KR20200023883A - Cnc 공작기계의 공구 마모 간접 계측방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 CNC 공작기계의 공구 마모 간접 계측방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 컴퓨터에서 구현되는 CNC 공작기계의 공구 마모 간접 계측방법에 있어서, (a) 가동 중인 CNC 공작기계로부터 공구의 마모와 관련된 데이터를 실시간으로 수집하는 실시간 데이터 수집 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 수집된 실시간 데이터를 통계치로 변환하여 전 처리 가공하는 단계; (c) 현재 공구의 사용횟수가 1회인 경우에는 참조 데이터로 별도 저장하고, 현재 공구의 사용횟수가 2회 이상인 경우에는 실시간 데이터와 상기 참조 데이터 간 벡터 연산을 통해 예측 정상 데이터 값을 산출하는 단계; (d) 상기 (c) 단계에서 산출된 예측 정상 데이터 값과 실시간 데이터 값 간의 차이의 절대값으로 잔류 값을 산출하는 단계; 및 (e) 상기 (d) 단계에서 산출된 잔류 값을 공구 마모도 간접 계측값으로 환산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

CNC 공작기계의 공구 마모 간접 계측방법{Method for measuring indirectly tool wear of CNC machine}
본 발명은 CNC 공작기계의 공구 마모 정도를 공정 조건 변화나 환경 변화에도 신뢰도 높게 간접 계측하는 방법에에 관한 것이다.
CNC 공장기계의 공구 마모는 절삭 중인 제품의 불량을 야기할 수 있어 교체 등의 관리가 필요하다. 통상적으로 CNC 공작기계의 공구 관리는 실험을 통해 산출된 공구별 적정 사용횟수에 근거하여 주기적으로 교체해줌으로써 이루어지는데 이는 CNC 공장기계의 공구의 마모 정도를 실시간으로 계측하는 것이 어렵기 때문이다. 하지만, 이와 같은 관리방법은 실제 공구 사용횟수가 적정 사용횟수보다 적지만 공구에 극심한 마모가 발생한 경우 절삭 작업 중인 제품의 불량을 야기할 수 있으며, 반대로 실제 공구 사용횟수가 적정 사용횟수에 도달했지만 공구의 마모가 거의 없는 경우 불필요한 공구 교체로 생산성을 저하시키고, 공구 관리 비용의 낭비가 발생하는 문제가 있다.
이에 상기와 같은 문제를 극복하기 위해 발명된 CNC 공작기계 공구 관리방법으로는 다음과 같은 사례가 있다.
먼저, 터치 방식으로 공구 마모를 측정하는 방법으로서, 수직 방향으로 세워진 공구를 패드에 터치시키고 기존 길이와 현재 길이의 수직 길이의 차이를 통해 마모 여부를 확인한다. 하지만, 상기의 방법은 매 생산 주기마다 패드까지 공구를 왕복시켜야 하므로 생산 공정의 지연을 초래하게 되고, 공구의 수직 길이의 마모 여부만 확인할 수 있어 공구의 경사면에서 절삭이 이루어지는 경우 공구의 경사면에 발생한 마모는 확인할 수 없는 문제가 있다.
다음은 레이저를 통한 3D 공구 마모 측정방법으로서, 레이저를 공구에 투사하여 공구의 3D 형체를 측정함으로써 공구의 수직 길이뿐만 아니라, 공구의 모든 면의 마모 여부를 확인할 수 있다. 하지만, 상기 레이저를 이용한 측정방법의 경우 매번 공구에 대한 레이저 측정 과정을 거쳐야 해서 생산 지연을 초래하게 되고, 요구되는 레이저 장비의 스펙이 높아 가격적으로 큰 부담이 되어 기존 기술을 대체할 정도의 메리트가 없는 문제가 있다.
다음은 진동 데이터를 활용한 공구 마모 간접 계측 방법으로서, 공구의 진동 스펙트럼 주파수 성분(대역대)을 분석하여 실시간으로 공구의 마모를 간접적으로 계측하는 방법이며, 실시간으로 간접 계측되기 때문에 계측에 의한 공정 지연의 문제는 없으며, 최근 들어 센서 값이 저렴해져 장비 구축비용이 상기 레이저 이용 방식에 비해 저렴한 이점이 있다. 하지만, 진동 데이터를 이용하는 방식의 경우 가령 CNC 공작 기계의 모터의 회전속도가 높아지거나 주변 온도가 높아질 때 등 공정 조건이나 주변 환경의 변화가 발생할 때 진동 데이터 값에 영향을 주게 되어 계측값과 실제 공구의 마모 정도 사이에 괴리가 생겨 측정 결과의 정확도 및 신뢰도가 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 도출된 것으로, 데이터 기반 CNC 공작기계 공구 마모도 간접 계측 기술의 정확도를 개선하기 위한 것으로, 다양한 공정 조건 또는 환경 조건의 변화에도 실시간으로 공구의 마모 여부를 정확하고 신뢰도 있게 확인할 수 있는 CNC 공작기계의 공구 마모 간접 계측방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적과제들은 하기의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은 CNC 공작기계의 공구 마모 간접 계측방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 컴퓨터에서 구현되는 CNC 공작기계의 공구 마모 간접 계측방법에 있어서, (a) 가동 중인 CNC 공작기계로부터 공구의 마모와 관련된 데이터를 실시간으로 수집하는 실시간 데이터 수집 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 수집된 실시간 데이터를 통계치로 변환하여 전 처리 가공하는 단계; (c) 현재 공구의 사용횟수가 1회인 