KR20180112258A - 선회장치의 고장진단 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선회장치의 고장진단 장치 및 방법에 관한 것으로, 선회장치의 고장진단 장치는 기어박스의 진동으로부터 진동 신호를 센싱하는 센서부와, 센싱된 진동 신호로부터 외부 가진 성분을 제거하는 전처리부와, 상기 전처리부의 아웃풋 신호를 입력받아 기어 주파수를 제거하여, 차이 신호만을 추출하는 필터링부 및 상기 차이 신호를 미리 저장된 건전성 데이터와 비교하여 선회장치의 고장을 판단하는 진단부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

선회장치의 고장진단 장치 및 방법{Method and system for detecting fault of swing device}

본 발명은 선회장치에 관련된 것으로서, 더 상세하게는 선회장치의 고장진단 장치 및 방법에 관한 것이다 .

굴삭기 등의 건설기계 및 장갑차 등의 군수 장비들은 주행장치를 구비한 하부몸체와, 작업장치가 설치되는 상부몸체와, 상부몸체와 하부몸체를 상대 회전 가능하게 연결시키는 선회장치를 포함한다.

선회장치에 의하면 다양한 자세에서의 작업이 가능하게 되어 작업효율 향상에 기여할 수 있으며, 선회모터와, 선회베어링 및 선회장치를 포함하는 것이 일반적이다. 선회모터는 선회 구동에 필요한 동력을 제공하는 구동원으로 유압식/전기식 선회모터로 준비될 수 있다. 선회베어링은 선회모터의 구동시 선회모터와의 상호작용을 통해 상부몸체의 상대 회전을 가능하게 하며, 선회장치는 선회모터로부터 출력된 회전력을 조절하여 적정한 회전속도 및 토크로 선회를 가능하게 하기 위한 것으로 선회모터와 선회베어링 사이에 배치될 수 있다.

상술한 바와 같은 선회장치는 비교적 큰 힘이 필요한 작업이 반복되고 외부로부터 큰 충격을 전달받는 경우도 많아 피로 파손 등이 발생될 수 있다. 이러한 파손은 선회장치 또는 선회베어링의 기어에 마련되는 기어 이빨들에서 발생되는 경우가 많다. 일단 파손이 진행되면 결국 선회가 불가능하게 되어 작업이 불가능한 상태가 되는데, 이러한 작업불능 상태가 발생되면 소유주는 금전적인 손해가 발생된다. 또한, 작업 중에 선회장치의 파손이 발생될 경우 선회 구동/정지 제어가 불가능하게 되어 안전사고가 발생되는 위험도 있다. 이에 따라, 예방 정비 등이 가능하도록 선제적인 선회장치의 고장진단이 필요한데, 선회장치와 같은 부품들은 내부 구조 및 설치 구조가 복잡하기 때문에 상당량의 파손이 진행된 상태가 아니라면 고장 여부를 판단하기 힘든 문제가 있다. 따라서, 보다 간단하고 효율적으로 선회장치의 고장/파손을 진단할 수 있는 기술의 개발이 필요하다.

본 명세서의 일 실시 예의 목적은 간단하고 효율적으로 선회장치의 고장을 진단할 수 있는 선회장치의 고장진단장치 및 방법을 제공하는 것에 있다.

본 명세서의 일 실시 예에 따르는 선회장치의 고장진단 장치는 기어박스의 진동으로부터 진동 신호를 센싱하는 센서부와, 센싱된 진동 신호로부터 외부 가진 성분을 제거하는 전처리부와, 상기 전처리부의 아웃풋 신호를 입력받아 기어 주파수를 제거하여, 차이 신호만을 추출하는 필터링부 및 상기 차이 신호를 미리 저장된 건전성 데이터와 비교하여 선회장치의 고장을 판단하는 진단부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 외부 가진 성분은 펌프 회전 주파수 및 선회 모터 회전 주파수인 것을 특징으로 한다.

