KR20220167655A - 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 측정대상에 결함의 존재여부를 검사하기 위한 미소크랙 검사장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 측정위치가 결함의 발생위치에서 멀어질수록 민감도가 떨어짐으로 인해 검사의 정확도를 보장할 수 없게 되는 한계가 있었던 종래기술의 검사장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 미소크랙이 존재하는 경우 하나의 공진점이 2개의 측대파(side band) 공진점으로 나타나며, 2개로 나누어진 매우 근접한 공진점에 대하여 모드상관계수(modal assurance criterion ; MAC)의 값 및 2개의 모드형상 주평면(principal plane)이 서로 직교하는지에 따라 서로 다른 모드임을 확인 가능한 점에 근거하여, 주파수응답 함수의 공진점이 2개의 측대파로 나누어지는 경우 MAC 값을 통해 2개의 공진점이 서로 독립적인지를 확인하고, 각각의 공진점에 해당하는 모드형상 정보의 주평면이 서로 직교하는지를 분석하여 기존의 방식에 비해 측정위치에 관계없이 보다 정확하게 미소크랙의 존재여부를 검출할 수 있도록 구성되는 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치 및 방법이 제공된다.
Description
본 발명은, 예를 들면, 크랙(crack) 등과 같이, 측정대상에 결함의 존재여부를 검사하기 위한 미소크랙(micro-crack) 검사장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 크랙과 같은 결함의 발생위치가 측정지점에 가까운 경우는 비교적 신뢰성 높은 검사결과를 제공 가능하나 측정위치가 결함의 발생위치에서 멀어질수록 민감도가 떨어짐으로 인해 검사의 정확도를 보장할 수 없게 되는 한계가 있었던 종래기술의 검사장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 측정위치에 관계없이 항상 정확하게 크랙의 존재유무를 판단할 수 있도록 구성되는 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치 및 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 측정위치가 크랙의 발생위치에서 멀어질수록 민감도가 떨어짐으로 인해 크랙 검사의 정확도를 보장할 수 없는 한계가 있었던 종래기술의 검사장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 미소 크랙이 존재하는 경우 하나의 공진점이 2개의 측대파(side band) 공진점으로 나타나며, 2개로 나누어진 매우 근접한 공진점에 대하여 모드상관계수(modal assurance criterion ; MAC)의 값에 대한 비교 및 2개의 모드형상 주평면(principal plane)이 서로 직교(orthogonal)하는지를 분석하여 서로 다른 모드임을 명확하게 확인 가능한 점에 근거하여, 미소크랙의 검사시 얻어지는 주파수응답 함수의 공진점이 2개의 측대파로 나누어지는 경우 MAC 값을 통해 2개의 공진점이 서로 독립적인지를 확인하고, 각각의 공진점에 해당하는 모드형상 정보의 주평면이 서로 직교하는지를 분석하여 기존의 방식에 비해 측정위치에 관계없이 보다 정확하게 미소크랙의 존재여부를 검출할 수 있도록 구성되는 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차나 기계 부품 등의 제조에 있어서, 소성변형 등의 가공공정 동안 소재나 제품의 표면에 불가피하게 균열이 발생하게 되며, 이에, 크랙(crack) 또는 미소크랙(micro-crack) 등과 같은 결함이 없이 제작하는 것은 매우 어렵다.
특히, 냉간성형시에는 열간성형에 비해 내변형성이 현저히 높기 때문에 더 많은 미소크랙이 발생될 수 있으며, 따라서 냉간성형 재료의 표면 품질검사 수행시에는 제품의 미소크랙 깊이를 결정해야 하고, 확인된 미소크랙의 깊이와 그 신뢰성은 적용된 비파괴 검사방법의 분해능(resolution)에 크게 좌우된다.
여기서, 크랙의 검출을 위하여는, 예를 들면, 음향방출센서(acoustic emission sensor)나 광섬유센서(fiber optic sensor) 등을 이용한 비파괴 검사방법들이 다양하게 제시되어 있으나, 깊이가 100 ~ 200㎛인 미소크랙 검사에 적용 가능한 방법은 소수이며, 대부분 고가의 검사장비가 요구되는 단점이 있다.
또한, 상기한 바와 같이 측정대상에 존재하는 결함을 검사하기 위한 검사장치 및 방법에 대한 종래기술의 예로는, 먼저, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1716877호에 제시된 바와 같은 "자가 압전센싱 기반의 비선형 초음파 피로균열 검사장치 및 방법"이 있다.
더 상세하게는, 상기한 한국 등록특허공보 제10-1716877호는, 대상 구조물에 기설정된 가진 주파수의 초음파를 가진하는 초음파 가진부; 가진된 초음파에 대응하여 대상 구조물에 발생된 초음파응답을 측정하는 초음파응답 계측부; 및 측정된 초음파응답 중 가진 주파수에 대응하는 고조파들에 기초하여 선형계수 및 비선형계수를 산출하고, 산출된 선형계수 및 비선형계수에 기초하여 대상 구조물의 손상여부를 검출하는 손상진단부를 포함하여, 대상 구조물에 대한 선형 및 비선형 파라미터 모두에 기반한 손상진단을 통해 시스템 고유 비선형성 및 외부 환경변화에 따른 오보율을 최소화할 수 있도록 구성되는 자가 압전센싱 기반의 비선형 초음파 피로균열 검사장치 및 방법에 관한 것이다.
아울러, 상기한 바와 같이 측정대상에 존재하는 결함을 검사하기 위한 검사장치 및 방법에 대한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1997993호에 제시된 바와 같은 "미소크랙 검사장치 및 이를 이용한 미소크랙 검사방법"이 있다.
더 상세하게는, 상기한 한국 등록특허공보 제10-1997993호는, 기 정해진 위치로 놓여진 객체를 지지하는 객체 지지부; 제어에 의해 시험객체의 일측에 물리적 힘을 가하는 가진기; 시험객체의 타측에 접하며 물리적 힘에 의해 시험객체에서 생성된 진동 신호를 수집하는 센서; 및 가진기에 의해 가해진 물리적 힘 신호와 센서에 의해 수집된 진동신호를 주파수 도메인 신호로 변환하여 제 1 주파수응답 함수를 산출하고, 제 1 주파수응답 함수에서 추출된 공진점과 기 측정된 기준객체의 제 2 주파수응답 함수의 공진점을 비교하여 시험객체의 미소크랙 존재여부를 검출하는 미소크랙 검출부를 포함하여, 미소크랙의 깊이에 따라 공진점의 개수가 증가하는 물리적 현상을 이용하여 직접적인 측정이 매우 까다로운 미소크랙이 기준치 이상을 넘어서는지의 여부를 효과적으로 판단할 수 있도록 구성되는 미소크랙 검사장치 및 이를 이용한 미소크랙 검사방법에 관한 것이다.
