KR101514147B1 - 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 및 그 장치 - Google Patents

상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 공작 기계에서 소재를 가공할 때에 발생하는 진동 중 가공 품질에 가장 큰 영향을 미치는 채터(Chatter) 진동을 억제하여 가공물의 정밀도와 조도를 향상시킬 수 있는 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 및 그 장치를 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 공작 기계의 채터 진동 신호를 센싱하는 센싱 단계; 센싱 단계에서 얻은 채터 진동 신호를 분석하여 채터 진동 억제를 위한 억제 신호를 생성하는 신호 분석 및 생성 단계; 및 신호 분석 및 생성 단계에서 얻은 억제 신호를 이용하여 공작 기계를 가진시키는 가진 단계로 이루어진 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 및 그 장치를 개시한다.

Description

상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 및 그 장치{Chatter vibration control method of machine tool using destructive interference effects and apparatus thereof}
본 발명의 일 실시예는 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 공작 기계에서 소재를 가공할 때에 발생하는 진동 중 가공 품질에 가장 큰 영향을 미치는 채터(Chatter) 진동을 억제하여 가공물의 정밀도와 조도를 향상시킬 수 있는 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
일반적으로 공구(Tool)을 회전하는 주축에 부착하여 피삭재를 가공하는 형태의 공작 기계에서는 가공 공구나 피삭재에 절삭 저항에 의한 휨이 발생하기 쉽다. 그리고 이 휨에 기인하여 가공 공구나 피삭재에 진동이 야기된다. 이 진동이 채터링(재생 채터링을 포함)으로 되어 가공에 나타나는 경우가 있다.
상기의 채터링을 억제하기 위하여 종래의 기술에서는 가공 및 미 가공 중에 발생하는 진동 신호를 취득하여 이를 채터 진동인지, 아닌지를 판단하고 이를 억제하기 위하여 회전하는 주축의 회전수(RPM)을 변경하는 방법을 사용하고 있다. (일본특허공개번호 2007-44852호 참조)
도 1a 및 도 1b에서와 같이 종래의 기술에서 채터링을 억제하는 방법은 가공 공구의 회전이 개시될 때에 발생하는 진동을 검출하는 공정(S2)과, 회전 개시 시부터 검출되는 상기 진동이 한계치를 초과하는지 아닌지를 판단하는 공정(S3), 상기 진동이 한계치를 초과한다고 판단되었을 때, 진동을 푸리에 급수 전개에 의해 해석(S4~S20)하여, 주파수×60÷칼날수의 연산식으로부터, 기계 주축의 회전수를 조정하는 공정(S21)을 갖고 있다.
상기 방법에 따른 공작 기계의 채터링 억제 방법 및 장치에서는, 회전 개시시부터 진동을 검출하여, 상기 진동을 푸리에 급수 전개에 의해 해석하고 있다. 푸리에 급수 전개는, 연산이 간단하고 신속한 처리가 가능하기 때문에 즉시성이 양호하게 향상되어, 실제로 채터링이 발생하기 전에, 채터링 진동을 예상할 수 있다.
따라서, 회전 개시와 함께 진동이 0부터 성장하는 재생 채터링을 가급적 조기에 예상하는 것이 가능해 진다. 이에 의해, 실제로 채터링에 의한 영향이 발생하기 전에, 기계 주축의 회전수를 조정할 수 있어, 재생 채터링의 발생을 억제한다.
종래의 방법에서 채터링 진동의 판단을 위한 구제척인 방법으로 수집된 진동 신호의 파워 스펙트럼을 10Hz 간격으로 주사하여 그 중의 피크치를 검색하는 조검색(S6)을 실시한다. 피크치가 있다고 판단되면, 조검색된 피크치의 전후 수십Hz를 1Hz마다 주사하여 정검색(S8)을 실시한다. 정검색에서 최대 피크인 주파수를 얻고, 이의 고조파 성분을 제거한 후 기본파의 주파수를 기준으로 회전수에 의한 진동인지, 칼날수에 의한 진동인지를 비교하며, 두 조건의 진동이 아닐 경우 채터 진동으로 판단하여 주파수×60÷칼날수의 연산식으로부터 주축의 회전수를 조정하게 된다.
도 2에서와 같이 종래 채터 진동 억제 장치의 컨트롤러는 공작 기계에 진동 검출기를 부착하여 진동 신호를 입력받고 이를 컨트롤러에서 처리한 후 채터 억제를 위한 신호를 공작기계 제어 장치로 출력하는 구조를 갖고 있다.
