KR20200125834A - Cnc공작기계 스핀들주축의 런아웃 검사장치 및 검사방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 CNC공작기계에서 스핀들모터의 고유진동수와 조화진동수에서의 진동크기를 활용하여 스핀들 주축의 런아웃을 검사하는 방법이다.
구체적으로 공작기계의 CNC로부터 RPM를 획득하여 고유진동수를 구하고 관련 조화진동수를 구한 후에 가속도계센서를 활용하여 공작기계의 이송방향별로 각 고유진동수와 조화진동수에 발생하는 진동 크기를 구한 후에 스핀들 주축에 발생하는 런아웃량을 산출한다. 그리고 상기 산출된 런아웃량을 기준 런아웃값과 비교하여 양부(良否)를 진단하게 한다.
또한 상기 기술로 고안된 장치를 가공작업 전에 또는 가공작업 중에 CNC공작기계의 런아웃 검사에 활용할 수 있다.

Description

CNC공작기계 스핀들주축의 런아웃 검사장치 및 검사방법{AN INSPECTION SYSTEM OF SPINDLE RUN-OUT IN CNC MACHINES AND A METHOD THEREOF}

본 발명은 CNC공작기계의 RPM 정보와 스핀들에 부착한 가속도계센서를 활용하여 공작기계의 스핀들이 무부하 상태에서 발생시키는 런아웃을 검사하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 구체적으로, CNC로부터 스핀들의 RPM를 획득하고, 획득한 RPM에서 계산한 스핀들모터의 고유진동수를 활용하여 스핀들에 부착된 가속도계센서의 진동시그널을 FFT처리함으로써 고유진동수와 조화주파수에서 발생하는 진동시그널의 크기를 찾고 적용함으로써 스핀들의 런아웃을 검사하는 장치 및 방법이다.

이상적인 회전시스템은 완전한 진원회전운동을 하도록 설계된다. 그러나 실제 회전시스템은 의도하지 않은 방향으로 흔들림이 발생하게 되는데 이를 런아웃이라고 한다. 이러한 런아웃의 발생은 베어링의 마모 및 손상, 베어링 조립 시 틀어짐, 의도되지 않은 하중 등을 원인으로 한다.

일반적으로, 런아웃은 정밀 회전공작기계의 경우 가공정밀도를 저하시키는 문제를 야기하고, 잦은 고장으로 인한 유지 보수의 어려움을 야기시킨다. 이러한 런아웃은 CNC공작기계의 성능에 있어 치명적인 악영향을 끼친다는 점에서 가장 우선적으로 측정 및 평가되어야 할 항목이다.

이처럼 스핀들 런아웃은 공작기계 자체의 오차이기 때문에 실제 가공작업 전에 런아웃 검사를 하여 가공작업 진행 여부를 결정하게 된다.

기존 런아웃검사 방식은 CNC기계가공을 수행하기 전에 스핀들 주축에 정밀하게 가공된 보링바 등을 장착하고 특정 RPM으로 스핀들을 회전시키면서 런아웃 게이지를 사용하여 스핀들 주축의 런아웃과 특정한 공구위치별 런아웃 검사를 수행한다. 그러나 작업자의 숙련도에 의해서 런아웃 검사의 정밀도가 큰 영향을 받게 되고, 또한 수작업 검사이기 때문에 특정 RPM(예시로 50RPM, 300RPM 등을 특정하는 지침에 의해서)에서만 매우 제한적으로 런아웃 검사를 수행할 수밖에 없었다. 이와 같이 런아웃 검사가 수작업 방식이기 때문에 공작기계 스핀들의 RPM 전범위에 대해서 런아웃 검사를 충분하게 수행하지 못했다.

스핀들 주축의 런아웃은 가공정밀도의 유지관리를 위해서 중요한 작업 절차이지만 시간이 소요되는 번거로운 작업으로 여겨지는 탓에 작업자들이 생략하는 경우가 있지만 가공 오차 등이 발생하면 기본적으로 다시 수행해야 하는 필수 검사이다.

