KR20220071540A - 공작기계의 공구 상태 판정 장치 - Google Patents

공작기계의 공구 상태 판정 장치 Download PDF

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Abstract

공작기계의 공구 상태 판정 장치가 개시된다. 본 발명의 공작기계의 공구 상태 판정 장치는 가공 중 공작기계의 주축의 x축과 y축 방향으로의 가속도를 감지하는 센서부; 및 상기 센서부에 의해 감지된 x축 방향과 y축 방향의 신호 각각을 처리하여 절삭력을 대변할 수 있는 신호로 변환한 후 합력을 검출하고 검출된 합력을 극좌표계에 도시하는 처리 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

공작기계의 공구 상태 판정 장치{METHOD FOR DETECTING STATUS OF MACHINE TOOLS}
본 발명은 공작기계의 공구 상태 판정 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 MEMS(Micro electro-mechanical systems) 타입의 진동 가속도계 2개를 주축의 비회전부에 부착하여 가공 중 신호를 유선으로 측정하고 이를 분석하여 공구의 상태를 판정할 수 있도록 한 공작기계의 공구 상태 판정 장치에 관한 것이다.
일반적으로 사용되고 있는 각종 공구(Tool)에서 직경이 작은 드릴이나 탭 등에 의한 물품의 가공 과정시 각종 공구가 파손되는 경우가 종종 발생하게 된다. 파손의 원인으로는 공구의 소재에 함유되어 있는 기포 또는 치구의 떨림 등 다양한 것들이 있다.
공구가 파손된 상태를 작업자가 인식하지 못한 상태에서 파손된 공구를 사용하여 지속적으로 물품을 가공할 경우 불량품 발생 등 여러 가지 문제점이 야기된다. 즉, 공작기계에서 공구의 파손은 공구 파손 자체로 인한 손해보다 제품이 파손되는 2차적인 피해를 발생시킨다. 이와 같은 공구의 파손 여부를 미연에 검출함으로써 추후에 발생할 수 있는 제품 불량 등을 방지하기 위해 공구 모니터링 시스템이 사용되고 있다.
종래의 공구 모니터링 시스템은 측정 센서가 부착된 공구 홀더를 이용하여 가공해야만 하거나, 고속 주축 절삭 상태를 측정된 진동 값의 크기 값으로만 판단하기 때문에 공작기계 가공 이외의 외란 진동에 취약하며, 가공 중 공구의 정확한 상태를 확인하기 어렵다는 문제점이 있었다.
게다가, 종래의 공구 모니터링 시스템은 공구 홀더에서 측정되는 신호를 무선 통신 방식으로 송수신하므로 신호의 신뢰성이 낮고 시스템 비용이 상대적으로 높은 문제점이 있었다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 10-1134940호(2012.04.03)의 '고속 주축의 절삭 진동값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 및 제어 방법'에 개시되어 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 MEMS(Micro electro-mechanical systems) 타입의 진동 가속도계 2개를 주축의 비회전부에 부착하여 가공 중 신호를 유선으로 측정하고 이를 분석하여 공구의 상태를 시각화함으로써 공구의 상태를 정확하게 판정할 수 있도록 한 공작기계의 공구 상태 판정 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 공작기계의 공구 상태 판정 장치는 가공 중 공작기계의 주축의 x축과 y축 방향으로의 가속도를 감지하는 센서부; 및 상기 센서부에 의해 감지된 x축 방향과 y축 방향의 신호 각각을 처리하여 절삭력을 대변할 수 있는 신호로 변환한 후 합력을 검출하고 검출된 합력을 극좌표계에 도시하는 처리 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 센서부는 상기 주축의 x축 방향으로의 가속도를 감지하는 제1 가속도 센서; 상기 제1 가속도 센서에 의해 감지된 신호를 증폭하는 제1 증폭기; 상기 주축의 y축 방향으로의 가속도를 감지하는 제2 가속도 센서; 및 상기 제2 가속도 센서에 의해 감지된 신호를 증폭하는 제2 증폭기를 포함하고, 상기 제1 가속도 센서와 상기 제2 가속도 센서는 기 설정된 설정각도로 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 센서부는 상기 공작기계의 주축, 상기 주축에 설치된 헤더, 공구 및 터렛 중 어느 하나에 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 처리 디바이스는 상기 센서부에 의해 각각 감지된 신호 각각의 앨리어싱을 방지하기 위해 필터링하고 디지털 신호로 변환하는 신호 처리부; 가공 조건에 따라 설정된 파라미터에 따라 상기 신호 처리부로부터 입력된 신호 각각을 절삭력을 대변할 수 있는 신호로 변환하고, 변환된 x축 방향의 신호와 y축 방향의 신호를 합산하여 놈(norm)값을 생성한 후 극좌표계 영역으로 도시하여 회전 중 공구의 상태와 날 수가 반영된 그래프로 도시하는 공구 시각화 처리부; 및 상기 공구 시각화 처리부의 극좌표 선도를 토대로 현재 공구의 상태를 판단하는 장비 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 신호 처리부는 상기 x축 방향의 신호의 앨리어싱을 방지하기 위해 상기 x축 방향의 신호를 필터링하는 제1 안티 앨리어싱 필터; 상기 제1 안티 앨리어싱 필터로부터 출력된 신호를 디지털 신호로 