KR101170323B1 - 주축 구동 모터의 전류값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 방법 - Google Patents

주축 구동 모터의 전류값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 절삭 가공 장치에서의 가공 상태를 절삭 공구용 모터에 공급되는 전류값을 측정하고, 이 전류값을 사용하여 절삭 가공 장치의 회전 속도 및 이송 속도를 간접적으로 모니터링함으로써 최소의 측정만으로 절삭 가공 상태 조건들을 효과적으로 모니터링하는, 주축 구동 모터의 전류값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 방법을 제공함에 있다.

Description

주축 구동 모터의 전류값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 방법 {Monitoring Method for Condition of Machining System with Current Value of Spindle Motor}
본 발명은 주축 구동 모터의 전류값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 방법에 관한 것이다.
과거에 비하여 현재 제조 환경에 있어서 자동화를 통한 인원 감축, 생산 시간 단축, 고품질화, 비용 절감 경향이 점점 강해지고 있다. 제조업에서 절삭 가공(machining)은 여전히 제품 생산에 있어 많은 시간과 비용을 차지하고 있으며, 앞서 설명한 바와 같은 경향과 더불어 절삭 가공을 수행하는 공작 기계에 있어서 고성능화 및 각종 계측 장비를 이용한 절삭 가공 상태의 감시에 대한 관심과 필요성이 증대되고 있다. 특히 제품의 주기가 짧아지고 다품종 소량 가공물이 증가하는 추세여서 가공 시간 단축이 생산성에서 차지하는 비중이 날로 늘어가고 있다. 따라서 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 센서 시스템의 신뢰성 및 적용성과 관련하여, 정교한 제조 시스템의 높은 가용성 수준과 더불어 높은 제조 요소 품질을 달성해야 하는 새로운 난관이 드러나고 있다. 이를 달성하기 위해서는 지능형 센서 기반 제조 시스템이 매우 중요한 것으로 광범위하게 인정되고 있다.
이러한 요구는 신호 처리 기술과 접목된 고급 센서 적용을 통해 가공 공정 상태에 관한 고급 정보 확보를 통하여 가공 공정 최적화 및 제어를 구현함으로써 실현되고 있다. 도 1은 종래 절삭 가공 장치에 적용되는 다양한 센서들을 도시하고 있는데, 이와 같이 다양한 정보를 수집하여 모니터링하고 이를 통한 제어를 수행함으로써 절삭 정밀도 향상, 배기가스ㆍ폐기물 최소화, 절삭 환경 개선 등의 효과를 얻고 있다. 최근에는 지능형, 자율대응, 전문가형과 같은 개념이 중요시되고 있는데, 이에 따라 절삭 조건에 관한 유연성이 내재된 자동화에 따른 절삭 상태 감시에 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다. 그런데, 도 1과 같은 종래의 모니터링 시스템은 대부분 공구 상태와 관련된 정보밖에는 얻을 수 없어, 절삭 가공에 있어서 최적인 조건을 찾아 제어할 수 있는 상태 감시를 이룰 수 없는 한계가 있다.
일반적으로 절삭 가공품의 가공 조도(표면 거칠기)에 영향을 미치는 절삭 조건의 중요성은 절삭 속도, 이송 속도, 절삭 깊이 순으로 커지며, 이러한 요소들은 절삭물의 가공 조도와 더불어 절삭 가공 치수 정밀도에도 영향을 미친다는 점이 잘 알려져 있다. 따라서 절삭 가공 상태를 적절히 모니터링하여 절삭 조건을 제어해 줌으로써, 고품질의 가공물을 얻는 것과 동시에 절삭 가공 장치의 마모, 파손 등을 방지하여 장치 내구성을 높일 수 있을 것임을 예상할 수 있다.
이와 같은 절삭 가공 장치의 상태 모니터링을 위하여 다양한 연구가 이루어지고 있다. 도 2는 종래의 절삭 가공 장치의 모니터링 기술들의 예시들을 보여주고 있다.
현재 실제 주축 부하를 바탕으로 NC(Numerically Controlled) 프로그램 상으로 이송 속도를 실시간 제어하고, 공구의 마모, 파손 등 절삭공구 상태를 지속적인 감시를 통해 한계값에 이르렀을 때 알람 발생 및 긴급 정지를 시키는 시스템이 국외에서 개발 진행되고 있다. 이러한 연구의 일환으로서 2010 동경국제공작 기계전시회에서 국외 S사에 의하여 상용 주축 유닛을 위해 3축 진동 센서(속도 센서), 파손 감지 센서(Crash Sensor), 온도 센서 등을 내장한 주축 파손 감지 시스템(Crash Detection System for Spindle)이 소개되었으며, 도 2(A)는 이러한 센서들이 장착되는 주축 시스템을 보여준다. 이와 같이 가공 시스템의 절삭력과 진동 가속도는 공구 동력계와 가속도계로 직접 측정이 가능하다. 그러나 거친 기계적 환경에서 견딜 수 있는 측정 장치의 가격이 워낙 비싸다는 문제점과, 공구 동력계 설치로 인한 강성의 감소로 떨림 현상과 치수 오차 발생에 따른 가공 품질의 저하 등으로 인해 공구 동력계를 이용하는 것이 항상 가능한 것은 아니라는 문제점이 남아 있다.
