[논문]3축 분력 측정이 가능한 대형 공구동력계 개발

김중선; 왕덕현

doi:10.14775/ksmpe.2019.18.5.029

3축 분력 측정이 가능한 대형 공구동력계 개발
Development of Large-scale Tool Dynamometer for Measuring Three-axis Individual Force 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.18 no.5, 2019년, pp.29 - 36

Abstract ▼ AI-Helper

In modern society in which the fourth industrial revolution has come to the fore and rapid technology innovations are taking place, a phenomenon of making and selling small quantities of various products that consumers want instead of mass producing one item has emerged. As the market is moving toward the multi-item small-sized production system, there is a need for a system in which a machine independently judges and carries out machining and post-processing. In order for a machine to judge processing on its own, it is necessary to measure the force applied to a product. This study aimed to develop a large-scale dynamometer that enables three-axis measurement using octagonal ring load cells. As for the device's configuration, four octagonal ring load cells, which were previously researched, were used to enable three-axis measurement. It was reconfigured by modifying the attachment position of the octagonal ring load cells' strain gauge and the Wheatstone bridge of each axis, and a system was set up to allow the monitoring of data measured through the monitor. The configured device calculated a strain rate by an experiment, and this rate was compared with the theoretical strain rate to find a correction value. The correction value was entered into a formula, deriving a modified formula. The modified formula was entered into the device, which completed the large-scale dynamometer.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 연구는 팔각링 로드셀을 이용하여 3축 측정이 가능한 대형 공구동력계 개발을 목적으로 연구를 진행하였다. 선행 연구에서 연구되었던 팔각링 로드셀 4개를 사용하여 장치를 구성하고 실험을 통하여 이론적 수식을 보정하여 공구동력계 장치를 완성하였다.
3축 측정의 목적은 팔각링 로드셀을 사용하여 만든 동력계의 작동이상 유무를 판단한다. 이론값과 실제 측정된 변형률 값의 차이를 분석하고 보정하여 보정식을 도출하며, 도출된 보정식을 통하여 장치를 완성시키는 것을 목적으로 실험한다.
)를 형성하여 3축 측정이 가능한 대형 동력계 장치를 구성한다. 장치검증 방법으로는 장치에 가해지는 힘을 증가시켜 각축의 변화를 측정하고 각 축을 측정할 때 다른 축의 변화를 보정하여 3축 분력 측정이 가능한 대형 동력계를 개발을 목적으로 연구를 진행한다.

