[논문]다중 센서를 이용한 CNC 선반에서의 실시간 공구파손 감시에 관한 연구

안영진; 김재열

doi:10.9725/kstle.2012.28.3.130

다중 센서를 이용한 CNC 선반에서의 실시간 공구파손 감시에 관한 연구
A Study on Real-time Tool Breakage Monitoring on CNC Lathe using Fusion Sensor 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.28 no.3, 2012년, pp.130 - 135

안영진 (조선대학교 첨단부품소재공학과) , 김재열 (조선대학교 첨단부품소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study presents a new methodology for realtime tool breakage detection by sensor fusion concept of two hall sensor and an acoustic emission (AE) sensor. Spindle induction motor torque of CNC Lathe during machining is estimated by two hall sensor. Estimated motor torque instead of a tool dynamometer was used to measure the cutting torque and tool breakage detection. A burst of AE signal was used as a triggering signal to inspect the cutting torque. A significant drop of cutting torque was utilized to detect tool breakage. The algorithm was implemented on a NI DAQ (Data Acquisition) board for in-process tool breakage detection. The result of experiment showed an excellent monitoring capability of the proposed tool breakage detection system. This system is available tool breakage monitoring through internet also provides this system's user with current cutting torque of induction motor.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

또한 본 연구에서는 공작기계의 특성 및 절삭조건에 따라 구간 당 데이터 수와 비돌발형 신호의 한계 값을 변경함으로써 공구파손 검출시 민감도와 신뢰도를 조절할 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 절삭토크와 상호보완적 정보를 가지고 있는 AE를 동시에 감시함으로써 보다 신뢰성 있는 공구파손을 검출하기 위해 Fig. 1과 같이 다중센서를 이용한 공구파손감시 알고리즘을 제안하였다. 제안한 알고리즘에서는 공구파손에 의한 돌발 신호와 다른 원인에 의한 돌발 신호와의 정확한 변별을 위해, AE신호의 발생을 검출 기점으로 하여 절삭토크 변화의 감시하도록 하였다.

제안 방법

또한 Graphical programming 기법(Ni사, LabView)을 사용하여, 고정자 전류 신호, 절삭력 신호, AE신호는 A/D 변환 보드(Ni사, Ni-DAQ PCI-MIO16E-4 board)를 통해 A/D변환 후, 공구파손 감시 알고리즘에 따라 주축 회전수, 절삭력, 실험에 사용된 절삭 공구는 대한 중석의 TT5100 (CNMG 120408)으로 공구파손 감시를 위한 실험은 건식 절삭법으로 수행하였다. AE 신호를 실시간으로 감시하도록 시스템을 구축하였다. 공구의 파손을 쉽게 일으키기 위하여 Fig.
AE 신호를 실시간으로 감시하도록 시스템을 구축하였다. 공구의 파손을 쉽게 일으키기 위하여 Fig. 4와 같이 공구의 경사면을 와이어 방전가공(Wire EDM)으로 슬롯을 가공하였다.
공구파손 감시 실험에 앞서 제안한 알고리즘을 적용하여 주축 유도전동기의 전류신호를 이용해 추정된 로터 속도 및 토크(T_e) 값과 공구동력계를 이용해 측정된 토크(Tref) 값이 얼마나 잘 일치 하는지를 알아보았다.
알고리즘에 따라 비돌발형 AE 신호의 한계값(TR_AE)보다 AE신호의 이동평균의 비가 클 경우 공구 파손에 따른 돌발형 AE신호로 인식하게 된다. 돌발형 AE신호가 공구파손에 기인한 것인지 다른 원인에 의한 것인지를 최종적으로 결정하기 위해 토크의 한계값(TR_Te)과 토크의 이동평균비를 비교하여 토크의 이동평균비가 토크의 한계값 보다 클 경우 공구가 파손된 것으로 정의하였다. 여기서 비돌발형 AE신호의 한계값과 추정된 토크의 한계값은 공작기계, 공구, 공작물에 따라 임의로 정할 수 있도록 하였다.
또한 Graphical programming 기법(Ni사, LabView)을 사용하여, 고정자 전류 신호, 절삭력 신호, AE신호는 A/D 변환 보드(Ni사, Ni-DAQ PCI-MIO16E-4 board)를 통해 A/D변환 후, 공구파손 감시 알고리즘에 따라 주축 회전수, 절삭력, 실험에 사용된 절삭 공구는 대한 중석의 TT5100 (CNMG 120408)으로 공구파손 감시를 위한 실험은 건식 절삭법으로 수행하였다. AE 신호를 실시간으로 감시하도록 시스템을 구축하였다.
또한 기존에 주로 사용되고 있는 공구동력계 대신 유지보수 및 설치가 간단한 홀센서만을 이용하여 CNC 선반 주축 유도전동기의 전류신호로부터 절삭 토크를 추정하고 AE센서를 동시에 이용함으로써 공구 파손 감시를 위한 실제 시스템에 쉽게 적용 할 수 있도록 하였다.
제안한 알고리즘에서는 공구파손에 의한 돌발 신호와 다른 원인에 의한 돌발 신호와의 정확한 변별을 위해, AE신호의 발생을 검출 기점으로 하여 절삭토크 변화의 감시하도록 하였다. 또한 실시간으로 공구의 파손감시를 위해 0.01 sec단위로 AE신호와 절삭토크 변화를 검출하고, 신호의 진동을 줄이기 위해 20개의 데이터 단위로 이동평균법을 적용하였다.
또한 하나의 센서로부터 얻어진 단순정보로는 여러가지 절삭조건과 절삭과정 중 발생하는 다양한 이상 상태에 대한 정확한 변별력을 가지지 못하므로 추정된 토크와 AE(Acoustic emission) 센서를 함께 사용하여 공구 파손을 실시간으로 감시하는 다중센서(Fusion sensor) 알고리즘을 제안하였다.
본 논문에서는 유도전동기에 인입되는 3상전류를 측정하여 유도전동기의 전기적 토크를 구하고 마찰계수와 절삭 부하에 의해 증가한 마찰력 함수 등을 포함한 기계부 모델링 해석을 통해 절삭토크를 추정하고, 추정된 절삭토크를 이용해 공구파손을 감시함으로써 위와 같은 문제를 해결하였다.
본 연구에서는 절삭공정의 자동화를 위해 필수적인 공구 파손 감시 방법으로 기존 연구에서 주로 사용된 하나의 센서로부터 단순 정보를 얻는 방법을 탈피하고 상호보완적인 정보를 이용하기 위해 다중센서를 이용하였다.
1과 같이 다중센서를 이용한 공구파손감시 알고리즘을 제안하였다. 제안한 알고리즘에서는 공구파손에 의한 돌발 신호와 다른 원인에 의한 돌발 신호와의 정확한 변별을 위해, AE신호의 발생을 검출 기점으로 하여 절삭토크 변화의 감시하도록 하였다. 또한 실시간으로 공구의 파손감시를 위해 0.