상기 전처리부는 노치 필터와 고역 필터를 포함하고, 상기 필터링부는 노치 필터 또는 AR(Auto-Regressive)-MED(Minimum Entropy Deconvolution) 필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 명세서의 일 실시 예에 따르는 선회장치의 고장진단 장치의 고장진단 방법은, 센서가 기어박스의 진동으로부터 진동 신호를 센싱하는 단계와, 전처리부가 센싱된 진동 신호로부터 외부 가진 성분을 제거하는 단계와, 필터링부가 상기 전처리부의 아웃풋 신호를 입력받아 기어 주파수를 제거하여, 차이 신호만을 필터링하는 단계 및 진단부가 상기 차이 신호를 미리 저장된 건전성 데이터와 비교하여 선회장치의 고장을 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고장진단 장치는 선회장치 진동 데이터를 센싱하여, 센싱된 진동 신호에서 외부의 가진 주파수와, 기어 주파수를 필터링하여 차이 신호를 획득한다. 획득한 신호를 미리 저장된 건전성 데이터와 비교하여 고장여부를 판단함으로써, 고장진단을 효과적으로 수행할 수 있다.

본 명세서의 일 실시 예에 따르면 기어박스의 진동을 센싱하여 필터링만으로 선회장치의 고장여부를 효과적으로 진단하여, 선회장치의 고장으로 인한 안전 사고를 방지하는 데 있다.

도 1은 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 선회장치의 고장진단 장치의 블록구성도이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시 예에 채택되는 AR-MED 필터를 설명하는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선회장치의 고장진단 장치의 고장진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 데이터의 일 예를 예시하고 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 노치필터와 고역필터에 의한 신호 필터링을 설명하는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 전처리 과정을 거친 신호를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 노치필터를 이용한 기어 주파수를 제거한 신호를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 AR-MED 필터를 이용한 기어 주파수를 제거한 신호를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 건전성 데이터를 설명하는 테이블이다.

이하, 본 명세서의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

실시 예를 설명함에 있어서 본 명세서가 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 명세서와 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 명세서의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.

마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.

이하, 본 명세서의 실시 예들 및 도면을 참고하여 선회장치의 고장진단 장치 및 방법에 대해 설명될 것이며, 그 일례로 선회장치의 고장진단 장치의 구성 및 방법에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 선회장치의 고장진단 장치의 블록구성도이고, 도 2는 도 1의 고장진단 장치에 채택되는 AR-MED 필터를 설명하는 회로도이다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 선회장치의 고장진단 장치(100)는 센서부(110), 전처리부(120), 필터링부(130), 진단부(140) 및 데이터베이스부(150)를 포함할 수 있다.

센서부(110)는 굴삭기 구동시 기어박스의 진동으로부터 진동 신호를 센싱한다. 후술될 바와 같이 본 실시예에 따른 선회장치의 고장진단 장치(100)는 진동 신호 처리만으로 고장 여부의 판단이 가능하게 된다. 즉, 엔코더와 같이 고가의 구성품의 설치 없이도 고장 여부의 판단이 가능하므로, 보다 저렴하고 간단하게 선회장치의 고장진단 장치(100)의 구성이 가능하다.

전처리부(120)는 외부 가진 성분(A)을 제거하기 위한 필터링을 행한다. 전처리부(120)는 노치필터와 고역필터일 수 있다. 외부 가진 성분은 선회모터의 구동시 발생되는 회전주파수와, 유압식 선회장치인 경우 유압공급을 위한 유압펌프의 구동시 발생되는 회전주파수일 수 있다.

필터링부(130)는 외부 가진 성분을 제거한 신호에서 정규적인 신호에 해당하는 기어 주파수를 제거하고, 고장 판단의 기준 신호가 되는 차이 신호만을 추출한다.

