[논문]공작기계 채터진동 스마트 보정제어 기술

김동훈; 송준엽; 고동연

doi:10.7736/kspe.2015.32.1.9

문제 정의

열변형 다음으로 가공정밀도에 큰 영향을 미치는 것이 채터진동이기에 가공성과 안정성을 확보하기 위해서는 채터진동은 반드시 제거되어야 하는 항목이다. 공작기계의 가공시 발생하는 채터진동은 특정 절삭조건에서 발생하므로 이러한 절삭조건을 실험적으로 규명하기 위해 Fig. 1처럼 스핀들 축의 x, y, z 방향에 가속도 센서를 부착하여 실험 조건에 따른 특성을 파악하고자 한다.
^6,7따라서 실시간(Real-time)으로 채터진동에 따른 적합한 제어가 되지 않으면 가공툴이 파손되거나 파손되지 않더라도 가공된 소재의 표면 조도(Surface Roughness)가 저하된다. 따라서, 본 연구에서는 공작기계는 이러한 채터진동을 보상하기 위하여 채터진동 감지 및 예측모델에 대한 부분을 임베디드 디바이스화 하고 이송속도 및 회전속도 조절을 위한 기능을 컨트롤러인 CNC(Computerized Numerical Controller)에 실장(Implementation)하여 적용하고자 한다.
본 연구의 목적은 가공물과의 마찰 및 스핀들 회전에 따른 채터진동에 기인한 가공품 표면거칠기 저하를 가공중 자율 제어하기 위한 것으로 다음과 같은 내용을 수행하였다. 실시간으로 가공상태의 신호를 획득한 후 채터진동의 유무를 결정하는 디지털 필터를 구현하였다.

가설 설정

- 보상값이 적용되어 채터진동이 감소한다.

