[논문]머시닝센터 주축 고장예측에 관한 연구

이태홍

doi:10.14775/ksmpe.2016.15.4.134

머시닝센터 주축 고장예측에 관한 연구
A Study on Diagnosis and Prognosis for Machining Center Main Spindle Unit 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.15 no.4, 2016년, pp.134 - 140

이태홍 (오산대학교 기계과)

Abstract ▼ AI-Helper

Main Spindle System has effect on performance of machine tools and working quality as well as is required of high reliability. Especially, it takes great importance in producing automobiles which includes a large number of working processes. However, main spindle unit in Machine tools are often cases where damage occurs do not meet the design life due to driving in harsh environments. This is when excessive maintenance and repair of machine tools or for damage stability has resulted in huge economic losses. Therefore, this studying propose a method of accelerated life test for diagnosing and prognosis the state of life assessment main spindle system. Time status monitoring of diagnostic data - through the analysis of the frequency band signals were carried out inside the main spindle bearing condition monitoring and fault diagnosis.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

디스크 스프링은 주축의 드로바(Draw Bar)에 쓰이는 부품으로 스프링력(Spring Force) 불량 또는 절삭유 침투에 의한 부식이 대부분이다. 따라서 본 연구에서는 디스크 스프링 신뢰성 시험은 차후 과제하고, 베어링부품에 대하여 가속 수명 시험을 계획하도록 하였다.
본 연구는 공작기계 스핀들의 신뢰도 향상을 위하여 가속수명시험을 통한 무고장 보증 시험 정립하고 시험 중 실시간으로 모니터링 되는 데이터를 상태진단 알고리즘을 통하여 분석하였다. 시험기종은 현대위아의 12,000rpm MCT주축을 사용하였다.
따라서 가속 스트레스 조건으로 절삭하중(절삭력)을 설정하여 가속 수명 시험을 계획하였다. 시험을 통해 공작기계 스핀들에 대한 진동값 데이터베이스를 확보하고 이를 정량화하여 상태진단 알고리즘을 개발하여 주축 수명 예측하는데 적용 가능성을 제시하고자 한다.

가설 설정

가속 수명 시험을 위한 시험시간 및 가속계수를 계산하기 위하여 고장 시간 분포는 Weibull 분포를 따른다고 가정하였다^[6]. 이때 n개의 시료에서 고장이 발생하지 않는다고 할 때, 신뢰수준 CL(%)로 보증수명을 검증하기 위한 시험시간은 식 (3)과 같다.

