KR20190133888A - 가속도 센서를 이용한 채터 감지 방법 및 시스템 - Google Patents

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KR20190133888A
KR20190133888A KR1020180058831A KR20180058831A KR20190133888A KR 20190133888 A KR20190133888 A KR 20190133888A KR 1020180058831 A KR1020180058831 A KR 1020180058831A KR 20180058831 A KR20180058831 A KR 20180058831A KR 20190133888 A KR20190133888 A KR 20190133888A
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윤재웅
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대구대학교 산학협력단
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Abstract

공구가 축 회전하며 공작물을 가공하는 동안 가공기의 어느 일단에 설치된 가속도 센서를 통해 가속도 신호를 측정하는 제1단계; 상기 가속도 신호를 포락 신호로 변환하는 제2단계; 상기 포락 신호 내의 노이즈를 제거하여 서로 다른 두 곡선으로 필터링하는 제3단계; 및 상기 두 곡선 사이의 상대적 거리를 분석하여 도출되는 그래프인 모드 선도를 통해 채터의 발생 여부를 판단하는 제4단계;를 포함하는 가속도 센서를 이용한 채터 감지 방법을 제공한다.

Description

가속도 센서를 이용한 채터 감지 방법 및 시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR DETECTING CHATTER USING ACCELERATION SENSOR}
본 발명은 공작기계 등을 이용한 가공 과정에서 공구와 공작물 사이에 발생하는 채터를 감지하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 절삭 가공에서 발생하는 진동은 강제진동(Forced vibration)과 자려진동(Self-exited vibration)으로 나누어진다. 그 중 여러 상호작용에 의해 일어난 자려진동을 특히, 채터(Chatter)라고 부른다. 채터는 절삭 가공을 진행하면서 불안정한 상태의 가공에서 생성된 가공 표면의 파형에 의해 절삭 변수(ex: 절삭 깊이, 이송량 등)의 미세한 변화가 일어나고, 절삭력이 변화하면서 절삭 공구를 가진(Excitation) 함에 따라 발생하게 된다. 이 때, 불안정한 상태를 일으키는 요인으로는 공작물의 표면상태, 절삭유의 성능 저하, 빠른 이송속도, 깊은 절입량 등이 있다.
일반적으로 채터가 발생하면 공구-공작물계는 큰 진폭으로 진동하게 되어 가공 표면에 채터 마크가 나타나 표면 거칠기를 나쁘게 하며 고속 가공의 제한, 공구의 수명 저하, 가공 상태 불량, 공작 기계의 자체 손상 및 장기간 작동 중지 등 다양한 경제적인 손해를 준다. 그러나, 다양한 가공 환경의 변화에 따라 채터를 원천적으로 차단하는 것은 불가능하므로 적절한 채터 감지를 통해 가공의 불안정한 상태를 피해야 한다.
그 동안, 채터를 감지하기 위해 다양한 연구가 진행되어 왔다. 종래 채터를 감지하기 위한 방법으로는 주로 공구 동력계를 이용한 신호 측정, 마이크로폰을 이용한 음압 신호 분석, 주축의 변화 측정 등 다양한 신호를 이용하는 선행 연구가 진행되었다. 채터 감지 방법으로는 대부분 신호의 주파수 해석을 통한 감지가 대부분이며, 음압 신호의 표준편차를 이용한 진폭 크기의 감지 방법 등 다양한 신호 처리 방법도 제안되었다.
그러나, 신호의 신뢰성이 비교적 높은 공구 동력계는 실제 가공현장에 적용하기에 한계가 있으며, 음압 신호 분석을 통한 감지의 경우 외부 작업자의 소음이나 다른 모터 소음 등 다양한 요인이 발생할 수 있다는 문제점이 있다. 한편, 주파수 해석을 통한 채터 주파수 영역을 확인하기 위해서는 사전에 임팩트 해머 등을 이용하여 공진 주파수 영역을 확인해야 하는 등 사전 가공 환경의 변화(소재, 공구, 절삭조건, 감가속, 부가축)에 대한 정보가 필요한 바, 실제 적용에 있어서는 어려움이 있었다.
한편, 최근 가공의 효율성 및 정밀도가 매우 중요해지면서 5축 가공 수요가 늘어나고 있다. 5축 공작기계는 다양한 방식이 적용되고 있으며 주축 헤드가 선회하는 주축 선회형(Head-tilting type)의 5축 가공기가 많이 활용되고 있다. 채터를 감지하기 위한 기존의 연구들에서는 주로 주축에 가까운 곳에서 신호를 수집을 했지만 주축 선회형 5축 가공기의 경우 주축 헤드가 360도 회전을 하기 때문에 기존 방법으로는 적용이 쉽지 않다는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허 제10-2017-0017561호 (2017.02.05. 공개) 대한민국 등록특허 제10-0497660호 (2005.06.17. 등록) 대한민국 공개특허 특1998-053189 (1998.09.25. 공개)
본 발명의 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 공구, 공작물, 공작기계로 구성되는 동적 시스템 등 가공에 대한 사전 정보가 없거나, 가공 조건의 변화와 무관하게 시간 영역에서 측정된 가속도 신호를 통해 채터를 감지할 수 있는 채터 감지 방법을 제공하고자 한다.
