The Journal of Korea Institute of Information, Electronics, and Communication Technology (한국정보전자통신기술학회논문지)

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A Detection and Stabilization Method for CNC Tool Vibration using Acoustic Sensor

음향센서를 활용한 CNC 공구떨림 감지 및 안정화 기법

  • Kim, Jung-Jun (Department of Information Security, Chonbuk University) ;
  • Cho, Gi-Hwan (Division of Computer Science and Engineering, Chonbuk University)
  • Received : 2019.02.20
  • Accepted : 2019.03.05
  • Published : 2019.04.30
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Abstract

Recently, there is an increasing need for highly precise processing with the rapid development of precision machinery, electrical and electronics, and semiconductor industries. Cutting machine control relies on the operator's sense and experience in tradition, but it has been greatly enhanced by the adoption of CNC(Computerized Numeric Controller). In addition, cutting dynamics technology has been paid attention to reflect the operating state of machine in real time. This paper presents a method to detect and stabilize tool vibration by attaching an acoustic sensor to a CNC machine. The sensed acoustic data is synchronized with the tool position and the abnormal vibration frequency is separated from the collected acoustic frequency, then analyzed to detect the tool vibration. Also the reliability the tool vibration detection and stabilization is improved by applying the cutting dynamic method. The proposed method is analyzed and evaluated in terms of the surface roughness.

최근 정밀기계, 전기전자, 반도체 등의 급속한 산업의 발달로 전장장치의 고정밀도 가공의 필요성이 증대하고 있다. 작업자의 감각과 경험에 의존하던 절삭 공작기계 제어는 CNC(Computerized Numeric Controller: 컴퓨터 수치제어) 도입으로 가공 정밀도가 획기적으로 개선되고 있다. 또한 공작 기계의 운전 상태를 실시간 반영하는 가공 동특성(cutting dynamics)기법이 관심을 받고 있다. 본 논문은 CNC 공작기계에 음향센서를 부착하여 공구떨림 감지 및 안정화하는 방안을 제시한다. 공구 이송 위치와 음향센서 데이터를 동기화 하고 수집된 음향 주파수에서 이상 진동음에 대한 주파수를 분석하여 떨림을 감지한다. 또한 가공 동특성 기법을 적용하여 공구떨림 감지와 안정화의 신뢰성을 높인다. 제안한 기법은 금형 가공의 공구떨림 안정화 전후 가공 표면조도의 향상 관점에서 분석 평가한다.

Keywords

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그림 1. CNC 공작기계의 발전과정 Fig. 1. A Development Process of CNC Machine

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그림 2. 센서가 장착된 절삭 도구 Fig. 2. A Spindle Tool with built-in Sensors

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그림 5. 공구떨림 감지 및 안정화 절차 Fig. 5. Flow Chart of Tool Vibration Detection and Stabilization Procedure

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그림 6. 시스템 구성도 Fig. 6. The System Configuration

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그림 7. CNC 메모리 구조 및 내부 데이터 Fig. 7. CNC Memory Configuration and Internal Data

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그림 8. ωd =4,175hz, 안정화 RPM적용 예 Fig. 8. ωd =4,175hz, An Example of Applying Stabilization RPM

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그림 9. 공구떨림 안정화 전후 가공면 비교 Fig. 9. A Comparison of Finished Surfaces before and after Tool Vibration Stabilization

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그림 3. 절삭날에 의한 가공물 두께의 변화 Fig. 3. Variance of Artifact‘s Thickness with Varying the Cutting Edge

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그림 4. 음향정보를 이용한 공구떨림 감지 Fig. 4. Tool Vibration Detection with Cutting Sound

표 1. 음향센서 사양 Table 1. Acoustic Sensor Specification

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표 2. 임베디드 디바이스 사양 Table 1. Embedded Device Specification

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표 3. 안정화를 위한 대체 주축회전수 Table 3. Candidate Spindle Speed for Stabilization

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표 4. 안정화를 위한 대체 주축회전수 Table 4. Candidate Spindle Speed for Stabilization

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