제안 방법

2절에서 구한 시험조건으로 BEDLESS 주축에 대하여 데이터 취득을 위한 보증시험을 진행하였다. BEDLESS 주축 카트리지 외부에 수평방향 수직방향 두 개의 가속도계를 부착하여 데이터를 취득하였다.
가속시험을 통한 보증 시험에서의 실시간 상태 모니터링 데이터를 통해서 시험 진행 도중의 스핀들의 상태진단을 시행하였다. Fig.
공작기계 관련 문헌조사를 통하여 가장 빈번하게 발생하는 주요 고장 유닛과 고장모드 및 메커니즘을 분석하였다^[2][4]. 필드에서 가장 많은 고장을 일으키는 부품은 축 하중 지지 베어링과 디스크스프링으로 나타났다.
공작기계 스핀들 고장 메커니즘 분석 및 가속 수명 시험 기법을 개발하기 위해서는 고장 메커니즘에 따라 고장에 영향을 많이 미치는 물리량 (진동, 온도, 외력)을 선정하고 이를 바탕으로 공작기계 상태 모니터링을 위한 센서 및 주요 인자를 선정하였다.
시료 수 제한으로 인한 영향을 최소화하기 위해서 필드에서의 작동 프로파일을 참고^[2][4]하여 실사용 하중 조건의 평균하중 평균 회전수를 도출하였다. 다양한 사용조건을 평균하중 계산식을 통하여 하나의 하중조건으로 계산하고 이를 하나의 하중으로 인가하였다. 하중 Fm 회전속도 N, 작동시간 t에 대하여 평균하중(Fm)과 평균 분당 회전수(Nm)은 다음의 식 (1) 과 식(2)를 이용하여 부과 하중의 평균을 구할 수 있다^[5] .
데이터는 Fig.3과 같이 LabVIEW를 통하여 취득하였으며, 25.6kHz로 매 시간마다 2분간의 데이터를 저장하였다.
고장을 일으키는 주된 메커니즘은 절삭가공 시 절삭하중에 의한 피로 파괴로 나타났다^[2]. 따라서 가속 스트레스 조건으로 절삭하중(절삭력)을 설정하여 가속 수명 시험을 계획하였다. 시험을 통해 공작기계 스핀들에 대한 진동값 데이터베이스를 확보하고 이를 정량화하여 상태진단 알고리즘을 개발하여 주축 수명 예측하는데 적용 가능성을 제시하고자 한다.
특히 , M/C 공작기계에서 주축 시스템은 직접 절삭 가공이 이루어지는 주요 유닛이므로 공작기계 성능에 매우 큰 영향을 미치고 높은 내구신뢰성이 요구 되는 것이 사실이다 ^[2],[3]. 따라서 본 연구에서는 M/C 공작기계 스핀들 주요 고장 원인인 주요 부품으로 앵귤러 컨택트 볼베어링(Angular Contact Ball Bearing)을 선정하고 고장 메커니즘을 분석하였다. 고장을 일으키는 주된 메커니즘은 절삭가공 시 절삭하중에 의한 피로 파괴로 나타났다^[2].
본 연구에서는 고가의 공작기계 주축 한 개의 시료가 준비된 관계로 단일가속스트레스에서 한 개의 수준으로 시험을 진행하도록 하였다. 시료 수 제한으로 인한 영향을 최소화하기 위해서 필드에서의 작동 프로파일을 참고^[2][4]하여 실사용 하중 조건의 평균하중 평균 회전수를 도출하였다.
본 연구에서는 현대위아 (주) BEDLESS VMC모델에 적용된 12,000rpm 주축 대한 무고장 보증시험을 계획하여 진행하였으며, 이를 위하여 BEDLESS모델에 적용할 하중조건을 계산하고 가속수명시간을 계산하여 시험을 진행하였다. 시험을 진행하면서 측정한 실시간 진동데이터는 상태진단 알고리즘에 활용하였다.
시료 수 제한으로 인한 영향을 최소화하기 위해서 필드에서의 작동 프로파일을 참고[2][4]하여 실사용 하중 조건의 평균하중 평균 회전수를 도출하였다.
주파수 영역에서의 분석^[8][9]을 위해서 MCT 주축에 장착된 베어링의 특성 주파수를 계산하고 Envelope 처리한 베어링 신호와 비교하여 고장의 유무를 판단하였다. 시험에 사용한 모델에 쓰인 베어링은 NSK사의 70BNR10HT 제품으로 내경 70mm, 110mm, 외경 접촉각 18° 이다.
하중부과 장치 앞쪽에는 주축의 회전 속도와 힘을 지지해주는 2쌍의 베어링으로 구성되어 있으며 베어링은 FAG 사의 B7005-C-T-P45로써 동적 하중이 14.6kN이며 Oil 급유 방식일 경우 50,000rpm까지 가능한 주축전용 Steel Ball 베어링을 채택 하였다.

대상 데이터

2절에서 구한 시험조건으로 BEDLESS 주축에 대하여 데이터 취득을 위한 보증시험을 진행하였다. BEDLESS 주축 카트리지 외부에 수평방향 수직방향 두 개의 가속도계를 부착하여 데이터를 취득하였다. 데이터는 Fig.
Fig. 4에서와 같이 초기에 스핀들 구동을 위한 정지 구간 (0~25 )초 , 정지 구간 (25~43 )초, 가속구간 (40 )초, 구동 구간 (55 ~)초 에 따라 진폭이 다르게 나타나는 것을 볼 수 있다 데이터 처리를 위해 매 시 측정된 데이터에서 구동된 구간에서 초간의 데이터를 추출하여 이용하였다.
가공 조건은 현대위아 CNC 머신 F550 모델로 자동차 Head Cylinder 가공과정의 주요 공정의 한 부분을 대상으로 하였다.
본 연구는 공작기계 스핀들의 신뢰도 향상을 위하여 가속수명시험을 통한 무고장 보증 시험 정립하고 시험 중 실시간으로 모니터링 되는 데이터를 상태진단 알고리즘을 통하여 분석하였다. 시험기종은 현대위아의 12,000rpm MCT주축을 사용하였다. 핵심 고장부품으로 선정된 베어링에 대하여 가속조건을 하중으로 설정하고 시험을 진행하였다.
시험에 사용한 모델에 쓰인 베어링은 NSK사의 70BNR10HT 제품으로 내경 70mm, 110mm, 외경 접촉각 18° 이다.

