[논문]CNC 자동선반 고속 스핀들의 밸런싱에 관한 연구

김태종; 구자함; 이시복; 김문생

doi:10.5050/ksnvn.2009.19.11.1214

CNC 자동선반 고속 스핀들의 밸런싱에 관한 연구
A Study on Balancing of High-speed Spindle of CNC Automatic Lathe 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.19 no.11 = no.152, 2009년, pp.1214 - 1221

김태종 (부산대학교 기계기술연구원) , 구자함 (부산대학교 기계기술연구원) , 이시복 (부산대학교 기계공학부) , 김문생 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A high-speed spindle can be very sensitive to rotating mass unbalance which has harmful effect on many machine tools. Therefore, the balancing procedure to reduce vibration in rotating system is certainly needed for all high-speed spindles. So, balancing procedure was performed with a spindle-bearing system for CNC automatic lathe by using numerical procedure. The spindle is supported by the angular contact ball bearings and the motor rotor is fixed at the middle of spindle. The spindle-bearing system has been investigated using combined methodologies of finite elements and transfer matrices. The balancing was performed through influence coefficient method and the comparison was made by whirl responses between before balancing and after balancing. As a result, balancing of simple spindle model reduced whirl orbit magnitude in case of a completely assembled spindle model.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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가설 설정

또, 단면 R로부터 시험질량 T_R을 제거하고 단면 L에 시험질량 T_L을 가정하고, 측정평면 a, b에서 측정된 값들을 이용하면 다음과 같은 영향계수를 얻을 수 있다.
이 연구에서는 초기 잔류 불평형을 50 g∙mm∠0°로 가정하여 Fig. 4의 절점 #12에 작용하는 것으로 가정하였다.

제안 방법

4.1절에서 산출한 보정질량 w_L과 w_R을 각각 절점 #9와 #15에 부여하여 밸런싱 후의 결과를 해석하여 그 결과를 비교하였다.
이 논문에서는 CNC 자동선반용 스핀들의 밸런싱을 영향계수법을 이용하여 시뮬레이션하였다. Timoshenko빔 요소를 적용하여 스핀들-베어링계를 모델링하여 회전 영향뿐만 아니라, 전단 효과까지 고려하였으며, 시간적분법을 사용하여 스핀들의 동적거동을 해석하였다.
이 연구에서는 CNC 자동선반 스핀들을 대상으로 하여, Timoshenko 빔 요소를 적용하여 스핀들-베어링 시스템을 모델링하고, 영향계수법을 적용하여 밸런싱 과정을 시뮬레이션 하였다. 또, 밸런싱 과정에 필요한 스핀들의 변위 응답은 과도응답해석을 통하여 동적 거동을 해석함으로써 얻었다. 밸런싱 전과 후의 휘돌림 궤적의 크기를 비교하여 밸런싱의 효과를 계산하였으며, 메인 스핀들에 회전자와 플랜지만 조립된 기본 조립 상태에서 밸런싱을 수행하고, 조립이 완료된 상태에서의 밸런싱의 영향을 해석하였다.
밸런싱전, 후의 휘돌림 궤적 반경을 비교하여 베어링이 위치한 절점에서는 최대 71 %의 궤적 크기 감소가 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 부속부품의 조립이 완료된 상태에서 밸런싱 전, 후의 휘돌림 궤적 반경을 비교하여 밸런싱의 영향을 확인하였다. 조립이 완료된 스핀들에서도 앞의 결과와 유사하게 휘돌림 궤적 반경의 감소가 이루어졌기 때문에, 기본 조립 상태에서의 밸런싱이 조립이 완료된 스핀들에도 유사하게 휘돌림 궤적이 감소되는 것을 알 수 있다.
메인 스핀들에 회전자와 플랜지만 조립된 기본조립 상태에서 회전자에 불평형 질량을 부가한 후, 영향계수법을 이용하여 밸런싱을 수행하였다. 밸런싱전, 후의 휘돌림 궤적 반경을 비교하여 베어링이 위치한 절점에서는 최대 71 %의 궤적 크기 감소가 있음을 확인할 수 있었다.
또, 밸런싱 과정에 필요한 스핀들의 변위 응답은 과도응답해석을 통하여 동적 거동을 해석함으로써 얻었다. 밸런싱 전과 후의 휘돌림 궤적의 크기를 비교하여 밸런싱의 효과를 계산하였으며, 메인 스핀들에 회전자와 플랜지만 조립된 기본 조립 상태에서 밸런싱을 수행하고, 조립이 완료된 상태에서의 밸런싱의 영향을 해석하였다.
2개의 디스크로 구성되는 지지대에 스핀들을 놓고, 스핀들의 위쪽에 모터와 풀리로 연결되는 회전디스크로 스핀들을 일정한 속도로 회전시킨다. 스핀들 끝단에 각도센서를 설치하여, 스핀들의 회전 각도를 측정하고, Fig. 1의 A, B 부분 단면에서 회전각도와 불평형 질량의 크기를 각각 측정한다.
스핀들은 축방향으로 단면의 직경이 변화하므로 유한축 요소를 사용하여, Fig. 4와 같이 20개의 유한요소로 분할하였다. 일반적으로 스핀들-베어링 시스템은 분포질량 및 탄성을 갖는 유한축의 영역 요소, 이산화 된 베어링으로 구성되는 점 요소가 상호 결합된 요소의 조합으로 가정된다.
스핀들의 회전속도가 고속화됨에 따라 불평형 하중에 의한 회전속도와 스핀들 회전자 부분 변위와의 관계를 해석하였다. Fig.
이 연구에서는 CNC 자동선반 스핀들을 대상으로 하여, Timoshenko 빔 요소를 적용하여 스핀들-베어링 시스템을 모델링하고, 영향계수법을 적용하여 밸런싱 과정을 시뮬레이션 하였다. 또, 밸런싱 과정에 필요한 스핀들의 변위 응답은 과도응답해석을 통하여 동적 거동을 해석함으로써 얻었다.