변환하는 제1 ADC(Analog Digital Converter); 상기 y축 방향의 신호의 앨리어싱을 방지하기 위해 상기 y축 방향의 신호를 필터링하는 제2 안티 앨리어싱 필터; 상기 제1 안티 앨리어싱 필터로부터 출력된 신호를 디지털 신호로 변환하는 제2 ADC를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 공구 시각화 처리부는 상기 파라미터에 따라 상기 x축 방향의 신호에서 절삭 과정 중 공구의 칼날과 소재가 접촉할 때 발생하는 신호만을 추출하는 제1 신호변환 필터; 상기 파라미터에 따라 상기 제1 신호변환 필터에 의해 필터링된 신호에서 노이즈성 고주파 신호를 제거하는 제1 저역통과필터; 상기 파라미터에 따라 상기 y축 방향의 신호에서 절삭 과정 중 공구의 칼날과 소재가 접촉할 때 발생하는 신호만을 추출하는 제2 신호변환 필터; 상기 파라미터에 따라 상기 제2 신호변환 필터에 의해 필터링된 신호에서 노이즈성 고주파 신호를 제거하는 제2 저역통과필터; 상기 제1 대역저지필터와 상기 제2 저역통과필터 각각에 의해 필터링된 신호에 대한 놈 계산을 수행하여 x축 방향의 신호와 y축 방향의 합력에 해당하는 놈 값을 연산하는 벡터 연산 모듈; 및 상기 벡터 연산 모듈에 의해 연산된 놈 값을 극좌표 그래프로 도시하여 공구 상태를 시각화하는 공구 시각화 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 공구 시각화 모듈은 연속적인 놈 값의 배열에서 공구 1회전에 해당하는 배열의 길이를 구하고, 상기 극좌표 그래프에 상기 배열의 길이만큼의 놈 값 배열을 순차적으로 배열하여 공구 1회전 당 칼날의 상태를 표현하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 장비 제어부는 상기 공작기계의 CNC로 알람 정보를 전달하는 통신모듈; 상기 공작기계의 PLC로 제어 신호를 전달하는 입출력 모듈; 상기 공구 시각화 처리부에서 출력된 극좌표 선도를 기반으로 공구 상태를 판단하고, 판단 결과에 따라 상기 통신모듈을 통해 상기 공작기계의 PLC로 알람 정보를 전달하거나, 상기 공작기계의 CNC로 제어 신호를 전달하는 공구 상태 판단 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 공구 상태 판단 모듈은 극좌표의 360도를 공구의 칼날 수로 나누어 검색 영역을 선정하고, 각 검색 영역 내에서 최대 값을 구하여 칼날을 대변하는 타원의 장축 길이를 계산하며, 중간 값을 구하여 단축 길이를 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 공구 상태 판단 모듈은 상기 공구 상태를 정상, 마모, 부분 파손 및 완전 파손으로 구분하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 공구 상태 판단 모듈은 타원의 장축 길이가 설정범위 이내이고 실제 공구 칼날 각도와 동일한 각도를 가지면 상기 공구 상태를 정상으로 판단하고, 마모 칼날에 해당하는 타원 장축이 짧아지고 회전방향으로 뒤따르는 다음 칼날의 장축 길이가 길어지면 상기 공구 상태를 마모로 판단하며, 파손된 칼날의 타원이 사라지거나 설정 장축 이하이면 상기 공구 상태를 부분 파손으로 판단하며, 타원이 기 설정된 정상적인 타원의 형태로 표현되지 않으면 상기 공구 상태를 완전 파손으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 공작기계의 공구 상태 판정 장치는 MEMS(Micro electro-mechanical systems) 타입의 진동 가속도계 2개를 주축의 비회전부에 부착하여 가공 중 신호를 유선으로 측정하고 이를 분석하여 공구의 상태를 시각화함으로써 공구의 상태를 정확하게 판정할 수 있도록 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 공작기계의 공구 상태 판정 장치는 시각화된 공구 상태를 정해진 기준에 따라 알람을 출력하거나 긴급 정지 등의 제어를 수행함으로써, 소재의 가공 불량을 사전에 예방할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 공구 상태 판정 장치의 시스템 구성도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 공구 상태 판정 장치의 블록 구성도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 센서의 부착 위치를 나타낸 도면이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서부의 개략도 및 신호 흐름을 도시한 도면이다.
도 5 는 피에조 센서와 MEMS 센서의 신호 안정성을 나타낸 도면이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호변환 필터의 구조를 나타낸 도면이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호변환 필터와 LPF의 동작 흐름도이다.
도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 가공 과정에서의 벡터 놈 값 계산을 나타낸 도면이다.
도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴라 플랏(polar plot)을 나타낸 도면이다.
도 10 은 본 발명의 일 실시예에 따른 5날 공구 상태 유형별 시각화 결과를 나타낸 도면이다.
