KR20230158308A - 공작기계의 동특성 측정을 통한 노후화 판단 장치 및 판단 방법 - Google Patents

공작기계의 동특성 측정을 통한 노후화 판단 장치 및 판단 방법 Download PDF

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Abstract

공작기계의 스핀들을 미리 정해진 주파수 영역 범위로 반복적으로 가진하고, 가진 결과를 가속도센서로 측정하여 FFT 연산을 통해 동특성을 나타내는 피크 값들을 출력하며, 상기 피크 값을 비교하여 피크 값의 변화 정도에 따라 공작기계의 노후화 여부를 판단함으로써, 공작기계의 노후도를 평가하기 위해 가진장치를 포함하는 동특성 측정 장치를 외부로부터 별도로 설치하지 않고, 공작기계 내부의 기기를 이용하여 자동으로 측정할 수 있도록 함으로써, 공작기계에 동특성 측정 장치를 설치하는 것에 따른 번거로움과 비용의 낭비를 없애고, 나아가 수작업에 의한 측정결과의 부정확성이나 일관성의 문제를 해소하고, 측정 결과의 신뢰도를 높이므로 공작기계의 유지 관리와 수명 관리에 유익을 얻는다.

Description

공작기계의 동특성 측정을 통한 노후화 판단 장치 및 판단 방법{Device and method for judging aging by measuring the dynamic characteristics of machine tools}
본 발명은 공작기계의 동특성 측정을 통한 공작기계의 노후화 판단 장치 및 판단 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 외부의 가진 장치를 배제하고 공작기계 자체의 가진 기능을 이용하여 동특성을 측정하여 공작기계의 노후화를 판단하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
공작기계는 복잡한 구조물로 형성되어 있는 바, 이러한 구조물은 공작기계의 사용 기간이 경과함에 따라 노후화 된다. 공작기계의 노후화는 공작기계를 통해 가공되는 공작물의 정밀도 저하를 초래하고, 급기야는 공작기계를 폐기해야 하는 지경에 이르게 된다.
따라서 공작기계의 정밀도를 유지하고 필요한 유지 및 보수를 위해서는 공작기계의 노후도를 파악할 수 있어야 하고, 이러한 노후도 파악은 공작기계의 동특성이 그 척도가 된다.
지금까지의 공작기계의 노후도를 파악하기 위한 동특성 측정 방법은 작업자가 망치를 사용하여 공작기계의 특정 부위를 가격하고, 이 때 발생하는 진동을 진동센서나 가속도계 등을 사용하여 채집하고, 이를 분석하는 것에 의해 공작기계의 동특성을 파악해 왔다.
그러나 이러한 종래의 동특성 측정 방법은, 별도의 장치로서 공작기계에 충격을 가하기 위한 망치와, 충격을 가했을 때 진동 특성을 측정하기 위한 가속도 센서와, 상기 센서를 통해 진동 신호를 취득하고 분석하는 분석장치와, 분석결과를 출력하는 모니터를 구비하여야 한다.
그러나 이러한 장비들은 고가이고 부피가 크기 때문에 공작기계에 상시 설치해 둘 수 없으며, 측정이 필요할 때마다 작업자가 설치하여 사용하여야 하는 번거로움이 있다. 또한, 이러한 장비들은 사용 시 작업자가 수동으로 측정 대상 부위를 가격해야 하기 때문에 자동화된 측정이 어려운 문제가 있다. 또한, 이러한 수작업에 의한 측정 방법은 숙련되지 않은 작업자에 의해 표준화 되지 않은 방법으로 수행됨에 따라 측정 결과가 일관성이 없고 부정확할 뿐만 아니라, 숙련된 작업자라 할지라도 반복적인 측정을 통해 결과를 얻어야 하므로 많은 시간이 소요되는 문제가 있다.