진동 검출기는 가속도 센서와 음파를 취득하는 마이크로폰으로 구성되며, 검출기에서 수집된 신호는 앰프와 필터링 회로를 거쳐 채터링 억제 연산 유닛으로 전달 된다. 상기 컨트롤러 시스템은 가공 공구의 칼날 수나 회전수를 입력하기 위한 가공 조건 입력 유닛을 구비하고 있으며, 채터 진동 억제를 위한 회전수 변화량을 사용자에게 알려줄 수 있는 표시 유닛을 구비하고, 연산의 한계치를 표시하는 한계유닛 및 회전수 갱신치를 공작 기계 제어 장치로 출력하는 출력 유닛을 구비함을 특징으로 한다.
도 3에서는 공작 기계에 진동 가속도 센서가 부착되는 위치와 음파 신호를 수집하기 위한 마이크로폰의 개략적인 위치를 나타내고 있고, 채터 억제 제어 유닛과 공작 기계 제어 장치로의 회전 속도 갱신 신호의 흐름을 보여주고 있다.
종래 기술에서의 가장 큰 문제점은 채터 회피를 위하여 가공 중에 주축의 회전 속도를 변경하는 것이다.
주축의 회전속도는 가공 품질과 조건 및 생산성을 고려하여 사용자가 결정하게 되는데 종래의 방식으로 채터 억제를 실시하게 되면, 사용자가 설정한 주축의 속도를 무시하고 임의로 회전 속도를 변경하여 가공을 진행하게 된다.
채터가 발생한 구간에 대해서는 가공 품질 측면에서 채터 회피 효과를 얻을 수 있지만, 회전 속도가 사용자가 설정한 설정치 보다 낮은 속도로 강제 변경되게 될 경우에는 가공 시간(Cycle time) 증가로 생산성에 악영향을 미치게 되며, 반대로 설정치 보다 높은 속도로 강제 변경되게 될 경우에 주축의 한계 속도보다 높게 설정될 가능성이 높으며, 이 경우에는 채터 회피 효과를 얻을 수 없게 된다.
또한, 주축 회전 속도를 변경할 수 없는 특별한 가공 조건에서는 종래의 주축 회전 속도를 변경하여 채터를 회피하는 방법을 사용할 수 없다.
가공 중 회전 속도 변경에 있어 문제점 중 하나는 일정 속도로 가공을 진행 할 때 보다 공구의 인서트의 마모가 광범위하게 그리고 불규칙적으로 발생한다는 것이다. 이는 공구 수명 예측을 어렵게 만들어 공구 교환시기를 설정하기 어렵게 하는 원인이 된다. 공작기계 운용에 있어 공구 교환이 적절한 시점에 이루어 지지 않으면 가공물의 불량이 증가하고, 곧 생산성의 악화로 이어진다.
일본특허공개번호 2007-044852(2007.02.22)
본 발명의 일 실시예는 공작 기계에서 소재를 가공할 때에 발생하는 진동 중 가공 품질에 가장 큰 영향을 미치는 채터(Chatter) 진동을 억제하여 가공물의 정밀도와 조도를 향상시킬 수 있는 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 및 그 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법은 공작 기계의 채터 진동 신호를 센싱하는 센싱 단계; 상기 센싱 단계에서 얻은 채터 진동 신호를 분석하여 채터 진동 억제를 위한 억제 신호를 생성하는 신호 분석 및 생성 단계; 및 상기 신호 분석 및 생성 단계에서 얻은 억제 신호를 이용하여 상기 공작 기계를 가진시키는 가진 단계를 포함한다.
상기 가진 단계는 상기 채터 진동 신호와 동일한 가진 신호를 상기 공작 기계에 제공하되, 상기 가진 신호의 위상각이 상기 채터 진동 신호와 180도 다를 수 있다.