상기한 바와 같이, 종래, 측정대상에 존재하는 결함을 검사하기 위한 검사장치 및 방법에 대하여 여러 가지 기술내용들이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 내용들은 다음과 같은 문제점이 있는 것이었다.
더 상세하게는, 상기한 바와 같은 종래기술의 검사장치 및 방법들은, 크랙 등의 결함을 검출하기 위해 초음파응답을 계측하고 선형계수 및 비선형계수를 산출하여 손상여부를 검출하거나, 또는, 가진기에 의해 가해진 물리적 힘 신호와 센서에 의해 수집된 진동신호를 주파수 영역의 신호로 변환하여 주파수응답 함수를 산출하고, 주파수응답 함수에서 추출된 공진점에 대한 상관함수(Coherence Function)를 산출하여 기 측정된 기준객체의 주파수응답 함수의 공진점에 대한 상관함수와 비교하는 것에 의해 미소크랙의 존재여부를 검출하도록 구성됨으로 인해, 측정과정에서 각종 신호처리 및 연산 등을 위한 구성이 복잡해지는 데 더하여, 그러한 복잡한 처리를 수행하기 위해 상대적으로 고가의 부품들이 요구됨에 따라 전체적인 검사비용이 증가하게 되는 단점이 있었다.
아울러, 상기한 바와 같은 종래기술의 검사장치 및 방법들은, 일반적으로, 결함의 발생위치가 측정지점에 가까운 경우는 비교적 신뢰성 높은 검사결과를 제공 가능하나, 측정위치가 결함의 발생위치에서 멀어질수록 민감도가 떨어짐으로 인해 항상 일정 수준 이상의 정확도를 보장할 수 없는 한계도 있는 것이었다.
따라서 상기한 바와 같은 종래기술의 검사장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위하여는, 비교적 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 측정위치에 관계없이 항상 정확하게 크랙의 존재유무를 판단할 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 크랙 검사장치 및 방법을 제시하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 크랙(crack) 등과 같은 결함의 발생위치가 측정지점에 가까운 경우는 비교적 신뢰성 높은 검사결과를 제공 가능하나 측정위치가 결함의 발생위치에서 멀어질수록 민감도가 떨어짐으로 인해 검사의 정확도를 보장할 수 없게 되는 한계가 있었던 종래기술의 검사장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 측정위치에 관계없이 항상 정확하게 크랙의 존재유무를 판단할 수 있도록 구성되는 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치 및 방법을 제시하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 측정위치가 크랙의 발생위치에서 멀어질수록 민감도가 떨어짐으로 인해 크랙 검사의 정확도를 보장할 수 없는 한계가 있었던 종래기술의 검사장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 미소 크랙이 존재하는 경우 하나의 공진점이 2개의 측대파(side band) 공진점으로 나타나며, 2개로 나누어진 매우 근접한 공진점에 대하여 모드상관계수(modal assurance criterion ; MAC)의 값에 대한 비교 및 2개의 모드형상 주평면(principal plane)이 서로 직교(orthogonal)하는지를 분석하여 서로 다른 모드임을 명확하게 확인 가능한 점에 근거하여, 미소크랙의 검사시 얻어지는 주파수응답 함수의 공진점이 2개의 측대파로 나누어지는 경우 MAC 값을 통해 2개의 공진점이 서로 독립적인지를 확인하고, 각각의 공진점에 해당하는 모드형상 정보의 주평면이 서로 직교하는지를 분석하여 미소크랙의 존재여부를 판단하도록 구성됨으로써, 기존의 방식에 비해 측정위치에 관계없이 보다 정확하게 미소크랙을 검출할 수 있도록 구성되는 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치 및 방법을 제시하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 측정대상에 대하여 크랙의 존재여부를 측정하기 위한 복수의 센서를 포함하여 이루어지는 측정부 및 상기 측정부의 각 센서들의 측정값에 근거하여 크랙의 존재여부를 판단하는 처리가 수행되는 분석부를 포함하여 구성되는 미소크랙(micro-crack) 검사장치에 있어서, 상기 측정부는, 측정대상을 고정하기 위한 고정지그; 상기 측정대상에 미리 정해진 충격(impact)을 인가하기 위한 가진수단; 및 상기 측정대상의 미리 정해진 위치에 각각 설치되는 복수의 가속도센서를 포함하여 구성되고, 상기 분석부는, 각각의 상기 가속도센서들의 측정값에 근거하여 상기 가진수단에 의해 인가된 충격에 대한 상기 측정대상의 주파수응답을 산출하고, 상기 측정대상에 크랙이 존재하는 경우 주파수응답 함수의 공진점이 2개의 측대파(side band) 공진점으로 나타나는 것에 근거하여, 공진점의 개수 및 각 공진점의 독립성을 분석하여 크랙의 존재여부를 판단하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 미소크랙 검사장치가 제공된다.
여기서, 상기 검사장치는, 무선통신 또는 유선통신 중 적어도 하나의 통신방식을 이용하여 측정값 및 분석결과를 포함하는 각종 데이터를 송수신하기 위한 통신부; 상기 검사장치의 현재 상태와 동작 및 각각의 측정값과 분석결과를 포함하는 각종 데이터를 표시하기 위한 표시수단을 포함하여 이루어지는 표시부; 및 상기 측정부, 상기 분석부, 상기 통신부 및 상기 표시부를 포함하는 상기 검사장치의 전체적인 동작을 제어하는 처리가 수행되는 제어부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고정지그는, 상기 측정대상의 일단 끝 부분을 고정하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 가진수단은, 임팩트해머(impact hammer)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 가속도센서는, 상기 측정대상의 각 면마다 적어도 하나 이상 설치되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분석부는, 상기 측정대상을 상기 고정지그에 고정하고 상기 가진수단을 통해 상기 측정대상에 미리 정해진 충격을 인가하여 각각의 상기 가속도센서로부터 수신된 가속도 응답으로부터 각각의 측정지점에 대한 주파수응답 함수를 산출하고, 각각의 상기 주파수응답 함수에 대한 공진주파수를 구하여 공진점의 개수를 확인하며, 공진점이 2개인 경우가 발견되면 각각의 공진점에 대한 모드상관계수(Modal Assurance Criterion ; MAC) 값을 구하고 미리 정해진 기준에 근거하여 각각의 공진점이 서로 독립적인지의 여부를 확인하며, 확인 결과 각각의 공진점이 서로 독립적인 것으로 판단되면 각 공진점의 모드형상(mode shape) 벡터의 주평면(principal plane)이 서로 직교(orthogonal)하는지를 분석하여 각각의 공진점이 서로 다른 모드인지의 여부를 확인하며, 