민감하게 모니터링하는 스트레인 게이지

프로세스 힘 모니터링을 위한 감지 기계요소는 이미 IFW에서 성공적으로 연구하고 개발되었다. 이제 최신 세대가 준비되었으며, 이를 고감도 반도체가 더욱 강력하게 만들고 있다.

베렌트 뎅케나(Berend Denkana): 제조기술 및 공작기계 연구소(IFW) 소장,

공학박사 벤야민 베르크만(Benjamin Bergmann): 동 연구소 기계 및 제어 분야 책임자,

스벤냐 라이머(Svenja Reimer): 프로세스 모니터링 및 제어 파트 지도

핵심 내용

  • 하노버 대학의 IFW 연구원들이 연구를 계속하고 훨씬 민감한 차세대 기계를 만들었다.
  • 이 과정에서 이전에 사용하던 금속 스트레인 게이지를 반도체 기반 H. 스트레인 게이지로 보완하였다.
  • 이 스트레인 게이지는 이전 제품보다 100배 정도 민감하게 반응한다.

인더스트리 4.0의 맥락에서 지능형 프로세스 모니터링과 제어 시스템이 중요해지고 있다. 필수 전제 조건은 고품질 공정 데이터를 수집하는 것이다. 이는 시스템의 신뢰성과 견고성에 결정적이다. 작은 공정 변화를 기록하기 위해 공작 기계에 추가 센서가 장착된다. 지금까지는 공정 힘을 파악하기 위해 주로 다이나모미터를 사용하였지만, 이는 비싸고 작업 공간을 제한하며 전체 시스템의 강성을 줄였다. 다이나모미터의 주파수 범위는 고유 주파수로 인해 약 2kHz로 줄어들기 때문에 동적 프로세스 동작을 기록하려면 가속도 센서도 필요하다.

이에 대한 대안으로 작업 영역을 손상시키지 않고 프로세스 관련 데이터 수집을 허용하는 감각 공구 홀더를 사용한다. 하지만 이 방법은 자동화된 공구 교환을 위해 여러 개의 공구 홀더가 필요하기 때문에 비용이 많이 들었다. 업계는 높은 구입 비용과 프로세스 영향 때문에 이러한 시스템을 회피했다. 이런 상황을 바꾸려면 프로세스에 영향을 주지 않으며 저렴한 접근 방식이 절대적으로 필요하다. 이를 위해 IFW에서 감지 기계를 개발하였다. 이들은 프로세스에 영향을 미치지 않으며 일반 시스템보다 저렴하다.

그림 2a: 58초 후에 공구가 파손되고 일부가 여전히 공작물에 남아있다.

원치 않는 영향이 배제되는 프로세스 힘 측정

감지 기계는 매우 합리적인 가격의 스트레인 게이지(DMS)를 기반으로 한다. 스트레인 게이지는 스핀들 슬라이드 구조에 통합되어, 작업 영역이 영향을 받지 않으며, 공구 교체도 무제한으로 가능하다. 또한 이 스트레인 게이지는 레트로핏 시에 다시 장착할 수도 있다. 여러 스트레인 게이지를 결합하여 프로세스 힘을 세 가지 공간 방향(X, Y 및 Z)으로 재구성한다. 스핀들 슬라이드에서 힘을 측정할 때 가장 큰 문제는 부품의 높은 강성이다. 이는 센서 배치로 극복하였다. 스핀들 슬라이드에 노치를 만들고 노치 바닥에 스트레인 게이지를 적용했다. 노치는 슬라이드의 전체 강성을 변경하지 않고 국부적으로 연신율을 증가시킨다. 금속 스트레인 게이지(M. DMS)를 기반으로 하는 감지 기계를 사용하여 다양한 공작기계의 방향 분해공정 힘이 약 50~100N의 측정 불확도로 재구성되었다. 공정 중 공구 편향 보정과 같은 다양한 응용 프로그램이 성공적이었다.

매우 작은 공구를 사용하는 공정에서는(그림 1), 낮은 인피드로 인해 50N 미만의 낮은 공정 힘이 발생하기 때문에 일반적인 센서 시스템은 이를 감지조차 하지 못한다. 그리고 감지 기계의 금속 스트레인 게이지를 사용하더라도 이렇게 낮은 프로세스 힘을 모니터링하는 것은 불가능하다. 차세대 감지 기계에서 금속 스트레인 게이지는 이제 새로운 유형의 반도체 기반 스트레인 게이지(H. DMS)로 보완되었다. 이들은 금속보다 최대 100배 정도 민감하다. 이 평가 전자 장치 덕분에 이제 스트레인 게이지가 5kHz의 주파수 범위에서 평가를 수행할 수 있다. 이러한 방식으로 동적 프로세스 동작도 정확하게 기록 가능하다. 그림 2a는 H. 스트레인 게이지, 스핀들 슬라이드에 구조 통합된 금속 스트레인 게이지 그리고 강철의 플랭크 밀링 공정의 다이나모미터(Kistler Instrumente의 타입 9257B)의 신호 곡선을 보여준다. 이때 그림 1에 표시된 직경 D = 1.5mm의 엔드밀을 사용하였다. 절단의 깊이와 너비는 각각 ap = 0.5mm 및 ae = 0.2mm로 선택되었다. 약 58초 후 공구가 파손되어 고장 났다(그림 2b).

