방법에 의하면 공구의 진동 스펙트럼 주파수 성분의 변화를 이용하여 마모 및 파손 감지를 실시간으로 정밀하게 수행할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공구의 마모 및 파손 감지 방법을 수행하기 위한 마모 및 파손 감지 시스템을 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공구의 마모 감지 방법의 흐름도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공구의 마모 감지 방법의 칼날 조화 주파수를 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공구의 마모 감지 방법에서 공구의 마모를 판단하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공구의 파손 감지 방법의 흐름도이다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공구의 마모 및 파손 감지 방법을 수행하기 위한 마모 및 파손 감지 시스템을 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공구의 마모 및 파손 감지 방법을 수행하기 위한 마모 및 파손 감지 시스템(100)은 진동 센서(110), 데이터 수집 장치(120) 및 연산장치(130)를 포함하여 이루어진다.

상기 진동 센서(110)는 공작기계(10)의 주축에 부착되어 공구의 진동을 검출한다.

또한, 상기 진동 센서(110)는 가속도 센서나 자이로 센서로 구비될 수 있다.

상기 데이터 수집 장치(120,DAQ)는 상기 진동 센서(110)로 부터 진동 신호를 입력받아 실시간으로 고속 푸리에 변환(FFT:fast Fourier transform)하여 출력한다.

상기 연산 장치(130)는 상기 데이터 수집 장치(120)로부터 고속 푸리에 변환된 진동 데이터를 입력받고 소정의 마모 감지 알고리즘 및 파손 감지 알고리즘을 통해 본 발명의 마모 및 파손 감지 방법을 수행한다.

또한, 상기 연산 장치(130)는 일반적인 퍼스널 컴퓨터뿐만 아니라 본 발명의 위해 특별히 제작되어 상기 공작기계(10)에 장착가능한 임베디드 장치 등, 컴퓨터의 기능을 수행할 수 있는 광의의 컴퓨팅 장치이다.

또한, 상기 연산 장치(130)에는 상기 마모 감지 알고리즘 및 파손 감지 알고리즘을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 저장된다.

또한, 상기 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 기록되어 별도로 제공될 수 있으며, 상기 기록매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되어 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야에서 통상의 지식을 가진 자에서 공지되어 사용 가능할 것일 수 있다.

예를 들면, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD, DVD와 같은 광 기록 매체, 자기 및 광 기록을 겸할 수 있는 자기-광 기록 매체, 롬, 램, 플래시 메모리 등 단독 또는 조합에 의해 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치일 수 있다.

또한, 상기 컴퓨터 프로그램은 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등이 단독 또는 조합으로 구성된 프로그램일 수 있고, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라, 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드로 짜여진 프로그램일 수 있다.

이하에서는 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 공구의 마모 감지 방법을 상세히 설명한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공구의 마모 감지 방법은 크게 공구의 진동량을 계산하는 단계(S1000)와 계산된 진동량을 기반으로 마모의 발생 여부를 감지하는 단계(S2000)로 이루어진다.

상기 진동량을 계산하는 단계(S1000)는 절삭 작업 중 소정의 샘플링 주기로 공구의 진동을 검출하여 진동량을 계산하는 단계이다.

먼저, 절삭 작업 개시 전에 먼저, 칼날 조화 주파수를 계산한다(S1100).

또한, 상기 칼날 조화 주파수란 공구의 칼날 주파수의 정수배인 조화 주파수들(Harmonic Frequency)을 의미하는 것으로 본 발명에서는 도 3에 도시한 바와 같이 1 에서 5 배수(차수)의 칼날 주파수를 칼날 조화 주파수로 설정하였다.

그러나, 상기 칼날 주파수의 모든 조화 주파수를 상기 칼날 조화 주파수로 설정할 수 있다.

다만, 의미있는 진동 정보만을 이용하여 빠르게 마모를 감지하기 위해서는 상기 칼날 조화 주파수를 칼날 주파수의 1 에서 5 배수에 해당하는 주파수들로 설정하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 칼날 조화 주파수는 아래의 수학식 1을 이용하여 계산할 수 있다.

[수학식 1]

여기서, f_H(i)은 상기 칼날 조화 주파수, RPM은 공구의 분당 회전수, flutes는 공구의 칼날 개수, i은 상기 칼날 조화 수파수의 각 배수(1,...,n)이다

또한, 공구의 분당 회전수를 60으로 나눈 값은 공구의 회전 주파수(tool rotation frequency)이고 공구의 회전 주파수의 칼날 개수를 곱한 값은 칼날 주파수가 된다.