또한, 주축 헤드가 선회하는 공작기계(특히, 주축 선회형 5축 가공기)에서 주축과 멀리 떨어진 고정단에 설치된 가속도 센서를 통해 상대적으로 선명하지 못한 가속도 신호를 이용하더라도 비교적 정확하게 채터를 감지하고자 한다. 또한, 실시간 측정되는 가속도 신호에서 채터의 발생 뿐만 아니라, 그 정도를 측정하고자 한다.
또한, 축 회전하는 공구의 선단이 아닌 가공기 내의 어느 일 고정단에 설치된 가속도 센서부를 통해 가공에 대한 사전 정보가 없는 경우에도 채터를 정확하게 감지할 수 있는 채터 감지 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, 공구가 축 회전하며 공작물을 가공하는 동안 가공기의 어느 일단에 설치된 가속도 센서를 통해 가속도 신호를 측정하는 제1단계; 상기 가속도 신호를 포락 신호로 변환하는 제2단계; 상기 포락 신호 내의 노이즈를 제거하여 서로 다른 두 곡선으로 필터링하는 제3단계; 및 상기 두 곡선 사이의 상대적 거리를 분석하여 도출되는 그래프인 모드 선도를 통해 채터의 발생 여부를 판단하는 제4단계;를 포함하는 가속도 센서를 이용한 채터 감지 방법을 제공한다.
제1단계에서, 상기 일단은 회전하는 상기 공구의 선단이 아닌 가공기 중 어느 일 고정단인 것이 바람직하다.
제1단계에서, 가공에 대한 사전 정보가 없거나, 가공 조건이 변화되는 경우에도 상기 가속도 신호를 측정할 수 있다.
제1단계에서, 시간 영역에서 상기 가속도 신호를 측정하는 것이 바람직하다.
제2단계에서, 힐버트 변환(Hilbert Transform)에 의해 상기 가속도 신호를 상기 포락 신호로 실시간 변환하는 것이 바람직하다.
제3단계에서, 상기 포락 신호를 이동 평균법으로 필터링하는 것이 바람직하다.
제4단계에서, 상기 모드 선도의 X축은 상기 두 곡선 사이의 상대적 거리이고, 상기 모드 선도의 Y축은 상기 두 곡선 사이의 상대적 거리의 빈도수인 것이 바람직하다.
상기 빈도수가 최대일 때, 상기 두 곡선 사이의 상대적 거리를 모드라고 정의하고, 상기 빈도수가 최대일 때의 삼분의 일이 되는 두 점 사이의 X축 거리를 모드폭으로 정의하는 것이 바람직하다.
상기 모드와 상기 모드폭이 미리 설정되는 쓰레쉬홀드값을 각각 초과하는지 여부로 상기 채터의 발생 여부를 판단하는 것이 바람직하다.
장착된 공구가 축 회전하는 가공기에서 어느 일 고정단에 설치되어 공작물이 가공되는 동안 가속도 신호를 측정하는 가속도 센서부; 상기 가속도 센서부와 전기적으로 연결되며, 상기 가속도 신호를 분석 처리하는 신호 처리부; 및 상기 신호 처리부에서 실시간 도출되는 특정 변수값과 미리 설정되는 쓰레쉬홀드값을 비교하여 채터의 발생 여부를 판단하는 채터 진단부;를 포함하는 가속도 센서를 이용한 채터 감지 시스템을 제공한다.
상기 가속도 센서부는 3축 가속도 센서이며, 상기 가속도 신호는 3축 중 선택된 어느 1축에서 측정되는 것이 바람직하다.
상기 신호 처리부는, 상기 가속도 신호를 포락 신호로 변환시키는 제1변환부; 상기 포락 신호에 포함된 노이즈를 이동 평균법으로 제거하는 필터링부; 및 노이즈가 제거된 상기 포락 신호를 모드 선도로 변환하고, 상기 특정 변수값에 해당되는 값을 도출하는 제2변환부;를 포함하는 것이 바람직하다.
채터의 발생 여부는 상기 가속도 신호가 갖는 파형의 맥놀이 현상을 이용하는 것이 바람직하다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.
