[논문]공작기계의 절삭공정 소비 에너지 예측기술

이찬홍; 황주호; 허세곤

doi:10.7736/kspe.2015.32.4.329

공작기계의 절삭공정 소비 에너지 예측기술
Prediction of Machine Tool's Energy Consumption during the Cutting Process 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.32 no.4, 2015년, pp.329 - 337

이찬홍 (한국기계연구원 초정밀시스템연구실) , 황주호 (한국기계연구원 초정밀시스템연구실) , 허세곤 (한국기계연구원 초정밀시스템연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a simulation based estimation method of energy consumption of the spindle and feed drives for the NC machine tool during the cutting process is proposed. To predict energy consumption of the feed drive system, position, velocity, acceleration and jerk of the table are analyzed based on NC data and then the power and energy are calculated considering friction force and mass of the stages. Energy consumption of the spindle is estimated based on models from acceleration motion of rotating parts, friction torque and power loss of motors. Moreover, simulation models of cutting power and energy for the material removal along the NC tool paths are proposed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

밀링가공 시 이송속도에 따른 주축의 절삭동력 및 소비에너지를 알아보기 위하여 시뮬레이션을 수행하였다. Fig.
본 논문에서는 공작기계가 가공을 실행하고 있는 동안 장비의 주요 운동 유니트에서 소비하는 에너지와 공구에 의한 재료 제거에 소비되는 에너지의 예측 기법을 서술하였다. 우선 NC 데이터에 정의된 공구궤적에 따른 이송 질량의 운동 가감속에 의해 소비되는 에너지를 계산하는 방법을 설명하고, 다음으로 주축의 운전 중에 필요한 에너지와 베어링 및 회전모터에서 소모되는 에너지 손실을 예측할 수 있는 모델을 구축하였다.
본 연구에서는 공작기계에서의 절삭가공 시 주축과 이송계의 소비에너지를 예측하기 위한 시뮬레이션 기법을 개발하였으며, 그 결론은 다음과 같다.
그러므로, 특정 가공을 수행할 때 공작기계의 소비에너지를 분석하기 위해서는 가공부하에 따른 절삭동력을 고려하여야 한다. 본 장에서는 밀링가공에서의 절삭력과 절삭동력 및 소비에너지를 예측하는 시뮬레이션 기법을 제안한다.
본 연구의 대상인 머시닝 센터 스핀들은 고속가공을 위하여 내장형 유도전동기를 구동원으로 하는 고속 스핀들을 일반적으로 채용하고 있다. 본 장에서는 유도 전동기를 사용하는 고속 스핀들의 소요동력을 예측하고 이를 통하여 에너지를 저감할 수 있는 전략에 대하여 기술하였다.

가설 설정

가상적인 예로 쌍 원 형태의 가공을 위해서 Fig. 4에 나타낸 NC 데이터로 가공하는 것을 가정하였다. Fig.

