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문제 정의
- 마이크로가공기에 멀티 센서 장착을 통해 측정 신호의 신뢰성 확보 및 절삭 공정 모니터링을 하는데 목적을 두고 있다. 따라서 마이크로 기계 가공의 상태 감시기술을 적용하기 위해 절삭력, 진동, 음향 방출 및 전류 신호를 검출할 수 있는 센서들을 장착하였다(Fig.
- 본 연구에서는 매크로 가공에서 절삭공정 상태감시에 사용해 왔던 센서들을 이용해 마이크로절삭가공 시 발생하는 신호들을 멀티 센서의 조합을 통해 마이크로 공구 및 가공기에 대해 효과적으로 모니터링을 수행하였다. 실험 내용을 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 전류 와 진동 신호의 분석을 고속 퓨리 에 변환(Fast Fourier Transform)을 이용하여 절삭력을 간접 측정하고자 하였다. 홀센서를 사용하여 전류의 변화를 확인하기 위해서 아이들링상태에서 rpm 을 증가하면서 신호 획득을 수행하였다.
- 본 연구에서는 주축 모터의 전류를 이용해 모터 토크로서 절삭력을 간접 측정하고자 하였다.
제안 방법
- (3) 주축 모터 전류의 신호를 FFT 변환을 통한진폭의 변화와 주축의 가속도 신호의 비교를 통해 절삭력과 주축 스핀들의 rpm을 간접 측정하였다.
- 위해 공작물의 기울기를 설정하였다. 각 실험조건에 따라 비전 시스템을 이용하여 절삭 가공 전, 후에 공구의 형상 및 상태를 관찰하였고, 가속도계와 AE 센서의 신호들을 분석하였다. 절삭력 간접 측정 실험에서는 절삭깊이의 변화를 주어실험을 수행하였으며, 각 조건마다 주축 모터의 전류 신호와 가속도계의 진동 신호 변화를 분석하여 공구 동력계에서 얻은 절삭력과 비교를 하였다.
- 마이크로가공기에 멀티 센서 장착을 통해 측정 신호의 신뢰성 확보 및 절삭 공정 모니터링을 하는데 목적을 두고 있다. 따라서 마이크로 기계 가공의 상태 감시기술을 적용하기 위해 절삭력, 진동, 음향 방출 및 전류 신호를 검출할 수 있는 센서들을 장착하였다(Fig. 1). 이러한 멀티 센서를 이용한 각각의 센서 신호의 신뢰성 확보를 통해 단일센서의 측정 한계를 극복하고, 마이크로 절삭 가공 전 공정을 모니터링을 할 수 있었다.
- 주축은 최고 100,000rpm까지 가속할 수 있는 AC 인덕션(induction)모터를 사용하였고, 회전 시 진동을 최소화 할 수 있는 에어베어링 스핀들을 적용하였다. 또한 가공 시편의 미세한 기울어 짐 (tilting error)을 보상할 수 있도록 이송계 스테이지 상부에 별도에 Tilting stage를 장착하였다.
- 또한 절삭 깊이 변화에 따른 마모 상태를 관찰하기 위해 공작물의 기울기를 설정하였다. 각 실험조건에 따라 비전 시스템을 이용하여 절삭 가공 전, 후에 공구의 형상 및 상태를 관찰하였고, 가속도계와 AE 센서의 신호들을 분석하였다.
- 또한 주축의 회전을 조절하는 인버터에서 AC 인덕션 모터로 인입 되는 U상과 V상에 홀 센서를 장착하였고, 고주파 잡음을 제거하기 위해 1kHz의 lowpass filter를 사용하여 즉정하였다. 이러한 센서의 신호는 A/D 보드(PCI-NI 9133)를 통해 데이터를 획득하였다.
- 실험에 사용한 절삭공구는 Φ200㎛, Φ5OO㎛ 2날 플랫(flat)엔드밀을 사용하였고, 가공 시편의 재질은 SM45C를 사용하였다. 마이크로 공구의 마모 실험에서의 가공 실험 조건은 절삭깊이, 이송속도 및 절삭속도를 고정한 상태에서 절삭 가공 길이는 30mm를 유지하고, 슬롯(slot)가공을 수행하였다. 여기서 이송속도와 절삭속도는 마이크로 공구 제작사에서 제공하는 가공 조건으로 선정하였고, 절삭 깊이는 마모의 발생을 유도하기 위해 기준 값에 비해 크게 주었다.
