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KR-20260060701-A - FAULT DIAGNOSIS APPARATUS AND METHOD USING VIBRATION FREQUENCY

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Abstract

본 발명은 부품의 변형, 마모 정도를 파악하기 위한 비파괴 고장 진단 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고장 발생시 변화하는 진동 주파수를 분석하여 고장 유무를 진단하는 진동 주파수를 이용한 고장 진단 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 진동 주파수를 이용한 고장 진단 장치는 진단 대상체의 일측단에 설치되어 진단 대상체에 진동주파수를 발진시키는 발진기와, 진단 대상체의 타측단에 설치되어 진단 대상체(A)를 통해 전파되는 발진기의 진동주파수를 수신하는 수신기와, 상기 발진기에 요구되는 진동주파수 대역 신호 및 전력을 제공하는 신호발생기와, 상기 수신기가 수신한 진동주파수와 정상상태에서의 진단 대상체의 진동주파수와의 대비를 통해 고장유무를 진단하는 신호분석기를 포함한다.

Inventors

  • 신금재
  • 노은식

Assignees

  • 한국생산기술연구원

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241025

Claims (5)

  1. 진단 대상체의 일측단에 설치되어 진단 대상체에 진동주파수를 발진시키는 발진기; 진단 대상체의 타측단에 설치되어 진단 대상체를 통해 전파되는 발진기의 진동주파수를 수신하는 수신기; 상기 발진기에 요구되는 진동주파수 대역의 신호 및 전력을 제공하는 신호발생기; 및 상기 수신기가 수신한 진동주파수와 정상상태에서의 진단 대상체의 진동주파수와의 대비를 통해 고장유무를 진단하는 신호분석기를 포함하는, 진동 주파수를 이용한 고장 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발진기는 정상상태에서의 진단 대상체의 공진주파수를 포함하는 대역의 진동주파수를 발진시키고; 상기 신호분석기는 정상상태에서의 공진주파수와 검출된 공진주파수를 대비하여 변화 여부를 분석하는, 진동 주파수를 이용한 고장 진단 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 발진기는 정상상태에서의 진단 대상체의 공진주파수를 발진시키고; 상기 신호분석기는 수신된 공진주파수의 신호응답 크기 감소 여부를 분석하는, 진동 주파수를 이용한 고장 진단 장치.
  4. 정상상태에서의 진단 대상체의 공진주파수를 검출하는 단계; 진단 대상체의 일측단과 타측단에 각각 발진기와 수신기를 설치하고, 상기 발진기에는 신호발생기를 연결하며, 상기 수신기에는 신호분석기를 연결하는 단계; 상기 발진기가 사전 검출한 정상상태에서의 공진주파수를 포함하는 대역의 진동주파수를 발진시키는 단계; 상기 수신기가 진단 대상체를 통해 전파되는 발진기의 진동주파수를 수신하는 단계; 상기 신호분석기가 수신기로 입력되는 진동주파수 데이터를 분석하여 공진주파수를 검출하는 단계; 및 상기 신호분석기가 검출된 공진주파수를 사전 검출한 정상상태에서의 공진주파수와 대비하고 공진주파수가 변화하였는지 여부를 판단하여 고장유무를 진단하는 단계를 포함하는, 진동 주파수 분석을 이용한 고장 진단 방법.
  5. 정상상태에서의 진단 대상체의 공진주파수와 그 신호응답 크기를 검출하는 단계; 진단 대상체의 일측단과 타측단에 각각 발진기와 수신기를 설치하고, 상기 발진기에는 신호발생기를 연결하며, 상기 수신기에는 신호분석기를 연결하는 단계; 상기 발진기가 사전 검출된 공진주파수를 발진시키는 단계; 상기 수신기가 진단 대상체를 통해 전파되는 발진기의 공진주파수를 수신하는 단계; 및 상기 신호분석기가 수신기로부터 입력되는 공진주파수의 신호응답 크기를 사전 검출한 정상상태에서의 공진주파수의 신호응답 크기와 대비하고 감소하였는지의 여부를 판단하여 고장유무를 진단하는 단계를 포함하는, 진동 주파수 분석을 이용한 고장 진단 방법.

