KR20220169682A - Cnc공작기계의 스핀들, 베어링과 변속기어를 포함하는 스핀들계에 대한 건전성 진단방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 CNC공작기계의 스핀들, 베어링과 변속기어를 포함하는 스핀들계의 건전성 진단방법에 관한 것으로서, 구체적으로 CNC공작기계에 있어서 CNC통신으로부터 획득한 스핀들의 RPM 정보와 진동센서로부터 획득한 베어링 및 변속기어와 같은 스핀들계 구성부품의 건전성을 진단하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 구체적으로 CNC통신을 통해서 스핀들의 실제 RPM 값을 획득하고, 스핀들의 실제 RPM에 대해서 설계에서 규정된 회전비에 의해서 조립되어 있는 주요 구성부품인 저속 및 고속 변속을 위한 기어박스, 베어링 등에 대한 진동특성을 검출하고, 스핀들의 고유진동수 및 고유진폭 값과 비교하여 스핀들의 건전성 여부를 판별하는 것이다.

Description

CNC공작기계의 스핀들, 베어링과 변속기어를 포함하는 스핀들계에 대한 건전성 진단방법{AN INSPECTION METHOD OF SPINDLE SYSTEMS IN CNC MACHINE BY USING CNC INTERFACE AND ACCELEROMETERS}
본 발명은 CNC공작기계의 스핀들, 베어링과 변속기어를 포함하는 스핀들계의 건전성 진단방법에 관한 것으로서, 구체적으로 CNC공작기계에 있어서 CNC통신으로부터 획득한 스핀들의 RPM 정보와 가속도계 진동센서로부터 획득한 진동데이터를 통하여 공작기계의 스핀들 축 뿐만 아니라 그 이외의 베어링 및 변속기어와 같은 주요 구성부품의 건전성을 동시에 진단하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 구체적으로 CNC통신을 통해서 스핀들의 실제 RPM 값을 획득하고, 스핀들의 실제 RPM에 대해서 설계에서 규정된 회전비로 조립되어 있는 주요 구성부품인 저속 및 고속 변속을 위한 기어박스, 베어링 등에 대한 진동특성을 검출하고, 스핀들의 레퍼런스 기준 값과 비교하여 스핀들의 건전성 여부를 판별하는 것이다.
제조현장에서 주로 활용되는 CNC 공작기계에 있어서 스핀들의 건전성 검사는 일정한 기간을 간격으로 수행하는 시계열적 검사 및 그 검사 결과에 따른 유지보수 여부를 결정하는 것이다. 상기 방식은 검사 및 유지보수 주기가 아닌 시점에서 돌발적으로 스핀들의 이상상태가 발생하는 경우에 신속한 대처가 어렵고 체계적으로 관리할 수 없다는 단점을 가지고 있다. 또한 CNC 공작기계에 있어서 스핀들계는 크게 2종류로서, 스핀들모터와 직결되는 직결식과 다단기어를 통해서 연결되는 변속식이 있다. 직결식과 변속식은 변속 기어의 사용 여부에 의해 구분되며, 일반적으로 절삭가공의 동력원인 스핀들모터의 토크가 매우 큰 힘을 가져야 할 때 변속식을 사용하는데, 변속식의 경우 스핀들 이외의 스핀들계를 구성부품하는 핵심구성부품인 모터, 베어링, 기어박스에 대해서는 별도 건전성 판별을 수행해야 하는 단점이 있다.
특히, 기존 스핀들 검사 방식은 특정 RPM를 위주로 스핀들의 건전성을 판별하지만, 통상적으로 공작기계의 스핀들은 저속 RPM에서 고속 RPM까지 넓은 속도 범위에서 실제 가공작업을 수행하기 때문에, 특정 RPM은 스핀들의 건전성을 올바르게 판별하는데 한계가 있다.
본 발명의 발명자는 고속RPM에서 저속RPM까지 작동되는 스핀들을 구비한 CNC공작기계에 있어서 가변적인 RPM에 대해서 스핀들계 전체의 건전성을 동시에 진단할 수 있는 진단방법을 착안하게 되었다.