도 11 은 본 발명의 일 실시예에 따른 장비 제어부의 동작 흐름도이다.
도 12 및 도 13 은 본 발명의 일 실시예에 따른 선반 장비 적용 예를 나타낸 도면이다.
도 14 는 본 발명의 일 실시예에 따른 공구 시각화 처리부의 다른 구성 예를 나타낸 도면이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 공구 상태 판정 장치를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 이용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 공구 상태 판정 장치의 시스템 구성도이고, 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 공구 상태 판정 장치의 블록 구성도이며, 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 센서의 부착 위치를 나타낸 도면이며, 도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서부의 개략도 및 신호 흐름을 도시한 도면이며, 도 5 는 피에조 센서와 MEMS 센서의 신호 안정성을 나타낸 도면이며, 도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호변환 필터의 구조를 나타낸 도면이며, 도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호변환 필터와 LPF의 동작 흐름도이며, 도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 가공 과정에서의 벡터 놈 값 계산을 나타낸 도면이며, 도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴라 플랏(polar plot)을 나타낸 도면이며, 도 10 은 본 발명의 일 실시예에 따른 5날 공구 상태 유형별 시각화 결과를 나타낸 도면이며, 도 11 은 본 발명의 일 실시예에 따른 장비 제어부의 동작 흐름도이다.
도 1 내지 도 11 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 공구 상태 판정 장치는 센서부(10) 및 처리 디바이스(20)를 포함한다. 처리 디바이스(20)는 신호 처리부(21), 공구 시각화 처리부(22) 및 장비 제어부(23)를 포함한다.
먼저, 센서부(10)는 가공 중 공작기계의 주축의 x축과 y축 방향으로의 진동 가속도를 감지한다.
센서부(10)는 제1 가속도 센서(11), 제1 증폭기(12), 제2 가속도 센서(13), 및 제2 증폭기(14)를 포함한다.
제1 가속도 센서(11)는 공작기계의 주축 또는 주축에 설치된 헤더에 설치되어 공작기계의 주축의 x축 방향의 진동 가속도를 감지한다.
제2 가속도 센서(13)는 공작기계의 주축이나 주축에 설치된 헤더에 설치되어 공작기계의 주축의 y축 방향의 진동 가속도를 감지한다.
제1 가속도 센서(11)와 제2 가속도 센서(13)는 도 3 에 도시된 바와 같이 공작기계의 주축의 중심 또는 헤더의 중심점을 기준으로 설정각도 예를 들어 90도 각도로 배치된다.
제1 증폭기(12)는 제1 가속도 센서(11)에 의해 감지된 신호를 증폭한다.
제2 증폭기(14)는 제2 가속도 센서(13)에 의해 감지된 신호를 증폭한다.
한편, 공작기계 내부의 다양한 구조와 형태를 고려하였을 때 가공 중 발생하는 신호의 원활한 측정과 설치 작업 편의성을 위해서는, 센서 몸체의 소형화는 필수적인 요소이다.
도 4 를 참조하면, 제1 가속도 센서(11)와 제2 가속도 센서(13) 각각은 센서부(10)의 외함(CASE) 내부에 MEMS(Micro electro-mechanical systems) 타입의 코어 센서가 채용될 수 있다.
전원 공급 회로와 IEPE(Integrated Electronics Piezo-Electric) 신호 변환 증폭 회로가, 0V에서부터 소정의 출력 전압 범위를 갖는 센서 구동을 위해 더 내장될 수 있으며, 이들 각각은 제1 가속도 센서(11)와 제2 가속도 센서(13)와 각각 연결될 수 있다.
또한, IEPE 회로의 특성상 전원 공급과 신호 출력이 동시에 이루어지므로 센서 출력에 포함된 노이즈를 저감하기 위한 저역통과필터(Low Pass Filter;LPF)가 더 내장될 수 있다.
제1 가속도 센서(11)와 제2 가속도 센서(13) 각각의 출력은 LPF로 입력될 수 있다. 저역통과필터의 필터 통과 신호가 IEPE 변환 Amp로 보내지므로, 제1 가속도 센서(11)와 제2 가속도 센서(13)와 상용 IEPE 센서와 호환이 가능하게 설치될 수 있다.
제1 증폭기(12)와 제2 증폭기(14)로는 IEPE 변환 Amp가 채용될 수 있다. IEPE 변환 Amp의 출력은 유선 케이블(17)을 통해 처리 디바이스(20)로 전달된다. 이에 따라, 감지된 신호에 대한 신뢰성이 증가하고 제조 비용이 감소될 수 있다.
MEMS 센서는 기본적으로 가속도를 측정하는 가속도계이다. MEMS 센서는 측정 범위 가능한 주파수 영역이 최소 0Hz~10kHz이고 0Hz에서의 신호 크기의 편차 범위가 ±1mg(RMS)이어야 한다.
처리 디바이스(20)는 센서부(10)에 의해 감지된 x축 방향과 y축 방향의 신호 각각을 처리하여 절삭력을 대변할 수 있는 신호로 변환하고, 변환신호를 합하여 합력을 검출한 후, 검출된 합력을 극좌표계에 도시한다.