한편, 종래기술로 소개하는 특허문헌 1은 고속주축의 동특성 측정시스템으로, 주축 공구단의 외경에 외력에 대한 주축의 변위를 측정하는 제1정전용량 변위센서를 설치하고, 주축 공구단과 마주하는 공작기계의 테이블 상에는 공구동력계와 결합되어 주축을 가진하는 동시에 주축과 연결된 마스터 실린더의 변위를 측정하는 변위센서 내장형 비접촉식 마그네틱 가진기를 설치한다.
그러나 이러한 방식은 착탈식 비접촉식 마그네틱 가진기를 설치하여 주축의 동특성을 측정하는 것이므로, 설치의 번거로움이 있을뿐더러, 착탈식 비접촉식 마그네틱 가진기를 통해 취득한 진동 정보를 분석하는 별도의 수단을 구비해야 하는 점에서 앞서 언급한 종래기술의 문제점이 여전히 존재하는 것이다.
또한, 특허문헌 2에서는 전자석을 이용한 가진장치를 구성함에 있어, 회전체를 축방향으로 가진시키고, 이에 대한 응답 측정을 통해 축방향 베어링의 동특성을 측정하는 축방향 베어링의 동특성 측정장치를 소개하고 있다.
그러나 특허문헌 2 역시, 측정대상물인 축방향 베어링의 동특성을 측정하기 위해 별도로 설치되는 가진장치에 관한 것으로, 앞서 소개한 종래기술의 문제점을 여전히 보유하고 있는 것이다.
한국 공개특허공보 제10-2006-0071201호 한국 공개특허공보 제10-2017-0009021호
상기한 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 공작기계의 노후화를 평가하기 위한 공작기계의 동특성을 측정함에 있어, 외부로부터 별도로 설치하는 가진장치 없이 공작기계 내부 기기를 이용하여 공작기계의 노후화를 자동으로 측정하는 장치 및 방법을 제시하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 공작기계의 동특성 측정을 통한 노후화 판단 장치는,
공작기계에 부착되어 상기 공작기계의 가진된 가속도 응답을 측정하는 가속도센서(40)와,
상기 가속도센서(40)로부터 공작기계의 진동에 의한 가속도 신호를 취득하는 신호취득모듈(11)과,
상기 신호취득모듈(11)을 통해 취득한 상기 가속도센서(40)의 신호를 연산 및 분석하는 신호분석모듈(12)과,
상기 신호분석모듈(12)을 통해 분석한 결과를 출력하는 출력부(14)와,
공작기계에 가진 지령을 전달하며 상기 가속도센서(40)와 통신하여 상기 가속도센서(40)의 신호를 전달받는 통신모듈(13)과,
상기 통신모듈(13)의 지령에 따라, 미리 정한 최소 주파수부터 특정 주파수 영역까지 가진 동작을 하도록 지령하는 공작기계의 제어기(20)와,
상기 공작기계 제어기(20)의 지령에 따라, 미리 정한 최소 주파수부터 특정 주파수 영역까지 엑츄에이터를 구동하여 가진하는 공작기계의 구동부(30)를 포함한다.
바람직한 실시예로 본 발명의 공작기계의 동특성 측정을 통한 노후화 판단 장치의 상기 가속도센서(40)는 공작기계 스핀들에 부착되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로 본 발명의 공작기계의 동특성 측정을 통한 노후화 판단 장치의 상기 엑츄에이터는 공작기계의 회전축계를 구성하는 스핀들모터인 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로 본 발명의 공작기계의 동특성 측정을 통한 노후화 판단 장치의 상기 신호분석모듈(12)은 상기 신호취득모듈(11)을 통해 취합된 가속도센서(40)의 신호에 대해 FFT 분석을 수행하고, 상기 출력부(14)는 상기 분석결과에 따라 측정 피크 값 들을 시각적으로 출력하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 공작기계의 동특성 측정을 통한 노후화 판단 방법은,
공작기계 제어기(20)로부터 지령을 받아 공작기계의 스핀들을 미리 설정한 최소 주파수부터 특정 주파수 영역까지 가진하는 가진단계(S10);
상기 가진단계(S10)의 가진 결과를 가속도센서(40)로 측정하고, 상기 측정한 가속도 데이터는 FFT 연산을 통해 동특성을 나타내는 피크 값들을 출력하는 분석단계(S20);
상기 분석단계(S20)에서 분석된 피크 값들을 데이터베이스에 저장하는 진단정보 저장단계(S30);
상기 분석단계(S20)에서 생성된 피크 값과 상기 진단정보 저장단계(S30)에서 저장된 이전의 피크 값을 비교하고, 비교결과 피크 값의 변화 정도에 따라 공작기계의 노후화 여부를 판단하는 노후화 판단단계(S40);를 포함한다.