확인 결과 각각의 공진점이 서로 다른 모드인 것으로 확인되면 상기 측정대상에 크랙이 존재하는 것으로 판단하여 결함이 있는 것으로 판정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 분석부는, 상기 모드상관계수(MAC) 값이 0.8 이상인 경우는 동일한 공진점인 것으로 판단하고, 상기 모드상관계수(MAC) 값이 0.8 미만인 경우는 서로 다른 모드인 것으로 판단하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 검사장치는, 상기 제어부의 제어에 따라 각각의 처리과정 및 분석결과를 별도의 저장수단에 저장하고 상기 표시부를 통해 출력하는 처리 및 상기 통신부를 통하여 서버나 사용자 단말기를 포함하는 외부 기기로 전송하는 처리가 각각 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 사용자 단말기는, 스마트폰이나 태블릿 PC 또는 노트북을 포함하는 개인이 휴대 가능한 정보통신 단말장치에 전용의 어플리케이션 프로그램을 설치하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 미소크랙 검사장치를 이용한 미소크랙 검사방법에 있어서, 측정대상을 상기 검사장치의 고정지그에 고정하고 상기 검사장치의 가진수단을 통해 상기 측정대상에 미리 정해진 충격을 인가하여 상기 검사장치의 각각의 가속도센서를 통해 가속도 응답을 측정하는 처리가 수행되는 측정단계; 상기 검사장치의 분석부를 통하여, 각각의 상기 가속도센서로부터 수신된 가속도 응답으로부터 각각의 측정지점에 대한 주파수응답 함수를 산출하고, 각각의 상기 주파수응답 함수에 대한 공진주파수를 구하여 공진점의 개수를 확인하는 처리가 수행되는 공진점 개수 확인단계; 상기 검사장치의 분석부를 통하여, 상기 공진점 개수 확인단계에서 공진점이 2개인 경우가 발견되면 각각의 공진점에 대한 모드상관계수(Modal Assurance Criterion ; MAC) 값을 구하고 미리 정해진 기준에 근거하여 각각의 공진점이 서로 독립적인지의 여부를 확인하는 처리가 수행되는 독립성 확인단계; 상기 검사장치의 분석부를 통하여, 각각의 공진점이 서로 독립적인 것으로 판단되면 각 공진점의 모드형상(mode shape) 벡터의 주평면(principal plane)이 서로 직교(orthogonal)하는지를 분석하여 각각의 공진점이 서로 다른 모드인지의 여부를 확인하는 처리가 수행되는 모달분석단계; 상기 검사장치의 분석부를 통하여, 상기 모달분석단계의 분석 결과 각각의 공진점이 서로 다른 모드인 것으로 확인되면 상기 측정대상에 크랙이 존재하는 것으로 판단하여 결함이 있는 것으로 판정하는 처리가 수행되는 판정단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 미소크랙 검사방법이 제공된다.
여기서, 상기 독립성 확인단계는, 상기 모드상관계수(MAC)의 값이 0.8 이상인 경우는 동일한 공진점인 것으로 판단하고, 상기 모드상관계수(MAC)의 값이 0.8 미만인 경우는 서로 다른 모드인 것으로 판단하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 미소크랙이 존재하는 경우 하나의 공진점이 2개의 측대파 공진점으로 나타나며, 2개로 나누어진 매우 근접한 공진점에 대하여 모드상관계수(MAC)의 값에 대한 비교 및 2개의 모드형상 주평면이 서로 직교하는지를 분석하여 서로 다른 모드임을 명확하게 확인 가능한 점에 근거하여, 미소크랙의 검사시 얻어지는 주파수응답 함수의 공진점이 2개의 측대파로 나누어지는 경우 MAC 값을 통해 2개의 공진점이 서로 독립적인지를 확인하고, 각각의 공진점에 해당하는 모드형상 정보의 주평면이 서로 직교하는지를 분석하여 미소크랙의 존재여부를 판단하도록 구성되는 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치 및 방법이 제공됨으로써, 기존의 방식에 비해 측정위치에 관계없이 보다 정확하게 미소크랙을 검출할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 측정위치에 관계없이 항상 정확하게 크랙의 존재유무를 판단할 수 있도록 구성되는 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치 및 방법이 제공됨으로써, 크랙 등과 같은 결함의 발생위치가 측정지점에 가까운 경우는 비교적 신뢰성 높은 검사결과를 제공 가능하나 측정위치가 결함의 발생위치에서 멀어질수록 민감도가 떨어짐으로 인해 검사의 정확도를 보장할 수 없게 되는 한계가 있었던 종래기술의 검사장치 및 방법들의 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치의 측정부의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3에 나타낸 미소크랙 검사장치를 실제로 구현한 모습을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치에서 측정대상에 설치되는 측정센서의 설치위치를 나타내는 도면이다.
도 6은 균열이 존재하는 부위와 균열이 없는 부위에 각각 가속도센서가 부착된 모습을 나타내는 도면이다.
도 7은 2개의 직사각형 단순 시편에 대한 모드분석 결과를 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 8은 미소크랙이 있는 시편과 없는 시편에 대하여 각각의 노드에서 측정된 가속도 응답을 그래프로 나타낸 도면이다.
도 9는 측정대상의 전면(X-Y 평면)에 대하여 크랙 표시자로서 주파수응답함수(FRF)와 가속도응답을 적용한 경우를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
도 10은 측정대상의 후면(X-Y 평면)에 대하여 크랙 표시자로서 주파수응답함수(FRF)와 가속도응답을 적용한 경우를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
도 11은 측정대상의 X-Z 평면에 대하여 크랙 표시자로서 주파수응답함수(FRF)와 가속도응답을 적용한 경우를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 미소크랙 검사장치를 이용한 미소크랙 검사방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치의 측정부의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3에 나타낸 미소크랙 검사장치를 실제로 구현한 모습을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치에서 측정대상에 설치되는 측정센서의 설치위치를 나타내는 도면이다.
도 6은 균열이 존재하는 부위와 균열이 없는 부위에 각각 가속도센서가 부착된 모습을 나타내는 도면이다.
도 7은 2개의 직사각형 단순 시편에 대한 모드분석 결과를 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 8은 미소크랙이 있는 시편과 없는 시편에 대하여 각각의 노드에서 측정된 가속도 응답을 그래프로 나타낸 도면이다.