제안 방법

CNC 내부적인 채터 보정 방법은 실험적으로 선행된 채터시 발생하는 RMS한계값과 현재 계측된 RMS 값의 비를 공작기계의 Feedrate 변화율 지령으로 하여 NC커널에 지령하는 방식을 채택하였다. 실험조건은 다음과 같다.
그리고 Fig. 3처럼 채터 진동 특성을 다양하게 분석하기 위해 이송속도를 500, 1500, 2500mm/min 씩 증분하면서 실험한 신호의 FFT 분석을 수행하였다.
인터럽터를 중지시키는 이유는 실제 버퍼내에 저장되어 있는 데이터를 분석하는데 소요되는 시간은 인터럽터 주기보다 많은 시간이 걸리기 때문이다. 데이터의 분석(디지털 필터와 채터 판단 알고리즘 등)을 위해서 인터럽터와 관계된 타이머를 비활성 상태로 만들어 인터럽터를 중지시킨다, 그리고 메인 프로그램에서 데이터 분석프로세서가 완료된 후 다시 비활성된 타이머를 활성시켜 인터럽터 서비스 루틴이 수행되도록 한다. 이러한 관계를 Fig.
가속도 센서로부터 입력되는 신호로부터 채터 진동을 실시간으로 판단하기 위해서는 채터진동 주파수 대역을 판단해야 한다. 따라서 본 연구에서는 채터 진동과 관련된 주파수 대역을 Raw 신호로부터 추출하기 위해 Chebyshev 타입의 디지털 BandPass 필터를 사용한다.
DSP내부의 버퍼는 용량이 그다지 크지 않기에 버퍼의 크기는 제한되어있다. 따라서 실시간으로 신호를 저장할 때 버퍼가 오버플로우 되지 않도록 하였고, 버퍼가 완전히 채워졌을 경우 이 버퍼의 신호를 설계된 밴드 패스 필터인 차분방정식에 적용하여 필터된 신호를 저장하였다. 그리고 필터된 신호의 에너지 레벨을 평가하기 위해 Root Mean Square를 취하여 이를 채터 진동의 판별기준으로 삼았다.
분석대상의 신호는 절삭조건 중 스핀들 속도와 절입깊이는 일정할 때 이송속도의 변경에 따라 발생하는 과도한 채터진동 및 절삭력으로 인해 공구가 파손된 경우의 절삭조건에 해당하는 신호를 분석한다. 먼저, 절삭조건을 절입두께를 0.8mm, 회전속도를 1000rpm, 이송속도를 500mm/min로 하여 신호를 분석하였다.
이러한 내용은 하드웨어적으로 Firmware되어 임베디드 디바이스로 구현 적용되었으며, 이를 기반으로 CNC에 인터페이스 프로그래밍함으로써 스핀들 속도, 공구이송 속도, 절입깊이 등이 가공중 실시간 자율 보상되도록 하였다. 보상을 적용하는 방법에서의 차별성은 채터진동 발생시 동적으로 가공조건을 변화시킬 수 있도록 한 부분과 임베디드 디바이스 형태의 보상기에서의 출력된 보상값의 적용을 위한 프로그램을 차제 개발한 것이다. 또한 획득된 보상값을 임베디드 디바이스 내부 컨트롤러에서 공작기계 제어기인 CNC로 무선통신으로 전달함으로써 실시간적으로 공작기계가 채터진동에 제어하도록 하는 기능이 구현되었다.
초기화 부분은 DSP 처리속도와 관계된 PLL 설정, 채터진동의 유무를 판단하는 기준 신호로 사용되는 가속도 신호를 샘플링 하기 위한 A/DConverter 설정, SCI 설정, 샘플링의 기준 신호인 내부 타이머 설정, 그리고 샘플링과 직접 관계되는 인터럽터 설정을 포함해 총 5가지로 구성되어있다. 본 연구에서는 샘플링 주파수는 SCI를 통해 변경될 수 있도록 하였으며 디폴트 값은 20kHz로 설정되었다. A/D변환 채널수와 입력전압레벨은 조정이 가능하도록 되어있으며, 통신 속도는 38400bps로 고정하였다.
DSP내부에서 실시간 일어나는 과정에서 필요한 계측 데이터를 추출하는 것은 가공이 진행하는 과정에서는 상당히 어려움이 있다. 본 연구에서는 적용된 DSP에서 공작기계 NC지령 값만을 추출하고, 이때의 가공 표면을 스타일러스로 측정하여 채터 보정이 없는 경우와 비교하였다. 그 결과를 아래의 Fig.
분석대상의 신호는 절삭조건 중 스핀들 속도와 절입깊이는 일정할 때 이송속도의 변경에 따라 발생하는 과도한 채터진동 및 절삭력으로 인해 공구가 파손된 경우의 절삭조건에 해당하는 신호를 분석한다. 먼저, 절삭조건을 절입두께를 0.
본 연구의 목적은 가공물과의 마찰 및 스핀들 회전에 따른 채터진동에 기인한 가공품 표면거칠기 저하를 가공중 자율 제어하기 위한 것으로 다음과 같은 내용을 수행하였다. 실시간으로 가공상태의 신호를 획득한 후 채터진동의 유무를 결정하는 디지털 필터를 구현하였다. 디지털 필터의 설계 및 RMS를 통한 에너지레벨 측정을 통하여 가속도 신호를 기준으로 하기 때문에 샘플링 속도가 높고 또한 채터진동을 보상하기 위한 자동보상기가 마이컴(DSP) 기반으로 되어 있는 환경하의 고속 샘플링 및 적은 샘플수와 같은 제약조건에서 채터진동 신호를 가공중 실시간으로 판단이 가능하였다.
위에서 구해진 차분방정식을 실제 데이터에 적용하여 필터 성능을 검증해 보았다. 대상신호는 회전수 1000rpm, 절입깊이 0.
디지털 필터의 설계 및 RMS를 통한 에너지레벨 측정을 통하여 가속도 신호를 기준으로 하기 때문에 샘플링 속도가 높고 또한 채터진동을 보상하기 위한 자동보상기가 마이컴(DSP) 기반으로 되어 있는 환경하의 고속 샘플링 및 적은 샘플수와 같은 제약조건에서 채터진동 신호를 가공중 실시간으로 판단이 가능하였다. 이러한 내용은 하드웨어적으로 Firmware되어 임베디드 디바이스로 구현 적용되었으며, 이를 기반으로 CNC에 인터페이스 프로그래밍함으로써 스핀들 속도, 공구이송 속도, 절입깊이 등이 가공중 실시간 자율 보상되도록 하였다. 보상을 적용하는 방법에서의 차별성은 채터진동 발생시 동적으로 가공조건을 변화시킬 수 있도록 한 부분과 임베디드 디바이스 형태의 보상기에서의 출력된 보상값의 적용을 위한 프로그램을 차제 개발한 것이다.
채터가 발생했다고 판별할 경우 시리얼 통신으로 현재 대상 공작기계에 가공상태를 요청하고, 공작기계가 현재 절삭조건(이송속도, 회전수등)을 DSP에 전달하면 이를 기준으로 하여 새로운 절삭조건을 공작기계에 지령하였다. 이러한 실시간 반복 계측 및 보상알고리즘을 통해 채터 진동을 보상하였다.
인터럽터가 발생한 횟수를 카운터하는 변수를 버퍼의 크기와 비교하여 버퍼가 포화되었을 시 인터럽터와 관계된 타이머의 활성 상태를 비활성 시켜 인터럽터 발생을 중지시키고, NC공작기계에서 수행되고 있는 감시 프로그램에 ‘>’ 문자를 전송한다.
절삭가공은 절입두께와 이송속도(Feed Rate) 그리고 스핀들 회전수(Spindle Rate)를 변경하면서 가공을 수행하였고, 채터진동 신호의 측정은 가속도 센서를 대상 공작기계의 각 축에 마그네틱으로 부착하여 신호를 획득하였고, 획득시 샘플링 주파수는 20kHz로 하였다. Fig.
채터진동의 발생을 감지 및 판단하기 위해서 먼저 Stand-Alone 타입의 마이크로 프로세서 장치를 설계 및 제작하고, 채터진동을 판단하는 알고리즘과 이를 줄이기 위해 NC공작기계와 상호통신 가능한 시스템을 구축하였다. 본 연구의 목적에 부합되도록 개발된 채터 판단 및 저감 프로그램이임베디드 디바이스에 Firmware되어 있다.