국내의 경우 아직까지는 앞서 설명한 바와 같은 공구 상태를 감시하는 방향의 연구가 가장 활발하게 이루어지고 있다. 도 2(B)는 한국특허공개 제2002-0016178호("뉴로퍼지를 이용한 절삭작업에서의 공구상태 모니터링 시스템", 2002.03.04)로서, 지능형 공작기계의 절삭 가공중 상태를 모니터링하고 이상진단을 파악하는데 있어서, 센서 데이터와 절삭 변수 지수를 이용하여 공구의 상태를 판별할 수 있도록 뉴럴 네트워크를 학습시킨 학습된 뉴럴 네트워크 단계, 상기 학습된 뉴럴 네트워크를 재학습시키는 퍼지 추론 시스템(FIS) 단계, 상기 퍼지 추론 시스템을 통해 지식으로 학습된 뉴럴 네트워크를 이용하여 공정의 모든 특성과 복잡함을 언어적으로 표현하기 위한 퍼지 규칙 또는 멤버쉽 함수를 조절할 수 있는 최적화 단계로 구성되는 모니터링 기술을 개시한다. 도 2(C)는 한국특허등록 제0936263호("마이크로 엔드밀 공구용 측정 장치", 2010.01.04)로서, 정면공구측정카메라, 측면공구측정카메라, 레이져변위센서 등을 이용하여 가공 전에 공구 상태를 정확하게 측정하여, 절삭 가공 이후에 가공 오차 및 가공 불량에 따른 비용 손실이 발생하는 것을 방지하도록 한다. 그러나 이러한 기술들은 상술한 바와 같이 공구 자체의 상태를 모니터링하는데 그치고 있어, 절삭 가공의 정밀도를 충분히 개선하지 못한다.
도 2(D)는 한국특허등록 제0934337호("ＣＮＣ 호빙 머신의 공구 파손 방지 방법", 2009.12.18)로서, 기어 절삭 가공을 수행하는 중에 CNC 호빙 머신에 트러블이 발생하거나 비상정지 명령이 입력되면, 후퇴축으로 설정된 X축을 설정된 이송 속도로 설정된 후퇴 이송량만큼 후퇴시킨 후, 동기회전축인 C축과 동기되어 있는 동기축 Z축, B축, Y축 및 이송축 A축이 모두 정지하면, CNC 호빙 머신의 구동을 정지시키도록 구성되어, 기어 절삭 가공 중에 발생된 트러블 또는 비상정지로 인한 절삭 공구의 파손을 방지할 수 있게 한다. 이러한 기술을 통해 트러블 또는 비상정지 발생 시의 자동 대처가 가능해지는 장점은 있으나, 역시 절삭 가공의 정밀도 개선에는 큰 효과를 기대하기 어렵다.
1. 한국특허공개 제2002-0016178호("뉴로퍼지를 이용한 절삭작업에서의 공구상태 모니터링 시스템", 2002.03.04) 2. 한국특허등록 제0936263호("마이크로 엔드밀 공구용 측정 장치", 2010.01.04) 3. 한국특허등록 제0934337호("ＣＮＣ 호빙 머신의 공구 파손 방지 방법", 2009.12.18)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 절삭 가공 장치에서의 가공 상태를 절삭 공구용 모터에 공급되는 전류값을 측정하고, 이 전류값을 사용하여 절삭 가공 장치의 회전 속도 및 이송 속도를 간접적으로 모니터링함으로써 최소의 측정만으로 절삭 가공 상태 조건들을 효과적으로 모니터링하는, 주축 구동 모터의 전류값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 주축 구동 모터의 전류값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 방법은, 절삭 가공 장치(100), 상기 절삭 가공 장치(100)의 절삭 공구 주축 구동 모터에서 소비되는 전류를 측정하는 전류 센서(510), 상기 전류 센서(510)로부터 전류 신호를 전달받아 분석하는 상기 절삭 가공 장치(100)의 상태를 제어하는 제어부(500)를 포함하여 이루어지는 시스템에 의하여 이루어지는 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 방법에 있어서, 상기 제어부(500)에 의하여 상기 전류 센서(510)에서 측정된 전류값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 모니터링 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 제어부(500)는 회전 속도 및 이송 속도와 전류 간의 관계를 사용하여 전류값의 상기 기준치를 미리 결정하는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 제어부(500)는 회전 속도 및 이송 속도와 전류 간의 관계를 최소자승법을 이용한 1차식 또는 다차식 형태의 관계식으로 산출하여 상기 관계식을 전류값의 상기 기준치의 결정에 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모니터링 단계는, a1) 상기 절삭 가공 장치(100)에 절삭 가공을 위한 절삭 공구 주축 구동 모터의 회전 속도 및 이송 속도가 입력되어 세팅되는 단계(S01); a2) 상기 절삭 가공 장치(100)에 의하여 