KR20160079372A - 공작기계용 공구 장착 상태 감시 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비교적 간단한 구성으로 공구의 장착 상태를 감지할 수 있는 공작기계용 공구 장착 상태 감시 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 프레임, 상기 프레임에 회전 고정되는 공구장착부, 상기 공구장착부에 장착되는 공구를 포함하는 공작기계용 공구 장착 상태 감시 장치에 있어서, 상기 프레임에 고정되어 상기 공구가 공전하는 경우 공구 외면과의 갭을 감지하는 센서; 및 상기 센서에서 감지된 갭 정보를 이용하여 공구 장착 상태를 판단하는 처리장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

공작기계용 공구 장착 상태 감시 장치{Monitoring device of tool install condition for machine tool}

본 발명은 공작기계용 공구 장착 상태 감시 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 CNC 공작기계에 사용되는 공구의 장착 상태를 감지하는 공작기계용 공구 장착 상태 감시 장치에 관한 것이다.

일반적으로 각종의 절삭 가공방법 또는 비절삭 가공방법으로 금속 또는 비금속의 소재를 적당한 공구를 사용하여 형상 및 치수로 가공하든가 또는 반소재에 더욱 정밀한 가공을 할 목적으로 사용하는 기계를 공작기계라 한다.

상기한 공작기계중에서 가공과정에서 칩이 발생하는 공작기계를 절삭공작기계라고 부르고, 가공과정에서 칩이 발생하지 않는 비절삭 공작기계를 금속가공기계라고 한다.

그리고 수치제어 방식을 적용하여 자동으로 절삭 가공하는 기계를 CNC(Computer Numerical Control)공작기계라 하며, 상기 CNC 공작기계는 지령된 파트 프로그램 즉 엔시코드를 입력받아 서보모터를 구동시킴으로써 원하는 형상을 소재에 자동으로 가공하는 제어장치를 의미한다. 즉, 가공물의 도면이 주어지면 이 도면으로부터 치수라든가 가공조건을 해석하여 시엔시 공작기계가 이해하는 명령어로 파트 프로그램을 작성하고, 이 파트 프로그램을 입력하면 수치제어장치가 내부해석을 통해 엔시 서보 축의 이송을 위한 위치 및 속도제어 지령을 만들고, 이 지령에 따라 서보모터가 회전되어 소재를 가공하게 되는 것으로 다양한 제품을 지속적으로 생산할 수 있는 장점이 있어, 제조 분야에 널리 사용되고 있다.

상기 CNC공작기계, 특히 머시닝 센터는 회전하는 주축이 있고, 상기 주축에 필요한 공구를 장착하여 회전시키고 상기 공구의 회전에 의하여 공작물을 가공하는 형태로 가공이 진행되며, 가공 정도에 따라 다양한 공구를 교환하여 작업을 진행하는 것이 일반적이다.

한편, CNC공작기계를 이용하여 가공된 제품의 품질은 공구과 공작물의 접촉에 시 발생하는 진동과 공구의 위치를 제어하는 서보 장치의 정밀도에 의하여 결정되며, 서보 장치의 정밀도는 장착된 서보 장치에 의하여 결정되므로, 제품의 불량은 공구와 공작물의 비정상적인 진동 등에 의하여 발생한다.

상기와 같은 특성을 이용하여 절삭 상태를 감시하는 방법들이 다수 제안되었다. 예를 들면, 공개특허 제2001-0037000호에는 NC의 지령에 의해 출력단에 연결된 절삭기계 내부에 장착되어 동력발생하는 스핀들모터의 부하상태를 감지할 수 있도록 하는 스핀들유닛과; 상기 스핀들유닛에 연결되며 동시에 PLC와 연결되어 가공상태를 표시함과 동시에 변경하고자 하는 공구번호등을 입력할 수 있도록 A/D컨버터, 중앙처리장치, 키보드와, 상기 중앙처리장치의 출력단에 연결되어 가공상태 및 검출상태에 대한 경고신호가 문자 또는 숫자등으로 표시될 수 있도록 하는 실행부, 입출력카드로 이루어진 절삭감시장치의 구성이 개시되어 있다.

상기의 구성은 스핀들모터의 부하 상태를 감지하여 전체 절삭 상태를 감지하므로, 최종 제품의 특성을 파악할 수 있는 장점은 있으나, 스핀들의 부하는 공구의 장착 상태, 베어링의 상태 그리고 서보 장치와 연결된 스크류 등의 상태들이 결합되어 최종적으로 나타나므로, 불량의 원인을 파악하기에는 다소 무리가 있다.

