KR20230122637A - 고정식 구성 요소에 연결된 가동 구성 요소에 대한모니터링 시스템 - Google Patents

Abstract

고정식 구성 요소(2)에 의해 지지되는 가동 구성 요소(3), 예를 들어 회전 구성 요소에 대한 모니터링 시스템(12)이 개시된다. 모니터링 시스템(12)은 가동 구성 요소(3)에 위치되며, 2개의 터미널(17)을 포함하는 음향 센서(10); 가동 구성 요소(3)에 위치되며 2개의 입력 터미널과 2개의 출력 터미널을 갖는 제1 증폭기(18); 가동 구성 요소(3)에 위치된 제1 트랜시버 디바이스(15) 및 트랜시버 디바이스(15)를 향하며 고정식 구성 요소(2)에 위치된 제2 트랜시버 디바이스(16)를 구비한 무접촉 통신 유닛(14); 센서(10)를 제1 증폭기(18)에 연결하며 각각이 음향 센서(10)의 터미널(17)을 제1 증폭기(18)의 대응 입력 터미널에 연결하는 2개의 전기 리드를 갖는 제1 연결 라인(19); 및 제1 증폭기(18)를 제1 트랜시버 디바이스(15)에 연결하며 각각이 제1 증폭기(18)의 출력 터미널을 제1 트랜시버 디바이스(15)에 연결하는 2개의 전기 리드를 갖는 제2 연결 라인(20)을 포함한다.

Description

고정식 구성 요소에 연결된 가동 구성 요소에 대한 모니터링 시스템

본 발명은 고정식 구성 요소에 연결된 가동 구성 요소, 예를 들어 회전 구성 요소에 대한 모니터링 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 공작 기계에서 (적어도) 하나의 그라인딩 휠을 지지하는 회전 스핀들을 위한, 음향 신호를 사용하는 모니터링 시스템에 유리하게 적용될 수 있으며, 이하의 논의는 이에 대한 일반성을 잃지 않고 참조를 명확하게 할 것이다.

예를 들어 특허 출원 EP0690979A1, EP1870198A1 및 EP3134980A1에 설명된 바와 같이, (적어도) 하나의 그라인딩 휠을 지지하고 축 방향 캐비티 내 수용된 밸런싱 헤드(balancing head)를 구비한 공작 기계 (특히 연삭기)의 회전 스핀들(허브)이 알려져 있다. 밸런싱 헤드는 회전 축에 대해 편심된 적어도 하나의 밸런싱 질량체를 포함하고 있으며, 그의 위치는 조정 가능하고 전기 모터에 의해 제어된다.

일반적으로, 밸런싱 헤드는 또한 그라인딩 휠과 피가공물 사이 또는 그라인딩 휠과 드레싱 공구(드레서(dresser)) 사이의 접촉으로 인해 야기되는 초음파 음향 방출을 검출하기 위한 진동 센서 (즉, 마이크로폰)를 포함한다. 진동 센서에 의해 생성된 전기 신호는 가공 주기를 제어하기 위해 (알려진 방식으로) 사용된다.

마이크로폰은 마이크로폰에 의하여 제공되는 전기 신호가 처리되어 가공 공정의 정확성에 대한 정보를 제공하는 모니터링 시스템의 일부이다. 공작 기계의 제어 유닛은 이후 이러한 정보를 기반으로 공정에 작용할 수 있다.

본 발명의 목적은, 정확하고 안정적인 방식으로 피가공물의 가공 또는 그라인딩 휠의 드레싱과 같은 진행 중인 작업의 영향을 검출하는 것을 허용하고 또한 바람직하게는 좁은 공간에서도 설치하기 용이한, 고정식 구성 요소에 연결된 가동 구성 요소에 대한 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명은 첨부된 청구범위에서 규정된 바와 같이 고정식 구성 요소에 연결된 가동 구성 요소를 위한 모니터링 시스템을 제공한다. 청구범위는 본 발명의 실시예를 설명하며 또한 본 설명의 필수적인 부분을 형성한다.

본 발명이 첨부된 도면을 참고하여 설명되며, 도면은 실시예의 비제한적인 예를 도시한다. 도면에서,
도 1은 그라인딩 휠을 지지하고 밸런싱 헤드를 구비한 회전 스핀들을 구비한 공작 기계를 개략적으로 보여주고 있다.
도 2는 본 발명에 따른 모니터링 시스템을 개략적으로 보여주고 있다.
도 3 내지 도 7은 도 2의 모니터링 시스템의 대안적인 실시예의 일련의 개략도이다.

도 1에서, 참조 번호 1은 전체적으로 공작 기계 (특히, 연삭기)를 나타내며, 그의 일부 구성 요소만이 보여지고 있다.

전형적으로, 일반적으로 공작 기계는 서로 연결된 고정식 부분 또는 고정식 구성 요소 및 가동 부분 또는 가동 구성 요소를 포함한다. 연삭기에서, 가동 구성 요소는 일반적으로 고정식 구성 요소에 대하여 회전한다.

도 1에서 보여지는 공작 기계(1)는 회전 축(4)을 중심으로 회전하는 스핀들(3)을 (그들 사이에 베어링을 배열함으로써) 회전 가능한 방식으로 지지하는 프레임(2) (즉, 고정식 부분)을 포함한다.

스핀들(3)은, 예를 들어 콘 커플링(cone coupling)을 포함하는 공지된 그러나 도시되지 않은 수단에 의하여 제거 가능한 방식으로 스핀들(3)에 고정되는 대응하는 그라인딩 휠 허브에 의해 그라인딩 휠(5)을 지지한다. 스핀들(3)과 그라인딩 휠 허브는 로터로도 불리는, 공작 기계(1)의 회전 부분을 규정한다. 스핀들(3)은 중앙에 밸런싱 헤드(7)를 수용하는 축 방향 개구(6)를 갖고 있다. 공지된 유형의 밸런싱 헤드(7)는 회전 축(4)에 대해 편심인 2개의 밸런싱 질량체(8) 및 밸런싱 질량체(8)의 각도 위치를 조정하기 위한 각각의 전기 모터(9)를 포함하고 있다. 회전 부분은 (적어도) 하나의 음향 센서(10) 또는 진동 센서를 더 포함하고 있다. 도 1에서, 음향 센서(10)는 밸런싱 헤드(7)에 통합되지만, 예를 들어 도 2에서 보여지는 도시된 바와 같이 밸런싱 헤드(7)에 통합될 수 없고 회전 부분의 다른 영역에 배열될 수도 있다.

