프레스 제조업체는 커져가는 현대의 기술 및 비용 압박에 직면하고 있습니다. 다시 말해, 많은 고객들이 더 신속하고 더욱 정밀한 프레스를 요구하고 있습니다. 시험 및 계측 장비의 활용이 프레스 개선의 비결입니다. 극도의 공간 절감 및 고도로 정확한 힘의 추돌 계측 방법 등 정밀한 힘 계측과 지능적 계측 전자 장치의 표적 사용은 아주 중요합니다.  왜냐하면 이를 통해 기존 디자인을 수월하고 비용 효과적으로 전환하고 업그레이드 시킬 수 있기 때문입니다.

프레스에서 힘을 더욱 정밀하게 적용할수록 금형 부품의 품질은 더욱 높아집니다. 프레스 및 프레스 장치 제조업체의 가장 중요한 과제 중 하나가 프레스의 정확성을 증가시키는 것입니다. 또한 시장은 점차 더욱 신속하고 동시에 보다 높은 대역폭을 제공하여 기존 시스템에서 생산 산출량을 증가시킬 수 있는 프레스를 요구하고 있습니다. 현대적이고 지능적인 시험 및 계측 솔루션으로 더욱 빠르고, 더욱 개선되고, 더욱 효율적인 기계 생산이 가능합니다.

시험 및 계측 장비 사용을 위한 주 요인은 다음과 같습니다.

  • 믿을 수 있고 정밀한 프레스 힘 계측
  • 산업 이더넷 표준에 신속하고 용이하게 접속을 할 수 있는 지능적인 계측 전자 장치 사용 
  • 결합 고정 모니터링을 제어하기 위한 전문적인 계측 소프트웨어

오늘날 다양하게 설계된 프레스가 없다면 더 이상 생산도 없습니다. 프레스 응용 분야를 보면 차량 부품이나 원자재용 조립, 또는 자동차 산업의 대형 금속 부품에 사용될 뿐만 아니라 주화에도 사용됩니다.


프레스의 사용 크기와 조건은 다양할 수 있습니다. 하지만 프레스가 발휘하는 힘, 스트로크의 수, 그리고 프레스 과정 중에 제조된 제품의 품질 모두가 모든 프레스의 주요 특성 값을 나타냅니다.


전자 프레스 제어 시스템은 현대 프레스 기계의 기계 매개변수를 수집 및 감시하며 동시에, 불량품을 식별하여 불합격 처리를 하고, 또한 생산 및 정지 시간을 기록합니다. 즉, 모든 공정의 효율성을 보여주는 중요한 표시기입니다.

믿을 수 있는 프레스 힘 계측

일반적으로, 힘 또는 변위 계측은 프레스 작업 모니터링에 사용되며, 힘 모니터링에 사용 가능한 방법에는 두 가지가 있습니다.

  • 프레스 툴 힘의 흐름에서 직접적인 힘 계측 방법
  • 스트레인 트랜스듀서를 사용하는 등 힘 추돌 계측 방법

위의 두 경우, 센서로 믿을 수 있고 신속하게 프레스 힘을 기록한 후 이를 적절한 앰프 전자 장치를 이용해 프레스 제어 시스템으로 전송해야 합니다. 센서와 앰프는 견고성과 운용 신뢰성 면에서 특히 높은 요건을 만족해야 합니다. 기존의 기계 컨셉과의 용이한 장착 및 부품 통합은 시험 및 계측 장비를 선택할 때 고려해야 할 중요한 요인입니다.


두 가지 힘 계측 방법에는 특정한 장점 및 단점이 있습니다. 일반적으로, 힘의 흐름에서 직접 힘을 계측할 때 명심해야 할 것은 힘 트랜스듀서는 툴의 중요한 부분이며 그 특성에 상당한 영향을 미친다는 점입니다. 특히, 힘이 상당할 경우, 힘 트랜스듀서의 공칭(정격)힘은 충분히 높아야 합니다. 그런 센서는 아주 무겁고 또한 비쌉니다. HBM의 힘 트랜스듀서의 장점은 공장에서 보정되기 때문에 그것을 사용하는 시스템에서 따로 보정이 필요가 없다는 점입니다. 조립 후 직접 힘(N)을 결정할 수 있습니다.