한편, CNC공작기계를 구동 시에는 주변의 이물질, 특히 절삭에 의하여 발생하는 칩들이 절삭유와 같이 비산하여 공구 교환 시 공구 장착부에 삽입되는 경우가 종종있고, 툴 메거진을 이용하여 공구를 교환하는 경우에는 상기와 같은 이물질 상태를 기계적으로 확인하기 어려우므로, 비정상적으로 장착된 공구에 의한 가공이 종종 수행되고, 상기와 같은 상태에서는 스핀들의 진동을 야기하여 제품 불량이 발생하며, 상기와 같은 원인에 따른 불량이 전체 불량에서 많은 부분을 차지하고 있다.

따라서, 스핀들 진동의 감지하는 방식이 아닌 공구 장착 상태를 확인하여 가공 상태를 감시하는 경우, 비교적 간단한 구성으로 주된 불량을 방지할 수 있는 장점이 예상된다.

본 발명은 상기와 같은 종래 절삭 감지 장치의 단점을 극복하기 위하여 안출된 것으로, 비교적 간단한 구성으로 공구의 장착 상태를 감지할 수 있는 공작기계용 공구 장착 상태 감시 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 프레임, 상기 프레임에 회전 고정되는 공구장착부, 상기 공구장착부에 장착되는 공구를 포함하는 공작기계용 공구 장착 상태 감시 장치에 있어서, 상기 프레임에 고정되어 상기 공구가 공전하는 경우 공구 외면과의 갭을 감지하는 센서; 및 상기 센서에서 감지된 갭 정보를 이용하여 공구 장착 상태를 판단하는 처리장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 처리장치는 상기 갭 정보의 피크 투 피크 값이 사전에 입력된 일정 크기 이상인 경우에 공구 장착 불량으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 처리장치는 상기 갭 정보의 주파수 정보 중, 공구의 공전 주파수 영역의 크기 값이 사전에 입력된 일정 크기 이상인 경우에 공구 장착 불량으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 공작기계는 제어장치를 더 포함하며, 상기 제어장치는 상기 처리장치로 공구 교환 신호를 출력하고, 상기 처리장치는 상기 공구 교환 신호 수신후, 상기 제어장치로 공구 감시 속도 회전 신호를 출력하고, 상기 제어장치는 해당 신호를 수신한 후, 공구 감시를 위한 공전속도로 공구를 회전하고, 상기 센서는 갭 신호를 출력하여 상기 처리장치로 전송하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 처리장치가 공구 장착 불량으로 판단한 경우 해당 신호를 상기 제어장치로 전송하고, 상기 제어장치는 공작기계의 작동을 중지하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 프레임에 고정되어 상기 공구 외면과 상기 센서 표면의 이물질을 제거하는 노즐부를 더 포함하며, 상기 노즐부는 상기 처리장치에 의하여 제어되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 공작기계용 공구 장착 상태 감지 장치는 공구의 회전 요동을 감지하여 사전에 입력된 장상 장착 상태의 정보와 대비하여 일정 수준 이상의 진동이 감지되는 경우, 사용자에게 경고를 알람하고 필요한 경우, 공작기계의 작동을 중지시켜, 공구 장착 불량에 따른 제품의 불량을 방지할 수 있는 효과가 있으며, 센서와 상기 센서의 정보를 분석하는 처리장치만으로 구현할 수 있어, 비교적 저렴한 가격으로 구축할 수 있는 추가적인 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 공작기계용 공구 장착 상태 감시 장치의 구성도이며,
도 2는 정상적인 공구 장착 상태에서 센서에서 감지되는 갭 신호이며,
도 3은 비정상적인 공구 장착 상태에서 센서에서 감지되는 갭 신호이며,
도 4는 도 1에 도시된 처리장치의 처리 흐름도이다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

본 발명에 따른 공작기계용 공구 장착 상태 감시 장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 공작기계 프레임(30), 상기 프레임(30)에 회전 고정되며, 별도의 동력원에 의하여 회전하는 공구장착부(20), 상기 공구장착부(20)에 장착되는 공구(10), 상기 프레임(30)에 고정되어 상기 공구(10) 외면과의 거리를 측정하는 센서(40), 상기 센서(40)의 신호를 수신하여 상기 공구(10) 외면의 거리 변화를 산정하여 불량 장착 여부를 판단하는 처리장치(50) 및 상기 공구(10) 외면과 상기 센서(30)에 공압을 분사하여 표면의 이물질을 제거하는 노즐부(60)를 포함하여 구성된다.

