KR20230126945A - Nc 선반 가공에서의 정밀감지 시스템의 개발 - Google Patents

Abstract

본 발명은 NC 선반 가공에서의 정밀감지 시스템의 개발에 관한 것으로, 공구 동력계에 의한 직접측정 방식이 아니라, 공업기계의 주축 드라이브 장치를 이용하여 절삭 가공 시의 절삭력과 속도정보를 에측할 수 있는 새로운 알고리즘이다. 이 정밀감지 시스템은 공구 동력계를 이용하여 직접적으로 측정하는 방식이 아닌 공업기계의 주축 드라이브 장치를 이용하여 절삭 가공시 절삭력을 예측 하는 방식을 채택하여 기존의 다른 측정 방식과는 달리 산업현장의 조건, 종류에 상관없이 절삭력을 예측 할 수 있고, 산업 현장에서 보유하고 있는 공업장치에 장착된 기본적인 센서를 이용한 정밀 감지 시스템이다.
또한, 가공중 발생하는 속도 변화까지 고려하여 교류유도 전동기 시스템에 대한 동적모델을 유도하고 이 모델을 토대로한 절삭력 감지방식이다. 이로써 기존의 공구동력계의 제한된 주파수 대역폭이 실제 절삭력의 주파수를 바꿀 수 있다는, 센서 기술의 문제점과 추가적 설치에 의한 가공품의 품질 저하를 예방하여 산업 현장에서의 유용성을 매우 높여준다.

Description

NC 선반 가공에서의 정밀감지 시스템의 개발{Development of an Precision Sensing System in NC Lathe Machine}

본 발명은 NC 선반 가공에서의 정밀 감지 시스템을 설계하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공구 동력계에 의한 직접측정 방식이 아니라, 공업기계의 주축 드라이브 장치를 이용하여 절삭 가공 시의 절삭력과 속도 정보를 에측할 수 있는 새로운 알고리즘이다.

온라인，실시간의 주절삭력 정보는 공구 파손을 예측하고 마모를 감지하며 그 밖의 다른 오동작을 검출해 내는데 있어 매우 중요한 것이다.

절삭력에는 (주절삭력, 이송분력 그리고 배분력) 이 세가지 성분이 있는데, 일반 절삭의 경우 이 세가지 성분중 가장 중요한 정보는 주절삭력이다.

공작기계의 절삭력은 공구 동력계로 측정이 가능하지만 실제 산업현장이라는 여건에서 견딜 수 있는 공구 동력계는 고가이며, 공구 동력계의 주파수의 대역폭이 제한되어 있어서 주파수를 바꿀 수 있는 센서 기술의 한계가 있는 등의 문제가 있다.

따라서 본 발명은 공구 동력계를 이용하여 측정하는 것이 아닌 공업장치에 주축 드라이브 델을 이용하여 절삭력을 예측할 수 있는 방식이다.

오류를 모델의 파라미터의 변동이나 상태의 변화로 감지할 수 있는 원리에 기초한 감지 시스템은 지금까지 기계진단을 하는데 많이 이용되어 왔다.

본 발명에서 제시하고자하는 간접 모니터링 방식은 공업장치의 구동부를 대상으로 하였으므로 가공소재와 공구의 조합이나 절삭조건에 상관없이 적용할 수 있다.

또한 이전의 모델들과 다르게 교류 유도 전동기 시스템에 대한 동적모델을 유도하기 위해 작동중 발생하는 속도 변화까지 고려하였고, 이 모델을 토대로 절삭력 감지 방식을 개발하였다.

공구 동력계를 이용하여 공업장치의 절삭력을 측정할 수 있지만, 실제 산업 현장의 거칠고 기계적이 여건에서 버틸 수 있는 수준의 공구 동력계들을 구입하기엔 비용적인 손해가 크며, 공구 동력계를 설치함으로 발생되는 강성의 감소로 공작기계의 떨림 현상이나 치수의 오차가 발생되어 가공품의 품질이 저하된다.

절삭력을 모니터링하기 위한 교류유도 전동기 시스템의 모델은 이미 보고된 바 있으나 주로 밀링머신의 등속도 시스템 모델이었고，더군다나 비선형 요소를 고려하지 않은 선형화된 모델이었다. 이러한 모델은 절삭 가공 중 공구와 공작물간의 가해진 힘，마찰력，절삭온도, 절삭시간에 따라 변하는 감쇠계수，마찰 토오크 등의 비선형 요소를 표현할 수 없어 정확한 절삭력 모니터링 방식에 적용되는데 제약이 있다.

또한 동기 교류 모터를 사용하는 CNC 머시닝센터에서 전류를 이용하여 절삭력을 간접적으로 추정한 연구도 있었으나 주로 정상상태에서의 모델을 이용하였고 또한 마찰력 특성이 자세히 고려되지는 못했다.