U5플랜지형 힘 트랜스듀서. 힘 트랜스듀서의 오버헤드 장착이 가능하고, 플랜지 덕분에 특히 사용자 친화적입니다. 최대 500 kN 공칭(정격) 힘을 사용할 수 있으며, 인장력 및 압축력 계측이 가능합니다.

다음의 운용 원리에 기반한 스트레인 트랜스듀서를 대체물로 사용 가능합니다. 모든 프레스는 프레스 작업 중에 기계적으로 응력을 받는 구조물을 사용합니다. 이로 인해 미미한, 눈에 보이지 않는 변형이 야기됩니다. 스트레인 트랜스듀서 중 HBM의 SLB700A는 결국 프레스 힘에 비례하게 되는 이 변형을 계측합니다. 이 방법의 장점은 압착력에 상관없이 동일한 센서 사용이 가능하다는 것입니다. 스트레인 트랜스듀서를 사용한 계측은 특히 고성능 프레스에 비용 효율적인 대안입니다. 이 방법을 사용하면서 보정된 힘 트랜스듀서를 사용하여 힘을 계측하면 정확성을 얻을 수 없습니다. 하지만. HBM의 스트레인 센서는 프레스 응용에 대한 정규적인 정확성 요건을 쉽게 만족합니다. 그리고 출력 신호와 적용된 힘의 관계를 결정하려면 어떤 경우든 보정이 필요합니다.

스트레인게이지 또는 압전기 기술: 어떤 계측 원리가 더 적합할까요?

CST/300 압전기 스트레인 트랜스듀서. 장착에 한 개의 나사만 필요합니다. 전형적인 스트레인 민감도는 50 pC/µm/m.

HBM은 압전기 스트레인 트랜스듀서(CST/300)와 스트레인 게이지 기반의 트랜스듀서(SLB700A) 모두를 제공합니다. 두 가지 센서 유형이 대부분의 경우에 사용될 수 있습니다. 압전기 센서의 장점인 소형 및 고감도는 극히 소량의 스트레인 계측에 사용될 수 있으며, 아주 딱딱한 물체에 이상적입니다. 또한 한 개의 나사로 센서를 장착할 수 있습니다.

스트레인 게이지(SG) 기술 기반의 스트레인 트랜스듀서는 또한 통합 앰프 전자 장치와 사용 가능합니다. 특히 비용 효과적인 솔루션이 필요할 경우 이런 설정이 우선적인 선택 사항입니다. SG 센서에는 드리프트가 없어 모니터링 작업이 용이하며, 이 센서를 통해 프레스에서 스트레인의 항구적인 변화를 모니터링 할 수 있습니다. 스마트한 배선을 통해 굽힘 모멘트를 보상할 수 있어 아주 쉽게 계측의 정확성을 개선할 수 있습니다.

스트레인 트랜스듀서를 사용하여 굽힘 모멘트 보상

부품이 대칭 구조인 경우, 스트레인 게이지 기반의 스트레인 트랜스듀서를 사용하여 포텐셜 굽힘 모멘트를 쉽게 보상할 수 있습니다. 이를 위해서는 두 개의 센서를 동일한 높이에, 하지만 서로 반대로 설치해야 합니다. 굽힘으로 인해 한 개의 센서에는 양의 스트레인이, 다른 하나에는 음의 스트레인이 야기됩니다. 센서를 병렬로 연결할 경우, 전체 출력 신호는 “영(0)”입니다. 두 개의 센서를 동일한 방향으로 로딩한 모든 스트레인의 계측이 쉽게 이뤄집니다. 프레스 응용에서는, 이를 통해 인장/압축 스트레인 계측만 보장됩니다.  