경우에는 참조 데이터로 별도 저장하고, 현재 공구의 사용횟수가 2회 이상인 경우에는 실시간 데이터와 상기 참조 데이터 간 벡터 연산을 통해 예측 정상 데이터 값을 산출하는 단계; (d) 상기 (c) 단계에서 산출된 예측 정상 데이터 값과 실시간 데이터 값 간의 차이의 절대값으로 잔류 값을 산출하는 단계; 및 (e) 상기 (d) 단계에서 산출된 잔류 값을 공구 마모도 간접 계측값으로 환산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 CNC 공작기계의 공구 마모 간접 계측방법에 의하면, 다양한 공정 조건 또는 환경 조건의 변화에도 실시간으로 공구의 마모 여부를 정확하고 신뢰도 있게 확인할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 기존의 기술과는 달리 공구의 마모 확인을 위한 별도의 추가 공정이 필요하지 않으므로 생산 공정의 지연을 초래하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 CNC 공작기계의 공구 마모 간접 계측방법의 공정 순서도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에서 수집하는 실시간 데이터의 형태를 예시로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에서 실시간 데이터를 통계적 산출식에 따라 전 처리 가공한 형태를 예시로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에서 참조 데이터의 업데이트에 대해 예시로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에서 매트릭스(matrix) 형태로 표현된 참조 데이터의 예시를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에서 참조 데이터를 기반으로 예측 정상 데이터를 산출하는 과정에 대해 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에서 예측 정상 데이터 값과 실시간 데이터 값 간의 잔류 값(residual)을 산출하는 예시를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에서 잔류 값을 공구 마모도 간접 계측값으로 환산하는 과정을 나타내는 것이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 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 명세서상에 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.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하에서는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 도면을 참고하면서 본 발명에 대해 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 CNC 공작기계의 공구 마모 간접 계측방법의 공정 순서도를 도시한 것으로, 도 1에 의하면 본 발명은 CNC 공작기계의 공구 마모 간접 계측방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 (a) 가동 중인 CNC 공작기계로부터 공구의 마모와 관련된 데이터를 실시간으로 수집하는 실시간 데이터 수집 단계(S10); (b) 상기 (a) 단계에서 수집된 실시간 데이터를 통계치로 변환하여 전 처리 가공하는 단계(S20); (c) 현재 공구의 사용횟수가 1회인 경우에는 참조 데이터로 별도 저장하고, 현재 공구의 사용횟수가 2회 이상인 경우에는 실시간 데이터와 상기 참조 데이터 간 벡터 연산을 통해 예측 정상 데이터 값을 산출하는 단계(S30); (d) 상기 (c) 단계에서 산출된 예측 정상 데이터 값과 실시간 데이터 값 간의 차이의 절대값으로 잔류 값을 산출하는 단계(S40); 및 (e) 상기 (d) 단계에서 산출된 잔류 값을 공구 마모도 간접 계측값으로 환산하는 단계(S10);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 CNC 공작기계의 공구 마모 간접 계측방법은 데이터를 수집하는 데이터 수집 장치, 수집된 데이터를 기반으로 연산을 수행하는 중앙처리장치, 방대한 양의 각종 데이터를 기억하는 데이터 저장장치 등을 포함하는 컴퓨터에서 구현된다.
본 발명에서 상기 (a) 단계(S10)는 실시간 데이터 수집 단계로서, 가동 중인 CNC 공작기계로부터 진동 값, 전류 값 등과 같이 공구의 마모 정도를 간접적으로 반영할 수 있는 데이터 값을 시계열 순으로 수집하는 단계이다. CNC 공작기계의 공구의 마모와 관련된 데이터로는 특별히 제한적인 것은 아니나, 대표적으로 진동, 전류, 온도 등의 데이터가 될 수 있다.
도 2는 상기 (a) 단계에서 수집하는 실시간 데이터의 형태를 예시로 나타낸 것으로, 데이터 항목으로 타임스탬프(timestamp), 해당 공구의 ID, 해당 공구의 사용횟수, 변수 값(x1, x2, .....)이 있다. 상기 실시간 데이터는 타임스탬프의 시계열 순서대로 나열되어 정리된다. 상기 변수 값은 CNC 공작기계의 공구의 마모와 관련된 데이터의 값으로서, 예를 들면 x1은 진동 값, x2는 전류 값이 될 수 있다.