다음, 절삭 작업이 개시되고(S1200), 상기 진동 센서(110)가 상기 공구의 진동을 검출한다(S1300).

또한, 상기 진동 센서(110)는 소정의 샘플링 주기로 공구의 진동을 검출한다.

다음, 상기 데이터 수집 장치(120)가 상기 진동 센서(110)가 검출한 진동신호를 수집하여 고속 푸리에 변환을 수행한 후(S1400), 주파수 성분에 관한 정보를 상기 연산 장치(130)로 전송한다.

다음, 상기 연산 장치(130)는 각 칼날 조화 주파수의 실효 진폭값(RMS)을 계산하고(S1500), 계산된 실효 진폭값들을 모두 곱하여 진동량을 계산한다(S1600).

또한, 상기 진동량을 아래의 수학식 2를 이용하여 계산된다.

[수학식 2]

여기서, A_v는 상기 진동량, FFT(f_H(i))는 i차수의 칼날 조화 주파수의 진폭(주파수 성분), n은 상기 칼날 조화 주파수의 최고 차수(본 발명의 실시예서는 '5')이다.

또한, 상기 수학식 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에서는 상기 실효 진폭값을 해당 칼날 조화 주파수(f_H(i)), 해당 칼날 조화 주파수에 '1'을 더한 상위 주파수(f_H(i)+1), 해당 칼날 조화 주파수에 '1'을 뺀 하위 주파수(f_H(i)-1)의 평균 실효 진폭값으로 계산하여 실효 진폭값의 계산오차를 최소화하였다.

또한, 상기 상위 주파수와 상기 하위 주파수의 계산을 위해 더해지거나 빼지는 주파수 값 '1'은 설계자에 따라 다른 값으로 변경이 가능하다.

또한, 상기 진동량은 진동을 검출하는 각 샘플링마다 계산된다.

또한, 상기 절삭 작업은 소정의 사이클로 수행되는데 한 사이클 내에서 소정의 샘플링 주파수로 진동이 검출된다.

즉, 한 사이클의 절삭 작업 동안 복수의 진동량이 계산되는 것이다.

다음, 상기 진동량들을 평균하여 한 사이클 동안의 진동량인 진동 총량을 계산한다(S1700).

또한, 상기 진동 총량은 아래의 수학식 3에 의해 계산된다.

[수학식 3]

다음, 계산된 진동 총량을 기반으로 마모의 발생여부를 감지한다(S2000).

또한, 마모 발생은 상기 진동 총량의 변화정도를 계산하여 감지된다.

본 발명에서는 현재 사이클의 진동 총량과 이전 사이클의 진동 총량 변화분이 소정의 기준 변화분보다 클 경우(S2100), 마모가 발생한 것으로 판정하였으며(S2200), 상기 진동 총량 변화분은 아래의 수학식 4에 의해 계산할 수 있다.

또한, 상기 진동 총량 변화분은 도 4에 도시한 바와 같이 현재 사이클(C_(k))의 진동 총량(Q_v(k))과 이전 사이클(C_(k-1))의 진동 총량(Q_v(k-1))의 기울기와 같다.

[수학식 4]

다만, 마모 발생의 감지는 진동 총량의 변화분이 아닌 각 샘플링 시간에 계산되는 진동량의 변화분을 이용하여 판단이 가능하다.

이하에서는 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 공구의 파손 감지 방법을 상세히 설명한다.

또한, 상기 공구의 파손 감지 방법은 전술한 마모 감지 방법과 병렬적으로 수행될 수 있고, 동시에 수행될 수 있다.

또한, 상기 공구의 파손 감지 방법은 크게 학습 모드(S3000)와 파손 감지 모드(S4000)를 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 학습 모드(S3000)는 동일한 사양의 두 가공물을 각각 동일한 사양의 정상 공구를 이용하여 잘삭 작업을 수행하고, 절삭 작업 중에 발생하는 공구의 진동을 소정의 샘플링 주기로 측정하며, 두 절삭 작업 간의 진동량 변화값(이하, '학습 진동량 변화값')을 각 샘플링마다 계산하여 학습 데이터 배열로 저장하는 과정이다.

즉, 상기 학습 모드(S3000)는 비교의 기준이 되는 진동량 변화값을 획득하는 과정이다.