일 실시예에 따른 채터 감지 방법은 공구, 공작물, 공작기계로 구성되는 동적 시스템 등 가공에 대한 사전 정보가 없거나, 가공 조건의 변화와 무관하게 시간 영역에서 측정된 가속도 신호를 통해 채터를 감지할 수 있다. 특히, 주축 헤드가 선회하는 공작기계(특히, 주축 선회형 5축 가공기)에서 주축과 멀리 떨어진 고정단에 설치된 가속도 센서를 통해 측정된 비교적 선명하지 못한 가속도 신호를 이용하더라도 비교적 정확하게 채터를 감지할 수 있다.
또한, 채터 감지 방법은 모드 선도라는 본 발명에서 새로 도입된 개념을 통해 채터를 정량적으로 감지할 수 있다. 이 때, 모드 선도는 가속도 신호를 힐버트 변환하여 생성된 포락 신호에서 노이즈를 제거함에 따라 최종적으로 남게 되는 두 곡선의 상대적 거리를 이용하여 도출될 수 있다. 또한, 모드 선도는 모드와 모드폭이라는 새로 정의되는 2개의 파라미터를 통해 실시간 측정되는 가속도 신호에서 채터의 발생 여부를 자동적으로 감지할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 채터 감지 시스템은 축 회전하는 공구의 선단이 아닌 가공기 내의 어느 일 고정단에 가속도 센서부가 설치될 수 있어 센서 케이블의 꼬임 현상을 방지할 수 있다. 또한, 가속도 센서부와 전기적으로 연결되는 신호 처리부를 통해 가속도 신호를 모드 선도로 변환하여 채터를 감지할 수 있다.
도 1은 가속도 센서의 설치 위치에 따른 가속도 신호의 비교 그래프.
도 2는 공구의 날 개수에 따른 절삭력 신호와 가속도 신호에 대한 그래프.
도 3은 공구의 회전 속도 변화에 따른 가속도 신호의 그래프.
도 4는 이송 속도의 변화에 대한 가속도 신호의 그래프.
도 5는 절삭 깊이의 변화에 대한 가속도 신호의 그래프.
도 6은 채터가 발생한 경우 가속도 신호 등에 대한 그래프.
도 7은 정상 상태와 채터 상태에서 측정된 가속도 신호에 대한 비교 그래프.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 센서를 이용한 채터 감지 방법에 대한 흐름도.
도 9는 채터 감지를 위한 신호 처리 과정을 보여주는 도면.
도 10은 일 실시예에 따른 모드 선도를 도시한 그래프.
도 11은 정상 상태와 채터 상태에서 각각 도출된 모드 선도.
도 12는 채터를 감지하기 위해 Visual C++로 작성된 프로그램에 대한 도면.
도 13은 다양한 가공 조건의 정상 상태에서 도출한 모드 선도.
도 14는 다양한 채터 상태에서 도출한 모드 선도.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 센서를 이용한 채터 감지 시스템의 블록도.
이하, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 센서를 이용한 채터 감지 방법은 제1단계(s10) 내지 제4단계(s40)를 포함할 수 있다. 다만, 제1단계 내지 제4단계를 상술하기 전에 가속도 신호의 특성에 관해 먼저 살펴본다.
도 1은 가속도 센서의 설치 위치에 따른 가속도 신호의 비교 그래프이다. 도 1을 참조하면, 가공 부위와 가까운 곳에 위치한 가속도 센서에서 측정된 가속도 신호(m/s2)가 가공 부위에서 멀리 떨어진 곳에서 측정된 가속도 신호에 비해 보다 선명함을 알 수 있다. 그러나, 가속도 센서가 가공 부위에서 멀리 떨어진 곳에 설치된 경우에도 가공의 이상 상태(ex. 채터의 발생)를 감지하는데 충분함을 확인할 수 있었다.
도 2는 공구의 날 개수에 따른 절삭력 신호와 가속도 신호에 대한 그래프이다. 도 2를 참조하면, 절삭력 신호의 경우 날 개수에 따라 그 크기 차이가 분명하게 나타났다. 그러나, 가속도 신호의 경우 날 개수에 따른 진폭의 크기에 큰 차이를 보여주지 않아, 가속도 신호의 경우 공구의 기하학적 형상에 상관없이 가공의 이상 상태를 감지하는데 사용될 수 있음을 확인할 수 있었다.
본 발명의 목적은 가공에 대한 사전 정보가 없거나, 가공 조건의 변화와 무관하게 시간 영역에서 측정된 가속도 신호를 통해 채터를 감지함에 있다. 이를 위해, 먼저 가공 조건의 변화에 따른 가속도 신호의 변화를 파악하는 것이 필요하다.