대상 데이터

앵귤러 컨택트 볼 베어링으로 양단 지지되는 스핀들의 중심부에 전동기 회전자가 위치하며, 베어링의 고속 효과를 나타내는 DmN 값(베어링 피치 지름(Dm/mm)×회전 속도(N/rpm))은 400,000 수준이다. 스핀들의 내경은 10 mm이고, 재질은 SW450, 탄성계수는 200 GPa, 비중량은 7,850 kg/m³이다.
이 연구에 사용된 스핀들은 H사의 CNC 자동선반용 고속 스핀들로서, 1.5 kW 용량의 내장형 모터로 구동된다. 앵귤러 컨택트 볼 베어링으로 양단 지지되는 스핀들의 중심부에 전동기 회전자가 위치하며, 베어링의 고속 효과를 나타내는 DmN 값(베어링 피치 지름(Dm/mm)×회전 속도(N/rpm))은 400,000 수준이다.

이론/모형

유한축 요소의 움직임을 기술할 운동방정식 행렬은 식 (8)과 같으며, 회전 영향과 전단 효과를 고려하기 위하여 Timoshenko 빔 요소로 모델링 하였다.
이 논문에서는 CNC 자동선반용 스핀들의 밸런싱을 영향계수법을 이용하여 시뮬레이션하였다. Timoshenko빔 요소를 적용하여 스핀들-베어링계를 모델링하여 회전 영향뿐만 아니라, 전단 효과까지 고려하였으며, 시간적분법을 사용하여 스핀들의 동적거동을 해석하였다.
. 이 논문에서는 유한요소 모델링을 이용하고 적절한 시간 경과의 Houbolt 수치적분 알고리즘⁽¹⁴⁾을 사용하여, 전달행렬 방법을 시간영역 및 동적 계의 비선형 해석까지 전개가 가능한 유한요소-전달행렬(FE-TM)법^(15,16)을 적용하였다. 공작기계의 스핀들에 대해서는 Timoshenko 빔 요소를 사용하고, 스핀들-베어링 시스템을 모델링하여 고유진동수를 해석하는 연구⁽¹⁷⁾가 있다.

성능/효과

기본 조립상태에서 밸런싱을 하는 이유는 스핀들이 내장형 모터에 의해 구동이 되고, 조립이 완료된 상태에서는 고정자가 설치된 케이스에 의해 회전자 부분이 완전히 감추어지기 때문에 밸런싱을 수행할 수가 없기 때문이다. 결과적으로 산업현장에서 이루어지는 밸런싱 과정을 시뮬레이션하여, 기본 조립상태의 스핀들에 대한 밸런싱이 완전 조립상태의 스핀들에도 여전히 유효함을 확인할 수 있었다.
메인 스핀들에 회전자와 플랜지만 조립된 기본조립 상태에서 회전자에 불평형 질량을 부가한 후, 영향계수법을 이용하여 밸런싱을 수행하였다. 밸런싱전, 후의 휘돌림 궤적 반경을 비교하여 베어링이 위치한 절점에서는 최대 71 %의 궤적 크기 감소가 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 부속부품의 조립이 완료된 상태에서 밸런싱 전, 후의 휘돌림 궤적 반경을 비교하여 밸런싱의 영향을 확인하였다.
5에 나타내었다. 측정평면으로 설정한 베어링 위치에서 가장 큰폭으로 감소하였으며, 절점 #6에서 62 %, 절점 #17에서 71 %만큼 궤적의 크기가 작아졌다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산업현장에서는 스핀들의 밸런싱을 맞추기 위해서 사용하는 방법은 무엇이 있는가?	산업현장에서는 스핀들의 밸런싱을 맞추기 위해서 질량을 재분배 하는 방법을 사용하고 있다. 이 방법에는 질량을 더해주는 방법과 질량을 제거해 주는 방법이 있으나, CNC 자동선반용 스핀들은 밸런싱을 맞추기 위하여 스핀들 몸체의 일정부분에 홈을 냄으로써 질량을 감소시켜 보정하는 방법을 사용하고 있다.
	탄성회전체의 밸런싱은 주로 무엇을 이용하고 있는가?	탄성회전체의 밸런싱은 주로 모달 밸런싱 기법과 영향계수법을 이용하고 있다. 모달 밸런싱(1,2)은 해당 모드에 대한 정보를 이용하여 위험속도에서 밸런싱을 수행하므로, 사전에 모드에 대한 정보가 필요하다는 단점이 있다.
	공작기계 주축시스템의 회전 밸런싱 문제가 스핀들의 고속화에 따라 중요한 요소가 되고 있으며, 불평형 질량에 의한 진동을 제거하기 위한 밸런싱(balancing) 작업이 필수적인 이유가 무엇인가?	최근의 공작기계는 가공성능과 생산성의 향상을 위하여 고속화되고 있는 추세이다. 주축시스템의 고속화에 있어 중요하게 고려되어야 할 문제 중 하나가 불평형 질량(unbalance mass)에 의한 진동이다. 따라서 공작기계 주축시스템의 회전 밸런싱 문제는 스핀들의 고속화에 따라 중요한 요소가 되고 있으며, 불형형 질량에 의한 진동을 제거하기 위한 밸런싱(balancing) 작업은 필수적이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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