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문제 정의
- 본 연구는 세라믹 가공용 공작기계의 진동을 제어하여 불량(Crack, 깨짐) 최소화 및 정밀도를 확보하며 공구 수명을 향상시키는 것을 목표로 공작기계의 최적 설계안을 도출하고자 한다.
- 본 연구는 세라믹 가공용 장비의 설계 개선을 통한 진동 최소화로 가공 정밀도와 생산성을 높이기 위한 목적으로 진행되었다. 실험과 simulation을 통하여 진동의 특성을 분석하고 큰 진동의 원인을 파악하여 문제점에 대한 개선 설계안을 도출하였으며 개선 설계안의 효과를 검증하는 과정을 거쳐 최종 안정화 설계안을 도출하였다.
제안 방법
- CNC machine의 진동 상태 분석과 설계 개선안도출을 위하여 주파수분석 실험을 진행하고 이를 통해 구조물의 동특성을 분석하여 장비의 진동 원인이 되는 고유진동수와 진동형에 대하여 분석한다.[2]
- 고속 가공기의 생산성 및 정밀도 향상을 목적으로 장비의 구조 안정화 개선 설계안 적용을 위해 주파수 분석을 위한 실험을 진행하고, 장비의 작동 특성을 분석하여 진동의 주요 원인이 되는 고유진동수 와 진동형의 종류를 확인한다.
- 구조물이 가지고 있는 진동 특성 및 형태를 분석하기 위해서 구조물의 각 부분, 그리고 전체적인 진동 형태에 대해 해석을 통하여 결과를 확인한다. 즉, Simulation을 진행할 모델을 아주 정밀하게 modeling 하여 해석을 하고 거기서 얻어진 결과와 실험으로 얻어진 결과를 비교하였을때 동일함이 확인되면 simulation 모델에 대한 modeling 정확성이 증명된다.
- 구체적으로는 생산용 공작 기계의 주파수 분석 실험 및 Computer simuiation을 진행하여 장비의 동/정적 특성을 파악 하고 진동을 최소화 할 수 있는 개선 안을 도출하여 효과를 확인함으로서 장비의 구조적인 안정성을 확보하고, 이와 더불어 가공품질을 향상 시키는 연구를 진행하였다.
- 두 번째로 modeling 된 구조물의 분석을 위해 장비를 이루는 소재 정보(물성) 및 simulation 모델의 여러 가지 조건 (조립, 설치)들을 설정하여 해석을 실행해 보는 단계로 각 부분의 조립 및 지지 조건과 motor, chuck, spindle의 작동속 도를 설정하고 simulation 모델에 적용하여 해석해 볼 수 있다.
- simulation 모델은 실험으로 측정하기 어려운 세밀한 내부 구조의 특성까지도 확인이 가능하다는 장점이 있다. 따라서 이 simulation 모델을 이용하여 구조물의 취약한 부분을 파악하고 개선안을 수립하였다.
- 머시닝 센터의 구조 특성은 아래와 같이 진행되며 각각의 단계별로 필요한 자료(제원, 조립 및 고정 조건, 가공 조건)를 이용하여 분석하였다.
- 먼저 simulation 모델을 modeling 하는 단계로 구조물의 기본적인 도면 정보나 특징 등을 파악하고 외부 치수 및 세부 구조를 바탕으로 하여 실제 구조물과 동일한 특성을 가지는 simulation 모델을 완성한다.
- 따라서 컴퓨터 simulation을 위한 modeling은 완성도가 높다고 판단되어진다. 이 modeling으로 해석하여 도출된 진동 특성을 바탕으로 설계 개선안을 도출하고 적용해서 그 효과를 검증한 후 최종적인 안정화 구조 개선안을 확보하여 한다.
- 장비의 고유진동수에 의한 공진을 억제하는 방법으로 칼럼 내부의 강성을 Rib 형태로 보강하였으며 Rib 형상은 상부의 질량 최소화를 위하여 가변 두께를 적용하였고, 그 결과는 Table 6과 같다.
- 장비의 고유진동수에 의한 공진을 없애기 위하여 칼럼 지지부의 강성을 보강하여 고유진동수의 증가를 위한 방안을 적용하였고, 그 결과는 Table 7과 같다.
- 장비의 진동 억제를 위한 여러 방안을 적용하여 세라믹 제품의 품질 만족과 동시에 공정효율, 장비가격 등을 고려하여 구조물의 최적 설계안을 바탕으로 머시닝 센터 장비의 안정화가 완성되고 전체 장비에 대한 Computer simulation을 통해 그 효과를 확인하였다.
- 주파수 분석 실험과 컴퓨터 simulation으로 도출된 결과를 바탕으로 장비의 특성과 여러 문제점을 파악하고 각각에 맞는 설계 안을 적용하여 최적의 개선 방안을 찾아 내는 방식으로 진행하고자 한다. 아래의 Table 4는 실제 세라믹 가공의 작동 속도이다.
- 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 구조물의 동특성을 파악하기 위해 구조물의 형상, 물성치, 지지조건을 반영하여 모델링을 진행하였다.
성능/효과
- 1. 실험과 simulation 결과를 비교한 결과 5.6%의 오차를 가지고 실험과 시뮬레이션을 통한 분석은 타당성이 있음을 확인하였다.
- 2. 진동분석 결과 1차 고유진동수(28.3Hz)와 작동 속도(26.6~ 28.3Hz)가 공진하는 영역(±10%) 내에 있어 공진이 발생됨을 확인할 수 있다.