도 2 를 참조하면, 처리 디바이스(20)는 신호 처리부(21), 공구 시각화 처리부(22), 및 장비 제어부(23)를 포함한다.
신호 처리부(21)는 센서부(10)에 의해 각각 감지된 x축 방향과 y축 방향의 신호 각각의 앨리어싱(Anti-aliasing)을 방지하기 위해 필터링하고 디지털 신호로 변환한다.
신호 처리부(21)는 제1 안티 앨리어싱 필터(211), 제1 ADC(212)(Analog Digital Converter), 제2 안티 앨리어싱 필터(213), 및 제2 ADC(214)를 포함한다.
공작기계의 가공 작업 중 발생하는 공구 상태 변화를 성공적으로 시각화하기 위해서는 제1 가속도 센서(11)와 제2 가속도 센서(13)로부터 입력되는 신호의 엘리어싱을 방지할 필요가 있다.
제1 안티 앨리어싱 필터(211)는 x축 방향의 신호의 앨리어싱을 방지하기 위해 x축 방향의 신호를 필터링한다. 제1 안티 앨리어싱 필터(211)로는 가공 환경 및 조건 그리고 공구 및 소재의 재질에 따라 대역통과필터(BPF) 또는 저역통과필터(LPF)가 채용될 수 있다.
제1 ADC(212)는 제1 안티 앨리어싱 필터(211)로부터 출력된 신호를 디지털 신호로 변환한다. 제1 ADC(212)는 제1 안티 앨리어싱 필터(211)로부터 출력된 신호를 18bit 이상의 분해능으로 양자화하고 10kHz 이상의 샘플링 속도로 신호를 변환할 필요성이 있다.
제2 안티 앨리어싱 필터(213)는 y축 방향의 신호의 앨리어싱을 방지하기 위해 y축 방향의 신호를 필터링한다. 제2 안티 앨리어싱 필터(213)로는 가공 환경 및 조건 그리고 공구 및 소재의 재질에 따라 대역통과필터(BPF) 또는 저역통과필터(LPF)가 채용될 수 있다.
제2 ADC(214)는 제2 안티 앨리어싱 필터(213)로부터 출력된 신호를 디지털 신호로 변환한다. 제2 ADC(214)는 제2 안티 앨리어싱 필터(213)로부터 출력된 신호를 18bit 이상의 분해능으로 신호를 양자화하고 10kHz 이상의 샘플링 속도로 신호를 변환할 필요성이 있다.
공구 시각화 처리부(22)는 가공 조건에 의해 기 설정된 파라미터에 따라 신호 처리부(21)로부터 입력된 신호 각각을 절삭력을 대변할 수 있는 신호로 변환하고, 변환된 x축 방향의 신호와 y축 방향의 신호를 합산하여 놈(norm)값을 생성한 후, 생성된 놈값을 극좌표계 영역으로 도시하여 회전 중 공구의 상태와 날 수가 반영된 그래프로 도시한다.
공구 시각화 처리부(22)는 제1 신호변환 필터(221), 제1 저역통과필터(222), 제2 신호변환 필터(223), 제2 저역통과필터(224), 벡터 연산 모듈(225) 및 공구 시각화 모듈(226)을 포함한다.
공구 상태의 시각화 전에 입력된 센서 신호로부터 절삭 과정 중 공구 칼날과 소재가 접촉할 때 발생하는 신호만을 추출하는 과정이 필요하다. 이 신호는 절삭 역학 관점에서 가공 중 발생하는 절삭력을 추정할 수 있는 중요한 요소가 된다.
절삭 과정에서 공구 1회전 시 공구의 칼날 개수만큼 소재의 절삭이 반복되고 이 과정에서 x축 방향과 y축 방향으로 진동 가속도 신호가 주기적으로 발생한다. 식 F=ma에서 절삭력 F는 발생하는 가속도 a 에 따라 비례하며, 질량 m 은 공구와 공구 홀더 및 주축 헤드부의 질량이므로 항상 일정하다고 볼 수 있다. 따라서, 공구-홀더-주축 진동계의 비선형성을 무시하고, 각 축방향 가속도를 측정하면 절삭력을 추정할 수 있다.
본 실시예에서는 공구 상태 변화 자체의 시각화가 목적이므로 공구-홀더-주축 진동계의 비선형성을 포함한 채 각 요소간 상대적인 값만으로도 원하는 목적을 달성할 수 있다.
제1 신호변환 필터(221)는 comb 필터이며, 도 6 에 도시된 바와 같은 구조를 가진다. 제1 신호변환 필터(221)는 계수 a와 b 그리고 부호에 따라 원하는 특성을 얻을 수 있다.
계수 a와 b는 후술한 통신 모듈로부터 전송받은 가공 조건을 바탕으로 산출될 수 있다. 또한 입력받은 rpm, 칼날 수, 공구 종류 등의 가공 조건에 따라 필터 차수, 신호 통과 특성, 제1 저역통과필터(222)의 차단 주파수가 산출될 수 있다.