바람직한 실시예로 본 발명의 공작기계의 동특성 측정을 통한 노후화 판단 방법의 상기 가진단계(S10)는 공작기계의 스핀들모터의 사인스윕 동작을 통해 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로 본 발명의 공작기계의 동특성 측정을 통한 노후화 판단 방법의 상기 노후화 판단단계(S40)는 상기 피크 값들을 비교한 결과, 피크 값들이 연속적으로 변한 경우 공작기계의 노후화가 진행된 것으로 판단하고, 상기 피크 값들이 미리 정한 범위 내에서 변화가 없을 경우에는 공작기계의 노후화가 진행되지 않은 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로 본 발명의 공작기계의 동특성 측정을 통한 노후화 판단 방법의 상기 노후화 판단단계(S40)는 피크 값을 비교한 결과 상기 분석단계(S20)에서 생성된 피크 값이 상기 진단정보 저장단계(S30)에서 저장된 이전의 피크 값보다 미리 정한 범위 내에서 클 경우에는 공작기계의 노후화가 진행된 것으로 판단하고, 상기 분석단계(S20)에서 생성된 피크 값이 상기 진단정보 저장단계(S30)에서 저장된 이전의 피크 값보다 작거나 미리 정한 범위 내에서 같을 경우에는 공작기계가 노후화 되지 않은 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로 본 발명의 공작기계의 동특성 측정을 통한 노후화 판단 방법의 상기 노후화 판단단계(S40)는 상기 진단정보 저장단계(S30)에서 저장된 이전의 피크 값을 그래프로 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 공작기계의 노후화를 평가하기 위해 가진장치를 포함하는 동특성 측정 장치를 외부로부터 별도로 설치하지 않고, 공작기계 내부의 기기를 이용하여 자동으로 측정할 수 있도록 내재화 함으로써, 공작기계에 동특성 측정 장치를 설치하는 것에 따른 번거로움과 비용의 낭비를 없애고, 나아가 수작업에 의한 측정결과의 부정확성이나 일관성의 문제를 해소하고, 측정 결과의 신뢰도를 높이므로 공작기계의 유지 관리와 수명 관리에 유익을 얻는다.
도 1은 본 발명의 실시예로서, 공작기계의 자동 동특성 측정 시스템 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예로서, 공작기계의 동특성 측정을 통한 공작기계의 노후화를 판단하는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예로서, 공작기계 동특성 측정 시 구동부의 사인스윕(sine sweep) 동작 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예로서, FFT(fast Fourier transform :고속 푸리에 변환) 연산을 통해 분석한 가진 진폭 피크(peak)를 예시한 그래프이다.
본 발명 실시예에서 인용하고 있는 FFT(fast Fourier transform :고속 푸리에 변환)은 시계열로 획득된 정보를 주파수 계열로 변환할 수 있는 연산법이다. 구동부의 사인 스윕 동작을 통하여 가진한 시스템의 가속도 신호를 진동센서와 같은 센서로 취합하여 FFT 연산할 경우, 해당 연산 결과는 가진 범위에 대한 시스템의 응답을 나타낸다고 볼 수 있다.
