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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.15 No.3 pp.1-7
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2016.15.3.001

A Study on Real Time Cutting Monitoring using Profibus

Sang-Hwan Yoon*, Sang-pil Cho*, Sung-gi Lyu*#
*School of Mechanical and Aerospace Engineering, ReCAPT, Gyeongsang National University
Corresponding author sklyu@gnu.ac.kr+82-55-772-1632, +82-55-772-1578
April 11, 2016 April 26, 2016 April 29, 2016

Abstract

The cutting processes used for monitoring engineering includes analysis and feedback about strange conditions, tools collision and tools wear in real time, for improving the working ratio of equipment and productivity. In this study, we proposed monitoring using profibus to increase the reliability as the most important factor for cutting monitoring. The profibus can increase the reliability of cutting monitoring for cutting torque of a main spindle motor and a feed motors through PLC-based interface.


프로피버스 통신을 이용한 실시간 절삭 상태 모니터링에 관한 연구

윤 상환*, 조 상필*, 류 성기*#
*경상대학교 대학원 기계항공공학부, 항공연

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1서 론

    절삭가공 분야에서 실시간 공구 모니터링을 위한 기 술들은 오랫동안 많은 연구가 수행되어 왔다.

    그러나 이러한 기술들은 정확성에 대한 신뢰도가 떨 어져 실제 가공현장에서는 적용할 수 있는 범위가 미약 하다. 기존의 공구 모니터링 기법들 중 대표적인 것으로 Fig. 1과 같이 센서를 이용한 기법이 있으며, 이 기법은 실제 공구를 센서에 접촉하여 모니터링하는 접촉식과 레이저를 이용한 비접촉식이 있다.

    이러한 기법은 공구의 정위치 및 파손여부를 측정하 기 위해 공구가 장착된 스핀들 또는 센서가 직접 이동해 야 하며, 이에 따른 센서 장비의 추가 설치 및 간섭 여부 확인, 공구 또는 센서의 부가적인 이동경로가 추가 하여야 하는 문제점이 있다[1].

    위와 같은 문제점을 해소하기 위해 추가 소요시간이 필요 없고 실시간으로 공구의 이상상태를 검지하는 방 법으로 Fig. 2와 음향방출(Acoustic emission) 감지 센서 를 연구하였으나 이 또한 공구나 절삭 상태의 이상 상태 와 관계없이 외부요인에 의한 신호 합성 도출로 검지의 신뢰성이 떨어지는 결과를 가져왔다[2]. 따라서 이러한 불편함 없고 신뢰성 있는 모니터링 시스템이 요구되어 지면서 CNC 시스템이 일반화되기 시작한 1980년대부 터 활발히 진행되었다. 그 결과 “절삭력”은 절삭가공 중 이상현상 및 절삭부하 등의 상태를 모니터링 할 수 있는 가장 정확한 요소로 확인되었으며, 이를 측정하기 위한 방법으로 공구동력계Tool dynamo meter)를 이용하 는 방법이 있다[3~5].

    그러나 설치비용, 공구교환, 절삭유사용, 배선 및 간섭 등의 다양한 문제가 추가적으로 발생되었 고, 이러한 문제를 해결하기 위해 비선형 특성을 가진 유도전동기의 벡터제어 방법과 슬림 주파수 제어 방법 등을 이용하여 절삭가공 시 발생하는 절삭력과 토크를 간접적으로 추정하는 시스템이 연구가 진행되었으나, 고정자와 회전자의 손실 및 내부 인덕턴스에 의한 손실 등으로 신뢰성을 확보 할 수 없었다[6~7]. 본 연구에서는 공구 파손 검지 에 대한 신뢰도를 높이고 정확도가 뛰어난 Profibus 통신을 이용한 절삭 토크 감지 방식을 연 구하였고 이를 실제 가공현장에 적용하였다.

    2본 론

    2.1Profibus 통신의 특징 및 구성

    공구모니터링센서와 음향방출 신호의 2가지 형 태를 각각 Fig. 1과 Fig. 2에 나타냈다.

    Profibus 통신은 디지털 데이터전송으로 강한 내 잡음성을 가지고 Multi-target/Multi-control이 가능 하며 시스템 설치 및 유지보수가 용이하다. 또한 PLC기반의 제어기술로 시스템 신뢰도, 유연성, 확 장성 증가를 기대할 수 있고 양방향 통신을 통하 여 필드기기 모니터링 및 제어가 가능한 이점이 있다[8]. 이러한 Profibus는 Multi-master 시스템으로 써 하나의 Bus에 연결되어 있는 분산 주변 장치 들과 함께 있는 여러 가지의 자동화 설비, 엔지니 어링 또는 시각화 시스템을 연결 할 수 있으며, Device는 두 가지 형태로 구분되는데 첫째는 Master Device로 Bus상의 데이터 통신을 결정하며, Bus 접근 권한이 정지되었을 때 내부요청 없이 메시지를 보낼 수 있으며, 항상 동작중인 Station 의 부름을 받는다. 둘째는 Slave Device로 I/O Device, Valves, Drives등 측정 장치와 같은 주변장 치로써, 이들은 Bus 접근 권한이 없고, 오직 수신 되는 메시지만을 인지하거나 Master로부터 요청이 있을 때만 메시지를 보내는 역할을 수행한다. 따 라서 Bus 프로토콜의 작은 영역만을 차지하기에 경제적인 동작이 가능하다.