반복적인 가공에 효율적으로 동작하기 위해 이렇게 산출된 계수들은 DB(Data Base)에 저장될 수 있으며, 가공 조건이 이전에 입력된 가공 조건과 동일하면, 상기한 계수 산출 과정을 거치지 않고 DB에 저장된 해당 계수 값이 그대로 이용될 수 있다.
제1 신호변환 필터(221)의 응답은 신호를 통과시키는 각 피크(peak) 또는 신호를 저지하는 노치(notch)가 일정한 주파수 간격으로 N개 존재한다. 이때, N이 필터의 차수(Order)가 되며 산출된 제1 신호변환 필터(221)의 계수 a와 b는 차수 만큼의 개수를 갖고 배열의 형태로 표현될 수 있다.
이 계수 배열은 오직 첫 항과 마지막 항에만 값이 존재하며 중간 값은 0으로 채워지고 계수 a 배열의 첫 항은 항상 1을 갖는 특징을 가진다. 따라서 공구 시각화 처리부(22)에 요구되는 메모리 자원을 절약하기 위해 DB에는 제1저역통과필터(LPF)(222)의 차단 주파수와 제1 신호변환 필터(221), 즉 Comb 필터의 주요 계수 값만 저장된다.
제1 저역통과필터(222)의 차단 주파수는 식 Fc(Hz) = (frpm×Nfl)+10을 통해 산출될 수 있다. 여기서, frpm은 공구 회전 주파수이고, Nfl은 칼날 수이다. 제1 저역통과필터(222)(LPF)의 차단 주파수는 통신모듈(232)로부터 얻은 rpm과 칼날 수로부터 계산될 수 있다.
이렇게 산출된 제1 신호변환 필터(221)의 계수는 디지털 필터(Digital Filter)에 센서 신호와 함께 입력되어 필터링을 수행하게 되는데, 디지털 필터에서는 차수만큼의 온전한 개수를 갖는 계수 배열이 입력되어야 하므로 DB에 저장된 값으로부터 계수 a, b 배열을 생성하는 과정을 거치게 된다.
온전한 계수 배열 a, b 와 센서 신호를 디지털 필터에 입력하여 필터링 작업을 수행한 후 다시 산출된 차단 주파수(Fc)를 갖는 제1 저역통과필터(222)에 통과시켜 불필요한 노이즈성 고주파 신호를 제거하는 과정을 거치게 된다.
이 일련의 과정은 도 7.에 도시된 바와 같다. 제1 신호변환 필터(221)는 통신모듈(232)로부터 입력된 가공 조건, 예를 들어 rpm, 날 수 등을 입력받고(S10), 이전에 입력된 가공 조건인지를 판단한다(S12).
제1 신호변환 필터(221)는 입력된 가공조건이 이전에 입력된 가공 조건이면 DB에 기 저장된 필터 계수를 불러온다(S14). 반면에, 이전에 입력된 가공 조건이 아니면 제1 신호변환 필터(221)는 필터 계수를 산출하고, 제1 저역통과필터(222)는 LPF 계수를 산출한다. 이때, 제1 신호변환 필터(221)의 필터 계수 및 제1 저역통과필터(222)의 LPF 계수는 DB에 저장될 수 있다(S20).
이어, 제1 신호변환 필터(221)는 디지털 필터에서는 차수 만큼의 온전한 개수를 갖는 계수 배열이 입력되어야 하므로 DB에 저장된 값으로부터 계수 a, b 배열을 생성하고(S22), 디지털 필터는 계수 배열 a, b 와 x축 방향의 신호를 필터링한다(S24).
제1 저역통과필터(222)는 디지털 필터에 의해 필터링된 신호를 노이즈성 고주파 신호를 제거한다(S26).
한편, 제2 신호변환 필터(223) 및 제2 저역통과필터(224)는 제1 신호변환 필터(221) 및 제1 저역통과필터(222)와 y축 방향의 신호를 필터링하는 점에서 상이하고 그 동작 방식은 동일하므로 그 상세한 설명을 생략한다.
벡터 연산 모듈(225)은 제1 저역통과필터(222)에 의해 필터링된 x축 방향의 신호와 제2 저역통과필터(224)에 의해 필터링된 y축 방향의 신호에 대한 놈 계산을 수행하여 x축 방향의 신호와 y축 방향의 합력에 해당하는 놈 값을 연산한다.
각 축 방향 신호는 도 8 에 도시된 바와 같이 방향과 크기를 갖는 벡터 성분으로 볼 수 있으며 센서가 90도 각도로 배치되어 신호를 수집하게 때문에 놈(Norm) 계산으로 두 축의 합력에 해당하는 값을 구할 수 있다.
공구 시각화 모듈(226)은 벡터 연산 모듈(225)에 의해 연산된 놈 값을 극좌표 그래프를 통해 공구 상태를 시각화한다.
통상적으로, 각 x축 방향의 신호와 y축 방향의 신호로부터 계산되는 추정 절삭력은 하나의 공구-홀더-주축 진동계에 속해 있기 때문에 동일한 비선형 요소를 포함하고, 동일한 절삭 위치와 조건에서 x축 방향과 y축 방향의 상대 값은 항상 균일하게 표현되며 공구-소재 사이의 불균일한 절삭력이 발생되면 해당 상태가 신호에 즉각적으로 반영된다. 따라서 계산된 연속적인 놈 값의 배열로부터 공구가 소재를 절삭하는 과정에서 발생하는 상태 변동 정보를 찾을 수 있다.
