[논문]다물체 동역학 모델을 이용한 종이컵 성형기용 배럴캠의 마모 인자에 관한 연구

전갑진; 박태원; 정광열; 김영국

doi:10.3795/ksme-a.2010.34.3.361

다물체 동역학 모델을 이용한 종이컵 성형기용 배럴캠의 마모 인자에 관한 연구
Study of Factor Causing Wear of a Barrel Cam in a Paper-Cup-Forming Machine by Using Multibody Dynamics Model 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.34 no.3=no.294, 2010년, pp.361 - 367

전갑진 (아주대학교 기계공학부) , 박태원 (아주대학교 기계공학부) , 정광열 (아주대학교 기계공학부) , 김영국 (철도기술연구원)

초록
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3 차원 캠의 하나인 배럴캠은 자동화 생산 기계에서 인덱스 드라이브 유닛의 부품으로 많이 사용된다. 캠의 회전축과 종동절의 회전축이 90 도의 위상으로 직교한다. 인덱스 드라이브는 일정한 속도로 회전하는 캠의 입력에 대해 회전하고 정지한다. 터렛이 배럴캠의 회전에 의해 작동하는 동안 종이컵이 매우 빠르고 정확하게 성형된다. 그러나, 배럴캠과 종동절사이의 지속적인 미끄럼 접촉에 의해 점착마모가 발생하며 이러한 마모는 시스템의 성능에 영향을 준다. 결과적으로 제품의 불량율을 증가시킨다. 본 연구에서는 종이컵 성형기에 사용되는 배럴캠의 마모에 영향을 주는 인자가 접촉력임을 확인한다. 배럴캠과 롤러 사이의 접촉력은 다물체 동역학 모델을 이용해 계산한다. 그리고 해석 결과와 실제 시스템의 마모부와 비교를 통해 중요 마모 인자가 접촉력임을 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The barrel cam, which is a type of cylindrical cam, has been widely used as a part of index drive units for automatic manufacturing machines. The axis of rotation of the barrel cam is orthogonal to the axis of rotation of the follower. The index drive rotates or dwells depending on the cam profile, while the cam rotates with a constant velocity. Continuous sliding contact between the barrel cam and the follower surfaces causes wearing of the adhesive between them. This study shows that the contact force between two sliding bodies is responsible for the wear of the barrel cam in the paper-cup-forming machine. This contact force is calculated by using the multibody dynamics model of the paper-cup-forming machine. The analytical result is validated by comparing it to the actual wear spots on the real product.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

(1) 본 논문에서는 종이컵 성형기용 배럴캠의 마모를 개선시키기 위해 다물체 동역학 모델을 이용하여 마모의 원인이 캠과 롤러 사이의 접촉력임을 평가한다. 그리고 마모 현상을 반영할 수 있는 신뢰성 있는 동역학 모델을 확보한다.
그러나 이러한 배럴캠의 안내홈은 3 차원 형상이고 가공하기 매우 까다롭기 때문에 설계안과 가공품간에 오차가 발생할 수 있다. 따라서 가공오차를 감안하여 실제 시스템의 특성 파악하기 위해 가공품의 형상 데이터를 동역학 모델에 입력하였다. 본 연구에 사용된 3 차원 레이저스캐너는 레이저 프로브(laser probe)를 사용하는 비접촉식 측정기로 접촉식 측정기보다 훨씬 빠르고 정확하다.
5 에서와 같은 캠선도에 따라서 실제 종이컵 성형기가 정상적으로 작동하고 있고 동역학 모델 또한 실제 시스템과 거의 일치하는 동특성을 반영한다는 것을 보여준다. 따라서 본 연구에서 사용된 동역학 모델의 신뢰성을 확보하였다.