제안 방법

1. 장치 구성은 팔각링 로드셀 4개를 사용하여 3축이 측정 가능하도록 제작하였다. 팔각링 로드셀의 스트레인 게이지 부착위치 설정 및 각 축별 휘스톤 브릿지(X축, Y축, Z₁, Z₂)를 형성하였다.
2. 공구동력계 3축 측정 실험을 통해 측정되는 변형률 데이터와 이론 계산을 통해 도출된 변형률 데이터의 차이를 분석하여 데이터를 보정했다. X축에 힘을 가할 때 약 6.
3. 소재 측 측정 실험을 통해 소재 측에 힘을 가했을 때의 데이터를 분석을 하였다. 3축 측정 실험을 통해 얻은 보정값을 통하여 보정을 하였음에도 불구하고 X축에 힘을 가할 때 약 1.
첫 번째 실험은 3축 측정 실험은 도출되는 데이터를 통하여 이론에서 도출한 변형률 값과 실제 측정 변형률 값과의 차이를 분석하고 보정을 통해 장치를 완성 및 실험식을 도출하는 실험이다. 두 번째 실험은 보정된 장치에 직접 소재를 올려 소재 측에 힘을 가하여 소재의 물성치 차이에서 나오는 세부 보정을 진행한다.
팔각링 로드셀의 스트레인 게이지 부착위치 설정 및 각 축별 휘스톤 브릿지(X축, Y축, Z₁, Z₂)를 형성하였다. 또한 측정되는 데이터를 컴퓨터에 저장하고 그래프로 모니터링 가능하도록 시스템을 구축하였다
1은 대형 동력계를 제작하기 전에 KeyShot 프로그램을 통해 실험 장치를 렌더링한 사진이다. 사전 연구를 통해 설계된 팔각링 로드셀 4개를 사용하여 3축이 측정 가능하도록 구성하였으며, 모니터를 통하여 실시간 측정 모습이 보이도록 구성한다.
선행 연구에서 연구되었던 팔각링 로드셀 4개를 사용하여 장치를 구성하고 실험을 통하여 이론적 수식을 보정하여 공구동력계 장치를 완성하였다.
소재 측 측정 실험은 보정된 장치에 직접 소재를 올려 소재 측에 힘을 가하여 측정을 진행하며, 이때 소재 특성에 따라 발생하는 세부 보정을 진행한다. 소재의 크기는 가로 250mm, 세로 250mm, 높이 80mm 이며, 재질은 Al 6061-T6로 선정하였다.
첫 번째 실험은 3축 측정 실험은 도출되는 데이터를 통하여 이론에서 도출한 변형률 값과 실제 측정 변형률 값과의 차이를 분석하고 보정을 통해 장치를 완성 및 실험식을 도출하는 실험이다.
팔각링 로드셀에서 데이터를 추출하기 위해 기존의 LabVIEW 프로그램을 사용한 시스템 설계를 수정하였다. 출력되는 데이터는 변형률 값이며 실시간으로 Front panel의 그래프에 도출과 동시에 파일로 저장되도록 설정해놓았다. 데이터는 연속적으로 측정되며 왜곡(Aliasing)을 피하기 위해 데이터 취득 속도를 초당 1000개의 데이터를 추출되도록 설정하였다.
팔각링 로드셀에서 데이터를 추출하기 위해 기존의 LabVIEW 프로그램을 사용한 시스템 설계를 수정하였다. 출력되는 데이터는 변형률 값이며 실시간으로 Front panel의 그래프에 도출과 동시에 파일로 저장되도록 설정해놓았다.
3은 휘스톤 브릿지 회로 구성을 나타내었다. 휘스톤 브릿지는 풀 브릿지로 구성하였으며, 브릿지 구성에 혼선을 막기 위해 스트레인 게이지 선에 검은 표식을 두어 나타내었다.

대상 데이터

출력되는 데이터는 변형률 값이며 실시간으로 Front panel의 그래프에 도출과 동시에 파일로 저장되도록 설정해놓았다. 데이터는 연속적으로 측정되며 왜곡(Aliasing)을 피하기 위해 데이터 취득 속도를 초당 1000개의 데이터를 추출되도록 설정하였다.
본 연구는 선행연구^[5]에서 완성한 팔각링 로드셀 4개를 통한 장치를 구성하고 스트레인 게이지 부착위치 설정 및 각 축별 휘스톤 브릿지 4개의 휘스톤 브릿지(X축, Y축, Z₁, Z₂)를 형성하여 3축 측정이 가능한 대형 동력계 장치를 구성한다. 장치검증 방법으로는 장치에 가해지는 힘을 증가시켜 각축의 변화를 측정하고 각 축을 측정할 때 다른 축의 변화를 보정하여 3축 분력 측정이 가능한 대형 동력계를 개발을 목적으로 연구를 진행한다.
소재 측 측정 실험은 보정된 장치에 직접 소재를 올려 소재 측에 힘을 가하여 측정을 진행하며, 이때 소재 특성에 따라 발생하는 세부 보정을 진행한다. 소재의 크기는 가로 250mm, 세로 250mm, 높이 80mm 이며, 재질은 Al 6061-T6로 선정하였다.
실험 방법으로는 Fig. 5와 같이 각 축에 하중을 가하며 이때 발생하는 3축의 데이터를 동시에 측정한다. 측정은 15초 동안 연속 측정하며 측정한 데이터는 추를 올릴 때 발생하는 흔들림을 제거하기 위해 측정이 끝난 시점부터 역으로 3000개의 데이터를 추출하여 평균을 내어 사용한다.
측정은 15초 동안 연속 측정하며 측정한 데이터는 추를 올릴 때 발생하는 흔들림을 제거하기 위해 측정이 끝난 시점부터 역으로 3000개의 데이터를 추출하여 평균을 내어 사용한다.
장치 구성은 팔각링 로드셀 4개를 사용하여 3축이 측정 가능하도록 제작하였다. 팔각링 로드셀의 스트레인 게이지 부착위치 설정 및 각 축별 휘스톤 브릿지(X축, Y축, Z₁, Z₂)를 형성하였다. 또한 측정되는 데이터를 컴퓨터에 저장하고 그래프로 모니터링 가능하도록 시스템을 구축하였다
6은 실험 장치를 구성한 모습이며 보이는 바와 같이 추를 이용하여 하중을 증가시킨다. 하중은 각 축별로 0kg_f부터 100kg_f까지 10kg_f씩 증가시켜 11번의 실험 데이터를 구하며 각 하중별로 2번 진행하여 총 각 축당 22개의 데이터를 추출한다. Z축의 경우 스트레인 게이지가 8개로 구성되어 있기 때문에 Z₁과 Z₂로 나누어져 측정되며 측정된 Z₁과 Z₂의 값을 더하여 평균을 도출하여 그 수치를 Z값으로 표기한다.
4는 3축 측정을 위하여 팔각링 로드셀 4개의 스트레인 게이지 부착도이다. 휘스톤 브릿지는 X축, Y축, Z축 방향으로 구분하여 스트레인 게이지 부착위치를 선정하였다.