이에 본 발명의 발명자들은 CNC로부터 RPM 정보를 OPC 등으로 획득하고, 획득한 RPM 정보에서 스핀들모터의 고유진동수를 구하며, 스핀들에 부착한 가속도계센서에서 획득한 진동시그널을 스핀들모터의 고유진동수와 조화진동수를 기반으로 고속퓨리에변환 처리하여 상기 주파수에서 발생하는 진동의 크기를 활용함으로써 스핀들의 런아웃의 정도를 검사하는 방법을 고안하였다.

이 기술에서 사용하는 주요기술은 CNC정보를 개방적으로 활용할 수 있게 해주는 OPC(Open Platform Communication)와 진동시그널을 시간 도메인에서 주파수 도메인으로 변환하여 스핀들모터의 진동특성을 분석할 수 있게 해주는 고속퓨리에변환(FFT, Fast Fourier Transform)기술이다.

이 기술들은 CNC를 장착한 공작기계의 스핀들에서 발생하는 런아웃을 검사하는 것, 특히 스핀들모터와 스핀들 주축 베어링에서 발생하는 진동특성에 의한 런아웃의 검사에 매우 유용하게 적용된다.

선행문헌 1. 한국특허등록공보 10-1772026 (2017. 08. 22. 등록)

본원 발명은 CNC공작기계의 스핀들 주축에서 발생하는 런아웃을 신속하면서도 정확하게 검사하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본원발명은 CNC에서 공작기계의 스핀들모터 RPM 전범위에 대해서 획득할 수 있고, 스핀들에 부착한 가속도계센서는 상기 RPM에 의해서 가진되는 공작기계의 스핀들 주축에서 발생하는 진동특성, 특히 런아웃의 직접적 원인이 되는 고유진동수와 조화진동수에서의 진동크기를 산출함으로써 스핀들의 런아웃의 정도를 계산하는 아웃런 검사장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기에서 상술한 문제를 해결하기 위해서, 본 발명은

CNC공작기계의 스핀들 주축 런아웃 검사방법에 있어서,

CNC공작기계의 스핀들 주축에 가속도계센서를 장착하고, 무부하상태로 임의의 rpm으로 회전시켜서 스핀들 주축의 이송되는 방향인 X축상과 Y축상에서 발생하는 진동을 검출하는 단계(S1);

상기 가속도계센서를 통해서 검출되는 아날로그 진동시그널을 DAQ에 의해 디지털 시그널로 변환하는 단계(S2);

상기 변환된 디지털 시그널을 FFT처리하여 스핀들모터의 고유진동수와 조화진동수에서 각각의 진동크기를 추출하는 단계(S3);

상기 산출된 각각의 진동크기에 의하여 스핀들주축의 런아웃총량을 산출하는 단계(S4);를 포함하는 것을 특징으로 하는 CNC 공작기계의 스핀들주축 런아웃검사방법을 제공하는 것이다.

바람직하게, 스핀들주축의 런아웃총량을 산출하는 단계(S4)는, 하기 논리연산식에 의해서, 산출하는 것을 특징으로 하는 CNC 공작기계의 스핀들주축 런아웃검사방법이다.

[논리연산식]

X축 SM런아웃 양 = X축 SM고유진동수 진동크기+X축 SM조화진동수 진동크기

Y축 SM런아웃 양 = Y축 SM고유진동수 진동크기+Y축 SM조화진동수 진동크기

여기서 SM는 스핀들모터(Spindle Motor)를 말하며, SM고유진동수는 스핀들모터의 RPM를 60으로 나눈 값이고, SM조화진동수는 스핀들모터의 고유진동수의 2배, 3배, 4배, 5배에 해당하는 진동수를 말한다.

상기와 같이 이루어진 본원 발명은 CNC공작기계의 스핀들주축에 대한 런아웃 검사를 전범위 RPM에 걸쳐서 수행하는 것이 가능하다.

