[논문]음향방출센서를 이용한 프레스공정에서의 새로운 건전성 평가 연구

정성민; 김준영; 전경호; 홍석무; 오종석

doi:10.15207/jkcs.2020.11.11.249

음향방출센서를 이용한 프레스공정에서의 새로운 건전성 평가 연구
A New Method of Health Monitoring for Press Processing Using AE Sensor 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.11 no.11, 2020년, pp.249 - 255

정성민 (공주대학교 미래융합공학과) , 김준영 (공주대학교 미래융합공학과) , 전경호 (공주대학교 미래융합공학과) , 홍석무 (공주대학교 기계자동차공학부) , 오종석 (공주대학교 기계자동차공학부)

초록
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본 연구에서는 프레스 시험 중 시편에서 발생하는 음향방출 신호와 신호필터링을 통해 시편의 건전성을 평가하는 연구를 진행하였으며, 실험결과를 통해 음향방출 진동횟수와 최대진폭 두 개의 음향방출 파라미터를 프레스 시편 건전성 판단에 적용하고자 한다. 프레스 장치를 이용한 구멍확장시험 중에는 시편에서 탄성파가 발생하며, 탄성파를 음향방출 센서를 통해 수집하였다. 이 신호를 바탕으로 음향방출 파라미터를 획득한 뒤, 시편의 크랙을 감지하는 연구를 진행하였다. 명확한 건전성 판단을 위해 STFT(Short Time Fourier Transform)와 고주파수 통과 필터(High-Pass Filter)를 이용하였다. 향후 본 연구에서 제안하는 신호 처리 기법 및 해당 파라미터를 활용한다면 프레스공정에서의 시편 건전성 평가 성능을 향상시킬 수 있을 것이라 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study developed the health monitoring method of press process using the acoustic emission (AE) sensor and high-pass filter. Also, the AE parameters such as ring-down count and peak amplitude are used. Based on this AE signal, the AE parameters were acquired and was utilized to detect the crack of the specimen. Since the defect detection is difficult due to noise and low magnitude of signal, the signal noise and press operation frequency were checked through the Short Time Fourier Transform(STFT) and damped. High-pass Filtering data was applied to AE parameters to select effective parameters. By using this signal processing techniques, the proposed AE parameters could improve the performance of defect detection in the press process.

주제어

표/그림 (13)

표 Fig. 1. AE Parameter
그림 Fig. 2. Working Mode of Press Process
그림 Fig. 3. Hole Expansion Test
그림 Fig. 4. Ring-Down Count in Raw Data
표 Table 1. Information of Specimen
그림 Fig. 5. Photograph of AE Sensor
표 Table 2. Information of AE Sensor
표 Table 3. High-Pass Filter
그림 Fig. 6. Short Time Fourier Transform
그림 Fig. 7 Hole Expansion Process
그림 Fig. 8. Filtered Signal of AE Sensor
표 Table 4. Result of AE Parameter
표 Table 5. Result of None Specimen

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 프레스 공정 작동 노이즈 및 음향방출신호의 저전압 값으로 인해 이를 적용하기 어려워 본 연구에서는 노이즈 제거를 위한 필터 설계 및 시편 파단감지에 적절한 음향방출 파라미터를 찾고자 하였다[1-3]. 이를 위해 프레스에서 구멍확장시험 시 크랙이 발생하는 경우와 크랙이 발생하지 않는 두 가지 경우에 음향방출 파라미터를 비교 하여 크랙의 유무를 구분할 수 있는 적절한 파라미터를 찾기 위해 신호처리를 진행하였으며 이를 통하여 프레스 가공물의 불량유무를 감지하거나 예측할 수 있는 건정성 감지 시스템 개발을 목표로 한다.
기존 연구에서는 프레스 가공 시 발생되는 불량제품을 판단하기 위하여 문턱전압을 설정하여 문턱전압을 초과하는 값이 측정될 경우 불량으로 판단하였다. 하지만 프레스 공정 작동 노이즈 및 음향방출신호의 저전압 값으로 인해 이를 적용하기 어려워 본 연구에서는 노이즈 제거를 위한 필터 설계 및 시편 파단감지에 적절한 음향방출 파라미터를 찾고자 하였다[1-3]. 이를 위해 프레스에서 구멍확장시험 시 크랙이 발생하는 경우와 크랙이 발생하지 않는 두 가지 경우에 음향방출 파라미터를 비교 하여 크랙의 유무를 구분할 수 있는 적절한 파라미터를 찾기 위해 신호처리를 진행하였으며 이를 통하여 프레스 가공물의 불량유무를 감지하거나 예측할 수 있는 건정성 감지 시스템 개발을 목표로 한다.

