[논문]회전 유니트의 회전정밀도 예측 기술

황주호; 심종엽; 박천홍

doi:10.7736/kspe.2015.32.2.127

회전 유니트의 회전정밀도 예측 기술
Estimation of Rotational Motion Accuracy for Rotary Units 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.32 no.2, 2015년, pp.127 - 133

황주호 (한국기계연구원 첨단생산장비연구본부) , 심종엽 (한국기계연구원 첨단생산장비연구본부) , 박천홍 (한국기계연구원 첨단생산장비연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

The error motion of a machine tool spindle directly affects the surface errors of machined parts. Those are usually due to the imperfectness of bearings, stiffness of spindle, assembly errors, external force or unbalance of rotors. The error motions of the spindle have been needed to be decreased to desired goal of spindle's performance. The level of error motion is needed to be estimated during the design and assembly process of the spindle. In this paper, the estimation method for the five degree of freedom (5 D.O.F) error motions for rotary units such as a spindle and rotary table are suggested. To estimate the error motions of the rotary unit, waviness of bearings and external force model were used as input data. The estimation model considers geometric relationship and force equilibrium of the five degree of the freedom motions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 회전운동 유니트의 회전정밀도 시뮬레이션을 위해 개발하고 있는 방법과 이의적용에 대하여 기술하였다. 5자유도로 나타나는 회전 운동오차를 구하기 위한 모델과 전달함수 방법의 적용에 대하여 소개하였다. 제시된 방법을 각접촉 볼베어링 스핀들 유정압 베어링을 이용한 테이블에 적용하였다.
본 논문에서는 회전운동 유니트의 설계 단계에서 운동요소의 설계 정보를 입력하면 회전정밀도의 크기를 예측하는 시뮬레이션 방법과 이를 실험 적으로 검증한 내용을 중심으로 기술하고자 한다.
본 논문에서는 회전운동 유니트의 회전정밀도 시뮬레이션을 위해 개발하고 있는 방법과 이의적용에 대하여 기술하였다. 5자유도로 나타나는 회전 운동오차를 구하기 위한 모델과 전달함수 방법의 적용에 대하여 소개하였다.

가설 설정

회전 테이블의 경우에는 스핀들과 달리 테이블전체의 면오차에 대한 예측도 요구된다. 따라서 운동의 중심을 베어링의 중심에 있다고 가정하고 베어링 면부터 테이블 상단 까지의 조립오차를 포함한 강체 운동으로 가정하여 Fig. 13과 같은 동차 변환 행렬을 할 수 있게 되며 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.

제안 방법

6에 보이는 바와같이 전자석을 이용하여 비접촉식으로 부하를 가중 할 수 있는 장치를 고안하였다. 또한 스핀들 샤프트에 가중되는 인력을 알기 위해 인장형 로드셀을 이용하여 부하 량을 측정하고, 파워서플라이를 이용하여 부하 량의 변화를 줄 수 있도록 하였다.
1열의 저어널베어링과 양면패드 방식의 스러스트 베어링을 이용하여 베어링을 채용하고 있으며 직구동의 영구자석 방식의 회전모터를 채용하고 있다. 전달함수를 이용한 유정압베어링의 회전정밀도 오차, 내장형 모터의 조립오차의 영향, 회전축의 진원도 및 동심도의 영향을 볼 수 있도록 설계되었다. 이를 실제구성하여 Fig.
5자유도로 나타나는 회전 운동오차를 구하기 위한 모델과 전달함수 방법의 적용에 대하여 소개하였다. 제시된 방법을 각접촉 볼베어링 스핀들 유정압 베어링을 이용한 테이블에 적용하였다. 제시된 방법을 이용하면 효과적으로 회전정밀도를 예측하고 테이블의 오차를 예측할 수 있음을 확인 할 수 있었다.
각 접촉 볼베어링은 FAG7008C모델을 스핀들 전단에 2열 후단에 2열씩 총 4개의 베어링을 O형으로 배열되어있다. 회전유니트는 회전중에 부하하중을 공급하여야 그 의미가 있기 때문에 Fig. 6에 보이는 바와같이 전자석을 이용하여 비접촉식으로 부하를 가중 할 수 있는 장치를 고안하였다. 또한 스핀들 샤프트에 가중되는 인력을 알기 위해 인장형 로드셀을 이용하여 부하 량을 측정하고, 파워서플라이를 이용하여 부하 량의 변화를 줄 수 있도록 하였다.

