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선반가공에서 모터 전류를 이용한 공구 파손 감지에 관한 연구
A Study on the Monitoring of Tool Fracture using Motor Current in Turning 원문보기

한국산업정보학회논문지 = Journal of the Korea Industrial Information Systems Research, v.21 no.4, 2016년, pp.43 - 53  

윤재웅 (대구대학교 기계공학부) ,  김홍석 (대구대학교 기계공학부) ,  김승기 (대구대학교 기계공학과)

초록

본 논문에서는 선반가공에서 모터전류 신호를 이용하여 공구 파손을 감지하는 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 먼저, 다양한 환경 변화에 대한 모터 전류 신호의 특성을 명확하게 파악하기 위해 신뢰성을 갖고 있는 절삭력과 모터전류 사이의 상관관계를 분석하였으며, 이를 기준으로 하여 공구파손시의 모터 전류 신호에 대해 분석하였다. 다양한 가공 실험을 통하여 절삭조건 변화에 따른 절삭력 신호와 주축 모터전류 신호의 정적 성분에 대한 상관관계를 분석하였다. 그 결과 절삭력과 모터전류 사이에 비례관계가 존재한다는 것을 알 수 있었으며, 이를 통해 모터 전류 신호만으로도 공구 파손을 감지 할 수 있을 것으로 판단하였다. 한편, 다양한 공구 파손 실험을 통해 절삭력과 모터전류 신호 사이에도 높은 상관관계가 존재함을 확인하였다. 이러한 공구파손 신호와 일반적인 선반가공의 가공신호를 분류하기 위해 본 논문에서는 새로운 방식의 감지 방법을 제시하였다. 제시한 분류 방법에 대해 여러 차례에 걸친 검증을 통해 공구파손 감지를 위한 모터 전류신호의 감지 신뢰성을 평가하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, monitoring method of tool fracture using motor current was proposed for turning process. In order to take more reliable current signal, cutting force signal was compared as reference signal because cutting force signal is reliable, and analysis of signal correlation between cutting fo...