도 9는 측정대상의 전면(X-Y 평면)에 대하여 크랙 표시자로서 주파수응답함수(FRF)와 가속도응답을 적용한 경우를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
도 10은 측정대상의 후면(X-Y 평면)에 대하여 크랙 표시자로서 주파수응답함수(FRF)와 가속도응답을 적용한 경우를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
도 11은 측정대상의 X-Z 평면에 대하여 크랙 표시자로서 주파수응답함수(FRF)와 가속도응답을 적용한 경우를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 미소크랙 검사장치를 이용한 미소크랙 검사방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치 및 방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 크랙(crack) 등과 같은 결함의 발생위치가 측정지점에 가까운 경우는 비교적 신뢰성 높은 검사결과를 제공 가능하나 측정위치가 결함의 발생위치에서 멀어질수록 민감도가 떨어짐으로 인해 검사의 정확도를 보장할 수 없게 되는 한계가 있었던 종래기술의 검사장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 측정위치에 관계없이 항상 정확하게 크랙의 존재유무를 판단할 수 있도록 구성되는 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치 및 방법에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 측정위치가 크랙의 발생위치에서 멀어질수록 민감도가 떨어짐으로 인해 크랙 검사의 정확도를 보장할 수 없는 한계가 있었던 종래기술의 검사장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 미소 크랙이 존재하는 경우 하나의 공진점이 2개의 측대파(side band) 공진점으로 나타나며, 2개로 나누어진 매우 근접한 공진점에 대하여 모드상관계수(MAC)의 값에 대한 비교 및 2개의 모드형상 주평면(principal plane)이 서로 직교하는지를 분석하여 서로 다른 모드임을 명확하게 확인 가능한 점에 근거하여, 미소크랙의 검사시 얻어지는 주파수응답 함수의 공진점이 2개의 측대파로 나누어지는 경우 MAC 값을 통해 2개의 공진점이 서로 독립적인지를 확인하고, 각각의 공진점에 해당하는 모드형상 정보의 주평면이 서로 직교하는지를 분석하여 미소크랙의 존재여부를 판단하도록 구성됨으로써, 기존의 방식에 비해 측정위치에 관계없이 보다 정확하게 미소크랙을 검출할 수 있도록 구성되는 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치 및 방법에 관한 것이다.
계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치 및 방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치(10)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치(10)는, 크게 나누어, 측정대상의 크랙 여부를 측정하기 위한 복수의 측정센서를 포함하여 이루어지는 측정부(11)와, 측정부(11)의 각 센서들의 측정값에 근거하여 크랙의 존재여부를 판단하는 처리가 수행되는 분석부(12)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기한 측정장치(10)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 무선통신 또는 유선통신 중 적어도 하나의 통신방식을 통하여 측정값 및 분석결과를 포함하는 각종 데이터를 송수신하고 외부 기기와 통신을 수행하기 위한 통신부(13)와, 장치의 현재 상태와 동작 및 각각의 측정값과 분석결과를 포함하는 각종 데이터를 표시하기 위한 모니터나 디스플레이 등의 표시수단을 포함하여 이루어지는 표시부(14) 및 상기한 각 부 및 측정장치(10)의 전체적인 동작을 제어하는 처리가 수행되는 제어부(15)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
아울러, 도 2를 참조하면, 도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치(10)의 측정부(11)의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 상기한 측정부(11)는, 측정대상(21)을 고정하기 위한 고정지그(22)와, 예를 들면, 임팩트 해머(impact hammer)와 같이, 측정대상에 미리 정해진 임의의 충격(impact)을 인가하기 위한 가진수단(23) 및 가진수단(23)에 의해 인가된 충격에 대한 측정대상의 주파수응답을 측정하기 위해 측정대상의 미리 정해진 각각의 위치에 설치되는 복수의 가속도센서(24)를 포함하여 구성될 수 있다.
더 상세하게는, 도 3 및 도 4를 참조하면, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치(10)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 4는 도 3에 나타낸 미소크랙 검사장치(10)를 실제로 구현한 모습을 각각 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치(10)는, 측정대상(21)을 고정지그(22)에 고정하고, 예를 들면, 임팩트해머(도시되지 않음)와 같은 가진수단(23)을 통해 측정대상(21)에 충격을 인가하여 각각의 가속도센서(24)를 통해 부위별로 주파수응답을 산출한 다음, 상기한 분석부(12)를 통하여, 특정 지점에 대한 주파수응답의 공진점이 2개인 경우 각각의 공진점에 대하여 모드형상 및 주평면의 직교 여부를 분석하여 크랙의 존재유무를 판단하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
이때, 상기한 가속도센서(24)는, 예를 들면, 측정대상(21)의 각 면마다 미리 정해진 위치에 적어도 하나 이상의 가속도센서가 일정 간격으로 설치되도록 구성될 수 있으며, 이러한 가속도센서(24)의 설치위치나 개수 등은 측정대상(21)의 종류나 크기 등과 같이 필요에 따라 적절하게 결정될 수 있다.
더 상세하게는, 상기한 분석부(12)는, 상기한 바와 같이 하여 각각의 가속도센서(24)들로부터 수신된 가속도 응답으로부터 각각의 측정지점에 대한 주파수응답 함수를 산출하고, 산출된 주파수응답 함수의 공진주파수를 구하여 공진점의 개수를 확인한다.
확인 결과, 특정 지점에서 공진점이 2개인 경우가 발견되면, 각 공진점에 대한 모드상관계수(Modal Assurance Criterion ; MAC) 값을 구하여 각각의 공진점이 동일한 모드인지를 확인한다.
이때, MAC 값의 확인은 미리 정해진 기준에 따라 수행될 수 있으며, 일반적으로 MAC 값이 0.8 이상인 경우 동일한 공진점인 것으로 간주되므로, 예를 들면, MAC 값이 0.8 미만인 경우는 서로 다른 모드인 것으로 판단하도록 구성될 수 있으나, 상기한 바와 같은 판단기준은 필요에 따라 적절하게 설정될 수 있다.
계속해서, MAC 값의 비교 결과 각 공진점이 서로 다른 모드인 경우는 각 공진점의 모드형상(mode shape)을 분석하여 모드형상 벡터의 주평면(principal plane)이 서로 직교(orthogonal)하는지의 여부를 검사한다.
검사 결과, 직교하는 경우는 측정대상에 크랙이 존재하는 것으로 판단하여 결함이 있는 것으로 판정하고, 상기한 처리과정에서 공진점이 하나이거나, 각각의 공진점이 동일한 모드인 경우, 또는, 각 공진점에 대한 모드형상 벡터의 주 평면이 서로 직교하지 않는 경우는 측정대상에 크랙이 존재하지 않는 것으로 판단하여 정상으로 판정하고 처리를 종료한다.
아울러, 상기한 미소크랙 검사장치(10)는, 제어부(15)의 제어에 따라 상기한 바와 같은 처리과정 및 결과를 별도의 저장수단에 저장하고 표시부(14)를 통해 출력하는 처리 및 통신부(13)를 통하여 서버나 사용자 단말기 등과 같은 외부 기기로 전송하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 미소크랙 검사장치(10)는, 측정대상에 미소 크랙이 존재하는 경우 주파수응답 함수의 공진점이 2개의 측대파(side band) 공진점으로 나타나는 점에 근거하여, 2개의 공진점에 대하여 모드상관계수(MAC)의 값에 대한 비교를 통해 2개의 공진점이 서로 독립적인지를 확인하고, 2개의 모드형상의 주평면(principal plane)이 서로 직교(orthogonal)하는지를 분석하여 서로 다른 모드임을 확인함으로써, 측정위치와 크랙의 위치가 멀수록 정확도가 떨어지는 기존의 방식에 비해 보다 정확하게 미소크랙의 존재여부를 검출할 수 있는 장점을 가지는 것이다.
