[논문]띠톱기계의 스마트 톱 절삭 시스템의 특성에 관한연구

라로평; 정택임; 정협생; 강평; 팬리; 샤오레이화; 반백송; 안보영; 엄윤설; 한창수

doi:10.5762/kais.2020.21.2.195

초록
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본 연구에서는 띠톱기계의 서로 다른 톱 절삭 상태에서, 최적의 톱 절삭력 및 최적의 컨트롤러 파라미터가 어떻게 설정 되는지에 대한 문제를 해결하기 위한 연구를 진행하였다. 이를 위해 띠톱 기계의 톱 절삭 시스템의 수학적 모형을 수립하고, 전통적인 PID 제어 방법과 톱 절삭력의 폐회로(closed-loop)제어에 대하여 병행하여 깊게 연구함으로써, 주 모터의 동력, 띠톱기계의 동적특성 및 톱날 강도 등의 컨트롤러 파라미터 및 톱 절삭 부하가 제어 성능에 대한 규칙을 발견하여, 톱 절삭 너비와 컨트롤러 파라미터(비례계수 K_p)의 관계, 톱 절삭력의 설정값의 관계를 얻어, 일종의 띠톱 기계의 스마트 톱 절삭 제어를 갖는 시스템 방안을 제기하였다. 연구 결과에 따르면 홈 절단면의 절삭 재료를 톱 절삭 시 스마트 톱 절삭 시스템의 톱 절삭 효율이 기존 톱 절삭 시스템보다 18.1㎠/min(48%) 향상 되였으며, 이 방안이 뛰어난 제어 효과를 가지고 있음을 보여 주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

To help solve the problems of how to set the optimal sawing force and the optimal controller parameters for different sawing conditions, a mathematical model of a proposed sawing system was established according to the principle of sawing force control. The conventional PID control method was then u...

To help solve the problems of how to set the optimal sawing force and the optimal controller parameters for different sawing conditions, a mathematical model of a proposed sawing system was established according to the principle of sawing force control. The conventional PID control method was then used for further research of the closed-loop control of the sawing force. Finally, through simulation and experimental research, the influence rule of the controller parameters and sawing load on the control performance and the relationships between the sawing width and controller parameters (proportion coefficient) and the sawing force setting value were obtained, from which a system scheme for intelligent sawing control of a band sawing machine was proposed. The research shows that the sawing efficiency of the intelligent sawing system was 18.1 (48%) higher than that of the original sawing system when sawing a grooved section sawing material, which verifies the good control effect of the proposed scheme.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of band saw blade
그림 Fig. 2. Schematic diagram of 3/4 variable tooth band saw blade
그림 Fig. 3. Control principle of cutting force of band sawing machine
그림 Fig. 4. Sawing force response curve under different controller parameters
표 Table 1. Influence of proportional coefficient on control performance
그림 Fig. 5. Band sawing machine intelligent sawing system structure
표 Table 2. Influence of integral time constant on control performance
그림 Fig. 6. Band sawing machine sawing system simulation model
그림 Fig. 7. The optimal scale factor Kp experimental value under different sawing loads
그림 Fig. 8. Sawing width and sawing force setting
그림 Fig. 9. The relationship between the sawing width and the optimal scale factor K_p
그림 Fig. 10. Simulation study on sawing groove section
그림 Fig. 11. Different sawing system sawing force response experimental curve
표 Table 3. Comparison of sawing efficiency of different sawing systems

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 서로 다른 톱 절삭 조건에서 최적의 절삭력 및 최적의 컨트롤러 파라미터가 어떻게 설정되는지에 대한 문제에 대하여 띠톱 기계의 톱 절삭 시스템의 수학적 모형을 수립하고 전통적인 PID 제어 방법을 사용하여 톱 절삭력의 폐회로 제어에 대하여 깊게 연구함으로 일종의 띠톱 기계의 스마트 톱 절삭 제어를 갖는 시스템 방안을 제시하였다.
본 연구에서는 기존의 띠톱 시스템의 적용되는 PID제어 방법을 고찰함으로써 톱절삭 시스템의 효율을 높이고 자 하였다. 1）톱 절삭 시스템 응용된 전통적인 PID 제어 방법을 연구한 결과 비례 작용이 고정된 톱 절삭력의 제어 효과보다 큰 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다.
컨트롤러 파라미터에서의 비례 계수K_p가 톱 절삭 시 스템의 제어효과에 큰 영향을 미치기 때문에 본 논문에 서는 비례 계수K_p에 대해 연구한다. Fig.