센서의 기술적 필요조건은 낮은 높이 구성과 균일한 민감도입니다. 이런 이유로, HBM의 스트레인 센서는 특별한 절차를 통해 하나의 균일한 민감성을 갖도록 조절됩니다. 뿐만 아니라, 병렬 연결의 필수 조건인 출력 저항의 균형이 이뤄지게 됩니다. 700옴 브릿지 저항을 선정하면 감소하는 전체 저항의 결과로 발생하는 브릿지 앰프의 과부하를 방지할 수 있습니다. 4개의 센서가 병렬로 연결되어도 저항값은 175옴입니다. 현대적인 앰프는 단일 힘 또는 스트레인 트랜스듀서 및 병렬로 연결된 센서의 힘 또는 스트레인 신호를 계측하고 처리할 수 있습니다.

대칭적 부품에 설치된 스트레인 게이지. 굽힘으로 인해 스트레인 절대 값은 동일하지만 부호가 다른 두 개의 SLB700이 로드 됩니다. 이로 인해 전기적으로 병렬로 연결될 때 출력 신호가 없습니다. 굽힘은 계측에서 보상되며 오직 인장 또는 압축 스트레인이 그 결과에 포함됩니다.

상기에 이미 언급했듯이, 스트레인 트랜스듀서를 보정해야만 힘이 유도될 수 있습니다.


보정 절차에서 힘은 최소한 두 개의 로드 단계에서 계측되어야 합니다. 즉, 힘이 영(0)인 경우와 최대인 경우입니다. 최대 힘에서 반드시 계측해야 하는 것은 아닙니다. 특히, 정확성 요건이 낮은 경우, 해당 힘의 1/2에서 측쇄(measuring chain) 보정이 가능합니다.


그 과정은 다음과 같습니다.

  • 이 영(0)일 때 스트레인 트랜스듀서의 출력 신호 계측. 앰프를 설치하여 스케일링을 방지해야 합니다. 즉, 출력 신호가 mV/V로 표시됩니다.
  • 보정용으로 사용되는 힘에서 출력 신호 계측. 이 경우에도, 계측은 mV/V로

 

이제 계측 체인의 민감도 계산이 용이해집니다.

S = (측정력에서 출력 – 영(0)에서 출력) / (측정력- 영(0)에서 힘)

압전기 센서를 사용한 경우 pC/N값으로 주어집니다. SG기반의 스트레인 트랜스듀서에도 동일하게 적용되지만 값은 mV/V/N로 명시됩니다.


다수의 경우, 특정 스트레인에서 민감도는 SG계측 기술에서 계기의 스케일링 값으로 받아들여져 왔습니다. 이 경우, 공칭(정격) 힘에서 센서의 출력 신호만 알면 됩니다. 여러분은 사용하고 있는 장치에 힘과 출력 신호 값을 직접 입력할 수 있습니다. 다수의 계기에서 하나의 표에 할당될 수 있는 상기 명시된 4개의 값만을 요하는 설정이 가능합니다

힘 = 0 N       신호 = xy mV/V

힘 = 측정력   신호  = AB mV/V

그리고 나면 앰프는 그 설정을 수행합니다. 그 후 스케일링을 수행합니다. 이 “테크 인(Teach-In)” 과정은 자동 보정이 가능한 현대적인 앰프에서 수행됩니다.

아래는 중요한 팁에 관한 것입니다

  • 항상 검증 과정을 권고합니다. 즉, 시스템을 다시 로드해 화면 표시값을 비교해야 합니다.
  • 보정 절차 전에 최대 로드로 시스템을 세 번 로드해 센서의 설정을 확인해야 합니다.
  • 최적의 정확성을 위한 이상적인 방법은 차후 계측시에도 동일한 힘에서 정확하게 계측하는 것입니다. 

계측 데이터를 처리를 하는 통합 전자 장치 또는 스마트한 앰프는?

SLB700A/06VA 스트레인 트랜스듀서. 센서는 열적으로 보정됐고 그것의 높은 입력 저항, 민감도 및 안정된 출력 저항기 때문에 병렬 연결에 이상적입니다.

통합 전자 장치가 있는 스트레인 트랜스듀서는 기본적인 프레스 모니터링 작업용으로 이용 가능합니다. 매우 높은 대역폭에서 전류(4 … 20 mA), 또는 전압(0 … 10 V) 출력 신호를 제공하기 때문입니다. 여기 다운스트림 프레스 제어 시스템은 신호 조정 및 계측 신호 처리를 인계 받아야 합니다. 이것은 실제 프레스 제어 기능 외의 추가적인 작업입니다.


