실시간 절삭력 모니터링으로 정밀도와 효율성 향상

그림 1. Kistler의 9232A와 같은 압전 스트레인 센서를 적용하여 기계 가공 시 절삭력을 높은 정확도로 간접적으로 측정할 수 있습니다. (이미지 :Kistler 그룹)

높은 생산성, 낮은 제조 비용 및 높은 공작물 품질은 산업 제조업체에 지속 가능성, 수익성 및 경쟁 우위를 제공하는 핵심 요소입니다. 안정적인 기계 모니터링을 통해 진행 중인 프로세스에 대한 귀중한 실시간 통찰력을 얻을 수 있습니다. 이는 신뢰할 수 있고 생산적이며 재현 가능한 제조의 기초이며 기계 운영자가 단기 및 장기 개선에 대해 근거 있는 결정을 내리는 데 도움이 됩니다. 이 기술은 매우 역동적인 가공 공정에서 이상 현상까지 포착할 수 있으므로 사용자는 즉각적으로 대응하여 높은 생산성을 보장하고 불량률을 낮추며 공구 수명을 연장할 수 있습니다. 이러한 모든 장점 덕분에 적합한 센서 기술을 기반으로 한 지속적인 기계 및 프로세스 모니터링은 오늘날 제조 산업에서 중요한 성공 요인입니다.

PE 스트레인 센서를 이용한 기계 모니터링

스위스 빈터투어에 위치한 Kistler Group의 기계 모니터링 솔루션은 기계의 기계 및 전기 환경에 통합될 수 있는 센서를 갖추고 있습니다. 그러나 실제로 필요한 센서만 기계의 정의된 위치에 설치됩니다. 이 접근 방식은 기계 모니터링 시스템의 복잡성과 비용을 모두 최소화하지만 센서를 기계의 기계 및 전기 구조에 통합하는 것은 여전히 어려울 수 있습니다.

센서 유형과 위치는 매우 역동적인 프로세스를 최대 정확도로 캡처하는 데 중요한 성공 요인입니다. 센서는 가공 공정을 방해하지 않는 방식으로 절단 지점 가까이에 배치해야 하지만 동시에 실제 절단 이외의 영향을 받아서는 안 됩니다. 절삭력 모니터링은 공차가 엄격한 부품을 생산하는 데 필요한 안정적인 가공 작업을 보장하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 이러한 종류의 기계 모니터링 솔루션을 선택한 사용자는 자율 가공으로 발전하여 총 가공 비용을 줄일 수도 있습니다.

절삭력을 포착하는 한 가지 방법은 공작 기계 구조에 작용하는 변형력을 측정하는 것입니다. 이는 기계 구조에 부착되거나 통합된 압전 표면 변형 센서를 통해 달성할 수 있습니다. 스웨덴 리드셰핑에 있는 MINGANTI GLOBAL AB와 함께 진행한 최근 프로젝트에서 수직 선반에는 통합 Kistler PE 표면 변형 센서 9232A가 장착되었습니다. 이 센서는 ±600 마이크로스트레인(με)의 측정 범위 덕분에 표면의 인장 변형과 압축 변형을 모두 측정하는 데 필요한 높은 감도를 제공합니다.

절삭날에 가까운 간접 절삭력 측정

그림 2. 절삭 공구 홀더가 고정되는 기계의 램. (이미지 :Kistler 그룹)

이 기계 모니터링 시스템은 높은 공구 마모와 공구 파손을 감지하고 충돌이 발생할 경우 기계를 정지시키기 위한 것입니다. 또한 정밀한 측정 데이터를 기반으로 힘 제어가 확립되면 프로파일 정확도를 모니터링하고 향상시키는 데 사용할 수 있습니다. 하드 터닝에서 발생하는 큰 반경 방향 힘은 절삭 공구 홀더를 운반하는 램의 탄성 변형을 유발합니다. 변형은 매우 작으며 기계 제어 장치에 의해 부분적으로 보상될 수 있습니다. 하지만 그럼에도 불구하고, 이는 최첨단에 매우 가까이 위치한 정확도가 뛰어난 스트레인 센서로 포착할 수 있을 만큼 충분히 큽니다.