필터링부(130)는 노치필터 또는 AR(Auto-Regressive)-MED(Minimum Entropy Deconvolution) 필터를 채택할 수 있다.

참고로, AR-MED 필터는 입력신호에서 임펄스(impulse) 신호 이외의 신호를 제거하기 위해 사용된다. 보다 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 노이즈(N_k), 주기 부(D_k), 임펄스(G_k)의 합으로 구성된 신호에서 AR 필터를 통해 주기적인 신호를 제거하고, 필터 계수 최적화를 통해 최대 첨도(Kurtosis)를 찾아냄으로써 입력 신호 내의 임펄스 신호를 추출할 수 있다.

일반적인 고장발생시에는 진동 신호에 피크 신호가 발생하거나 스미어링(smearing)이라 불리는 데이터의 뭉개짐 현상이 발생될 수 있다. 하지만, 기어 주파수 등의 주기적 신호의 에너지가 월등히 크기 때문에 이러한 피크 신호 들은 별도의 처리 없이 보기가 힘들어 진다. 따라서, AR-MED 필터를 이용하여 상기 피크 신호를 찾을 수 있다는 이점이 있다.

진단부(140)는 필터링부(130)에 의해 획득된 고장 판단 기준 신호를 데이터베이스부(150)에 저장된 건전성 데이터와 비교하여 선회장치의 고장을 판단한다. 건전성 데이터는 추후에 설명하도록 한다.

상기 진단부(140)가 고장이라고 판단하는 경우, 미리 설정된 장치 또는 수단으로 고장에 대한 정보를 제공할 수 있다.

상기 미리 설정된 장치 또는 수단은 관제서버, 작업자 단말, 소유자 단말 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고장진단 장치는 선회장치의 진동 데이터를 센싱하여, 센싱된 진동 신호에서 외부의 가진 주파수와, 기어 주파수를 필터링한다. 이로 인해 센싱된 진동 신호에서 선회장치의 고장과 연계된 임펄스 신호를 손쉽게 획득할 수 있게 된다. 획득한 신호를 미리 저장된 건전성 데이터와 비교하여 고장여부를 판단함으로써, 선회장치의 고장진단을 효과적으로 수행할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선회장치의 고장진단 장치의 고장진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 4 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 선회장치의 고장진단을 위한 신호 필터링을 설명하는 도면이다.

먼저 센서부를 통해 진동 데이터를 획득한다(S110).

도 4는 단계 S110에서 획득된 진동 데이터의 일 예를 예시하고 있다. 도 4의 (a)는 전체 대역에서의 주파수 성분을 나타낸 것이며, 도 4의 (b)는 전체 대역 중 분석 대상 주파수 성분을 발췌 확대하여 나타낸 것이다.

도 4를 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 센서부에 의해 획득된 진동 데이터는 관심성분 및 외부 가진 성분을 포함하고 있다.

여기서, 관심성분은 선회장치에 설치된 기어들의 회전에 의해 발생되는 회전주파수를 의미하며, 도 4에서는 선회장치 내 1단 기어의 회전주파수의 배수 성분(A1, A3) 이 나타나 있다. 본 실시예에서는 기어의 회전주파수가 322Hz인 경우를 예로 들어 설명한다. 한편, 외부 가진 성분은 앞서 설명한 바와 같이 외부 장치(펌프, 선회모터 등)들로부터 전달되는 회전주파수를 의미하며, 도 4에는 펌프 회전 주파수의 배수성분(B1,B2,B3) 및 선회 모터 회전 주파수의 배수성분(C1,C2,C3)이 일례로 나타나 있다. 본 실시예에서는 펌프의 회전 주파수는 215.6Hz이고, 선회 모터 회전 주파수는 192.6Hz이고, 이들의 3배수 성분들이 나타나 있는 경우를 일례로 설명한다.

획득한 진동 신호에서 외부 가진 성분을 제거한다(S120).