상기 서술한 접근법에 따라 증폭을 조절합니다. 먼저, 힘이 영(0)점일 때 계측을 하고 다음 최대일 때 다시 합니다. 이 두 개의 힘으로 SLB제어 입력에 어떤 전압을 적용할 수 있습니다. 증폭은 힘이 영(0)일 때 1V, 최대일 때는 9V로 자동적으로 조절됩니다. 영점 이하나 “테크 인” 최대 힘 이상의 힘을 계측할 수 있도록 1~ 9V 출력 신호 간의 스케일링을 권고합니다. 출력 시간이 0 ~ 10V 사이면, 센서는 계측 범위의 10% 버퍼를 가집니다.


통합 전자 장치가 있는 전통 센서와 반대로, 이 앰프는 기계의 스트레인에 상관없이 출력에서 항상 최대 범위가 가능하도록 합니다. 다음 단계의 낮은 분해도와 함께, 이것은 과소평가되지 말아야 할 장점입니다.


“테크 인”은 제어 펄스를 통해 시작되기 때문에 자동화될 수 있습니다. 이것과 상관없이, 계측 포인트를 영(0)으로 설정할 수 있습니다. 앰프 환경 설정은 정전 이후에도 지속적으로 이용 가능합니다.

증가하고 있는 현대적인 프레스 모니터링 시스템에 대한 요구

프레스 작동자의 요건은 지나 몇 년 동안 지속적으로 더욱 엄격해지고 있습니다. 비용 감소 외에, 품질 강화와 출력 증가율에도 집중해야 합니다. 한편, 사용 기한을 연장시키고 유지 보수 간격을 최소화해야 합니다. 이 요건을 만족시키는 유일한 방법은 현대적인 힘 및 변위 또는 회전각 앰프를 사용하는 것입니다.

 
이 앰프의 특징은 관련 표준 요건을 휠씬 넘어서는 극단적인 잡음 여유도 입니다. 게다가, 이 앰프는 계측 데이터 선 처리도 제공합니다. 즉, 다운스트림 프레스 제어 시스템 상의 스트레인 완화, 시스템에 대한 신뢰성 강화, 및 정지 시간 최소화입니다. 앰프는 범용입니다. 프레스의 크기와 계측 센서의 번호와 유형에 따라, 계기에 계측 모듈의 적절한 번호를 달 수 있습니다. 또한, 앰프에 유연하게 신호 출력 카드를 달 수도 있습니다. 투자 비용은 상당히 줄어 들고 고장 발생 시 교환도 아주 수월해 집니다. PMX 산업 앰프는 이 요건을 완벽하게 만족시키는 앰프 시스템입니다.

잡음 여유도 증가는 믿을 수 있는 계측 값을 제공합니다.

캐리어 주파수 계측 앰프의 신호는 조직적으로 간섭을 감춥니다.

앰프를 “업그레이드”하여 변하는 프레스 모니터링 요건을 만족시킬 수 있습니다. 가장 간단한 경우, 제일 믿을 수 있는 PX455 캐리어-주파수 앰프 모듈을 사용하여 힘과 스트레인을 얻습니다. 캐리어 주파수를 계측하는 동안, 그 계측 신호를 19.2 kHz에서 샘플로 뽑아 캐리어 주파수로 변조한 후 증폭시켜 차후 복조(復調)합니다. 이 방법으로 2 kHz 계측 대역폭을 얻을 수 있으며 동시에 전기 잡음과 대형 전기 모터 또는 주파수 컨버터에 의한 간섭 같은 소음 신호의 전송을 방지합니다. 이것은 기계의 사용 기한을 상당히 증가시킵니다.

얼마나 많은 지능이 필요합니까?

계측 채널 당 19.2 kHz 샘플링 속도를 제공하는PMX 앰프의 내부 계산 채널은 프레스에서 오는 모든 계측 신호가 신속히 수집 및 처리되도록 합니다. 샘플링 속도가 높아 최대 50 µ/s까지 신뢰할 수 있는 힘의 피크값을 얻을 수 있습니다. 이 피크값은 품질 보증과 프레스 제어용으로 사용됩니다. 내부 계산 채널을 통해 다단 프레스에서 전체 및 차동 힘을 실시간으로 얻을 수 있습니다. 차례로 이것으로 기계 제어 시스템이 다이 쿠션이나 프레스의 상태와 품질을 각각 모니터링 할 수 있습니다.