- 가속도 센서는 민감도를 고려하여 주축 스핀들에 3축 가속도계(SA12ZSC- TI)를 설치하였다. 마이크로 공구의 상태를 측정하기 위해 광 대역 AE(AE204SA)센서를 지그에 장착 하였다.
- 미세 절삭 가공의 상태감시를 위해 진동과 전류 신호 및 AE 신호를 이용하였고, 각 센서의 신뢰성을 높이기 위해 공작물 아래에 마이크로 공구 동력계를 설치하였다. 가속도 센서는 민감도를 고려하여 주축 스핀들에 3축 가속도계(SA12ZSC- TI)를 설치하였다.
- 본 실험에서의 가공 조건은 이송속도와 주축회전수는 마이크로 공구 제작사에서 제공하는 피삭재 별 가공 조건을 참고하여 선정하였고, 절삭 깊이의 변화를 통해 절삭력을 간접 측정하였다.
- 본 연구에서는 마이크로 절삭 가공 중 공구의 마모와 가공 상태 모니터링은 다양한 센서를 이용하여 모니터링 시스템을 구축하였다. 마이크로가공기에 멀티 센서 장착을 통해 측정 신호의 신뢰성 확보 및 절삭 공정 모니터링을 하는데 목적을 두고 있다.
- 본 연구에서는 마이크로 절삭 공정 시 마이크로 공구마모 상태 감시와 절삭력 간접 측정을 위한 모니터링을 2파트로 나누어서 실험을 진행하였다. 실험에 사용한 절삭공구는 Φ200㎛, Φ5OO㎛ 2날 플랫(flat)엔드밀을 사용하였고, 가공 시편의 재질은 SM45C를 사용하였다.
- 각 실험조건에 따라 비전 시스템을 이용하여 절삭 가공 전, 후에 공구의 형상 및 상태를 관찰하였고, 가속도계와 AE 센서의 신호들을 분석하였다. 절삭력 간접 측정 실험에서는 절삭깊이의 변화를 주어실험을 수행하였으며, 각 조건마다 주축 모터의 전류 신호와 가속도계의 진동 신호 변화를 분석하여 공구 동력계에서 얻은 절삭력과 비교를 하였다. 두 실험의 조건은 Table 1과 같다.
- 가공 시스템은 3축 CNC공작기계와 동일한 구조이며, 이송계의 3축은 고정밀도 리니어 스테이지를 설치하였다. 주축은 최고 100,000rpm까지 가속할 수 있는 AC 인덕션(induction)모터를 사용하였고, 회전 시 진동을 최소화 할 수 있는 에어베어링 스핀들을 적용하였다. 또한 가공 시편의 미세한 기울어 짐 (tilting error)을 보상할 수 있도록 이송계 스테이지 상부에 별도에 Tilting stage를 장착하였다.
- 본 연구에서는 전류 와 진동 신호의 분석을 고속 퓨리 에 변환(Fast Fourier Transform)을 이용하여 절삭력을 간접 측정하고자 하였다. 홀센서를 사용하여 전류의 변화를 확인하기 위해서 아이들링상태에서 rpm 을 증가하면서 신호 획득을 수행하였다. 먼저, 절삭 무부하 상태에서 전류 신호의 회전 주파수와 가속도계 신호의 회전 주파수 및 이론적 주파수를 비교한 결과 미소한 오차 범위는 있었으나, 이를 통해 주축의 회전속도 및 상태감시를 할 수 있었다(Fig.
대상 데이터
- 공구 마모 실험은 020011m 공구로 5 회에 걸쳐 슬롯 가공을 수행하였다. 절삭 가공의 상태를 감시하기 위해 주축 스핀들에 장착한 가속도계의 신호를 시간영역(Time domain)이 아닌 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform)을 통한 주파수 영역(Frequency domain)분석을 수행한 결과 회전주파수(500Hz)와 2 날 공구를 사용시 날당 절삭주파수 (1, 000Hz)가 확인되었다(Fig.
- 실험에 사용한 절삭공구는 Φ200㎛, Φ5OO㎛ 2날 플랫(flat)엔드밀을 사용하였고, 가공 시편의 재질은 SM45C를 사용하였다. 마이크로 공구의 마모 실험에서의 가공 실험 조건은 절삭깊이, 이송속도 및 절삭속도를 고정한 상태에서 절삭 가공 길이는 30mm를 유지하고, 슬롯(slot)가공을 수행하였다.
- 고주파 잡음을 제거하기 위해 1kHz의 lowpass filter를 사용하여 즉정하였다. 이러한 센서의 신호는 A/D 보드(PCI-NI 9133)를 통해 데이터를 획득하였다.