따라서 특정 시스템의 FFT 결과에서 진폭 값이 크게 나타난 주파수 대역(피크 값)은 그 시스템의 고유 주파수 대역이라 할 수 있으며, 이는 시스템의 동특성을 나타낸다. 시스템의 수명 주기 범위 내에서 정기적으로 본 분석을 수행할 경우, 시스템의 동특성 변화를 확인할 수 있으며, 이는 시스템 노후화에 의한 동특성 변화로서 시스템의 노후 정도를 나타내는 간접적인 지표라 할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예로서, 공작기계의 자동 동특성 측정 시스템 개략도이다. 도 2는 본 발명의 실시예로서, 공작기계의 동특성 측정을 통한 공작기계의 노후화를 판단하는 순서도이다. 도 3은 본 발명의 실시예로서, 공작기계 동특성 측정 시 구동부(30)의 사인스윕(sine sweep) 동작 그래프이다. 도 4는 본 발명의 실시예로서, FFT(fast Fourier transform :고속 푸리에 변환) 연산을 통해 분석한 가진 진폭 피크(peak)를 예시한 그래프이다.
도 1에 도시한 것처럼, 공작기계의 동특성 측정 방법을 위한 시스템 구성은, 가속도센서(40)로부터 공작기계의 진동에 의한 가속도 신호를 취득하는 신호취득모듈(11)과, 상기 신호취득모듈(11)을 통해 취득한 상기 가속도센서(40)의 신호를 연산 및 분석하는 신호분석모듈(12)과, 상기 신호분석모듈(12)을 통해 분석한 결과를 출력하는 출력부(14)와, 공작기계에 가진 지령을 전달하며 공작기계에 설치된 가속도센서(40)와 통신하여 상기 가속도센서(40)의 신호를 전달받는 통신모듈(13)을 기판 상에 배치한 엣지 디바이스(10)를 포함한다.
또한, 공작기계의 동특성 측정 방법을 위한 시스템은 상기 통신모듈(13)의 지령에 따라, 미리 정한 최소 주파수(1Hz)부터 특정 주파수 영역까지 가진 동작을 하도록 지령하는 공작기계의 제어기(20)와, 상기 공작기계 제어기(20)의 지령에 따라, 상기 미리 정한 최소 주파수(1Hz)부터 목표한 특정 주파수 영역까지 엑츄에이터를 가진 구동하는 공작기계의 구동부(30)와, 공작기계 스핀들에 부착되며 상기 공작기계 구동부(30)에 의해 가진된 공작기계 스핀들의 가속도 응답을 측정하고, 측정한 결과를 상기 엣지 디바이스(10)의 통신모듈(13)에 전달하는 가속도센서(40)를 포함한다.
한편, 본 실시예에서 상기 공작기계의 구동부(30)를 구성하는 엑츄에이터는 통상 공작기계의 회전축계를 구성하는 스핀들모터일 수 있다. 또한, 상기 신호취득모듈(11)은 아날로그 신호 형태의 상기 가속도센서(40)의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하여 취득하는 모듈이고, 상기 신호분석모듈(12)은 상기 신호취득모듈(11)을 통해 취합된 가속도센서(40)의 신호에 대해 FFT(fast Fourier transform: 고속 푸리에 변환) 분석을 수행한다. 상기 출력부(14)는 상기 신호분석모듈(12)에서 분석한 결과에 따라 측정 피크(peak) 값 들을 판정 가능하게 시각적으로 출력한다.
또한, 상기 가속도센서(40)는 스핀들 이 외에 공작기계의 몸체에 부착할 수도 있으며, 하나 이상의 개수로 부착할 수도 있다.
이하, 도2를 참조하여 공작기계의 동특성 측정 및 분석을 통해 공작기계의 노후 진행여부를 판단하는 방법을 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시예로서, 공작기계의 동특성 측정을 통한 공작기계의 노후화를 판단하는 순서도이다.
먼저, 공작기계 구동부(30)는 공작기계 제어기(20)로부터 지령을 받아 공작기계의 스핀들을 미리 정한 최소 주파수(1Hz부터) 특정 주파수 영역까지 반복적으로 가진하는 가진단계(S10)를 수행한다.