절삭 가공이 개시되는 단계(S02); a3) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 전류 센서(510)에서 측정된 전류값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 단계(S03); a4) 전류값이 기준치 이하가 아닌 경우(S03-No), 상기 제어부(500)에 의하여 경보가 발생되는 단계(S04); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 전류값의 상기 기준치는 상기 a1) 단계에서 세팅되는 회전 속도 및 이송 속도 값에 의하여 미리 결정되는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 제어부(500)는 상기 절삭 가공 장치(100)와는 독립적이며 상기 절삭 가공 장치(100) 자체의 제어 수단과 연결되어 신호를 송수신 가능하게 형성되는 연산처리수단 형태로 구성되거나, 또는 상기 절삭 가공 장치(100) 자체의 제어 수단에 부가 구비되는 하드웨어적 회로 형태로 구성되거나, 또는 상기 절삭 가공 장치(100) 자체의 제어 수단에 인스톨되어 동작하는 소프트웨어 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 절삭 가공 장치에 있어서의 상태 모니터링을 통해, 주축의 상태를 가공 공정 중 실시간으로 모니터링하고, 치수 정밀도 및 가공 조도에 영향이 미칠 경우 사전에 분석하고 실무자가 모니터링 결과를 보고 절삭 조건을 제어할 수 있도록 하여, 자기 진단 기능을 갖춘 절삭 가공 시스템을 실현할 수 있게 하는 큰 효과가 있다. 보다 구체적으로는, 본 발명에서는 특히 절삭 가공용 공구를 회전시키는 주축 모터에 전류 센서를 구비시켜 이 모터에서의 소비 전류를 측정하여 모니터링함으로써, 전류와 상관관계를 가지고 있는 회전 속도 및 이송 속도를 포함하는 절삭 가공 상태를 실시간 모니터링할 수 있게 되는 것이다.
이와 같이 절삭 조건의 실시간 모니터링이 가능하게 됨으로써, 본 발명에 의하면 절삭 가공 품질을 더욱 향상시킬 수 있는 효과 또한 있다. 특히 본 발명은 모니터링을 위한 시스템을 구성하기 위한 부품들이 저가로 구성될 수 있으며 필요 부품 수도 많지 않은 바, 종래의 상태 모니터링 방법이나 장치 기술들에 비하여 훨씬 경제적으로 시스템을 구성할 수 있다는 장점이 있어, 경제적 효과가 더욱 뛰어나다.
도 1은 종래 절삭 가공 장치에 적용되는 다양한 센서들.
도 2는 종래 절삭 가공 장치의 모니터링 기술들.
도 3은 본 발명의 주축 구동 모터의 전류값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 방법에 사용되는 시스템.
도 4는 Al, Brass, S45C 소재의 절삭 가공 시 고정 회전 속도 및 다양한 이송 속도에서의 시간에 대한 전류 측정 결과.
도 5a 내지 도 5c는 각각 Al, Brass, S45C 소재에서 다양한 회전 속도 및 이송 속도에 대한 전류 및 조도 측정 결과 및 이에 대한 1차(A) 또는 다차(B) 커브 피팅(curve fitting) 결과.
도 6a 내지 도 6c는 각각 Al, Brass, S45C 소재에서 도출된 회전 속도 - 이송 속도 - 전류 간의 관계 측정 결과(A) / 측정 결과로부터 도출된 1차 피팅 관계식에 따른 그래프(B) / 측정 결과로부터 도출된 다차 피팅 관계식에 따른 그래프(C).
도 7은 본 발명의 주축 구동 모터의 전류값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 방법의 한 실시예.
도 8은 회전 속도 및 이송 속도 - 조도 / 회전 속도 및 이송 속도 - 전류 간 상관관계를 이용하여 회전 속도 및 이송 속도에 따른 전류값 기준치 결정 과정의 한 실시예.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 주축 구동 모터의 전류값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
현재까지 절삭 가공 장치의 상태를 감시하기 위한 연구로는 절삭 공구의 상태를 직접적으로 관찰하는 직접적인 방법과 여러 센서의 신호 특성을 이용해 가공 장비의 상태를 예측하는 간접적인 방법, 이 두 방향으로 다양한 연구가 있어 왔다. 하지만 최근 자동화되고 무인화를 지향하는 시스템의 경우는 직접적인 방법의 적용은 많은 한계를 가지고 있어 간접적인 방법에 대하여 절삭 부하, 진동 등을 측정하는 방법 등이 연구되고 있다. 그러나 앞서 설명한 바와 같이, 대부분의 경우 감시 시스템이 현장에 적용되기 위한 조건인 저가, 고신뢰성, 내구성, 유연성 등이 결여되어 있어 현장 적용에 어려움을 겪고 있다.