예방 프레스 진단

프레스 힘 피크값 획득뿐만 아니라 경보 범위를 모니터링 할 수 있습니다. 이것으로 프레스의 힘이 공차 범위 밖으로 이동하고 있는지 아니면 이미 기계의 손상을 막기 위해 시스템을 정지해야 하는 수준에 도달했는지 미리 감지할 수 있습니다. PMX에서 계산된 모든 신호처럼, 이 값들은 역시 실시간으로 결정됩니다. 즉, 50 마이크로초 마다 결정됩니다. 이것은 신속한 비상 정지 확인에 필수 조건입니다. 하지만 더 나은 예방 프레스 진단 방법이 있습니다. 가속 센서를 설치하여 프레스의 진동을 계측하는 것입니다. 진동은 기계 부품의 베어링 간극에 의해 발생하며, 명시된 범위 내에서 허용됩니다. 진동이 과도하게 높은 경우에만 베어링 손상을 표시하고 감지할 수 있습니다. 다시 말해, PMX 앰프는 상대적으로 신속한 앰플 모듈을 가지고 있어서 분석 및 극한값 감지용으로 사용합니다. 프레스나 냉각 시스템의 온도값을 얻기 위해서도 동일하게 적용됩니다.


HBM은 품질 데이터를 얻기 위해 캣맨 (catman) 소프트웨어를 제공합니다. PMX에는 윈도우 PC에 접속하기 위해 이더넷 시스템 인터페이스가 장착되어 있습니다. 이것을 사용해 모든 계측과 기계 신호를 기록합니다. 이 기록들은 보관소에 저장되어 백업으로 사용됩니다. 가시화 툴은 이미 설정 시에 이미 설정된 프레스 신호를 표시하고 분석하기 위해 다양하고 상세한 옵션을 제공합니다. 그 소프트웨어는 또한 오류가 발생한 후 계측을 시작하고 저장하기 위해 계측 트리거 설정 기능을 제공합니다.

어떤 자동화 형태를 선정할 수 있습니까?

모든 신호는 PMX 계산 커널에서 실시간으로 이용 가능합니다. 거기에서, 수치들은 PX787출력 모듈의 +/- 10 V 전압 출력을 통해 프레스 제어 시스템으로 비슷하게 출력될 수 있습니다. PX878 출력 모듈은 또한 1000분의 1초 내로 극한값 신호를 보내고 전송할 수 있는 신속한 디지털 출력을 가집니다. 하지만 현대적인 프레스 제어 시스템은 종종 프로그램 가능 논리 제어 장치(PLC)의 특징을 가지는데, 여기서, 신호들은 표준화된 필드버스를 통해 전송되며, 두 가지 주요 이점을 가집니다. 


하나의 버스 케이블이 필요한데, 이것은 배선 노력을 상당히 줄여 줍니다. 계측 신호뿐만 아니라 진단 데이터를 앰프에서 제어 시스템으로 전송할 수 있어서 신속하고 예기성 기계 모니터링이 가능합니다. PMX 앰프의 또 다른 이점은 최대 1000의 매개변수 설정을 내부에 저장하여 필요할 경우 로딩할 수 있습니다. 이것을 통해 사실상 시간 손실 없이 새로운 작업에 프레스를 적응시킬 수 있습니다.

