미세 절삭 가공 중 스트로보스코피를 이용한 실시간 공구 상태 감시 시스템 개발 = Development of a real-time tool condition monitoring system using stroboscopy during micro machining
기계 산업의 발전으로 인하여 가공 공정의 무인화가 가속되고 있다. 따라서 기계 운전 중 발생하는 공구 이상을 감시하기 위해 고안된 방법인 공구 상태 감시(Tool Condition Monitoring, TCM) 시스템이 주목받고 있다. 일반적으로 가공 중 발생하는 공구의 이상 상태는 절삭력, 진동 등과 상관 관계를 지닌다. 상기한 물리량을 계측하여 공구 상태를 판단하는 방법이 간접적 TCM이다. 이 경우 센서 특성 상 가공 중 데이터 취득이 용이하나 공구 상태를 간접적으로 판단하기 때문에 정확도가 떨어진다는 단점이 있다. 반면에 정확도 문제를 해결하기 위해 제안된 방법인 직접적 TCM은 카메라를 이용해 얻어낸 공구 표면의 이미지를 통해 공구 상태를 직관적으로 판단할 수 있다. 하지만 상태 판단에 필요한 공구의 명확한 상을 얻기 위해서는 반드시 공정을 멈춰야 한다는 단점이 있다.
따라서 본 연구에서는 공구 상태 판단의 정확성이 뛰어난 직접적 TCM의 시간 해상도 문제를 해결하기 위해 스트로보 효과를 이용한 실시간 공구 상태 감시 시스템을 제안하였다. 스트로보 효과란 일정한 움직임을 보이는 피사체에 대하여 짧고 강한 빛을 조사했을 때 마치 멈춰있는 것 같이 보이게 하는 시각적 현상의 일종을 뜻한다. 상기한 시각적 현상을 접목하여 개발한 시스템을 이용해 공구 불량으로 인해 발생하는 tool run-out을 정량화할 수 있었으며 더 나아가 피삭재와 공구 사이의 절삭력으로 인해 발생하는 공구 거동인 tool deflection의 가공 중 계측이 가능함을 실험을 통해 확인하였다.
본 연구를 통해 개발된 스트로보스코피 공구 상태 감시 시스템은 기존의 직접적 TCM이 가진 가공 중 데이터 취득의 문제를 스트로보 효과를 통해 해결하였으며 이를 통해 공구의 마모와 같은 점진적인 변화를 계측하는데 활용할 수 있을 것으로 보인다. 뿐만 아니라 tool deflection과 절삭력의 동시계측을 통해 얻어낸 변형량 – 절삭력 관계식을 이용하여 가공 중 발생하는 공구와 피삭재 간의 미세 절삭력을 도출하는데 활용 가능할 것으로 사료된다.
With the advent of the 4th industrial revolution, the unmanned machining system has become even more important than ever. In order to control process as using a unmanned machining system, it is indispensable to monitor tool condition in real time and deal with problems adaptivley, if any. Therefore, the tool condition monitoring (TCM) system, which is used to monitor tool errors during machining operation, has been attracting attention.
Generally, the abnormal condition of a tool during machining is correlated with the cutting force and vibration. The indirect TCM is a method of determining the tool condition by measuring the physical quantities. For the indirect TCM, it is easy to obtain data during machining, but it has a disadvantage in that accuracy is deteriorated because the tool condition is indirectly determined. On the other hand, the direct TCM, a method proposed to solve the accuracy problem, can intuitively determine the tool condition through the images of the tool obtained using the camera. However, there is a disadvantage in that the process must be stopped in order to obtain clear images of the tool necessary for the decision of tool condition.
In this study, we propose a stroboscopy tool condition monitoring system which can be a solution for the temporal resolution problem of the direct TCM. The strobo effect is a type of visual phenomenon that causes a subject with a constant motion to appear stationary when a short, strong light is irradiated. The tool run-out caused by tool failure can be measured using this system which was developed by combining the above visual phenomenon. Furthermore, tool deflection, which is caused by the cutting force between workpiece and the tool, can be measured during machining.
The stroboscopy tool condition monitoring system developed through this study can be employed to measure gradual changes of the tool such as tool wear. Also, it can be used to derive the cutting force during the machining by using the correlation between tool deflection and cutting force that can be obtained through the simultaneous measurement of tool deflection and cutting force.
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