본 발명에서 상기 (b) 단계(S20)는 상기 (a) 단계(S10)에서 수집된 실시간 데이터를 통계치로 변환하여 가공하는 단계로서, 하기의 식 1 내지 식 7에 나타난 통계적 산출식에 따라 통계치로 변환한다.
[식 1] 평균값
Figure pat00001
[식 2] 최대값
Figure pat00002
[식 3] 분산
Figure pat00003
[식 4] 표준편차
Figure pat00004
[식 5] 첨도
Figure pat00005
[식 6] 비대칭도
Figure pat00006
[식 7] Root-Mean-Square
Figure pat00007
도 3은 상기 (b) 단계(S20)에서 실시간 데이터를 상기의 통계적 산출식에 따라 전 처리 가공한 형태를 예시로 나타낸 것으로, 상기 (a) 단계에서 수집한 실시간 데이터 항목 중 변수 값(x1, x2, .....)에 대해 통계적 산술식으로 계산하여 변환한 것이다.
본 발명에서 상기 (c) 단계(S30)는 참조 데이터 및 예측 정상 데이터 값을 생성하는 단계이다.
상기 참조 데이터는 공구의 사용횟수가 1회인 경우에 한해 수집하는 것을 원칙으로 한다. 즉, 공구의 마모가 거의 진행되지 않은 상태의 데이터를 참조 데이터로 생성하는 것이다. 상기 참조 데이터는 도 4에 나타난 바와 같이 지속적으로 업데이트 된다. 상기 참조 데이터의 업데이트 시 참조 데이터의 로우(row) 수(M)는 다양한 공정 조건 및 환경이 충분히 반영되어 계측값의 신뢰도를 높이기 위해 변수 수(L)의 2배 이상에서 고정하는 것이 바람직하며, 상기 로우(row) 수는 200 내지 300에서 고정되는 것이 가장 바람직하다. 상기 고정된 참조 데이터의 로우(row) 수(M)를 유지하면서, 신규 참조 데이터가 저장되면 가장 오래된 참조 데이터는 삭제하는 방식으로 지속적으로 참조 데이터를 업데이트한다.
본 발명에서 상기 참조 데이터는 도 5에 도시된 예시와 같이 매트릭스(matrix) 형태로 표현될 수 있다. 도 5에 도시된 매트릭스 형태의 참조 데이터(D)는 하기의 식 9로 정의될 수 있다.
D : 참조 데이터의 Matrix
M : D t 의 로우(row)의 수
L : D t 의 Column 수 (변수의 수)
Y (nj) : 주어진 시간 nj 에 대한 exemplar vector
[식 8]
Figure pat00008
[식 9]
Figure pat00009
본 발명에서 상기 예측 정상 데이터 값은 현재 공구의 사용횟수가 2회 이상인 경우에 상기 참조 데이터를 기반으로 하여 산출되는 것으로서, 도 6에 나타난 바와 같이 실시간 데이터를 input 데이터로 하여 실시간 데이터와 참조 데이터 간 벡터 연산을 통해 산출된다.
도 6에서, " Y in " 는 실시간 데이터 값, " Y est "는 하기 식 10 내지 식 13에 의한 벡터 연산을 통해 산출된 예측 정상 데이터 값을 나타낸다.
[식 10]
Figure pat00010
[식 11]
Figure pat00011
[식 12]
Figure pat00012
상기 [식 12]에서,
Figure pat00013
연산은 하기의 [식 13]과 같다.
[식 13]
Figure pat00014
본 발명에서 상기 예측 정상 데이터 값은 CNC 공작기계의 공구가 장애 없이 정상적인 공정 작업을 수행할 수 있는 상태일 때를 나타내는 데이터 예측 값을 의미한다.
본 발명에서 상기 (d) 단계(S40)는 상기 (c) 단계에서 산출된 예측 정상 데이터 값과 실시간 데이터 값 간의 잔류 값(residual)을 산출하는 단계로서, 본 발명에서 상기 잔류 값은 예측 정상 데이터 값과 실시간 데이터 값 간의 차이의 절대값으로 정의되며, 상기 잔류 값의 산출 식은 하기의 식 14에 나타난 바와 같다.
[식 14]
Figure pat00015
도 7에 나타난 바와 같이, 전 처리 가공된 변수 값 각각에 대해 잔류 값을 계산한다.
본 발명에서 상기 (e) 단계(S50)는 상기 (d) 단계에서 산출된 잔류 값을 공구 마모도 간접 계측값으로 환산하는 단계로서, 상기 잔류 값을 공구 마모도 간접 계측값으로 환산하는 방법은 다음와 같다.
우선, 도 8에 나타난 바와 같이 하기 식 15를 이용하여 잔류 값의 합(Sum of Residual)을 산출한다.
[식 15]
Figure pat00016
다음으로, 하기의 식 16을 이용하여 정규화한 값을 공구 마모도 간접 계측값(Z)으로 정의한다. 상기 공구 마모도 간접 계측값(Z)이 2이상 3미만인 경우 '공구 교체 관련 주의 요망 상태'로 파악되고, 3 이상인 경우에는 '즉시 공구 교체가 필요한 상태'로 파악된다.
[식 16]
Figure pat00017
상기 식 16에서, 'M'은 하기 [식 17]과 같고, 'Std'는 하기 [식 18]과 같다.
[식 17]
Figure pat00018
[식 18]
Figure pat00019
본 발명에 따른 CNC 공작기계의 공구 마모 간접 계측방법에 의하면, 다양한 공정 조건 또는 환경 조건의 변화에도 실시간으로 공구의 마모 여부를 정확하고 신뢰도 있게 확인할 수 있으며, 기존의 기술과는 달리 공구의 마모 확인을 위한 별도의 추가 공정이 필요하지 않으므로 생산 공정의 지연을 초래하는 것을 방지할 수 있다.
이상에 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술할 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (4)