기계 모니터링은 기계 신호를 기반으로 할 수도 있지만 이 애플리케이션에서 품질은 기계 유형과 마모 상태에 따라 달라집니다. 기계 신호는 절삭 공정과 무관한 편차를 표시하는 경우가 있기 때문에 공구 마모나 제품 품질을 목표로 하는 기계 제어 시스템에는 충분하지 않습니다.

Minganti와 Kistler는 기계 모니터링 솔루션을 완성하기 위해 두 번째 센서를 설치하기로 결정했습니다. 이는 특정 중복성을 제공하고 높은 부품 비용도 고려합니다. 이를 위해 Kistler의 8274A 단축 압전 가속도계가 램에 추가로 통합되었습니다. 프로세스의 갑작스러운 변화를 감지할 수 있도록 고주파수 측정을 제공하여 힘(변형) 측정을 보완합니다. 두 센서 입력 모두 PROFINET을 통해 기계 제어 장치에 연결된 디지털 전하 증폭기로 처리됩니다. 이 전하 증폭기의 주요 장점 중 하나는 사용자가 자동으로 저역 및 고역 필터링을 수행할 수 있어 신호의 매우 동적인 부분에 쉽게 집중할 수 있다는 것입니다.

추가 노력 없이 높은 표면 프로파일 정확도 달성

그림 3. 이 다이어그램은 Kistler 스트레인 센서의 힘(변형) 신호(상단 플롯)와 절단 후 표면 프로파일 측정(하단 플롯) 사이의 좋은 상관관계를 보여줍니다. (이미지 :Kistler 그룹)

확장된 기계 모니터링 시스템은 공구 마모를 모니터링하고, 공구 파손을 감지하고, 기계 충돌을 감지 및 제어하는 데 사용됩니다. 정기적인 신호 레벨을 자동으로 학습한 다음 변화를 모니터링하여 편차를 감지합니다. 이를 통해 작업자는 공구 교환, 기계 정지 등 필요한 작업을 시작할 수 있습니다. 공구 고장(파손, 모서리 치핑 등)은 수치 제어에 로드된 잘못된 절삭 데이터, 낮은 절삭날 품질, 잘못된 절삭유 압력, 너무 타원형인 링 등 다양한 이유로 인해 발생할 수 있으며, 이로 인해 회전할 때마다 절삭 깊이가 크게 변경됩니다. 이러한 오류가 발생하면 힘과 진동 신호 모두에서 그 영향이 명확하게 나타납니다.

베어링 부품의 가장 중요한 품질 매개변수 중 하나는 표면의 프로파일 정확도('직진성')입니다. 이 매개변수는 롤링 요소와 베어링 링 사이의 마찰에 영향을 미칩니다. 대형 링(직경 1~2m)에서 엄격한 공차(3~6μm)를 유지하는 것은 하드 터닝 공정의 어려운 측면입니다. 이것이 바로 많은 베어링 생산업체가 추가 단계로 연삭 또는 호닝을 수행하는 이유입니다. Kistler 기계 모니터링 시스템은 공구의 변형(편향)을 간접적으로 측정할 수 있으므로 변형(간접 힘) 신호에서 프로파일 정확도(형태 편차)가 명확하게 표시됩니다. 힘 신호 입력은 선삭 작업 중에 폐쇄 루프 제어를 통해 절삭 조건을 변경하는 데 직접 사용될 수 있으므로 편향이 보상될 수 있습니다.

정확한 가공을 위한 정확한 기계 모니터링의 중요성

기계 신호 모니터링은 작동 조건에 대한 정보를 제공할 수 있지만 실제 가공의 정확성과 직접적인 관련이 없는 문제를 나타낼 수도 있습니다. 하지만 이 기사에서 설명했듯이 Kistler는 절단 공정을 직접 모니터링하는 스트레인 게이지, 가속도계 등의 방법을 보유하고 있습니다. 절삭력 모니터링은 공차가 엄격한 부품을 생산하는 데 필요한 안정적인 가공 작업을 보장하는 데 핵심적인 역할을 합니다. Minganti Global AB의 사장인 Marcus Caldana는 절삭력을 정확하게 측정하는 것이 프로파일 정확성을 유지하는 데 중요한 단계라고 말했습니다.

이 기사는 Kistler의 비즈니스 개발 관리자인 Buelent Tasdelen이 작성했습니다. 자세한 내용을 보려면 여기로 이동하세요.  .