상기 신호 분석 및 생성 단계는 상기 채터 진동 신호중 분석 가능한 주파수 영역만을 통과시키는 필터링 단계; 상기 필터링된 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환 단계; 상기 디지털 신호를 푸리에 변환 분석하는 푸리에 변환 분석 단계; 상기 푸리에 변환 분석된 신호를 이용하여 채터 진동수의 주파수 및 크기를 검출하는 채터 진동 검출 단계; 상기 채터 진동이 상쇄되도록 상기 채터 진동수의 주파수 및 크기와 동일하고, 위상차가 180도인 가진 신호를 생성하는 상 제어 단계; 및 상기 상 제어 단계로부터 얻은 위상차가 180도인 가진 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털 아날로그 변환 단계를 포함한다. 상기 채터 진동 검출 단계는 상기 공작 기계 중 주축대의 회전 속도에 의한 질량 불평형 진동 주파수 또는 설계 시 반영된 기계 요소에 의한 진동 주파수 성분을 제외한 주파수 대역의 진동 성분 중에서 미리 설정된 설정치보다 크게 진동 크기가 증가하거나 주파수가 이동하는 주파수를 채터링 성분으로 판정한다.
상기 센싱 단계에서 센서는 공작 기계의 주축과 공구대 또는 테이블에 부착되어 진동 가속도를 센싱할 수 있다.
상기 가진 단계에서 가진기는 공작 기계의 주축, 테이블 또는 공구대에 부착되어 가진 신호를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 장치는 공작 기계의 채터 진동 신호를 센싱하는 센싱부; 상기 센싱부에서 얻은 채터 진동 신호를 분석하여 채터 진동 억제를 위한 억제 신호를 생성하는 신호 분석 및 생성부; 및 상기 신호 분석 및 생성부에서 얻은 억제 신호를 이용하여 상기 공작 기계를 가진시키는 가진부를 포함한다.
상기 가진부는 상기 채터 진동 신호와 동일한 가진 신호를 상기 공작 기계에 제공하되, 상기 가진 신호의 위상각이 상기 채터 진동 신호와 180도 다를 수 있다.
상기 신호 분석 및 생성부는 상기 채터 진동 신호중 분석 가능한 주파수 영역만을 통과시키는 필터링부; 상기 필터링된 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부; 상기 디지털 신호를 푸리에 변환 분석하는 푸리에 변환 분석부; 상기 푸리에 변환 분석된 신호를 이용하여 채터 진동수의 주파수 및 크기를 검출하는 채터 진동 검출부; 상기 채터 진동이 상쇄되도록 상기 채터 진동수의 주파수 및 크기와 동일하고, 위상차가 180도인 가진 신호를 생성하는 위상 제어부; 및 상기 위상 제어부로부터 얻은 위상차가 180도인 가진 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털 아날로그 변환부를 포함한다. 상기 채터 진동 검출부는 상기 공작 기계 중 주축대의 회전 속도에 의한 질량 불평형 진동 주파수 또는 설계 시 반영된 기계 요소에 의한 진동 주파수 성분을 제외한 주파수 대역의 진동 성분 중에서 미리 설정된 설정치보다 크게 진동 크기가 증가하거나 주파수가 이동하는 주파수를 채터링 성분으로 판정할 수 있다.
상기 센싱부에서 센서는 공작 기계의 주축과 공구대 또는 테이블에 부착되어 진동 가속도를 센싱할 수 있다.
상기 가진부에서 가진기는 공작 기계의 주축, 테이블 또는 공구대에 부착되어 가진 신호를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 공작 기계에서 소재를 가공할 때에 발생하는 진동 중 가공 품질에 가장 큰 영향을 미치는 채터(Chatter) 진동을 억제하여 가공물의 정밀도와 조도를 향상시킬 수 있는 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 및 그 장치를 제공한다.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 공작 기계의 채터 진동 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 공작 기계의 채터 진동 제어 장치를 도시한 블럭도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 공작 기계에서 가속도 센서 및 마이크로폰의 설치 위치를 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 장치를 도시한 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 중 채터 감지 방법을 도시한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 중 위상 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 중 디지털 아날로그 변환부의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계(선반)의 채터 진동의 제어 장치의 구성을 도시한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계(밀링)의 채터 진동의 제어 장치의 구성을 도시한 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 장치를 도시한 블럭도이다.
고속으로 회전하는 공작 기계에서는 공구(Tool)나 소재 가공시 발생하는 절삭력에 의한 진동이 발생하기 쉬우며, 이 진동은 재생 채터링으로 성장하여 소재 가공 시 지속적인 진동의 영향을 주게 된다.
