스레드 회전 중 온라인 표면 모니터링
실을 회전시키는 과정에서 표면 품질을 확인하기 위한 IFW 연구 프로젝트입니다.
스레드 회전은 스레드 생산에 널리 사용되는 공정입니다. 이 문서에서는 스레드 회전 공정 중 표면 품질을 측정하는 방법의 개발에 대해 설명합니다. 이 공정은 하노버 대학의 생산 공학 연구소와 Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co KG가 공동 협력 프로젝트를 통해 공동으로 개발하고 있습니다.
스크류 드라이브는 진정한 의미에서 경제를 주도합니다. 예를 들어 공작 기계, 차량, 리프팅 및 컨베이어 기술 등에서 다양한 형태로 사용됩니다. 스크류 드라이브는 그 기능을 보장하기 위해 엄격한 제조 공차가 적용됩니다. 스크류 드라이브의 효율적인 사용을 위해서는 기하학적 공차를 준수하는 것 외에도 정의된 마찰 특성을 가진 표면을 확보하는 것이 전제 조건입니다.
스레드의 형상은 스레드 드라이브의 적용 영역에 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어, 사다리꼴 나사산은 나사산 측면이 깊어 큰 힘을 전달할 수 있으므로 무거운 하중을 이동하는 데 사용됩니다. 스크류 프레스와 같이 한 방향으로만 하중이 높은 경우에는 톱 나사가 사용됩니다. 사다리꼴 및 톱 스레드는 일반적으로 스레드 소용돌이 공정을 사용하여 제조됩니다. 그 이유는 한편으로는 일반적으로 배치 크기가 작고 다른 한편으로는 공정으로 인한 유리한 표면 특성 때문입니다.
그림 2는 회전 공정의 공정 운동학을 보여줍니다. 제조 공정 중 회전하는 동안 표면의 품질은 주로 마모 상태와 절삭 날의 위치 정확도에 의해 결정됩니다. 그러나 현재로서는 공정 중 공구 마모 상태나 표면을 모니터링할 수 없습니다. 한편으로는 나사산 측면의 위치 때문에 접근이 어렵고, 다른 한편으로는 공정 중 공구와 공작물의 회전으로 인해 측정 데이터를 기록하기 어렵습니다.
이러한 이유로 현재 기계의 표면 품질은 작업자의 경험에 따라 무작위로만 점검하고 있습니다. 불량을 방지하고 스크류 드라이브의 높은 품질을 보장하기 위해 보르네만 게윈데테크닉 GmbH와 하노버 라이프니츠 대학의 생산 공학 및 공작 기계 연구소(IFW)는 사다리꼴 나사산의 표면 품질을 공정과 병행하여 모니터링하는 측정 시스템을 개발하는 공동 프로젝트를 진행하고 있습니다.
보텍스 방법
측정 작업을 분석하려면 먼저 제조 공정의 운동학을 고려해야 합니다. 나사산 소용돌이에서 나사산 표면은 소용돌이 자이로스코프와 공작물의 결합된 움직임에 의해 생성됩니다(그림 2 참조). 일반적으로 회전 자이로스코프에는 원주 주위에 고르게 분포된 3~8개의 절삭 날이 있어 실의 윤곽을 재현합니다.
제조 공정의 운동학 외에도 후속 적용 분야도 선택해야 할 측정 방법에 영향을 미칩니다. 나사산 너트와 나사산 스핀들 사이의 접촉은 전체 나사산 측면에 걸쳐 이상적으로 이루어지기 때문에 품질을 평가하기 위해서는 전체 나사산 측면 표면을 기록해야 합니다.
공정 중 공작물의 회전은 전체 측면을 감지하기 위해 센서의 추가 이동이 필요하기 때문에 표면 감지를 위한 측정 범위가 작은 촉각 방식과 광학 방식을 모두 배제합니다. 적합한 측정 방법은 한 번의 측정 프로세스에서 전체 스레드 측면을 감지할 수 있어야 합니다. 흑백 산업용 카메라는 이러한 목적을 위해 고안되었습니다.