대상 데이터

실험검증을 위하여 7 kW, 1,333 Hz의 Built-In Induction모터로 구동되는 Fig. 5에 보이는 스핀들을 이용하여 테스트를 수행하였다. 각 접촉 볼베어링은 FAG7008C모델을 스핀들 전단에 2열 후단에 2열씩 총 4개의 베어링을 O형으로 배열되어있다.

성능/효과

67 μm 임을 알 수 있다. 이러한 대표 수치 뿐만 아니라 파형의 형태등에서 볼 수 있는 결과와 마찬가지로 효과적으로 회전정밀도 오차를 구 할 수 있음을 검증할 수 있었다.
제시된 방법을 각접촉 볼베어링 스핀들 유정압 베어링을 이용한 테이블에 적용하였다. 제시된 방법을 이용하면 효과적으로 회전정밀도를 예측하고 테이블의 오차를 예측할 수 있음을 확인 할 수 있었다.

후속연구

향후 고속회전에 따른 진동 및 스핀들 회전공구 부분의 회전거동에 대한 문제등을 모델에 접목 시키면 고속영역에서의 회전정밀도 예측 뿐만 아니라 가공면에 대한 품질예측에도 적용할 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	회전정밀도는 무엇에 따라 달라지는가?	이러한 회전정밀도는 샤프트의 베어링 접촉부의 형상오차, 베어링의 결함, 동력전달 요소 등의 외력의 변화에 따라 달라지게 된다. 설계자는 제작 단계에서, 베어링의 형식 선정, 공차, 구동기구의 영향 등을 경험에 의하여 선정하고 있으나 구성하고 있는 요소들에 대한 해석을 전체적으로 이해하고 해석하여야 하는 어려움이 있고 기존의 연구는 정밀기계의 주축을 회전체의 관점에서 진동안정성 이나 강성해석 등을 연구하는 선행연구가 대부분이어서,1-4 가공정밀도에 직접적인 영향을 주는 회전정밀도의 예측에 관한 연구는 거의 찾아볼수 없다.
	회전운동 유니트에 대한 기존 연구의 한계는 무엇인가?	이러한 회전정밀도는 샤프트의 베어링 접촉부의 형상오차, 베어링의 결함, 동력전달 요소 등의 외력의 변화에 따라 달라지게 된다. 설계자는 제작 단계에서, 베어링의 형식 선정, 공차, 구동기구의 영향 등을 경험에 의하여 선정하고 있으나 구성하고 있는 요소들에 대한 해석을 전체적으로 이해하고 해석하여야 하는 어려움이 있고 기존의 연구는 정밀기계의 주축을 회전체의 관점에서 진동안정성 이나 강성해석 등을 연구하는 선행연구가 대부분이어서,1-4 가공정밀도에 직접적인 영향을 주는 회전정밀도의 예측에 관한 연구는 거의 찾아볼수 없다. 일부 회전정밀도와 관련된 연구는 회전오차의 크기 보다는 회전오차 진동성분에 대한 분석5,6과 회전정밀도의 측정방법이 주를 이루고 있다.
	회전정밀도란 무엇인가?	회전 주축과 회전 테이블로 대표되는 회전운동 유니트는 축을 중심으로 그 둘레를 도는 기계유니트로 회전운동을 발생하여 정속운동 혹은 회전위치결정을 일으킨다. 원하는 회전 운동을 제외한 원하지 않은 5자유도의 오차에 해당하는 것이 회전정밀도인데 이는 주축의 경우 공작물의 형상오차 및 표면조도를 저하시켜 주축의 정밀등급의 표준으로 사용되고 있다.

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