Captronic Systems - 항공기 기어박스 테스트 시스템

Author(s):
Anu Kalidas M, Mondeep Duarah 설계 및 개발부 팀장, 수석 매니저 - Captronic Systems

Industry:
Aerospace/Avionics

Products:
Data Acquisition, LabVIEW, PXI/CompactPCI, SCXI

The Challenge:
열전쌍, RTD, 압력 센서, 유량 센서, 로드 셀, 속도 센서, 진동 센서 등 다양한 유형의 센서에서 데이터를 수집하고 기어박스의 로딩 패턴을 제어할 수 있는 통합 시스템을 개발한다.

The Solution:
PXI 기반 DAQ와 SCXI 시그널 컨디셔닝 모듈, 그리고 LabVIEW를 이용해 확장 가능하면서 매우 유연한 테스트 시스템 구현, 전체 개발 12주 소요

도입
항공기 엔진 부품을 전문적으로 개발하는 당사의 고객은 엔진 기어박스용 테스트 시스템을 생성하고자 했습니다. 기어박스는 엔진 전력을 회전 날개 및 항공기의 다른 전력 출력에 분배하는 데 중요한 역할을 합니다. 따라서 실제 엔진과 통합하기 전에 기어박스는 진동 및 내구성 테스트를 포함한 엄격한 테스트를 통과해야 합니다.

고객이 원하는 테스트 시스템은 다음과 같습니다.
• 열전쌍, RTD, 압력, 플로우, 로드 셀, 와전류(Eddy Current) 속도 프로브 및 가속도계와 같은 광범위한 센서에 대해 시그널 컨디셔닝 지원
• 수집된 데이터에 온라인 및 사후 처리 수행
• 테스트를 원격으로 모니터링 및 제어하는 기능 지원
• 미래 확장을 지원하는 소프트웨어 및 하드웨어 아키텍처 제공

이는 다음 기능을 지원하는 플랫폼을 사용해야 함을 의미합니다.
• 다른 신호 유형 처리가 가능하고 구성, 재구성 수리 및 업그레이드가 쉬운 모듈형 아키텍처
• 다양한 측정 모듈 간에 향상된 통합을 위한 효율적인 타이밍 및 동기화
• 약 200개의 채널의 데이터를 처리하는 높은 처리 능력 및 대역폭
• 테스트 장비의 혹독한 환경을 견디고 신호 무결성을 유지할 수 있는 견고한 아키텍처
• 리얼타임 운영 체제와GUI 기반 운영 체제 모두 지원

당사는 개방형 산업 표준 PXI 아키텍처에 기반한 테스트 시스템을 구축하기로 결정했습니다. PXI는 견고한 모듈형 Euro 카드 아키텍처로 높은 처리 능력을 제공했습니다. 당사는 NI SCXI 플랫폼이 제공하는 광범위한 신호 연결성을 사용해 센서를 연결하였습니다.

어플리케이션
내구성 테스트는 기어박스의 피로 수명을 보여주고 다양한 고장 모드 테스트를 사용하여 기어박스의 신뢰성을 표시합니다. 테스트 장비에는 가변 속도 생성이 가능한 승압(Step Up) 기어박스에 결합된 강력한 전기 모터가 포함되어 엔진 기어박스를 구동합니다. 기어박스의 일부 전력 출력은 직접 다이나모미터에 연결하고 다른 전력 출력은 중간 기어박스를 사용하여 다이나모미터에 결합합니다. 다이나모미터는 각 전력 출력에 따라 로드를 달리하는 데 사용되며 이는 다이나모미터로 향하는 물(액체)의 흐름 제어를 통해 가능합니다. 기어박스에 장착된 가속도계는 테스트 중에 가속도계 진동을 표시합니다. 센서에서 수집한 진동 신호가 분석됩니다. 고속 회전 기계 부품 및 오일 미스트가 있기 때문에 당사 고객은 약 20미터 떨어져 위치한 스테이션에서 제어할 수 있는 시스템을 선호했습니다.

시스템 설계
테스트 셋업 및 온라인 처리에 필요한 원격 제어 옵션과 진동 신호에 대한 높은 데이터 속도 요구사항을 고려하여 당사는 테스트 시스템을 두 부분으로 구분했습니다. ① 열전쌍, RTD, 압력, 플로우 및 로드 셀을 수집하는 리얼타>임 기반 PXI 시스템과 ② 기어박스에서 진동 신호를 수집 및 처리하는 윈도우 기반 PXI 시스템입니다.