이러한 원리에 따라, 공구 시각화 모듈(226)은 연속적인 놈 값의 배열에서 공구 1회전에 해당하는 배열의 길이(Npl)를 구하고, 극좌표 그래프에 상기 배열의 길이만큼의 놈 값 배열을 순차적으로 배열하여 공구 1회전 당 칼날의 상태를 표현한다. 즉, 공구 시각화 모듈(226)은 도 9 에 도시된 극좌표 그래프를 이용하여 공구 상태를 시각화하는데, 연속적인 놈 배열에서 공구 1회전에 해당하는 배열의 길이(Npl)를 구하기 위해 통신모듈(232)로부터 입력받은 가공 조건 중 rpm 정보를 이용하여 식 Npl = fs/frpm을 이용한다. 여기서, fs는 ADC의 샘플링 주파수이고, frpm은 공구의 회전 주파수이다.
이어, 공구 시각화 모듈(226)은 계산한 Npl 만큼의 Norm 값 배열을 순차적으로 임시 메모리에 저장하고 극좌표(Polar) 그래프에 도시함으로써, 공구 1회전 당 칼날의 상태를 표현할 수 있다.
장비 제어부(23)는 공구 시각화 처리부(22)의 극좌표 선도를 토대로 현재 공구의 상태를 판단하고, 판단 결과에 따라 공작기계의 CNC(Computer numerical control)(30)로 알람 정보를 전달하거나 또는 공작기계의 PLC(40)로 제어 신호를 전달할 수 있다.
장비 제어부(23)는 통신모듈(232), 입출력 모듈(233)(I/O 모듈), 및 공구 상태 판단 모듈(231)을 포함한다.
통신모듈(232)은 공작기계의 PLC(40)로 알람 정보를 전달하고, 가공 조건을 공구 시각화 처리부(22)에 전달한다.
입출력 모듈(233)은 공작기계의 CNC(30)로 제어 신호, 예를 들어 공작기계의 정지신호를 전달한다.
공구 상태 판단 모듈(231)은 공구 시각화 처리부(22)에서 최종적으로 출력된 극좌표 선도를 입력받아 현재 공구 상태에 대한 판단과 그에 따른 출력 신호를 생성한다. 입력받은 극좌표 선도로부터 공구 상태를 판단하는 과정은 도 11 에 도시된 바와 같다.
공구 상태 판단은 극좌표계에 도시되는 그래프의 형상을 기반으로 이루어지며, 공구 상태는 정상, 마모, 부분 파손(Chipping), 완전 파손으로 구분된다.
공구 시각화 처리부(22)를 통과한 공구 상태의 특성은 각 칼날의 형상이 타원 형태의 폐곡선으로 표현되며, 각 칼날의 상태가 타원의 장/단축 비율의 변화로 나타난다.
공구 상태 판단 모듈(231)은 공구 상태 판단을 위해 극좌표의 360도를 통신모듈(232)로부터 입력받은 공구의 칼날 수로 나누어 검색 영역을 선정하고 각 영역 내에서 최대값을 구하여 칼날을 대변하는 타원의 장축 길이를 계산하며, 중간 값을 구하여 단축 길이를 계산한다.
도 10 을 참조하면, 공구 상태가 정상 공구인 경우(도 10 의 (a))에는 각 타원의 장축 길이가 유사하며, 실제 공구 칼날 각도와 동일한 각도를 갖는다.
공구 상태가 마모 상태인 경우(도 10 의 (b))에는 마모 칼날에 해당하는 타원 장축이 짧아지며, 회전방향으로 뒤따르는 다음 칼날의 장축 길이가 길어지는 경향을 보인다.
공구 상태가 부분 파손 상태인 경우(도 10 의 (c))에는 파손된 칼날의 타원이 사라지거나 매우 짧은 장축을 갖게 된다.
공구 상태가 완전 파손 상태인 경우(도 10 의 (d))에는 정상적인 타원의 형태가 표현되지 않는다.
이렇게 판단된 결과를 바탕으로 정상 공구 상태 이외의 상태가 검출되면, 공구 상태 판단 모듈(231)은 통신 모듈을 통하여 이더넷(Ethernet) 또는 기타 네트워크로 공작기계의 CNC(30)와 통신하여 알람 정보를 제공하거나, 신속한 장비 제어가 필요한 경우 입출력 모듈(233)을 통하여 공작기계의 PLC(Programmable Logic Controller)(40)로 신호를 주어 장비의 이송 정지 또는 긴급 정지 등 즉각적인 제어를 실시한다.
또한, 공구 상태 판단 모듈(231)은 실제 가공 시점과 공구 상태 감시 시점을 정밀하게 일치시키기 위해 공작기계의 PLC(40)로부터 접점 신호(SYNC 신호)를 입출력 모듈(233)을 통해 입력받아 사용자가 원하는 가공 구간에서 공구 상태 감시 및 공구 시각화를 수행할 수 있다.