본 실시예에서는 노치 필터 또는 고역 필터를 활용하여 각각의 제거 대상이 되는 주파수(외부 가진 성분)의 5 배수까지의 범위가 제거될 수 있다. 노치 필터를 사용하는 경우, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 선회 모터 회전 주파수의 약 90 %이상 약 110% 이하를 포함하는 범위(중심주파수의 약 ±10%)를 필터링 대상으로 선정할 수 있다. 여기서 약 ±10% 는 예시적인 범위이며, 선회 모터 및 펌프 주파수 성분의 사이드 밴드 범위가 보다 넓어지는 경우에는 더 넓게 조정하는 것이 바람직하다. 고역 필터를 사용하는 경우 도 5의 (b)에 나타난 바와 같이 관심성분의 약 90% 이상의 주파수의 신호만을 통과시킴으로써 외부 가진 성분을 제거할 수 있다.

이렇게 전처리된 신호를 도 6을 통해 확인할 수 있다.

도 6의 (a)는 초기 입력된 주파수 성분을 나타낸 예이고, 도 6의 (b)는 전처리하여 외부 가진 성분을 제거한 신호를 나타낸 그래프이다. 즉, 도 6의 (a)는 전처리부의 입력 신호를 나타내고, 도 6의 (b)는 전처리부의 아웃풋 신호를 나타낸다. 상술한 전처리부의 아웃풋 신호는 뒤에 설명될 도 7, 도 8 각각의 (a)의 신호, 즉 입력신호가 된다.

외부 가진 성분이 제거된 신호에서 정규적인 신호에 해당하는 기어 주파수(관심성분,GMF)를 제거하고, 고장판단 기준 신호에 해당하는 차이 신호만 추출한다(S130).

여기서 사용되는 필터는 노치 필터 또는 AR-MED 필터 중 어느 하나이다.

도 7의 (a)는 도시된 전처리된 진동신호를 나타내는 그래프이고, 도 7의 (b)는 (a)의 전처리된 진동신호에서 노치 필터를 이용하여 기어 주파수를 제거한 고장 판단 기준 신호가 되는 차이 신호를 나타내는 그래프이다. 즉 도 7의 (a)는 노치 필터링부의 입력 신호를 나타내고, 도 7의 (b)는 노치 필터링부의 아웃풋 신호를 나타낸다.

여기에서 노치 필터의 범위는 선회장치에 설치된 기어들의 회전 주파수의 5배수의 성분이 해당될 수 있다. 본 실시예에서는 1단 기어의 회전주파수로 322Hz, 2단 기어 주파수로 74Hz인 경우를 예로 들어 설명한다. 앞서 설명한 바와 같이 노치 필터를 활용 할 경우 각 중심 주파수의 ±10%가 되는 주파수까지를 범위로 설정하여 제거할 수 있다.

도 8의 (a)는 도시된 전처리된 진동신호를 나타내는 그래프이고, 도 8의 (b)는 (a)의 전처리된 진동신호에서 AR-MED 필터를 이용하여 기어 주파수를 제거한 고장 판단 기준 신호가 되는 차이 신호를 나타내는 그래프이다. 도 8의 (a)는 AR-MED 필터링부의 입력 신호를 나타내고, 도 7의 (b)는 AR-MED 필터링부의 아웃풋 신호를 나타낸다.

진단부는 데이터베이스에 미리 저장된 건전성 데이터와 차이 신호를 비교하여 고장여부를 판단한다(S140).

건전성 데이터는 주기적으로 업데이트 될 수 있음은 물론이다.

건전성 데이터는 정상적인 상태의 기어박스의 진동 신호로부터 정의된다.

도 9를 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서 채택된 건전성 데이터는 FM4, M6A, M8A이다.

FM4는 첨도에 관한 건전성 데이터이다.