더욱 자세하게는, 상기 학습 모드(S3000)는 먼저, 제1 가공물을 제1 정상공구로 가공한다(S3100).

다음, 소정의 샘플링 주기로 상기 제1 정상공구의 진동을 측정하며, 각 샘플링별로 상기 제1 정상공구의 회전 조화 주파수들의 성분(the vibration spectra frequency component)의 진폭 실효치를 계산하여 제1 데이터 배열을 획득한다(S3200).

또한, 상기 회전 조화 주파수는 공구의 분당 회전수를 60으로 나눈 회전 주파수의 조화 주파수이다.

또한, 상기 회전 조화 주파수는 상기 수학식 1에서 보인 칼날 조화 주파수와 비교하여 소정의 차수 범위 내의 회전 주파수가 이닌 전체 회전 조화 주파수이다.

그러나, 의미있는 차수 범위 내의 회전 조화 수파수들의 성분들만을 진폭 실효치로 계산하여 상기 제1 데이터 배열을 획득할 수 있다.

또한, 상기 제1 데이터 배열은 아래의 수학식 5와 같이 표현할 수 있다.

[수학식 5]

여기서, a _l ¹ⁿ은 상기 진폭 실효치이며, l은 회전 주파수의 배수인 진동 스펙트럼 주파수 성분의 개수로써 회전 주파수의 차수에 대응하는 수이며, 1은 상기 제1 데이터 배열의 식별을 위한 수이고, n은 샘플링 수이다.

다음, 제2 가공물을 제2 정상공구로 가공한다(S3300).

또한, 상기 제2 정상공구의 가공 중에 소정의 샘플링 주기로 진동을 검출하고, 제2 데이터 배열을 획득한다(S3400)

또한, 상기 제2 데이터 배열은 상기 제1 데이터 배열의 획득과정과 동일하며 서소 대응하는 집합이므로 자세한 설명은 생략한다.

또한, 상기 제2 데이터 배열은 아래의 수학식 6과 같이 표현할 수 있다.

[수학식 6]

다음, 상기 제1 데이터 배열과 상기 제2 데이터 배열의 차이값 즉, 각 회전 조화 주파수 성분의 진폭 변화, 즉, 진동량 변화값(이하 '학습 진동량 변화값')을 계산하여 학습 데이터 배열로 저장한다(S3500).

또한, 상기 학습 진동량 변화값은 아래의 수학식 7을 이용하여 계산된다.

[수학식 7]

여기서, n은 샘플링 수이고, l은 회전 주파수의 배수인 진동 스펙트럼 주파수 성분의 개수로써 회전 주파수의 차수에 대응하는 수이고, L은 학습된 진동량 변화값이라는 표시이다.

즉, 상기 학습 진동량 변화값은 상기 제1 데이터 배열과 상기 제2 데이터 배열의 값들 중, 동일한 샘플링 시간과 진동 스펙트럼 주파수의 진폭 실효치들을 차이값을 모두 더한 값으로 계산된다.

또한, 상기 학습 진동량 변화값은 아래의 수학식 8과 같이 각 샘플링 별로 계산되며 하나의 학습 데이터 배열로 저장된다.

[수학식 8]

여기까지가 학습 모드(S3000)이며, 학습 모드 종료 후, 실제 절삭 가공 중, 공구의 파손을 감지하는 파손 감지 모드(S4000)가 시작된다.

상기 파손 감지 모드(S4000)는 실제 가공물을 현재 공구를 이용하여 절삭 작업을 수행하고, 절삭 작업 수행동안 소정의 샘플링 주기로 공구의 진동을 측정하며, 최초 샘플링과 현재 샘플링의 진동량 변화값을 계산하여, 상기 학습 데이터 배열의 학습 진동량 변화값들 중, 상기 현재 샘플링에 대응하는 샘플링의 학습 진동량 변화값과 비교하여 현재 공구의 파손 여부를 판단하는 과정이다.

더욱 자세하게는, 먼저, 실제 가공물을 현재 공구로 가공을 시작한다(S4100).

다음, 소정의 샘플링 주기로 상기 현재 공구의 진동을 감지하고, 각 샘플링별로 상기 현재 공구의 회전 조화 주파수들에 해당하는 진폭 실효치를 계산하여 저장한다(S4200,S4300).

