실시간 절삭력 모니터링으로 정밀도 및 효율성 향상

그림 1. 가공에서 절삭력은 키슬러의 9232A 같은 압전 스트레인 센서를 적용하여 높은 정확도로 간접 측정할 수 있다. (이미지: Kistler Group)

높은 생산성, 낮은 제조 비용, 높은 공작물 품질: 이들은 산업 제조업체에게 지속가능성, 수익성, 경쟁 우위를 제공하는 핵심 요소다. 신뢰할 수 있는 기계 모니터링은 진행 중인 공정에 대한 귀중한 실시간 통찰을 제공하며, 신뢰할 수 있고 생산적이며 재현 가능한 제조의 기초이자 기계 운영자가 단기 및 장기 개선에 대해 잘 정립된 결정을 내리는 데 도움을 준다. 이 기술은 고도로 동적인 가공 공정에서도 이상 징후를 포착할 수 있어 사용자가 즉시 대응하여 높은 생산성 유지, 스크랩 비율 감소, 공구 수명 연장이 가능하다. 이러한 모든 이점 덕분에 적합한 센서 기술 기반의 지속적인 기계 및 공정 모니터링은 오늘날 제조 산업의 중요한 성공 요인이다.

PE 스트레인 센서를 이용한 기계 모니터링

키슬러 그룹(스위스 빈터투어)의 기계 모니터링 솔루션은 기계의 기계적·전기적 환경에 통합될 수 있는 센서를 특징으로 한다. 그러나 실제로 필요한 센서만 기계의 정의된 위치에 설치된다. 이 접근법은 기계 모니터링 시스템의 복잡성과 비용을 모두 최소화하지만, 센서를 기계의 기계적·전기적 구조에 통합하는 것은 여전히 어려울 수 있다.

센서 유형과 위치는 최대 정확도로 고도로 동적인 공정을 포착하는 데 중요한 성공 요인이다. 센서는 가공 공정을 방해하지 않는 방식으로 절삭점에 가깝게 배치되어야 하지만, 동시에 실제 절삭 외 다른 영향은 받지 않아야 한다. 절삭력 모니터링은 타이트한 공차 부품 생산에 필요한 안정적인 가공 작업을 보장하는 데 핵심 역할을 한다. 이러한 기계 모니터링 솔루션을 선택한 사용자는 총 가공 비용을 줄이면서 자율 가공으로 나아갈 수 있다.

절삭력을 포착하는 한 가지 방법은 기계 공구 구조에 작용하는 변형력을 측정하는 것이다. 이는 기계 구조에 부착되거나 통합된 압전 표면 스트레인 센서로 달성할 수 있다. 스웨덴 리드쾨핑의 MINGANTI GLOBAL AB와의 최근 프로젝트에서 수직 선반에 통합된 키슬러 PE 표면 스트레인 센서 9232A가 장착되었는데, ±600 마이크로스트레인(με) 측정 범위 덕분에 표면의 인장 및 압축 스트레인을 모두 측정하는 데 필요한 높은 감도를 제공한다.

절삭 날 근처에서의 간접 절삭력 측정

그림 2. 절삭 공구 홀더가 클램핑된 기계 램. (이미지: Kistler Group)

이 기계 모니터링 시스템은 높은 공구 마모와 공구 파손을 감지하고 충돌 시 기계를 정지시키기 위한 것이다. 또한 정밀 측정 데이터를 기반으로 힘 제어가 확립되면 프로파일 정확도 모니터링과 개선에 사용될 수 있다. 하드 터닝에서 발생하는 큰 반경 방향 힘은 절삭 공구 홀더를 지탱하는 램의 탄성 변형을 유발한다. 변형은 매우 작고 기계 제어 장치로 부분적으로 보상될 수 있다. 하지만 그래도 절삭 날에 매우 가까이 위치한 우수한 정확도의 스트레인 센서로 포착할 만큼 충분히 크다.