이에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 장치(100)는 공작 기계의 채터 진동 신호를 센싱하는 센싱부(110); 센싱부(110)에서 얻은 채터 진동 신호를 분석하여 채터 진동 억제를 위한 억제 신호를 생성하는 신호 분석 및 생성부(120); 및, 신호 분석 및 생성부(120)에서 얻은 억제 신호를 이용하여 공작 기계를 가진(加振)시키는 가진부(130)를 포함한다. 즉, 본 발명은 채터 진동 주파수와 동일한 진동을 공구나 워크(Work)에 강제로 입력하되, 그 위상각이 180도 차이나게 하여, 상쇄 간섭 효과에 의하여 채터 진동의 진폭을 감소시키거나 제거한다. 이러한 본 발명의 구성 및 동작에 대해 좀더 구체적으로 설명한다.
센싱부(110)는 상술한 바와 같이 공작 기계의 채터 진동 신호를 센싱하며, 이를 위해 센서(111)를 포함한다. 센서(111)는 공작 기계의 주축과 공구대 및/또는 테이블 등에 부착되어 진동 가속도를 센싱한다. 더불어 센서(111)의 설치 위치는 상술한 위치로 한정되지 않으며, 센서(111)는 공작 기계의 형태에 따라 가장 신뢰성 있는 진동 신호를 수집할 수 있는 위치에 설치될 수 있다.
신호 분석 및 생성부(120)는 센싱부(110)에서 얻은 채터 진동 신호를 분석하여 채터 진동 억제를 위한 억제 신호를 생성한다. 이러한 신호 분석 및 생성부(120)는 경우에 따라 DSP 보드(Digital Signal Processor board)로 지칭될 수 있다.
또한, 신호 분석 및 생성부(120)는 필터링부(121), 아날로그 디지털 변환부(122), 푸리에 변환 분석부(123), 채터 진동 검출부(124), 위상 제어부(126), 디지털 아날로그 변환부(125)를 포함한다.
필터링부(121)는 센서(111)로부터 얻은 채터 진동 신호중 분석 가능한 주파수 영역만을 통과시킨다. 여기서, 채터 진동 신호는 아날로그 신호이다.
아날로그 디지털 변환부(122)는 필터링부(121)에서 얻은 필터링된 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다. 이러한 아날로그 디지털 변환부(122)는 미리 정해진 분해능과 샘플링 속도를 가지며, 상술한 필터링된 채터 진동 신호를 양자화한다.
푸리에 변환 분석부(123)는 아날로그 디지털 변환부(122)에서 얻은 디지털 신호를 고속 푸리에 변환하여 분석한다. 여기서, 푸리에 변환 분석된 신호는 하기할 채터 진동 검출부(124) 및 디지털 아날로그 변환부(125)에 각각 전송된다.
여기서, 상술한 센서(111)로부터 푸리에 변환 분석부(123)까지의 동작은 실시간(real time)으로 이루어진다.
채터 진동 검출부(124)는 푸리에 변환 분석된 신호를 이용하여 채터 진동수(주파수) 및 크기를 검출한다. 즉, 채터 진동 검출부(124)는 공작 기계 중 주축대의 회전 속도에 의한 질량 불평형 진동 주파수 및/또는 설계 시 반영된 기계 요소에 의한 진동 주파수 성분을 제외한 주파수 대역의 진동 성분 중에서 미리 설정된 설정치보다 크게 진동 크기가 증가하거나 주파수가 이동하는 주파수를 채터링 성분으로 판정하여 검출한다. 여기서, 채터링 성분으로 판정된 주파수는 1개 또는 그 이상일 수 있다. 더불어, 이와 같이 검출된 해당 주파수의 값과 크기는 위상 제어부(126)로 전송된다. 이러한 채터 진동 검출부(124)의 동작은 도 5에 도시되어 있으며, 이는 아래에서 더욱 상세하게 설명한다.
위상 제어부(126)는 채터 진동이 상쇄되도록 상술한 채터 진동수의 주파수 및 크기와 동일하고, 위상차는 180도인 가진 신호(억제 신호)를 생성하여 출력한다. 일례로, 위상차 180도 만큼의 시간 지연(time delay)을 기본 정현파 신호에 삽입하여 완전한 한 주기를 갖는 데이터 스트림(data stream)을 생성하며, 이러한 데이터 스트림은 배열(structure) 구조에 연속적인 디지털 값의 집합으로 이루어질 수 있다. 이러한 위상 제어부(126)의 동작은 도 6에 도시되어 있으며, 이는 아래에서 더욱 상세하게 설명한다.