여기서, 상기한 바와 같이 가속도 응답으로부터 공진주파수 및 공진점을 구하고 모드상관계수(MAC) 값을 구하는 과정 및 모드형상의 주평면이 서로 직교하는지의 여부를 판단하기 위한 모달분석(Modal Analysis) 과정의 보다 구체적인 내용은 종래기술의 내용 등을 참조하여 당업자가 적절히 구성할 수 있는 사항이므로, 이에, 본 발명에서는, 설명을 간략히 하기 위해, 상기한 바와 같이 종래기술의 문헌 등을 참조하여 당업자가 용이하게 이해하고 실시할 수 있는 내용에 대하여는 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
따라서 상기한 바와 같은 구성으로부터, 본 발명의 실시예에 따른 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치(10)는, 충격을 인가하여 측정된 주파수 응답과 미리 측정된 크랙이 없는 경우의 주파수응답에 대한 상관함수(Coherence Function)를 각각 비교하여 크랙의 여부를 판단하는 기존의 측정장치 및 방법들에 비해 보다 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 검사장치의 구현이 가능하고, 이에 더하여, 상관함수에 근거하여 크랙의 여부를 판단함으로 인해 측정지점과 크랙의 위치가 멀어질수록 검출의 정확성 및 신뢰성이 떨어지는 문제가 있었던 기존의 측정장치 및 방법들의 문제점을 해결할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 실시예에 따른 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치(10)는, 현재의 동작상태 및 각각의 처리과정에서 얻어지는 측정값 및 분석결과를 포함하는 각종 정보를 표시부(14)를 통해 출력하는 동시에 통신부(13)를 통하여 서버나 사용자 단말기 등과 같은 외부 기기로 전송하도록 구성됨으로써, 단순히 측정대상에 대한 크랙 여부의 검사에 그치는 것이 아니라, 검사과정을 원격으로 제어하거나, 또는, 다양한 측정대상에 대한 데이터를 수집하여 데이터베이스를 구축하는 등의 작업이 보다 용이하게 수행될 수 있으며, 그것에 의해, 사용자의 요청에 따라 원하는 정보를 맞춤형으로 제공하도록 구성될 수 있다.
이때, 상기한 사용자 단말기는, 예를 들면, 스마트폰이나 태블릿 PC 또는 노트북 등과 같이, 개인이 휴대 가능한 정보통신 단말장치에 전용의 어플리케이션을 설치하여 구성됨으로써, 별도의 하드웨어를 구축할 필요 없이 비교적 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 용이하게 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치(10)는, 예를 들면, 딥러닝(Deep Learning)이나 머신러닝(Machine Learning) 등과 같이, 인공지능 학습 알고리즘을 이용하여 상기한 바와 같이 하여 구축된 데이터베이스에 대한 학습을 수행하고 학습결과에 근거하여 측정대상의 상태를 판단하는 처리가 자동으로 수행되도록 구성될 수도 있는 등, 본 발명은 본 발명의 취지 및 본질을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 필요에 따라 다양하게 수정 및 변경하여 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다.
계속해서, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치(10)을 이용하여 크랙의 유무를 판별하는 처리과정의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
먼저, 도 5를 참조하면, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치(10)에서 측정대상에 설치되는 측정센서의 설치위치를 나타내는 도면이다.
여기서, 도 5a는 측정대상의 전면에서 바라본 모습을 나타내고 있고 도 5b는 후면에서 바라본 모습을 각각 나타내고 있으며, 도 5에 나타낸 실시예에 있어서, A는 40mm, B는 150mm, C는 9.5mm이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에서는, 측정대상의 전, 후면과 상면의 중심 및 끝단부에 각각 2개씩 총 6개의 가속도센서(#1 ~ #6)가 설치되며, 지그 부착위치에서의 응답특성을 파악하기 위해 고정지그측에도 추가로 가속도센서(#7)가 설치될 수 있다.
여기서, 본 발명의 실시예에서는 측정대상의 전후면과 상면에 각각 2개씩 총 6개의 가속도센서가 설치되는 경우를 예로 하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 경우로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명은, 예를 들면, 측정대상의 종류나 크기 등에 따라 설치되는 센서의 개수를 적절히 가감하여 구성될 수도 있는 등, 본 발명의 실시예에 제시된 경우 이외에도 필요에 따라 다양하게 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다.
즉, 본 발명자들은, 도 1 내지 도 4를 참조하여 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치(10)의 성능을 검증하기 위해, 도 5에 나타낸 바와 같이, 강체 지그(rigid body jig)를 이용하여 한쪽 끝(40mm)이 고정된 단순 직사각형 시편의 각 부위에 가속도센서를 각각 부착하여 충격실험을 수행하였다.
더 상세하게는, 본 실시예에 있어서, 임펄스 시험을 위해 2개의 시편이 준비되었으며, 신뢰성 있는 시편(responsible specimens)의 재질은 SS400(포스코, 대한민국 포항)이었고, 한쪽 시편의 일면 중앙에 미소크랙이 있다는 점에 차이가 있었다.
아울러, 이들 시편에 대한 응답 데이터는 각 시편에 부착된 단방향 가속도계(#1 ~ #6, 모델 : 3225F2, Dytran, Chatsworth, CA, USA)를 사용하여 측정되었으며, 강체 지그에 대한 데이터는 다른 가속도계(#7)를 사용하여 측정되었다.
즉, 도 5에 나타낸 바와 같이, 3개의 가속도센서(#1, #2, #7)가 전면(XY 평면)에 부착되었고, 두 개의 가속도센서(#3, #4)가 후면(X-Y 평면)에 부착되었으며, 다른 두 개의 가속도센서(#5, #6)는 직교평면(X-Z 평면)에 부착되었다.
또한, 도 6 및 도 7을 참조하면, 도 6은 균열이 존재하는 부위와 균열이 없는 부위에 각각 가속도센서가 부착된 모습을 나타내는 도면으로, 도 6a는 균열이 존재하는 경우이고 도 6b는 균열이 없는 경우를 각각 나타내고 있다.
도 6a에 나타낸 바와 같이, 노드 #1에 미소크랙이 위치하므로 노드 #1의 응답이 균열위치에 가장 가깝고, 노드 #2의 응답은 동일한 면의 균열위치로부터 멀리 떨어져 있다.
반면, 도 6b에 나타낸 바와 같이, 노드 #1에 균열이 없는 다른 시편은, 측정된 시편의 면이 균열이 있는 시편과 반대인 것을 제외하고 노드 #1과 노드 #2에 대응하는 방식으로 균열위치로부터 동일한(similar) 거리에 노드 #3과 노드 #4가 각각 위치한다.
여기서, 각 시편은 정사각형의 단면을 가지고 클램핑 영역(clamping area)(40mm×19mm)이 시편의 두 측정면에 대하여 수직이므로, 두 면에 대한 경계조건(boundary condition)은 균열의 존재를 제외하고 동일한(similar) 것으로 가정하였다.