이와 같이, 공구 상태 판단 모듈(231)은 공구 시각화 처리부(22)에서 최종적으로 출력된 극좌표 선도를 호출한다(S30).
이어 공구 상태 판단 모듈(231)은 입출력 모듈(233)로부터 접점 신호(SYNC 신호)를 입력받고(S32), 접점 신호(SYNC 신호)가 온상태인지를 판단한다(S34).
이때, S34 단계에서의 판단 결과 접점 신호(SYNC 신호)이면, 공구 상태 판단 모듈(231)은 통신 모듈로부터 가공 조건(칼날 수)을 입력받고(S36), 극좌표의 360도를 공구의 칼날 수로 나누어 검색 영역을 선정한다(S38).
검색 영역이 선정됨에 따라, 공구 상태 판단 모듈(231)은 각 검색 영역 내에서 각 영역 내에서 최대값을 구하여 칼날을 대변하는 타원의 장축 길이를 계산하고, 중간 값을 구하여 단축 길이를 계산한다(S40).
이때, 공구 상태 판단 모듈(231)은 극좌표계에 도시되는 그래프의 형상을 기반으로 공구 상태를 판단하는데, 공구 상태가 정상인지, 마모 상태인지 또는 파손 상태인지를 판단한다(S42, S44, S46).
아울러, 공구 상태 판단 모듈(231)은 상기한 판단 결과 공구 상태가 마모 상태이면 공작기계의 PLC(40)로 알람 정보를 출력(S48)하고, 공구 상태가 파손 상태이면 공작기계의 PLC(40)로 파손 알람을 출력(S50)함과 더불어, CNC(30)에 공작기계의 정지 신호를 출력한다(S52).
도 12 및 도 13 은 본 발명의 일 실시예에 따른 선반 장비 적용 예를 나타낸 도면이다.
센서부(10)는 제1 가속도 센서(11)와 제2 가속도 센서(13)가 설정 각도를 유지한 상태로 도 12 에 도시된 바와 같이 선반의 주축에 설치되거나, 도 13 에 도시된 바와 같이 공구 또는 터렛에 설치될 수 있다.
도 14 는 본 발명의 일 실시예에 따른 공구 시각화 처리부의 다른 구성 예를 나타낸 도면이다.
도 14 를 참조하면, 공구 시각화 처리부(22)는 같이 신호변환 필터(226)와 저역 통과필터(LPF)(227)를 벡터 연산 모듈(225)(225)의 후단에 배치하여 전체 데이터 양을 감소시킬 수 있다. 이를 통해 공구 시각화 처리부(22)의 제작 비용은 감소되고 효율이 증가될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 공구 상태 판정 장치는 MEMS(Micro electro-mechanical systems) 타입의 진동 가속도계 2개를 주축의 비회전부에 부착하여 가공 중 신호를 유선으로 측정하고 이를 분석하여 공구의 정확한 상태를 시각화함으로써 공구의 상태를 판정할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 공구 상태 판정 장치는 시각화된 공구 상태를 정해진 기준에 따라 알람을 출력하거나 긴급 정지 등의 제어를 수행함으로써, 소재의 가공 불량을 사전에 예방할 수 있다.
본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.
10: 센서부 11:제1 가속도 센서
12: 제1 증폭기 13: 제2 가속도 센서
14: 제2 증폭기 20:처리 디바이스
21: 신호 처리부 211: 제1 안티 앨리어싱 필터
212: 제1 ADC 213: 제2 안티 앨리어싱 필터
214: 제2 ADC 22: 공구 시각화 처리부
221: 제1 신호변환 필터 222: 제1 저역통과필터
223: 제2 신호변환 필터 224: 제2 저역통과필터
225: 벡터 연산 모듈 226: 공구 시각화 모듈
23: 장비 제어부 231: 공구 상태 판단 모듈
232: 통신모듈 233: 입출력 모듈
30: CNC 40: PLC

Claims (11)

  1. 가공 중 공작기계의 주축의 x축과 y축 방향으로의 가속도를 감지하는 센서부; 및
    상기 센서부에 의해 감지된 x축 방향과 y축 방향의 신호 각각을 처리하여 절삭력을 대변할 수 있는 신호로 변환한 후 합력을 검출하고 검출된 합력을 극좌표계에 도시하는 처리 디바이스를 포함하는 공작기계의 공구 상태 판정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 센서부는
    상기 주축의 x축 방향으로의 가속도를 감지하는 제1 가속도 센서;
    상기 제1 가속도 센서에 의해 감지된 신호를 증폭하는 제1 증폭기;
    상기 주축의 y축 방향으로의 가속도를 감지하는 제2 가속도 센서; 및
    상기 제2 가속도 센서에 의해 감지된 신호를 증폭하는 제2 증폭기를 포함하고,
    상기 제1 가속도 센서와 상기 제2 가속도 센서는 기 설정된 설정각도로 배치되는 것을 특징으로 하는 공작기계의 공구 상태 판정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 센서부는
    상기 공작기계의 주축, 상기 주축에 설치된 헤더, 공구 및 터렛 중 어느 하나에 설치되는 것을 특징으로 하는 공작기계의 공구 상태 판정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 처리 디바이스는
    상기 센서부에 의해 각각 감지된 신호 각각의 앨리어싱을 방지하기 위해 필터링하고 디지털 신호로 변환하는 신호 처리부;
