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문제 정의
- 광섬유 센서는 관련 부품들의 성능향상으로 회전, 가속도, 전기, 자기장, 온도, 압력, 음파, 진동, 3 위치, 응력, 습도, 점도, 화학 측정에 사용 및 연구되고 있다. 광섬유 센서의 진동 측정에 상용 가속도 센서와 비교 고찰하고 광섬유 센서의 진동측정의 가능성을 검토하였다.
- 본 연구는 상용 가속도 센서로 적용이 곤란한 절삭상태에서 보링바의 진동측정 문제에 대해 매우 간소한 구조의 광섬유 센서를 제작하여 그 적용 가능성을 확인하였다.
- 이에 본 논문에서는 진동을 측정하기 위한 기존의 상용화 센서 이외에 다른 방법을 통한 진동측정의 가능성을 고찰하다. 향후 가공에서 발생하는 여러 진동들이 공진되어 야기되는 문제점들을 줄이기 위하여 진동에 대한 실시간 감시와 신호 화가 필요하다.
제안 방법
- Fig. 2 를 토대로 여러 모드에 대하여 해석하였으나 보링바에 대한 진동특성은 1차 모드와 2 차모드로 국한되었기 때문에 본 논문에서는 1 차와 2차 모드에 대해서 만 논하였다.
- 가속도 센서는 부착위치에 따라 방향성을 가지고 있으므로 충격망치도 가속도 센서의 부착의 방향성에 맞추어 주분력 방향과 배분력 방향으로 나누어 타격하였다.
- 광섬유 진동센서의 유효성을 검증하기 위해 광섬 유 진동센서 와 싱요 가속도 센서 를 Fig. 10과 같이 주분력과 배분력에 대하여 같은 부위에 센서를 부착 하였다.
- 두 번째 실험은 센싱 간극을 변수로 성능 실험을 하였다. 센싱 지그의 간극 크기는 0mm 부터 5mm 까지 1mm 간격으로 하고, 가진 주파수를 100, 500, 1000, 21(X)Hz 로 나누어 센싱 감도를 고찰하였다.
- 보링바에 센서 부착 시 부착 방향과 위치에 따라 고유진동수의 변동여부를 검토하기 위하여 센서의 부착 위치에 따른 진동의 변화를 측정 검토하였다.
- 본 논문에서는 보링바의 고유진동수를 측정하기에 앞서 외팔보 진동이론을 바탕으로 외팔보의 3 차원 시뮬레이션 모드 해석하였다. 이를 통하여 보링바의 고유진동수를 간접적으로 예측하고 진동 모드에 대한 경향을 분석하였다.
- 세서의 부착위치와 타격위치를 변수로 하고 타격 횟수는 각 위치에서 10 회 이상을 실시하였고 table 3 고]- 같이 보링 바의 오버 행에 따라 센서 의 위치를 3구간으로 나누었다.
- 하였다. 센싱 지그의 간극 크기는 0mm 부터 5mm 까지 1mm 간격으로 하고, 가진 주파수를 100, 500, 1000, 21(X)Hz 로 나누어 센싱 감도를 고찰하였다.
- 유한요소 해석 할 때와 동일하게 3 종류의 보링바(직경이 각각 016, 020, 025)에 대해 각각 3D, 5D, 7D 의 오버행을 변수로 하고 가속도센서와 광섬유 진동센서를 동시에 이용하여 보링바의 고유진동수를 실험하였다.
- 이는 가진기와 센싱지그 사이의 광섬유 길이가 짧으면 가진기의 진동과 광섬유의 물리적인 진동이 시간에 따라 중첩되어 노이즈 발생에 직접적인 영향이 있음을 실험을 통해 알 수 있었기에 이후 광섬유 진동센서 실험에서는 광섬유의 길이를 1000mm 이상의 조건에서 실시하였다.
- 차원 시뮬레이션 모드 해석하였다. 이를 통하여 보링바의 고유진동수를 간접적으로 예측하고 진동 모드에 대한 경향을 분석하였다.
- 이에 광섬유의 길이, 고정구 간극에 따른 진동측정 신호의 특성을 고찰하고 최적의 구성으로 광섬유 진동센싱 장치를 제작하였다.
- 광섬유 길이는 각각 짧은 것을 100mm로 하고 긴 것은 1000mm 로 하였다. 이에 대하여 주파수를 100, 300, 500, 800, 1200, 1500, 1800, 2100Hz 의 정현파 강제진동을 가하여 센싱 감도를 고찰하였다.
- 즉 보링 바의 오버행 에 대한 고유진동수 즉정은접근성이 용이한 위치에 센서를 부착하여도 결과에 영향이 없다는 결과를 토대로 센서의 부착 위치는 타격과 간섭을 고려하여 C 위치에 부착하고 측정 시스템을 구성하였다.