- 3. 1차 고유 진동수에서의 진동형은 장비의 앞/뒤 Bending 형태이며, 2차 고유진동수에서의 진동형은 Z축을 중심으로 Torsion 하는 형태임을 확인하였다. 공진 회피를 위한 고유 진동수를 증가시키기 위해 부분적으로 강성을 보강하였으며, 상세내용은 아래의 4~6과 같다.
- 또한 가공 단면의 표면 거칠기와 가공 치수의 정밀도를 모두 만족 시킬 수 있으며 작업중 소음 발생이 감소되어 근로 환경을 개선되고 장비의 내구성을 증가 시킬 수 있다. 3가지의 최종 개선안을 적용하게 되면 고유진동수를 20% 증가시켜 공진을 회피해 기존 장비에 비하여 진동이 99% 감소하였다.
- 4. 장비의 고유 진동수에서의 진동 형인 Z축을 중심으로 Torsion 형태의 진동 억제를 위하여 매거진 지지부에 삼각대 형상을 추가하였고 그 결과 2차 고유 진동수가 28.9Hz에서 29.4Hz까지는 증가하였다.
- 5. 칼럼 내부의 강성을 상승시키기 위해 Rib 형태의 보강대를 설치하여 1차 고유진동수가 28.3Hz에서 30.1Hz까지 증가하였고, 2차 고유진동수도 28.9Hz에서 30.5Hz로 증가됨을 확인하였다.
- 6. 칼럼 지지부의 강성을 보강하여 1차 고유진동수가 28.3Hz에서 34.3Hz까지 증가하였고. 2차 고유진동수도 28.
- 7. 진동이 억제되면 불량률이 감소되고 공구 수명이 향상될 뿐 아니라 가공비 절감 및 생산성이 향상된다. 또한 가공 단면의 표면 거칠기와 가공 치수의 정밀도를 모두 만족 시킬 수 있으며 작업중 소음 발생이 감소되어 근로 환경을 개선되고 장비의 내구성을 증가 시킬 수 있다.
- 12는 기존의 장비와 최종의 설계 변경 방안(#1, 2, 3조합)을 적용한 장비의 진동 크기를 비교한 simulation 이미지이다. 구조 안정화 설계 방안 적용하여 기존 장비에 비해 진동이 크기가 감소됨을 확인할 수 있다.
- 분석으로 얻어진 결과로 개선안을 검토하고 simulation 모델에 적용하여 결과를 여러 번 반복적으로 확인하면 제작이 수월하고 진동을 억제할 수 있는 최적의 설계 개선안을 만들 수 있다. 본 연구를 위한 세라믹 가공용 머시닝 센터의 구조 안정화 설계의 simulation 모델은 아래 Fig.
- 실제 장비에서 측정된 고유진동수와 simulation 결과는 Table 3에 비교하였다. 비교하면 오차는 5.6%로 실험의 결과와 simulation 분석 결과가 일치됨을 확인 할 수 있다. 따라서 컴퓨터 simulation을 위한 modeling은 완성도가 높다고 판단되어진다.
- 설계 개선안을 통해 진동의 크기를 최소화 할 수 있는 방안을 도출하였다. 아래 Fig.
- 본 연구는 세라믹 가공용 장비의 설계 개선을 통한 진동 최소화로 가공 정밀도와 생산성을 높이기 위한 목적으로 진행되었다. 실험과 simulation을 통하여 진동의 특성을 분석하고 큰 진동의 원인을 파악하여 문제점에 대한 개선 설계안을 도출하였으며 개선 설계안의 효과를 검증하는 과정을 거쳐 최종 안정화 설계안을 도출하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 세 번째로는 해석 결과를 분석하는 단계이다. 실험으로 얻어진 결과 값과 simulation 모델을 해석하여 얻어진 결과 값이 일치할 경우 이 simulation modeling은 충분히 구현되었다고 볼 수 있다. simulation 모델은 실험으로 측정하기 어려운 세밀한 내부 구조의 특성까지도 확인이 가능하다는 장점이 있다.
- 이미지와 같이 개선 전, 후를 비교하면 가장 큰 진동인 칼럼/스핀들 부 진동 감소로 인하여 전체적으로 진동이 감소됨을 알 수 있다. 앞서 분석된 문제점 개선을 위하여 구조물의 강성을 올리는 방법으로 고유진동수를 상승시켜 모터의 작동속도 영역 내공진을 회피하는 장비의 최적 안정화 설계를 적용한 결과 기존 장비의 진동을 98.9% 억제시켰다. 세라믹 가공용 장비의 진동을 억제시킴으로써 가공 품질이 향상 및 생산성 향상 효과가 기대된다.
- 구조물이 가지고 있는 진동 특성 및 형태를 분석하기 위해서 구조물의 각 부분, 그리고 전체적인 진동 형태에 대해 해석을 통하여 결과를 확인한다. 즉, Simulation을 진행할 모델을 아주 정밀하게 modeling 하여 해석을 하고 거기서 얻어진 결과와 실험으로 얻어진 결과를 비교하였을때 동일함이 확인되면 simulation 모델에 대한 modeling 정확성이 증명된다.
- 칼럼 내부의 강성을 상승시키기 위해 Rib 형태의 보강 대를 설치하여 1차 고유진동수가 28.3 Hz에서 30.1 Hz까지 증가하였고, 2차 고유진동수도 28.9 Hz에서 30.5 Hz로 증가됨을 확인하였다.
후속연구
- 8. 도출된 진동 억제 설계안을 적용하여 장비를 제작 하면 세라믹 가공용 머시닝 센터의 가공 불량을 줄이고 정도를 향상시켜 세라믹 제품의 품질을 향상 시킬 수 있을 것으로 기대된다.
- 세라믹 가공용 장비의 진동을 억제시킴으로써 가공 품질이 향상 및 생산성 향상 효과가 기대된다.
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