    2.2Profibus 통신 모니터링 개발 순서

    Profibus 통신을 위해서는 공작기계의 CNC 콘트 롤러의 사양에서 통신이 가능한 기능이 있어야 한 다. 2000년대 초에 생산된 CNC 콘트롤러는 대부 분 통신 기능이 없는 경우가 많았는데 최근 콘트 롤러는 주문자의 요구에 의해 제공되고 있다. 먼 저 본 연구에서는 Fig. 3과 같이 통신 시스템을 구성하기 위해서는 기계의 기본 동작 PLC(Program Logic Control)에 공구 파손 검지를 위한 PLC를 추가한 통합 PLC를 개발하여 설치하 였고 콘트롤러에서 검출된 전류는 전용 모듈을 통 하여 HMI(Human Machine Interface)장치에서 셋업 과 절삭상태를 모니터링을 할 수 있다. 프로그램 과 케이블 연결 작업이 완료되면 실 부품가공공정 에서 시험가공을 통하여 프로그램의 안정성을 평 가 하고 작업 공정 조건에 맞는 이상 신호 처리를 수정하는 작업을 거친다. Fig. 4는 기계의 CNC콘 트롤러에서 HMI로 연결되어 Data 수집에서부터 조건에 따른 피드백시 기계의 이상 상태 반응을 나타내 도식이다. CNC 콘트롤러에서 수집하는 Data는 주축 모터의 토크와 이송축의 위치 정보이 며 이를 PLC 장치에서 공구 번호와 절삭 상태 신 호를 변환 모듈을 거쳐 HMI로 보내지게 된다. Fig. 5

    2.3모듈 간 인테페이스 방법

    장비와 Profibus 통신 인테페이스 방법은 Fig. 6 과 같이 구성이 된다. 장비의 PLC 장치에서 변환 모듈과의 연결은 Profibus-DP 기술을 사용하고 변환 모듈에서 HMI까지는 TCP-IP 통신을 사용하였다.

    2.3.1PLC기반 인터페이스

    기존 장비로부터 원하는 방법과 절차로 Data를 주고 받아서 제어하기 위해서는 우선 기존 장비의 PLC 프로 그램에 제어가 필요한 부분에 해당하는 PLC를 추가 개발하여 통합시켰다. Fig. 7의 (a)는 공구 검지를 시작하 는 영역, (b)는 스핀들 모터의 토오크 정보 영역, (c)는 이송축의 모터 토크 정보 영역, (d)는 가공 프로그램(G코 드)에서의 Macro 프로그램 호출에 관한 영역을 나타내 고 있다. 본 지면에서는 전체 PLC 프로그램중에 핵심 인터페이스 부분만 나타내었고 실제 작업에서는 많은 시간이 필요하고 장비 사용자의 피드백 조건에 따라 여러 차례 수정 작업도 요구될 수 있다. 본 연구에서 적용된 장비의 콘트롤러 제조사는 FANUC 제품으로 다른 제품 사용시 통신이 가능한지 먼저 파악하여야 한다.

    2.3.2자동 토오크 인식 가공 프로그램

    본 연구의 가장 큰 특징은 공정이나 공구, 재질, 공작 물 등이 다르면 절삭 토크도 각각 다르게 되므로 매번 한계값을 설정해야 하는 번거로움이 발생하지 않는다 는 것이다.

    즉, 초기 정상적인 공정을 수행하면 이 때 나타난 정상의 절삭 토크 곡선을 자동 인식하여 이후 가공부터 는 정삭 토크 곡선과 실시간 비교하면서 공구나 공작물 등 절삭의 이상 상태를 감시하게 된다. 초기 정상 공정 수행 횟수는 사용자의 판단에 따라 할 수 있으며 통상 수 회 정도가 바람직하다. 이와 같은 자동 인식 및 비교 감시 기능을 부여하기 위해서는 Fig. 8과 같이 Custom macro variables를 규정하고 Fig. 9와 같이 공정 프로그램 (G code 프로그램)내에 들어가게 해야 한다. Custom macro variables는 13개 기호를 만들었고 프로그램 번호 A부터 부가축 기호 Y까지 구성되어 있다.

    지금까지 대부분 공구 모니터링 기술들은 공작물을 가공할 때 사전에 절삭조건에 따른 Data base를 가지고 활용하지만 본 연구 내용은 앞에서 설명한 바와 같이 가공 프로그램내에 한 개의 블록만을 추가함으로써 모 니터링을 할 수 있어 가공 현장에서 편리하게 사용할 수 있는 이점이 있다. Custom macro variables 기호별 프로그램으로 Fig. 10과 같이 미리 작성되어 저장되어있 다.