아울러, 본 발명자들은, 미소크랙의 검출에 접근하기 전에, 미소크랙이 존재하거나 없는 두 개의 직사각형 단순 시편에 대하여 실험적인 모달분석(modal analysis)을 미리 수행하였다.
이를 위해, 노드 #1에 충격력(impact force)을 인가하기 위하여 임팩트해머(모델 : 5800B3, Dytran, Chatsworth, CA, USA)가 사용되었으며, 노드 #1에서 노드 #7까지 각각 7개의 위치에서 응답 가속 데이터(reponse acceleration data)가 측정되었다.
또한, 주파수응답 함수(frequency response function ; FRF)의 취득은 TEST.LAB(Siemens, Munich, Germany)을 사용하여 수행되었으며, 공진주파수(resonance frequency) 및 모드 감쇠계수(modal damping coefficient)와 같은 모드 파라미터(modal parameter)의 식별(identification)은 TEST.LAB 소프트웨어에서 PolyMax 알고리즘을 사용하여 수행되었다.
이때, 최대주파수는 3200Hz로 설정되었으며, 모드 파라미터 식별동안 1024개의 스펙트럼 라인(spectral line)이 사용되었다.
그 결과, 먼저, 균열이 없는 시편의 경우, 첫번째 굽힘모드(bending mode)는 1145Hz(감쇠계수 0.38%)에서 발견되었고 X-Y 평면은 평면내(in-plane) 모드인 것으로 나타났다.
반면, 균열이 존재하는 시편의 경우, 첫번째 굽힘모드는 1090Hz(감쇠계수 0.51%, X-Z 평면에 대하여 평면내(in-plane))에서, 두번째 굽힘모드는 1150Hz(감쇠계수 1.15%, X-Y 평면에 대하여 평면내)에서 확인되었다.
아울러, 두 굽힘모드 사이의 모드상관계수(Modal Assurance Criterion ; MAC) 값은 X-Z 평면과 X-Y 평면 사이의 직교성(orthogonality)으로 인해 0.57로 나타났다.
여기서, 균열이 있는 시편의 세번째 피크가 1185Hz에서 발견되었으나, 두번째 굽힘모드와 세번째 굽힘모드 사이의 MAC 값이 92.3으로 나타나 두 피크가 서로 매우 유사한 것으로 판단되어 해당 모드는 고려되지 않았다.
또한, 직사각형 단순 시편의 공진주파수는 1145Hz에서 1090Hz로 감소하였으며, 측파대(sideband) 주파수도 단순 시편에서 미소크랙의 존재하에 시작되었다.
즉, 도 7을 참조하면, 도 7은 상기한 바와 같은 2개의 직사각형 단순 시편에 대한 모드분석 결과를 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
더 상세하게는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 균열이 있는 시편에서 첫번째 굽힘모드는 1090Hz(모드 감쇠계수 0.39%)에서 발견되었고, X-Y 평면에서만 유효하다.
더욱이, 본 발명자들은, 균열이 있는 시편의 경우에 대하여 X-Z 평면에서의 거동을 보다 확실하게 파악하기 위해 노드 #5에 충격력을 인가하여 또 다른 임팩트해머 테스트를 수행하였으나, 모드 테스트 결과는 노드 #1의 임팩트해머 시험과 마찬가지로 나타났다.
따라서 X-Y 평면과 X-Z 평면은 모두 첫번째 굽힘모드에 대한 평면내(in-plane) 및 평면외(out-of-plane)로 나타내질 수 있다.
또한, 도 8을 참조하면, 도 8은 미소크랙이 있는 시편과 없는 시편에 대하여 각각의 노드에서 측정된 가속도 응답을 그래프로 나타낸 도면이다.
도 8에 있어서, 미세 균열이 있는 시편과 없는 시편에 대하여 노드 #i에서의 임펄스 힘 입력에 대한 동일한 노드 #i에서의 응답가속(response acceleration)을 나타내고 있으며, 도 8a는 X-Y 평면(전면), 도 8b는 X-Y 평면(후면), 도 8c는 X-Z 평면의 가속도 응답을 각각 나타내고 있다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 크랙 위치에서 유래된(derived) 1000Hz 및 1200Hz 사이의 측파대 주파수가 크랙 근처의 노드 #1과 노드 #3에서 관찰되었으며, 이러한 주파수는 크랙으로부터의 거리에 매우 민감한 것으로 판단된다.
크랙이 없는 시편의 경우, X-Y 평면의 노드 #1 ~ 노드 #4에서 단일 주파수 피크가 확인되며, 1145Hz 주파수 근처의 X-Z 평면 노드 #5 및 노드 #6에서도 작은 피크가 확인된다.
크랙이 있는 시편의 경우, X-Y 평면 노드 #1 ~ 노드 #4에서 1090Hz 부근에서 주파수 피크가 관찰되었고, 노드 #1 및 노드 #2(X-Y 평면의 전면)에서 작은 2개의 측파대 주파수가 확인되었다.
반면, 측파대 주파수는 X-Z 평면 노드 #5 및 노드 #6에서 강조되었으나(highlighted) 1090Hz 근처의 굽힘모드는 상대적으로 작았으며, 이러한 응답은 도 7에 나타낸 표의 실험적인 모달 테스트 결과와 잘 부합된다.
다음으로, 도 9 내지 도 11을 참조하면, 도 9 내지 도 11은 각각 측정대상의 전면(X-Y), 후면(X-Y) 및 X-Z 평면에 대하여 크랙 표시자(crack indiocator)로서 주파수응답함수(FRF)를 적용한 경우(a)와 가속도응답을 적용한 경우(b)를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
더 상세하게는, 도 9a, 도 10a 및 도 11a에 각각 나타낸 바와 같이, 상관함수(coherence function)는 두 시편에 대한 FRF를 사용하여 계산되며, 6개의 상관함수는 모두 ~ 1090Hz의 공진주파수와 1150Hz의 측파대 주파수의 두 가지 주파수에 민감하고, 이러한 결과는 종래기술의 연구에서 입증된 바 있다.
또한, 측파대 주파수의 크랙 표시자는 측정위치에 관계없이 급격히 감소하였으나 공진주파수 근처의 상관값(coherence value)은 측정위치에 따라 변화하였고, 최소 상관값에서의 표시주파수(indicating frequency)는 1090Hz 근처에서 노드 #3, 노드 #4(X-Y 평면의 후면) 보다 노드 #1, 노드 #2(X-Y 평면의 전면)에서 더 낮게 나타났다.