먼저 상기 프레임(30)은 회전하지 않는 부분으로 주축이 이동하는 경우 같이 이동하는 부분을 의미하며, 주축이 이동하지 않는 경우에는 공작기계의 고정부를 의미한다.

그리고 상기 공구장착부(20)는 주축에 연결되어 회전하는 부위를 의미하고, 상기 공구(10)는 상기 공구장착부(20)에 장착되어 상기 공구장착부(20)와 같이 회전하면서 공작물을 가공하는 역할을 하며, 상기 프레임(30), 공구장착부(20) 및 공구(10)는 공작기계의 구성요소이다.

또한 상기 공구(10)는 필요한 작업에 따라 다양한 형태로 구비되며, 툴 메거진 등에 의하여 교체되도록 구성할 수 있다.

상기 센서(40)는 상기 프레임(30)에 고정되어 공구(10)의 일정 지점의 거리(이하에서는 갭으로 표현한다)를 측정하는 역할을 한다. 이때 상기 공구(10)가 장착되는 주축이 이동하는 경우 상기 프레임(30)은 상기한 바와 같이 주축에서 회전하지 않는 부분을 의미하므로, 상기 센서(40) 역시 상기 주축과 같이 이동하므로, 결국 상기 공구(10)의 회전 상태만 감지한다.

상기 노즐부(60) 역시 상기 프레임(30)에 고정되어 외부에서 공급되는 공압을 상기 공구(10)의 외면과 상기 센서(40)의 감지면에 분사하여 양 표면의 이물질을 제거하는 역할을 하며, 별도의 밸브를 구비하여 필요한 경우에만 공압을 분사하도록 구성될 수도 있으며, 이때 상기 노즐부(60)는 상기 처리장치(50)를 통하여 제어된다.

한편, 상기 처리장치(50)는 상기 센서(40)에서 감지되는 공작물(10) 외면의 거리 변화를 즉, 갭 정보를 입력 받아 공구(10)의 장착 불량 여부를 판단하는 역할을 한다.

먼저 상기 공구장착부(20)는 공구(10)가 장착된 후에는 회전속도를 증가시킨 후, 공작물에 이동하여 가공을 시작한다.

상기 처리장치(50)는 상기 공구장착부(20)가 가공전에 공전하는 경우에만 상기 공구(10)와 센서(40)의 갭 정보를 수신한다.

이때, 도 2에 도시된 바와 같이, 고주파 성분과 간헐적인 피크치가 반복적으로 인식되는 경우, 공구(10) 표면의 흠과 요철부에 의한 영향으로 판단하여 장착이 적절한 것으로 판단한다.

반면에 도 3에 도시된 바와 같이, 일정 크기 이상의 회전수와 연동되는 하모닉 성분이 포함되는 경우, 상기 공구(10)가 공구장착부(20)의 중심축에서 일정한 각도로 이격되어 설치된 것으로 판단하여 장착 불량으로 판단한다.

한편, 상기 판단은 시간 영역에서 상기 센서(40) 갭 정보에 따라 수행할 수 있다. 예를 들면 전체 갭 신호의 피크 투 피크의 크기가 일정 수준 이상인 경우 공구(10)의 장착 불량으로 판단하도록 수행될 수 있다.

상기 도 3에 도시된 바와 같이, 일부 요철부 또는 흠에 의한 갭 정보는 간헐적인 피크로 나타나며, 이때 공구(10)의 장착 불량인 경우 상기 피크에 추가하여 전체 피크 투 피크 값이 증가하므로, 이러한 판단 절차는 적절하다.

그리고 필요한 경우, 각 공구(10)마다 적합한 장착 상태를 유지한 후, 해당 공구(10)들을 공전 상태로 구동한 후, 피크 투 피크 값을 측정하여 처리장치(50)에 저장한 후, 상기 사전에 입력된 피크 투 피크보다 큰 값이 입력되는 경우 장착 불량으로 판단하도록 구성할 수도 있다.

또한 상기 처리장치(50)는 공작기계용 제어장치와 연동하여 작업을 진행할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 공구(10)가 교체된 경우 공작기계용 제어장치가 해당 교체 내용을 상기 처리장치(50)로 전송하고, 상기 공구 교환 신호를 수신한 상기 처리장치(50)는 공구 감시 속도 회전 신호를 상기 제어장치로 전송하면, 상기 제어장치는 공구장착부(20)를 공구 회전 속도로 회전 시킨다.