디지털 아날로그 변환부(125)는 위상 제어부(126)로부터 얻은 위상차가 180도인 가진 신호를 아날로그 신호로 변환하여, 가진부(130)로 출력한다. 여기서, 신호 분석 및 생성부(120)는 채터 진동 검출부(124)로 입력되는 프리에 변환 분석 결과를 피드백으로 이용하여 디지털 아날로그 변환부(125)에 의한 출력 전,후 값을 비교하여 미리 설정한 비율에 가까워질 때까지 제어 루프 안에서 제어가 수행되도록 한다. 이러한 디지털 아날로그 변환부(125)의 동작은 도 7에 도시되어 있으며, 이는 아래에서 더욱 상세하게 설명한다.
가진부(130)는 신호 분석 및 생성부(120)에서 얻은 억제 신호를 이용하여 공작 기계를 가진시켜 채터 진동이 제거되도록 한다. 즉, 가진부(130)는 채터 진동 신호와 동일한 가진 신호를 공작 기계에 제공하되, 가진 신호의 위상각이 채터 진동 신호와 180도 다르도록 한다. 실질적으로, 이러한 가진부(130)는 증폭기(131)와 가진기(132)를 포함하며, 증폭기(131)는 억제 신호를 증폭하고, 가진기(132)는 실제로 공작 기계를 가진시킨다. 가진부(130)에서 가진기(132)는 공작 기계(선반, 밀링)의 주축, 테이블 및/또는 공구대에 부착되어 가진 신호를 제공할 수 있다. 더불어, 필요에 따라 가진기(132)는 선반의 공구대나 밀링의 테이블에 부착되어, 180도 위상차를 갖는 가진 주파수에 의해 상쇄 간섭을 일으켜 채터 진동이 감소 또는 제거되도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 중 채터 감지 방법을 도시한 순서도이다.
채터 진동 검출부(124)는 일례로, 1Hz 간격으로 푸리에 변환 분석 결과를 입력받으며, 모든 피크 주파수를 검색한다.
또한, 채터 진동 검출부(124)는 피크 주파수 중에서 알려지지 않은 주파수가 있는지 판단한다. 채터 진동 검출부(124)는 만약, 알려지지 않은 주파수가 있다면, 이러한 알려지지 않은 주파수를 추적한다.
채터 진동 검출부(124)는 알려지지 않은 주파수의 크기가 커지고 있는지 판단한다. 알려지지 않은 주파수의 크기가 커지고 있다면, 채터 진동 검출부(124)는 채터 진동이 존재하는 것으로 판정하고, 알려지지 않은 주파수의 크기가 커지고 있지 않다면, 이러한 알려지지 않은 주파수가 푸리에 변환 분석 범위의 오차 범위 이상으로 이동하는지 판단한다. 알려지지 않은 주파수가 푸리에 변환 분석 범위의 오차 범위 이상으로 이동한다면, 채터 진동 검출부(124)는 채터 진동이 존재하는 것으로 판정한다.
채터 진동 검출부(124)는 주파수에서 배수 성분(즉, 하모닉(Harmonic))이 있는지 판단하고, 배수 성분이 있다면 배수 성분을 삭제한다. 그리고, 채터 진동 검출부(124)는 위상 제어부(126)에 해당 주파수 값 및 크기를 전송한다. 또한, 채터 진동 검출부(124)는 주파수에 배수 성분이 없을 경우, 상술한 바와 같이 해당 주파수 값 및 크기를 위상 제어부(126)에 그대로 전송한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 중 위상 제어 방법을 도시한 순서도이다.
위상 제어부(126)는 입력된 주파수가 1개 이상인지 판단하여, 1개 이상일 경우 τ(지연시간)=1/f(주파수)의 공식에 의해, 180도 위상차를 만드는 n개의 지연 시간(delay time)을 계산한다. 또한, 위상 제어부(126)는 Y=A·sin(ωt)에 의해 n개의 정현파형을 생성한다. 또한, 위상 제어부(126)는 계산된 지연 시간만큼 각각의 정현파형을 쉬프트(shift)하고, 쉬프트된 n개의 정현파를 합산(sum)하여 데이터 스트림(data stream)을 생성한다. 또한, 위상 제어부(126)는 상술한 데이터 스트림을 디지털 아날로그 변환부(125)에 전송한다. 여기서, n은 자연수, Y는 가진 신호값, A는 진폭, ω는 각진동수, t는 시간이다.