아울러, X-Z 평면의 경우, 1090Hz에서 공진주파수 근처의 감도는 현저하지 않았고 X-Z 평면이 1090Hz에서 굽힘모드 형상의 평면외(out-of-plane)이므로 1145Hz에서 추가적인 민감 주파수(sensitive frequency)가 확인될 수 있으며, 따라서 FRF의 경우와 같이 공진주파수보다는 측파대 주파수가 미소크랙 검출에 적합한 주파수로 적용될 수 있다.
다음으로, 도 9b, 도 10b 및 도 11b를 참조하면, 도 9b, 도 10b 및 도 11b는 크랙검출을 위해 동일한 상관함수와 응답데이터만을 이용한 결과를 각각 나타내고 있으며, X-Y 평면(전면)에 대하여, 노드 #1과 노드 #2는 모두 측파대 주파수에 매우 민감한 반면, 공진주파수에 대한 민감도는 측정 위치에 따라 달라진다.
아울러, X-Y 평면(후면)에 대하여, 노드 # 3 및 노드 #4는 모두 공진주파수에 대하여 유사한 감도를 나타냈으나, 대조적으로, 노드 #3(크랙 근처)은 측파대 주파수에 대하여 높은 민감도를 나타낸 반면 노드 #4는 그렇지 않았다.
또한, X-Z 평면의 상관함수는 X-Y 평면과 유사하지 않으며, 즉, 가장 민감한 주파수는 ~ 1121Hz이고 가장 민감도가 낮은 주파수는 1090Hz 및 1145Hz이며, 이러한 차이는 크랙이 있는 시편에서 두 공진주파수 사이의 직교성에 기인한다.
따라서 미소크랙 검출의 민감도는 측정위치에 따라 달라지고, 목표 구조(target structure)의 모드형상은 적절한 센서위치의 선택에 중요한 요소가 된다.
즉, 크랙 검사에 있어서, 크랙의 정확한 위치를 미리 결정하기가 어려우므로 크랙의 위치와 무관하게 정확한 검사가 이루어질 수 있는 검사장치나 방법을 제시하는 것이 바람직하며, 상기한 바와 같이 공진주파수 근처의 상관값(coherence value)은 측정위치에 따라 변화하는 반면, 측파대 주파수에 기반한 크랙 표시자는 측정 위치에 관계없이 급격히 감소하는 결과로부터, 측파대 주파수에 대한 응답 데이터를 이용하여 측정위치에 관계없이 크랙의 존재여부를 정확히 판단할 수 있는 검사장치 및 방법을 구현할 수 있다.
아울러, 상기한 바와 같이 응답데이터만을 이용하는 크랙 표지자는 계산과정이 간단하고 입력 임펄스 힘에 대한 정보가 필요하지 않으므로 기존의 FRF 기반 방법에 비해 유리한 장점을 가진다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명의 실시예에 따른 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치(10)를 구현할 수 있으며, 그것에 의해, 기존의 장치 및 방법들에 비해 비교적 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 보다 정확성 및 신뢰성이 높은 미소크랙 검사방법을 제공할 수 있다.
즉, 도 12를 참조하면, 도 12는 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 미소크랙 검사장치(10)를 이용한 미소크랙 검사방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 미소크랙 검사방법은, 크게 나누어, 측정대상을 고정지그(22)에 고정하고 가진수단(23)을 통해 측정대상에 미리 정해진 충격을 인가하여 각각의 가속도센서(24)를 통해 가속도 응답을 측정하는 처리가 수행되는 측정단계(S10)와, 각각의 가속도센서(24)로부터 수신된 가속도 응답으로부터 각각의 측정지점에 대한 주파수응답 함수를 산출하고, 각각의 주파수응답 함수에 대한 공진주파수를 구하여 공진점의 개수를 확인하는 처리가 상기한 검사장치(10)의 분석부(12)를 통하여 수행되는 공진점 개수 확인단계(S20)와, 공진점이 2개인 경우가 발견되면 각각의 공진점에 대한 모드상관계수(MAC) 값을 구하고 미리 정해진 기준에 근거하여 각각의 공진점이 서로 독립적인지의 여부를 확인하는 처리가 상기한 분석부(12)를 통하여 수행되는 독립성 확인단계(S30)와, 각각의 공진점이 서로 독립적인 것으로 판단되면 각 공진점의 모드형상(mode shape) 벡터의 주평면(principal plane)이 서로 직교(orthogonal)하는지를 분석하여 각각의 공진점이 서로 다른 모드인지의 여부를 확인하는 처리가 상기한 분석부(12)를 통하여 수행되는 모달분석단계(S40) 및 분석 결과 각각의 공진점이 서로 다른 모드인 것으로 확인되면 측정대상에 크랙이 존재하는 것으로 판단하여 결함이 있는 것으로 판정하는 처리가 상기한 분석부(12)를 통하여 수행되는 판정단계(S50)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 독립성 확인단계(S30)는, 예를 들면, MAC 값이 0.8 이상인 경우 동일한 공진점인 것으로 판단하고, MAC 값이 0.8 미만인 경우는 서로 다른 모드인 것으로 판단하도록 구성될 수 있다.