본 발명에서는, 고가 또는 여러 개의 센서를 사용하지 않고 오직 전류 센서만을 사용하여, 절삭 가공 장치의 공구 주축 구동 모터의 소비 전류만을 측정함으로써, 절삭 가공 장치의 상태를 모니터링하고 또한 이를 통해 절삭 조건을 제어할 수 있도록 하고 있다. 이는 절삭 부하와 상관관계를 갖는 주축 구동 모터 전류 신호의 성분을 측정하여 측정 데이터를 바탕으로 절삭 조건의 제어 알고리즘을 적용함으로써 절삭 가공 장치의 상태를 효과적으로 모니터링할 수 있다. 이러한 본 발명의 주축 구동 모터의 전류값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 방법은, 상술한 바와 같이 고가의 센서나 여러 개의 센서를 필요로 하지 않으며, 단지 전류값만을 이용해서도 절삭 가공 장치의 상태 즉 모터 주축의 회전 속도, 이송 속도 등을 모니터링하고 이를 제어할 수 있는 근거를 제시할 수 있어, 경제적이면서도 실용화가 용이하다.
본 발명의 주축 구동 모터의 전류값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 방법을 적용하기 위한 시스템은 도 3에 도시된 바와 같다. 본 발명의 절삭 가공 장치의 모니터링 방법을 위한 시스템은, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 절삭 가공 장치(100)에, 전류 센서(510) 및 제어부(500)가 더 구비되기만 하면 된다.
상기 전류 센서(510)는 상기 절삭 가공 장치(100)의 절삭 공구 주축 구동 모터에 구비되어, 상기 회전 모터에서 소비되는 전류를 측정한다. 본 발명에서 사용되는 센서는 상기 전류 센서(510) 한 가지 뿐으로, 종래의 모니터링 또는 제어 시스템들의 경우 가속도계 등의 고가의 센서를 필요로 했던 것과는 달리, 이와 같이 본 발명에서는 훨씬 저렴하게 시스템을 구성할 수 있게 된다.
상기 제어부(500)는, 상기 전류 센서(510)로부터 전류 신호를 전달받아 분석하는 역할을 한다. 한편, 일반적인 현재의 절삭 가공 장치는, 사용자가 원하는 회전 속도 값, 이송 속도 값 등과 같은 초기 조건을 지정하여 입력하면 그 입력값에 맞추어 작동하도록 되어 있으며, 이와 같이 사용자에 의한 초기 조건 설정값의 입력 및 입력값에 따른 모터나 액추에이터의 구동 등을 처리하기 위한 제어 수단이 기본적으로 구비되어 있다. 따라서 상기 제어부(500)는, 상기 절삭 가공 장치(100)와는 독립적이며 상기 절삭 가공 장치(100) 자체의 제어 수단과 연결되어 신호를 송수신 가능하게 형성되는 연산처리수단 형태로 구성되거나, 또는 상기 절삭 가공 장치(100) 자체의 제어 수단에 부가 구비되는 하드웨어적 회로 형태로 구성되거나, 또는 상기 절삭 가공 장치(100) 자체의 제어 수단에 인스톨되어 동작하는 소프트웨어 형태로 구성될 수 있는 등, 그 구성 형태는 사용자의 편의 등에 따라 어떻게 구성되어도 무방하다.
이 때, 본 발명의 주축 구동 모터의 전류값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 방법은, 기본적으로는 상기 제어부(500)에 의하여 상기 전류 센서(510)에서 측정된 전류값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 모니터링 단계; 를 포함하여 이루어진다. 즉, 본 발명에서는 상기 절삭 가공 장치(100)의 상기 절삭 공구 주축 구동 모터의 소비 전류값을 통해 간접적으로 회전 속도 및 이송 속도를 모니터링하게 되는 것이다. 이 때, 본 발명에서는 상기 제어부(500)는 회전 속도 및 이송 속도와 전류 간의 관계를 사용하여 전류값의 상기 기준치를 미리 결정하게 된다. (모터의 소비 전류값과 회전 속도 및 이송 속도 간의 관계에 대해서는 이후에 보다 상세히 설명한다.)
일반적으로 절삭 가공에 있어서, 회전 속도가 높을수록 가공 조도가 좋아지며, 이송 속도가 높을수록 생산성이 좋아진다. 즉 실제 가공에 있어서 회전 속도와 이송 속도는 둘 다 높을수록 좋다. 그런데 모터의 소비 전류가 지나치게 높아진다는 것은, 가공 대상의 재질이나 형태가 불량하여 가공이 제대로 이루어지지 않는다거나, 공구에 문제가 생겨서 가공이 제대로 이루어지지 않는 등과 같은 가공 상태에 관련된 문제가 발생했다는 것이며, 이럴 경우 어쩔 수 없이 회전 속도나 이송 속도를 낮추어 주어야 한다. 이 때 생산 현장에서 가장 중요시되는 것은 생산성으로, 즉 생산성과 직접적으로 관련되는 이송 속도에 있어서의 손실은 최대한 지양되어야 한다. 따라서 본 발명에서는, 가공 상태에 문제가 발생되면 회전 속도 - 이송 속도 순으로 저감을 시켜 문제를 해결한다. 즉 구체적으로 설명하자면, 먼저 회전 속도를 낮추어 문제를 해결하도록 하고, 회전 속도를 낮추어도 문제가 해결되지 않으면 그 후에 이송 속도를 낮추어 문제를 해결하도록 하는 것이다.