제안 방법

기존의 띠톱 기계의 톱 절삭 시스템에 존재한 문제점에 대해 톱 절삭력 제어 원리를 결합한 일종의 띠톱 기계의 스마트 톱 절삭 시스템 방안을 제기하였다. Fig.
7에서 볼 수 있다.서로 다른 톱 절삭 너비에 대해 최적의 톱 절삭력 설정값 하의 최적 비율 계수 K_p에 대하여 분석한다. Fig.
실제 적용에서 톱 절삭 시스템이 안정된 상태일 때 톱 절삭력은 어느 한 범위에서 진동되며 미분 작용 D는 톱 절삭력의 미세한 파동에 의해 폐쇄 시스템에 간섭을 생성 할 수 있고 톱 절삭 시스템이 큰 관성 부분이 없기에 제어 계산을 간소화하기 위해 본문 실험의 일반적인 PID 제어는 PI 제어 부분만 적용한다[9]. 톱 절삭 속도v_s가70m/min이고 500N인 톱 절삭력의 설정값에 240mm 직경의 45번 원형 강을 사용하여, 띠톱 기계 기반 컨트롤러 파라미터가 톱 절삭 시스템의 제어 성능에 미치는 영향에 대해 실험하고 연구한다.
4、Table 1, Table 2를 종합하면 비례 계수 K_p 가 톱 절삭 시스템의 제어 효과에 큰 영향을 미치는 반면 적분 시간 상수T_i는 제어 효과에 영향을 덜 준다는 것을 알 수 있다.톱 절삭 너비 및 톱 절삭력의 설정값이 폐회로 제어 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 한 모델의 띠톱 기계 절단 속도v_s를 70m/min으로 설정하고, 비례 계수 K_p는 0.2로 적분 시간 상수T_i는 40으로 설정함으로써, 서로 다른 톱 절삭 너비와 같은 톱 절삭력, 같은 절삭너비와 다른 절삭력 설정값을 선택하여 실험과 연구를 진행한다.
실제 적용에서 톱 절삭 시스템이 안정된 상태일 때 톱 절삭력은 어느 한 범위에서 진동되며 미분 작용 D는 톱 절삭력의 미세한 파동에 의해 폐쇄 시스템에 간섭을 생성 할 수 있고 톱 절삭 시스템이 큰 관성 부분이 없기에 제어 계산을 간소화하기 위해 본문 실험의 일반적인 PID 제어는 PI 제어 부분만 적용한다[9]. 톱 절삭 속도v_s가70m/min이고 500N인 톱 절삭력의 설정값에 240mm 직경의 45번 원형 강을 사용하여, 띠톱 기계 기반 컨트롤러 파라미터가 톱 절삭 시스템의 제어 성능에 미치는 영향에 대해 실험하고 연구한다. Fig.
5에 나타낸 것처럼 띠톱 기계의 스마트 톱 절삭 시스템의 구 조의 원리는 다음과 같다: PLC 컨트롤러 5는 우선 변위 센서 9에 의해 검출된 절삭재료 홈 부분의 너비에 따라 최적 톱 절삭력과 최적 컨트롤러 파라미터를 자동으로 설정한다. 톱 절삭이 시작된 후 PLC 컨트롤러 5는 공률 센서 10에서 삼상 비동기 11의 파워 값을 감지하여 변환된 톱 절삭력의 실제 값과 톱 절삭력의 설정값 사이의 편 차를 PID 알고리즘에 의해 대응된 유량 밸브 전기 컨트롤러로 신호를 제어하여 유량 밸브를 구동함으로 공급 기름 실린더의 공급 속도를 변경하여 기계톱 절삭력의 일정한 제어를 구현한다.
최대 변화량을 의미하는 절삭력 톱 절삭력의 오버 슈트 최대값은 140N이고, 두 오버슈트의 총 조정시간은 40초로 제어효과가 좋다고 볼 수 있다. 한걸음 나아가 스마트 톱 절삭 시스템의 제어 효과를 검증하기 위하여 본 논문에서는 각각 기계톱의 원톱 절삭 시스템, 기존의 띠톱 절삭 시스템인 폐회로 톱 절삭 시스템, 스마트 띠톱 절삭 시스템에 대하여 톱 절삭 홈 모양의 절단면 실험을 실시하였으며 실험 결과는 Fig. 11과 Table 3과 같다. Fig.