선행문헌 : 한국특허등록 제10-2224333호 (2021.03.02. 등록)
본 발명은 NC공작기계의 스핀들, 베어링과 변속기어를 포함하는 스핀들계의 건전성 진단방법에 관한 것으로서, 구체적으로 CNC공작기계에 있어서 CNC통신으로부터 획득한 스핀들의 RPM 정보와 스핀들에 구비된 가속도계 진동센서로부터 획득한 진동데이터를 통해서 공작기계의 스핀들 축 뿐만 아니라 그 이외의 베어링 및 변속기어와 같은 주요 구성부품의 건전성을 진단하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 스핀들계 전에의 각 구성부품의 건전성을 진단하는 방법은,
- NC프로그램 등을 저속RPM에서 고속RPM까지 전범위에 걸쳐서 스핀들계의 RPM를 가변하는 단계(S1);
- 스핀들에 장착된 진동센서를 통해서 진동데이터를 수집하는 단계(S2);
- 상기 진동데이터를 분해하여 스핀들계의 각 구성부품들에 작용하는 각각의 진동수 및 진폭을 획득하는 단계(S3);
- 상기 획득된 각각의 진동수 및 진폭을 각 구성부품들이 가지는 고유진동수와 조화진동수 및 그들의 진폭에 관한 기준값과 비교하여 스핀들의 회전에 직접적으로 관여하는 구성부품의 건전성을 판별하는 단계(S4);를 포함하는 것이다.
상기 단계(S4)는 구체적으로,
상기 각 구성부품의 고유진동수는 실제 RPM으로 인한 구동 샤프트 축의 회전수 X 기어회전비 X 기어수 또는 베어링볼수로 계산한다.
그리고 상기 조화진동수는 상기 고유진동수의 배수로 정의한다.
고유진동수 및 고유진폭은 최초 스핀들계의 설계에서 제시한 설계값 또는 장비유지보수 후에 새롭게 설정된 값으로 결정되는 값으로서,
진동데이터로부터 획득된 각 구성부품의 진동수 및 진폭을 스핀들계 각 구성부품의 고유진동수 및 고유진폭과 비교하여 허용범위에 있는지에 따라서 건전성 양호여부를 판단한다. 또한, 스핀들계 각 구성부품의 조화진동수가 각 구성부품의 조화진동수와 비교하여 허용범위에 있는지에 따라서 건전성 양호여부를 판단할 수 있다.
본 발명은 넓은 범위의 RPM범위에서 운용되는 CNC공작기계에 있어서, 최초로 세팅된 스핀들계의 각 구성부품들이 가지는 고유진동수와 조화진동수, 그리고 그 진폭들, 즉 이들 값이 가지는 기준값에 대비하여 진동데이터로부터 획득되고 분해되어 스핀들계의 중요 구성부품들에서 실제적으로 나타나는 진동수와 진폭을 비교하기 때문에 각 구성부품들의 건전성을 동시적으로 판별할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 고속 RPM의 스핀들계의 구조 예시도
도 2는 저속 RPM의 스핀들계의 구조 예시도
도 3은 RPM 전범위에서 스핀들계에서 각 구성부품의 진동특성을 동시에 수행하기 위한 순서도
이하, 상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부도면을 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 기술이 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1 및 도 2는, 본 발명은 CNC공작기계 스핀들계에서 획득한 진동특성을 통해서 스핀들 및 스핀들계의 구성부품인 스핀들모터, 변속기어, 베어링에 대한 건전성 상태를 진단하는 방법을 적용하기 위한 스핀들계의 구조 예시도를 도시한 것이다.
도 1은 저속 RPM으로 구동되는 CNC공작기계 스핀들계에 있어서, 진동특성을 분석하기 위한 스핀들계의 구조를 도시한 것이다. 스핀들계의 진동데이터는 스핀들모터, 베어링, 변속기어의 진동데이터가 모두 포함된 것으로서, 각 구성부품의 진동이 서로 간섭하여 혼합된 상태로 존재하게 되므로, 진동분석툴에 의해서 각 구성부품별로 진동특성을 분해할 필요가 있고, 분해된 각 구성부품별 진동특성(진동수와 진폭)에 따라서 각 구성부품의 건전성을 판단하게 된다.
구체적으로, 상기 스핀들계가 구동되려면 모터축상의 기어M와 베어링B1, 아이들축 상의 베어링B2와 기어I1, 기어S1, 그리고 스핀들축상의 베어링B3 등이 상호연결되어 동력을 전달한다. 이때 각 구성부품이 가지는 고유진동수의 특성과 함께 각 구성부품이 전체로서 조립된 상태에서 전체 스핀들계의 진동특성이 발현된다.
본 발명에서 CNC공작기계는 스핀들축의 실제 RPM를 기준으로 각 구성부품의 고유진동수를 구한다. 따라서 본 발명에서는 RPM을 기준으로 각 구성부품의 고유진동수와 기어치수(베어링볼수)를 Fq와 N의 기호로 표기한다. 예시로, 스핀들축의 회전수가 RPM이라고 하면, 기어S1의 고유진동수는 Fq_S1으로 표기하고 기어S1의 치(齒)수는 N_S1로 표기한다. N개의 볼수를 구비한 베어링 B3를 포함한 나머지 구성부품도 동일하게 표기될 수 있다.