밸런싱 헤드(7)의 기능은 그라인딩 휠(5)의 균형을 맞추는 것이다. 이러한 작동은 일반적으로 그라인딩 휠(5)이 교체될 때마다 그리고 그라인딩 휠(5)의 마모의 결과로서 필요할 때 수행된다.

밸런싱 헤드(7)는 제어 디바이스(11)를 포함하며, 이는 밸런싱 헤드(7)의 작동을 제어한다.

도면에서 설명되고 보여지는 밸런싱 헤드(7)가 존재하지 않는 것 그리고 회전 부분이 음향 센서(10)만을 또는 복수의 음향 센서를 포함하는 것이 가능하다.

음향 센서(10)와 (제공된 경우) 밸런싱 헤드(7)는 고정된 위치에 배열된 (즉, 공작 기계(1)의 프레임(2)에 의해 지지된) 처리 유닛(40)에 연결된 모니터링 시스템(12)의 일부이다. 모니터링 시스템(12)은 그라인딩 휠(5)에서 공작 기계(1)의 스핀들(3) (즉, 공작 기계(1)의 회전 부분의 구성 요소)이 받는 진동에 관한 신호를, 프레임(2) 상에 (즉, 공작 기계(1)의 고정식 부분에) 장착된 처리 유닛(40)에 제공하도록 구성된다.

도 2 내지 도 6은 도 1의 실시예와 달리, 음향 센서(10)가 밸런싱 헤드(7)에 통합되지 않은 모니터링 시스템(12)을 보여주고 있다.

도면에서 보여지는 파선 박스는 공작 기계의 회전 부분과 고정 부분 사이의 물리적 구분을 나타낸다; 모니터링 시스템(12)의 단일 구성 요소의 배열체는 도면에서 보여지는 것과 다를 수 있다.

도 2에서 보여지는 바와 같이, 모니터링 시스템(12)은, 스핀들(3) 내 (즉, 공작 기계(1)의 회전 부분 내)에 위치된 제1 트랜시버 디바이스(15) 및 트랜시버 디바이스(15)를 향하며 프레임(2) 내에 (즉, 공작 기계(1)의 고정식 부분 내에) 위치된 제2 트랜시버 디바이스(16)를 구비한 무접촉 통신 유닛(14)을 포함하고 있다. 트랜시버 디바이스(15)에서 트랜시버 디바이스(16)로 또는 그 반대로 정보를 전송하기 위하여 2개의 트랜시버 디바이스(15 및 16)는 비접촉 그리고 공지된 방식으로 서로 통신하도록 조정된다. 고정식 부분은 인터페이스 유닛(13)을 포함하고 있으며, 이는 모니터링 시스템(12)의 구성 요소로의 파워 공급을 분배하고 처리 유닛(40)을 나가거나 이에 들어가는 신호를 전송한다.

통신 유닛(14)은 처리 유닛(40)으로부터 및/또는 (도면에서는 보이지 않는) 공작 기계의 제어 유닛으로부터 나오는 제어 신호를 인터페이스 유닛(13)에 의해 일 방향으로 전송시키기 위해 (예를 들어, 음향 센서(10)의 판독을 활성화/비활성화하기 위해 또는 밸런싱 헤드(7)의 밸런싱 질량체(8)를 변위시키는 전기 모터(9)를 제어하기 위해) 사용되며, 또한 이는 인터페이스 유닛(13)에 대한 (밸런싱 헤드(7)에서 생성된) 진단 신호 및/또는 스핀들이 받는 진동과 관련된 신호를 반대 방향으로 전송하기 위해 사용된다.

도 2에서 보여지는 바와 같이, 음향 센서(10)는 2개의 터미널(17)을 포함하며, 진동 센서(10) 자체에 의해 검출된 진동의 세기 및 주파수에 의존하는 가변 전압 (즉, 아날로그 신호)이 터미널들 사이에서 생성된다.

모니터링 시스템(12)은 증폭기(18)를 포함하고 있으며, 증폭기는 로터 내부에 (즉, 공작 기계(1)의 회전 부분 내)에 배치되고 또한 2개의 입력 터미널과 2개의 출력 터미널을 포함한다.

모니터링 시스템(12)은 음향 센서(10)를 증폭기(18)에 연결하고 2개의 독립적인 (즉, 전기적으로 절연된) 전기 리드를 포함하는 제1 연결 라인(19)을 포함하며, 전기 리드들의 각각은 진동 센서(10)의 터미널(17)을 증폭기(18)의 대응 입력 터미널에 연결한다.

모니터링 시스템(12)은 증폭기(18)를 트랜시버 디바이스(15)에 연결하고 2개의 독립적인 (즉, 전기적으로 절연된) 전기 리드를 포함하는 제2 연결 라인(20)을 포함하며, 전기 리드들의 각각은 증폭기(18)의 출력 터미널을 트랜시버 디바이스에 연결한다.

특히, 증폭기(18)는 음향 센서(10)에 가깝게 배열되어 있다.

음향 센서(10)가 밸런싱 헤드(7)에 통합된, 도 1에서 보여지는 실시예에서, 증폭기(18)는 밸런싱 헤드(7)의 제어 디바이스(11)에 위치되거나 음향 센서(10)에 통합될 수 있다. 연결 라인(20)은 바람직하게는 코일형인 다극 전기 케이블(21)에 통합되며, 이 전기 케이블은 축 방향 개구(6)를 따라 나아가고 연결 라인(20)에 더하여 하나 이상의 파워 라인 (즉, 밸런싱 헤드(7)를 작동시키기 위한 전력을 전송하는 라인)을 포함한다.

