KR20170135346A - 공작기계 주축 가속도 신호를 이용한 가공품질 평가방법 - Google Patents

공작기계 주축 가속도 신호를 이용한 가공품질 평가방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가공품질 평가방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 공작기계의 주축 가속도 신호를 고속푸리에 변환하여 가속도 주파수 별 진폭 값으로 표시하고, 가공조건에 따른 고유주파수의 진폭 값과 가속도 주파수별 진폭 값의 합의 비를 채터 판별지수로 산출해냄으로써, 채터 발생 여부를 보다 명확하게 판단할 수 있는 공작기계 주축 가속도 신호를 이용한 가공품질 평가방법에 관한 것이다.

Description

공작기계 주축 가속도 신호를 이용한 가공품질 평가방법{Evaluation method of the machined surface using main shaft acceleration signal of machine tool}
본 발명은 가공품질 평가방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 공작기계의 주축 가속도 신호를 고속푸리에 변환하여 가속도 주파수 별 진폭 값으로 표시하고, 가공조건에 따른 고유주파수의 진폭 값과 가속도 주파수별 진폭 값의 합의 비를 채터 판별지수로 산출해냄으로써, 채터 발생 여부를 보다 명확하게 판단할 수 있는 공작기계 주축 가속도 신호를 이용한 가공품질 평가방법에 관한 것이다.
공작기계로 가공물을 가공할 때, 발생되는 채터(chatter)는 가공물의 표면 품질에 악영향을 미친다.
종래의 한국 공개특허 10-2015-0089300호에는 "공작기계의 축 제어 방법 및 장치"가 개시되어 있으며, 종래의 공작기계의 축 제어방법은 가속도 센서로 진동을 측정하여, 진동 값이 크다고 판단되면 주축의 회전수를 변경하여 채터 발생량을 줄일 수 있도록 제어된다.
하지만, 종래의 공작기계의 축 제어방법은 절삭력이 커서 진동이 클 경우에도 채터로 간주될 수 있는 문제점이 있다.
즉, 가속도 센서에 의해 측정된 진동의 크기로 채터의 발생을 판단하는 데에는 한계가 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은공작기계의 주축 가속도 신호를 가공 처리하여, 가공 시 발생될 수 있는 채터를 보다 명확하게 판별할 수 있는 공작기계 주축 가속도 신호를 이용한 가공품질 평가방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 가공조건에 따른 고유주파수의 진폭 값과 가속도 주파수별 진폭 값의 합의 비를 채터 판별지수로 산출해냄으로써, 채터 발생 여부를 정량적으로 판단할 수 있게 하는 공작기계 주축 가속도 신호를 이용한 가공품질 평가방법을 제공하는 것이다.
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 가공물의 가공 시, 주축에 설치된 가속도센서를 이용하여 가속도 신호를 측정하는 단계; 상기 가속도 신호를 고속푸리에 변환(FFT, Fast Fourier Transform)하여 주파수 영역에서의 진폭 값으로 표시하는 단계; 및 하기 수학식 1과 같이, 가공조건에 따른 고유주파수의 진폭 값과, 상기 가속도 신호에 의해 변환된 가속도 주파수별 진폭 값의 합의 비를 채터 판별 지수로 산출해내는 단계;를 포함하는 가공품질 평가 방법을 제공한다.
[수학식 1]
Figure pat00001
바람직한 실시예에 있어서, 상기 고유주파수는 가공시의 초당 스핀들 회전수와 공구 날 개수의 배수로 산출된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 채터판별 지수는 1에 가까울수록 안정적인 가공임을 의미한다.
또한, 본 발명은 본 발명의 가공품질 평가방법을 수행하기 위한 매체에 저장된 채터 판별을 위한 정량적 표시 프로그램를 더 제공한다.
또한, 본 발명은 본 발명의 정량적 표시 프로그램이 저장되어, 정량적 표시방법을 수행하는 채터 판별을 위한 정량적표시시스템를 더 제공한다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
먼저, 본 발명의 가공품질 평가방법에 의하면, 공작기계의 주축 가속도 신호를 가공 처리하여, 가공 시 발생될 수 있는 채터를 보다 명확하게 판별할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 가공품질 평가방법에 의하면, 가공조건에 따른 고유주파수의 진폭 값과 가속도 주파수별 진폭 값의 합의 비를 채터 판별지수로 산출해냄으로써, 채터 발생 여부를 정량적으로 판단할 수 있는 장점을 지닌다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가공품질 평가방법을 보여주는 단계도이다.
도 2는 안정적인 가공시의 주파수에 따른 진폭 값을 보여주는 도면이다.
도 3은 채터가 발생된 가공시의 주파수에 따른 진폭 값을 보여주는 도면이다.
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 발명에 따른 공작기계 주축 가속도 신호를 이용한 가공품질 평가방법을 보여주는 단계도이다.
도 1을 참조하면, 본 발멸의 일 실시예에 따른 공작기계 주축 가속도 신호를 이용한 가공품질 평가방법은 공작기계등의 가공기계로 가공되는 가공물의 채터발생 여부를 판단하고, 표면품질을 정량적인 수치로 표현하기 위한 것으로, 먼저 가속도 신호를 측정한다(S1000).
