가속도 센서와 스핀들 전류센서의 센서퓨전을 이용한 절삭력 추정

국문 초록 (Abstract)

절삭력은 절삭가공 연구의 기반이 되는 중요한 물리량이다. 절삭력을 측정할 때 공구동력계를 사용하는 것이 일반적이나, 피삭재의 크기나 형상에 제약이 있고, 공구동력계 자체가 지나치게 고가이며, 측정 주파수 대역의 한계 및 절삭시스템 동적 특성 변경 등의 극복할 수 없는 문제를 갖고 있어 연구현장에서만 주로 활용되고 있다. 본 논문은 작업 현장에서도 절삭력이라는 중요한 물리량을 활용하기 위해 스핀들에 공급되는 전류를 측정하는 전류센서와 스핀들에 부착된 가속도센서를 융합하여 절삭력을 간접적으로 추정하는 방법을 제안하고 있다. 절삭현상이 이루어지는 절삭공구 날 끝과 스핀들 하우징에 부착된 가속도센서간의 동적 특징은 리셉턴스 커플링 방법을 이용하여 구하였다. 스핀들과 스핀들에 부착된 홀더 및 절삭공구의 주파수응답함수는 탭테스트와 유한요소법을 이용하여 추정했다. 스핀들 하우징의 변위를 구하기 위해서 측정된 가속도신호를 주파수영역에서 적분했고, 측정된 변위를 이송축 기준의 절삭력(AC 성분)으로 변환하기 위해서 칼만(Kalman) 필터를 설계하여 적용하였다. 스핀들에 공급되는 전류신호를 분석해서 절삭공구 기준의 접선 방향 절삭력과 반경 방향 절삭력(DC 성분)을 구하였다. 가속도센서와 스핀들전류센서의 주파수대역이 다르기 때문에 2 개 센서를 융합하여 절삭력을 좀더 정확히 추정했다. 밀링가공 실험을 수행하면서 공구동력계를 이용해 측정한 기준 절삭력과의 비교를 통해 제안된 방법을 검증했다. 실험 결과는 공구동력계에 비해 상당히 저렴한 센서들을 이용하여 효과적으로 절삭력을 추정할 수 있다는 것을 보여주었다.