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[기술특집]새로운 절삭가공 모니터링 기술의 개발

입력 : 2020.02.25 17:47

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[첨단 헬로티]


쿠라하시 야스히로(倉橋 康浩) 마포스(주)


1. 서론


일반적인 프로세스 모니터링 기술은 절삭가공 시의 공구 마모, 결손 등의 검지만을 목적으로 하는 것이 많다. 그러나 현장에서는 현실적인 작업 공정을 감독하고, 가공에 동반하는 심내기 작업에서 기계의 충돌이나 가공기의 상태, 주축 상태 등 가공 작업 전반을 모니터링하는 기술이 기대되고 있다. 


우리들은 이 분야를 ‘머신 컨디션 모니터링’이라고 부르고, 개발을 하고 있다. 이 글에서는 이러한 신규 개발 기술과 결과에 대해 보고한다.



2. 다양화되는 모니터링 기술


우리들은 모니터링 분야를 이하의 2분야로 생각하고 있다(그림 1). ①가공의 상태를 관측․감시하는 프로세스 모니터링, ②가공기의 상태를 관측․감시하는 머신 컨디션 모니터링. ①은 기존에도 개발이 이루어지고 있었으며, 그 결과 실증 결과는 이미 금형기술자 회의에서 보고됐다. 


②는 가공기와 가공 시의 진동 측정․주파수 해석․자동 측정을 하는 진동 모니터링, 세팅과 가공 시의 접촉, 충돌을 준정적으로 검지하는 충돌 모니터링으로서 새로운 분야를 목표로 개발하고 있다.


3. 시스템 구성


(1) 진동 모니터링


그림 2에 진동 모니터링 시스템 ‘VM-03’을 나타냈다. 하드웨어의 특징은 콤팩트한 하나의 케이스로, 진동 센서 I/F, 온도 센서 I/F, 제어 I/O, 뷰어용 PC를 접속하는 LAN 포트를 장비하고 있으며, 자립 시스템으로서 대부분의 금속가공기에 쉽게 설치할 수 있게 했다. 



기능면에서는 ①실시간 주파수 해석(FFT)으로 해석한 주파수마다 자동으로 알람 검출한다. ②MES 구조의 진동 센서를 사용한 경우는 3축의 중력 비율을 검지, 진동 센서의 자세 상태를 계측할 수 있다.


(2) 접촉․충돌 모니터링


그림 3에 접촉․충돌 모니터링 시스템 ‘CMS-02’를 나타냈다. 본체부는 앞의 VM-03과 동일한 특징인데, 피에조식 변형 센서를 채용해 매우 작고 느린 준정적 변화도 검지할 수 있는 특징이 있다. 이것에 의해 수동 펄스 핸들 이송 시의 느린 접촉이나 절삭가공의 이송 속도 미스에 의한 접촉도 검지 가능하다. 



(3) 해석 기능 (FingerPrint)


일반적인 모니터링 기능은 취득 물결형 해석 판단은 단순한 한계값을 기준으로 하는 경우가 많다. 머신 컨디션 모니터링은 취득 물결형의 면적, 리플 변화, 편차값을 체크할 때마다 기록해, 체크마다의 데이터 경향을 해석해 이상 판정을 하고 있다(그림 4).



4. 평가


필드에서의 평가 결과를 이하에 기록한다.


(1) 진동 모니터링


그림 5에 머시닝센터의 주축 진동 모니터링 예를 나타냈다. 동일 회전축에 의한 새로운 상태(그래프 하단)/오래된 상태(그래프 상단)의 주파수 해석(FFT도)이다. 오래되면 베어링의 외륜․내륜부에 발생하는 결손에 의한 주파수 성분이 나타난다는 것을 알 수 있다. 


이것에 의해 이미 정해진 체크 회전수의 주파수 성분에, 이상 검지의 리미트를 설정함으로써 베어링의 이상을 검지할 수 있다는 것을 알 수 있다.


(2) 접촉·충돌 모니터링



그림 6에 선반의 충돌 검지 예를 나타냈다. 터릿에 충돌 센서를 설치, Z축 방향으로 핸들 이송으로 워크에 접촉하고, 거기에서 스텝 이송(0.01mm)한 경우의 터릿 측의 변형을 검지했다. 핸들 이송에 의한 정적 변화에 대해서도 충돌(변형)을 적확하게 검지하고 있다는 것을 알 수 있다.



(3) 해석 기능 (FingerPrint)


그림 7에 FingerPrint 기능을 사용한 Z축 모터 전력량의 리플 변화에 의한 볼나사 이상 판정 예를 나타냈다. 이것은 이미 정해진 Z축 이송 동작 시의 모터 전력을 적시 모니터링하고, 그 때의 리플 변화를 시계열로 그래프화한 것으로, 사용 빈도에 따라 리플값이 커지는 모양을 알 수 있다.


5. 맺음말


이 글에서는 머신 컨디션 모니터링의 성능 평가의 일부를 보고했다. 그 결과, 생산 현장에서 충분히 사용할 수 있는 성능이라는 느낌을 받았다. 앞으로는 실시 데이터를 취득해, 새로운 적용 범위, 기능 확장 등의 개발을 하고 싶다.

/서재창 기자(prmoed@hellot.net)

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