도 3은 공구의 회전 속도 변화에 따른 가속도 신호의 그래프이다. 실험은 공구의 회전 속도(RPM)를 2500rpm에서 시작하여 5000rpm까지 500rpm 단위로 증가시키면서 진행하였다. 도 3을 참조하면, 회전 속도가 증가함에 따라 가속도 신호가 갖는 진동의 진폭이 일부 커지는 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 이는 주축계의 진동 특성으로 판단된다. 다만, 그래프를 살펴보면 회전 속도와 진동의 진폭이 서로 비례 관계에 있지 않았다. 그리고, 가속도 신호에 대한 주파수 특성에는 큰 변화가 없음을 확인할 수 있었다.
도 4는 이송 속도의 변화에 대한 가속도 신호의 그래프이다. 실험은 이송 속도(feedrate)를 30mm/min에서 시작하여 300mm/min까지 30mm/min 단위로 증가시키면서 진행하였다. 도 4를 참조하면, 이송 속도의 증가에 따라 진동의 진폭이 어느 정도 비례하면서 상승되는 것을 확인할 수 있었다. 이는, 가공 부하의 증가에 따라 진동이 커지기 때문인 것으로 판단된다. 그러나, 가속도 신호에 대한 주파수 신호의 특성 변화는 거의 없는 것으로 파악되었다.
도 5는 절삭 깊이의 변화에 대한 가속도 신호의 그래프이다. 도 4와 마찬가지로 절삭 깊이(Axial Depth of Cut)의 증가에 따라 진동 진폭이 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 이송 속도의 변화와 마찬가지로 가공 부하가 커지기 때문인 것으로 판단된다. 그러나, 가속도 신호에 대한 파형 변화나 가속도 신호에 대한 주파수 신호의 특성 변화는 거의 없는 것으로 확인되었다.
이상 정리하면, 회전 속도, 이송 속도, 절삭 깊이 등 가공 조건의 변화에 따라 가속도 신호의 진동 진폭이 변화되는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 가공 부하가 커질수록 진동 진폭 역시 비례적으로 커졌다. 그러나, 진폭과 달리 가속도 신호의 파형 변화나 가속도 신호에 대한 주파수 신호의 특성 변화는 거의 없는 것으로 확인되었다.
다음으로, 채터가 발생하는 경우 가속도 신호의 특성에 대해 살펴본다. 도 6은 채터가 발생한 경우 가속도 신호 등에 대한 그래프이다. 다른 가공 조건은 동일하게 유지하고, 공구의 회전 속도를 3500rpm에서 4000rpm으로 번갈아가며 가속도 신호를 측정하였다. 도 6을 참조하면, 4000rpm에서 채터가 발생하였는데, 절삭력 신호를 참고할 때 절삭력은 전체적으로 낮아졌으나, 가속도 신호의 경우 그 진폭이 오히려 더 커지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 공구의 휘어짐에 따라 절삭력은 낮아지고, 진동의 발생에 따라 진동 진폭은 커진 것으로 판단된다. 한편, 도 6(c)를 참고하면, 채터가 발생하는 경우 가공면에 채터 마크가 형성됨을 확인할 수 있었다.
도 7은 정상 상태와 채터 상태에서 측정된 가속도 신호에 대한 비교 그래프이다. 도 7을 참조하면, 채터가 발생한 경우(채터 상태) 전체적인 진동의 진폭이 커질 뿐만 아니라, 가속도 신호에서 맥놀이 현상이 나타남을 알 수 있었다. 이는, 채터가 발생하는 경우 진동이 단일 주파수에서 형성되지 않고, 인접하는 복수 개의 진동 주파수를 포함하기 때문인 것으로 판단된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 센서를 이용한 채터 감지 방법에 대한 흐름도이고, 도 9는 채터 감지를 위한 신호 처리 과정을 보여주는 도면이다.
도 9(a)를 참조하면, 제1단계는 공구가 축 회전하며 공작물을 가공하는 동안 가공기의 어느 일단에 설치된 가속도 센서를 통해 가속도 신호를 측정하는 단계이다(s10). 여기서, 일단은 회전하는 공구의 선단이 아닌 가공기 중 어느 일 고정단을 의미한다. 따라서, 본 발명은 가공 부위에서 멀리 떨어진 곳에서 가속도 신호를 측정하는 바, 이를 통한 채터 감지에 대한 신뢰성을 확보하기 위해서 그 신호 처리에 대한 차별화된 알고리즘이 요구된다.
또한, 전술한 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 채터 감지 방법은 가공에 대한 사전 정보가 없거나, 가공 조건이 변화되는 경우에도 가속도 신호를 측정하여 채터의 발생 여부를 감지할 수 있다.