즉, 일반적으로 스핀들모터는 저속RPM에 토크가 최적화된 분류와 고속RPM에 토그가 최적화된 분류로 나누어져 있다. 종래에는 상기 모터의 특성을 감안해서 특정 RPM에 대해서 런아웃 검사를 수행하고 실제 가공을 수행한다. 그렇지만 실제 가공에서는 상기 특정 RPM에서만 가공작업을 수행하지 않고 상기 특정 RPM를 포함하여 다양한 RPM으로 작업을 수행하고 있다. 그렇기 때문에, 상기 특정 RPM에서 발생하는 런아웃 검사 방식으로는 스핀들 주축의 런아웃을 충분히 검사했다고 할 수 없게 된다. 기존에는 수작업으로 런아웃을 검사해야 하는 제조 환경이어서 상기 방식으로 제한적으로 검사를 수행할 수밖에 없었다.

그러나 본원 발명을 활용하면 특정 RPM에 대해서만 런아웃을 수작업 방식으로 검사하는 한계를 극복하고, 공작기계의 스핀들에 대한 전범위 RPM의 런아웃 검사를 수행하여 스핀들 주축의 런아웃 양을 검출할 수 있고, 상기 런아웃 양을 고려하여 절삭조건 등을 설정함으로써 고품질의 절삭가공을 수행할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 스핀들 주축의 런아웃 검사장치의 기본개념도
도 2는 본 발명에 따른 스핀들 주축의 런아웃 검사방법 순서도
도 3은 도 1의 스핀들 주축의 런아웃 검사장치를 이용한 런아웃 검사방법 개념도

이하, 상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하에서는 본 발명에 따른 CNC공작기계에서 스핀들 모터의 런아웃을 스핀들모터의 RPM과 스핀들 모터에 장착된 가속도계센서로 검사하는 방식을 기술적으로 구현하기 위해서 스핀들 주축의 런아웃 검사장치의 기본개념도(도1)와 스핀들 주축의 런아웃 검사방법 순서도(도2 및 도3)를 통해서 설명한다.

최근 공작기계 CNC는 OPC(Open Platform Communication)기반의 외부통신을 지원하며, CNC의 상태를 외부 단말기를 통해 실시간으로 모니터링할 수 있도록 지원한다. 본원 발명은 공작기계의 OPC를 활용하여 CNC의 상태와 함께 센서 정보를 동기화한다. 본원 발명은 OPC 기반으로 CNC 상태를 모니터링할 수 있다. CNC 상태로는 공구위치, 공구이송속도, 스핀들 회전속도, 스핀들부하 등을 포함한다.

본원 발명은 OPC기술에 의하여 CNC공작기계의 컨트롤러에서 주축의 회전 RPM 데이터를 가져온다. 그리고 상기 RPM데이터로 스핀들모터의 가진주파수(고유진동수)를 계산한다. 고유진동수는 rpm/60 이다. 스핀들모터가 회전할 때 스핀들주축에서 진동이 발생하고, 스핀들모터의 가진주파수에 따라서 스핀들주축의 진동특성이 변하게 된다. 고유진동수와 조화주파수에서는 특정한 모드의 진동이 발생하며 이때 진동의 크기가 런아웃의 직접적인 영향을 주게 된다. 상기 진동 시그널의 크기는 FFT처리를 통해서 검출할 수 있다. 고유진동수와 조화진동수에서 발생한 각각의 진동 크기와 패턴을 검출하고, 이를 검교정된 런아웃 게이지의 런아웃값과 상관관계식을 생성한다. 상기 진동 크기와 런아웃의 양을 상관관계식으로 정립하며, 이 상관관계식은 해당 CNC장비의 런아웃 검사에 지속적으로 활용할 수 있다.

먼저 OPC를 기반으로 하는 본원 발명의 스핀들 주축의 런아웃 검사장치는 아래와 같이 구성된다.

즉, 본원 발명은 CNC공작기계에 장착되는 가속도계센서모듈 을 구비한다. 상기 가속도계센서모듈은 CNC공작기계의 이송방향인 X축상과 Y축상에서 발생하는 진동을 검출할 수 있도록 장착해야 한다. 이때 사용한 가속도계센서는 일방향 센싱이 가능한 1축 센서(도 2의 a)를 기준으로 하지만, 1축센서로 제한되는 것은 아니며, 만일 3축 가속도계센서를 장착시에는 CNC공작기계의 이송방향를 고려하지 않고 임의의 방향으로 장착해도 된다.