FM4는 한 개 또는 두 개의 기어가 손상되었을 때 검출이 가능하지만, 전체 기어에 손상이 발생하였을 때는 검출 감도가 낮아진다. 그러므로 FM4는 초기 손상을 검출하는 데 유용하고 손상의 진전을 측정하기에는 적합하지 않을 수 있다. 이러한 단점을 보안하기 위해 M6A, M8A를 함께 비교한다. 이와 같은 건전성 데이터는 이는 공지의 기술이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

진단부는 고장이라고 판단되면 연결된 출력장치나 통신부를 이용하여 고장을 통지한다. 예컨대 계기판에 고장을 표시하거나, 알람 소리를 출력한다. 또는 미리 설정된 사용자 단말기에 고장임을 통지한다. 통지시에 단순히 고장임을 통지하기 위한 신호만 전송할 수 있고, 단계 S140의 고장여부의 비교 데이터를 전송할 수도 있다.

전술한 방법은 다양한 수단을 통해 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다.

하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 하나 또는 그 이상의 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서, 콘트롤러, 마이크로 콘트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.

펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차 또는 함수 등의 형태로 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 메모리 유닛에 저장되어 프로세서에 의해 구동될 수 있다. 상기 메모리 유닛은 상기 프로세서 내부 또는 외부에 위치하여, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 상기 프로세서와 데이터를 주고 받을 수 있다.

이상에서 본 명세서에 개시된 실시예들을 첨부된 도면들을 참조로 설명하였다. 이와 같이 각 도면에 도시된 실시예들은 한정적으로 해석되면 아니되며, 본 명세서의 내용을 숙지한 당업자에 의해 서로 조합될 수 있고, 조합될 경우 일부 구성 요소들은 생략될 수도 있는 것으로 해석될 수 있다.

여기서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 명세서에 개시된 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 명세서에 개시된 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 명세서에 개시된 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

100 : 고장진단 장치
110 : 센서부
120 : 전처리부
130 : 필터링부
140 : 진단부
150 : 데이터베이스부

Claims (8)

1. 기어박스의 진동으로부터 진동 신호를 센싱하는 센서부;
   센싱된 진동 신호로부터 외부 가진 성분을 제거하는 전처리부;
   상기 전처리부의 아웃풋 신호를 입력받아 기어 주파수를 제거하여, 차이 신호만을 추출하는 필터링부; 및
   상기 차이 신호를 미리 저장된 건전성 데이터와 비교하여 선회장치의 고장을 판단하는 진단부
   를 포함하는 선회장치의 고장진단 장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 외부 가진 성분은 펌프 회전 주파수 및 선회 모터 회전 주파수인 것을 특징으로 하는 선회장치의 고장진단 장치.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 전처리부는 노치 필터와 고역 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 선회장치의 고장진단 장치.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 필터링부는 노치 필터 또는 AR(Auto-Regressive)-MED(Minimum Entropy Deconvolution) 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 선회장치의 고장진단 장치.
   
5. 센서가 기어박스의 진동으로부터 진동 신호를 센싱하는 단계;
   전처리부가 센싱된 진동 신호로부터 외부 가진 성분을 제거하는 단계;
   필터링부가 상기 전처리부의 아웃풋 신호를 입력받아 기어 주파수를 제거하여, 차이 신호만을 필터링하는 단계; 및
   진단부가 상기 차이 신호를 미리 저장된 건전성 데이터와 비교하여 선회장치의 고장을 판단하는 단계
   를 포함하는 선회장치의 고장진단 방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 외부 가진 성분은 펌프 회전 주파수 및 선회 모터 회전 주파수인 것을 특징으로 하는 선회장치의 고장진단 방법.
   
7. 제5항에 있어서, 상기 전처리부는 노치 필터와 고역 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 선회장치의 고장진단 방법.
   
8. 제5항에 있어서, 상기 필터링부는 노치 필터 또는 AR(Auto-Regressive)-MED(Minimum Entropy Deconvolution) 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 선회장치의 고장진단 방법.
   

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