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연삭가공 공정의 최적화를 도모하는 주변 기술

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[첨단 헬로티]


오카무라 시게루 (岡村 繁)   福田교역(주) 스핀들기술부 제어과


1. 서론


일본공작기계공업협회가 발표한 데이터에 의하면, 2017년에 일본 국내에서 생산된 NC 연삭반은 3,230대이고 그 금액은 약 850억엔이나 된다. 그 마켓에서 각 연삭반 메이커는 자사의 강점을 살려 타사와의 차별화를 도모하면서 판매 전략을 세우고 있다.


연삭반이 가공물을 절삭하는 공정에서 중요한 팩터는 몇 가지 있는데, 이 글에서는 ‘효율화’와 ‘정도’에 포커스를 맞춰 각각의 요소에 적용할 수 있는 기술 및 제품을 소개한다.

 


2. 어쿠스틱 이미션 센서 (AE 센서)


어쿠스틱은 ‘Acoustic=음향’, 이미션은 ‘Emission=방사’의 의미로, 이 센서는 음향의 방사를 검지하는 것이다. 사태의 전조 검지, 용접 불량 검출, 설비 진단 등 그 응용 분야는 매우 폭넓고, AE 센서의 연삭반 용도는 그 한 예에 지나지 않는다.


음향이라고 하면 인간의 귀로 받아들이는 것이 이미지되는데, AE의 일반적인 정의로서는 대개 50kHz~2MHz로 인간의 가청 한계인 20kHz를 넘는다. 따라서 AE를 다른 언어로 표현한 경우, ‘소리’보다도 ‘탄성 에너지’로 하는 편이 보다 정확하다(그림 1).

 


AE 센서 시스템이 검지하는 구조는 다음과 같다. 탄성 에너지가 가공점에서 센서까지 진동으로 전파되고, AE 센서 내부의 피에조 소자를 약간 변형시킨다. 변형된 피에조 소자는 압전 효과에 의해 전기 신호를 발생시키고, 그 정보를 컨트롤러에 송신한다. 컨트롤러에서 신호 처리가 실시되고 숫돌과 가공물의 접촉이 검지된다.


시스템이 접촉을 검지, 상위 컨트롤러에 신호를 출력하기 전까지의 시간은 일반적으로 수 밀리초의 오더이다. 인간의 반응 속도는 대략 200밀리초라고 알려져 있으므로 접촉을 눈과 귀의 감각으로 검지하는 것보다 단순 계산으로 약 100배나 빠르다고 할 수 있다.

 


(1) AE 센서의 종류


연삭반에서 사용되는 AE 센서는 3타입으로 분류할 수 있다. 각각의 센서에 대해 그 특징을 이하에 설명한다.


① 고정식
AE 센서 본체에서 신호선이 직접 나오고 있는 타입으로, 마그넷이나 볼트로 검지면에 고정한다. 비교적 쉽게 장착할 수 있기 때문에 레트로피트나 간이 테스트에 적합하다. 스핀들 외통부에 설치하는 경우, 센서과 AE 발생원 간의 베어링이 노이즈원이 되는 점에 주의가 필요하다(그림 2).


② 무선식
무선식은 고정측과 회전측의 세트로 구성되고, AE 센서 내부의 피에조 소자는 회전측에 내장되어 있다. 고정식과 달리 베어링을 끼지 않고 AE를 검지할 수 있기 때문에 스핀들용으로 적합한 방식이다. 무선식 중에도 ‘샤프트 내장 타입’, ‘링 타입’, ‘샤프트 끝단면 타입(그림 3)’ 등의 종류가 있다.


시장에 나와 있는 연삭반에 탑재되어 있는 AE 센서의 대부분은 이 무선식이다. 숫돌 스핀들에 탑재되는 케이스와 로터리 드레서 스핀들에 탑재되는 케이스가 대부분을 차지하고 있다.


③ 액체식
쿨런트액을 탄성 에너지의 전달 매체로 이용해 AE를 검지하는 것이 액체식이다. 센서 본체에는 쿨런트용 호스와 신호 케이블의 2계통이 준비되어 그림 4에 나타냈듯이 액주를 검지점에 맞춰 사용한다. 액주가 닿아 있는 포인트는 접동 상태여도 상관없다.