성능/효과
- (1) AErms 신호를 이용해 절삭 깊이의 변화와 공구 마모의 진행은 측정 할 수 있었으나, 절삭부피의 감소로 인한 마모에 대해서는 상태 감시를 할 수 없었다.
- (2) 공구 마모의 증가로 인한 절입량 감소는 가속도 센서를 이용해 절삭 주파수의 진폭 변화로 측정 할 수 있었고, 회전 주파수로는 현재 rpm을 감시할 수 있었다.
- 여기에서도 확인할 수 있듯이 마이크로 공구의 형상은 마모로 인해 공구 폭의 직경 감소와 절삭날의 끝이 둥글게 변하는 것을 확인할 수 있었다. 공작물의 형상은 1번 슬롯의 경우 바닥 면에 날이 지나간 흔적을 확인할 수 있으나, 5번 슬롯의 경우 바닥 면에 공구날의 마모로 인한 비정상적인 절삭면의 흔적이 나타난 것을 보여주고 있어 멀티 센서를 이용한 절삭 모니 터링 신호가 유용하다는 것을 확인할 수 있었다.
- 따라서 공구의 마모가 증가되면서 AErms 신호는 구분하기 힘들지만, 가속도계 신호에서는 초기 공구 마모 및 마모의 증가에서도 절삭 주파수의 변화를 통해 확인할 수 있다.
- 홀센서를 사용하여 전류의 변화를 확인하기 위해서 아이들링상태에서 rpm 을 증가하면서 신호 획득을 수행하였다. 먼저, 절삭 무부하 상태에서 전류 신호의 회전 주파수와 가속도계 신호의 회전 주파수 및 이론적 주파수를 비교한 결과 미소한 오차 범위는 있었으나, 이를 통해 주축의 회전속도 및 상태감시를 할 수 있었다(Fig. 10).
- 실험 결과 AErms와 가속도계 신호를 이용해 마이크로 공구의 마모 분석과 더불어 절삭깊이 변화 즉, 마이크로 공구의 마모에 의한 절삭깊이 변화와 절삭 가공 조건에 의한 절삭깊이 변화를 구분할 수 있다. 마이크로 공구의 마모에 대한 신호의 확인 및 공구 상태를 확인 하기 위해 Fig.
- ll 은 주축 모터의 전류 신호를 이용한 회전주파수의 진폭 크기를 이용하여 절삭력 간접 측정을 한 결과를 나타낸다. 여기에서 확인한 결과절삭 깊이 변화에 따라 주축의 전류 신호의 FFT를 이용해 7.6%로의 오차를 갖는 절삭력을 간접 측정할 수 있었다. 또한 절삭력과 동일 방향인 X축, Z 축의 가속도 신호를 비교한 결과 각 방향에 대해서 유사한 경향을 나타내고 있다(Fig.
- 9는 1번과 5번 슬롯 가공 완료 후의 가공형상을 측정하였다. 여기에서도 확인할 수 있듯이 마이크로 공구의 형상은 마모로 인해 공구 폭의 직경 감소와 절삭날의 끝이 둥글게 변하는 것을 확인할 수 있었다. 공작물의 형상은 1번 슬롯의 경우 바닥 면에 날이 지나간 흔적을 확인할 수 있으나, 5번 슬롯의 경우 바닥 면에 공구날의 마모로 인한 비정상적인 절삭면의 흔적이 나타난 것을 보여주고 있어 멀티 센서를 이용한 절삭 모니 터링 신호가 유용하다는 것을 확인할 수 있었다.
- 가공을 수행하였다. 절삭 가공의 상태를 감시하기 위해 주축 스핀들에 장착한 가속도계의 신호를 시간영역(Time domain)이 아닌 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform)을 통한 주파수 영역(Frequency domain)분석을 수행한 결과 회전주파수(500Hz)와 2 날 공구를 사용시 날당 절삭주파수 (1, 000Hz)가 확인되었다(Fig. 3). 이를 통해 회전주파수는 주축 rprn 측정 에 사용 하였고 날당 절삭주파수는 마이크로 공구의 마모 감시에 사용하였다.
- 마모 순서로 발생한다. 하지만 본 연구에서는 각 슬롯에 대한 절삭력의 경향을 분석한 결과 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 5). Fig.
후속연구
- (4) 단일 센서의 측정 한계를 멀티 센서를 이용해 입체적인 측정과 분석 결과의 신뢰성을 부여하였으며, 향후 이러한 기초 연구를 바탕으로 보다 다양한 조건하에서 모니터링 연구가 추가적으로 필요하다.
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