LM 볼가이드는 구름접촉을 갖는 이송시스템의 핵심요소로서 공작기계, 반도체 장비, 로봇 등 정밀기계에 널리 사용된다. 그러나 LM 볼가이드에서 발생하는 마찰력은 마찰열을 유발하여 위치 정도를 저하시키고 강성과 예압 변화를 야기한다. 이런 영향을 정확하게 분석하여 정밀 기계설계에 응용하기 위해서는 마찰력 모델의 정식화가 요구된다. 본 논문에서는 구름마찰, 점성마찰, 슬립마찰을 고려한 LM 볼가이드의 정확한 마찰력 모델을 유도한다. 그리고 다양한 조립, 부하 및 속도 조건에서 실험을 수행하여 마찰력 모델의 신뢰성을 검증하고, 마찰력 모델로부터 마찰 성분의 영향력을 분석한다.
LM 볼가이드는 구름접촉을 갖는 이송시스템의 핵심요소로서 공작기계, 반도체 장비, 로봇 등 정밀기계에 널리 사용된다. 그러나 LM 볼가이드에서 발생하는 마찰력은 마찰열을 유발하여 위치 정도를 저하시키고 강성과 예압 변화를 야기한다. 이런 영향을 정확하게 분석하여 정밀 기계설계에 응용하기 위해서는 마찰력 모델의 정식화가 요구된다. 본 논문에서는 구름마찰, 점성마찰, 슬립마찰을 고려한 LM 볼가이드의 정확한 마찰력 모델을 유도한다. 그리고 다양한 조립, 부하 및 속도 조건에서 실험을 수행하여 마찰력 모델의 신뢰성을 검증하고, 마찰력 모델로부터 마찰 성분의 영향력을 분석한다.
Linear motion (LM) ball guides with rolling contact are core units of feed-drive systems. They are widely applied for precision machinery such as machine tools, semiconductor fabrication machines and robots. However, the friction force induced from LM ball guides generates heat, which deteriorates p...
Linear motion (LM) ball guides with rolling contact are core units of feed-drive systems. They are widely applied for precision machinery such as machine tools, semiconductor fabrication machines and robots. However, the friction force induced from LM ball guides generates heat, which deteriorates positioning accuracy and incurs changes of stiffness and preload. To accurately analyze the effects and apply the results to precision machine design, mathematical modeling of the friction force is required. In this paper, accurate formulation of the friction force due to rolling, viscous, and slip frictions is conducted for LM ball guides. To verify the reliability of the developed friction model, experiments are performed under various assembly, load and velocity conditions. Effects of frictional components are analyzed through the formulated friction model.
Linear motion (LM) ball guides with rolling contact are core units of feed-drive systems. They are widely applied for precision machinery such as machine tools, semiconductor fabrication machines and robots. However, the friction force induced from LM ball guides generates heat, which deteriorates positioning accuracy and incurs changes of stiffness and preload. To accurately analyze the effects and apply the results to precision machine design, mathematical modeling of the friction force is required. In this paper, accurate formulation of the friction force due to rolling, viscous, and slip frictions is conducted for LM ball guides. To verify the reliability of the developed friction model, experiments are performed under various assembly, load and velocity conditions. Effects of frictional components are analyzed through the formulated friction model.
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문제 정의
유사구조를 갖는 LM 볼가이드에서도 마찰력 모델의 정확도와 신뢰성을 향상시키기 위해서는 슬립마찰을 고려한 마찰력의 정식화가 필요하다. 본 논문에서는 정밀기계의 직선운동 정밀도 최적화 설계에 필요한 LM 볼가이드 마찰력을 구름, 점성, 슬립 마찰로 모델링하여, 기존의 LM 볼가이드 마찰력 모델의 예측 정확도를 향상 한다. 우선 LM 볼가이드에서 볼의 접촉부하와 변형을 해석하고 결과를 마찰력 정식화 과정에 적용하여 수식화 모델을 유도한다.
가설 설정
(1) 슬립 마찰력은 Hertz 변형에 의한 볼과 그루브 사이의 선속도 차이로 유도된다.
1 과 같은 LM 볼가이드에서 볼 부하와 강성은 형상, 물성치, 조립 및 부하 조건의 함수이다. 본 논문에서는 볼을 제외한 나머지 형상 요소를 강체로 가정하여 접촉변형을 유도한다.
제안 방법
우선 LM 볼가이드에서 볼의 접촉부하와 변형을 해석하고 결과를 마찰력 정식화 과정에 적용하여 수식화 모델을 유도한다. 개발된 모델의 예측 정도를 검증하기 위해 실험장비를 구축하고 여러 가지 조립, 부하 및 속도 조건에서 실험을 수행하여 마찰력 모델의 정확도를 평가한다. 그리고 다양한 부하와 속도 조건에서 마찰력 성분의 영향력을 분석한다.
구름, 점성, 슬립 마찰을 고려한 LM 볼가이드의 마찰력 정식화를 수행하고, 실험을 통해 모델의 신뢰성을 입증하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
개발된 모델의 예측 정도를 검증하기 위해 실험장비를 구축하고 여러 가지 조립, 부하 및 속도 조건에서 실험을 수행하여 마찰력 모델의 정확도를 평가한다. 그리고 다양한 부하와 속도 조건에서 마찰력 성분의 영향력을 분석한다.
마찰력 측정 대상인 THK 사 HSR 모델 LM 가이드 캐리지의 하우징에는 볼트가 체결되어 있어 볼트 조임량에 따라 수직부하가 가해진다. 속도와 부하조건에 따른 실험을 위해 THK 사 SKR-46A 로 이송장치를 구현하고 브러켓을 통해 설치된 로드셀 CDFS-10 을 통해 운전 중에 마찰력을 측정한다.