도 2에서 보여지는 실시예에서, 통신 유닛(14)은 유도 결합에 의하여 비접촉 방식으로 아날로그 신호를 전송한다. (보여지지 않는) 다른 실시예에 따르면, (예를 들어, 특허 제 US5,688,160A에 설명된 대안들 중 하나에 따라) 통신 유닛(14)은 광학 결합에 의해 무접촉 방식으로 아날로그 신호를 전송한다. 트랜시버 디바이스(15)는 음향 센서(10)에 의해 검출된 진동에 따라 달라지는 전압 및 전류를 받아들이며 또한 상응하는 전압 및 상응하는 전류를 유도 결합을 통해 트랜시버 디바이스(16)에 전송(유도)한다. 결과적으로, 전기적 유형의 아날로그 신호가 트랜시버 디바이스(16)를 빠져나간다. 바람직하게는, 모니터링 시스템(12)은 증폭기(22)를 포함하며, 증폭기는 프레임(2) 내에 (즉, 공작 기계(1)의 고정식 부분 내)에 위치되고 트랜시버 디바이스(16)에 연결된 2개의 입력 터미널 및 인터페이스 유닛(13)에 연결된 2개의 출력 터미널을 포함하고, 인터페이스 유닛은 이전에 언급된 바와 같이 음향 센서(10)에 의해 생성된 신호를 처리하도록 구성된다.

모니터링 시스템(12)은 로터 내에 (즉, 공작 기계(1)의 회전 부분 내에) 위치되고 증폭기(18)에 전력을 공급하는 제1 파워 공급 디바이스(24) 및 프레임(2) 내에 (즉, 공작 기계(1)의 고정식 부분 내)에 위치되고 증폭기(22)에 그리고 파워 공급 디바이스(24)에 전력을 공급하며 인터페이스 유닛(13)으로부터 전력을 받아들이는 제2 파워 공급 디바이스(25)를 구비한 파워 공급 회로(23)를 포함하고 있다. 증폭기(18 및 22) (필수적으로 파워가 공급됨)의 존재 때문에, 신호 조정은 개선되며 또한 음향 센서(10)와 트랜시버(transceiver) 디바이스(15) 사이의 직접 연결의 경우보다 더 강력하다. 또한, 파워 공급 회로(23)는 로터 내에 (즉, 공작 기계(1)의 회전 구성 요소 내에) 위치되고 파워 공급 디바이스(24)에 전력을 공급하는 제1 코일(27) 및 프레임(2) 내에 (즉, 공작 기계(1)의 고정식 부분 내)에 위치되고 파워 공급 디바이스(25)로부터 전력을 받아들이는 제2 코일(28)을 갖는 공기 접촉식 변압기(26)를 구비하고 있다. 도 2에서 보여지는 실시예에서, 파워 공급 디바이스(24)는 공기 접촉식 변압기(26)의 코일(27)에 직접 연결된다; 즉, 파워 공급 디바이스(24)는 중개자 없이 공기 접촉식 변압기(26)의 코일(27)로부터 직접 전력을 받아들인다.

도 2는 또한 모니터링 시스템(12)의 파워 공급 회로(23)에서 완전히 분리되고 독립적이며 밸런싱 헤드(7)에 전력을 공급하는 추가 파워 공급 회로(29)를 보여주고 있다. 이 파워 공급 회로(29)는 밸런싱 헤드(7)가 존재할 때 존재한다. 파워 공급 회로(29)는 예를 들어, 로터 내에 (즉, 공작 기계(1)의 회전 구성 요소 내에) 위치되고 밸런싱 헤드(7)에 전력을 공급하는 파워 공급 디바이스(30) 및 프레임(2) 내에 (즉, 공작 기계(1)의 고정식 부분 내에) 위치되고 공기 접촉식 변압기(32)를 통해 파워 공급 디바이스(30)에 전력을 공급하며 인터페이스 유닛(13)으로부터 전력을 받아들이는 파워 공급 디바이스(31)를 포함하고 있다.

도 2 내지 도 5에 도시된 실시예에서, 밸런싱 헤드(7)는 밸런싱 헤드(7)에만 전력을 공급하고 모니터링 시스템(12)의 파워 공급 회로(23)에서 분리되고 독립적인 파워 공급 회로(29)에 의하여 급전된다. 도 6에서 보여지는 실시예에서, 파워 공급 회로(23)만이 제공되며 이는 밸런싱 헤드(7)를 포함한 전체 모니터링 시스템(12)에 의해 공유된다. 즉, 파워 공급 회로(23)는 또한 밸런싱 헤드(7)에 전력을 공급한다.

도 3에 도시된 대안적인 실시예에서, 모니터링 시스템(12)은 추가 증폭기(33)를 포함하며, 이 증폭기는 로터 내에 (즉, 공작 기계(1)의 회전 구성 요소 내에) 위치되고, 연결 라인(20)을 따라 증폭기(18)에 직렬로 연결되며, 그리고 증폭기(18)의 2개의 출력 터미널에 연결된 2개의 입력 터미널 및 트랜시버 디바이스(15)에 연결된 2개의 출력 터미널을 포함한다. 특히, 증폭기(18)는 진동 센서(10)에 (가까이) 근접하게 (즉, 도면에서 보여지는 레이아웃을 참조하여 연결 라인(20)의 시작 부분에) 배열되는 반면, 증폭기(33)는 트랜시버 디바이스(15)에 (즉, 도면에 도시된 레이아웃을 참조하여 연결 라인(20)의 종단에) (가까이) 근접하게 배열된다.

도 3에 도시된 실시예에서, 또한 증폭기(33)는 파워 공급 디바이스(24)에 의하여 급전되며, 이 파워 공급디바이스는 증폭기(18)에 파워를 공급한다.