제안 방법

6에 나타난 것과 같이 시편의 크랙이 발생할 경우에는 신호 발생 전반에 걸쳐 50 kHz 이상의 주파수 성분이 많이 분포되어 있다는 것을 알 수 있는 반면 0~50 kHz 주파수 성분은 모든 그래프에서 공통적으로 나타났기 때문에 이 구간은 프레스 작동 및 시스템 고유 노이즈라고 판단하였다. 따라서 50 kHz 이상의 주파수 성분만을 통과시키도록 하는 고주파수 통과 필터를 설계하고 이를 적용시켰다.[12-14].
시험에 사용된 시편은 SPHC(Steel Plate Hot Commercial) 시편을 사용하였으며 구멍확장시험 시 크랙을 발생시키기 위해 구멍의 직경을 Φ=1mm, Φ=7mm로 설정하였다. 또한 시편의 두께를 1T, 1.6T, 2T로 설정하여 각 3회씩 구멍확장시험을 진행하였다.
본 연구에서는 임의로 시편의 크랙을 발생시키기 위하여 구멍의 크기를 각각 Φ=1mm, Φ=7mm로 지정하여 구멍확장시험을 진행하였다.
음향방출 센서를 통해 획득한 신호에는 시편의 파단으로 인한 신호와 프레스 작동 노이즈가 섞여 원 신호에 파라미터를 적용 시 부정확한 판단을 할 수 있기 때문에 상대적으로 고주파 대역인 음향방출 신호만을 획득하기 위해 고주파수 통과 필터를 설계하였다.
Table 4 에는 Φ=1mm, Φ=7mm 두 가지 종류의 시편의 결과를 Table 5 에는 시편이 없을 경우에 결과를 정리하였다. 이번 실험에서는 두 가지의 파라미터를 활용하였는데 일반적으로 음향방출 신호를 활용하여 평가를 할 때 실험방법이나 실험재료, 목적에 따라 실험에 효과적인 파라미터가 그에 따라 달라질 수 있기 때문에 이번 실험의 목표인 시편 파단 구분에 가장 효과적이라고 생각되는 파라미터인 음향방출 진동횟수와 최대진폭을 활용하였다[16].
음향방출 센서를 통해 수집한 신호에 고주파수 통과 필터를 적용하면 프레스 작동 시 발생하는 프레스 작동 주파수를 감쇠시킬 수 있으며, 이를 통하여 보다 정확한 음향방출 신호데이터를 획득할 수 있다. 이에 본 연구에서는 프레스 작동 주파수를 획득하기 위해 Short Time Fourier Transform(STFT)를 사용하여 프레스 작동 주파수를 획득하였으며, 원 데이터에 고주파수 통과 필터를 사용하여 신호처리를 진행하였다[9-11].

대상 데이터

데이터 수집은 Fig. 3와 같이 이루어 졌으며, 시편의 구멍이 확장될 때 발생하는 탄성파 원 데이터를 음향방출 센서와 DAQ Board를 통하여 수집하였으며, 수집한 결과를 Fig. 4 에 표시하였다.
시험에 사용된 센서는 PA(Physical Acoustic)사의 R6I-AST 센서이며 센서 내부의 프리앰프가 내장되어 있어 별도의 앰프가 필요 없다. 센서를 실물 사진과 스펙을 각각 Fig.
시험에 사용된 시편은 SPHC(Steel Plate Hot Commercial) 시편을 사용하였으며 구멍확장시험 시 크랙을 발생시키기 위해 구멍의 직경을 Φ=1mm, Φ=7mm로 설정하였다.

이론/모형

1절에 STFT의 결과를 참고하여 설계하였으며, 차수(n)는 2차이다. 전달함수 계수(a,b)와 차단 주파수는 Table 3에 나타냈으며, 제안된 필터 함수를 Matlab을 이용하여 구현하였다[15].

성능/효과

1) 음향방출 진동횟수는 시편 중앙 구멍의 크기가 Φ=1mm인 시편을 구멍확장시험을 진행할 때 Φ=7mm인 시편과 None Specimen보다 확연하게 증가하였으므로 음향방출 진동횟수 파라미터를 활용한다면 프레스 가공 시 크랙의 발생유무를 판단하는 주요 파라미터로 활용할 수 있다고 판단하였다.

후속연구

2) 최대진폭은 음향방출 진동횟수와 유사한 경향을 보였으며 마찬가지로 크랙 유무 판단에 효과적인 파라미터로 사용할 수 있을 것이라고 생각된다.
3) Table 4의 결과에서 1.6T에서 파라미터의 결과 값이 다른 두께보다 높게 나타나서 시편의 두께와 이에 따른 AE 발생패턴은 연관성이 있어 보여 이는 추후 실험에서 더 많은 두께의 값을 갖는 시편들을 가지고 확인할 예정이다.

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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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