대상 데이터

위에서 구해진 차분방정식을 실제 데이터에 적용하여 필터 성능을 검증해 보았다. 대상신호는 회전수 1000rpm, 절입깊이 0.8mm, 이송속도 500mm/min의 Raw 신호로 하였다. Fig.

데이터처리

위의 설계된 연속시간 필터의 성능 평가는 Matlab에서 수행되었다. Fig.

이론/모형

연산은 연산은 TMS320C2407A 40Mhz CPU를 사용하였다. A/D 변환 획득 데이터에서 노이즈 제거를 위해 설계된 필터의 차분방정식 알고리즘을 인터럽터 루틴에 적용하였다. Bluetooth는 실제 보상기내부에서 채터진동이라 판단했을 경우 이를 보상하기 위한 새로운 지령을 CNC공작기계로 전달하는 역할을 한다.
따라서 실시간으로 신호를 저장할 때 버퍼가 오버플로우 되지 않도록 하였고, 버퍼가 완전히 채워졌을 경우 이 버퍼의 신호를 설계된 밴드 패스 필터인 차분방정식에 적용하여 필터된 신호를 저장하였다. 그리고 필터된 신호의 에너지 레벨을 평가하기 위해 Root Mean Square를 취하여 이를 채터 진동의 판별기준으로 삼았다. 채터가 발생했다고 판별할 경우 시리얼 통신으로 현재 대상 공작기계에 가공상태를 요청하고, 공작기계가 현재 절삭조건(이송속도, 회전수등)을 DSP에 전달하면 이를 기준으로 하여 새로운 절삭조건을 공작기계에 지령하였다.