본 발명은 상기한 문제점을 일소하기 위해 창안한 것으로서, 가공중 발생하는 속도 변화까지 고려하여 교류유도 전동기 시스템에 대한 동적모델을 유도하고 이 모델을 토대로한 절삭력 감지방식을 제공한다.

본 발명은 공구 동력계를 이용하여 직접적으로 측정하는 방식이 아닌 공업기계의 주축 드라이브 장치를 이용하여 절삭 가공시 절삭력을 예측 하는 방식을 채택하여 기존의 다른 측정 방식과는 달리 산업현장의 조건, 종류에 상관없이 절삭력을 예측 할 수 있고, 산업 현장에서 보유하고 있는 공업장치에 장착된 기본적인 센서 (ex. 로터리엔코더) 를 이용한다.

일실시예로서, 정밀감지 시스템은 NC 선반 가공에서의 정밀감지 시스템의 개발에 있어서, 공구 동력계에 의한 직접 측정 방식이 아닌 공작기계의 주축 드라이브 모델을 이용하여 절삭 가공시의 절삭력을 예측 할 수 있는 방식, 기존의 다른 추정 방식과는 달리 유도교류모터를 사용하는 주축 드라이브 모델을 바탕으로 간접적인 절삭력 모니터링 식을 개발하여 작업 환경에 관계없이 절삭력을 추정할 수 있고, 특별한 센서가 따로 필요없이 기존의 CNC 공작기계에 이미 장착 되어있는 기본적 센서만을 이용하여 개발할 수 있는 선반 가공에서의 정밀감지 시스템. 가공중 발생하는 속도 변화까지 고려하여 교류 유도 전동기 시스템에 대한 동적모델을 유도하고 이모델을 토대로 절삭력을 감지하는 방식으로 설정된다.

정밀감지 시스템은 측정 가능한 신호와 절삭력, 모니터링 모델이 기계적인 부분 (주축 드라이브)과 전기적인 부분으로 이루어진 모델, 총 외부 토크를 추정하여 비선형 마찰 토크 증가량의 모델을 이용해 절삭 토크를 계산한다.

정밀감지 시스템은 모니터링의 변수들이 결정 되었을 때 절삭력을 추정하기위한 모니터링 방식의 설계를 위해 전동기에 가해지는 총 외부 토크 추정 알고리즘을 구한 후, 비선형 마찰 토크 증가량 값을 이용해 주절삭토크를 계산하여 절삭 가공시 절삭력을 구한다.

본 발명은 공구동력계를 이용하여 직접적으로 측정하지 아니하고 공업 장치의 주축 드라이브 장치를 이용하기 때문에 절삭 조건, 가공 소재, 절삭 공구의 종류와 관계없이 절삭력을 예측 할 수 있다.

또한, 본 발명에서 제시하는 공업기계의 주축장치를 이용하여 절삭력을 예측하는 방식은 특별한 센서가 따로 필요없이 기존의 CNC 공업장치에 장착되어있는 기본적 센서만을 이용하므로 추가적인 센서 설치가 필요없다. 이로써 기존의 공구동력계의 제한된 주파수 대역폭이 실제 절삭력의 주파수를 바꿀 수 있다는, 센서 기술의 문제점과 추가적 설치에 의한 가공품의 품질 저하를 예방하여 산업 현장에서의 유용성을 매우 높여준다.

또한 기존의 마찰력의 특성이 자세히 고려되지 못하거나, 정확한 절삭력 모니터링 방식에 적용되는데에 제약이 있고, 비선형 요소를 고려하지 않은 모델들과는 달리, 본 발명에서는 가공중 발생하는 속도의 변화까지 고려하여 교류 유도 전동기 시스템에 대한 동적모델을 유도하고 이 장치를 토대로 절삭력을 감지하는 방식을 제시한다.

이하 설명되는 본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 구분하여 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

또한 본 출원에서 적어도 2개의 상이한 실시예들이 각각 기재되어 있을 경우, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 별다른 기재가 없더라도 각 실시예들은 구성요소의 전부 또는 일부를 상호 병합 및 혼용하여 사용할 수 있다.

본 발명에서 제시하고자 하는 절삭력 모니터링 시스템은 공작기계의 주축 구동 전동기를 제어하기 위해 이미 설치되어 있는 센서의 출력값을 이용하는 것이므로, 쉽게 측정이 가능한 전동기 각속도，고정자 전압（전동기 입력 전압），고정자 전류（전동기 입력 전류）가 나 타내는 범위를 도 1 과 같이 시스템 경계로 결정하였다.