이제 모터의 소비 전류값과 절삭 가공 장치의 상태(회전 속도, 이송 속도)의 관계에 대하여 보다 상세히 설명한다. 시험을 위하여 절삭 가공을 수행하면서 모터의 소비 전류값, 회전 속도, 이송 속도를 측정해 본 결과, Al, Brass, S45C 등과 같은 다양한 소재에 대하여 모두 회전 속도 및 이송 속도가 증가함에 따라 가공 대역에서는 전류값 및 가공 대상의 표면 조도가 증가함을 확인할 수 있다. 도 4는 Al, Brass, S45C 소재의 절삭 가공 시 고정 회전 속도 및 다양한 이송 속도에서의 시간에 대한 전류 측정 결과를 도시하고 있다. 이와 같은 실험 결과로부터 회전 속도 및 이송 속도와 전류값 사이의 상관관계를 도출할 수 있는 것이다. 도 5a 내지 도 5c는 각각 Al, Brass, S45C 소재에서 다양한 회전 속도 및 이송 속도에 대한 전류 및 조도 측정 결과 및 이에 대한 1차(A) 또는 다차(B) 커브 피팅(curve fitting) 결과를 도시하고 있다. 이로부터, 회전 속도 및 이송 속도 - 전류 / 회전 속도 및 이송 속도 - 조도 간에 상관관계가 있음을 알 수 있다.
Al, Brass, S45C 소재 각각에 대한 상기와 같은 실험을 통하여, 주축 회전 속도와 이송 속도에 따른 전류값과 표면 조도 값 데이터를 바탕으로 주축 회전 속도와 이송 속도의 변화에 따라 전류값 증감량의 최종적인 관계식을 도출할 수 있다. 이 때, 상기 제어부(500)는 회전 속도 및 이송 속도와 전류 간의 관계를 최소자승법을 이용한 1차식 또는 다차식 형태의 관계식으로 산출하여 상기 관계식을 전류값의 상기 기준치의 결정에 사용할 수 있는데, 이하의 도 6a 내지 도 6c는 각각 Al, Brass, S45C 소재에서 도출된 회전 속도 - 이송 속도 - 전류 간의 관계 측정 결과(A) / 측정 결과로부터 도출된 1차 피팅 관계식에 따른 그래프(B) / 측정 결과로부터 도출된 다차 피팅 관계식에 따른 그래프(C)를 도시하고 있다.
도 6a(A)는 Al 소재의 절삭 가공 시 측정 결과를 바탕으로 회전 속도(x축), 이송 속도(y축), 전류(z축) 관계를 B-스플라인 곡선 형태로 피팅한 결과를 보여주고 있다. 하기의 수학식 1은 측정 결과로부터 도출된 회전 속도(x축), 이송 속도(y축), 전류(z축) 간의 1차 함수 피팅 관계식이며, 도 6a(B)는 그 결과를 도시하고 있다. 이 때 1차 함수로 피팅하여 얻어진 방정식의 RMSE(Root Mean Square Error, 평균 제곱근 오차)가 0.04695로 아주 낮다. 따라서 이 관계식을 제어에 그대로 사용할 수도 있으며, 이를 사용할 경우 1차 함수이기 때문에 계산량이 매우 적으므로 계산 시간을 단축하고 연산 부하를 낮출 수 있다. 그러나 정확도를 더욱 높이기 위해서는 RMSE를 좀더 낮출 필요가 있으며, 이에 회전 속도는 2차 함수로, 이송 속도는 3차 함수로 피팅한 결과 RMSE를 50% 이상 감소시킬 수 있었다. 하기의 수학식 2는 측정 결과로부터 도출된 회전 속도(x축), 이송 속도(y축), 전류(z축) 간의 다차 함수 피팅 관계식이며, 도 6a(C)는 그 결과를 도시하고 있다.