또한, 도 5에서는 설명의 편의를 위해 최초 샘플링 시간에 진폭 실효치를 계산하는 과정(S4200)과 현재 샘플링 시간에 진폭 실효치를 계산하는 과정(S4200)으로 구분하여 도시하였으나 실질적으로 각 샘플링 시간에 진폭 실효치가 각각 계산된다.

또한, 상기 현재 공구의 진폭 실효치는 상기 수학식 5에서 설명한 진폭 실효치와 유사한 방법으로 계산된다.

즉, 각 샘플링 별로 상기 현재 공구의 진폭 실효치들이 계산된다.

또한, 최초 샘플링 시, 감지된 진동에 대한 진폭 실효치를 최초 진폭 실효치로 정의하고, 현재 샘플링에서 감지된 진동에 대한 진폭 실효치를 현재 진폭 실효치로 정의한다.

다음, 최초 샘플링과 현재 샘플링 시간의 진폭 실효치 변화값을 계산하여 진동량 변화값(이하, '현재 진동량 변화값')을 획득한다(S4400).

또한, 상기 현재 진동량 변화값은 아래의 수학식 9와 같이 계산할 수 있다.

[수학식 9]

여기서, n은 샘플링 수이고, l은 회전 주파수의 배수인 진동 스펙트럼 주파수 성분의 개수로써 회전 주파수의 차수에 대응하는 수이고, T은 현재의 진동량 변화값이라는 표시이다.

즉, 상기 현재 진동량 변화값은 각 샘플링에 대해 계산되며, 상기 수학식 7에서 설명한 학습 진동량 변화값과 유사한 형태로 계산한 값이다.

다음, 상기 현재 진동량 변화값과 상기 학습 진동량 변화값을 서로 비교하여(S4500), 공구의 파손 여부를 검출한다(S4600).

또한, 비교되는 현재 진동량 변화값과 학습 진동량 변화값은 서로 동일한 샘플링 시간에 계산된 값이다.

또한, 본 발명에서는 상기 현재 진동량 변화값과 상기 학습 진동량 변화값의 비율이 임계 비율 이상일 경우(S4500), 상기 현재 공구가 파손된 것으로 감지하였으며, 아래의 수학식 10과 같이 현재 진동량 변화값에 학습 진동량 변화값을 나눈값이 소정의 임계비율 이상일 경우 상기 현재 공구가 파손된 것으로 판단할 수 있다.

[수학식 10]

또한, 상기 임계비율은 경험칙에 의한 비율(empiric coefficient)로써 설계자가 적절하게 선택하여 설정할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

100:마모 및 파손 감지 시스템 100:진동 센서
120:데이터 수집 장치 130:연산장치

Claims

절삭 작업을 위한 공구의 마모 감지 방법으로서,
절삭 작업 중, 소정의 샘플링 주기로 공구의 진동을 검출하여 진동량을 계산하는 단계; 및
이전 샘플링 시간과 현재 샘플링 시간의 진동량 변화분을 계산하고, 상기 진동량 변화분이 소정의 기준 변화분보다 클 경우 마모가 발생한 것으로 감지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공구의 마모 감지 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 진동량을 계산하는 단계:는,
칼날 개수에 따른 칼날 조화 주파수들을 계산하는 단계;
절삭 작업이 개시되고, 공구의 진동을 검출하는 단계; 및
검출된 진동신호를 푸리에 변환하여 각 칼날 조화 주파수의 실효 진폭값을 계산하고, 계산된 실효 진폭값들을 곱하여 진동량을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공구의 마모 감지 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 절삭 작업은 소정의 사이클로 수행되고, 상기 공구의 진동은 한 사이클동안 소정의 샘플링 주파수로 검출되며, 상기 진동량의 계산은 각 샘플링마다 수행되고,
상기 진동량을 계산하는 단계 이후에, 각 사이클 동안 진동량을 평균하여 진동 총량을 계산하는 단계;를 더 포함하고,
상기 진동 총량의 계산 이후에, 이전 사이클과 현재 사이클의 진동 총량 변화분을 계산하고, 상기 진동 총량 변화분이 소정의 기준 변화분보다 클 경우 마모가 발생한 것으로 감지하는 것을 특징으로 하는 공구의 마모 감지 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 실효 진폭값은 해당 칼날 조화 주파수, 해당 칼날 조화 주파수에 소정의 주파수를 더한 상위 주파수 및 해당 조화 주파수에 소정의 주파수를 뺀 하위 주파수의 평균 실효 진폭값으로 계산되는 것을 특징으로 하는 공구의 마모 감지 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 칼날 조화 주파수는 아래의 수학식 1에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 공구의 마모 감지 방법.
[수학식 1]