Description

진동 주파수를 이용한 고장 진단 장치 및 방법{FAULT DIAGNOSIS APPARATUS AND METHOD USING VIBRATION FREQUENCY} 본 발명은 부품의 변형, 마모 정도를 파악하기 위한 비파괴 고장 진단 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고장 발생시 변화하는 진동 주파수를 분석하여 고장 유무를 진단하는 진동 주파수를 이용한 고장 진단 장치 및 방법에 관한 것이다. 최근, 산업기술이 발달함에 따라 기계장비들이 대형화, 고정밀화되면서 고장 발생시 막대한 경제적 손실이 발생하게 되는바, 주기적인 유지관리는 물론 항시적인 고장 감시는 매우 중요해졌다. 특히, 회전장비의 경우에는 회전축에서 발생하는 진동 특성으로 인하여 기계적 요소들인 베어링, 기어박스, 휀 등에서의 마모가 쉽게 발생하게 되므로 고장에 매우 취약하다. 일단, 다양한 이유로 기계장비에 고장이 발생되면, 해당 장비에서 출력되는 진동 신호가 정상 신호값을 벗어나게 되게 된다. 진동 신호가 정상 신호값을 벗어나게 되면, 평소와는 다른 작동음이 발생되기 되기 때문에 종래에는 작업자가 평소와는 다르게 들리는 작동음을 통해 고장 유무를 진단하였다. 그러나, 이러한 방식은 작업자의 숙련도에 따라 진단 결과가 달라질 뿐만 아니라, 전문적으로 교육을 받은 숙련된 전문가라 할지라도 미세한 작동음 변화를 감지해 내기가 쉽지 않아 정확도가 크게 떨어지는 문제가 있었다. 이러한 문제를 해결하고자, 최근에는 마이크와 같은 음향센서나 진동센서로부터 얻어지는 진동주파수를 시간-주파수 2차원 피처(feature)로 변환하여 시간-주파수 패턴에 따른 고장유무를 진단하는 기술을 활용하고 있다. 그러나, 상기한 진단기술은 음향센서와 진동센서를 통해 얻어지는 진동주파수에 장치 주변 현장의 다양한 소음 및 진동도 함께 포함되기 때문에 정밀한 진단이 어렵다는 한계가 있다. 아울러, 상기한 진단기술은 진단 대상체에 진동주파수가 정상적으로 전파되었는지를 판단할 수가 없기 때문에 진단신뢰도가 낮다. 도 1은 본 발명에 따른 진동 주파수를 이용한 고장 진단 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 도 2는 본 발명에 따라 진단 대상체로부터 추출된 공진주파수와 정상상태에서의 공진주파수를 대비한 그래프이다. 도 3은 본 발명에 따라 진단 대상체로부터 추출된 공진주파수의 신호응답 크기와 정상상태에서의 신호응답 크기를 대비한 그래프이다. 도 4는 본 발명에 따른 진동 주파수를 이용한 고장 진단방법을 순서대로 나타내는 블록도이다. 도 5는 본 발명에 따른 진동 주파수를 이용한 고장 진단방법의 다른 실시예를 순서대로 나타내는 블록도이다. 본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 아울러, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 예컨대, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 아울러, "포함한다" 또는 "구비한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 아울러, 본 명세서에서 사용한 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이하, 본 발명의 일 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명함에 있어, 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 사용하며, 명료성을 위하여 가능한 중복되지 않게 상이한 부분만을 주로 설명한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 진동 주파수를 이용한 고장 진단 장치는 진단 대상체(A)의 일측단에 고정되는 발진기(100)와, 진단 대상체(A)의 타측단에 고정되는 수신기(200)와, 상기 발진기(100)에 연결되는 신호발생기(300)와, 상기 수신기(200)에 연결되는 신호분석기(400)를 포함한다. 상기 발진기(100)는 입력되는 전기 신호를 자력에 의해 필요한 진동주파수로 변환하여 출력하는 장치로서, 진단 대상체(A)의 일측단에 설치되어 상기 진단 대상체(A)에 진동주파수를 발진시킨다. 상기 발진기(100)는 압전 트랜스듀서(TRANSDUCER)일 수 있다. 이 경우, 상기 발진기(100)는 진동주파수를 일정 대역 내에서 변화시키며 발진시킬 수도 있고, 특정 진동주파수로 발진시킬 수도 있다. 상기 특정 진동주파수는 정상상태에서의 진단 대상체(A)의 공진주파수(f1)이다. 