제안 방법

1) 이송시스템의 가감속 운동에너지를 예측하기 위하여 NC 데이터로부터 위치, 속도, 가속도, 저크를 추출하고, 이송질량과 안내면의 마찰력을 고려해서 소비 동력과 에너지를 계산하였다.
2) 공작기계 주축의 소비동력 및 에너지를 예측하기 위하여 가감속에 필요한 에너지, 베어링 마찰, 내장형 모터의 손실량을 고려하여 예측모델을 개발하였으며, 이를 실험적으로 확인하였다.
최적의 실험식을 유도하기 위해 현재 알려진 Harris등에 의해 제시 되어 있는 마찰 토크의 계산 방법들을 사용하였다.³ Harris가 제시한 마찰 토크 계산식에 대해 주어진 하중조건과 운전조건으로 수식을 전개하고 마찰 토크의 값을 계산하였다. 마찰 토크는 다음 식(4)와 같이 나타내어진다.
3) 밀링가공에서의 공구 이송에 따른 절삭력과 재료 제거에 필요한 절삭동력 및 에너지를 예측하기 위하여 복셀 알고리즘을 이용한 기하 시뮬레이션 기반의 예측 모델을 개발하였으며, 이를 통해 가공 시 이송속도에 따른 주축의 절삭동력 및 소비에너지를 계산하였다.
가공물의 초기 형상은 CAD 소프트웨어에서 만들어진 STL 형식의 솔리드 모델을 사용하며, 가공경로는 CAM 소프트웨어에서 생성된 NC코드를 사용함으로써 복잡한 경로의 실제 가공을 시뮬레이션할 수 있다. 가공물의 형상을 나타내기 위해 복셀(voxel) 알고리즘을 사용하였으며, 매 시뮬레이션 순간 공구날에 의해 제거되는 복셀 요소점들을 시뮬레이션하여 가공재료의 제거 및 미변형 칩두께(uncut chip thickness)를 계산한다. 본 연구에서는 이 절삭력 시뮬레이션 기법을 통해 계산된 절삭력을 이용하여 절삭동력 및 소비에너지를 시뮬레이션하였다.
기계적 손실의 대부분은 베어링 부분의 마찰토크에 의하여 발생하게 된다. 구름베어링의 마찰해석에 관한 연구를 바탕으로 하중 및 속도 그리고 윤활제의 특성이 주어진 경우에 대하여 이러한 조건들을 이용하여 신뢰성 있는 토크 값을 계산할 수 있는 실험식을 사용하였다. 최적의 실험식을 유도하기 위해 현재 알려진 Harris등에 의해 제시 되어 있는 마찰 토크의 계산 방법들을 사용하였다.
그러므로 이송계의 소비 전력을 예측하기 위해서 NC 데이터로부터 각 축의 순차적 위치와 시간에 대한 위치, 속도, 가속도, 저크(Jerk)를 추출한다.^1,2 저크가 없는 경우, 아래 식(1)과 같은 간단한 운동방정식을 이용하여 초기 설정한 가속시간 t₁동안 목표속도 V_s에 도달하기 위한 가속도 as가
우선 NC 데이터에 정의된 공구궤적에 따른 이송 질량의 운동 가감속에 의해 소비되는 에너지를 계산하는 방법을 설명하고, 다음으로 주축의 운전 중에 필요한 에너지와 베어링 및 회전모터에서 소모되는 에너지 손실을 예측할 수 있는 모델을 구축하였다. 마지막으로 밀링가공 시 가공물 재료의 제거에 따른 절삭동력 및 절삭에너지 예측 시뮬레이션 모델을 제안하였다.
하지만 실제 가공에서는 경로의 교차, 축방향 및 반경방향 절삭깊이의 변화, 커습(cusp) 등에 의해 절삭영역이 다양하게 변하게 된다. 발표된 절삭력 시뮬레이션은 위와 같은 한계를 극복하고 일반적인 NC 가공을 시뮬레이션 하기 위해, 가공물의 초기 형상, 가공 경로, 공구의 형상, 가공 조건을 입력받아 밀링가공을 기하학적으로 시뮬레이션하고, 가공경로에 대한 세 축방향의 절삭력을 빠르게 계산한다. 가공물의 초기 형상은 CAD 소프트웨어에서 만들어진 STL 형식의 솔리드 모델을 사용하며, 가공경로는 CAM 소프트웨어에서 생성된 NC코드를 사용함으로써 복잡한 경로의 실제 가공을 시뮬레이션할 수 있다.
가공물의 형상을 나타내기 위해 복셀(voxel) 알고리즘을 사용하였으며, 매 시뮬레이션 순간 공구날에 의해 제거되는 복셀 요소점들을 시뮬레이션하여 가공재료의 제거 및 미변형 칩두께(uncut chip thickness)를 계산한다. 본 연구에서는 이 절삭력 시뮬레이션 기법을 통해 계산된 절삭력을 이용하여 절삭동력 및 소비에너지를 시뮬레이션하였다.
본 논문에서는 공작기계가 가공을 실행하고 있는 동안 장비의 주요 운동 유니트에서 소비하는 에너지와 공구에 의한 재료 제거에 소비되는 에너지의 예측 기법을 서술하였다. 우선 NC 데이터에 정의된 공구궤적에 따른 이송 질량의 운동 가감속에 의해 소비되는 에너지를 계산하는 방법을 설명하고, 다음으로 주축의 운전 중에 필요한 에너지와 베어링 및 회전모터에서 소모되는 에너지 손실을 예측할 수 있는 모델을 구축하였다. 마지막으로 밀링가공 시 가공물 재료의 제거에 따른 절삭동력 및 절삭에너지 예측 시뮬레이션 모델을 제안하였다.
공작기계 스핀들용 유도전동기의 경우 기준속도 이하의 영역에서 주로 운전되기 때문에 일정토크영역 내에서 부하조건에 따른 손실을 계산한다. 이를 위해 등가회로 해석을 통한 스핀들 모터의 토크-속도 특성을 분석한다. 또한, 부하조건을 고려한 발열량 계산은 무수히 많은 운전점에 대한 손실값을 계산해야 하기 때문에 현실적으로 발열량 예측이 불가능하다.
15는 시뮬레이션에 적용된 가공경로를 보여주며, 시뮬레이션 조건은 Table 1과 같다. 이송속도를 50 mm/min와 250 mm/min 사이에서 50 mm/min 씩 증가시키면서 각각 시뮬레이션을 수행하였다.

대상 데이터

공작기계의 운동요소는 2~5 축의 직선 및 회전 운동 테이블과 공구 혹은 공작물을 회전시키는 스핀들로 이루어져 있다. 본 연구의 대상인 머시닝 센터 스핀들은 고속가공을 위하여 내장형 유도전동기를 구동원으로 하는 고속 스핀들을 일반적으로 채용하고 있다. 본 장에서는 유도 전동기를 사용하는 고속 스핀들의 소요동력을 예측하고 이를 통하여 에너지를 저감할 수 있는 전략에 대하여 기술하였다.