그림 2b: 다이나모미터, 반도체 기반 스트레인 게이지(H. DMS) 및 금속 스트레인 게이지(M. DMS)의 신호 비교. 시스템은 5축 머시닝 센터 DMG Mori HSC 30의 스핀들 슬라이드에 배치되었다. 붉은색 수직 선은 공구가 파손된 시점을 표시한다.

H. DMS와 다이나모미터를 사용하면 신호 진폭의 점프로 이를 명확하게 인식할 수 있다. 하지만 금속 스트레인 게이지(M. DMS)를 사용하면 도구가 금형에 들어갈 때 신호 변화가 거의 기록되지 않아, 공구 파손을 신호에서 직접 확인할 수 없다. 금속 스트레인 게이지의 신호 진폭에서는 (마지막 공정 단계에서) 표면 위에 남아 있는 나머지 공구 자루가 연마되는 것을 확인할 수 있다. 예에서 볼 수 있듯이 최신 세대의 감지 기계를 사용하여 재료 제거가 경미하고 공정 힘이 20N 미만인 공정을 모니터링할 수 있다.

제때 채터 진동 감지하기

소위 채터 진동은 잘못 선택된 공정 매개변수로 인해 발생하는 자려 진동이다. 이는 구성 요소의 표면 품질을 저하시킨다. 또한 강하게 형성되면 공구 마모를 증가시키고 기계를 손상시킬 수 있다. 이를 방지하려면 프로세스 초기에 채터 진동을 감지해야 한다. 지금까지는 고가의 가속도 센서나 간섭에 대한 민감도가 높은 마이크가 이를 위해 사용했다. 주파수 범위의 가속도 데이터를 평가하여 특정 채터 주파수를 감지할 수 있다. 공구의 개별 절삭날이 차례로 재료에 맞물리기 때문에 안정적인 밀링 중에도 진동은 발생한다. 하지만 채터 진동은 고주파수 범위의 진동 진폭을 통해 신호 초기에 나타나며 이는 기어 맞물림으로 설명할 수 없다. 그림 3은 주파수 범위의 알루미늄에서 슬롯 밀링 공정 중 채터 진동이 발생할 때 가속도 센서와 H.DMS의 신호를 보여준다. 직경 D = 8mm, 속도 n = 6,000 min-1인 4개의 기어가 있는 엔드밀을 사용하였다. 약 1,950Hz에서 지배적인 채터 주파수는 가속도 센서의 신호와 H.DMS의 신호 모두에서 명확하게 볼 수 있다. 3,900Hz와 4,300Hz의 높은 진폭도 두 신호 모두에서 확인할 수 있다. 이것은 최신 세대의 감지 기계가 고주파수 채터 진동을 정확하게 기록할 수 있음을 보여준다. 주파수 대역에서 H.DMS의 신호는 기존의 고가 가속도 센서와 유사하다.

그림 3: 주파수 영역에서 가속도 센서와 H. DMS의 신호 비교

공정 모니터링의 새로운 만능 도구

최신 세대의 감지 기계를 사용하면 직경이 매우 작은 공구를 사용한 밀링 프로세스도 모니터링할 수 있다. 스트레인 게이지를 사용하면 준 정적 및 동적 프로세스 거동을 파악할 수 있다. 감지 기계는 낮은 인피드의 프로세스를 모니터링하고 주파수 범위의 채터를 감지하기에 모두 적합하다는 것이 입증되었다. 이는 이전에는 다양하고 비싼 센서를 사용해야만 가능했던 다양한 애플리케이션에 사용할 수 있음을 의미한다. 스핀들 슬라이드에 H. DMS를 통합해도 공정 거동에 영향을 미치거나 작업 공간을 제한하지 않는다. 공구 교체도 무제한으로 가능하다. 따라서 장기적으로 감지 기계는 다이나모미터 및 감지 도구 홀더와 같은 기존 센서 시스템에 대한 저렴하고 유연한 대안을 제공한다.