    2.4시험 방법

    시험을 위해서 자동차 부품인 Joint 가공 공정에 시험 적용하였다. Fig. 11은 시험대상 부품의 공정 이며 Fig. 12는 부품을 가공할 수 있는 전용형 가 공장비로서 한 대의 장비에서 3개 공정을 순차적 으로 가공하는 장비다.

    공정1에서는 2.5 mm 드릴 공구로 4개의 축에 의해 동시에 4곳을 경사지게 가공하고 공정2에서 는 폭 3 mm, 길이 8.6 mm의 홈을 가공하는 공정 이며, 공정3에서는 공정2에서 가공된 홈 가공 부 분의 디버링 가공 공정이다.

    여기에 사용된 모니터링 Channel 수는 총 7개 로 7개 공정을 모니터링 할 수 있다.

    2.5시험 결과 및 고찰

    공정1에서는 4개소에 드릴링 작업을 하는 공정 으로 4개의 스핀들과 축 이동이 수행되는데 Channel 1, 2, 3, 4로 표기되었다. Fig. 13에서 보는 바와 같이 동일한 가공 조건이므로 각각의 Channel별 토오크 패턴 형태는 유사한 곡선을 나 타내고 있으나 곡선의 굵기(가공 횟수에 의한 편 차량)는 다르게 표시되고 있다. 이러한 현상을 공 구의 절삭조건에 의한 영향보다는 이송축의 구조 적인 문제와 관련이 있을 것으로 판단된다.

    특히 Channel 3에서는 드릴링 중간 시점에서 편차가 크게 나타나는 것은 가공에 의한 주축의 불안정으로 동력 변동이 많은 것으로 예상된다. 나머지 3개의 Channel 에서는 가공 중에 토크가 일시적으로 크게 증가하는 현상이 나타나고 있는 데 이는 드릴링 작업시 순간적으로 불안정한 상황 이 발생하고 있음을 보여준다. 따라서 순간적으로 큰 토크가 발생하면 공구 파손 영역을 넘어서게 되므로 알람 등의 신호를 보내게 된다.

    공정1에서 이런 현상이 일어나는 이유는 드릴의 크기가 적고 경사지게 가공을 하기 때문인 것으로 생각된다. 공정2에서의 모니터링 결과는 Fig. 14 에 나타내었다. Channel 1은 5.5 mm 드릴링 작업 으로 매우 정상적인 토크 패턴을 보여주고 있다.

    Channel 2-1과 Channel 2-2는 5.0 mm 드릴링 작 업을 순차적으로 실시하는 공정으로 안정적인 가 공 상태를 볼 수 있다.

    Channel 3-1은 홈 가공을 하는 공정의 패턴으로 정상적인 가공 상태임을 알 수 있다. Channel 3-2, Channel 3-3은 홈 가공 부분의 입구 디버링과 반 대면 디버링 가공에 대한 절삭 패턴으로 절삭량이 크기 않은 관계로 매우 선명한 패턴을 나타내고 있으며 Fig. 15는 가공된 부품의 형상이다

    5결 론

    절삭공정 중 공구의 마모 및 파손이 발생할 경 우, 후공정 전반에 걸쳐 공정진행에 시간적, 경제 적 손실이 발생하게 된다. 이러한 손실을 최소화 하고자, 본 연구에서는 절삭공정 중 필수적인 공 구 모니터링 방법을 보다 더 신뢰성 있고 정확하 게 수행할 수 있도록 Profibus 통신을 이용한 실시 간 공구 모니터링 기술을 실제 생산라인 장비에 설치하여 실제품 가공에 적용한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

    최초 정상적으로 수행한 5개 공작물에 대한 절 삭 토크 곡선을 자동으로 인식하였고, 이후 가공 부터는 공구의 이상상태를 최초 토크 곡선과 상시 비교하면서 공구의 이상상태를 모니터링 시험을 수행하였다. 시험결과 공구 파손이 일어났을 때는 즉시 가동이 중지되어 공작물의 불량과 장비의 파 손을 예방하는 효과를 가져왔다. 또한 작업자가 상시 가동상태를 주시할 필요가 없어 생산성이 높 아지고 대량 불량을 방지할 수 있는 품질관리 향 상 효과를 가져왔다.

    후 기

    “이 논문은 2016년도 ICT기반 스마트 공작기계 및 유연자동화 시스템 기술 개발 연구비 지원에 의하여 연구되었음.”

    Figure

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    Tool monitoring sensors
    KSMPE-15-1_F2.gif
    Two types of AE signals
    KSMPE-15-1_F3.gif
    Flow chart for profibus system development
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    Processing from data collection to alarm responses
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    Example of tool break limits depending on cutting way
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    Configuration of interfacing module
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    PLC interfacing method for torque monitoring
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    Custom macro variables in tool monitoring
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    Macro variables in cutting program
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    Macro program
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    Cutting process of a test parts
    KSMPE-15-1_F12.gif
    Applying the Study to Production Site
    KSMPE-15-1_F13.gif
    Output of real-time tools monitoring in process 1
    KSMPE-15-1_F14.gif
    Output of Real-Time Tools Monitoring in process 2
    KSMPE-15-1_F15.gif
    Parts used in test cutting

    Table

    Reference

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