즉, 스핀들계의 고유진동수는 스핀들축의 실제 RPM에 의해서 결정되고, 각 구성부품의 고유진동수는 RPM에 각 구성부품의 치수 또는 볼수를 곱한 값에 해당한다. 예로, 기어S1의 고유진동수는 Fq_S1로서, Fq_S1 = RPM * N_S1이다.
저속 RPM범위의 스핀들계에 대한 진단 방법을 도 1과 도 3를 활용하여 순서대로 설명한다. 즉 도 1의 변속기어로 세팅한 상태에서,
- ① NC프로그램 등을 저속RPM에서 고속RPM까지 전범위에 걸쳐서 스핀들계의 RPM를 가변한다.
- ② 스핀들에 장착된 진동센서를 통해서 진동데이터를 수집한다.
- ③ 진동데이터를 분해하여 스핀들계의 각 구성부품들에 작용하는 진동수와 진폭을 분석한다.
- 한편 ㉠ 스핀들계에서 각 구성부품의 고유진동수 및 고유진폭은 최초 스핀들계의 설계에서 제시한 설계값 또는 장비유지보수 후에 새롭게 설정된 값으로 결정되어 진다.
즉, Ref_nf = 고유진동수의 기준값으로서, 스핀들계의 구성부품은 베어링의 볼수와 기어의 잇수 등에 따라서 진수동가 달라지고 따라서 스핀들계의 실제 회전수 RPM로 회전하게 되고, 각 구성부품의 진동수는 일정한 배수의 상관관계를 가지게 된다. 예로 구동모터에 연결된 구동축이 1회전할 때 구동축에 결합된 상 변속기어의 잇수가 10개인 경우, 상기 구동기어는 구동축 회전수의 10배에 해당하는 진동수가 발생한다.
이와 마찬가지로, 각 구성부품은 변속기어의 경우 잇수에 따라서 그리고 베어링의 경우 내부의 볼수에 따라서 구동모터의 RPM의 수배에 해당하는 고유진동수를 가지게 된다. 상기 고유진동수를 Ref_nf라고 한다. 그리고 상기 고유진동수의 배수인 조화진동수(Ref_hf = 조화진동수)를 각 구성부품에 대해서 산출할 수 있다.
만일 스핀들계에 있어서 구성부품들의 상태가 양호하다면 스핀들계의 각 구성부품의 진동수 및 진폭이 일정한 범위내에서 안정적으로 유지될 것이지만, 각 구성부품의 상태가 불량하다면, 예로 기어의 10개 치(齒)중에 하나가 손상되어 9개로 감소되면 9배수의 진동수에 있어서 진폭이 크게 될 것이므로, 이런 진동데이터의 변화로 기어의 손상들을 진단할 수 있게 된다.
상기 스핀들계의 각 구성부품이 가진되는 진동수는 ⓐ CNC 오픈통신과 ⓑ 실제RPM값에 기초한다. 즉, ①에서 NC프로그램에 있는 RPM은 계속 가변하기 때문에 실제 RPM 값을 오픈CNC통신에 의해서 자동으로 획득한다. ②, ③은 스핀들에 장착된 진동센서를 통해서 획득된 진동데이터를 분해하여 각 구성부품의 진동데이터를 수집할 수 있게 된다.
④ 상기 스핀들계의 각 구성부품로부터 계산된 고유진동수와 조화진동수를 활용하여 스핀들의 회전에 직접적으로 관여하는 구성부품의 기본 진동특성을 분석할 수 있다.
②, ③에서 실제 RPM에서 진동센서에 의해서 획득 분해된 각 구성부품의 진동특성이 ④에서 산출된각 구성부품별 진동특성과 비교한다. 즉, 실제 측정된 진동특성이 도 3의 ㉠에서 입력된 고유진동수와 동일하거나 허용범위에 있으면 ⑥_1 건전성 진단_Good으로 진단결과를 표시하고, 상기 허용공차 범위를 벗어나면 ⑥_2 건전성 진단_No Good으로 진단결과를 표시한다.
또한 ⑤에서도 마찬가지로 스핀들계에 있어서 각 구성부품의 진동특성이 도 3의 ㉠에서 입력된 기준값과 동일하거나 허용범위에 있으면 ⑥_1 건전성 진단_Good으로 진단결과를 표시하고, 상기 허용공차 범위를 벗어나면 ⑥_2 건전성 진단_No Good으로 진단결과를 표시한다. 마지막으로 ⑦는 상기 ⑥의 진단결과를 알람으로 장비운용자 등에게 전달한다.