본원 발명은 디지털변환모듈 (DAQ, DATA AQUISITION)을 포함한다. 즉, 상기 디지털변환모듈은 상기 가속도계센서를 통해서 검출되는 대용량의 아날로그 진동시그널을 컴퓨터에 의해서 처리할 수 있는 디지털 진동시그널로 변환하고 저장한다. 도 2의 b는 X축과 Y축에서 발생하는 진동시그널의 raw data의 예이다. 진동의 패턴이 감쇄, 발산, 또는 감쇄와 발산의 반복 등으로 다양하게 나타난다.

또한 본원 발명은 FFT처리모듈 을 포함한다. 즉, 상기 디지털변환모듈(DAQ)에서 획득한 디지털 진동시그널은 FFT처리모듈을 거치면서 스핀들모터의 고유진동수와 조화진동수에서 진동크기가 산출된다(도 2의 c). 다시 말하면, 순수하게 스핀들모터의 가진(加振)에 의해서 발생한 스핀들주축의 진동크기를 구하는 것으로, 상기 FFT처리모듈을 통해서 X축방향과 Y축방향의 런아웃양을 산출한다.

본원 발명은 런아웃량 연산모듈 을 포함한다. 상기 런아웃량 연산모듈은 X축방향 런아웃량과 Y축방향의 런아웃량을 합산하여 런아웃 총량을 산출한다.

본원 발명은 런아웃 양부(良否) 판단모듈 을 포함한다. 상기 런아웃량 연산모듈을 통해서 합산된 전체 런아웃량을 기준 런아웃량과 비교하여 양부를 판단한다.

그리고 NC코드 등으로 RPM의 값을 자동적으로 일정 간격으로 증가 또는 감소하도록 코딩하고, 상기 제안 방법을 적용하여 스핀들의 런아웃 검사를 수행하면 공작기계의 RPM 전범위에 걸쳐서 런아웃 검사를 자동적으로 수행할 수 있다.

도 2는 스핀들 주축의 런아웃 검사를 위한 순서를 도시한 것이다.

S1 단계 : CNC 스핀들 주축에 장착된 가속도계센서모듈을 통해서 아날로그 진동시그널을 획득한다. X축과 Y축에서 발생하는 진동시그널의 raw data의 예이다. 진동의 패턴이 감쇄, 발산, 또는 감쇄와 발산의 반복 등으로 다양할 수 있다. (도 3의 ①, ② 참조)

S2 단계 : DAQ모듈을 통해서 대용량 아날로그 진동시그널을 고속으로 디지털 시그널로 변환한다. (도 3의 ③ 참조)

S3 단계 : FFT처리모듈을 통해서 스핀들모터의 고유진동수와 조화진동수에 발생하는 진동크기를 추출한다. 즉, CNC 공작기계의 각 축에서 발생하는 진동 중에서 스핀들모터의 가진(加振)에 의해서만 발생하는 진동, 다시 말해 스핀들모터가 스핀들주축의 런아웃에 영향을 미치는 진동만을 추출한다. (도 3의 ④ 참조)

S4 단계 : 각 X축과 Y축에서 발생하는 스핀들모터의 가진(加振)에 의한 런아웃 총량을 하기의 연산식에 의해서 계산한다. (도 3의 ⑤ 참조)

[논리연산식]

X축 SM런아웃 총량 =

X축 SM고유진동수 진동크기+X축 SM조화진동수 진동크기

Y축 SM런아웃 총량 =

Y축 SM고유진동수 진동크기+Y축 SM조화진동수 진동크기

여기서 SM는 스핀들모터(Spindle Motor)를 말하며, SM고유진동수는 스핀들모터의 RPM를 60으로 나눈 값이고, SM조화진동수는 스핀들모터의 고유진동수의 2배, 3배, 4배, 5배에 해당하는 진동수를 말한다.