성능/효과

11에 따르면 기계 톱이 톱질 재료의 상단부분(<240mm) 을 절삭할 때, 원톱 절삭 시스템의 절삭력이2500N에 도달하는 반면(Fig. 11-(a)) 기존의 띠톱 절삭 시스템과 스마트 절삭 시스템은 500N에서 절삭력을 안정화 시킬 수 있었다(Fig.11-(b),(c)). 톱날의 폭이 240mm인 경우, 원톱 절삭 시스템의 절삭력은 500N에 서 안정적이다(Fig.
본 연구에서는 기존의 띠톱 시스템의 적용되는 PID제어 방법을 고찰함으로써 톱절삭 시스템의 효율을 높이고 자 하였다. 1）톱 절삭 시스템 응용된 전통적인 PID 제어 방법을 연구한 결과 비례 작용이 고정된 톱 절삭력의 제어 효과보다 큰 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. 또한 톱 절삭 시스템이 지능화됨에 따라 직면하는 주요 문제는 톱 절삭력의 설정값과 최적 컨트롤러 파라미터 값(비 례 계수 K_p)이 모두 톱 절삭 너비의 변화에 따라 변화되 는 것을 확인 하였다.
이에 따라 2）띠톱 기계의 톱 절삭 시스템에 대한 시뮬레이션 모형을 구축 하였으며, 메인 전기의 공률파워, 톱 절삭의 상태, 기계톱의 동적 특성과 톱날의 강도 등의 영향 요인을 여러 조건 하에서 시뮬레이션 및 실험 연구를 통해 톱날 너비와 최적 컨트롤러 파라미터(비례 계수 K_p), 톱 절삭 설정값의 함수적 관계를 얻었다. 3）띠톱 기계의 스마트 톱 절삭 시스템 방안을 제안하여 하였으며 이는 기존의 폐회로 톱 절삭 시스템과 비교하였을 때 30.5%(cm²/min), 원톱 톱 절삭 시스템과 비교하여도 절삭 효율이 48% 향상 되는 것을 확인 할 수 있었다.
1）톱 절삭 시스템 응용된 전통적인 PID 제어 방법을 연구한 결과 비례 작용이 고정된 톱 절삭력의 제어 효과보다 큰 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. 또한 톱 절삭 시스템이 지능화됨에 따라 직면하는 주요 문제는 톱 절삭력의 설정값과 최적 컨트롤러 파라미터 값(비 례 계수 K_p)이 모두 톱 절삭 너비의 변화에 따라 변화되 는 것을 확인 하였다. 이에 따라 2）띠톱 기계의 톱 절삭 시스템에 대한 시뮬레이션 모형을 구축 하였으며, 메인 전기의 공률파워, 톱 절삭의 상태, 기계톱의 동적 특성과 톱날의 강도 등의 영향 요인을 여러 조건 하에서 시뮬레이션 및 실험 연구를 통해 톱날 너비와 최적 컨트롤러 파라미터(비례 계수 K_p), 톱 절삭 설정값의 함수적 관계를 얻었다.
또한 톱 절삭 시스템이 지능화됨에 따라 직면하는 주요 문제는 톱 절삭력의 설정값과 최적 컨트롤러 파라미터 값(비 례 계수 K_p)이 모두 톱 절삭 너비의 변화에 따라 변화되 는 것을 확인 하였다. 이에 따라 2）띠톱 기계의 톱 절삭 시스템에 대한 시뮬레이션 모형을 구축 하였으며, 메인 전기의 공률파워, 톱 절삭의 상태, 기계톱의 동적 특성과 톱날의 강도 등의 영향 요인을 여러 조건 하에서 시뮬레이션 및 실험 연구를 통해 톱날 너비와 최적 컨트롤러 파라미터(비례 계수 K_p), 톱 절삭 설정값의 함수적 관계를 얻었다. 3）띠톱 기계의 스마트 톱 절삭 시스템 방안을 제안하여 하였으며 이는 기존의 폐회로 톱 절삭 시스템과 비교하였을 때 30.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근 몇 년 동안 이루어진 많은 학자들의 띠톱 기계의 톱 절삭 효율에 관한 연구의 문제점은?	Ilhan Asiltürk등[4]은 퍼 지 신경망(fuzzy nerve network)을 기반으로 재료를 이 용하여 식별할 수 있는 적응(adaptive) 톱 절삭력 모형 을 수립하고 이를 바탕으로 띠톱 기계의 퍼지 제어 시스 템을 구축하였다. 그러나 위의 문헌에서는 띠톱 기계의 톱절삭 시스템에 대한 심층적인 연구가 이루어지지 않았 으며, 톱절삭 시스템에 대한 종래의 PID 제어방법 응용 의 전반적인 연구도 이루어지지 않았다.
	퍼지 제어 방법의 단점은?	퍼지 제어 방법은 점점 더 복잡한 폐회로 기계 시스템 에 적용되고 있지만 제어 과정이 복잡하고 난이도가 높 으며 퍼지 규칙의 수립에는 실제 경험이 매우 많이 필요 하다[5-7]. 실제 폐쇄 톱 절삭에서 톱 절삭력이 일정한 상태에 도달할 때 여러 가지 이유로 인해 톱 절삭력은 일 정 한 범위에서 진동하게 된다.
	띠톱 기계는 어떤 방향으로 발전하고 있는가?	현대 제조공업은 고효율과 고 정밀도, 경제성으로 발 전하고 있고 띠톱 기계도 전자동, 고효율, 고 정밀도 톱 절삭의 방향으로 발전하고 있다. 최근 몇 년 동안 많은 학자들은 띠톱 기계의 톱 절삭 효율을 높이는 방법에 대 해 일련의 연구를 실시하였다.