주제어

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문제 정의

  • 모터 전류신호의 정적 성분은 가공 부하를 의미하는 신호로서 그 특성을 이해하기 위해서는 사전에 절삭력과 모터 전류 사이의 명확한 상관관계 분석이 필수적이라고 할 수 있다. NC 선반가공에서의 가공조건으로 주축의 회전속도 변화, 이송속도 변화, 절삭깊이 변화로 분류할 수 있으며, 실제 가공 시 절삭부하는 세 가지 인자 모두의 변동 영향을 받으므로, 본 연구에서는 가공 조건을 독립적으로 변화 시키며 절삭력과 모터전류 신호를 취득하여 두 신호의 상관관계를 분석하고자 한다.
  • 이러한 정적성분 분석을 통하여 가공상황(절삭조건의 변화 및 공구파손)을 감지하기 위해 각 조건의 해당 값들에 임계값(Threshold value)을 이용하여 항목별로 점수를 주었으며, 항목을 나누기 위하여 실험적 데이터를 기반으로 하여 항목 및 점수를 분배하였다. 또 정적 성분의 점수를 활용하여 일반적인 가공 상태와 파손 상태를 구분하고자 하였다. 평가하기 위한 항목으로서 M1 과 M2 를 정의하고 이 값으로 공구파손을 감지하고자 한다.
  • 본 논문에서는 공작기계 주축 및 이송축 모터의 전류신호를 이용하여 NC선반 가공에서 모터 전류 신호를 이용하여 가공부하를 간접적으로 측정하기 위한 시스템을 구축하고, 가공 상태를 모니터링(Monitoring)하여 공구파손을 검출하기 위한 새로운 방법을 제안하였다. 이를 위해 다양한 절삭조건에서 절삭력과 모터 전류 사이의 상관관계를 분석하고, 저가의 모터 전류를 이용한 공구 파손 감지 방법을 제안하였으며, 다양한 실험을 통해 실제 생산 현장에서의 활용 가능성을 검증하였다.
  • 본 논문에서는 선반가공에서 공작기계 각 축의 모터 전류값을 이용하여 공구 파손을 감지하고자 하였다. 일반적으로 가공 상태를 파악하기 위해서는 신뢰성 있는 센서를 활용해야 하는데, 이를 위해서는 고가의 계측장비가 필요하다는 단점이 있다.
  • 센서 신호의 분석은 일반적으로 정적 신호와 동적 신호의 분석을 통해 이루어진다고 할 수 있다. 본 연구에서는 공구 파손 시의 신호를 감지하기 위해 동적인 신호보다는 정적인 신호의 분석에 초점을 맞추었다. 다양한 조건에서 수집된 주축 및 이송축 모터 전류신호 데이터들은 가공조건의 변화 및 공구파손과 같은 가공 상황이 변화 하였을 때, 상황변화 이전과 상황변화 직후의 정적 신호 절대값과 신호의 변화량을 분석하였다.
  • 따라서 다양한 절삭조건에서 모터 전류 신호의 특성과 신뢰성을 검증할 필요가 있다고 할 수 있다. 본 연구에서는, 공작기계 모터의 전류신호로만 절삭부하를 감지하는 것의 실현여부를 판단하기 위해, 먼저 신뢰성이 높고 잡음이 적은 절삭력과 주축 및 이송축 모터 전류 사이의 상관관계를 분석하고자 하였다. 두 신호의 상관관계를 분석하기 위한 조건으로는 절삭속도, 이송속도, 절삭깊이와 같은 절삭조건을 변화하여 가공부하의 변동이 일어날 때 전류신호의 거동을 관측하였다.
  • 본 연구의 목표는 공작기계 주축 및 이송축의 모터전류를 이용하여 공구의 파손여부를 판단하는 것으로서 모터전류를 측정하는 것이다. 이는 기존의 시스템보다 저가의 구성이면서 별도의 시스템을 장착할 필요가 없고, 가공에 방해가 되는 별도의 센서가 불필요하기 때문이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
공구의 파손시기를 인지하고 대처하기 위한 공구 파손 모니터링이 중요하다고 할 수 있는 이유는? 현재 공작기계 및 정밀가공 산업에서는 가공정밀도 및 생산성 향상과 불량률 감소에 대한 수요가 증가하고 있다. 생산성 저하와 불량품에 대한 원인으로는 다양한 요소들이 존재하지만, 가공 시 공구 파손에 의한 불량이 매우 큰 비중을 차지한다고 할 수 있다. 따라서 공구의 파손시기를 인지하고 대처하기 위한 공구 파손 모니터링이 중요하다고 할 수 있다.
모터 전류는 절삭력에 비해 어떤 문제가 있는가? 일반적으로 절삭력에 비해 모터 전류에는 다양한 잡음(Noise)이 실려 있어 신호의 신뢰성을 떨어뜨리는 문제가 있다. 따라서 다양한 절삭조건에서 모터 전류 신호의 특성과 신뢰성을 검증할 필요가 있다고 할 수 있다.
공구 파손을 감지하는 방법에는 무엇이 있는가? 공구 파손을 감지하는 방법으로서 가공 중 측정(In-process) 방식과 가공 후 측정(Off-processor Inter-process) 방식이 있는데, 일반적으로 가공의 생산성에 영향을 주지 않기 위해서는 간접적인 방법의 센서를 활용한 가공 중 측정방식이 선호되고 있다. 그러나 이를 위해서는 일반적으로 공구 파손울 감지하기 위한 시스템의 가격이 고가이거나, 낮은 신뢰성으로 인해 오히려 생산성이 저하되는 문제를 갖고 있다.
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참고문헌 (9)

  1. S. H. Cho, T. W. Chang, G. T. Shin, H. B. Na, J. W. Park, "Continuous improvement plan of manufacturing process through real-time data acuisition", Journal of the Korea Society of Industrial Information System, Vol. 14, No. 4, pp. 75-90, 2009. 

  2. J. K. Lee, S. W. Lee, "Downtime tracking for small-medium sized manufacturing company using shop floor monitoring", Journal of the Korea Society of Industrial Information System, Vol. 19, No. 4, pp.65-70, 2014. 

  3. Tamas. Szecsi, "A DC motor based cutting tool condition monitoring system," Journal of Materials Processing Technology, Vol. 92, No. 93, pp. 350-354, 1999. 

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  5. Xiaoli. Li, Gaoxiang. Ouyang, Zhenhu. Liang, "Complexity measure of motor current signals for tool flute breakage detection in end milling," International Journal of Machine tools & Manufacture, Vol. 48, pp. 371-379, 2008. 

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  8. G. D. Kim, Y. J. Choi, Y. T. Oh, C. N. Chu, "Frictional Behavior and Indirect Cutting Force Measurement in a Machining Center Using Feed Motor Current," Journal of the Korea Society of Precision Engineering, Vol. 14, No. 4, pp 78-87, 1997. 

  9. G. D. Kim, W. T. Gwon, C. N. Chu, "Indirect Cutting Force Measurement and Cutting Force Regulation Using Spindle Motor Current," Journal of the Korea Society of Precision Engineering, Vol. 14, No. 10, pp 15-27, 1997. 

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