더불어, 위상 제어부(126)는 입력된 주파수가 1개 이상이 아닐 경우, Y=A·sin(ωt)에 의해 데이터 스트림을 생성한다. 또한, 위상 제어부(126)는 τ=1/f의 공식에 의해, 180도 위상차를 만드는 n개의 지연 시간(delay time)을 계산한다. 더불어, 위상 제어부(126)는 지연 시간 및 데이터 스트림을 디지털 아날로그 변환부(125)에 전송한다
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 중 디지털 아날로그 변환부의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
디지털 아날로그 변환부(125)는 상술한 위상 제어부(126)로부터 입력받은 신호 또는 정보로부터 지연 시간 정보가 있는지 판단한다.
디지털 아날로그 변환부(125)는 억제 신호의 출력 전에 상술한 푸리에 변환 분석부(123)로부터 푸리에 변환 분석값을 입력받고, 상술한 지연 시간을 적용하여 억제 신호를 출력한다.
또한, 디지털 아날로그 변환부(125)는 억제 신호의 출력 후 다시 푸리에 변환 분석부(123)로부터 푸리에 변환 분석값을 입력받고, 출력 전,후의 주파수 크기가 미리 설정된 기준치 이하인지 판단한다.
디지털 아날로그 변환부(125)는 출력 전,후의 주파수 크기가 미리 설정된 기준치 이하일 경우 출력을 유지하고, 출력 전,후의 주파수 크기가 기준치 이하가 아닐 경우 지연 시간을 변경할 수 있도록, 상술한 디지털 아날로그 변환부(125)에 의한 출력 전 푸리에 변환 분석값을 입력받는 단계로 복귀한다.
한편, 디지털 아날로그 변환부(125)는 지연 시간 정보가 없는 경우, 상술한 데이터 스트림 배열을 메모리에 저장한다. 이어서, 디지털 아날로그 변환부(125)는 출력 전 푸리에 변환 분석부(123)로부터 푸리에 변환 분석값을 입력받으며, 상술한 메모리가 디지털 아날로그 변환부(125)에 데이터 스트림 배열을 출력한다. 또한, 디지털 아날로그 변환부(125)는 출력 후 푸리에 변환 분석부(123)로부터 푸리에 변환 분석값을 입력받는다. 더불어, 디지털 아날로그 변환부(125)는 출력 전,후의 주파수 크기가 기준치 이하일 경우 출력을 유지하고, 출력 전,후의 주파수 크기가 기준치 이하가 아닐 경우 상술한 데이터 스트림 배열을 쉬프트하기 위해 지연 시간 정보가 있는지 판단하는 단계로 복귀한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계(선반)의 채터 진동의 제어 장치의 구성을 도시한 개략도이다.
도 8에 도시된 바와 같이 공작 기계(선반)는 모터에 주축이 연결되고, 주축에 소재가 결합되며, 소재의 일측에 심압대가 결합되고, 소재의 타측에 공구대가 위치된다. 여기서, 상술한 센서(111)는 모터, 주축, 심압대 등에 설치될 수 있고, 3축으로 가진이 가능한 가진기(132)는 주축 및 공구대 등에 설치될 수 있다. 물론, 센서(111)로부터의 신호는 신호 분석 및 생성부(120)(DSP 보드)에 전달되고, 가진기(132)는 신호 분석 및 생성부(120)에 연결된 증폭기(131)에 연결되어 제어를 받는다. 또한, 신호 분석 및 생성부(120)는 공작 기계 제어부에 의한 제어를 받는다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계(밀링)의 채터 진동의 제어 장치의 구성을 도시한 개략도이다.
도 9에 도시된 바와 같이 공작 기계(밀링)은 모터에 주축이 연결되고, 주축에 공구대가 연결되며, 또한, 테이블 위에 소재가 위치된다. 여기서, 상술한 센서(111)는 모터, 주축, 테이블 등에 설치될 수 있고, 3축으로 가진이 가능한 가진기(132)는 주축 및 테이블 등에 설치될 수 있다. 물론, 센서(111)로부터의 신호는 신호 분석 및 생성부(120)(DSP 보드)에 전달되고, 가진기(132)는 신호 분석 및 생성부(120)에 연결된 증폭기(131)에 연결되어 제어를 받는다. 또한, 신호 분석 및 생성부(120)는 공작 기계 제어부에 의한 제어를 받는다.