데이터처리

따라서 미국 Third Wave에서 개발한 절삭가공 상용 소프트웨어인 AdvantEdge7.1을 이용하여 주요 공정과정에 대한 절삭력을 얻고 이에 대한 평균하중을 계산하였다. 시뮬레이션 가공 조건 및 공구 직경은 Table 1과 같다.

이론/모형

본 연구에서는 현대위아 (주) BEDLESS VMC모델에 적용된 12,000rpm 주축 대한 무고장 보증시험을 계획하여 진행하였으며, 이를 위하여 BEDLESS모델에 적용할 하중조건을 계산하고 가속수명시간을 계산하여 시험을 진행하였다. 시험을 진행하면서 측정한 실시간 진동데이터는 상태진단 알고리즘에 활용하였다.

성능/효과

5에서와 같이 보증수명 시험을 진행한 구간 동안 고장이 일어나지 않은 것으로 판단된다. x=200~316 구간과 x=450~475구간 동안 RMS 및 Peak 값이 증가하는 양상은 하중인가장치의 베어 링이 파손이 되어 진동이 유입된 것으로 주파수 분석 결과 확인 되었다 (Fig. 5 음영 부분) . 이후 하중인가장치의 베어링 교체 후 신호가 다시 정상범 위로 돌아온 것을 볼 수 있다.
2 )일 으로 약 3 달간의 시험을 계획하여 진행하였다. 가속도계를 통하여 측정된 진동데이터를 시간 영역 주파수 영역에서 분석을 시행한 결과 무 고장 보증 시험 구간에서 는 고장이 나타나지 않은 것으로 판단된다.
핵심 고장부품으로 선정된 베어링에 대하여 가속조건을 하중으로 설정하고 시험을 진행하였다. 보증수명 8900시간을 만족하기 위해서 가속계수 27.7 의 값으로 시험을 계획한 결과 가속시험시간은 총 2092.2시간 (=87.2 )일 으로 약 3 달간의 시험을 계획하여 진행하였다. 가속도계를 통하여 측정된 진동데이터를 시간 영역 주파수 영역에서 분석을 시행한 결과 무 고장 보증 시험 구간에서 는 고장이 나타나지 않은 것으로 판단된다.
. 필드에서 가장 많은 고장을 일으키는 부품은 축 하중 지지 베어링과 디스크스프링으로 나타났다. 베어링은 Sealing 문제로 인한 이물질 침입으로 일어나는 마모와 절삭과정에서 가해지는 하중으로 인한 피로파괴가 주된 고장 요인으로 나타났다.