지능적 서비스 및 유지보수에 대한 개념

PMX의 특징은 진단 및 유지보수 제어에 대한 복수 메커니즘입니다. 먼저, 모든 센서 신호와 계기의 내부 부품은 영구적으로 그 타당성에 대한 확인 작업을 거칩니다. 이것으로 불량 센서, 케이블 파손 또는 프레스 제어 시스템의 불량 장치에 대한 직접적인 신호전달이 가능합니다. PMX의 극한값 및 공차 범위를 설정하여 기계가 손상되거나 고장 나기 전에 이미 한 트렌드로부터의 편차를 식별하고 보고할 수 있습니다. 고장이 날 경우, PMX의 작동 여부(라이브 비트)를 감지하여 신속한 문제 해결이 가능합니다. 이는 PMX가 힘의 신호를 아날로그 출력을 통해 동시적으로 보여줌을 의미하기도 하며, 현장 프레스 서비스 기술자가 요청 받은 대로 신호가 이용 가능한지 결정하기 위해 손쉽게 계측 계기를 사용할 수 있게 합니다. 또한 이것은 제어 시스템의 추가적 오류 한계를 허용합니다. 


하지만, PMX는 지능적인 유지보수를 위해 더 많은 메커니즘을 제공합니다. 내부 웹 서버를 통한 계기의 매개변수화 및 가시화뿐만 아니라 전송용으로 표준 이더넷 TCP-IP 프로토콜을 사용하기 때문에 기계나 회사 네트워크를 통해 화면 표시를 위한 데이터 전송이 가능합니다. 방화벽과 SNMP 프로토콜을 통한 서비스 접근 같은 안전 조치를 이용할 수 있다면, PMX에 전달되는 진단이 글로벌 원격 유지보수 형태로 가능할 수도 있습니다. PMX의 3-레벨 사용자 관리는 모든 사용자들이 데이터 작업만 할 수 있고 그것과 관련된 설정을 만들 수 있게 보장합니다. 따라서, 시스템 운용자는 본사의 고비용 서비스 배치가 필요한지 아니면 현장 서비스 기술자가 그 문제를 해결할 수 있는지를 결정할 수 있습니다

Clear and concise display of measured values from all channels. Production errors are displayed immediately.

기존 공장에 프레스 제어 시스템을 새로 장착할 수 있습니까?

일반적으로, 모든 프레스는 HBM에서 현대적인 모니터링 시스템으로 개조 할 수 있습니다. 업그레이드 및 개조하는 것은 어려운 경제 상황의 시대에, 특히 의미가 있습니다. 생산된 제품의 품질 향상뿐만 아니라, 실질적으로 프레스 서비스 기간을 연장시킵니다. HBM은 FEM 분석을 사용하여 계측하는 힘이나 변형 트랜스 듀서의 설치를 위한 최적의 위치를 가능하게하는 기술적인 노하우를 제공합니다. HBM의 서비스 엔지니어는 스트레인 게이지를 설치하거나 완전한 변형 트랜스 듀서를 장착 숙련 된 전문가들입니다. HBM은 필드 버스 연결과 문서를 통해 전기 통합에 이르기까지 프로젝트 준비 및 관리를 처리 할 수 ​​있습니다. 계측체인은 교정하거나 나중에 다시 교정해야 합니다. HBM의 서비스 엔지니어는 현장에서 교정을 수행하고 문서를 제공 할 준비가되어 있습니다.

결론

시험 및 계측 장비에 기반한 현대의 모니터링 시스템을 통합하는 것이 프레스의 정확성과 대역폭을 증가시키는 비결입니다. 정밀하게 프레스 힘을 계측하는 것은 아주 중요한 일입니다. 가령, 힘의 흐름에 직접 설치한 힘 트랜스듀서나 간접적인 힘 추돌 계측용인 스트레인 트랜스듀서를 들 수 있습니다.

일반 산업 이더넷 표준과 기계 제어 시스템에 수월하고 편리한 접속을 보장하는 최첨단 계측 앰프 시스템 이용이 현대의 프레스 모니터링 시스템을 위한 또 다른 주요 요인입니다. HBM은 센서와 프레스 모니터링에 사용되는 전자 장치 모두를 위한 솔루션을 제공합니다. 세계적인 선진 제조업체들이 그들 프레스의 성능과 운용 준비도를 강화하기 위해 HBM의 시험과 계측 장비를 신뢰하고 있습니다

The authors:
Michael Guckes / Thomas Kleckers

Process monitoring with conventional measuring amplifier, high rejection rate due to measuring inaccuracies
Increased efficiency with PMX, optimum yield with precise measurement results

Strain transducers from HBM

Industrial amplifier PMX

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