이와 같이 하여, 본 발명은 공작 기계 가공품의 품질을 향상시키고, 공작 기계의 생산성을 향상시킨다.
품질 향상 측면에서 본 발명은 가공 중 주축 회전수의 변경이 필요 없는 채터 진동 제어로 주축 회전수 변경이 불가능한 가공 조건에서 가공 시간(Cycle time)의 변화없이 가공품의 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 생산성 향상 측면에서 본 발명은 종래 기술에서의 문제점 중 하나인 채터 회피 시 주축 회전수를 낮출 경우 발생하는 가공 시간 증가를 원천적으로 없앨 수 있다.
또한, 본 발명은 가공 중 주축 회전수가 변화하지 않으므로, 가공 공구의 광범위하고 불규칙한 마모를 감소시켜 정량적인 공구 교환 시기를 설정할 수 있으며, 이는 공작 기계의 생산성 향상으로 이어진다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 상쇄 간섭 효과를 이용한 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법 및 그 장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 본 발명에 따른 공작 기계의 채터 진동의 제어 장치
110; 센싱부 111; 센서
120; 신호 분석 및 생성부 121; 필터링부
122; 아날로그 디지털 변환부 123; 푸리에 변환 분석부
124; 채터 진동 검출부 125; 디지털 아날로그 변환부
126; 위상 제어부 130; 가진부
131; 증폭기 132; 가진기

Claims (12)

  1. 공작 기계의 채터 진동 신호를 센싱하는 센싱 단계;
    상기 센싱 단계에서 얻은 채터 진동 신호를 분석하여 채터 진동 억제를 위한 억제 신호를 생성하는 신호 분석 및 생성 단계; 및
    상기 신호 분석 및 생성 단계에서 얻은 억제 신호를 이용하여 상기 공작 기계를 가진시키는 가진 단계를 포함하고,
    상기 신호 분석 및 생성 단계는 상기 채터 진동 신호 중 분석 가능한 주파수 영역만을 통과시키는 필터링 단계; 상기 필터링된 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환 단계; 상기 디지털 신호를 푸리에 변환 분석하는 푸리에 변환 분석 단계; 상기 푸리에 변환 분석된 신호를 이용하여 채터 진동수의 주파수 및 크기를 검출하는 채터 진동 검출 단계;
    상기 채터 진동이 상쇄되도록 상기 채터 진동수의 주파수 및 크기와 동일하고, 위상차가 180도인 가진 신호를 생성하는 상 제어 단계; 및
    상기 상 제어 단계로부터 얻은 위상차가 180도인 가진 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털 아날로그 변환 단계를 포함하며,
    상기 상 제어 단계에서 입력된 주파수가 1개 이상일 경우 τ(지연 시간)=1/f(주파수)에 의해, 위상차를 만드는 n개의 지연 시간을 계산하고, Y=A·sin(ωt)에 의해 n개의 정현파형을 생성하며, 계산된 지연 시간만큼 각각의 정현파형을 쉬프트(shift)하고, 쉬프트된 n개의 정현파를 합산하여 데이터 스트림(data stream)을 생성하며(여기서, n은 자연수, Y는 가진 신호값, A는 진폭, ω는 각진동수, t는 시간),
    상기 디지털 아날로그 변환 단계에서 상기 데이터 스트림으로부터 지연 시간 정보가 있으면 상기 억제 신호 출력 전에 푸리에 변환 분석값을 입력받고, 상기 지연 시간을 적용하여 상기 억제 신호를 출력함을 특징으로 하는 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가진 단계는 상기 채터 진동 신호와 동일한 가진 신호를 상기 공작 기계에 제공하되, 상기 가진 신호의 위상각이 상기 채터 진동 신호와 180도 다른 것을 특징으로 하는 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 채터 진동 검출 단계는
    상기 공작 기계 중 주축대의 회전 속도에 의한 질량 불평형 진동 주파수 또는 설계 시 반영된 기계 요소에 의한 진동 주파수 성분을 제외한 주파수 대역의 진동 성분 중에서 미리 설정된 설정치보다 크게 진동 크기가 증가하거나 주파수가 이동하는 주파수를 채터링 성분으로 판정하되,
    모든 피크 주파수를 검색하여, 상기 피크 주파수 중에서 알려지지 않은 주파수가 있을 경우, 상기 알려지지 않은 주파수를 추적하고, 상기 알려지지 않은 주파수의 크기가 커지고 있거나, 상기 알려지지 않은 주파수가 푸리에 변환 분석 범위의 오차 범위 이상으로 이동할 경우 채터링 성분으로 판정하고,
    상기 주파수에 배수 성분이 있을 경우 배수 성분을 삭제함을 특징으로 하는 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 센싱 단계에서 센서는 공작 기계의 주축과 공구대 또는 테이블에 부착되어 진동 가속도를 센싱함을 특징으로 하는 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가진 단계에서 가진기는 공작 기계의 주축, 테이블 또는 공구대에 부착되어 가진 신호를 제공함을 특징으로 하는 공작 기계의 채터 진동의 제어 방법.