    가공 조건에 따라 설정된 파라미터에 따라 상기 신호 처리부로부터 입력된 신호 각각을 절삭력을 대변할 수 있는 신호로 변환하고, 변환된 x축 방향의 신호와 y축 방향의 신호를 합산하여 놈(norm)값을 생성한 후 극좌표계 영역으로 도시하여 회전 중 공구의 상태와 날 수가 반영된 그래프로 도시하는 공구 시각화 처리부; 및
    상기 공구 시각화 처리부의 극좌표 선도를 토대로 현재 공구의 상태를 판단하는 장비 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 공구 상태 판정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 신호 처리부는
    상기 x축 방향의 신호의 앨리어싱을 방지하기 위해 상기 x축 방향의 신호를 필터링하는 제1 안티 앨리어싱 필터;
    상기 제1 안티 앨리어싱 필터로부터 출력된 신호를 디지털 신호로 변환하는 제1 ADC(Analog Digital Converter);
    상기 y축 방향의 신호의 앨리어싱을 방지하기 위해 상기 y축 방향의 신호를 필터링하는 제2 안티 앨리어싱 필터;
    상기 제1 안티 앨리어싱 필터로부터 출력된 신호를 디지털 신호로 변환하는 제2 ADC를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 공구 상태 판정 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 공구 시각화 처리부는
    상기 파라미터에 따라 상기 x축 방향의 신호에서 절삭 과정 중 공구의 칼날과 소재가 접촉할 때 발생하는 신호만을 추출하는 제1 신호변환 필터;
    상기 파라미터에 따라 상기 제1 신호변환 필터에 의해 필터링된 신호에서 노이즈성 고주파 신호를 제거하는 제1 저역통과필터;
    상기 파라미터에 따라 상기 y축 방향의 신호에서 절삭 과정 중 공구의 칼날과 소재가 접촉할 때 발생하는 신호만을 추출하는 제2 신호변환 필터;
    상기 파라미터에 따라 상기 제2 신호변환 필터에 의해 필터링된 신호에서 노이즈성 고주파 신호를 제거하는 제2 저역통과필터;
    상기 제1 저역통과필터와 상기 제2 저역통과필터 각각에 의해 필터링된 신호에 대한 놈 계산을 수행하여 x축 방향의 신호와 y축 방향의 합력에 해당하는 놈 값을 연산하는 벡터 연산 모듈; 및
    상기 벡터 연산 모듈에 의해 연산된 놈 값을 극좌표 그래프로 도시하여 공구 상태를 시각화하는 공구 시각화 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 공구 상태 판정 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 공구 시각화 모듈은
    연속적인 놈 값의 배열에서 공구 1회전에 해당하는 배열의 길이를 구하고, 상기 극좌표 그래프에 상기 배열의 길이만큼의 놈 값 배열을 순차적으로 배열하여 공구 1회전 당 칼날의 상태를 표현하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 공구 상태 판정 장치.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 장비 제어부는
    상기 공작기계의 CNC로 알람 정보를 전달하는 통신모듈;
    상기 공작기계의 PLC로 제어 신호를 전달하는 입출력 모듈;
    상기 공구 시각화 처리부에서 출력된 극좌표 선도를 기반으로 공구 상태를 판단하고, 판단 결과에 따라 상기 통신모듈을 통해 상기 공작기계의 PLC로 알람 정보를 전달하거나, 상기 공작기계의 CNC로 제어 신호를 전달하는 공구 상태 판단 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 공구 상태 판정 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 공구 상태 판단 모듈은
    극좌표의 360도를 공구의 칼날 수로 나누어 검색 영역을 선정하고, 각 검색 영역 내에서 최대 값을 구하여 칼날을 대변하는 타원의 장축 길이를 계산하며, 중간 값을 구하여 단축 길이를 계산하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 공구 상태 판정 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 공구 상태 판단 모듈은
    상기 공구 상태를 정상, 마모, 부분 파손 및 완전 파손으로 구분하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 공구 상태 판정 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 공구 상태 판단 모듈은
    타원의 장축 길이가 설정범위 이내이고 실제 공구 칼날 각도와 동일한 각도를 가지면 상기 공구 상태를 정상으로 판단하고, 마모 칼날에 해당하는 타원 장축이 짧아지고 회전방향으로 뒤따르는 다음 칼날의 장축 길이가 길어지면 상기 공구 상태를 마모로 판단하며, 파손된 칼날의 타원이 사라지거나 설정 장축 이하이면 상기 공구 상태를 부분 파손으로 판단하며, 타원이 기 설정된 정상적인 타원의 형태로 표현되지 않으면 상기 공구 상태를 완전 파손으로 판단하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 공구 상태 판정 장치.
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