기계 모니터링은 기계 신호 기반으로도 가능하지만, 이 애플리케이션에서는 품질이 기계 유형과 마모 상태 양쪽에 의존한다. 기계 신호는 때때로 절삭 공정과 무관한 편차를 보이므로, 공구 마모나 제품 품질을 목표로 하는 기계 제어 시스템에는 충분하지 않다.

Minganti와 Kistler는 기계 모니터링 솔루션을 완성하기 위해 두 번째 센서 설치를 결정했다. 이는 일정한 중복성을 제공하며, 부품의 높은 비용도 고려한다. 이 목적으로 키슬러의 8274A 단축 압전 가속도계가 램에 추가로 통합되었다. 이는 더 높은 주파수 측정을 제공하여 공정의 급격한 변화를 감지함으로써 힘(스트레인) 측정을 보완한다. 두 센서 입력은 디지털 전하 증폭기로 처리되며, PROFINET을 통해 기계 제어장치와 연결된다. 이 전하 증폭기의 주요 장점 중 하나는 사용자가 자동으로 로우패스 및 하이패스 필터링을 수행할 수 있어 신호의 고도로 동적인 부분에 쉽게 집중할 수 있다는 점이다.

추가 노력 없이 높은 표면 프로파일 정확도 달성

그림 3. 다이어그램은 키슬러 스트레인 센서의 힘(스트레인) 신호(위쪽 플롯)와 가공 후 표면 프로파일 측정(아래쪽 플롯) 사이의 좋은 상관관계를 보여준다. (이미지: Kistler Group)

확장된 기계 모니터링 시스템은 공구 마모 모니터링, 공구 파손 감지, 기계 충돌 감지 및 제어에 사용된다. 정기적 신호 레벨을 자동으로 학습한 후 변화를 모니터링하여 편차를 감지한다. 이를 통해 운영자는 공구 교체, 기계 정지 등 필요한 조치를 취할 수 있다. 공구 고장(파손, 날 치핑 등)은 NC에 잘못된 절삭 데이터 로드, 낮은 절삭날 품질, 잘못된 냉각수 압력, 너무 타원형인 링으로 인한 회전당 절삭 깊이 큰 변화 등 다양한 이유로 발생할 수 있다. 이러한 고장이 발생하면 힘과 진동 신호 모두에서 그 영향이 명확히 보인다.

베어링 부품의 가장 중요한 품질 매개변수 중 하나는 표면의 프로파일 정확도('직진도')다. 이 매개변수는 베어링에서 구름 요소와 링 사이의 마찰에 영향을 미친다. 큰 링(직경 1~2미터)에서 타이트한 공차(3~6μm) 유지는 하드 터닝 공정의 어려운 측면이어서 많은 베어링 제조사가 연마나 호닝을 추가 단계로 수행한다. 키슬러 기계 모니터링 시스템은 공구의 스트레인(처짐)을 간접 측정할 수 있어 프로파일 정확도(형상 편차)가 스트레인(간접 힘) 신호에서 명확히 보인다. 힘 신호 입력은 터닝 작업 중 직접 사용되어 폐루프 제어 도움을 받아 절삭 조건을 변경함으로써 처짐을 보상할 수 있다.

정밀 가공을 위한 정확한 기계 모니터링의 중요성

기계 신호 모니터링이 운영 조건 정보를 제공할 수 있지만, 실제 가공 정확도와 직접 관련되지 않은 문제를 나타낼 수 있다. 이 기사에서 설명했듯 키슬러는 스트레인 게이지와 가속도계 같은 방법으로 절삭 공정을 직접 모니터링한다. 절삭력 모니터링은 타이트한 공차 부품 생산에 필요한 안정적인 가공 작업을 보장하는 데 핵심 역할을 한다. Marcus Caldana Minganti Global AB 사장은 정확한 절삭력 측정이 프로파일 정확도 유지에 중요한 단계라고 말했다.

이 기사는 키슬러 비즈니스 개발 매니저 Buelent Tasdelen이 작성했습니다. 자세한 정보는 여기를 방문하세요.