Figure 112011063353602-pat00001
(AAl=5.27, BAl=-4.267e-006, CAl=0.00182, RMSE : 0.04695)
Figure 112011063353602-pat00002
(aAl=2.801, bAl=0.0003404, cAl=-0.005443, dAl=-1.563e-008, eAl=7.368e-007, fAl=8.025e-006, gAl=2.311e-013, hAl=-1.769e-011, iAl=-2.751e-010, RMSE : 0.02913)
도 6b(A)는 Brass 소재의 절삭 가공 시 측정 결과를 바탕으로 회전 속도(x축), 이송 속도(y축), 전류(z축) 관계를 B-스플라인 곡선 형태로 피팅한 결과를 보여주고 있다. 하기의 수학식 3은 측정 결과로부터 도출된 회전 속도(x축), 이송 속도(y축), 전류(z축) 간의 1차 함수 피팅 관계식이며, 도 6b(B)는 그 결과를 도시하고 있다. 이 때 1차 함수로 피팅하여 얻어진 방정식의 RMSE는 0.1596이며, 정확도를 더욱 높이기 위해서 회전 속도는 2차 함수로, 이송 속도는 3차 함수로 피팅한 결과 RMSE를 50% 이상 감소시킬 수 있었다. 하기의 수학식 4는 측정 결과로부터 도출된 회전 속도(x축), 이송 속도(y축), 전류(z축) 간의 다차 함수 피팅 관계식이며, 도 6b(C)는 그 결과를 도시하고 있다.
Figure 112011063353602-pat00003
(AB=4.999, BB=3.167e-006, CB=0.003275, RMSE : 0.1596)
Figure 112011063353602-pat00004
(aB=19.79, bB=-0.002033, cB=0.002728, dB=8.984e-008, eB=-1.887e-007, fB=4.828e-005, gB=-1.278e-012, hB=6.428e-012, iB=-1.576e-009, RMSE : 0.03726)
도 6c(A)는 S45C 소재의 절삭 가공 시 측정 결과를 바탕으로 회전 속도(x축), 이송 속도(y축), 전류(z축) 관계를 B-스플라인 곡선 형태로 피팅한 결과를 보여주고 있다. 하기의 수학식 5는 측정 결과로부터 도출된 회전 속도(x축), 이송 속도(y축), 전류(z축) 간의 1차 함수 피팅 관계식이며, 도 6c(B)는 그 결과를 도시하고 있다. 이 때 1차 함수로 피팅하여 얻어진 방정식의 RMSE는 0.133이며, 정확도를 더욱 높이기 위해서 회전 속도는 2차 함수로, 이송 속도는 3차 함수로 피팅한 결과 RMSE를 50% 이상 감소시킬 수 있었다. 하기의 수학식 6은 측정 결과로부터 도출된 회전 속도(x축), 이송 속도(y축), 전류(z축) 간의 다차 함수 피팅 관계식이며, 도 6c(C)는 그 결과를 도시하고 있다.
Figure 112011063353602-pat00005
(AS=4.946, BS=7e-006, CS=0.00749, RMSE : 0.133)
Figure 112011063353602-pat00006
(aS=-2.89, bS=0.001162, cS=0.003259, dS=-5.367e-008, eS=2.253e-007, fS=-8.102e-005, gS=8e-013, hS=-1.301e-011, iS=6.222e-009, RMSE : 0.08231)
상술한 바와 같이 절삭 가공 시 모터의 소비 전류와 절삭 가공 장치의 상태 즉 회전 속도 및 이송 속도 간에는 상관관계가 존재하며, 이를 본 발명이 모니터링 및 제어 시스템에 적용할 수 있다. (상기 예시에서는 회전 속도 및 이송 속도와 전류 간 관계식을 최소자승법을 이용한 다차식으로 구했으나 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 조화함수 등을 이용한 다른 방식으로 관계식을 구하여 이를 사용하도록 하여도 무방하다.) 다양한 소재들에 대하여 이러한 상관관계를 미리 구할 수 있으며, 따라서 실제 절삭 가공 수행 시 초기 세팅되는 회전 속도와 이송 속도에 대하여 이 때 나올 것으로 예상되는 전류값을 미리 구할 수 있다. 따라서 초기 세팅 회전 속도와 이송 속도에 따라 정상적인 가공 상태일 때의 전류값의 최고값, 즉 기준치를 구할 수 있는 것이다.
절삭 가공 시 가공 상태에 문제가 없으면 당연히 전류값은 기준치 이하로 나오게 될 것이다. 그런데, 가공 대상의 재질이나 형태가 불량하여 가공이 제대로 이루어지지 않는다거나, 공구에 문제가 생겨서 가공이 제대로 이루어지지 않는 등과 같은 가공 상태에 관련된 문제가 발생할 경우 전류값은 기준치 이상으로 올라가게 된다. 따라서, 전류값이 기준치 이상으로 올라가면 가공 상태에 문제가 발생했다고 판단하고, 회전 속도나 이송 속도를 저감시킴으로써 문제를 해결할 수 있는 것이다.
이제 앞서 설명한 절삭 가공 시 모터의 소비 전류와 절삭 가공 장치의 상태(즉 회전 속도 및 이송 속도) 간의 상관관계를 이용한 본 발명의 모니터링 방법을 구체적으로 설명한다.