상기 가속도 신호는 가공물의 가공 시, 주축에 설치된 가속도 센서로부터 수신되는 진동 신호이다.
다음, 측정된 가속도 신호를 고속푸리에 변환(FFT, Fast Fourier Transform)하여 주파수 영역에서의 진폭 값으로 계산한다(S2000).
다음, 채터 판별지수를 산출해낸다(S3000).
여기서, 상기 채터 판별지수는 하기 수학식 1에 의해 산출된다.
[수학식 1]
Figure pat00002
여기서, 상기 n은 특별히 제한되는 바는 아니나, 바람직하게는 가공범위 내의 주파수인 6000hz 이내의 특정 값일 수 있다.
즉, 상기 채터판별 지수는 가공조건에 따른 고유주파수의 진폭값과, 상기 가속도 신호에 의해 변환된 가속도 주파수별 진폭값의 합의 비로 계산된다.
여기서, 상기 채터판별 지수는 1에 가까울수록 채터 발생이 적으며, 표면 품질이 높은 안정적인 가공임을 의미한다.
그 이유는 상기 고유주파수의 진폭 값과 상기 가속도 주파수별 진폭값의 합의 값이 차이가 적을수록, 전체 주파수 내에서 고유주파수의 진폭 값의 비중이 높은 것을 의미하고, 이는 채터 발생이 없음을 의미하기 때문이다.
즉, 본 발명에 따른 가공품질 평가방법을 이용하게 되면, 채터 발생 여부를 정량적으로 판별할 수 있게 하는 채터 판별지수를 산출해 낼 수 있으므로, 채터 발생 여부를 직관적이면서도 용이하게 확인할 수 있다.
더욱이, 종래에 개시된 기술과 같이 가속도 센서에 의해 측정된 진동의 크기로 채터의 발생을 판단하는 경우에 비해, 보다 정밀한 채터 발생 여부를 판단할 수 있게 한다.
또한, 상기 고유주파수는 가공시의 초당 스핀들 회전수에 가공기계의 공구날의 개수를 곱하여 산출된다.
이때, 상기 고유주파수는 스핀들 알피엠(spindle rpm)을 60으로 나누어 계산된다.
실험예 1
본 발명에 따른 가공품질 평가방법을 이용하여, 안정적인 가공시와 채터 발생 가공 시의 가속도 신호를 고속푸리에 변환하여, 주파수별 진폭 값 그래프를 도 2 및 도 3에 각각 도시하였다.
여기서, 주파수별 진폭 값은 하기 수학식 2와 같이, 가속도 주파수별 진폭 값에 10Hz 내지 6000hz의 진폭 값의 합으로 나눈 퍼센트 값에 10을 곱하여 표기하였다.
[수학식 2]
주파수별 진폭 값 = (가속도 주파수별 진폭 값 / 10Hz 내지 6000hz의 진폭 값의 합) X 100 X 10
도 2를 참조하면, 4000rpm으로 가공시에는 고유 주파수(a)가 지배적이나, 도 3을 참조하면, 8000rpm으로 가공시에는 고유 주파수(a) 이외의 채터 주파수(b)가 지배적인 것을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 가공품질 평가 방법은 실질적으로 정량적 표시 프로그램이 설치된 컴퓨터 시스템에 의해 수행된다.
또한, 상기 컴퓨터 시스템은 일반적인 퍼스널 컴퓨터, 임베디드 시스템, 스마트 기기뿐만 아니라 표면 거칠기의 정량적 표시 시스템을 포함하는 광의의 개념이다.
즉, 본 발명은 상기 가공품질 평가방법이 저장된 컴퓨터, 또는 임베디드 시스템의 형태로 제공될 수도 있다.
또한, 상기 정량적 표시 프로그램은 별도로 기록 매체에 저장되어 제공될 수 있으며, 상기 기록매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되어 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야에서 통상의 지식을 가진 자에서 공지되어 사용 가능한 것일 수 있으며, 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, 채터 판별을 위한 정량적 표시 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.
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.

Claims (5)

  1. 가공물의 가공 시, 주축에 설치된 가속도센서를 이용하여 가속도 신호를 측정하는 단계;
    상기 가속도 신호를 고속푸리에 변환(FFT, Fast Fourier Transform)하여 주파수 영역에서의 진폭 값으로 표시하는 단계; 및
    하기 수학식 1과 같이, 가공조건에 따른 고유주파수의 진폭 값과, 상기 가속도 신호에 의해 변환된 가속도 주파수별 진폭 값의 합의 비를 채터 판별 지수로 산출해내는 단계;를 포함하는 가공품질 평가 방법.
    [수학식 1]
    Figure pat00003
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고유주파수는 가공시의 초당 스핀들 회전수와 공구 날 개수의 배수로 산출되는 것을 특징으로 하는 가공품질 평가 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 채터판별 지수는 1에 가까울수록 안정적인 가공임을 의미하는 것을 특징으로 하는 가공품질 평가방법.
  4. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 가공품질 평가방법을 수행하기 위한 매체에 저장된 채터 판별을 위한 정량적 표시 프로그램.
  5. 제 4항의 정량적 표시 프로그램이 저장되어, 정량적 표시방법을 수행하는 채터 판별을 위한 정량적표시시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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