한편, 상기 발진기(100)는 다양한 방식으로 진단 대상체(A)의 일측단에 고정될 수 있으나, 예컨대, 상기 진단 대상체(A)가 빠르게 회전하는 회전체인 경우에는 진단 대상체(A)로부터 이탈될 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 상기 발진기(100)는 진단 대상체(A)의 일측단에 나선결합을 통해 견고하게 고정될 수 있다. 이 경우, 상기 진단 대상체(A)의 일측단에는 나사홈(110)이 형성되고, 상기 발진기(100)에는 상기 나사홈(110)에 체결되는 나사부(120)가 돌출되게 형성될 수 있다. 또한, 상기 발진기(100)는 진단 대상체(A)의 일측단에 접착력이 우수한 공업용 에폭시와 같은 접착제를 통해 견고하게 부착될 수도 있다. 상기 수신기(200)는 발진기(100)의 진동주파수를 수신하는 통상의 수신기로서, 진단 대상체(A)의 타측단에 고정되어 진단 대상체(A)를 통해 전파되는 발진기(100)의 진동주파수를 수신한다. 상기 수신기(200)는 압전 트랜스듀서일 수 있다. 상기 수신기(200)는 발진기(100)와 마찬가지로 다양한 방식으로 진단 대상체(A)의 타측단에 고정될 수 있으며, 나사결합이나 접착제를 이용하여 견고하게 부착될 수도 있다. 한편, 상기 수신기(200)는 수신 신뢰도를 향상시키도록 상기 발진기(100)와 일직선상에 위치하도록 설치되는 것이 바람직하나, 이에 국한될 필요는 없다. 이와 같이, 본 발명은 상기 발진기(100)와 수신기(200)는 진단 대상체(A)의 일측과 타측에 결합되어 진동주파수를 발진시키고 수신하도록 구성되어 있기 때문에 발진된 진동주파수가 진단 대상체(A)에 정상적으로 전파되었는지를 판단할 수 있어 진단신뢰도가 높고, 주변 현장의 다양한 소음 및 진동이 개입되지 않아 정밀한 고장 진단이 가능해진다. 상기 신호발생기(300)는 발진기(100)에 연결되어 상기 발진기(100)에 요구되는 진동주파수 대역 신호 및 전력을 제공한다. 상기 신호분석기(400)는 수신기(200)가 수신한 진동주파수 데이터를 스펙트럼 분석하여 공진주파수(f2)를 추출한다. 그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 추출된 공진주파수(f2)를 정상상태에서의 공진주파수(f1)와 대비하여 변화 여부를 분석 및 판단하거나, 도 3에 도시된 바와 같이, 공진주파수(f1)의 신호응답 크기(f3,f4)가 감소했는지의 여부를 분석 및 판단한다. 한편, 상기 신호발생기(300)와 발진기(100) 사이에는 전력증폭기(500)가 더 구비될 수 있다. 상기 전력증폭기(500)는 발진기(100)의 진동주파수가 미약하여 수신기(200)에서 진동주파수의 수신이 원활하게 이루어지지 않을 경우, 상기 발진기(100)에 충분한 전력을 공급하여 발진기(100)의 출력이 향상시켜 준다. 따라서, 발진기(100)의 진동주파수가 진단 대상체(A)의 타측단까지 원활하게 전달되고, 이 과정에서 상기 수신기(200) 및 신호분석기(400)가 결함부위 및 결함여부를 확실하게 감지할 수 있게 된다. 상기 신호발생기(300)와 신호분석기(400)는 일체로 형성될 수도 있다. 이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 진동 주파수를 이용한 고장 진단 장치를 통해 고장을 진단하는 방법을 설명한다. 먼저, 정상상태에서의 진단 대상체(A)의 공진주파수(f1)를 검출한다.(S1) 즉, 진단 대상체(A)의 일측단과 타측단에 각각 발진기(100)와 수신기(200)를 설치하고, 상기 발진기(100)에는 신호발생기(300)를 연결하고 상기 수신기(200)에는 신호분석기(400)를 연결한다. 그리고, 상기 발진기(100)는 진동주파수를 일정 대역 내에서 변화시키며 발진시킨다. 상기 수신기(200)는 진단 대상체(A)를 통해 전파되는 발진기(100)의 진동주파수를 수신하게 되고, 이를 통해 획득된 진동주파수 데이터를 신호분석기(400)로 출력한다. 신호분석기(400)는 수신기(200)로부터 입력되는 진동주파수 데이터를 스펙트럼 분석하여 최대주파수를 공진주파수(f1)로 검출한다. 이와 같이 정상상태에서의 진단 대상체(A)에 대한 공진주파수(f1)의 검출이 완료되면, 진단 대상체(A)에 대한 고장 진단이 가능해진다. 즉, 작업자가 진단 대상체(A)에 대한 고장 진단이 필요하다고 판단되면, 진단 대상체(A)의 일측단과 타측단에 각각 발진기(100)와 수신기(200)를 설치하고, 상기 발진기(100)에는 신호발생기(300)를 연결한 다음 상기 수신기(200)에는 신호분석기(400)를 연결한다.(S2) 그리고, 상기 발진기(100)를 작동시킨다.(S3) 이때, 상기 신호발생기(300)는 발진기(100)가 사전 검출한 정상상태에서의 진단 대상체(A)에 대한