5단계 : 각 X축과 Y축에서 발생하는 런아웃에 의해서 발생하는 런아웃 총량을 계산한다. 일반적으로 알려진 벡터의 합을 활용한다. (도 3의 ⑥ 참조)

6단계 : 런아웃 총량을 작업지침에 명기된 런아웃 기준량과 비교하여 런아웃의 양부(良否)를 판정한다. (도 3의 ⑦, ⑧ 참조)

이에 본 발명은 CNC공작기계의 전범위 RPM에 대해서 런아웃 검사를 수행할 수 있는 이점이 있으며, 작업자의 숙련도에 관계없이 본원 발명의 런아웃검사장치 및 런아웃검사방법에 의해서 런아웃 검사를 수행하는 방식으로 진행하면 균일하면서도 정밀한 런아웃량을 검출할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (4)

1. CNC 스핀들주축에 장착되어 스핀들 주축의 이송되는 방향인 X축상과 Y축상에서 발생하는 진동을 검출하는 가속도계센서모듈;
   상기 가속도계센서모듈에 의해서 검출된 스핀들주축의 진동을 디지털 시그널로 변환하는 DAQ모듈;
   상기 DAQ모듈에 의해서 변환된 디지털 시그널에서 스핀들모터의 고유진동수와 조화진동수에서 X축과 Y축에서 각각 진동크기로 추출하는 FFT처리모듈;
   상기 각 축에서의 진동크기를 기초로 X축과 Y축 각각에서의 런아웃총량을 산출하는 런아웃량 연산모듈;
   상기 산출된 런아웃량을 기초로 런아웃량 총량을 기준 런아웃량과 비교하여 양부를 판단하는 아웃 양부(良否) 판단모듈;
   를 포함하는 CNC공작기계의 스핀들주축 런아웃 검사장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 런아웃량 연산모듈은 아래 논리연산식에 의하여 런아웃 총량을 산출하는 것을 특징으로 하는 CNC 공작기계의 스핀들주축 런아웃검사장치.
   
   [논리연산식]
   X축 SM런아웃 양 = X축 SM고유진동수 진동크기+X축 SM조화진동수 진동크기
   Y축 SM런아웃 양 = Y축 SM고유진동수 진동크기+Y축 SM조화진동수 진동크기
   
   여기서 SM는 스핀들모터(Spindle Motor)를 말하며, SM고유진동수는 스핀들모터의 RPM를 60으로 나눈 값이고, SM조화진동수는 스핀들모터의 고유진동수의 2배, 3배, 4배, 5배에 해당하는 진동수를 말한다.
   
3. CNC공작기계의 스핀들 주축 런아웃 검사방법에 있어서,
   CNC공작기계의 스핀들 주축에 가속도계센서를 장착하고, 무부하상태로 임의의 rpm으로 회전시켜서 스핀들 주축의 이송되는 방향인 X축상과 Y축상에서 발생하는 진동을 검출하는 단계(S1);
   상기 가속도계센서를 통해서 검출되는 아날로그 진동시그널을 DAQ에 의해 디지털 시그널로 변환하는 단계(S2);
   상기 변환된 디지털 시그널을 FFT처리하여 스핀들모터의 고유진동수와 조화진동수에서 각각의 진동크기를 추출하는 단계(S3);
   상기 산출된 각각의 진동크기에 의하여 스핀들주축의 런아웃총량을 산출하는 단계(S4);를 포함하는 것을 특징으로 하는 CNC 공작기계의 스핀들주축 런아웃검사방법.
   
4. 제3항에 있어서,
   스핀들주축의 런아웃총량을 산출하는 단계(S4)는, 아래 논리연산식에 의하여 산출하는 것을 특징으로 하는 CNC 공작기계의 스핀들주축 런아웃검사방법.
   
   [논리연산식]
   X축 SM런아웃 양 = X축 SM고유진동수 진동크기+X축 SM조화진동수 진동크기
   Y축 SM런아웃 양 = Y축 SM고유진동수 진동크기+Y축 SM조화진동수 진동크기
   
   여기서 SM는 스핀들모터(Spindle Motor)를 말하며, SM고유진동수는 스핀들모터의 RPM를 60으로 나눈 값이고, SM조화진동수는 스핀들모터의 고유진동수의 2배, 3배, 4배, 5배에 해당하는 진동수를 말한다.
   

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