[논문]기계장비의 메카트로닉스 고강성화 기술

이찬홍; 송창규; 김병섭; 김창주; 허세곤

doi:10.7736/kspe.2015.32.5.431

기계장비의 메카트로닉스 고강성화 기술
Technologies to Realize High Stiffness Mechatronics Systems in Production Machines 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.32 no.5, 2015년, pp.431 - 439

이찬홍 (한국기계연구원 초정밀시스템연구실) , 송창규 (한국기계연구원 초정밀시스템연구실) , 김병섭 (한국기계연구원 초정밀시스템연구실) , 김창주 (한국기계연구원 초정밀시스템연구실) , 허세곤 (한국기계연구원 초정밀시스템연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

One of common challenges in designing modern production machines is realizing high speed motion without sacrificing accuracy. To address this challenge it is necessary to maximize the stiffness of the mechanical structure and the control system with consideration on the main disturbance input, cutting forces. This paper presents analysis technologies for realizing high stiffness in production machines. First, CAE analysis techniques to evaluate the dynamic stiffness of a machine structure and a new method to construct the physical machine model for servo controller simulations are demonstrated. Second, cutting forces generated in milling processes are analyzed to evaluate their effects on the mechatronics system. In the effort to investigate the interaction among the structure, controller, and process, a flexible multi-body dynamics simulation method is implemented on a magnetic bearing stage as an example. The presented technologies can provide better understandings on the mechatronics system and help realizing high stiffness production machines.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

CNC 제어에서는 구조물의 고유진동 영향으로 한정된 저주파수 영역의 속도 지령만 가능하다. 따라서, 제어에서의 고강성화는 가능한 한 이송계의 질량을 감소시켜 고유진동수를 높이고 이를 통해 넓은 주파수 영역을 확보하여 큰 가감속 이송에서의 안정된 이송계 운동을 목표로 한다.
본 연구에서는 기계장비의 메카트로닉스 고강성화를 위한 장비의 구조물, 제어, 가공공정 측면에서의 모델링 및 해석 기법을 소개하였으며, 그 결론은 다음과 같다.
제어에 의해 위치오차를 감소시키는 방법 중의 하나는 CNC 제어기까지 포함된 기계장비의 모델을 구축하여 사전에 시뮬레이션을 수행 및 해석하는 방법이 있다. 본 장에서는 CNC 제어기와 제어요소를 포함한 다축 기계장비의 제어 모델링에 대해 서술한다.