본 논문에서는 정밀기계의 직선운동 정밀도 최적화 설계에 필요한 LM 볼가이드 마찰력을 구름, 점성, 슬립 마찰로 모델링하여, 기존의 LM 볼가이드 마찰력 모델의 예측 정확도를 향상 한다. 우선 LM 볼가이드에서 볼의 접촉부하와 변형을 해석하고 결과를 마찰력 정식화 과정에 적용하여 수식화 모델을 유도한다. 개발된 모델의 예측 정도를 검증하기 위해 실험장비를 구축하고 여러 가지 조립, 부하 및 속도 조건에서 실험을 수행하여 마찰력 모델의 정확도를 평가한다.
접촉변형에 따른 볼의 부하분포 해석은 Table 2 와 같은 형상정보와 물성치를 갖는 삼익 THK 사 HSR-20R, 30R 모델에 대해 수행하였다. 적합도와 초기 접촉각은 각 형번에서 동일하고 적용된 예압은 경예압으로 Table 2 에 제시된 구간의 예압을 적용한다.
대상 데이터
정확한 이송제어를 위해 실시간 xPC- Target OS 를 Target PC에 설치하고 Host PC에서는 C언어 기반 s-Function 으로 가감속 기능을 갖는 보간기를 설계하여 왕복 운동한다. Target PC에 NI 사 DAQ(Data Acquisition) 보드를 설치하여 모터 구동신호와 마찰력 데이터를 수집한다.
시뮬레이션을 위해 적용된 예압량은 HSR-20R, 30R에 대해서 각각 3.5, 5 μm이다.
성능/효과
(1) 마찰력 모델은 LM 볼가이드의 기하학적 형상, 물성치, 예압, 윤활 및 운전 조건의 함수이다.
(2) 구름 마찰력은 볼 수, 접촉부하, 구름마찰계수로 모델링 되고, 점성 마찰력은 접촉면적, 유체 점도, 이송속도의 함수로 주어진다.
(3) 슬립 마찰력은 접촉 변형에 기인한 타원면적 내의 선속도 차로 모델링 된다.
(4) 정식화 된 마찰력 모델의 예측 정확도는 실험치 대비 93% 이상의 정확도를 가진다.
(5) 2 m/min 이하 저속 구간에서는 마찰성분 중 구름 마찰력의 영향이 가장 지배적이지만 고속에서는 점성 마찰력의 영향이 가장 커진다.
(6) 무부하 조건에서 슬립 마찰력은 전체 마찰력의 2~4 % 수준으로 무시할 수준이나, 과도한 부하 조건에서 영향은 11~45 % 수준으로 정밀 이송계 설계에 고려가 필요하다.
마찰력 정식화 모델의 예측 정확도는 평균 93% 이상의 좋은 결과를 보여준다. 이는 변형된 볼과 그루브 사이에서 타원 접촉면적의 관계가 수학적으로 잘 모델링 되었으며 윤활유의 점도, 타원면적 그리고 속도의 함수로 이루어진 점성 마찰력의 비선형적 관계가 잘 반영되었음을 의미한다.
후속연구
등은 이송속도, 부하, 예압인자를 고려한 반응표면법을 이용하여 LM 볼가이드에서 마찰력 예측식을 도출한 바 있다. 그러나 이들의 결과는 제작된 직선 운동기구에서 실험을 통해 얻어진 특정한 것으로 일반화된 설계변수와 운전 조건에 따라 정식화 되지 못하여 정밀기계 설계 응용을 제한한다. 이를 극복하기 위해 Oh(1) 등은 볼가이드의 물성치, 형상, 예압, 운전 조건에 대해 구름과 점성 마찰력을 고려한 마찰력의 정식화 모델을 개발하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
설계 단계에서 LM 볼가이드의 정확한 강성과 마찰력 예측이 중요한 이유는 무엇인가
LM 볼가이드는 높은 강성과 효율 때문에 공작기계, 반도체 제조장비, 로봇 등에 널리 사용되나, 다양한 부하와 운전 조건에서 정밀기계에 응용되기 위해서는 설계 단계에서 LM 볼가이드의 정확한 강성과 마찰력 예측이 중요하다.(1~6) 2009 년부터 KIMM 에서는 다양한 운전 및 조립 조건에서 LM 볼가이드 물성치와 형상 정보를 입력하면, 볼의 접촉부하를 계산하고 접촉각 변화에 따라 강성을 예측할 수 있는 직선운동 유니트 정밀도 예측 시뮬레이터를 개발하고 있다.
LM 볼가이드의 마찰력 중 슬립 마찰력은 어떻게 구할 수 있는가
구름 마찰력은 가이드 내 접촉부하와 볼 수 그리고 구름마찰계수의 관계로 표현되며, 점성 마찰력은 접촉면적, 윤활유의 점도 그리고 이송속도의 함수로 이루어진다.(1) 슬립 마찰력은 Hertz 변형에 의한 볼과 그루브 사이의 선속도 차이로 유도된다.
직선 이송 중에 발생하는 마찰력은 어떠한 문제를 일으키는가
(1~6) 2009 년부터 KIMM 에서는 다양한 운전 및 조립 조건에서 LM 볼가이드 물성치와 형상 정보를 입력하면, 볼의 접촉부하를 계산하고 접촉각 변화에 따라 강성을 예측할 수 있는 직선운동 유니트 정밀도 예측 시뮬레이터를 개발하고 있다.(2) 그러나 직선 이송 중에 발생하는 마찰력은 마찰열을 유발하고 이에 따른 열팽창은 가이드의 강성과 예압 변화를 초래한다.
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