도 4에서 보여지는 대안적인 실시예에서, 모니터링 시스템(12)은 공기 접촉식 변압기(26)의 코일(27)에 직접 연결된 제3 파워 공급 디바이스(34)를 포함한다; 즉, 파워 공급 디바이스(34)는 중개자 없이 공기 접촉식 변압기(26)의 코일(27)로부터 직접적으로 전력을 받아들인다. 또한, 모니터링 시스템(12)은 파워 공급 디바이스(34)로부터 전력을 받아들이고 이를 음향 센서(10)에 의해 생성된 아날로그 신호의 주파수 대역과 다른 주파수 대역에서 연결 라인(20)으로 공급하는 결합 디바이스(35), 및 연결 라인(20)으로부터 전력을 받아들이고 파워 공급 디바이스(24)에 전력을 공급하는 (따라서 파워 공급 디바이스는 공기 접촉식 변압기(26)의 코일(27)로부터 간접적으로 전력을 받아들임) 분리 디바이스(36)를 포함한다. 예를 들어, 결합 디바이스(35)와 분리 디바이스(36)는 반응성 전기 구성 요소를 이용하여 대역 분리를 구현하며 또한 음향 센서(10)에 의하여 생성되는 아날로그 신호보다 높거나 낮은 주파수를 갖는, 일반적으로 1㎑ 내지 1㎒의 주파수를 갖는 연속 전력 또는 교류 전력을 전달한다.

도 2 내지 도 4에서 보여지는 실시예에서, 통신 유닛(14)은 2개의 트랜시버 디바이스(15 및 16) 사이에서 (처리 유닛(40)에서 디지털화될) 아날로그 신호를 전송한다. 도 5 내지 도 7에서 보여지는 도시된 실시예에서, 통신 유닛(14)은 2개의 트랜시버 디바이스(15 및 16) 사이에서 디지털 신호를 전송한다. 모니터링 시스템(12)은 실제로, 로터 내에 (즉, 공작 기계(1)의 회전 구성 요소 내에) 위치되며 증폭기(18)로부터 아날로그 신호를 수신하도록 구성되고 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(37)를 포함한다 (제공된다면, 증폭기(33)는 증폭기(18)와 아날로그-디지털 변환기 사이에 배열됨).

또한, 모니터링 시스템(12)은 바람직하게는, 로터 내에 (즉, 공작 기계(1)의 회전 구성 요소 내에) 위치되고 아날로그-디지털 변환기(37)로부터 디지털 신호를 수신하도록, 디지털 신호를 처리하고 처리된 디지털 신호를 획득하도록, 그리고 처리된 디지털 신호를 트랜시버 디바이스(15)에 제공하도록 구성된 처리 디바이스(38)를 포함한다.

보다 구체적으로, 처리 디바이스(38)는 아날로그-디지털 변환기(37)를 나가는 디지털 신호의 시간 및 주파수 영역 처리를 수행한다. 바람직하게는, 이 처리는 푸리에 변환의 계산을 기반으로 한다.

보다 구체적으로, 이 처리는 고속 푸리에 변환(FFT)을 이용함으로써 수행된다.

예를 들어, 신호 처리는 다음 단계를 포함할 수 있다;

- 신호의 주파수 대역을 선택하고 이득을 설정;

- 2㎒보다 높은 주파수의 신호를 샘플링:

- FFT 함수를 계산;

- 주파수 영역에서 제로화;

- 그라인딩 휠과 피가공물 또는 드레싱 공구 사이의 거리인 갭과 관련된 점검, 및 그라인딩 휠과 피가공물 또는 드레싱 공구 또는 공작 기계의 또 다른 요소 간의 접촉인 부딪침(crash)과 관련된 점검을 수행하기 위해 신호 스펙트럼을 복조 -복조는 두 가지 유형의 점검에 대해 독립적으로 수행됨-;

- 서로 독립적인 두 가지 유형의 점검 각각에 대한 신호의 시간 영역 처리;

- 주파수 대역 및 신호 이득의 매개변수화의 자동 실행 유발(triggering) 및 배경 노이즈의 제로화 유발.

선택적으로 평균 또는 최대값을 기준으로 배경 노이즈의 제로화를 수행하는 것 또한 가능하다.

개략적인 신호, 즉 음향 센서(10)에 의해 생성된 신호를 로터 내부에서 처리하는 것은 가능한 한 신호 소스 (즉, 음향 센서(10))에 가깝게 (예를 들어, 이전에 설명된 단계를 포함한) 완전한 신호 처리를 수행하는 것 그리고 개략적인 신호의 전파 경로를 크게 단축시키는 것을 허용한다.

공지된 해결책에서, 이와 같이, 센서에 의해 생성된 아날로그 신호는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키고 그후 이를 처리하는 외부 프로세서로 전송된다. 프로세서는 일반적으로 전기 기계 캐비닛(cabinets)에 또는 실험실 컨트롤러에 배치되며 처리 작동은 엄격한 제약 조건을 따르지 않고 수행된다. 그러나 아날로그 신호의 전파 경로가 상당히 길 수 있기 때문에, 신호 대 노이즈 비가 일반적으로 저하되며, 프로세서에 도달하는 신호의 품질이 크게 악화될 수 있다.

다른 공지된 해결책에 따르면, 센서에 의해 생성된 신호는 센서 근처에서 디지털화되며, 그후 완전한 처리를 위하여 외부 프로세서로 전송된다. 그러나 디지털 신호를 전송하는 것은 산업계 적용에서의 무접촉 통신 시스템을 위해서는 너무 큰 대역폭이 필요하다. 이 문제는 공지된 해결책에서 열악한 역학(dynamics) (예를 들어, 8비트)을 이용하여 양자화를 통해 디지털 신호를 획득함으로써 그리고 이를 전송하기 전에 최소한의 디지털 처리만을 수행함으로써 극복되었다. 이러한 방식으로, 전송될 신호의 대역폭은 제한되지만 신호 전송 전에 수행된 열악한 디지털 처리는 외부 프로세서에서 필연적으로 낮은 성능 신호 처리를 야기한다.

이러한 종류의 적용에 대한 요구 조건들, 즉 고도의 소형화, 매우 낮은 에너지 소비 및 공정 모니터링에 관한 자세한 정보의 더 낮은 대역폭 전송을 동시에 충족함으로써, 본 발명에 따른 모니터링 시스템(12)은 이러한 센서에 매우 근접한 음향 센서(10)에 의해 생성된 신호의 변환 및 특히 완전한 처리를 수행하는 것을 허용한다.