제안 방법

구조물의 설계가 동적 루프강성에 미치는 영향을 평가하기 위해 해석모델의 공구와 가공물에 1N 크기의 힘을 1 Hz에서 500 Hz 주파수 범위에서 가진할 때 발생하는 변위를 계산하여 Fig. 5(a)와 같은 동적 연성선도를 생성하여 설계개선 전과 후의 해석결과를 비교하였다. 개선 전에는 컬럼(column) 구조물의 Z축 롤(roll) 방향 진동으로 인해 33 Hz의 약 0.
Z축 롤모드에 의한 동강성을 목표수준으로 올리기 위해 Fig. 5(b)와 같이 컬럼 내부 리브의 두께를 일부 16 mm에서 30 mm로 증가시켜 굽힘강성을 향상시키고, 베드의 LM 가이드 고정면 하부에 국부적인 변형을 줄이기 위해 촘촘하게 리브를 추가하였다. Fig.
3) 기계장비 구조와 제어시스템의 고강성 설계를 위해서는 가공 시 절삭력을 고려한 구조 및 제어 특성 해석이 수행되어야 하며, 이를 위해 가공공정에서의 절삭력을 예측하고 그 특성을 분석하는 기법을 가상적인 예를 통해 소개하였다.
5 개발된 시뮬레이션 모델은 공작물 형상, 공구 형상, 가공 경로, 가공 조건 등을 입력으로 고려하며, 실제 복잡한 NC 가공을 시뮬레이션하기 위해 복셀(voxel) 알고리즘을 이용하여 공구경로에 대한 가공물의 형상 및 세 축방향으로의 절삭력을 계산한다. 본 연구에서는 이 가공 시뮬레이션 모델을 이용하여 Fig.
이 과정의 효율성을 높이기 위해 볼트체결에 대한 영향은 무시하고 접촉면을 붙이는 방식으로 각 이송축 몸체를 모델링하였다. LM 가이드와 블록, 볼스크류와 볼너트 등과 같은 결합부 요소들은 양쪽의 몸체와 구속요소(constraint element)로 연결하고 그 사이에 요소 강성을 나타내는 6자유도 스프링을 이용하여 구현하였다.
기계장비의 고강성화 과정을 보여주기 위해 틸트헤드타입 5축 가공기를 대상으로 정·동적 루프강성 해석을 수행하였다.
기존에는 절삭력을 고려하지 않고 구조 및 제어특성을 해석하거나, 장비에 가해지는 최대 절삭력의 크기만을 유추하여 구조물의 정·동적 루프강성 및 제어 특성 해석을 수행하였다.
⁵ 개발된 시뮬레이션 모델은 공작물 형상, 공구 형상, 가공 경로, 가공 조건 등을 입력으로 고려하며, 실제 복잡한 NC 가공을 시뮬레이션하기 위해 복셀(voxel) 알고리즘을 이용하여 공구경로에 대한 가공물의 형상 및 세 축방향으로의 절삭력을 계산한다. 본 연구에서는 이 가공 시뮬레이션 모델을 이용하여 Fig. 11과 같은 가상적인 가공 예에서의 절삭력을 시뮬레이션하고 그 특징을 분석하였다. 그림과 같이 평판에 반구홈이 규칙적으로 배열되어 있는 가공물 초기 형상에 두 개의 연결된 원을 밀링가공하였다.
일반적으로 기계장비의 복잡성으로 인해 해석모델 생성에 많은 시간과 노력이 필요하다. 이 과정의 효율성을 높이기 위해 볼트체결에 대한 영향은 무시하고 접촉면을 붙이는 방식으로 각 이송축 몸체를 모델링하였다. LM 가이드와 블록, 볼스크류와 볼너트 등과 같은 결합부 요소들은 양쪽의 몸체와 구속요소(constraint element)로 연결하고 그 사이에 요소 강성을 나타내는 6자유도 스프링을 이용하여 구현하였다.
2) 이송 스테이지의 운동제어 해석을 위해 운동방정식 기반의 상태공간 모델을 사용할 경우 다축 이송시스템으로의 확장성이 떨어지는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위하여 SimMechanics를 사용한 연결부 중심의 물리적 모델링을 소개하였다. 이 모델링 기법을 사용할 경우 기존의 Simulink 모델과의 연계성을 떨어뜨리지 않고 다축 이송시스템의 모델링을 용이하게 할 수 있다.
다축의 경우 운동방정식을 이용한 상태공간 모델은 축 수에 따라 유도식의 복잡도가 급격히 증가할 뿐만 아니라 축 구성 변경 시 유연한 대응이 어려운 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 상용 소프트웨어 SimMechanics를 사용하여 연결조건, 스프링-댐퍼로 물리적인 상태를 기술하여 6자유도 모델을 구축하였다.
ADAMS 에 정의되어 있는 MFORCE 함수를 그대로 이용하면 스테이지에 영향을 미치는 엑추에이터의 자력이 표면을 따라 부드럽게 이동하지 못하고 노드에서 노드로 불연속적인 점프가 나타난다. 자력이 스테이지 표면에 연속적으로 작용할 수 있도록 사용자 서브루틴 함수를 정의하여 ADAMS에서 설정한 MFORCE 분포 하중이 노드와 노드 사이에서도 내삽(interpolation)될 수 있도록 어떤 MFORCE 분포 하중이 어떤 크기로 작용해야 하는지 계산한다. 스테이지의 위치와 부상 간극 정보는 ADAMS에서 Matlab/Simulink로 보내지며 Matlab/Simulink에서 구현된 제어 알고리즘은 자력의 크기를 계산하여 ADAMS 쪽으로 넘겨주는 동기화 시뮬레이션(co-simulation)을 진행한다.
정적 루프강성을 평가하기 위해 Fig. 3과 같이 각 방향으로 공구와 가공물 위치에 서로 반대 방향의 일정한 크기의 힘을 가하고 서로 간의 상대변위를 측정하였다. X와 Y 방향 강성은 11 N/μm 수준으로 57 N/μm의 Z 방향 강성에 비해 상대적으로 낮다.
6에 나타내었다. 테이블의 각 코너에 수직, 수평 방향으로 평면 조인트(in-plane joint), 직선운동 조인트(prismatic joint), 구형 조인트(spherical joint)를 설치하여 6자유도 강체와 동일한 운동이 일어날 수 있도록 한 후, 직선운동 조인트에는 스프링-댐퍼를 설정하였다.

대상 데이터

물리적 모델링 기법을 실험적으로 검증하기 위하여 Fig. 8의 4축 기계장비를 대상으로 해석모델을 구축하여 시뮬레이션을 수행하였다. 4축 기계장비는 모든 축이 유정압 안내면으로 구성되어 있으며, 직선축은 리니어 모터로 구동되고 회전축인 C축은 직구동 모터로 구동된다.

이론/모형

4 이 때 기계적 스테이지의 모델링에는 6자유도 강체운동 모델을 가정하여 라그랑지언(Lagrangian) 방정식으로부터 운동방정식을 유도하고 이를 상용 소프트웨어 Simulink의 상태공간(state-space) 모델로 구현하는 기법이 사용되었다. 다축의 경우 운동방정식을 이용한 상태공간 모델은 축 수에 따라 유도식의 복잡도가 급격히 증가할 뿐만 아니라 축 구성 변경 시 유연한 대응이 어려운 문제가 있다.
Fig. 16에 나타내었듯이 통합모델의 구축에 있어서 HyperMesh는 자력이 미치는 표면에 일정한 크기의 정육면체 유한요소와 규칙적으로 배열된 노드 번호를 생성하기 위하여 사용되었으며, 여기서 만들어진 유한요소 모델을 ANSYS에 적용하여 유연체 구조 동특성을 표현하는 스테이지 모델을 Modal Neutral File (MNF) 형식으로 만든다. MNF 파일에는 유연체 구조 특성을 표현하는 모드 주파수와 모드 형상에 관한 정보가 들어 있으며 ADAMS에서 이 파일을 받아들여 유연체를 구성한다.
하나의 모델에 여러 가지 동특성을 통합적으로 해석하기 위하여 상용 소프트웨어이인 HyperMesh, ANSYS, ADAMS, Matlab/Simulink를 사용하였다.

