탭 테스팅으로 가공 채터 방지: 정확한 안정성 맵 구축

탭 테스팅에서 계측된 해머를 사용하여 구조를 여기시키고 변환기(가속도계 등)로 진동 응답을 측정합니다. 이 테스트의 목적은 선택된 기계 구조의 주파수 응답 함수(FRF)를 식별하는 것입니다. FRF가 주어지면 안정성 맵을 계산할 수 있으며, 이는 채터를 발생시키는 스핀들 속도와 축 방향 절삭 깊이 조합(파란 경계 위)과 발생하지 않는 조합(경계 아래)을 분리합니다. 이를 통해 시행착오 없이 안정적인 가공 파라미터를 선택할 수 있습니다(Figure 1 참조).

Fig. 1: 밀링 안정성 맵. 출처(모든 그림): Tony Schmitz

FRF 측정에 필요한 기본 하드웨어는 다음과 같습니다:

주요 내용

• 원하는 주파수 범위(또는 대역폭)에서 알려진 힘 입력을 위한 메커니즘
• 필요한 대역폭을 가진 진동 측정을 위한 변환기
• 시간 영역 힘 및 진동 입력을 기록하고 이를 원하는 FRF로 변환하는 동적 신호 분석기

동적 신호 분석기는 시간 영역 힘 및 진동 신호를 위한 입력 채널을 포함하며, 이 신호들의 푸리에 변환을 계산하여 주파수 영역으로 변환합니다. 그런 다음 주파수 영역 진동 신호와 주파수 영역 힘 신호의 비율을 계산하며, 이 비율이 FRF입니다. 설정의 개략도는 Fig. 2에 제공되어 있습니다. 여기에는 변위 x, 속도 ẋ, 가속도 ẍ 형태의 시간 영역 힘 및 진동, 각각의 증폭기가 포함됩니다. 증폭기는 신호 진폭을 증가시키는 데 사용됩니다. 힘과 진동은 시간에서 연속적인 아날로그 신호입니다. 그러나 분석기로 이 신호를 기록하려면 작은 시간 간격으로 샘플링하거나 디지털화해야 합니다. 이 과정은 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 사용하여 완료됩니다. 그런 다음 이러한 디지털 신호는 동적 신호 분석기에 의해 FRF 계산에 사용됩니다. 진동 입력 유형에 따라 FRF는 다음과 같이 표현될 수 있습니다:

• 리셉턴스 또는 컴플라이언스 – 변위 대 힘의 비율
• 모빌리티 – 속도 대 힘의 비율
• 가속도계 또는 인어턴스 – 가속도 대 힘의 비율

Fig. 2: FRF 측정 설정 개략도.

세 가지 일반적인 힘 여기 유형이 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다:

• 고정 주파수 사인파 – FRF가 한 번에 한 주파수씩 결정됩니다. 원하는 대역폭 내의 각 주파수에서 정현파 힘이 적용되고, 힘 입력에 대한 응답이 짧은 시간 간격 동안 평균화되며 FRF가 계산됩니다. 이를 사인 스윕 테스트라고 합니다.
• 랜덤 신호 – 랜덤 신호의 주파수 내용은 광대역(백색 잡음) 또는 제한된 범위(핑크 잡음)로 잘릴 수 있습니다. 고정된 기간 동안 평균화가 다시 적용되지만 선택된 대역폭 내의 모든 주파수가 단일 테스트에서 여기됩니다.
• 충격 – 짧은 지속 시간의 충격이 구조를 여기시키고 해당 응답이 측정됩니다. 이 접근법은 광범위한 주파수 범위를 단일의 짧은 테스트에서 여기시킬 수 있습니다. 일반적으로 주파수 영역에서 여러 테스트를 평균화하여 코히어런스, 즉 힘과 진동 신호 간의 상관관계를 개선합니다.

이러한 다양한 힘을 생성하기 위해 두 가지 일반적인 힘 입력 하드웨어 유형이 적용됩니다:

• 셰이커 – 이 시스템은 조화롭게 구동되는 아마추어와 베이스를 포함합니다. 아마추어는 자기 코일 또는 유압 힘에 의해 축을 따라 작동될 수 있습니다. 자기 코일, 즉 전자역학적 구성은 수만 kHz의 여기 주파수와 수십에서 수천 뉴턴의 힘 수준을 제공할 수 있습니다(힘 증가 일반적으로 더 낮은 주파수 범위를 의미). 유압 셰이커는 정적 프리로드 가능성이 있는 높은 힘을 제공하지만(즉, 평균 또는 평균 힘이 0이 아님), 상대적으로 낮은 주파수 범위를 가집니다. 어느 경우든 힘은 종종 스팅거(즉, 축 방향 장력과 압축을 지지하지만 굽힘이나 전단은 지지하지 않는 가는 막대)를 통해 관심 구조에 적용됩니다. 이는 힘이 단일 방향으로만 적용되도록 보장합니다. 로드 셀이 설정에서 입력 힘을 측정하기 위해 통합됩니다(Figure 3 참조).
• 임팩트 해머 – 임팩트 해머는 해머 타격 동안 힘 입력을 측정하기 위해 금속, 플라스틱 또는 고무 팁에 위치한 힘 변환기를 통합합니다. 해머가 진동 변환기와 함께 사용되면 측정 절차를 탭 테스팅이라고 합니다. 구조에 입력되는 에너지는 해머 질량의 함수이며, 더 큰 질량은 더 많은 에너지를 제공합니다. 따라서 다양한 크기가 사용 가능합니다. 또한 힘 입력의 여기 대역폭은 질량과 팁 강성에 의존합니다. 더 단단한 팁은 더 넓은 주파수 범위를 여기시키는 경향이 있지만, 이 더 넓은 범위에 입력 에너지를 분산시킵니다. 더 부드러운 팁은 에너지를 더 낮은 주파수 범위에 집중시킵니다. 단단한 플라스틱과 금속 팁은 더 높은 강성을 제공하는 반면 고무 팁은 강성을 감소시킵니다.

Fig. 3: 셰이커 설정.

진동 변환기는 비접촉 및 접촉 유형 모두 가능합니다. 커패시턴스 프로브와 레이저 진동계 같은 비접촉 변환기는 구조 역학에 영향을 주지 않기 때문에 선호되지만, 가속도계 같은 접촉 유형이 구현하기 더 편리한 경우가 많습니다. 타협안으로 저질량 가속도계를 사용하여 테스트 구조에 대한 영향을 최소화할 수 있습니다. 왁스, 접착제, 자석 또는 나사산 스터드를 사용하여 관심 위치에 부착한 후 테스트 완료 시 제거합니다.

Fig. 4: 탭 테스트의 핵심 요소.

Figure 4는 탭 테스트의 핵심 요소를 식별합니다. 왼쪽 아래 사진은 해머로 공구 팁을 탭하고 가속도계(왁스로 공구 팁에 부착)를 사용하여 진동 응답을 측정하는 모습을 보여줍니다. 위쪽 행은 힘과 진동의 시간 응답을 표시합니다. 탭이 짧은 지속 시간의 힘 입력을 생성함을 볼 수 있습니다. 이 힘으로 인해 공구가 감쇠로 인해 진폭이 감소하며 진동합니다. 중간 행은 이 신호들이 주파수 영역으로 변환되는 것을 보여줍니다. 탭은 광범위한 주파수를 여기시킵니다. 아래쪽 행은 FRF를 표시합니다. 이 플롯에서 각 진동 모드의 고유 주파수, 강성, 감쇠 비율을 식별할 수 있습니다.