제안 방법

(1) 종이컵 성형기의 신뢰성 있는 동역학 모델링을 수행하기 위해 3 차원 캠인 배럴캠의 실제 안내홈 형상을 3 차원 레이저 스캐너로 측정하여 동역학 모델에 입력하였다.
(2) 고속카메라를 이용하여 구동부인 인덱스 드라이브의 작동 시간에 회전 거동을 측정하여 동역학 해석 결과와 비교해봄으로써 모델의 신뢰성을 확보하였다.
⁽¹⁾ 본 논문에서는 종이컵 성형기용 배럴캠의 마모를 개선시키기 위해 다물체 동역학 모델을 이용하여 마모의 원인이 캠과 롤러 사이의 접촉력임을 평가한다. 그리고 마모 현상을 반영할 수 있는 신뢰성 있는 동역학 모델을 확보한다. 이를 위해 우선 3 차원 레이저 스캐너로 실제 제품의 배럴캠 안내홈 형상을 측정하여 동역학 모델에 입력함으로써 가공 오차를 최대한 고려하였다.
이를 위해 우선 3 차원 레이저 스캐너로 실제 제품의 배럴캠 안내홈 형상을 측정하여 동역학 모델에 입력함으로써 가공 오차를 최대한 고려하였다. 그리고 배럴캠 회전 입력의 출력값에 해당하는 인덱스 드라이브의 작동 시간에 대한 회전각을 측정하여 해석 결과값과 비교하는 과정을 거쳐 동역학 모델의 신뢰성을 확보하였다. 마지막으로 마모의 원인이 접촉력임을 해석결과와 실제 시스템의 마모부와의 비교를 통해 증명한다.
배럴캠과 롤러 사이의 접촉력을 계산하기 위해 종이컵 성형기의 다물체 동역학 모델을 상용 동역학 해석 프로그램인 ADAMS 를 이용해 Fig. 3 과 같이 생성하였다. 모델링 된 부분은 종이컵 성형기에서 컵 측면부를 성형하는 역할을 한다.
생성한 다물체 동역학 모델의 신뢰성을 검증하기 위해 Fig. 6 와 같이 고속 카메라를 이용해 운행 시간에 대한 인덱스 드라이브의 회전각을 측정 하였다. 인덱스 드라이브의 회전각을 측정한 이유는 배럴캠의 안내홈 형상에 따라 출력되는 값이 인덱스 드라이브의 회전 거동이기 때문이다.
그리고 마모 현상을 반영할 수 있는 신뢰성 있는 동역학 모델을 확보한다. 이를 위해 우선 3 차원 레이저 스캐너로 실제 제품의 배럴캠 안내홈 형상을 측정하여 동역학 모델에 입력함으로써 가공 오차를 최대한 고려하였다. 그리고 배럴캠 회전 입력의 출력값에 해당하는 인덱스 드라이브의 작동 시간에 대한 회전각을 측정하여 해석 결과값과 비교하는 과정을 거쳐 동역학 모델의 신뢰성을 확보하였다.
이미지 해석 소프트웨어인 NI Vision Builder 를 이용하여 측정된 사진들로부터 인덱스 드라이브의 회전각을 계산하였다. Fig.

대상 데이터

(2,6,7) 본 연구의 대상인 배럴캠에 적용된 캠선도는 3 차원 캠에 가장 널리 적용되고 있는 변형사인곡선⁽⁷⁾이다.
동역학 모델은 총 24 개의 물체(body)로 구성되어 있고, 물체 사이에는 조인트, 드라이버, 스프링, 접촉이 정의 되어있다. 동역학 모델의 총 자유도는 22 자유도이다.
4 와 같이 레이저 프로브를 이용해 실제품의 안내홈 형상을 점 데이터로 읽어온 후 이를 3 차원 캐드등을 이용해 솔리드 모델로 변환한다. 배럴캠의 크기는 외경이 298mm이고 높이가 269mm 이다. 스캔시 측정한 점의 개수는 약 1000 개이다.
따라서 가공오차를 감안하여 실제 시스템의 특성 파악하기 위해 가공품의 형상 데이터를 동역학 모델에 입력하였다. 본 연구에 사용된 3 차원 레이저스캐너는 레이저 프로브(laser probe)를 사용하는 비접촉식 측정기로 접촉식 측정기보다 훨씬 빠르고 정확하다. 실제 배럴캠의 형상을 동역학 모델에 적용하는 과정은 Fig.
본 연구의 대상인 종이컵 성형기의 인덱스에는 7 개의 롤러가 부착되어 있으므로 캠이 1 회전(360°)을 하면 인덱스는 1/7회전(51.43°)을 한다.