이론/모형

또한, 부하조건을 고려한 발열량 계산은 무수히 많은 운전점에 대한 손실값을 계산해야 하기 때문에 현실적으로 발열량 예측이 불가능하다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 반응표면법을 사용하였다.⁶ 대상이 되는 여러 가지 형태의 속도-토크 특성을 갖는 스핀들용 유도전동기 모델 들의 정보를 분석하고, 각각의 모델에 대한 형상 예측설계, 속도-토크 특성 및 손실을 계산하여 토크 특성 및 손실에 대한 특성을 비교 분석한 결과를 Fig.
구름베어링의 마찰해석에 관한 연구를 바탕으로 하중 및 속도 그리고 윤활제의 특성이 주어진 경우에 대하여 이러한 조건들을 이용하여 신뢰성 있는 토크 값을 계산할 수 있는 실험식을 사용하였다. 최적의 실험식을 유도하기 위해 현재 알려진 Harris등에 의해 제시 되어 있는 마찰 토크의 계산 방법들을 사용하였다.³ Harris가 제시한 마찰 토크 계산식에 대해 주어진 하중조건과 운전조건으로 수식을 전개하고 마찰 토크의 값을 계산하였다.

성능/효과

정속구간에서의 소요동력은 1,460 W이며, 이를 비교하여 각 속도 구간에서 에너지를 저감하기 위한 속도패턴을 생성시킬 수 있다. 가속에 필요한 에너지보다 정속구간에 소모되는 에너지가 클 경우 적절한 속도와 가감속을 조절하는 방식으로 구현이 가능함을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공작기계의 적극적 에너지 절감 방법에는 어떤 것들이 있는가?	1은 에너지 저감의 전략을 보여준다. 공작기계의 적극적 에너지 절감 방법은 공작기계 구조물의 설계적 개선 방법, 주변장치의 에너지 효율 개선 방법, 가공공정의 에너지 효율 개선 방법 등이 있다. 추가적으로 수동적 에너지 절감방법으로는 장비의 사용 후 에너지 재활용과 장비의 에너지 소비량 억제 등이 있다.
	공작기계에서의 소비 에너지 저감의 의미는 무엇인가?	공작기계에서의 소비 에너지 저감의 의미는 일차적으로 전기에너지의 절약으로 에너지 비용을 낮추는 것이고, 이차적으로 장비의 과잉 에너지가 변환된 발열로 인한 구조물의 열변위를 최소화하는 데 있다. 그래서 공작기계의 소비 에너지 저감기술은 장비의 관리비용을 낮추는 것은 물론, 가공 정밀도를 향상시키는 신기술로써 비중 있게 다루어지고 있다.
	스핀들의 소요동력인 사용동력과 손실동력은 어떻게 나눌 수 있는가?	여기서, 스핀들의 소요동력은 스핀들의 사용동력과 손실동력으로 나뉠 수 있다. 사용동력은 가감속, 정속운전 등 실제 스핀들의 움직임에 필요한 동력과 절삭에 필요한 동력으로 나눌 수 있으며, 손실동력은 모터손실과 베어링 등에서의 마찰손실 등으로 나눌 수 있다. 가감속에 필요한 동력은 식(3)과 같이 예측할 수 있다.

참고문헌 (7)

Altintas, Y., "Manufacturing Automation," Cambridge University Press, 2nd Ed., pp. 213-249, 2012.
Whalley, R., Ebrahimi, M., and Abdul-Ameer, A., "Hybrid Modelling of Machine Tool Axis Drives," International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 45, No. 14, pp. 1560-1576, 2005.

상세보기
Harris, T. A. and Kotzalas, M. N., "Rolling Bearing Analysis," CRC Press, 5th Ed., 2006.
Kim, K. S., Hwang, J., Lee, D. W., Lee, S. M., and Lee, S. J., "Study on the Frictional Torque in the Angular Contact Ball Bearing for Machine Tool Spindle by Empirical Formula," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 32, No. 2, pp. 149-157, 2015.

원문보기 상세보기
Palmgren, A., "Ball and Roller Bearing Engineering," Burbank, 3rd Ed., pp. 34-41, 1959.
Seong, K.-H., Cho, H.-W., Hwang, J., and Shim, J., "Thermal Characteristic Analysis of Induction Motors for Machine Tool Spindle for Motion Error Prediction," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 32, No. 2, pp. 141-147, 2015.

원문보기 상세보기
Heo, S., Lee, C.-H., and Park, C. H., "Cutting Force Simulation in the NC Milling Process," Proc. of the 6th International Conference on Positioning Technology, pp. 462-464, 2014.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증