A tool wear monitoring system is indispensable for better machining productivity with guarantee of machining safety by informing the time for change a tool in automated and unmanned CNC machining. Different from monitoring methods using other signals, the monitoring of spindle current has been used without requiring additional sensors on machine tools. For the reliable tool wear monitoring, current signal only from tool wear should be extracted from other parameters to avoid exhaustive analyses on signals in which all parameters are fused.
In this paper, effects of force components from all different parameters on measured spindle current are investigated and a hybrid approach to cutting force regulation is employed for tool wear signal extraction in the spindle current. The system of the hybrid approach to cutting force regulation is mainly composed of an off-line feedrate control module and a real-time feedrate control module. The effect of force component that is able to be calculated is eliminated by force regulation in the off-line feedrate module, and the force components as tool wear and nonhomogeneity of workpiece that are not able to be estimated are regulated by means of feedrate override in the real-time feedrate module. Using selective regulation of force components in the hybrid approach to cutting force regulation, the reliability of extracted signal of tool wear is verified from the relation between increase of spindle current and tool wear width. The decrease of real-time feedrate override is applied for additional increase of spindle current from friction force by tool wear in the real-time feedrate control module considering machining stability. Finally, the moving average of real-time feedrate override eliminating effect of random signal distributions from non-homogeneity of workpiece shows the tool wear in quantity considering geometric parameter effecting on friction force by tool wear.
Through machining experiments with practical tool paths and conditions, the tool wear levels are verified by means of the moving average of real-time feedrate overrides changed to regulate the force component from tool wear.
CNC 가공의 생산성 향상은 가공 자동화 및 무인화에서의 가공 안정성 확보를 통해 극대화 될 수 있다. 그러나 실제현장에서의 가공 자동화 및 무인화의 문제점은 가공 중 발생하는 공구 이상의 감지 및 이에 따른 공구 교체를 위해 작업자가 기계로부터 자유로울 수 없다는 것이다. 따라서 1980년대 후반부터 공구 상태 모니터링 시스템 개발에 관한 연구가 진행되고 왔고, 모니터링 시스템을 통해 적절한 시기에 공구를 교체할 수 있도록 공구 이상의 감지 및 공구 이상 정도의 확인이 요구되었다. 이러한 요구를 만족시키기 위해 기계에 부가적인 센서를 통해 획득되는 절삭력 신호, 진동 신호, 음향 신호 혹은 기계로부터 직접 획득되는 주축 전류의 해석을 통한 연구가 진행되었다.
절삭력 신호는 크게 시간 영역에서 해석되는 정적 신호와 주파수 영역에서 해석되는 동적 신호로 나뉜다. 동적 신호의 주파수 영역 해석은 공구의 급작스론 이상만을 감지하였으며 많은 데이터를 필요로 하여 실시간 적용이 어렵고, 시간 영역에서 해석되는 정적 신호는 피삭재 혹은 가공 조건과 같은 공구 상태 외 인자에도 민감하여 부가적인 동적 신호 해석을 필요로 하였다. 또한 측정 장비인 공구동력계는 고가이며 현장 적용에 어려움이 있었다.
진동 신호는 주파수 영역에서 전력스펙트럼밀도 (PSD)와 같은 해석이 진행되었으나 점진적인 공구 이상 감지에는 적합하지 못하며 부가적 신호가 요구되어 센서 혼합 (fusion)으로 인한 복잡성을 피할 수 없었다.
음향 신호의 주파수 영역 해석 역시 급작스런 공구 파손만을 감지할 수 있었으며 피삭재, 가공 조건 및 기계 구조 등과 같은 공구 상태 외 인자에도 매우 민감한 단점을 보였다.
본 연구의 목적은 가공 절삭력의 정적 신호를 대변하는 주축 전류 신호를 모니터링하고, 하이브리드 방식의 절삭력 평준화를 통하여 주축 전류 신호 내의 공구 상태에 관계하지 않는 요소의 영향을 제거한 공구 마모만의 절삭력 요소를 토대로 공구 마모를 정량적으로 판단하는 공구 상태 모니터링 시스템을 구현하는 것으로, 절삭력 평준화의 가공 안정성을 통한 공구 이상의 최소화도 함께 고려되었다.
이를 위해, 가공 공정 중 발생하는 절삭력 요소에 대해 알아보고 측정 주축 전류에서의 공구 마모 신호 분리에 대해 알아본다. 신호 분리를 위해 적용되는 하이브리드 절삭력 평준화의 구성 요소인 오프라인 이송속도 제어 및 실시간 이송속도 제어를 소개하고 이를 통한 공구 마모 신호의 분리를 확인한다. 마지막으로 공구 마모에 의한 주축 전류의 변화에 실시간 적용되는 이송속도 오버라이드의 양상을 알아보고 이를 통한 공구 마모의 정량적인 모니터링을 실제 가공 공정에서의 실험을 통하여 확인한다.