참고문헌 (9)

T. J. Ko, H. S. Kim. Mechanistic cutting force model in band sawing[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol.39, No.8, pp.1185-1197, 1999. DOI: https://doi.org/10.1016/S0890-6955(98)00087-X

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Y. C. Pei, et al. Analytical study on the stiffness and natural frequency improvements of tensioned inner diameter saw blade, European Journal of Mechanics/A Solids Vol.75, pp.197-204, 2019. DOI: https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2019.01.023

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T. Thaler, et al. Chatter detection in band sawing based on discriminant analysis of sound features[J]. Applied Acoustics, Vol.77, pp.114-121, 2014. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2012.12.004

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Ilhan Asilturk, Ali Unuvar. Intelligent adaptive control and monitoring of band sawing using a neural-fuzzy system[J]. journal of materials processing technology, Vol.209, No.5, pp.2302-2313, 2009. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2008.05.031

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Q. Huang, Y. H. Chen, A. Cheng. Adaptive Robust Control for Fuzzy Mechanical Systems: Constraint-Following and Redundancy in Constraints[J]. IEEE Transactions on Fuzzy Systems, Vol.23, No.4, pp.1113-1126, 2015. DOI: https://doi.org/10.1109/TFUZZ.2014.2346241

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Y. Tang, D. Velez-Diaz. Robust fuzzy control of mechanical systems. IEEE Transactions on Fuzzy Systems, Vol.11, No.3, pp.411-418, 2003. DOI: https://doi.org/10.1109/TFUZZ.2003.812700

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S. Kohn-Rich, H. Flashner. Robust fuzzy logic control of mechanical systems[J]. Fuzzy Sets and Systems, Vol.133, No.1, pp.77-108, 2003. DOI: https://doi.org/10.1016/S0165-0114(02)00212-9

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K. J. Astrom, T. Hagglund, C. C. Hang, et al. Automatic Tuning and Adaptation for PID Controllers-A Survey[J], Control Engineering Practice, Vol.1, No.4, pp.699-714, 1993. DOI: https://doi.org/10.1016/S1474-6670(17)50762-4

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