위에서 결정한 시스템 경계를 토대로 측정 가능한 신호와 절삭력 신호와의 관계를 위해서 모니터링 모델 이 선정된다. 모니터링 모델은 기계적인 부분（주축 드라이브）과 전기적인 부분（교류 유도 전동기）으로 구성 되며 기본적인 모델식은 다음과 같다. (수학식 1)

앞에서 구한 모니터링 모델 식의 T, 는 전동기에 가해지는 총 토오크로서 다음과 같다. (수학식 2)

위 (수학식 3)의 우변에 있는 모든 변수들을 결정하면 전동기에 가해지는 총 외부 토오크 T_t를 구할 수 있고, 이로부터 (수학식 2)에서 비선형 마찰 토오크 증가량의 모델만 구해지면 절삭 토오크를 계산해 낼 수 있다.

그다음 절삭력을 추정하기 위한 모니터링 방식 설계는 (수학식 1)을 정리하고 여기서 새로운 변수 U(t)를 (수학식 4)와 같이 정의한다.

(수학식 1)을 다음과 같은 입력/출력 모델로 정리 할 수 있다. (수학식 5)

위 (수학식 5)에 ZOH(Zero Order Hold)를 적용하여 샘플링 타임(sampling time)이 h인 이산화된 식으로 표현하면 (수학식 6)과 같이 나타날 수 있다.

여기서 절삭가공 직전에 RLS(Recursive Least Square) 알고리즘을 이용하여 a, b 값을 얻을 수 있고 또 이 값들에 의해 총 등가 관성 계수 J와 감쇠 계수 B를 결정할 수 있다. 위의 결과를 이용하여 (수학식 1) 에 적용하면 전동기에 가해지는 총 외부 토오크 추정 알고리즘은 다음의 이산 방정식에 의해 구해진다.

이상에서 상세하게 설명한 바에 의하면, 본 발명은 공구동력계를 이용하여 직접적으로 측정하지 아니하고 공업 장치의 주축 드라이브 장치를 이용하기 때문에 절삭 조건, 가공 소재, 절삭 공구의 종류와 관계없이 절삭력을 예측 할 수 있다.

또한, 본 발명에서 제시하는 공업기계의 주축장치를 이용하여 절삭력을 예측하는 방식은 특별한 센서가 따로 필요없이 기존의 CNC 공업장치에 장착되어있는 기본적 센서만을 이용하므로 추가적인 센서 설치가 필요없다. 이로써 기존의 공구동력계의 제한된 주파수 대역폭이 실제 절삭력의 주파수를 바꿀 수 있다는, 센서 기술의 문제점과 추가적 설치에 의한 가공품의 품질 저하를 예방하여 산업 현장에서의 유용성을 매우 높여준다.

또한 기존의 마찰력의 특성이 자세히 고려되지 못하거나, 정확한 절삭력 모니터링 방식에 적용되는데에 제약이 있고, 비선형 요소를 고려하지 않은 모델들과는 달리, 본 발명에서는 가공중 발생하는 속도의 변화까지 고려하여 교류 유도 전동기 시스템에 대한 동적모델을 유도하고 이 장치를 토대로 절삭력을 감지하는 방식을 제시한다.

한편, 본 도면에 개시된 실시예는 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.

Claims (3)

1. NC 선반 가공에서의 정밀감지 시스템의 개발에 있어서,
   공구 동력계에 의한 직접 측정 방식이 아닌 공작기계의 주축 드라이브 모델을 이용하여 절삭 가공시의 절삭력을 예측 할 수 있는 방식, 기존의 다른 추정 방식과는 달리 유도교류모터를 사용하는 주축 드라이브 모델을 바탕으로 간접적인 절삭력 모니터링 식을 개발하여 작업 환경에 관계없이 절삭력을 추정할 수 있고, 특별한 센서가 따로 필요없이 기존의 CNC 공작기계에 이미 장착 되어있는 기본적 센서만을 이용하여 개발할 수 있는 선반 가공에서의 정밀감지 시스템. 가공중 발생하는 속도 변화까지 고려하여 교류 유도 전동기 시스템에 대한 동적모델을 유도하고 이모델을 토대로 절삭력을 감지하는 방식으로 설정된 정밀감지 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   측정 가능한 신호와 절삭력, 모니터링 모델이 기계적인 부분 (주축 드라이브)과 전기적인 부분으로 이루어진 모델, 총 외부 토크를 추정하여 비선형 마찰 토크 증가량의 모델을 이용해 절삭 토크를 계산하는 정밀감지 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   모니터링의 변수들이 결정 되었을 때 절삭력을 추정하기위한 모니터링 방식의 설계를 위해 전동기에 가해지는 총 외부 토크 추정 알고리즘을 구한 후, 비선형 마찰 토크 증가량 값을 이용해 주절삭토크를 계산하여 절삭 가공시 절삭력을 구하는 정밀감지 시스템.