이를 위해, 제1단계에서 가속도 센서는 가속도 신호를 항상 측정할 수 있다. 또한, 제1단계에서 가속도 신호는 시간 영역에서 측정한다. 종래 주파수 영역에서의 분석은 가공에 대한 사전 정보 등이 필요하였다. 즉, 공구, 공작물, 공작기계 전체의 동적인 특성을 어느 정도 알고 있어야 가능하였다. 또한, 주파수 영역에서의 분석은 가속도 신호가 가공 부위에서 먼 경우 노이즈로 인해 정확한 분석에 어려움이 있었다. 그러나, 시간 영역에서 측정한 가속도 신호를 이용하는 경우 이런 종래 문제점을 해결할 수 있다.
도 9(b)를 참조하면, 그 다음인 제2단계는 가속도 신호를 포락 신호로 변환하는 단계이다(s20). 가속도 센서를 통해 측정된 원본 신호(Raw signal)에서 맥놀이 현상이 나타나면, 힐버트 변환(Hilbert Transform)에 의해 가속도 신호를 포락 신호(Raw envelope signal)로 실시간 변환할 수 있다. 힐버트 변환된 포락 신호
Figure pat00001
는 다음과 같이 계산된다.
Figure pat00002
=H[x(t)]=
Figure pat00003
Figure pat00004
는
Figure pat00005
와 1/π(t)의 콘볼루션이 된다. 이 때, z(t)=x(t)+j
Figure pat00006
라고 할 때, z(t)는 크기함수 A(t)와 위상함수 θ(t)로 정의할 수 있고, A(t)는 초기 신호 x(t)의 포락 신호를 의미하고, θ(t)는 x(t)의 순간적인 위상이라 할 수 있다. 결국 z(t)는
Figure pat00007
를 통해
z(t)=A(t)
Figure pat00008
가 된다.
가속도 신호를 실시간 변환하기 위하여 힐버트 변환을 사용하게 되면 잡음이 실리긴 하지만 실시간 변환할 수 있다.
한편, 이산함수의 경우 다음과 같이 콘볼루션 적분하여 구할 수 있다.
Figure pat00009
A[n]=
Figure pat00010
이 된다. 이 식은 이산 콘볼루션 적분이며, 전달함수 h(n)은 유한 임펄스 응답(Finite impulse response) 이산 힐버트 변환으로 계산된다.
h[n]=
Figure pat00011
for
Figure pat00012
h[n]=0, otherwise
이 식에서,
Figure pat00013
는 영차 베셀함수를 의미하고, M은 힐버트 변환의 차수로서 18로 설정하였다. 그리고,
Figure pat00014
=M/2,
Figure pat00015
=2.629로 설정하였다.
다음으로, 도 9(c)를 참조하면 제3단계는 포락 신호 내의 노이즈를 제거하여 서로 다른 두 곡선으로 필터링하는 단계이다(s30). 이를 위해, 포락 신호를 이동 평균법(Moving averaged envelope)으로 필터링할 수 있다. 그 결과, 포락 신호를 필터링된 두 개의 곡선으로 나타낼 수 있다.
다음으로, 도 9(d)를 참조하면, 제4단계는 두 곡선 사이의 상대적 거리를 분석하여 도출되는 그래프인 모드 선도(Mode diagram)를 통해 채터의 발생 여부를 판단하는 단계이다(s40). 제4단계는 채터의 발생 및 그 크기를 정량적으로 평가하기 위해 필터링된 포락 신호를 이용하는데, 구체적으로 본 발명에서 새롭게 도입된 모드 선도의 개념을 이용한다.
도 10은 일 실시예에 따른 모드 선도를 도시한 그래프이다. 도 10을 참조하면, 모드 선도에서 X축은 두 곡선 사이의 상대적 거리이고, 모드 선도의 Y축은 두 곡선 사이의 상대적 거리의 빈도수를 의미한다. 예를 들어, 두 곡선의 거리가 가깝다면 모드 선도의 그래프는 좌측으로 치우치고, 이와 반대로 멀다면 그래프는 우측으로 치우치게 된다.
또한, 두 곡선의 파형이 서로 비슷하면 그래프가 좁게 나타나며, 이와 달리 두 곡선이 서로 다른 파형으로 진동하는 등 서로 다르면, 그래프는 넓게 퍼진 형태로 나타나게 된다.