  1. 컴퓨터에서 구현되는 CNC 공작기계의 공구 마모 간접 계측방법에 있어서,
    (a) 가동 중인 CNC 공작기계로부터 공구의 마모와 관련된 데이터를 실시간으로 수집하는 실시간 데이터 수집 단계;
    (b) 상기 (a) 단계에서 수집된 실시간 데이터를 통계치로 변환하여 전 처리 가공하는 단계;
    (c) 현재 공구의 사용횟수가 1회인 경우에는 참조 데이터로 별도 저장하고, 현재 공구의 사용횟수가 2회 이상인 경우에는 실시간 데이터와 상기 참조 데이터 간 벡터 연산을 통해 예측 정상 데이터 값을 산출하는 단계;
    (d) 상기 (c) 단계에서 산출된 예측 정상 데이터 값과 실시간 데이터 값 간의 차이의 절대값으로 잔류 값을 산출하는 단계; 및
    (e) 상기 (d) 단계에서 산출된 잔류 값을 공구 마모도 간접 계측값으로 환산하는 단계;를 포함하는 CNC 공작기계의 공구 마모 간접 계측방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 참조 데이터는 변수 수의 2배 이상에서 로우(row) 수를 고정하되, 고정된 로우(row) 수를 유지하면서 신규 참조 데이터가 저장되면 가장 오래된 참조 데이터는 삭제하는 방식으로 지속적으로 업데이트되는 것을 특징으로 하는 CNC 공작기계의 공구 마모 간접 계측방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 예측 정상 데이터 값은 하기의 수학식 1 내지 수학식 4의 벡터 연산 식에 따라 산출되는 것을 특징으로 하는 CNC 공작기계의 공구 마모 간접 계측방법.

    [수학식 1]
    Figure pat00020

    [수학식 2]
    Figure pat00021

    [수학식 3]
    Figure pat00022
    ,
    상기 수학식 3에서,
    Figure pat00023
    연산은 하기의 수학식 4와 같다.
    [수학식 4]
    Figure pat00024


    상기 수학식 1 내지 4에 있어서, "D " 는 참조 데이터의 Matrix, " Y in " 는 실시간 데이터 값, " Y est "는 예측 정상 데이터 값이다.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 공구 마모도 간접 계측값은 하기의 수학식 5에 의해 잔류 값의 합(Sum of Residual)을 산출한 후, 하기의 수학식 6 내지 8에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 CNC 공작기계의 공구 마모 간접 계측방법.

    [수학식 5]
    Figure pat00025

    [수학식 6]
    Figure pat00026

    상기 수학식 6에서, 'M'은 하기 [수학식 7]과 같고, 'Std'는 하기 [수학식 8]과 같다.
    [수학식 7]
    Figure pat00027

    [수학식 8]
    Figure pat00028
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