다른 한편, 고속RPM으로 회전하는 스핀들계에 있어서 각 구성부품의 신뢰성을 진단하는 방식도 상기 저속RPM에서 사용한 방법과 유사동일하다. 이는 도2와 도3를 통해서 설명한다. 저속RPM범위에서 스핀들계와 고속RPM범위에서 스핀들계의 차이는 도 2에서 보는 것처럼 아이들축 기어S1/기어I2의 연결구조와 기어S2/기어I2의 연결구조의 사용여부이다. 기어S1/기어I2의 연결구조은 저속RPM에서 사용되고, 기어S2/기어I2는 고속RPM에서 사용된다. 즉 고속RPM의 스핀들계에서 직접 토크전달에 연관된 구성부품들은 스핀들축의 기어S2과 베어링B3, 아이들축의 기어I2와 베어링B2, 모터축의 기어M과 베어링B1에 해당한다. 나머지 방식은 상기 저속RPM에서 스핀들계의 구성부품에 대한 진동특성에 의한 진단방식과 동일하다고 할 수 있다.
또한 모터직결식 스핀들계는 기어과 베어링 구성부품이 제거된 상태이기 때문에 도3에서 모터축에 해당하는 베어링B1에 대한 구성부품만 활용하는 구조로써 스핀들계의 구성부품 베어링B1에 대한 건전성 상태 진단은 상기에서 설명한 저속RPM에서 기어변속 스핀들계의 구성부품에 적용한 방식과 동일하다.
이에 본 발명은 CNC공작기계의 전범위 RPM에 대해서 런아웃 검사를 수행할 수 있다. 그리고 작업자의 숙련도에 관계없이 도2의 순서를 따라서 런아웃 검사를 수행하는 방식으로 진행하면 균일하면서도 정밀한 런아웃량을 검출할 수 있다. 또한, 본 발명은 CNC공작기계의 저속RPM에서 고속RPM까지 전범위에서 RPM을 가변하면서 스핀들계와 구성부품품의 건정성 상태를 진단할 수 있으며, 스핀들계의 진동를 통해서 스핀들계와 스핀들계를 구성부품하는 주요 구성부품품, 즉 베어링과 기어까지 건전성 상태를 진단할 수 있도록 하였다.
S1:스핀들축 기어
Fq_S1:기어S1의 회전 주파수
N_S1:기어S1의 잇수
M:모터축 기어
Fq_M:모터축 기어의 회전주파수
B1:스핀들축 베어링
Fq_B1:베어링B1의 회전주파수
N_B1:베어링B1의 볼수
B2:스핀들축 베어링
Fq_B2:베어링B2의 회전 주파수
N_B2:베어링B2의 볼 수
B3:스핀들축 베어링
Fq_B3:베어링B3의 회전 주파수
N_B3:베어링B3의 볼 수
G_I1:아이들축 기어(저속)
Fq_I1:기어I1의 회전 주파수
N_I1:기어I1의 잇수
I2:아이들축 기어(고속)
Fq_I2:기어I2의 회전 주파수
N_I2:기어I2의 잇수
Ref_nf:고유진동수의 기준값
Ref_hf:조화진동수의 기준값

Claims (2)

  1. - NC프로그램 등을 저속RPM에서 고속RPM까지 전범위에 걸쳐서 스핀들계의 RPM를 가변하는 단계(S1);
    - 스핀들에 장착된 진동센서를 통해서 진동데이터를 수집하는 단계(S2);
    - 상기 진동데이터를 분해하여 스핀들계의 각 구성부품들에 작용하는 각각의 진동수 및 진폭을 획득하는 단계(S3);
    - 상기 획득된 각각의 진동수 및 진폭을 각 구성부품들이 가지는 고유진동수 및 그들의 진폭에 관한 기준값과 비교하여 스핀들의 회전에 직접적으로 관여하는 구성부품의 건전성을 판별하는 단계(S4);를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    스핀들, 베어링과 변속기어를 포함하는 CNC공작기계의 스핀들계에 대한 건전성 진단방법.
  2. 제1항에 있어서,
    진동데이터로부터 획득된 각 구성부품의 진동수 및 진폭을 스핀들계 각 구성부품의 고유진동수 및 고유진폭과 비교하여 허용범위에 있는지에 따라서 건전성 양호여부를 판단하는 단계(S5);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    스핀들, 베어링과 변속기어를 포함하는 CNC공작기계의 스핀들계에 대한 건전성 진단방법.

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