실험 결과, 채터가 발생하는 경우 두 곡선 사이의 거리는 멀어지고, 진동하는 형태로 나타나는 바, 모드 선도가 대개 우측에 넓게 퍼진 형태로 나타났음을 확인할 수 있었다. 반면, 정상 가공에서 모드 선도는 좌측에 좁은 형태로 나타났다. 한편, 두 곡선 사이의 상대적 거리가 클수록 그리고, 두 곡선 사이의 상대적 거리의 빈도수가 클수록 채터의 정도가 더 크다는 것을 다양한 실험을 통해 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 채터를 수치적으로 표현하기 위해 모드(Mode)와 모드폭(Mode width)이라는 새로운 파라미터를 도입할 수 있다. 여기서, 모드는 빈도수가 최대일 때, 두 곡선 사이의 상대적 거리를 의미한다. 이는 모드 선도에서 Y축이 최대값을 갖을 때의 X축 값을 말한다. 그리고, 모드폭은 빈도수가 최대일 때의 삼분의 일이 되는 두 점 사이의 X축 거리를 의미한다. 이는 모드 선도에서 Y축의 최대값에 대한 삼분의 일이 되는 두 점 사이의 X축 방향의 폭을 의미한다.
도 11은 정상 상태와 채터 상태에서 각각 도출된 모드 선도이다. 도 11을 참조하면, 채터 상태 즉, 채터가 발생한 경우 그 모드 선도는 정상 상태의 것과 명확한 차이를 나타냄을 알 수 있다. 한편, 도 12는 채터를 감지하기 위해 Visual C++로 작성된 프로그램에 대한 도면이다.
제4단계에서, 채터의 발생 여부는 모드와 모드폭이 미리 설정되는 쓰레쉬홀드값을 각각 초과하는지 여부로 판단할 수 있다. 도 13은 다양한 가공 조건의 정상 상태에서 도출한 모드 선도이다. 도 13을 참조하면, 정상 상태 즉, 정상적인 가공 상태에서 모드 선도는 좌측에 좁고 가는 형태로 나타나며, 대개 유사한 모습을 보여준다. 이 때, 모드는 대부분 20 내지 40 정도의 범위를 갖고, 모드폭은 60 내지 80 정도의 범위를 갖는다.
한편, 도 14는 다양한 채터 상태에서 도출한 모드 선도이다. 도 14를 참조하면, 채터가 발생한 경우 그 모드 선도는 정상 상태의 것과 다른 모습을 보여주었다. 이 때, 모드는 대개 80 내지 100 이상, 모드폭은 200 이상을 갖는다. 이는 채터의 발생에 따라 진동 신호의 맥놀이 현상이 강하게 나타나고, 이에 따라 가속도 신호의 포락 신호가 큰 폭으로 요동치기 때문인 것으로 판단된다.
아래 [표 1]은 가공 조건의 변화와 채터의 발생 상태에서 모드 및 모드폭을 각각 보여 준다. [표 1]을 참고하면, 채터가 발생할 때의 쓰레쉬홀드값으로 모드는 80, 모드폭은 180이 설정되고, 이를 각각 초과하는지 여부로 판단할 수 있다.
Cutting condition Mode Diagram
Mode (모드) Mode Width (모드폭)
Change of cutting condition
(가공 조건의 변화)		 RPM=2000 30 63
RPM=2500 32 63
RPM=3000 32 65
feedrate=50mm/min 58 93
feedrate=100mm/min 48 72
feedrate=150mm/min 45 65
Axial depth of cut=1mm 22 63
Axial depth of cut=3mm 40 65
Radial depth of cut=3mm 32 83
Radial depth of cut=6mm 47 102
Chatter
(채터 발생)		 Chatter1 88 283
Chatter2 102 209
Chatter3 130 183
Chatter4 90 166
Chatter5 112 193
Chatter6 82 135
이상 살펴본 본 발명의 일 실시예에 따른 채터 감지 방법은 공구, 공작물, 공작기계로 구성되는 동적 시스템 등 가공에 대한 사전 정보가 없거나, 가공 조건의 변화와 무관하게 특히 시간 영역에서 측정된 가속도 신호를 이용하여 채터를 감지할 수 있다. 특히, 주축 헤드가 선회하는 공작기계(특히, 주축 선회형 5축 가공기)에서 주축과 멀리 떨어진 고정단에 설치된 가속도 센서를 통해 측정된 상대적으로 선명하지 못한 가속도 신호를 이용하여 비교적 정확하게 채터를 감지할 수 있다.
또한, 채터 감지 방법은 본 발명에서 새로 도출된 모드 선도라는 개념, 또한 모드 선도에서 파생되는 모드와 모드폭이라는 2개의 파라미터를 통해 채터의 발생 및 그 정도를 수치적으로 확인할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 센서를 이용한 채터 감지 시스템의 블록도이다. 도 15을 참조하면, 가속도 센서를 이용한 채터 감지 시스템은 가속도 센서부, 신호 처리부 및 채터 진단부를 포함할 수 있다.
