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금속 가공은 18세기 후반 산업혁명 이후 본격적으로 시작되었다. 오랜 역사와 함께 공작기계 및 가공 기술은 기계 공학 학문 분야에서 가장 중요한 연구 분야중 하나로 자리 잡았다. 현대 산업에서 자동차 산업, 조선업, 항공 산업이 발전함에 따라 가공 기술역시 점점 발전해 왔다. 가공 시스템 및 가공기술은 성공적으로 상용화에 성공하였으며, 이제는 새로운 가공기술의 요구가 증대 되고 있다. 가공 성능을 악화 시키는 다양한 요인 중 가공 시 발생하는 진동은 가공 품질을 떨어뜨리는 주요 요인이다. 가공 중 발생하는 진동은 “채터링” 현상이라 불리 우는 현상을 만들어낸다. ...

금속 가공은 18세기 후반 산업혁명 이후 본격적으로 시작되었다. 오랜 역사와 함께 공작기계 및 가공 기술은 기계 공학 학문 분야에서 가장 중요한 연구 분야중 하나로 자리 잡았다. 현대 산업에서 자동차 산업, 조선업, 항공 산업이 발전함에 따라 가공 기술역시 점점 발전해 왔다. 가공 시스템 및 가공기술은 성공적으로 상용화에 성공하였으며, 이제는 새로운 가공기술의 요구가 증대 되고 있다. 가공 성능을 악화 시키는 다양한 요인 중 가공 시 발생하는 진동은 가공 품질을 떨어뜨리는 주요 요인이다. 가공 중 발생하는 진동은 “채터링” 현상이라 불리 우는 현상을 만들어낸다. 채터링 현상에는 다양한 종류가 존재하는데 그 중에서도 가공 품질에 치명적인 악영향을 끼치는 재생성 채터링 현상이 존재한다. 재생성 채터는 자려진동의 일종으로 1회전 전의 절삭에서 발생한 진동이 가공시편 표면에 남아서 그 진동이 현재의 절삭에 있어서 절삭 두께의 변동으로서 재생된다. 이로 인해 가공 시편에 물결 모양의 형태를 만들어 가공 품질에 치명적인 악영향을 미치게 된다. 채터링 현상은 공구의 수명 단축 및 가공 품질 저하와 같은 가공 성능을 악화시키기 때문에 채터링의 주요 원인인 가공 시에 발생하는 진동을 억제할 수 있는 기술이 필요하다. 일반적으로 채터링 현상을 회피하는 방법은 SLD(Stability lobe diagram)를 사용하여 채터링 현상을 피할 수 있다. SLD 지표는 절삭 깊이와 스핀들 회전 속도에 의거하여 생성되는 그래프로 절삭조건에 따라 채터링이 발생하는 영역과 발생하지 않는 영역으로 나누어 보여준다. 하지만 SLD지표 에 의존하여 채터링을 회피하기 위해 한없이 낮은 절삭 깊이를 고집하게 된다면, 이는 생산성 향상에 악영향을 끼치게 된다. 따라서 SLD 곡선이 아닌 다른 방법으로 진동을 피할 수 있는 연구가 필요하다. 따라서 본 논문에서는 기존에 사용하던 SLD를 이용하는 방식이 아닌 능동진동저감 장치를 제안한다. 능동진동저감 장치는 유연가이드 기구와 피에조 구동기, 변위센서로 구성되어있다. 피에조 구동기는 그 구조에 따라 다른 구동기에 비해 강한 힘을 가지고 있는 반면, 이송 거리가 짧다는 단점이 있다. 본 연구에서는 연구용 알루미늄 시편을 가공할 때 발생하는 진동을 제어하는 것을 목표로 하고 있다. 알루미늄 시편을 사용했을 시에 발생하는 진동이 최대 20um를 넘지 않아 상대적으로 큰 힘을 내며 짧은 스트로크를 가지고 있는 피에조 구동기를 사용하기에 적합하다. 가공시의 진동으로 인해 발생하는 주파수는 70Hz 대역이다. 따라서 100Hz 이하의 주파수를 제어하는 것이 목표로, 일반적으로 제어 주파수에 4배 이상에 해당하는 400Hz 이상의 유연기구 스테이지를 설계하는 것이 목표이다. 유연가이드 기구는 Leaf-Type 스프링 힌지로 구성되어 있으며, 본 논문에 능동 진동저감장치의 모델링을 제시하였다. 제시한 모델링을 토대로 사용하는 연구용 시편을 제어하기 위한 유연기구스테이지의 최적 설계가 이루어졌다. 최적 설계는 Matlab 의 Optimization ToolBox의 SQP(Sequential Quadratic Program) 알고리즘을 사용하여 이루어 졌으며, 최적 설계 결과 448.5Hz 의 1차 공진 주파수를 갖는 유연기구 스테이지를 설계 및 제작하였다.
능동진동저감장치의 제어 알고리즘은 위치 피드백을 받아 PID 알고리즘을 적용하였다. 가공시 발생하는 진동은 X, Y 축의 진동이 가장 지배적이다. 진동이 발생하게 되면 각 축에 설치된 변위 센서에서 진동을 측정하여 축별로 제어 알고리즘을 적용 시켰다. 결과적으로 능동 진동저감 장치를 적용함에 따라 가공시 발생하는 진동이 X축은 58% 감소 효과를 볼 수 있었으며, Y축은 63% 감소한 효과를 볼 수 있었다. 본 연구에서 개발한 능동진동저감장치를 통하여 가공 품질과 생산성을 향상시킬 수 있을 것이라 기대된다.