스핀들이 빌트인 모터 방식인 경우, 모터에서 전자 노이즈가 방사되어 그 영향이 AE 신호에 미치는 케이스가 있는데, 액체식의 경우에는 그 설치장소를 노이즈원에서 뗄 수 있기 때문에 높은 S/N비를 유지하면서 검지하는 것이 가능하다. 또한 AE 센서 본체에서 액주 설치점까지 최대 150mm 뗄 수 있고, 설치의 점에서 무선식과 비교해 간편하다.

 


(2) 적용 사례


앞에서 설명한 AE 센서 시스템을 사용해 연삭가공 공정의 최적화를 도모하는 수법으로서 여기에서 3종류 소개한다. 숫돌과 가공물을 한시라도 빨리 접촉시켜 가공을 개시하기 위한 ‘갭 엘리미네이터’, 숫돌의 드레스 프로세스를 모니터링하는 ‘드레스 관리’, AE 검지 신호를 터치프로브와 같이 사용하는 ‘위치 검출’이다. 각각의 설명을 이하에 나타냈다.


① 갭 엘리미네이터
숫돌과 가공물 또는 숫돌과 드레서가 접촉한 것을 순간적으로 검지할 수 있는 특징을 최대한 활용한 것이 ‘갭 엘리미네이터’로서의 사용 방법이다.


AE 센서를 사용하지 않는 연삭가공의 경우, 숫돌과 가공물의 접촉점을 찾기 위해서는 눈과 귀의 감각을 연마해 깨끗하게 하고, 숫돌을 가공물에 서서히 접근시켜 그 순간을 포착한다. 거기에는 작업자의 경험이나 노하우가 많이 영향을 미치기 때문에 검지에 필요한 시간은 작업자마다 큰 편차가 존재한다.


이것에 대해 AE 센서를 이용하면, 인간의 감각에 의존하지 않고 수 밀리초의 속도로 접촉 검지할 수 있으므로 이송 속도를 빠르게 할 수 있고, 대폭적인 택트 타임 절감을 도모할 수 있다. 단위시간당 가공점 수가 많으면 많을수록 그 효과는 커지는데, 이하는 실제로 AE 센서 탑재 전과 후에서 비교한 사례이다. 단위시간당 생산량이 약 35% 향상되어 있는 것을 알 수 있다(표 1).

 


② 드레스 관리


숫돌의 드레싱을 트래버스 방식으로 하는 경우, 유저의 대부분은 그 횟수로 드레스 관리를 하고 있다. 횟수 관리하는 장점은 프로그래밍이 간단한 점인데, 단점은 숫돌을 필요 이상으로 드레싱함으로써 그 수명을 스스로 짧게 하고 있는 점을 들 수 있다.


AE 신호를 이용하는 드레스 관리는 트래버스 1사이클 시의 AE 신호 레벨 변동을 모니터링하면 좋고 쉽게 실현 가능하다. 그림 5는 중앙부가 마모된 숫돌을 드레싱했을 때의 AE 신호 레벨을 나타낸 것이다. AE 신호 레벨이 사이클 중간 정도에서 저하하고 있는데 이것은 숫돌이 중앙부에서 마모하고 있기 때문에 드레서와의 접촉량이 감소하고 있는 것에 기인한다.


즉, 드레싱을 반복함으로써 트래버스 1사이클 시의 AE 신호 레벨이 항상 높은 균일 상태가 되면 숫돌의 성형은 완료됐다고 인식할 수 있다. 이것은 트래버스 횟수로 관리하는 방식이 아니기 때문에 드레싱이 종료하기 전까지의 사이클 수는 그 때마다 변하는데, 필요 최저한의 횟수로 고정할 수 있기 때문에 숫돌의 장수명화를 도모할 수 있다. 표 2에 나타낸 예에서는 수명이 약 6배로 증가하고 있으며, 그 효과는 매우 큰 것을 나타내고 있다.

 


③ 위치 검출
AE 센서의 높은 접촉 검지 능력을 활용, 일종의 프로브 대체품으로서 사용하는 것이 마지막으로 소개하는 적용 사례이다. 그림 6은 기어연삭반의 위치 검출을 나타낸 것이다. 숫돌이 워크에 접촉한 포인트 A 및 B의 위치 정보를 이용함으로써 센터링 C의 좌표를 분할, 자동화를 실현하고 있다. 감도가 높은 AE 센서를 사용하면 검출에 필요한 절입량은 약 1μm로 매우 적게 억제할 수 있다.