대상 데이터

Fig. 2와 Fig. 3은 실험 장치도를 나타내며, 절삭토크 추정을 위해 홀센서(HIOKI사, 9275 Clamp on AC sensor)와 공구동력계(KISTLER사, 9257B), 전하 증폭기(KISTLER사, 5019A)를, AE신호 검출을 위해 AE센서(AMISTRS사)를 사용하였다.
실험결과 로터 속도는 1% 이내의 오차율을 보였고, 토크 값의 경우 초기 절삭 구간에서 추정된 토크 값과 기준 토크 값 사이의 차이는 있지만 평균 3%이내의 오차율을 보였다. 공구 파손 감시를 위한 지표로서 AE센서와 CNC 선반 주축 유도전동기의 전류신호로부터 추정된 토크를 사용하였다. Fig.
절삭부하에 의한 마찰토크 증가량(δT_f)과 절삭토크(T_c)의 관계식은 식(4)와 같이 나타낼 수 있다. 실험에는 공작물로 SM45C와 CNMG 120408(T사) 타입의 상용 초경공구를 사용하였고, 식(5)에 의해 절삭토크(T_c)를 추정할 수 있다.
절삭토크 추정 및 공구파손 감시를 위한 실험에 사용된 공작기계는 SIMENS사의 스핀들 모터(1PH6137-4NZ00)가 적용된 현대자동차 HiT-15 CNC 선반으로 모터의 규격과 파라미터는 Tables 1, 2와 같다.

성능/효과

3 mm로 하여 공구 파손 실험을 한 결과를 나타낸다. 실험 결과 절삭 깊이 2.5 mm 진입구간에서 절삭공구의 EDM 슬롯 부위에 파손이 발생했으며, Fig. 7에서 볼 수 있듯이 급격한 토크 감소를 나타내었다. Fig.
3 mm/rev으로 로터 속도와 토크 값을 추정하기 위한 예비 절삭 실험을 한 결과를 나타낸다. 실험결과 로터 속도는 1% 이내의 오차율을 보였고, 토크 값의 경우 초기 절삭 구간에서 추정된 토크 값과 기준 토크 값 사이의 차이는 있지만 평균 3%이내의 오차율을 보였다. 공구 파손 감시를 위한 지표로서 AE센서와 CNC 선반 주축 유도전동기의 전류신호로부터 추정된 토크를 사용하였다.
실험결과 전류신호를 이용해 추정된 토크로부터 공구 파손 시 절삭 토크의 급격한 감소를 확인할 수 있었으며, 절삭 과정 중에 추정된 토크는 토크의 최댓값과 최젓값 사이에 약 2.5Nm의 범위를 가지고 있었고 이를 이용하여 공구 파손을 검출 할 수 있었다.
제안한 다중센서를 이용한 공구 파손 감시 알고리즘을 실제 시스템에 적용하여 실험을 한 결과 0.02 sec이내에 공구 파손을 검출할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	절삭력 측정 방법 중 공구동력계를 이용하는 방법의 단점은 무엇인가?	그동안의 연구결과 절삭력은 절삭가공 중 이상 현상, 절삭부하 등의 상태를 감시하는 가장 정확한 방법으로 잘 알려져 있다. 절삭력을 측정하는 방법으로 공구동력계(Tool dynamo meter)를 이용하는 방법이 있으나, 설치비용, 공구교환, 절삭유사용, 배선 및 간섭 등의 다양한 문제가 있다.
	다중센서(Fusion sensor) 알고리즘의 기능은 무엇인가?	또한 하나의 센서로부터 얻어진 단순정보로는 여러가지 절삭조건과 절삭과정 중 발생하는 다양한 이상 상태에 대한 정확한 변별력을 가지지 못하므로 추정된 토크와 AE(Acoustic emission) 센서를 함께 사용하여 공구 파손을 실시간으로 감시하는 다중센서(Fusion sensor) 알고리즘을 제안하였다.
	절삭 가공 중에 발생하는 이상 현상으로는 무엇이 있을까?	공작물의 절삭 과정에서 발생하는 공구파손, 공구마모, 채터(Chatter) 등은 공작물의 치수정밀도 및 표면조도와 밀접한 관계를 가지고 있으며, 이에 따라 절삭가공 중에 이를 감시할 수있는 신뢰성 있는 모니터링 시스템이 요구되어 지고 있다.

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