이는 처리 디바이스를 낮은 계산력 및 고도로 최적화된 소프트웨어 알고리즘을 조합함으로써 달성된다. 실제로, 처리 디바이스의 하드웨어는 전체 치수를 줄이고 파워 소비를 줄이기 위하여 이러한 종류의 적용에 일반적으로 이용되는 디바이스보다 낮은 계산 능력을 갖도록 설계된 반면에, 소프트웨어는 이것이 모니터링을 위하여 필요한 모든 작동을 수행하지만 더 적은 리소스(resources)를 필요로 하는 방식으로 설계되었다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 처리된 디지털 신호를 로터 내부에서 획득하기 위해 그리고 처리된 디지털 신호를 무접촉 통신 유닛(14)을 통해 전송하기 위해, 모니터링 시스템(12), 보다 구체적으로 아날로그-디지털 변환기(37) 및 처리 디바이스(38)는 아래에 설명된 단계를 포함하는 방법을 구현한다:

- 공지된 해결책과 비교하여 개선된 분해능을 갖는 SAR(연속 근사 레지스터(Successive Approximation Register)) 변환기를 사용함으로써 아날로그-디지털 획득 역학(acquisition dynamics)을 증가시키는 단계.

- 음향 센서(10)에 의해 생성된 개략적인 베이스 밴드 신호의 고 주파수 획득을 수행하는 단계 -상기 주파수는 2㎒보다 높다-.

- 단일 측정을 위한 확률적 처리를 구현하는 단계 -확률적 처리는 모니터링되는 공정이 달라짐에 따라 높은 효율성을 유지하기 위해 고도로 매개변수화 가능하다. 보다 구체적으로, 사용되는 디지털 확률적 처리 기술은 안정성과 수렴 특성을 보장한다-.

- 모니터링되고 있는 공정의 관찰을 기반으로 처리의 자동 매개변수화를 허용하는 자동 매개변수 설정 모드를 구현하는 단계. 음향 센서에 의해 검출되고 모니터링되는 음향 방출을 생성하는 공정의 매개변수는 많은 작동 및 환경 조건에 따라 달라지기 때문에 선험적으로 알려지지 않는다. 구현된 자동 매개변수 설정 모드는 하나 이상의 학습 단계 그리고 획득된 결과의 후속 처리를 기반으로 규정된다.

- 동일한 통신 채널에서 더 높은 우선 순위 및 더 낮은 우선 순위 정보를 갖는 실시간 정보를 전송하는 방식으로, 처리 결과, 즉 처리된 디지털 신호를 패키징하는 단계. 앞서 설명된 바와 같이, 디지털 처리 기술은 엄청난 양의 데이터를 생성하며 결과적으로 신호를 전송하기 위해 큰 대역폭을 필요로 한다. 처리된 디지털 신호의 패키징은 정보가 사용되는 잠복 시간(latency)에 따라 정보의 계층 구조를 규정하는 것을 허용하는 최적화된 통신 프로토콜에 따라 수행된다. 이는 본 발명에 따른 모니터링 시스템에서 제공되는 것과 같은 무접촉 통신 채널을 통해 처리된 디지털 신호를 전송하는 것을 가능하게 할 수 있다.

바람직하게는, 위에서 설명된 방법은 또한 전용 하드웨어를 추가할 필요 없이 동일한 개략적인 신호를 기반으로 다수의 동시 측정의 특정 처리를 수행하는 단계를 포함한다. 음향 센서를 사용하는 공작 기계를 위한 적용은 전형적으로 다음의 적어도 두 가지 측정을 수행한다: 최대 정밀도로 가공 공정을 따르기 위해 더 높은 감도와 더 좁은 대역을 갖는 가공 작동과 관련된 측정, 및 전형적인 공정 밴드 외부에서도 이상을 신속하게 식별하기 위해 낮은 감도와 더 넓은 대역을 갖는 모니터링 측정.

위에서 설명된 바와 같이 설계된 하드웨어와 소프트웨어의 조합된 사용은 로터 내부에서 음향 센서(10)에 의하여 생성되는 신호의 완전한 처리를 갖는 것을 허용하며, 이는 양호한 품질과 우수한 신호 대 노이즈 비를 가질 뿐만 아니라 결과적인 정보 손실의 위험을 갖는 사전에 부분적인 처리를 거치지 않은 신호의 처리를 의미한다.

도 5의 실시예에서, 트랜시버 디바이스(15), 아날로그-디지털 변환기(37) 및 처리 디바이스(38)는 파워 공급 디바이스(34)로부터 전력을 받아들이는 반면, 트랜시버 디바이스(16)는 파워 공급 디바이스(25)로부터 전력을 받아들인다.

도 5에서 보여지는 실시예와 도 6에서 보여지는 실시예 간의 유일한 차이점은, 도 5에서 보여지는 실시예에서 밸런싱 헤드(7)에 전력을 공급하는 파워 공급 회로(29)가 파워 공급 회로(23)에서 분리되고 독립적인 것인 반면에, 도 6에서 보여지는 실시예에서는 파워 공급 회로(23)만이 제공되고 또한 밸런싱 헤드(7)를 포함하는 전체 모니터링 시스템(12)에 의해 공유된다 (즉, 파워 공급 회로(23)는 또한 밸런싱 헤드(7)에 전력을 공급한다)는 점이다.

도면에서 보여지지 않는 상이한 실시예에 따르면, 아날로그-디지털 변환기(37) 및 처리 디바이스(38)는 프레임(2) 내에 (즉, 공작 기계(1)의 고정식 구성 요소 내에)에 배열되어 있다. 아날로그 신호의 디지털 신호로의 변환 및 그의 처리는 공작 기계의 구성 요소가 아닌 고정식 구성 요소에서 일어난다. 이 해결책은 도 5, 도 6 및 도 7에서 보여지는 모니터링 시스템(12)의 대안적인 실시예에 적용될 수 있다.