상기 가진단계(S10)는 공작기계의 회전축계를 구성하는 서보모터의 일종인 스핀들모터의 사인스윕(sine sweep) 동작을 통해 이루어진다. 사이스윕 동작은 도 3에 도시한 것과 같이, 시간이 경과함에 따라 진폭 주기가 변하여 영(제로)에 수렴되는 진동파형 특성을 가진다.
이어서 상기 가진단계(S10)에서 공작기계 구동부(30)에 의한 가진 결과는 가속도센서(40)로 측정되고, 측정된 시계열 가속도 데이터는 FFT 연산을 통하여 주파수 계열의 가속도 데이터로 변환하여 공작기계의 동특성을 나타내는 도 4의 그래프 형태로 피크(peak) 값들을 출력하는 분석단계(S20)를 수행한다.
이어서 상기 분석단계(S20)에서 분석된 피크 값들은 추후에 측정되는 피크(peak) 값들과 비교를 위해 측정일자 등의 시간 정보와 함께 데이터베이스에 저장하는 진단정보 저장단계(S30)을 수행한다.
다음 단계로, 상기 출력부(14)에서 상기 분석단계(S20)에서 생성된 피크 값과 상기 진단정보 저장단계(S30)에서 저장된 이전의 피크 값을 비교하고, 비교결과 피크 값의 변화 정도에 따라 공작기계의 노후화 여부를 판단하는 노후화 판단단계(S40)를 실시한다.
보다 구체적으로, 상기 노후화 판단단계(S40)는 상기 분석단계(S20)에서 생성된 피크 값을 포함하여 상기 진단정보 저장단계(S30)에서 저장된 이전의 피크 값들을 비교한 결과, 피크 값들이 연속적으로 변한 경우 공작기계의 노후화가 진행된 것으로 판단하고, 상기 피크 값들이 미리 정한 범위 내에서 변화가 없을 경우에는 공작기계의 노후화가 진행되지 않은 것으로 판단한다.
다른 실시예로, 상기 노후화 판단단계(S40)는 상기 분석단계(S20)에서 생성된 피크 값이 상기 진단정보 저장단계(S30)에서 저장된 이전의 피크 값보다 미리 정한 범위 내에서 클 경우에는 공작기계의 노후화가 진행된 것으로 판단하고, 상기 분석단계(S20)에서 생성된 피크 값이 상기 진단정보 저장단계(S30)에서 저장된 이전의 피크 값보다 작거나 미리 정한 범위 내에서 같을 경우에는 공작기계가 노후화 되지 않은 것으로 판단한다.
한편, 상기 노후화 판단단계(S40)는 상기 진단정보 저장단계(S30)에서 저장된 이전의 피크 값을 도 4와 같이 출력부(14)를 통해 출력되는 그래프에 의해 작업자가 판단할 수도 있다.
상기 실시예를 통해 설명한 바와 같이, 본 발명은 공작기계의 노후도를 평가하기 위해 가진장치를 포함하는 동특성 측정 장치를 외부로부터 별도로 설치하지 않고, 공작기계 내부의 기기를 이용하여 내재화하여 자동으로 측정할 수 있도록 함으로써, 공작기계에 동특성 측정 장치를 설치하는 것에 따른 번거로움과 비용의 낭비를 없애고, 나아가 수작업에 의한 측정결과의 부정확성이나 일관성의 문제를 해소하고, 측정 결과의 신뢰도를 높이므로 공작기계의 유지 관리와 수명 관리에 유익을 얻는다.