도 7은 본 발명의 주축 구동 모터의 전류값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 방법의 한 실시예이다. 앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 모니터링 방법은 가공 수행 시 전류값이 기준치 이하인지 판단되는 모니터링 단계와, 전류값이 기준치 이하가 아니면 회전 속도 및 이송 속도가 저감되어 전류값을 기준치 이하로 내리는 제어 단계로 이루어진다. 이 때, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 모니터링 단계는, a1) 상기 절삭 가공 장치(100)에 절삭 가공을 위한 절삭 공구 주축 구동 모터의 회전 속도 및 이송 속도가 입력되어 세팅되는 단계(S01); a2) 상기 절삭 가공 장치(100)에 의하여 절삭 가공이 개시되는 단계(S02); a3) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 전류 센서(510)에서 측정된 전류값이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단되는 단계(S03); a4) 전류값이 기준치 이하가 아닌 경우(S03-No), 상기 제어부(500)에 의하여 경보가 발생되는 단계(S04); 를 포함하여 이루어질 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 절삭 가공을 개시할 때 작업자는 적절한 회전 속도 및 이송 속도를 상기 절삭 가공 장치(100)에 미리 결정된 값으로 입력한다. 이러한 회전 속도 및 이송 속도 값은 물론, 가공 대상의 재질이나 형상, 요구되는 생산 품질, 생산량, 생산 시간 등과 같은 다양한 변수에 따라 적절히 선택되어 결정될 수 있으며, 예를 들어 경험적으로 작업자 본인에 의하여 선택된 값일 수도 있고, 미리 매뉴얼화되어 있는 값을 참조하여 선택된 값일 수도 있는 등 다양하게 결정될 수 있다. 특히 도 5a 내지 도 5c의 시험 결과에서 알 수 있듯이 회전 속도 및 이송 속도는 가공 대상의 표면 조도와도 상관관계를 가지고 있으므로, 요구되는 생산 품질 즉 조도에 따라 회전 속도 및 이송 속도가 결정되도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 회전 속도 및 이송 속도가 입력되어 세팅(S01)되는 시점에서, 상술한 바와 같이 a1) 단계(S01)에서 결정된 회전 속도 및 이송 속도일 때 발생 예상되는 전류값, 즉 전류값의 기준치가 결정된다.
도 8을 참조하여 구체적인 전류값 기준치 결정 과정을 설명한다. 도 8은 도 5a(B)와 동일한 것으로, 즉 Al 소재에서 다양한 회전 속도 및 이송 속도에 대한 전류 및 조도 측정 결과 및 이에 대한 다차 커브 피팅(curve fitting) 결과이다. 예를 들어 Al 소재를 가공하고자 하고 또한 이 때 요구되는 표면 조도가 2㎛ 정도라 할 때, 작업자가 회전 속도를 20000rpm(O로 표시되는 그래프들)으로 결정했다고 가정한다. 도 8을 참조하여 볼 때, 2㎛에 해당하는 이송 속도는 약 50mm/s가 되고, 이 때 발생 예상되는 전류값은 약 5.3 정도가 됨을 알 수 있다. 즉 상술한 바와 같은 재질 및 요구 조도 조건(재질: Al / 요구 조도: 2㎛)에서, a1) 단계(S01)에서 회전 속도를 20000rpm 정도로 하려고 작업자가 결정했다면, 이송 속도는 최대 50mm/s 정도까지 올릴 수 있고, 이 때 전류값은 5.3 정도 나오게 됨을 도 8로부터 잘 알 수 있다. 즉 이 경우 전류 기준치를 5.3 정도로 잡을 수 있게 되는 것이다.
이와 같이 회전 속도 및 이송 속도가 입력되어 세팅되고 나면 자연히 이에 따른 전류 기준치가 산출된다. 따라서 절삭 가공이 개시되면(S02), 상기 제어부(500)는 상기 전류 센서(510)에서 측정되는 전류값이 기준치를 넘어가는지 여부를 모니터링하게 된다(S03). 앞서 설명한 바와 같이 문제 상황이 발생하지 않으면 전류값은 이 기준치를 넘어가지 않을 것이며(S03-Yes), 그러면 도 7에 도시되어 있는 바와 같이 가공이 계속 수행되면 된다. 그러나 문제 상황이 발생되면 전류값이 기준치를 넘어가게 되는데, 이와 같이 전류값이 기준치 이하가 아닌 경우(S03-No), 상기 제어부(500)에 의하여 경보가 발생되어(S04) 문제 상황이 발생했음을 작업자에게 알릴 수 있게 된다. 상기 경보는 물론 소리, 빛 등으로 표현되는 알람 장치에 의해 이루어질 수도 있고, 또는 상기 전류값이 화면 상에 계속 표시되고 있다가 경보 메시지 창이 새로 뜨는 식과 같은 형태로 이루어질 수도 있는 등, 작업자에게 효과적으로 경보를 할 수만 있다면 어떠한 형태로 이루어져도 무방하다.