성능/효과

(3) 신뢰성을 가진 해석모델과 실제 제품과의 비교를 통해 배럴캠의 마모현상은 롤러와의 접촉력과 관계가 크다는 것을 증명하였다.
(4) 본 연구의 해석 결과를 통해 배럴캠의 마모 현상을 개선하기 위해서 캠과 롤러 사이의 접촉력을 감소시켜야 함을 확인하였다.
본 연구에서 인덱스 드라이브는 캠의 전체 360°구간에서 160°구간만 회전하고 나머지 200°구간에서는 정지한다. 해석결과 그림에서와 같이 입력한 선도에 따라 동역학 모델의 인덱스 드라이브가 정확하게 작동하는 것을 알 수 있다.

후속연구

(6) 본 연구에서 제안된 해석 프로시저는 3 차원 캠뿐만 아니라 복잡한 형상을 가지며 접촉이 발생하는 다양한 기계 부품의 마모현상 해석에도 적용할 수 있다.
(7) 추후 본 연구의 해석모델을 이용해 배럴캠의 마모현상을 개선하기 위한 목적함수로 캠과 롤러 사이의 접촉력으로 결정하고 최적설계를 수행하여 실제 시스템에 적용할 예정이다.
본 연구의 결과와 본 연구에서 제시한 방법은 복잡한 기계 부품의 마모 현상 해석에 다양하게 적용할 수 있다고 사료된다. 또한 추후 본 연구에서 제안된 해석 모델을 이용하여 마모 현상을 개선하기 위해 캠과 롤러 사이의 접촉력을 최소화하는 최적설계를 수행할 수 있다.
본 연구의 결과와 본 연구에서 제시한 방법은 복잡한 기계 부품의 마모 현상 해석에 다양하게 적용할 수 있다고 사료된다. 또한 추후 본 연구에서 제안된 해석 모델을 이용하여 마모 현상을 개선하기 위해 캠과 롤러 사이의 접촉력을 최소화하는 최적설계를 수행할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	배럴 인덱스 드라이브 유닛의 작동 특성은?	(8) 이러한 인덱스 드라이브는 배럴캠의 회전에 의해 작동하게 되는데 캠선도의 특성에 따라서 회전하거나 정지하게 된다. 이러한 배럴 인덱스 드라이브 유닛의 작동 특성은 자동화 기계에서 빠르고 정확하게 공정을 진행시킬 수 있게 해준다.
	캠 선도에는 무엇이 있는가?	캠 선도에는 사인곡선, 사다리꼴 곡선, 다차항 곡선, 트레피클로이드 곡선등이 있다.(2,6,7) 본 연구의 대상인 배럴캠에 적용된 캠선도는 3 차원 캠에 가장 널리 적용되고 있는 변형사인곡선(7)이다.
	마모 현상에 의한 기계의 오작동이 초래할 수 있는 결과는?	이와 같은 마모 현상은 캠과 롤러간의 과도한 진동이나 공회전을 유발 시켜 기계의 오작동을 일으킬 수 있다. 그 결과 생산품의 불량률이 증가하게 되고 생산성이 저하될 수 있다. 따라서 캠의 마모는 캠의 설계에서 가장 관심 있는 부분이고 많은 연구가 이루어져 왔다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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표제어: PCR

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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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