볼 스크류의 고장 방지를 위한 지속적 모니터링

공작기계 피드 축에서의 볼 스크류 고장은 가동정지 등 높은 비용을 초래한다. 이를 예방하기 위해서는 볼 스크류의 상태를 지속적으로 모니터링하면 문제를 조기에 감지하고, 제 때에 필요한 조치를 취할 수 있다.

공학박사 (FH) 볼프강 클뢰블렌( Wolfgang Klöblen): August Steinmeyer GmbH & Co. KG 개발 매니저

볼 스크류의 예상치 못한 고장은 연속적인 생산과정에서 가동정지 등 많은 비용이 발생한다. 가장 흔한 고장의 범주 가운데 하나는 예압 손실과 레이스와 볼 사이의 점착성이나 연마성 마모로 인한 스핀들과 너트 간의 유격이다. 이를 예방하기 위해 August Steinmeyer GmbH & Co. KG는 수년 전부터 볼 스크류의 상태를 지속적으로 모니터링하기 위한 개발 프로젝트를 시작하였다. 볼 스크류에서 품질의 본질적인 변수는 스핀들 샤프트 상에서 너트 예압이다. 이 너트 예압은 제로 백래쉬, 위치결정 정확성, 강성 등 볼 스크류의 성능에 중요한 전제 조건에 의해 좌우된다. Steinmeyer의 개발자들은 예압이 없으면 축이 진동하고, 충분한 위치결정 정확성이나 가공 시애 우수한 표면을 달성할 수 없다는 점을 알고 있었다. Steinmeyer가 개발한 볼 스크류 상태 모니터링 기술은 스핀들 샤프트에서 너트 예압을 지속적으로 점검하는 데에 확실한 대안이 되고 있다. 이를 위해서는 처음 예압 수준을 측정하고 수명이 다하는 동안 지속적으로 예압 감소를 기록하고 평가한다. 그리고고 개별적인 한계값을 정의하여, 예압이 정해진 한계값 아래로 내려가면 경고 메시지를 출력한다.

IFM Electronic의 평가 전자장치는 이 측정 신호를 변환하고 분석하여 컨트롤 시스템과 통신한다.

작동 상태를 평가하기 위한 새로운 접근법

이를 통해 부품교체를 계획적으로 준비하고 실행할 수 있는 가능성이 열렸고, 가동 정지나 예비부품 구매, 설치기사 투입 등 발생하는 비용을 최소화할 수 있다. 지금까지는 작동 중에 공작기계 피드 축 볼 스크류의 상태를 직접 모니터링할 수 있는 신뢰할 만한 시스템이 없었다. 간접적인 신호를 평가할 수는 있었지만 과거에는 고장시점이나 볼 스크류의 잔여 수명에 대해 객관적으로 예측하는 것은 극히 어렵고 신뢰할 수 없었다.

Steinmeyer 엔지니어의 아이디어는 작동 중에 볼과 너트 사이 접촉 구역의 예압을 측정하는 것이다. 이 영역에서 볼 스크류의 마모가 일어나기 때문이고, 몇 가지 기본 실험을 통해 이러한 접근법을 검증할 수 있었다. Steinmeyer는 이를 위해 스핀들 스레드를 세 가지 다른 깊이로 삽입한 특수한 스핀들 샤프트를 제작하였다. 이를 통해 예압을 파악하고 너트의 아이들링 토크를 측정하였다. 이 과정에서 구분되는 세 가지 단계가 드러났다. 이 비교 측정 결과는 명확하였고 재현 가능하다. 센서신호 평가결과는 명확하게 아이들링 토크 측정에서 확인한 예압 단계와 명백하게 관련이 있다.

Steinmeyer는 이러한 결과를 바탕으로 IFM Electronic사와 함께 해당기술 컨셉트를 개발하였다. Steinmeyer의 볼 스크류 내에서 IFM Electronic의 센서들이 구름 접촉 구역에 인접하여 예압과 온도를 모니터링한다. 센서들은 볼이 레이스에 인접하면서 현재 작용하는 힘을 포착하고 작동 중 예압의 변화는 유격이 있는 영역에서 측정할 수 있다. IFM Electronic의 평가 전자장치는 이 측정 신호를 변환하고 분석한 후 컨트롤 시스템과 통신한다. 경고 메시지 한계값은 고정밀 가공, 난삭 가공 등 응용 분야와 공작 기계 하중 스펙트럼에 따라 다르다.

기계 컨트롤 시스템에는 경광등이 있고, 경고 메시지를 표시할 수 있다. 이 신호등은 조작자와 서버 연결을 통해 직접 기계 제조사에게 볼 스크류 교체를 준비할 것을 권장하고, 교체 작업을 계획 하에 실행할 수 있게 한다.

모니터링 시스템을 통해 윤활을 최적화하다

이 솔루션을 사용하면 과부하와 충돌 시에 중복되는 예외적인 작동 힘을 문제 없이 측정할 수 있다. 기록의 이력을 통해 기계 과부하를 추론할 수 있다. 또한 상태 모니터링 시스템은 사용 중에 하중 스펙트럼에 의한 특수한 요구에 맞추어 윤활을 최적화하는 데에도 도움이 된다. Steinmeyer의 새로운 상태 모니터링 시스템을 사용하면 작업의 예측 정확도가 우수해지고 연속 생산에서 실제로 값비싼 비용을 절감할 수 있다. 따라서 절감 잠재력에 비하면 볼 스크류에 들어가는 추가 비용은 상대적으로 근소하다.