  7. 공작 기계의 채터 진동 신호를 센싱하는 센싱부;
    상기 센싱부에서 얻은 채터 진동 신호를 분석하여 채터 진동 억제를 위한 억제 신호를 생성하는 신호 분석 및 생성부; 및
    상기 신호 분석 및 생성부에서 얻은 억제 신호를 이용하여 상기 공작 기계를 가진시키는 가진부를 포함하고,
    상기 신호 분석 및 생성부는 상기 채터 진동 신호중 분석 가능한 주파수 영역만을 통과시키는 필터링부; 상기 필터링된 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부; 상기 디지털 신호를 푸리에 변환 분석하는 푸리에 변환 분석부; 상기 푸리에 변환 분석된 신호를 이용하여 채터 진동수의 주파수 및 크기를 검출하는 채터 진동 검출부; 상기 채터 진동이 상쇄되도록 상기 채터 진동수의 주파수 및 크기와 동일하고, 위상차가 180도인 가진 신호를 생성하는 위상 제어부; 및 상기 위상 제어부로부터 얻은 위상차가 180도인 가진 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털 아날로그 변환부를 포함하며,
    상기 위상 제어부는 입력된 주파수가 1개 이상일 경우 τ(지연 시간)=1/f(주파수)에 의해, 위상차를 만드는 n개의 지연 시간을 계산하고, Y=A·sin(ωt)에 의해 n개의 정현파형을 생성하며, 계산된 지연 시간만큼 각각의 정현파형을 쉬프트(shift)하고, 쉬프트된 n개의 정현파를 합산하여 데이터 스트림(data stream)을 생성하며(여기서, n은 자연수, Y는 가진 신호값, A는 진폭, ω는 각진동수, t는 시간),
    상기 디지털 아날로그 변환부는 상기 데이터 스트림으로부터 지연 시간 정보가 있으면 상기 억제 신호 출력 전에 푸리에 변환 분석값을 입력받고, 상기 지연 시간을 적용하여 상기 억제 신호를 출력함을 특징으로 하는 공작 기계의 채터 진동의 제어 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가진부는 상기 채터 진동 신호와 동일한 가진 신호를 상기 공작 기계에 제공하되, 상기 가진 신호의 위상각이 상기 채터 진동 신호와 180도 다른 것을 특징으로 하는 공작 기계의 채터 진동의 제어 장치.
  9. 삭제
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 채터 진동 검출부는
    상기 공작 기계 중 주축대의 회전 속도에 의한 질량 불평형 진동 주파수 또는 설계 시 반영된 기계 요소에 의한 진동 주파수 성분을 제외한 주파수 대역의 진동 성분 중에서 미리 설정된 설정치보다 크게 진동 크기가 증가하거나 주파수가 이동하는 주파수를 채터링 성분으로 판정하되,
    모든 피크 주파수를 검색하여, 상기 피크 주파수 중에서 알려지지 않은 주파수가 있을 경우, 상기 알려지지 않은 주파수를 추적하고, 상기 알려지지 않은 주파수의 크기가 커지고 있거나, 상기 알려지지 않은 주파수가 푸리에 변환 분석 범위의 오차 범위 이상으로 이동할 경우 채터링 성분으로 판정하고,
    상기 주파수에 배수 성분이 있을 경우 배수 성분을 삭제함을 특징으로 하는 공작 기계의 채터 진동의 제어 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 센싱부에서 센서는 공작 기계의 주축과 공구대 또는 테이블에 부착되어 진동 가속도를 센싱함을 특징으로 하는 공작 기계의 채터 진동의 제어 장치.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 가진부에서 가진기는 공작 기계의 주축, 테이블 또는 공구대에 부착되어 가진 신호를 제공함을 특징으로 하는 공작 기계의 채터 진동의 제어 장치.
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