후속연구

향후 계획으로는 무고장 보증 시험 이후 Run-to-failure 시험을 통하여 시스템의 열화 정보를 얻는 것을 제안하며 현재 예산 및 시간적인 제약으로 1기씩 시험하고 있는 시료의 수도 최소 2기 이상 시험 한다면 보다 양질의 결과를 얻을 수 있을 것이라고 기대된다. 또한 공작기계 주축 보다 테스트 벤치의 열화가 더 빨리 진행되는 오류가 있었으므로 향후 이 문제에 대하여 많은 연구가 필요하다.
향후 계획으로는 무고장 보증 시험 이후 Run-to-failure 시험을 통하여 시스템의 열화 정보를 얻는 것을 제안하며 현재 예산 및 시간적인 제약으로 1기씩 시험하고 있는 시료의 수도 최소 2기 이상 시험 한다면 보다 양질의 결과를 얻을 수 있을 것이라고 기대된다. 또한 공작기계 주축 보다 테스트 벤치의 열화가 더 빨리 진행되는 오류가 있었으므로 향후 이 문제에 대하여 많은 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	M/C (Machining Center)공작기계는 어떻게 구성되는가?	공작기계는 불확실성이 포함된 열악한 환경에 서 구동되기 때문에 설계수명[11]을 만족하지 못하 고 파손되는 사례가 자주 발생 한다 따라서 제조 , 부품 산업분야에서 내구성능 및 고품질의 우수한 공작기계의 요구가 커지고 내구 신뢰성 개념을 도입한 설계와 평가의 중요성이 증대되고 있다[1] . M/C (Machining Center)공작기계는 주축시스템, 칩 켄베이어 공구 매거진 테이블 및 CNC 시스템과 같은 유닛으로 구성되어 있으며 각 유닛들이 서로 연계되어 공작기계 기능을 실현하므로 각 유닛들 의 신뢰성이 전체 시스템의 내구 신뢰성을 결정하 는 요소이다. [1],[2] 특히 , M/C 공작기계에서 주축 시스템은 직접 절삭 가공이 이루어지는 주요 유닛 이므로 공작기계 성능에 매우 큰 영향을 미치 M/C 고 높은 내구신뢰성이 요구 되는 것이 사실이다 [2],[3] .
	M/C 공작기계 스핀들의 고장을 일으키는 주된 메커니즘은 무엇인가?	따라서 본 연구에서는 M/C 공작기계 스핀들 주요 고장 원인인 주요 부품으로 앵귤러 컨택트 볼베어링(Angular Contact Ball Bearing)을 선정하고 고장 메커니즘을 분석하였다. 고장을 일으키는 주된 메커니즘은 절삭가공 시 절삭하중에 의한 피로 파괴로 나타났다[2] . 따라서 가속 스트레스 조건으 로 절삭하중 (절삭력) 을 설정하여 가속 수명 시험을 계획하였다.
	자동차, 항공, IT산업에서 공작기계는 어떤 영향을 주는가?	공작기계는 제조업에서 필요로 하는 "기계를 만드는 기계" 기계부품 가공기로 널리 알려져 있 다 .특히 자동차 항공 IT산업에서 공작기계의 중요성은 부품 생산성과 품질에 많은 영향을 준다 [10] . 공작기계는 불확실성이 포함된 열악한 환경에 서 구동되기 때문에 설계수명[11]을 만족하지 못하 고 파손되는 사례가 자주 발생 한다 따라서 제조 , 부품 산업분야에서 내구성능 및 고품질의 우수한 공작기계의 요구가 커지고 내구 신뢰성 개념을 도입한 설계와 평가의 중요성이 증대되고 있다[1] .

참고문헌 (11)

Lee, S. H. and Kim, J. S., "The Failure Mode Analysis of Machine Tools using Performance Test,: Proceeding of KSPE 2002 Spring Conference, pp. 90-93, 2002.
Lee, T. H., "A Study on the Failure and Life Assessment of High Speed Spindle" Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 31, No. 1, pp. 67-73, 2014.

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NSK Ltd, Rolling Bearings, Motion & Control, pp. A29-A30. 2005.
Weibull Database, Barringer & Associates, Inc., http://www.barringer1.com/ (accessed 1 Aug. 2016)
Zhou, W., Habetler, T. G., and Harley, R. G., "Bearing condition monitoring methods for electric machines: A general review." Diagnostics for Electric Machines, Power Electronics and Drives, 2007. SDEMPED 2007. IEEE International Symposium on. IEEE, 2007.
Randall, R. B., and Antoni, J., "Rolling element bearing diagnostics-A tutorial." Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 25, No. 2 pp. 485-520, 2011

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Hyundai WIA-Seoul National University-Industry Cooperation Agency "Diagnosis and Prognosis Machine-tool Spindle Unit", University-Industry Report, 2014
Park, D. K and Cho, Y. T et al "Optimal Design Techniques of the Ultra Precision Cutting Unit through using Optimized Bearing positioning and Latest Lubrication Systems" J. of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.13 No.6, pp.15-22, 2014.
Choi, J.W. "Development of a Tool for Automation of Analysis of a Spindle System of Machine Tools", J. of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.14 No.2, pp.121-126, 2015.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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