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초록
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LM 볼가이드는 구름접촉을 갖는 이송시스템의 핵심요소로서 공작기계, 반도체 장비, 로봇 등 정밀기계에 널리 사용된다. 그러나 LM 볼가이드에서 발생하는 마찰력마찰열을 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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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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참고문헌 (12)

  1. Oh, K. J., Khim, G. H., Park, C. H. and Chung, S. C., 2015, "Mathematical Modeling of Friction Force in LM Ball Guides," Journal of the KSPE, Vol. 32, No. 5, pp. 423-429. 

  2. KIMM., 2014, "Development of Platform Technology for Machine Accuracy Simulation II," Research Report, Korea Institute of Machinery & Materials. 

  3. Kim, K. H., Park, C. H., Song, C. K., Lee, H. S. and Kim, S. W., 2000, "The Accuracy Design of LM Guide System in Machine Tools," Journal of the KSPE, Vol. 23, No. 7, pp. 692-695. 

  4. Ohta, H. and Tanaka, K., 2010, "Vertical Stiffness of Preload Linear Guideway Type Ball Bearings Incorporating the Flexibility of the Carriage and Rail," Journal of Tribology, Vol. 132, pp. 1-9. 

  5. Shimizu, S., 1999, "Stiffness Analysis of Linear Motion Guide System," International Journal of the JSPE, Vol. 33, No. 3, pp. 163-167. 

  6. Kim, K. H., Park, C. H., Lee, H. and Kim, S. W., 2002, "Analysis of the Motion Errors in Linear Motion Guide," Journal of the KSPE, Vol. 19, No. 5, pp.139-148. 

  7. Oh, K., Park, C. H. and Chung, S. C., 2014, "Identification of Static and Dynamic Frictions in Ballscrew Servos," Proceedings of the ASPE Annual Meeting, Vol. 59, pp. 246-250. 

  8. Jang, S. H., Khim, G. and Park, C. H., 2013, "An Experimental Prediction of Heat Generation Caused by Friction Force on Linear Motion Guide," Proceeding of the KSPE, pp. 489-490. 

  9. Harris, T. A., 2001, Rolling Bearing Analysis, John Wiley and Sons, New York, pp. 183-230. 

  10. Stolarski, T. A. and Tobe, S., 2000, Rolling Contacts, Professional Engineering Publishing Limited, pp. 76-80. 

  11. Hamrock, B. J. and Dowson, D., 1981, Ball Bearing Lubrication: The Elasto-hydrodynamics of Elliptical Contacts, John Wiley and Sons, pp. 187-218. 

  12. Weisberg, S., 2005, Applied Linear Regression, John Wiley and Sons, pp. 194-206. 

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