아울러, 상기한 각 단계(S10 ~ S50)의 구체적인 내용은 도 1 내지 도 7을 참조하여 상기한 실시예에 나타낸 바와 같이 하여 구성될 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명의 실시예에 따른 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치 및 방법을 구현할 수 있으며, 그것에 의해, 본 발명에 따르면, 미소크랙이 존재하는 경우 하나의 공진점이 2개의 측대파 공진점으로 나타나며, 2개로 나누어진 매우 근접한 공진점에 대하여 모드상관계수(MAC)의 값에 대한 비교 및 2개의 모드형상 주평면이 서로 직교하는지를 분석하여 서로 다른 모드임을 명확하게 확인 가능한 점에 근거하여, 미소크랙의 검사시 얻어지는 주파수응답 함수의 공진점이 2개의 측대파로 나누어지는 경우 MAC 값을 통해 2개의 공진점이 서로 독립적인지를 확인하고, 각각의 공진점에 해당하는 모드형상 정보의 주평면이 서로 직교하는지를 분석하여 미소크랙의 존재여부를 판단하도록 구성되는 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치 및 방법이 제공됨으로써, 기존의 방식에 비해 측정위치에 관계없이 보다 정확하게 미소크랙을 검출할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 측정위치에 관계없이 항상 정확하게 크랙의 존재유무를 판단할 수 있도록 구성되는 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치 및 방법이 제공됨으로써, 크랙 등과 같은 결함의 발생위치가 측정지점에 가까운 경우는 비교적 신뢰성 높은 검사결과를 제공 가능하나 측정위치가 결함의 발생위치에서 멀어질수록 민감도가 떨어짐으로 인해 검사의 정확도를 보장할 수 없게 되는 한계가 있었던 종래기술의 검사장치 및 방법들의 문제점을 해결할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 공진점의 모드형상 벡터와 주평면의 직교성 분석을 이용한 미소크랙 검사장치 및 방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
10. 미소크랙 검사장치
11. 측정부
12. 분석부 13. 통신부
14. 표시부 15. 제어부
21. 측정대상 22. 고정지그
23. 가진수단 24. 가속도센서
12. 분석부 13. 통신부
14. 표시부 15. 제어부
21. 측정대상 22. 고정지그
23. 가진수단 24. 가속도센서
Claims (11)
- 측정대상에 대하여 크랙의 존재여부를 측정하기 위한 복수의 센서를 포함하여 이루어지는 측정부 및 상기 측정부의 각 센서들의 측정값에 근거하여 크랙의 존재여부를 판단하는 처리가 수행되는 분석부를 포함하여 구성되는 미소크랙(micro-crack) 검사장치에 있어서,
상기 측정부는,
측정대상을 고정하기 위한 고정지그;
상기 측정대상에 미리 정해진 충격(impact)을 인가하기 위한 가진수단; 및
상기 측정대상의 미리 정해진 위치에 각각 설치되는 복수의 가속도센서를 포함하여 구성되고,
상기 분석부는,
각각의 상기 가속도센서들의 측정값에 근거하여 상기 가진수단에 의해 인가된 충격에 대한 상기 측정대상의 주파수응답을 산출하고, 상기 측정대상에 크랙이 존재하는 경우 주파수응답 함수의 공진점이 2개의 측대파(side band) 공진점으로 나타나는 것에 근거하여, 공진점의 개수 및 각 공진점의 독립성을 분석하여 크랙의 존재여부를 판단하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 미소크랙 검사장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 검사장치는,
무선통신 또는 유선통신 중 적어도 하나의 통신방식을 이용하여 측정값 및 분석결과를 포함하는 각종 데이터를 송수신하기 위한 통신부;
상기 검사장치의 현재 상태와 동작 및 각각의 측정값과 분석결과를 포함하는 각종 데이터를 표시하기 위한 표시수단을 포함하여 이루어지는 표시부; 및
상기 측정부, 상기 분석부, 상기 통신부 및 상기 표시부를 포함하는 상기 검사장치의 전체적인 동작을 제어하는 처리가 수행되는 제어부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 미소크랙 검사장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 고정지그는,
상기 측정대상의 일단 끝 부분을 고정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 미소크랙 검사장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 가진수단은,
임팩트해머(impact hammer)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 미소크랙 검사장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 가속도센서는,
상기 측정대상의 각 면마다 적어도 하나 이상 설치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 미소크랙 검사장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 분석부는,
상기 측정대상을 상기 고정지그에 고정하고 상기 가진수단을 통해 상기 측정대상에 미리 정해진 충격을 인가하여 각각의 상기 가속도센서로부터 수신된 가속도 응답으로부터 각각의 측정지점에 대한 주파수응답 함수를 산출하고, 각각의 상기 주파수응답 함수에 대한 공진주파수를 구하여 공진점의 개수를 확인하며,
공진점이 2개인 경우가 발견되면 각각의 공진점에 대한 모드상관계수(Modal Assurance Criterion ; MAC) 값을 구하고 미리 정해진 기준에 근거하여 각각의 공진점이 서로 독립적인지의 여부를 확인하며,
확인 결과 각각의 공진점이 서로 독립적인 것으로 판단되면 각 공진점의 모드형상(mode shape) 벡터의 주평면(principal plane)이 서로 직교(orthogonal)하는지를 분석하여 각각의 공진점이 서로 다른 모드인지의 여부를 확인하며,
확인 결과 각각의 공진점이 서로 다른 모드인 것으로 확인되면 상기 측정대상에 크랙이 존재하는 것으로 판단하여 결함이 있는 것으로 판정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 미소크랙 검사장치.
- 제 6항에 있어서,
상기 분석부는,
상기 모드상관계수(MAC) 값이 0.8 이상인 경우는 동일한 공진점인 것으로 판단하고, 상기 모드상관계수(MAC) 값이 0.8 미만인 경우는 서로 다른 모드인 것으로 판단하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 미소크랙 검사장치.
- 제 2항에 있어서,
상기 검사장치는,
상기 제어부의 제어에 따라 각각의 처리과정 및 분석결과를 별도의 저장수단에 저장하고 상기 표시부를 통해 출력하는 처리 및 상기 통신부를 통하여 서버나 사용자 단말기를 포함하는 외부 기기로 전송하는 처리가 각각 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 미소크랙 검사장치.
- 제 8항에 있어서
상기 사용자 단말기는,
스마트폰이나 태블릿 PC 또는 노트북을 포함하는 개인이 휴대 가능한 정보통신 단말장치에 전용의 어플리케이션 프로그램을 설치하여 구성되는 것을 특징으로 하는 미소크랙 검사장치.
- 청구항 1항 내지 청구항 9항 중 어느 한 항에 기재된 미소크랙 검사장치를 이용한 미소크랙 검사방법에 있어서,
측정대상을 상기 검사장치의 고정지그에 고정하고 상기 검사장치의 가진수단을 통해 상기 측정대상에 미리 정해진 충격을 인가하여 상기 검사장치의 각각의 가속도센서를 통해 가속도 응답을 측정하는 처리가 수행되는 측정단계;
상기 검사장치의 분석부를 통하여, 각각의 상기 가속도센서로부터 수신된 가속도 응답으로부터 각각의 측정지점에 대한 주파수응답 함수를 산출하고, 각각의 상기 주파수응답 함수에 대한 공진주파수를 구하여 공진점의 개수를 확인하는 처리가 수행되는 공진점 개수 확인단계;
상기 검사장치의 분석부를 통하여, 상기 공진점 개수 확인단계에서 공진점이 2개인 경우가 발견되면 각각의 공진점에 대한 모드상관계수(Modal Assurance Criterion ; MAC) 값을 구하고 미리 정해진 기준에 근거하여 각각의 공진점이 서로 독립적인지의 여부를 확인하는 처리가 수행되는 독립성 확인단계;
상기 검사장치의 분석부를 통하여, 각각의 공진점이 서로 독립적인 것으로 판단되면 각 공진점의 모드형상(mode shape) 벡터의 주평면(principal plane)이 서로 직교(orthogonal)하는지를 분석하여 각각의 공진점이 서로 다른 모드인지의 여부를 확인하는 처리가 수행되는 모달분석단계;
상기 검사장치의 분석부를 통하여, 상기 모달분석단계의 분석 결과 각각의 공진점이 서로 다른 모드인 것으로 확인되면 상기 측정대상에 크랙이 존재하는 것으로 판단하여 결함이 있는 것으로 판정하는 처리가 수행되는 판정단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 미소크랙 검사방법.
- 제 10항에 있어서,
상기 독립성 확인단계는,
상기 모드상관계수(MAC)의 값이 0.8 이상인 경우는 동일한 공진점인 것으로 판단하고, 상기 모드상관계수(MAC)의 값이 0.8 미만인 경우는 서로 다른 모드인 것으로 판단하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 미소크랙 검사방법.
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