그림1. 테스트 시스템 회로도

리얼타임 기반 PXI 시스템은 클라이언트 서버 모델에 구축되었습니다. 서버 프로그램이 PXI-8186 리얼타임 컨트롤러에서 실행되는 동안 클라이언트 프로그램은 IBM 노트북용 PC에서 실행됩니다. SCXI-1125 절연 입력 모듈을 사용하여 열전쌍 신호를 수집하며 SCXI-1102B를 사용하여 압력과 플로우 신호를 측정했습니다. DC 전압이 필요한 로드 셀은 여기(Excitation)와 필터링 모두를 지원하는 SCXI-1520을 사용하여 컨디셔닝 했습니다. PXI-6052E 카드를 사용하여 이 모든 SCXI 모듈의 데이터를 수집했습니다. 와전류 프로브의 속도 신호를 Zero Crossing Detector에 통과시켜 TTL 레벨로 변환한 다음 PXI-6602 카운터 카드를 사용하여 측정했습니다.

전류 제어 밸브를 통해 다이나모미터로 향하는 물의 흐름을 제어했습니다. PXI-6704 아날로그 출력 카드로 이 밸브를 작동했습니다. 오퍼레이터가 제어 스테이션에서 전위계 손잡이로 이 밸브의 등율 개방(Percentage Opening)을 선택하면, PXI-6025E 카드로 수집된 동등한 전압 신호가 생성됩니다. 수집된 전압 밸브를 기반으로 서버 프로그램은 PXI-6704를 통해 생성될 전류량을 계산합니다. PXI-6527 디지털 출력은 각 하위 시스템의 준비 명령을 생성하는데 사용되었습니다.

진동 신호의 수집 및 처리에 사용되는 윈도우 기반 PXI 시스템에는 PXI-8186 Pentium 4M 임베디드 컨트롤러에서 실행되는 테스트 프로그램이 있으며 PXI-4472 DSA 디바이스를 사용하여 진동 신호를 수집했습니다. 윈도우는 물론 리얼타임 시스템은 이더넷 스위치를 통해 상호 연결되었습니다.

그림 2. 채널 구성 유틸리티

소프트웨어 구현
리얼타임 컨트롤러에서 실행되는 서버 프로그램은 노트북용 PC에서 실행되는 클라이언트 프로그램의 요청을 실행합니다. 데이터 수집 및 제어는 클라이언트 소프트웨어의 특정 요청에 기반한 서버 코드에 의해 수행되었습니다. 테스트 소프트웨어에는 채널 구성, 교정, 공학 단위 구성, FTP를 통한 리얼타임에서 노트북용 PC으로의 데이터 전송, 저장된 데이터의 오프라인 디스플레이 및 보고서 생성을 위한 모듈이 포함되었습니다.

그림3. 테스트 스크린

윈도우 기반 PXI 시스템에서 실행되는 진동 분석기 소프트웨어는 다중 DSA 디바이스의 데이터 수집을 지원했습니다. 고속 RTSI 라인을 사용하여 다중 카드의 데이터 수집을 동기화했습니다. 이 소프트웨어를 통해 사용자는 수집된 데이터에서 온라인 FFT, RMS 및 차수 추적을 할 수 있었습니다. 또한 사용자는 저장된 데이터에서 STFT를 포함한 오프라인 분석도 할 수 있었습니다.

이 시스템에서 수집된 진동 데이터는 TCP/IP를 통해 리얼타임 시스템의 클라이언트 노트북용 PC으로 전송되었습니다. 이로써 사용자는 내구성 실행 동안 진동의 영향을 비교할 수 있습니다.

NI DAQmx와 함께 LabVIEW는 테스트 소프트웨어 개발을 위한 완벽한 선택이라는 것이 입증되었습니다. 광범위한 센서에서 데이터를 수집해야 했지만, NI DAQ 드라이버와 함께 사용한 하드웨어를 통해 이 모든 데이터를 쉽게 결합할 수 있었습니다. LabVIEW Real-Time Module을 통해 일반적으로 OS가 포함되는 시스템 레벨 프로그래밍 패러다임을 사용하지 않고도 리얼타임 프로그램을 생성할 수 있었습니다. 또한 LabVIEW Sound and Vibration Toolkit, LabVIEW Order Analysis Toolkit, LabVIEW Internet Developers Toolkit 및 LabVIEW Report Generation Toolkit과 같은 툴킷으로 개발 시간을 크게 단축할 수 있었습니다. LabVIEW가 지원하는 탁월한 GUI 기능은 사용자 친화적인 HMI를 생성하는데 유용했습니다.

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점
당사는 고객이 UUT를 효율적으로 테스트하고 다양한 종류의 기어박스에 맞게 UUT를 유연하게 구성할 수 있는 테스트 시스템을 설계하여 개발했습니다. NI LabVIEW 개발 환경 및 PXI-SCXI 아키텍처로 확장된 모듈성은 유연하면서도 신뢰할 수 있는 솔루션을 제공하도록 해주었습니다. 끝으로, 분석된 테스트 보고서는 테스트가 완료된 지 수 분 내로 준비되므로 고객은 보고서 대조, 분석 및 준비에 드는 시간을 몇 일 정도 단축할 수 있습니다.

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Anu Kalidas M, Mondeep Duarah 설계 및 개발부 팀장, 수석 매니저
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