도 7에서 보여지는 실시예에서, 모니터링 시스템(12)은 서로 분리되고 독립적인 2개의 음향 센서(10), 2개의 증폭기(18) 및 2개의 연결 라인(19)을 포함하며, 연결 라인의 각각은 음향 센서(10)들 중 하나를 증폭기(18)에 연결하고 2개의 독립적인 전기 리드를 포함하고 있다. 또한, 모니터링 시스템(12)은 (2개의 음향 센서(10) 간에 공유된) 단일 통신 유닛(14), 및 2개의 증폭기(18)에 연결된 2개의 입력부와 단일 통신 유닛(14)의 트랜시버 디바이스(15)에 연결된 단일 출력부를 갖는 멀티플렉서(multiplexer)(39)를 포함한다. 멀티플렉서(39)는 여러 개의 아날로그 입력 신호를 수신하고 이들을 교대로 단일 출력부로 전송하는 입력 선택기이다. 멀티플렉서(39)는 로터의 상이한 영역들에 위치된 복수의 센서를 갖는 것 그리고 공작 기계에 의해 수행되는 작업에 따라 모니터링 목적을 위하여 가장 효과적인 센서로부터 나오는 신호를 선택하는 것을 허용한다.

분명히, (도 7에서 보여지는 바와 같이) 단일 통신 유닛(14)이 디지털 신호를 전송할 때, 그리고 단일 통신 유닛(14)이 아날로그 신호를 전송할 때, 즉 모니터링 시스템(12)이 아날로그-디지털 변환기(37)를 포함하지 않을 때, 2개 (또는 그 이상)의 음향 센서(10) 그리고 따라서 멀티플렉서(39) 모두가 존재할 수 있다. 또한, (도 7에서 보여진 바와 같이) 각 파워 공급 디바이스(24)에 전력을 공급하기 위해 결합 디바이스(35)와 분리 디바이스(36)를 사용하는 파워 공급부(34)가 제공될 때, 그리고 각 파워 공급 디바이스(24)가 공기 접촉식 변압기(26)의 권선(27)에 직접 연결될 때, 2개 (또는 그 이상)의 진동 센서(10) 그리고 따라서 멀티플렉서(39) 모두가 존재할 수 있다.

가능한 실시예에 따르면, 처리 디바이스(38)는 멀티플렉서(39)를 제어하여 어떤 음향 센서(10)가 단일 통신 유닛(14)의 트랜시버 디바이스(15)에 신호를 제공해야 하는지, 즉 어떤 음향 센서(10)가 판독되어야 하는지를 제어한다. 멀티플렉서(39)는 정적으로 또는 대안적으로 동적으로 구성되어, 즉 규정된 스위칭 주파수 하에서 주기적인 그리고 교호적인 방식으로 각 입력을 출력에 연결한다. (도 7에서 보여지는 바와 같이) 처리 디바이스가 로터 내에 배열될 때 그리고 이것이 공작 기계의 고정식 부분 내에 배치될 때 멀티플렉서(39)는 처리 디바이스(38)에 의해 제어될 수 있다.

도 7에서 보여지는 실시예에서, (각각의 증폭기(18)를 통해) 멀티플렉서(39)에 연결된 2개의 음향 센서(10)가 제공된다. 도면에서 보여지지 않은 또 다른 실시예에 따르면, (각각의 증폭기(18)를 통해) 멀티플렉서(39)에 연결된 3개 이상의 음향 센서(10)가 제공된다; 이 모든 센서 또는 그 중 일부는 음향 센서가 아닐 수 있다.

신호 처리가 공작 기계의 고정식 부분에서 또는 회전 부분에서 일어나는 모니터링 시스템(12)을 참조하여 지금까지 복수의 음향 센서 및 멀티플렉서의 존재가 보여지고 설명되었다. 위에서 언급된 바와 같이, 신호 처리가 처리 유닛(40)에서 일어나는 도 2 내지 도 4에 도시된 모니터링 시스템(12)의 대안적인 실시예에 복수의 센서 및 멀티플렉서가 또한 존재할 수 있다. 이 경우, 처리 유닛(40)은 멀티플렉서를 제어한다.

전형적으로, 음향 센서(10)의 판독은 피가공물의 가공 동안 또는 그라인딩 휠의 유지보수 또는 드레싱 동안에만 처리 유닛(40)에 의하여 사용되어 그라인딩 휠과 피가공물 사이 또는 그라인딩 휠과 드레싱 공구(드레서) 사이의 접촉에 의해 야기되는 초음파 음향 방출을 검출한다. 따라서 진동 센서(10)의 판독은 전형적으로 가공 주기 또는 유지 보수 주기를 점검하기 위해서만 (공지된 방식으로) 사용된다.

처리 유닛(40)은 스핀들(3)의 피가공물로의 그리고 피가공물로부터의 이동 동안 및/또는 피가공물의 조립 및 분해 동안 음향 센서(10)의 판독을 이용하여 스핀들(3)과 피가공물 사이 및/또는 스핀들(3)과 공작 기계(1)의 다른 부분 사이의 원치 않은 부딪힘으로 인한 (그리고 제어의 오차로 인한) 진동의 임의의 피크 (즉, 음향 방출의 피크)를 검출하는 것 또한 가능하다. 즉, 음향 센서(10) (즉, 음향 센서(10)를 포함하는 모니터링 시스템(12))는 스핀들(3)이 변위될 때 또는 피가공물이 스핀들(3) 근처에서 이동할 때 스핀들(3)과 관련된 임의의 원치 않는 부딪힘의 "감시자(sentinel)"로서 처리 유닛(40)에 의하여 사용된다. 분명히, 음향 센서(10)에 의해 제공된 신호가 (가능한) 부딪힘을 나타낼 때, 처리 유닛(40)은, 필요하다면 진행 중인 이동을 중지시키는 공작 기계의 제어 유닛에 그 신호를 즉시 보낸다. 이러한 유형의 이벤트는 처리 유닛(40)에 의해 및/또는 공작 기계의 제어 유닛에 의해 기록되어 스핀들(3)이 겪었던 모든 부정적인 이벤트를 앞으로 재구성하는 것을 허용하는 것이 또한 가능하다.