10 엣지 디바이스
11 신호취득모듈
12 신호분석모듈
13 통신모듈
14 출력부
20 제어기
30 구동부
40 가속도센서
S10 가진단계
S20 분석단계
S30 진단정보 저장단계
S40 노후화 판단단계

Claims (9)

  1. 공작기계에 부착되어 상기 공작기계의 가진된 가속도 응답을 측정하는 가속도센서(40)와,
    상기 가속도센서(40)로부터 공작기계의 진동에 의한 가속도 신호를 취득하는 신호취득모듈(11)과,
    상기 신호취득모듈(11)을 통해 취득한 상기 가속도센서(40)의 신호를 연산 및 분석하는 신호분석모듈(12)과,
    상기 신호분석모듈(12)을 통해 분석한 결과를 출력하는 출력부(14)와,
    공작기계에 가진 지령을 전달하며 상기 가속도센서(40)와 통신하여 상기 가속도센서(40)의 신호를 전달받는 통신모듈(13)과,
    상기 통신모듈(13)의 지령에 따라, 미리 정한 최소 주파수부터 특정 주파수 영역까지 가진 동작을 하도록 지령하는 공작기계의 제어기(20)와,
    상기 공작기계 제어기(20)의 지령에 따라, 상기 미리 정한 최소 주파수부터 특정 주파수 영역까지 엑츄에이터를 구동하여 가진하는 공작기계의 구동부(30)를 포함하는 공작기계의 동특성 측정을 통한 노후화 판단 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가속도센서(40)는 공작기계 스핀들에 부착되는 것을 특징으로 하는 공작기계의 동특성 측정을 통한 노후화 판단 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 엑츄에이터는 공작기계의 회전축계를 구성하는 스핀들모터인 것을 특징으로 하는 공작기계의 동특성 측정을 통한 노후화 판단 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 신호분석모듈(12)은 상기 신호취득모듈(11)을 통해 취합된 가속도센서(40)의 신호에 대해 FFT 분석을 수행하고, 상기 출력부(14)는 상기 분석결과에 따라 측정 피크 값 들을 시각적으로 출력하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 동특성 측정을 통한 노후화 판단 장치.
  5. 공작기계 제어기(20)로부터 지령을 받아 공작기계의 스핀들을 미리 정한 최소 주파수부터 특정 주파수 영역까지 가진하는 가진단계(S10);
    상기 가진단계(S10)의 가진 결과를 가속도센서(40)로 측정하고, 상기 측정한 가속도 데이터는 FFT 연산을 통해 동특성을 나타내는 피크 값들을 출력하는 분석단계(S20);
    상기 분석단계(S20)에서 분석된 피크 값들을 데이터베이스에 저장하는 진단정보 저장단계(S30);
    상기 분석단계(S20)에서 생성된 피크 값과 상기 진단정보 저장단계(S30)에서 저장된 이전의 피크 값을 비교하고, 비교결과 피크 값의 변화 정도에 따라 공작기계의 노후화 여부를 판단하는 노후화 판단단계(S40);를 포함하는 공작기계의 동특성 측정을 통한 노후화 판단 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 가진단계(S10)는 공작기계의 스핀들모터의 사인스윕 동작을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 공작기계의 동특성 측정을 통한 노후화 판단 방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 노후화 판단단계(S40)는 상기 피크 값들을 비교한 결과, 피크 값들이 연속적으로 변한 경우 공작기계의 노후화가 진행된 것으로 판단하고, 상기 피크 값들이 미리 정한 범위 내에서 변화가 없을 경우에는 공작기계의 노후화가 진행되지 않은 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 동특성 측정을 통한 노후화 판단 방법.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 노후화 판단단계(S40)는 피크 값을 비교한 결과 상기 분석단계(S20)에서 생성된 피크 값이 상기 진단정보 저장단계(S30)에서 저장된 이전의 피크 값보다 미리 정한 범위 내에서 클 경우에는 공작기계의 노후화가 진행된 것으로 판단하고, 상기 분석단계(S20)에서 생성된 피크 값이 상기 진단정보 저장단계(S30)에서 저장된 이전의 피크 값보다 작거나 미리 정한 범위 내에서 같을 경우에는 공작기계가 노후화 되지 않은 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 동특성 측정을 통한 노후화 판단 방법.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 노후화 판단단계(S40)는 상기 진단정보 저장단계(S30)에서 저장된 이전의 피크 값을 그래프로 출력하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 동특성 측정을 통한 노후화 판단 방법.
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