일반적으로 가공 과정에서 발생하는 이상 상태를 감지하기 위해 가속도 센서부의 부착 위치는 공작물과 접촉되어 실제 가공이 이루어지는 공구의 끝단에 가까울수록 유리하다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 채터 감지 시스템은 특히, 주축 헤드가 선회하는 5축 가공기에서 발생하는 채터의 감지를 그 목적으로 하는 바, 가속도 센서부는 장착된 공구가 축 회전하는 가공기에서 어느 일 고정단에 설치되는 것이 바람직하다. 즉, 가속도 센서부는 공구가 장착되는 축인 주축의 선회와 무관한 고정 부위에 부착된다. 이는, 가속도 센서부에 연결되는 케이블의 꼬임 현상을 방지할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 채터 감지 시스템은 가속도 센서부의 신뢰성을 검증하기 위한 보조 수단으로 절삭력 측정부를 더 포함할 수 있다. 이를 위해, 공구의 끝단과 가까운 곳에 또 다른 가속도 센서를 추가 부착하여 이 부분에서 측정되는 가속도 신호를 고정단에서 측정되는 가속도 신호와 상호 비교하여 그 차이를 분석하기 위한 참고 신호로 사용할 수 있다.
다음은 일 실시예에 따른 주축 선회형 5축 복합 가공기에서 실시한 실험에 관한 내용이다. 구체적인 실험 조건은 아래 [표 2]와 같다.
실험 조건
Tool Φ10mm ~ Φ20mm , 2~4-blade
Tool length 40mm ~ 70mm
Workpiece material SKD 11, SM45C
Axial depth of cut 5~20mm
Radial depth of cut 0.5~2mm
Feedrate 30~300mm/min
RPM 2500~5000RPM
Sampling Time 6kHz
Number of data 65,536 개
공작물은 SM45C, SKD11 등 다양한 소재를 대상으로 실험함으로써 특정 소재에만 적용 가능한 채터 감지 시스템이 되지 않도록 하였다. 또한, 공구의 경우 지름 10mm 내지 20mm, 2날 및 4날 초경 엔드밀을 사용하였고, 공구의 길이도 40mm 내지 70mm까지 가변적으로 하여 가공을 진행함으로써 다양한 공구에 대한 채터 감지의 신뢰성을 확인할 수 있도록 실험을 하였다. 한편, 채터가 심하게 발생할 경우 공구의 파손 등의 문제가 생길 수 있어 절삭 깊이, 이송 속도 등의 절삭 조건은 [표 2]에 기재된 것처럼 적절한 범위 내에서 선택하였다. 또한, 데이터 취득을 위한 조건 역시 [표 2]에 기재되어 있다.
가속도 센서부는 공작물이 가공되는 동안 가속도 신호를 측정한다. 구체적으로 가속도 센서부는 3축 가속도 센서이다. 즉, X축, Y축, Z축의 신호를 받아 각 축별로 가속도 신호의 크기와 경향을 분석할 수 있다. 그러나, 본 발명에서 가속도 신호는 3축 중 선택된 어느 1축에서 측정된다. 실험에 의하면, 각 축별로 측정되는 신호의 형태가 서로 유사하게 나타나는 걸로 확인되었다. 그러나, 그 크기에 있어서는 X축 신호의 크기가 상대적으로 가장 크게 나타나 X축 신호를 채터 감지를 위한 가속도 신호로 활용하였다.
신호 처리부는 가속도 센서부와 전기적으로 연결되며, 가속도 신호를 분석 처리한다. 구체적으로, 신호 처리부는 가속도 신호를 포락 신호로 변환시키는 제1변환부, 포락 신호에 포함된 노이즈를 이동 평균법으로 제거하는 필터링부 및 노이즈가 제거된 포락 신호를 이용하여 이를 모드 선도로 변환하고 모드 선도에서 특정 변수에 해당되는 값을 도출하는 제2변환부를 포함할 수 있다.
전술한 것처럼, 가공 조건의 변화에 대해 가속도 신호는 그 진폭의 변화가 있을 뿐 파형 등의 변화는 없었다. 한편, 채터가 발생한 경우 가속도 신호의 파형에서 맥놀이 현상이 발생됨을 확인할 수 있었다. 즉, 본 발명에서 채터의 발생 여부는 가속도 신호가 갖는 파형의 맥놀이 현상을 이용한다.
제1변환부는 가속도 신호에서 포락 신호를 추출하여 가속도 신호를 포락 신호로 변환시킨다. 그리고, 필터링부는 포락 신호에 포함된 고주파 잡음 등의 노이즈를 제거하기 위해 이를 이동 평균법으로 필터링한다. 이 때, 포락 신호는 두 개의 곡선으로 나타난다.