- 진동 센서의 최적적인 성능을 위해 Fig. 6 과 같이 시험 센싱 시스템을 구성하였고 두 가지로 실험하고 고찰하였다.
- 첫 번째 실험은 가진기와 센싱 지그 사이의 발광 부의 광섬유 길이를 변수로 하여 성능 실험을 하였다. 광섬유 길이는 각각 짧은 것을 100mm로 하고 긴 것은 1000mm 로 하였다.
- 측정은 상용화된 가속도 센서를 이용하여 주분력 방향과 배분력 방향으로 Fig. 9 와 같이 A, B, C 구간으로 나누어 각각의 위치에서의 고유진동수를 측정 및 비교 고찰하였다.
- 특히 선반을 통한 절삭가공에서는 강제진동 (Forced Frequency) 의 하나인 마찰에 의한 진동 (Chatter)이 발생한다3 이를 측정하기 위하여 외경 가공을 토대로 진동여부를 측정하였다.
- 해석에는 원통 외팔보로 간주하고 척과 슬리브 그리고 보링바의 조립된 상태로 고려하여 보링바의 오버행에 대한 고유진동수의 변화를 확인하고 각 모드별 주파수의 차이에 대하여 고찰하였다.
대상 데이터
- 따라서 본 실험에서의 광섬유 진동센서는 광섬유의 길이를 1000mm 이상으로 하고 세싱 간극은 4mm 로 구성 하였다.
- 본 연구에서는 기존의 센서에 비해 구조적으로 간단하고 제작비용이 저렴하며 높은 성능을 구현할 수 있는 광섬유 센서를 이용하였다. 광섬유 센서는 관련 부품들의 성능향상으로 회전, 가속도, 전기, 자기장, 온도, 압력, 음파, 진동, 3 위치, 응력, 습도, 점도, 화학 측정에 사용 및 연구되고 있다.
- 해석모델은 Fig. 1과 같으며 그림에서의 해석변수는 보링바의 직경과 오버행이다.
- 해석에 적용한 보링바는 산업현장에서 가장 많이 사용되고 있는 일반적인 스틸 보링바를 직경 (D) 016, 020, 025 로 3 개를 선정하였다. 보링바의 오버행(L)은 각 직경 의 3 배, 5 배, 7 배로 나누어 실시하였다.
이론/모형
- 보링 바의 진동특성 의 유한요소해석 은 상용프로그램 인 Ansys workbench 를 이용하였다. 해석모델은 Fig.
성능/효과
- (1) 최적의 광섬유 진동센서장치를 구성하는데 광섬유의 길이가 길수록 좋으며 고정구 간극은 4mm 일 때 가장 감도가 우수하였다.
- (2) 유한요소해석과 상용 가속도 센서 결과를 광섬유 진동센서와 비교한 결과 거의 동일한 결과를 보였으며 오히려 광섬유 진동센서의 고유진동수 측정감도가 보다 우수함을 확인하였다.
- 광섬유 길이에 관계없이 저주파 보다 고주파의 감도가 상대적으로 낮은 경향을 알 수 있었으며 광섬유 길이에 따라 진폭의 차이가 있음을 알 수 있었다.
- 그 결과 보링바의 직경이 작을수록 높은 고유진동수를 가지며, 오버행이 길수록 낮은 고유진동수를 보였고 주분력과 배분력의 고유진동수는 보링바의 오버행에 따라 동일한 경향을 나타내었다. 그러나 주분력 방향으로 척킹 된 볼트로 접촉면의 강성이 증가하여 배분력 보다 주분력의 고유진동수가 약간 높은 경향을 나타내었다
- 따라서 본 논문에서 제안한 보링바의 진동 측정에 광섬유 진동센서를 이용할 수 있는 가능성을 확인했다.
- 실험결과 센싱 지그의 간극은 4mm 에서 가장 좋은 감도를 나타내었다,
- 즉 광섬유진동센서가 상용 가속도 센서 및 유한요소해석의 결과와 동일하거나 거의 일치하므로 본 논문에서 제안한 광섬유진동센서가 매우 유효하다는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 가능성을 고찰하다. 향후 가공에서 발생하는 여러 진동들이 공진되어 야기되는 문제점들을 줄이기 위하여 진동에 대한 실시간 감시와 신호 화가 필요하다. 나아가 감지된 진동신호를 또 다른 입력신호로 활용해야 할 것이다.
- 향후 광섬유의 타입별, 광원의 종류별 센싱 감도에 대한 비교 검토가 이루어지면 가공 시 발생하는 진동에 대한 효율적인 측정이 가능할 것으로 전망한다.
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