성능/효과

4. 실험을 통하여 나온 변형된 수식을 입력하여 대형 공구 동력계를 완성하였다. 입력시킨 변형된 수식을 통해 유저가 원하는 입력 값과 출력 데이터 값을 설정하여 데이터 추출이 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소재 측 측정 실험은 어떻게 진행되는가?	소재 측 측정 실험은 보정된 장치에 직접 소재를 올려 소재 측에 힘을 가하여 측정을 진행하며, 이때 소재 특성에 따라 발생하는 세부 보정을 진행한다. 소재의 크기는 가로 250mm, 세로 250mm, 높이 80mm 이며, 재질은 Al 6061-T6로 선정하였다.
	힘 측정 장치들이 필요한 배경은 무엇인가?	다품종 소량생산 시스템으로 나아가는 시장 상황에서 기술력으로 따라가기 위해선 기계 스스로가 판단을 하여 기계 가공과 후처리를 하는 시스템을 개발하여 기계 스스로가 최적의 공정과정을 갖고 공정 시간을 줄이는 시스템이 필요하다. 기계가 스스로 공정 처리를 판단하기 위해서는, 절삭가공 중 제품에 가해지는 힘 측정이 필요하다.
	힘 측정 장치를 연구한 국내 연구는 어떠한것들이 있는가?	힘 측정 장치들을 연구한 국내 연구들을 보면 복합 압전필름형 가속도계를 이용한 초정밀 선반 공구동력계의 개발에 관한 연구[1], 가공성 평가를 위한 3축 공구동 력계 개발[2], 고속 엔드밀용 고강성 공구동력계 개발 등 힘 측정 장치에 관한 여러 가지 연구개발[3~4]이 이루어지고 있으며 이러한 측정 장치를 통하여 절삭력 특성을 분석하는 등 다양한 분석 연구들이 이루어지고 있다.

참고문헌 (5)

Kim, J. D. and Kim, D. S., "A Development of Combined-Type Tool Dynamometer for Ultraprecision lathe with Piezo-Film Accelerometer", Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 12, No. 2, pp. 87-96, 1995.
Kang, M. C., Kim, J. S., Lee, D. W., Lee, K. Y. and Kim, J. H., "Development of 3-Component Tool Dynamometer for Evaluation of Machinability in High Speed Machining", Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 16, No. 5, pp. 11-18, 1999.
Kang, I. S., Kim, J. H., Hong, C. and Kim, J. S., "Development and evaluation of tool dynamometer for measuring high frequency cutting forces in micro milling" International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 11, No. 6, 2010.

원문보기 상세보기
Totis, G., Wirtz, G., Sortino, M., Veselovac, D., Kuljanic, E. and Klocke, F., "Development of a dynamometer for measuring individual cutting edge forces in face milling", Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 24, No. 6, pp. 1844-1857, 2010.

상세보기
Kim, J. S., Jo, H. G., and Wang, D. H., "Development of Octagonal Ring Load Cell Based on Strain Rings", Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 17, No. 4, pp. 97-103, 2018.

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