 


3. 오토밸런서


드레싱을 치밀하게 해도 숫돌 자체의 언밸런스를 완전히 제거하는 것은 불가능하며, 그 상태로 숫돌을 회전시키면 진동이 발생한다. 진동이 발생한 상태 그대로 연삭가공하면 가공물의 정도가 손상되기 때문에 기존에는 숫돌 플랜지에 추를 장착, 회전체의 중심 위치를 회전 중심에 맞춤으로써 언밸런스를 제거하고 있었다. 이 밸런스 제거 작업은 작업자의 기술을 필요로 하고, 수고와 시간이 소요되는 작업의 하나이다.


이에 등장한 것이 오토밸런서 시스템이다. 오토밸런서 시스템은 언밸런스를 보정하는 밸런싱 헤드, 주축의 진동 상태를 검지하기 위한 가속도 픽업, 가속도 픽업의 정보를 기초로 밸런싱 헤드를 제어하기 위한 컨트롤러로 구성되어 있다. 이 시스템을 연삭반에 탑재함으로써 유저가 얻을 수 있는 이점은 2가지가 있다.


첫 번째 이점은 주축 진동값을 항상 일정 레벨 이하로 유지할 수 있는 것이다. 가공을 추진해 가면 숫돌 형상이 서서히 변하기 때문에 밸런스 상태도 변화한다. 작업자가 수작업으로 밸런스를 잡기 위해서는 숫돌을 한번 정지시킬 필요가 있어 시간적 로스가 크다. 오토밸런서는 숫돌을 회전시킨 상태 그대로 밸런스를 잡을 수 있기 때문에 유저의 부담이 적고 대폭적인 시간 단축이 된다.


연삭반에서 사용되고 있는 오토밸런서를 그 형상으로 분류하면, 3종류로 나눌 수 있다. 그림 7의 왼쪽 위에서부터 시계 방향으로 인터널 타입, 익스터널 타입, 링 타입으로, 인터널 타입과 익스터널 타입에는 또한 브러시 방식, 무선 방식이 존재한다. 주축의 형상이나 요구되는 밸런싱 정도 등에 의해 이들 밸런서를 구분 사용하는데, 높은 가공 정도가 요구되는 연삭반에서는 인터널 타입의 채용 사례가 많다.

 


4. Balance Systems사 제품 소개


지금까지 일본산 메이커나 해외 메이커의 제품에도 적용할 수 있는 일반론으로서의 AE 센서 및 오토밸런서에 대해 해설했다. 여기에서는 동사가 취급하고 있는 Balance Systems사(이탈리아)의 제품을 들어, 그 특징, 우위성 등을 설명한다.


(1) VM25 AE 센서 시스템


AE 센서 본체에 피에조 소자를 내장하는 구조는 일본산, 해외 메이커에 상관없이 어디나 동일하다. 따라서 이 부분에서 차별화를 도모한다고 하면 형상이나 치수로, 더욱 차이를 만들어내는 것은 힘들다. 이에 각사가 각축을 벌이고 있는 것이 컨트롤러 측의 신호 처리나 휴먼 머신 인터페이스이다. 여기에서는 Balance Systems사의 최상위 기종인 VM25 컨트롤러가 가지고 있는, FFT 기능 및 고성능 필터링 기능에 대해 해설한다.


① FFT 기능
AE 센서는 약 1μm의 연삭 절입량을 빠르게 검출하기 위해 설계되어 있으며, 그 감도는 상당히 높다. 반대로 감도가 너무 높은 것이 원인으로 노이즈도 잡히기 쉽다. 기본 설정만으로 신호를 검출할 수 없을 때에 편리한 것이 이 FFT 기능이다. 0~1,000kHz의 범위에서 100kHz 폭의 FFT를 모니터링할 수 있고, 검출해야 할 연삭 시의 AE 주파수 대역과 배제해야 할 백그라운 노이즈의 주파수 대역을 리얼타임으로 파악할 수 있다(그림 8).