여기서, f_H(i)은 상기 칼날 조화 주파수, RPM은 공구의 분당 회전수, flutes는 공구의 칼날 개수, i은 상기 칼날 조화 수파수의 각 차수(1,...,n)이다.
제 4 항에 있어서,
상기 진동량은 아래의 수학식 2에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 공구의 마모 감지 방법.
[수학식 2]

여기서, A_v는 상기 진동량, FFT(f_H(i))는 i차수의 칼날 조화 주파수의 진폭, n은 상기 칼날 조화 주파수의 최고 차수이다.
제 6 항에 있어서,
상기 진동 총량은 아래의 수학식 3에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 공구의 마모 감지 방법.
[수학식 3]

여기서, Q_v는 상기 진동 총량, N은 한 사이클 당 샘플링 수, A_v(k)는 k번째 샘플링에서의 진동량이다.
제 7 항에 있어서,
상기 진동 총량 변화분은 아래의 수학식 4에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 공구의 마모 감지 방법.
[수학식 4]

여기서, m은 상기 진동 총량 변화분, C_(K)는 현재 사이클 번호, Q_v(K)는 현재 사이클의 진동 총량이다.
컴퓨터와 결합하여 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체에 저장된 공구의 마모 감지를 위한 컴퓨터 프로그램.
동일한 사양의 두 가공물을 정상 공구를 이용하여 각각 잘삭 작업을 수행하고, 절삭 작업 중에 발생하는 공구의 진동을 소정의 샘플링 주기로 측정하며, 두 절삭 작업 간의 진동량 변화값(이하, '학습 진동량 변화값')을 각 샘플링마다 계산하여 학습 데이터 배열로 저장하는 단계; 및
실제 가공물을 현재 공구를 이용하여 절삭 작업을 수행하고, 절삭 작업 수행동안 소정의 샘플링 주기로 공구의 진동을 측정하며, 최초 샘플링과 현재 샘플링의 진동량 변화값(이하, '현재 진동량 변화값')을 계산하여, 상기 현재 진동량 변화값과 상기 학습 데이터 배열의 학습 진동량 변화값들 중, 상기 현재 샘플링에 대응하는 샘플링의 학습 진동량 변화값의 비율이 소정의 임계 비율 이상일 경우 상기 현재 공구가 파손된 것으로 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공구의 파손 감지 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 학습 데이터 배열을 저장하는 단계;는,
소정의 가공물(이하, '제1 가공물')을 정상공구(이하, '제1 정상공구')로 절삭 작업하는 동안 소정의 샘플링 주기로 상기 제1 정상공구의 진동을 측정하여, 각 샘플링별로 상기 제1 정상공구의 회전 조화 주파수들에 해당하는 진폭 실효치를 데이터 배열(이하, '제1 데이터 배열')로 획득하는 단계;
상기 제1 가공물과 동일한 사양의 가공물(이하, '제2 가공물')을 상기 제1 정상공구와 동일한 사양의 정상공구(이하, '제2 정상공구')로 절삭 작업하는 동안 소정의 샘플링 주기로 상기 제2 정상공구의 진동을 측정하여 각 샘플링별로 상기 제2 정상공구의 회전 조화 주파수들에 해당하는 진폭 실효치를 데이터 배열(이하, '제2 데이터 배열')로 획득하는 단계; 및
각 샘플링별로 제1 데이터 배열과 제2 데이터 배열의 차이값을 더하여 각 샘플링별 진폭 변화값을 계산하고, 상기 진폭 변화값을 상기 학습 진동량 변화값으로 하여 상기 학습 데이터 배열로 저장하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공구의 파손 감지 방법.
제 11 항에 있어서,
상기 현재 공구의 파손을 판단하는 단계;는,
상기 현재 공구로 실제 절삭 작업을 시작되고, 소정의 샘플링 주기로 상기 현재 공구의 진동을 측정하며, 최초 샘플링시 상기 현재 공구의 회전 조화 주파수들에 해당하는 진폭 실효치(이하, '최초 진폭 실효치')를 획득하는 단계;
현재 샘플링에 의해 측정된 진동을 상기 회전 조화 주파수들에 해당하는 진폭 실효치(이하, '현재 진폭 실효치')로 계산하고, 상기 최초 진폭 실효치와 상기 현재 진폭 실효치의 차이값을 더하여 상기 현재 진동량 변화값을 계산하는 단계; 및