성능/효과

5회 반복 실험을 통한 채터 보상 전후의 성능개선율은 최저치가 약 5%정도로 나타났다. 각 실험에 대한 성능개선율을 Fig.
위의 결과에서 절입깊이가 깊을수록 채터진동으로 인한 표면거칠기가 증가함을 볼수 있을 뿐만 아니라 동일한 절삭조건에서 이송속도가 증가할수록 채터진동이 증가함을 알수 있다. Fig. 4에서 설명된 변화하는 3가지 주파수 대역중 이송속도의 증가에 따른 (즉 채터진동의 증가) 채터 진동을 판별하기 좋은 주파수 대역은 6000Hz~7000Hz임을 확인하였다. 이러한 실험 결과를 바탕으로 DSP에서 실시간 테이터를 획득함에 있어서 선행되어야 하는 필터는 밴드패스 필터임을 알 수 있다.
실시간으로 가공상태의 신호를 획득한 후 채터진동의 유무를 결정하는 디지털 필터를 구현하였다. 디지털 필터의 설계 및 RMS를 통한 에너지레벨 측정을 통하여 가속도 신호를 기준으로 하기 때문에 샘플링 속도가 높고 또한 채터진동을 보상하기 위한 자동보상기가 마이컴(DSP) 기반으로 되어 있는 환경하의 고속 샘플링 및 적은 샘플수와 같은 제약조건에서 채터진동 신호를 가공중 실시간으로 판단이 가능하였다. 이러한 내용은 하드웨어적으로 Firmware되어 임베디드 디바이스로 구현 적용되었으며, 이를 기반으로 CNC에 인터페이스 프로그래밍함으로써 스핀들 속도, 공구이송 속도, 절입깊이 등이 가공중 실시간 자율 보상되도록 하였다.
보상을 적용하는 방법에서의 차별성은 채터진동 발생시 동적으로 가공조건을 변화시킬 수 있도록 한 부분과 임베디드 디바이스 형태의 보상기에서의 출력된 보상값의 적용을 위한 프로그램을 차제 개발한 것이다. 또한 획득된 보상값을 임베디드 디바이스 내부 컨트롤러에서 공작기계 제어기인 CNC로 무선통신으로 전달함으로써 실시간적으로 공작기계가 채터진동에 제어하도록 하는 기능이 구현되었다.
설계된 연속시간 밴드패스 필터는 처음에 주어진 설계 사양과 비교하였을시 7000Hz의 CutOff 주파수에서 약간의 차이가 나지만 전체적으로 설계 사양을 추종하는 주파수역 특성을 나타내었다. 따라서 DSP에서 필터를 적용하기 위해서는 연속시간 필터를 이산시간계의 필터로 변환해야한다.
위의 결과에서 절입깊이가 깊을수록 채터진동으로 인한 표면거칠기가 증가함을 볼수 있을 뿐만 아니라 동일한 절삭조건에서 이송속도가 증가할수록 채터진동이 증가함을 알수 있다. Fig.
4에서 설명된 변화하는 3가지 주파수 대역중 이송속도의 증가에 따른 (즉 채터진동의 증가) 채터 진동을 판별하기 좋은 주파수 대역은 6000Hz~7000Hz임을 확인하였다. 이러한 실험 결과를 바탕으로 DSP에서 실시간 테이터를 획득함에 있어서 선행되어야 하는 필터는 밴드패스 필터임을 알 수 있다.
이송속도가 증가할수록 0~500, 430~460, 6000~7000 사이에 존재하는 주파수의 진폭이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 이송속도가 3000mm/min에서 공구가 파손이 일어났다.

후속연구

Chebyshev 필터는 감쇠비는 크지만 리플을 가지고 있는 특성 때문에 밴드대역내의 신호의 레벨이 정확히 요구되는 분야에서 적용하기가 어렵고 대신에 Butterworth 필터가 적당하다. 그러나 본 연구에서는 절삭조건에 따른 신호 패턴의 레벨이 중요하기에 감쇠비가 큰 Chebyshev 필터를 적용해도 무리가 없을 것으로 여겨진다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	채터진동이란 무엇인가?	공작기계를 이용한 가공시 열변형 다음으로 가공정밀도에 큰 영향을 미치는 것이 채터진동이다. 채터진동은 공작기계를 이용한 가공 과정에서 소재와 공구사이에 나타나는 급격한 상대진동으로
	공작기계의 채터진동을 줄이는 방법은 무엇인가?	이러한 공작기계의 가공시 발생하는 채터진동은 특정한 절삭조건에서 발생한다. 이러한 경우 가공 기계의 툴 구동속도(Spindle Rate)나 이송속도(Feed Rate), 절삭깊이 등을 조절함에 의해 채터진동을 줄일 수 있다. 3-5 기존의 연구사례를 살펴보면 다음과 같다.
	실시간으로 채터진동에 따른 적합한 제어가 되지 않으면 어떠한 문제가 생기는가?	그러나 이러한 채터진동 조정 방법들은 실시간 보상의 개념이 아니어서 미리 가공전에 충분한 실험 데이터를 확보한 후 이 실험 데이터를 근거로 채터진동을 보상하여야 하므로 채터진동의 보상에 많은 시간과 노력이 소요되는 단점이 있었다. 6,7 따라서 실시간(Real-time)으로 채터진동에 따른 적합한 제어가 되지 않으면 가공툴이 파손되거나 파손되지 않더라도 가공된 소재의 표면 조도(Surface Roughness)가 저하된다. 따라서, 본 연구에서는 공작기계는 이러한 채터진동을 보상하기 위하여 채터진동 감지 및 예측모델에 대한 부분을 임베디드 디바이스화 하고 이송속도 및 회전속도 조절을 위한 기능을 컨트롤러인 CNC(Computerized Numerical Controller)에 실장(Implementation)하여 적용하고자 한다.

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