 


② 고성능 필터링 기능
FFT로 주파수 대역을 좁힌 후에 활약하는 것이 고성능 필터링 기능이다(그림 8). VM25 시스템은 최대 4종류, 합계 5군데의 주파수 대역에 필터링을 할 수 있다. 아날로그 필터는 하이 패스 필터․밴드 패스 필터․밴드 스톱 필터의 3종류, 디지털 필터는 밴드 패스 필터를 2군데에 적용 가능하다. 이들 필터를 구사해 불필요한 노이즈를 배제하고 원하는 AE로 타깃을 좁히면, 기존의 AE 센서 시스템에서는 검출할 수 없었던 접촉도 검지할 수 있게 된다.

(2) VM25 오토밸런서 시스템


이 섹션에서는 Balance Systems사 시스템의 우위성에 대해 2가지 소개한다.


① 웨이트 배치 형상
밸런싱 헤드의 웨이트 배치는 각 메이커마다 다른데, Balance Systems사의 그것은 중심 위치가 대상 구조로 되어 있으며 회전에 의한 짝힘을 스스로 발생시키지 않는다(그림 9). 밸런싱 헤드에 짝힘이 생기면 미세한 진동을 낳기 때문에 기어연삭반 등의 높은 정도가 요구되는 가공에서는 이 차이를 무시할 수 없는 경우가 있다. 주요한 기어연삭반 메이커에서 이 밸런서가 채용되고 있는 이유의 하나는 여기에 있다.


② 알고리즘
오토밸런서는 주축을 멈추지 않고 밸런스 잡을 수 있는 이점이 있지만, 연삭가공하면서 동작시키는 것은 불가능하다. 따라서 밸런싱 사이클은 택트 타임이라는 시점에서 보면 완전한 데드 타임이 된다. 데드 타임을 최소한으로 하기 위해서는 밸런싱 사이클 타임의 단축이 필수이며, 그 점에서 최근 릴리스된 앱솔루트 밸런서를 이용한 독자 알고리즘은 대폭적인 시간 단축을 실현한 매력적인 제품이라고 할 수 있다. 표 3에 그 비교를 나타냈다.


(3) B-Safe 시스템


2017년의 EMO 쇼(독일)에서 처음으로 발표된 신제품이다(그림 10). 센서부에는 X, Y, Z방향의 충격을 모니터링하는 MEMS 센서, Z방향의 진동을 광주파수 대역에서 모니터링하는 피에조 소자 및 온도 센서가 내장되어 5개의 물리량을 동시에 리얼타임 모니터링하는 시스템이다.


또한 이 작은 객체 중에는 센서뿐만 아니라 데이터를 보존하기 위한 메모리와 센싱한 값을 디지털값으로 변환하기 위한 마이크로 센서도 내장되어 있으며, 모든 데이터는 Modbus 프로토콜로 통신된다. 디지털값으로 통신을 함으로써 내노이즈 성능이 높아지고 있는 것도 특별히 다루어야 할 내용이다.


연삭 주축에 이 시스템을 탑재, 데이터를 축적․해석함으로써 주축의 메인티넌스 시기를 예측하거나, 가공물의 품질 관리로서 활용하거나 하는 등 그 가능성은 폭넓고 이미 많은 문의를 받고 있다.


5. 맺음말


연삭가공 공정의 최적화를 도모하기 위한 기술로서 폭넓은 종류의 연삭반에서 탑재 실적이 많은 AE 센서 및 오토밸런서의 일반적인 구조로 시작해, 동사가 취급하고 있는 메이커 제품의 특징에 대해 소개했다.


오늘날의 공작기계는 수많은 센서류가 탑재되어, 이른바 인텔리전트화가 추진되고 있지만 기계를 사용하는 작업자의 기술이나 노하우가 요구되는 경우가 아직 많고, 성능이 높은 머신을 기술이 충분하지 않은 해외 공장에서 설비해도 그 능력을 충분히 발휘할 수 없는 케이스가 아직 많은 것 같다.


이번에 소개한 제품군이 그러한 상황을 타개하는데 도움이 되길 바란다. 또한 Balance Systems사제 상품 소개의 마지막에 들은 B-Safe 시스템은 인더스트리 4.0을 주시한 스펙으로 되어 있으며, 차세대 주역이 될 제품으로 생각하고 있다. 이미 그 조짐은 보이기 시작하고 있는데, 앞으로 점점 더 유저로부터 연삭가공 중의 상시 데이터 모니터링, 그 빅데이터를 사용한 해석 등의 요구는 증가해 갈 것으로 생각된다.



















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