위에서 설명된 실시예에서, 진동 센서(10)가 사용되는 반면, (보여지지 않는) 다른 실시예에 따르면 상이한 유형의 센서 (예를 들어, 온도 센서, 압력 센서, 가속도 센서 등)가 사용된다.

위에서 설명된 실시예에서, 가동 부분은 공작 기계(1)의 스핀들(3)인 반면, (보여지지 않는) 다른 실시예에 따르면 가동 부분은 공작 기계(1)에서 또는 또 다른 유형의 기계에서 다른 기능을 갖는 부분이다.

여기에서 설명된 실시예들은 본 발명의 보호 범위를 벗어나지 않고 서로 조합될 수 있다.

위에서 설명된 모니터링 시스템(12)은 여러 이점을 제공한다.

먼저, 위에서 설명된 모니터링 시스템(12)은 음향 센서(10)의 판독의 정확성, 감도 및 안정성을 증가시킴으로써 신호 대 노이즈 비를 개선하는 것을 허용한다. 특히 차동 신호를 제공하는 데 적합한 전송 라인의 존재 때문에 이 결과가 얻어진다. 전송 라인은 신호 경로를 규정한다. 이 전송 라인 전체에서, 신호 경로는 완전히 차동적이며, 전송 라인의 일부를 형성하는 모든 구성 요소의 입력과 출력이 모두 차동적이고 또한 모든 구성 요소에 의해 수행하는 작동들은 차동적이다.

이 전송 라인은 음향 센서(10)에서 시작하며, 제1 연결 라인(19), 증폭기(18) 및 제2 연결 라인(20)을 포함하고 또한 통신 유닛(14)의 트랜시버 디바이스(15)에서 끝난다. 전송 라인의 경로 전체에서, 신호는 항상 완전 차동적이며 높은 품질과 섭동에 대한 강력한 이뮤니티(immunity) 모두를 갖고 있다.

바람직한 실시예에 따르면, 차동 신호의 전송 라인은 음향 센서(10)로부터, (신호 경로를 완전 차동적으로 유지하도록 또한 구성된) 통신 유닛(14), 증폭기(22), 인터페이스 유닛(13) 및 각각의 전기 리드를 통과하는 처리 유닛(40)으로 이어진다. 다시 말해서, 바람직한 실시예에 따르면, 무접촉 통신 유닛(14), 제2 트랜시버 디바이스(16)에 연결된 2개의 입력 터미널과 인터페이스 유닛(13)에 연결된 2개의 출력 터미널을 포함하는 증폭기(22), 인터페이스 유닛(13) 자체, 및 후자를 처리 유닛(40)에 연결하는 임의의 전기 리드는 차동 신호를 제공하는 전송 라인의 일부를 형성한다.

도 4 내지 도 7에 도시된 실시예에서, 단일 연결 라인(20)은 전력과 진동 센서(10)의 신호 모두를 음향 센서(10)로 전송하는 것을 허용한다. 이는 소형화 측면에서 명백한 이점을 갖는 시스템에 대해 필요한 전기 리드의 수를 크게 줄이는 것을 허용한다.

도 7에서 보여지는 실시예에서, 멀티플렉서의 입력 수가 많을수록 위에서 언급된 이점이 커진다.

도 5 내지 도 7에 도시된 실시예에서, 음향 센서(10)에 의해 생성된 아날로그 신호는 로터에서 디지털화되며, 따라서 통신 유닛(14)은 아날로그 신호와 달리, 노이즈 또는 감쇠의 영향을 받지 않는 디지털 신호를 무접촉식으로 전송한다.

도 5 내지 도 7에서 보여지는 실시예에서, 처리 디바이스(38)의 존재 때문에, 음향 센서(10)에 의해 생성된 신호는 가동 구성 요소에서 (또는 보이지 않는 대안적 실시예에 따라, 고정식 구성 요소에서) 이미 처리되어, 신호 대 노이즈 비를 크게 개선하는 것을 허용한다.

또한 앞서 언급된 장점에 더하여, 로터 내부에서의 신호의 완전한 처리 또는 이러한 처리의 대부분을 수행하는 것은 더 주목할 만한 이점을 제공한다.

가장 먼저, 모니터링 시스템, 보다 구체적으로 로터가 더 강력하고 더 높은 자율성을 갖기 때문에, 즉 더욱 복잡한 작동을 자율적으로 수행하기 때문에 제어 디바이스의 작업 부하가 상당히 감소된다. 따라서 예를 들어 더 많은 센서를 추가하는 것 및/또는 많은 유형의 점검을 수행하는 것과 같은, 모니터링 공정의 수 및/또는 종류를 증가시킴으로써 시스템을 개선하는 것이 가능하다.

또한, 로터 내부에서 신호의 완전한 처리 또는 이러한 처리의 대부분을 수행하는 것은 처리된 신호를 기반으로 모니터링 시스템의 자율 구성의 가능성, 그리고 온도, 전압 또는 기타 시스템 매개변수를 측정하는 것 및 통신 채널의 신뢰성을 점검하는 것과 같은 모니터링 시스템에서의 자율 진단 기능을 구현하는 가능성을 허용한다.

차동 신호를 제공하기 위해 조정된 전송 라인을 포함하지 않는 모니터링 시스템에서도 음향 센서(10)에 의해 생성된 신호의 처리는 가동 구성 요소에서 (또는 도시되지 않은 대안적인 실시예에 따르면, 고정식 구성 요소에서) 일어날 수 있다.

마찬가지로, 차동 신호를 제공하기 위해 조정된 전송 라인을 포함하지 않는 복수의 센서 (및 존재하는 경우 밸런싱 헤드)를 포함하는 모니터링 시스템에서도 멀티플렉서를 사용하는 것 또한 가능하다.