이후에는 센서(40)가 공구(20) 갭 정보를 감지하여 상기 처리장치(50)로 신호를 전송한다.

이후 처리장치(50)는 상기 센서(40)에서 감지된 갭 신호를 수신한 후, 데이터 분석을 실시한다.

이때 데이터 분석은 상기 센서(40)에서 수신된 신호의 피크 투 피크를 계산하는 것을 의미한다.

상기 데이터 분석이 완료된 후, 피크 투 피크 값이 사전에 입력된 크기 이상인 경우에는 공구(10)의 장착이 불량한 것으로 판단하여 상기 처리장치(50)는 상기 제어장치에 정지 신호를 출력하고, 상기 제어장치는 상기 정지 신호에 대응하여 공작기계의 작동을 중지한 후, 알람을 발생시킨다.

반면에 피크 투 피크의 값이 사전에 입력된 크기 이내인 경우에는 공구(10) 장착이 정상인 것으로 판단하여 정상 신호를 상기 제어장치로 전송하면, 상기 제어장치는 예정된 가공을 진행한다.

한편, 상기 처리장치(50)는 시간 영역 이외에 주파수 영역에서 공구(10)의 장착 상태를 판단할 수 있다.

공구(10) 장착은 공구장착부(20)가 사전에 입력된 회전수로 공전 시에 갭 정보를 수신하므로, 센서(10)에서 수신된 정보를 주파수 영역으로 변환한 후, 상기 공구장착부(20) 공전 주파수 영역에서 파워가 일정 수준 이상인 경우에는 회전수에 관련된 데이터값이 높은 비율을 나타내는 도 3과 같은 상태이므로, 공구(10) 장착 불량으로 판단할 수 있다.

이때 해당 주파수의 영역의 크기는 정상적인 공구(10) 장착 상태에서 감지된 정보와 대비하여 판단하면, 상기에 기술한 절차와 동일한 방식으로 공구(10)의 장착 불량을 판단할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시 예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시 예들을 모두 포함한다.

10: 공구 20: 공구장착부
30: 프레임 40: 센서
50: 처리장치 60: 노즐부
100: 공구 장착 상태 감시 장치

Claims (6)

1. 프레임, 상기 프레임에 회전 고정되는 공구장착부, 상기 공구장착부에 장착되는 공구를 포함하는 공작기계용 공구 장착 상태 감시 장치에 있어서,
   상기 프레임에 고정되어 상기 공구가 공전하는 경우 공구 외면과의 갭을 감지하는 센서; 및
   상기 센서에서 감지된 갭 정보를 이용하여 공구 장착 상태를 판단하는 처리장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 공구 장착 상태 감시 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 처리장치는 상기 갭 정보의 피크 투 피크 값이 사전에 입력된 일정 크기 이상인 경우에 공구 장착 불량으로 판단하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 공구 장착 상태 감시 장치.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 처리장치는 상기 갭 정보의 주파수 정보 중, 공구의 공전 주파수 영역의 크기 값이 사전에 입력된 일정 크기 이상인 경우에 공구 장착 불량으로 판단하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 공구 장착 상태 감시 장치.
   
4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서, 상기 공작기계는 제어장치를 더 포함하며, 상기 제어장치는 상기 처리장치로 공구 교환 신호를 출력하고, 상기 처리장치는 상기 공구 교환 신호 수신후, 상기 제어장치로 공구 감시 속도 회전 신호를 출력하고, 상기 제어장치는 해당 신호를 수신한 후, 공구 감시를 위한 공전속도로 공구를 회전하고, 상기 센서는 갭 신호를 출력하여 상기 처리장치로 전송하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 공구 장착 상태 감시 장치.
   
5. 청구항 4에 있어서, 상기 처리장치가 공구 장착 불량으로 판단한 경우 해당 신호를 상기 제어장치로 전송하고, 상기 제어장치는 공작기계의 작동을 중지하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 공구 장착 상태 감시 장치.
   
6. 청구항 4에 있어서, 상기 프레임에 고정되어 상기 공구 외면과 상기 센서 표면의 이물질을 제거하는 노즐부를 더 포함하며, 상기 노즐부는 상기 처리장치에 의하여 제어되는 것을 특징으로 하는 공작기계용 공구 장착 상태 감시 장치.
   

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