이와 같이 본 발명은, 회전 속도 및 이송 속도를 따로 감지하지 않고도 단지 전류 센서 하나만을 이용해서 가공 상태(회전 속도 및 이송 속도)를 모니터링할 수 있어, 종래의 모니터링 기술에 비하여 훨씬 경제적이다. 또한, 이와 같이 모니터링을 함으로써 이후 즉 회전 속도 및 이송 속도를 적절히 저감하도록 조절하는 등의 제어를 자동 또는 수동으로 수행하도록 할 수 있어, 문제 상황 발생에 신속하고 정확하게 대처할 수 있게 된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: 절삭 가공 장치
500: 제어부
510: 전류 센서

Claims (6)

  1. 절삭 가공 장치(100), 상기 절삭 가공 장치(100)의 절삭 공구 주축 구동 모터에서 소비되는 전류를 측정하는 전류 센서(510), 상기 전류 센서(510)로부터 전류 신호를 전달받아 분석하는 상기 절삭 가공 장치(100)의 상태를 제어하는 제어부(500)를 포함하여 이루어지는 시스템에 의하여 이루어지는 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 방법에 있어서,
    상기 제어부(500)에 의하여 상기 전류 센서(510)에서 측정된 전류값이 미리 수행된 선행 실험에 의하여 회전 속도 및 이송 속도와 전류 간의 관계로부터 경험적으로 미리 산출되어 설정된 기준치 이하인지 판단되는 모니터링 단계;
    를 포함하여 이루어지며,
    상기 모니터링 단계는,
    a1) 상기 절삭 가공 장치(100)에 절삭 가공을 위한 절삭 공구 주축 구동 모터의 회전 속도 및 이송 속도가 입력되어 세팅되는 단계(S01);
    a2) 상기 절삭 가공 장치(100)에 의하여 절삭 가공이 개시되는 단계(S02);
    a3) 상기 제어부(500)에 의하여 상기 전류 센서(510)에서 측정된 전류값이 a1) 단계에서 세팅되는 회전 속도 및 이송 속도 값에 의하여, 미리 수행된 선행 실험에 의하여 회전 속도 및 이송 속도와 전류 간의 관계로부터 경험적으로 미리 산출되어 설정된 기준치 이하인지 판단되는 단계(S03);
    a4) 전류값이 기준치 이하가 아닌 경우(S03-No), 상기 제어부(500)에 의하여 경보가 발생되는 단계(S04);
    를 포함하여 이루어지며,
    상기 제어부(500)는, 회전 속도 및 이송 속도와 전류 간의 관계를 최소자승법을 이용한 다차식 형태의 관계식으로 산출하여 상기 관계식을 전류값의 상기 기준치의 결정에 사용하되,
    절삭 가공 대상물은 Al, Brass, S45C 중 어느 하나이고,
    상기 절삭 가공 대상물이 Al일 경우, 회전 속도(x), 이송 속도(y), 전류(f) 간 관계식은 하기와 같고,
    Figure 112012053396306-pat00019

    (aAl=2.801, bAl=0.0003404, cAl=-0.005443, dAl=-1.563e-008, eAl=7.368e-007, fAl=8.025e-006, gAl=2.311e-013, hAl=-1.769e-011, iAl=-2.751e-010, RMSE : 0.02913)
    상기 절삭 가공 대상물이 Brass일 경우, 회전 속도(x), 이송 속도(y), 전류(f) 간 관계식은 하기와 같고,
    Figure 112012053396306-pat00020

    (aB=19.79, bB=-0.002033, cB=0.002728, dB=8.984e-008, eB=-1.887e-007, fB=4.828e-005, gB=-1.278e-012, hB=6.428e-012, iB=-1.576e-009, RMSE : 0.03726)
    상기 절삭 가공 대상물이 S45C일 경우, 회전 속도(x), 이송 속도(y), 전류(f) 간 관계식은 하기와 같은 것을 특징으로 하는 주축 구동 모터의 전류값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 방법.
    Figure 112012053396306-pat00021

    (aS=-2.89, bS=0.001162, cS=0.003259, dS=-5.367e-008, eS=2.253e-007, fS=-8.102e-005, gS=8e-013, hS=-1.301e-011, iS=6.222e-009, RMSE : 0.08231)
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제어부(500)는
    상기 절삭 가공 장치(100)와는 독립적이며 상기 절삭 가공 장치(100) 자체의 제어 수단과 연결되어 신호를 송수신 가능하게 형성되는 연산처리수단 형태로 구성되거나,
    또는 상기 절삭 가공 장치(100) 자체의 제어 수단에 부가 구비되는 하드웨어적 회로 형태로 구성되거나,
    또는 상기 절삭 가공 장치(100) 자체의 제어 수단에 인스톨되어 동작하는 소프트웨어 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 주축 구동 모터의 전류값을 이용한 절삭 가공 장치의 상태 모니터링 방법.
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