기능 증명을 위해 표면이 요구 사항(OK) 내에 있는 스레드와 요구 사항을 벗어난 표면(NOK)을 가진 스레드를 카메라로 촬영했습니다. 그림 3에는 TR 65×7 사다리꼴 스레드와 TR 80×10 사다리꼴 스레드의 표면 이미지가 나와 있습니다. 표면 특성이 다르기 때문에 표면의 반사 거동은 매우 다릅니다. 따라서 이미지의 회색 값 분포는 표면 품질에 따라 달라집니다.
도식화된 히스토그램을 보면 최대값의 진폭이 n.I.O. 표면을 가진 스레드에서 i.O. 표면을 가진 스레드에 비해 크게 줄어든 것을 알 수 있습니다. 최대 회색 값의 변화는 스레드 크기에 따라 다릅니다. 따라서 표면 모니터링에 변경된 반사 동작을 사용하려면 스레드 크기가 변경된 경우에도 O.O. 표면과 N.O. 표면 사이의 경계를 정의할 수 있어야 합니다.
입학 요건으로 인한 문제
제조 공정에서 화상 처리를 적용하려면 비표면과 표면을 안정적이고 반복적으로 구분할 수 있어야 합니다. 정확한 판별을 위해서는 이미지 획득 과정에서 영향을 미치는 변수를 식별하고 분석해야 합니다.
캡처된 이미지에 영향을 미치는 식별된 변수는 그림 4의 이시카와 다이어그램에 나와 있습니다. 이미지 처리의 목표 변수(빨간색)는 거칠기입니다. 이미지 획득을 위한 제어 변수(녹색)에는 노출 시간과 노출 방향이 포함됩니다. 제어 변수는 공작물 속도와 같은 주어진 경계 조건(주황색) 하에서 표면의 선명한 이미지가 생성되도록 설정해야 합니다. 제어 변수로 보정할 수 없는 경계 조건은 오염으로부터 카메라를 둘러싸는 등의 다른 방법으로 보정해야 합니다.
확인된 영향 변수를 공작 기계의 테스트 설정에서 분석하여 가능한 한 통제된 방식으로 제어 변수를 조정할 수 있도록 했습니다. 현재 기록된 이미지를 사용하여 표면의 회색 값 차이에 기반한 이미지 처리 알고리즘을 개발 중입니다.
전망
현재 제어된 조작 변수 조정을 기반으로 공정에 최적화된 측정 설정이 개발되고 있습니다. 이 설정은 이 알고리즘을 방적 공정 중에도 사용할 수 있도록 보장합니다. 제시된 표면 모니터링 시스템은 스레드 회전을 위한 품질 모니터링 시스템의 일부입니다. 다음 단계에서는 제시된 시스템과 방적기의 기하학적 나사산 매개변수를 기록하는 또 다른 시스템을 가동할 것입니다. 그 다음에는 측정 데이터를 기반으로 온라인 품질 평가를 위한 품질 모니터링 알고리즘을 개발합니다. 결정된 품질 상태는 나중에 작업자를 위한 권장 사항을 도출하는 데 사용됩니다.
인정
“온라인 스레드 회전 품질 모니터링 – Quali-Wirb” 연구 프로젝트는 독일 연방 의회의 결정에 따라 중소기업을 위한 중앙 혁신 프로그램(ZIM)의 일환으로 연방 경제 및 기후 보호부(BMWK)가 자금을 지원하고 독일 산업 연구 협회 ‘오토 폰 게리케’(AiF)가 감독하는 프로젝트입니다. IFW와 공동 협력 파트너인 Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG가 이 프로젝트에 재정적으로 지원해 주신 데 대해 감사의 말씀을 전합니다.
B. Denkena, H. Klemme, N. Klages
생산 공학 및 공작 기계 연구소(IFW)
라이프니츠 대학교 하노버