케이엠아이주식회사 - Trans Fare Load Tester

Author(s):
케이엠아이 주식회사 - 케이엠아이주식회사

Industry:
Automotive

Products:
PXI/CompactPCI, LabVIEW

The Challenge:
FFT 분석과 회전체의 Order Tracking과 Harmonic성분 분석을 함으로써 신뢰도를 높이고, Database를 사용하여 데이터의 관리도 용이하게 하기 위한 시스템을 개발하게 되었다.

The Solution:
변속기는 여러 베어링과 기어들의 조합으로 이루어진 회전체 시스템으로써 회전수(RPM)와 부하(Load)에 따라서 나타나는 특정 Peak Frequency와 Sound Power Level이 달라지게 된다. 이를 감시함으로써 이상이 있는 부품의 정확한 위치를 파악할 수 있게 되는 것이다.

1. 목적
본 프로젝트는 WIA㈜에서 생산하고 있는 현대자동차와 기아자동차의 변속기 시험장비로써 기존의 스탠드얼론 계측기의 한계를 극복하기 위한 소프트웨어 개발 및 시스템 통합을 목적으로 하고 있습니다.

2. 시스템 구성과 내용
WIA㈜는 변속기뿐만 아니라 공작기계, 랜딩기어와 같은 고급 정밀 제품을 생산하고 있음에도 불구하고 생산된 제품의 검사과정에서 하드웨어와 프로그램의 제약으로 인한 가, 불 판정이 명확하지 않아 합격으로 출시된 제품이 결함이 있어 다시 반품되는 사태가 발생하고, 결함이 있는 부분을 정확하게 지시하지 못해 어떤 부분에서 결함이 있는지 판별하기 어려움이 있었다. 이런 문제점들을 극복하기 위해 FFT 분석과 회전체의 Order Tracking과 Harmonic성분 분석을 함으로써 신뢰도를 높이고, Database를 사용하여 데이터의 관리도 용이하게 하기 위한 시스템을 개발하게 되었다.

Fig1. Tester Room

테스트는 무향실에서 실시하게 되며, 외부로부터의 소음을 어느 정도 감소 시켰다.

Fig2. 테스터 직전

① Process Flow Chart

Fig3. Process Flow Chart

기존 시스템의 Sequence를 어느 정도 유지 하고 분석에 초점을 맞추어 프로세스를 변경하였으며, 이를 위해서 PLC와 통신을 하게 되는데, PLC와의 통신Digital I/O 접점을 이용해서 Interrupt를 발생시키는 방식을 사용하였다.

② 시스템 개요

변속기는 여러 베어링과 기어들의 조합으로 이루어진 회전체 시스템으로써 회전수(RPM)와 부하(Load)에 따라서 나타나는 특정 Peak Frequency와 Sound Power Level이 틀려지게 된다. 이를 감시함으로써 이상이 있는 부품의 정확한 위치를 파악할 수 있게 되는 것이다. 변속기를 구성하는 부품들의 기초 정보는 다음과 같다.

⊙ Gear 정보(WIA㈜ 제공)

 

부품명	잇수
Viscous Gear(Gr1)	59(z1)
Helical Gear(Gr2)	28(z2)
Hypoid Gear(Gr3)	38(z3)
Pinion Gear(Gr4)	21(z4)

• Gear 맞물림 고유 주파수

1. Gr1 & Gr2 = Input RPM * z1 / 60
2. Gr3 & Gr4 = Input RPM * (z1 / z2) * z3 / 60

⊙ Bearing 정보(WIA㈜ 제공)

 

부품명	# Ball(Roll)	Pitch Dia.	Contact Angle	Ball(Roll) Dia.
Drive Shaft Br(FAG)	11	43	0	7.144
V. Coupling R	29	72.25	14.55	6.43
V. Coupling L(Koyo)	31	67.296	11.65	5.216
V. Coupling L(NSK)	27
Helical Gear Br	22	54.206	13.08	6.477
Pinion Gear Br(In)	20	57.257	14.97	8.316
Pinion Gear Br(Out)	18	47.096	20.02	7.666
Drive Shaft Br(SKF)	11	42.5	0	7.144

• Bearing 고유 주파수
1. BPFO (Ball Pass Frequency, Outer)

2. BPFI (Ball Pass Frequency, Inner)

3. FTF (Fundamental Train Frequency)

4. BSF (Ball Spin Frequency)

※ f: Input RPM / 60
Nb: Ball(Roll) 개수
Bd: Ball(Roll) 지름
Pd: Pitch Diameter
: Contact Angle

회전체의 특성상 발생할 수 있는 Harmonic 성분을 7차수까지 Order Tracking함으로써 Gear와 Bearing의 이상 위치를 어느 정도 파악할 수 있게 하였다. 한 달 가량 데이터를 검출하여 분석한 결과 오차 범위 3% 이내로써 신뢰도를 확보함.

③ 시스템 구성

목 적	사 용 제 품
OS	Windows2000 Server
Database	MS SQL Server2000(Standard)
Programming Language	LabVIEW
Dynamic Signal Acquisition.	NI 4472(PCI)
Motor Speed Control	NI 6703(PCI)
Process Automation	PCI-DIO-32HS
RPM, Load Acquisition	NI 6023(PCI)

구축환경은 Windows2000 Server에 DBMS는 MS SQL Server2000에서 구축하였으며, Sound 취득을 위해 Onosokki사의 Microphone을 사용하여 NI 4472에서 Data를 취득하였다. Input Motor와 Output Motor를 제어하기 위해 NI 6703 Analog Output Board를 사용하였고, Actual RPM과 Load를 취득하기 위해 NI 6023을 사용하였다. 자동화를 위해선 PCI-DIO-32HS 2장을 사용하여 무인 시스템을 구성하였다. 아래는 Main Tester화면이다. Sound Tester화면은 LabVIEW로 구성하였으며, 자동화 시스템에 동기 되어 작동되고, Order Tracking, FFT Analyze, Actual Input/Output RPM, Load, Overall등을 지시하며 FFT분석에서 1차에서 3차까지 Peak값을 Display해서 결함을 추적하게 구성되어 있다.

현재 많은 공정에 Stand Alone 계측 장비가 사용 되고 있지만, 그것의 한계점은 확장성의 결여와 기능의 한계인 것 같다. 본 프로젝트는 그런 단점들을 극복하고 유연성이 좋고, 기능의 한계를 뛰어 넘기 위한 좋은 실례가 되는 것 같다.

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