Claims (13)

1. 처리 유닛(40)에 연결된, 고정식 구성 요소(2)에 연결된 가동 구성 요소(3)를 위한 모니터링 시스템(12)에 있어서,
   - 상기 가동 구성 요소(3)에 위치되며, 2개의 전기 터미널(17)을 포함하는 음향 센서(10);
   - 상기 가동 구성 요소(3)에 위치된 제1 증폭기(18);
   - 상기 가동 구성 요소(3)에 배치된 제1 트랜시버 디바이스(15) 및 상기 제1 트랜시버 디바이스(15)를 향하며 상기 고정식 구성 요소(2)에 배치된 제2 트랜시버 디바이스(16)를 구비한 무접촉 통신 유닛(14);
   - 상기 음향 센서(10)를 상기 제1 증폭기(18)에 연결하는 제1 연결 라인(19); 및
   - 상기 제1 증폭기(18)를 제1 트랜시버 디바이스(15)에 연결하는 제2 연결 라인(20)을 포함하며,
   상기 모니터링 시스템(12)은 차동 신호를 제공하도록 조정된 전송 라인을 포함하는 것을 특징으로 하되, 상기 전송 라인은:
   - 2개의 전기 입력 터미널 및 2개의 전기 출력 터미널을 포함하는 제1 증폭기(18);
   - 각각이 상기 음향 센서(10)의 전기 터미널(17)을 상기 제1 증폭기(18)의 대응하는 전기 입력 터미널에 연결하는 2개의 전기 리드를 포함하는 제1 연결 라인(19); 및
   - 각각이 상기 제1 증폭기(18)의 전기 출력 터미널을 상기 제1 트랜시버 디바이스(15)에 연결하는 2개의 전기 리드를 포함하는 제2 연결 라인(20)을 포함하는 모니터링 시스템(12).
2. 제1항에 있어서, 상기 전송 라인은 신호 경로를 규정하며, 상기 신호 경로는 상기 전송 라인 전체에 걸쳐 완전히 차동적인 모니터링 시스템(12).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 가동 구성 요소(3)에 배치되고, 상기 제2 연결 라인(20)을 따라 상기 제1 증폭기(18)에 직렬로 연결되며, 상기 증폭기(18)의 상기 2개의 전기 출력 터미널에 연결되는 2개의 전기 입력 터미널 및 상기 제1 트랜시버 디바이스(15)에 연결된 2개의 전기 출력 터미널을 포함하는 제2 증폭기(33)를 포함하는 모니터링 시스템(12).
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 고정식 구성 요소(2)에 배치되며. 상기 제2 트랜시버 디바이스(16)에 연결된 2개의 전기 입력 터미널 및 인터페이스 유닛(13) -상기 인터페이스 유닛은 전력 공급을 분배하고 상기 처리 유닛(40)을 나가거나 이에 들어가는 신호를 전송하도록 구성됨-에 연결될 수 있는 2개의 전기 출력 터미널을 포함하는 제3 증폭기(22)를 포함하는 모니터링 시스템(12).
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 가동 구성 요소(3)에 또는 상기 고정식 구성 요소(2)에 배치되며, 아날로그 신호를 수신하고 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키도록 구성된 아날로그-디지털 변환기(37)를 포함하는 모니터링 시스템(12).
6. 제5항에 있어서,
   상기 가동 구성 요소(3)에 또는 상기 고정식 구성 요소(2)에 배치되며, 상기 아날로그-디지털 변환기(37)로부터 상기 디지털 신호를 수신하고 상기 디지털 신호를 처리하고 그리고 처리된 디지털 신호를 출력하도록 구성된 처리 디바이스(38)를 포함하는 모니터링 시스템(12).
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 차동 신호를 제공하도록 조정된 상기 전송 라인은 상기 음향 센서(10)에서 시작하고 상기 모니터링 시스템(12)에 연결된 처리 유닛(40)에서 끝나는 모니터링 시스템(12).
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   - 상기 가동 구성 요소(3)에 배치되고 상기 제1 증폭기(18)에 전력 공급을 제공하는 제1 파워 공급 디바이스(24); 및
   - 상기 가동 구성 요소(3)에 배치되고 상기 제1 파워 공급 디바이스(24)에 전력을 제공하는 제1 코일(27) 및 상기 고정식 구성 요소(2)에 배치되고 전력을 받는 제2 코일(28)을 포함하는 공기 접촉식 변압기(26);를 구비한 파워 공급 회로(23)를 포함하는 모니터링 시스템(12).
9. 제8항에 있어서,
   상기 고정식 구성 요소(2)에 배치되고, 상기 제2 코일(28)에 전력을 제공하며, 그리고 상기 고정식 구성 요소(2)에 배치된 제3 증폭기(22)에 또는 상기 제2 트랜시버 디바이스(16)에 전력을 제공하는 제2 파워 공급 디바이스(25)를 포함하는 모니터링 시스템(12).
10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    - 상기 제1 코일(27)에 직접 연결되는 제3 파워 공급 디바이스(34);
    - 상기 제3 증폭기(34)로부터 전력-상기 전력은 상기 음향 센서(10)에 의하여 생성된 아날로그 신호의 주파수 대역과 다른 주파수 대역임-을 받아들이고, 전력을 상기 제2 연결 라인(20)으로 공급하는 결합 디바이스(35); 및
    - 제2 연결 라인(20)으로부터 전력을 받고 상기 제1 증폭기(24)에 전력을 제공하는 분리 디바이스(36)를 포함하는 모니터링 시스템(12).
11. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    밸런싱 헤드를 포함하는 모니터링 시스템(12).
12. 제10항에 있어서, 상기 모니터링 시스템은 밸런싱 헤드를 포함하며, 상기 제3 파워 공급 디바이스(34)는 또한 상기 밸런싱 헤드(7)에 연결되어 상기 밸런싱 헤드(7)에 전력을 제공하는 모니터링 시스템(12).
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 2개의 분리되고 독립적인 음향 센서(10);
    - 2개의 제1 증폭기(18);
    - 각각이 음향 센서(10)를 제1 증폭기(18)에 연결하며 2개의 전기 리드를 포함하는 2개의 제1 연결 라인(19);
    - 단일 통신 유닛(14); 및
    - 상기 2개의 제1 증폭기(18)에 연결된 2개의 전기 입력 터미널 및 상기 단일의 통신 유닛(14)의 상기 제1 트랜시버 디바이스(15)에 연결된 단일 전기 출력 터미널을 갖는 멀티플렉서(39)를 포함하는 모니터링 시스템(12).