상기 현재 진동량 변화값과 상기 학습 데이터 배열의 학습 진동량 변화값들 중, 현재 샘플링에 대응하는 샘플링의 학습 진동량 변화값의 비율을 계산하고 계산된 비율이 소정의 임계 비율 이상일 경우 상기 현재 공구가 파손된 것으로 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공구의 파손 감지 방법.
컴퓨터와 결합하여 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체에 저장된 공구의 파손 감지를 위한 컴퓨터 프로그램.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 마모 감지 방법; 및 상기 마모 감지 방법과는 병렬적으로 수행되며, 공구의 파손을 감지하는 파손 감지 방법;을 포함하며,
동일한 사양의 두 가공물을 정상 공구를 이용하여 각각 잘삭 작업을 수행하고, 절삭 작업 중에 발생하는 공구의 진동을 소정의 샘플링 주기로 측정하며, 두 절삭 작업 간의 진동량 변화값(이하, '학습 진동량 변화값')을 각 샘플링마다 계산하여 학습 데이터 배열로 저장하는 단계; 및
실제 가공물을 현재 공구를 이용하여 절삭 작업을 수행하고, 절삭 작업 수행동안 소정의 샘플링 주기로 공구의 진동을 측정하며, 최초 샘플링과 현재 샘플링의 진동량 변화값(이하, '현재 진동량 변화값')을 계산하여, 상기 현재 진동량 변화값과 상기 학습 데이터 배열의 학습 진동량 변화값들 중, 상기 현재 샘플링에 대응하는 샘플링의 학습 진동량 변화값의 비율이 소정의 임계 비율 이상일 경우 상기 현재 공구가 파손된 것으로 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공구의 마모 및 파손 감지 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 학습 데이터 배열을 저장하는 단계;는,
소정의 가공물(이하, '제1 가공물')을 정상공구(이하, '제1 정상공구')로 절삭 작업하는 동안 소정의 샘플링 주기로 상기 제1 정상공구의 진동을 측정하여, 각 샘플링별로 상기 제1 정상공구의 회전 조화 주파수들에 해당하는 진폭 실효치를 데이터 배열(이하, '제1 데이터 배열')로 획득하는 단계;
상기 제1 가공물과 동일한 사양의 가공물(이하, '제2 가공물')을 상기 제1 정상공구와 동일한 사양의 정상공구(이하, '제2 정상공구')로 절삭 작업하는 동안 소정의 샘플링 주기로 상기 제2 정상공구의 진동을 측정하여 각 샘플링별로 상기 제2 정상공구의 회전 조화 주파수들에 해당하는 진폭 실효치를 데이터 배열(이하, '제2 데이터 배열')로 획득하는 단계; 및
각 샘플링별로 제1 데이터 배열과 제2 데이터 배열의 차이값을 더하여 각 샘플링별 진폭 변화값을 계산하고, 상기 진폭 변화값을 상기 학습 진동량 변화값으로 하여 상기 학습 데이터 배열로 저장하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공구의 마모 및 파손 감지 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 현재 공구의 파손을 판단하는 단계;는,
상기 현재 공구로 실제 절삭 작업을 시작되고, 소정의 샘플링 주기로 상기 현재 공구의 진동을 측정하며, 최초 샘플링시 상기 현재 공구의 회전 조화 주파수들에 해당하는 진폭 실효치(이하, '최초 진폭 실효치')를 획득하는 단계;
현재 샘플링에 의해 측정된 진동을 상기 회전 조화 주파수들에 해당하는 진폭 실효치(이하, '현재 진폭 실효치')로 계산하고, 상기 최초 진폭 실효치와 상기 현재 진폭 실효치의 차이값을 더하여 상기 현재 진동량 변화값을 계산하는 단계; 및
상기 현재 진동량 변화값과 상기 학습 데이터 배열의 학습 진동량 변화값들 중, 현재 샘플링에 대응하는 샘플링의 학습 진동량 변화값의 비율을 계산하고 계산된 비율이 소정의 임계 비율 이상일 경우 상기 현재 공구가 파손된 것으로 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공구의 마모 및 파손 감지 방법.
컴퓨터와 결합하여 제 14 항의 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체에 저장된 공구의 마모 및 파손 감지를 위한 컴퓨터 프로그램.