제2변환부는 채터를 정량적으로 평가하기 위해 필터링된 포락 신호를 모드 선도라는 새로운 개념의 그래프를 사용하여 수치화된 값으로 변환시킨다. 이를 위해, 제2변환부는 모드 선도에서 모드와 모드폭이라는 특정 변수값을 각각 도출한다. 모드와 모드폭에 대해서는 전술한 바, 이하 생략한다.
채터 진단부는 신호 처리부에서 실시간 도출되는 특정 변수값과 미리 설정되는 쓰레쉬홀드값을 비교하여 채터의 발생 여부를 판단한다. 즉, 채터의 발생은 모드와 모드폭이 미리 설정된 쓰레쉬홀드값을 각각 초과하는지 여부로 판단된다. 실험 결과, 일 실시예에 따른 쓰레쉬홀드값은 모드가 80이고 모드폭이 180으로 각각 설정될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

Claims (13)

  1. 공구가 축 회전하며 공작물을 가공하는 동안 가공기의 어느 일단에 설치된 가속도 센서를 통해 가속도 신호를 측정하는 제1단계;
    상기 가속도 신호를 포락 신호로 변환하는 제2단계;
    상기 포락 신호 내의 노이즈를 제거하여 서로 다른 두 곡선으로 필터링하는 제3단계; 및
    상기 두 곡선 사이의 상대적 거리를 분석하여 도출되는 그래프인 모드 선도를 통해 채터의 발생 여부를 판단하는 제4단계;를 포함하는 가속도 센서를 이용한 채터 감지 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제1단계에서,
    상기 일단은 회전하는 상기 공구의 선단이 아닌 가공기 중 어느 일 고정단인 가속도 센서를 이용한 채터 감지 방법.
  3. 제1항에 있어서, 제1단계에서,
    가공에 대한 사전 정보가 없거나, 가공 조건이 변화되는 경우에도 상기 가속도 신호를 측정하는 가속도 센서를 이용한 채터 감지 방법.
  4. 제1항에 있어서, 제1단계에서,
    시간 영역에서 상기 가속도 신호를 측정하는 가속도 센서를 이용한 채터 감지 방법.
  5. 제1항에 있어서, 제2단계에서,
    힐버트 변환(Hilbert Transform)에 의해 상기 가속도 신호를 상기 포락 신호로 실시간 변환하는 가속도 센서를 이용한 채터 감지 방법.
  6. 제1항에 있어서, 제3단계에서,
    상기 포락 신호를 이동 평균법으로 필터링하는 가속도 센서를 이용한 채터 감지 방법.
  7. 제1항에 있어서, 제4단계에서,
    상기 모드 선도의 X축은 상기 두 곡선 사이의 상대적 거리이고, 상기 모드 선도의 Y축은 상기 두 곡선 사이의 상대적 거리의 빈도수인 가속도 센서를 이용한 채터 감지 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 빈도수가 최대일 때, 상기 두 곡선 사이의 상대적 거리를 모드라고 정의하고, 상기 빈도수가 최대일 때의 삼분의 일이 되는 두 점 사이의 X축 거리를 모드폭으로 정의하는 가속도 센서를 이용한 채터 감지 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 모드와 상기 모드폭이 미리 설정되는 쓰레쉬홀드값을 각각 초과하는지 여부로 상기 채터의 발생 여부를 판단하는 가속도 센서를 이용한 채터 감지 방법.
  10. 장착된 공구가 축 회전하는 가공기에서 어느 일 고정단에 설치되어 공작물이 가공되는 동안 가속도 신호를 측정하는 가속도 센서부;
    상기 가속도 센서부와 전기적으로 연결되며, 상기 가속도 신호를 분석 처리하는 신호 처리부; 및
    상기 신호 처리부에서 실시간 도출되는 특정 변수값과 미리 설정되는 쓰레쉬홀드값을 비교하여 채터의 발생 여부를 판단하는 채터 진단부;를 포함하는 가속도 센서를 이용한 채터 감지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 가속도 센서부는 3축 가속도 센서이며, 상기 가속도 신호는 3축 중 선택된 어느 1축에서 측정되는 가속도 센서를 이용한 채터 감지 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 가속도 신호를 포락 신호로 변환시키는 제1변환부;
    상기 포락 신호에 포함된 노이즈를 이동 평균법으로 제거하는 필터링부; 및
    노이즈가 제거된 상기 포락 신호를 모드 선도로 변환하고, 상기 특정 변수값에 해당되는 값을 도출하는 제2변환부;를 포함하는 가속도 센서를 이용한 채터 감지 시스템.
  13. 제10항에 있어서,
    채터의 발생 여부는 상기 가속도 신호가 갖는 파형의 맥놀이 현상을 이용하는 가속도 센서를 이용한 채터 감지 시스템.
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