성능/효과

(a)에서 보이는 것과 같이 설계 개선 후 33 Hz의 Z축 롤모드가 30 Hz의 Z축 피치(pitch)와 35 Hz의 롤모드로 분리되면서 1 N 가진에 의한 변위가 0.28 μm/N로 감소하여 약 20%의 동강성 향상효과를 얻었다.
1) 구조해석으로 얻은 공구와 가공물 간의 루프강성을 이용하여 구조적 취약부를 파악하고 설계 개선을 통해 이를 보강함으로써 기계장비 구조물의 강성을 향상시킬 수 있음을 보였다.
7에 나타내었다. Chirp 신호로 주어진 외부 가진에 대하여 수평 방향 운동에서 두 모델의 차이가 0.01% 수준으로 나타나는 것을 확인할 수 있었으며, 수직 방향에서도 비슷한 크기의 오차를 확인할 수 있었다.
결론적으로 기계장비 구조, 제어, 가공공정의 세가지 요소의 상호 유기적인 해석 및 설계를 통해 기계장비의 고강성화를 실현할 수 있다.
X와 Z 방향의 경우 각 요소의 변형에 대한 기여도가 고르게 분산되어 있는 편이지만, Y 방향의 경우 A축의 결합부의 기여도가 상당히 높음을 알 수 있다. 이를 바탕으로 A축 결합부를 구성하는 각접촉 베어링, 브레이크 등의 요소 강성 향상이 루프 정강성 개선에 효과적일 것이라는 판단이 가능하다.
통합적인 동특성 시뮬레이션을 통하여 무선형 자기베어링 스테이지의 제어기 구조가 검증되었으며, 이상적인 상황에서 얻을 수 있는 스테이지의 이송 정밀도를 계산할 수 있었다. 가공공정이 모델링에 들어간 예는 아니지만 Matlab/Simulink 에 자기력 모델을 집어넣은 것처럼 가공공정에 관한 동특성을 쉽게 포함할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	절삭가공을 목적으로 하는 기계장비의 강성은 어떻게 평가되는가?	절삭가공을 목적으로 하는 기계장비의 강성은 일반적으로 공구와 가공물 사이에 상대적인 힘이 가해졌을 때 공구에서 가공물로 이어지는 힘전달루프(force loop)의 누적된 변위의 크기로 평가할 수 있다. 다양한 주파수 가진에 대한 동적 루프강성은 주파수 별 상대변위의 크기를 나타내는 동적 연성선도(dynamic compliance plot)로 표현할 수 있으며, 정적인 루프강성은 이 선도의 0 Hz에서의 크기의 역수에 해당한다.
	기계장비의 다양한 주파수 가진에 대한 동적 루프강성은 어떻게 표현할 수 있는가?	절삭가공을 목적으로 하는 기계장비의 강성은 일반적으로 공구와 가공물 사이에 상대적인 힘이 가해졌을 때 공구에서 가공물로 이어지는 힘전달루프(force loop)의 누적된 변위의 크기로 평가할 수 있다. 다양한 주파수 가진에 대한 동적 루프강성은 주파수 별 상대변위의 크기를 나타내는 동적 연성선도(dynamic compliance plot)로 표현할 수 있으며, 정적인 루프강성은 이 선도의 0 Hz에서의 크기의 역수에 해당한다. 최소한의 개발 노력으로 기계장비의 강성을 향상시키기 위해서는 레이아웃 설계 단계에서 유한요소기법 기반의 구조해석으로 정·동적 루프강성을 계산하고 이로부터 파악되는 구조적 취약부를 개선하는 과정이 필요하다.
	현대식 기계장비의 장점은 무엇인가?	현대식 기계장비는 빠른 축 이송속도를 유지하면서 수 마이크로미터(μm) 이내의 위치정밀도를 달성하는 우수한 성능을 가지고 있다. 또한 생산작업에 필요한 장비의 소비 에너지를 최소로 유지하여 장비에 투입되는 관리비용은 절감하고, 생산효율은 극대화하는 극과 극의 입출력 특징을 가지고 있다. 이러한 설계적 장점은 단지 기계 구조물의 강성만을 최대로 끌어올려서 도달할 수 있는 특성이 아니다.

참고문헌 (7)

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상세보기
Schorry, R. E., "Machine Tool Structural Modeling and Simulation," UNOVA Industrial Automation Systems Inc., 2000.
Song, C. K., Kim, B.-S., Ro, S.-K., Lee, S., Min, B.- K., et al., "Accuracy Simulation Technology for Machine Control Systems," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 28, No. 3, pp. 292-300, 2011.
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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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