In this task, the tool dynamometer design and manufacture, and the Ansys S/W structural analysis program for tool attachment that satisfies the cutting force measurement requirements of the tool dynamometer system are used to determine the cutting force generated by metal cutting using 3-axis static...
In this task, the tool dynamometer design and manufacture, and the Ansys S/W structural analysis program for tool attachment that satisfies the cutting force measurement requirements of the tool dynamometer system are used to determine the cutting force generated by metal cutting using 3-axis static structural analysis and the LabVIEW system. The cutting power in a cutting process using a milling tool for processing metals provides useful information for understanding the processing, optimization, tool status monitoring, and tool design. Thus, various methods of measuring cutting power have been proposed. The device consists of a strain-gauge-based sensor fitted to a new design force sensing element, which is then placed in a force reduction. The force-sensing element is designed as a symmetrical cross beam with four arms of a rectangular parallel line. Furthermore, data duplication is eliminated by the appropriate setting the strain gauge attachment position and the construction of a suitable Wheatstone full-bridge circuit. This device is intended for use with rotating spindles such as milling tools. Verification and machining tests were performed to determine the static and dynamic characteristics of the tool dynamometer. The verification tests were performed by analyzing the difference between strain data measured by weight and that derived by theoretical calculations. Processing test was performed by attaching a tool dynamometer to the MCT to analyze data generated by the measuring equipment during machining. To maintain high productivity and precision, the system monitors and suppresses process disturbances such as chatter vibration, imbalances, overload, collision, forced vibration due to tool failure, and excessive tool wear; additionally, a tool dynamometer with a high signal-to-noise ratio is provided.
In this task, the tool dynamometer design and manufacture, and the Ansys S/W structural analysis program for tool attachment that satisfies the cutting force measurement requirements of the tool dynamometer system are used to determine the cutting force generated by metal cutting using 3-axis static structural analysis and the LabVIEW system. The cutting power in a cutting process using a milling tool for processing metals provides useful information for understanding the processing, optimization, tool status monitoring, and tool design. Thus, various methods of measuring cutting power have been proposed. The device consists of a strain-gauge-based sensor fitted to a new design force sensing element, which is then placed in a force reduction. The force-sensing element is designed as a symmetrical cross beam with four arms of a rectangular parallel line. Furthermore, data duplication is eliminated by the appropriate setting the strain gauge attachment position and the construction of a suitable Wheatstone full-bridge circuit. This device is intended for use with rotating spindles such as milling tools. Verification and machining tests were performed to determine the static and dynamic characteristics of the tool dynamometer. The verification tests were performed by analyzing the difference between strain data measured by weight and that derived by theoretical calculations. Processing test was performed by attaching a tool dynamometer to the MCT to analyze data generated by the measuring equipment during machining. To maintain high productivity and precision, the system monitors and suppresses process disturbances such as chatter vibration, imbalances, overload, collision, forced vibration due to tool failure, and excessive tool wear; additionally, a tool dynamometer with a high signal-to-noise ratio is provided.
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문제 정의
본 연구에서는 회전형 공구에 부착해서 절삭력을 측정할 수 있는 스트레인게이지 타입의 회전형공구동력계 구조물을 설계하고자 한다. 그리고 이 구조물의 3축과 Fc방향의 힘을 정적으로 측정하여 구조물의 각 분력을 측정할 수 있는지 검증하고자 하며, 향후 무선통신방법으로 각 분력의 힘을 측정할 수 있는 회전형 공구동력계를 완성하고자 한다.
본 연구에서는 회전형 공구에 부착해서 절삭력을 측정할 수 있는 스트레인게이지 타입의 회전형공구동력계 구조물을 설계하고자 한다. 그리고 이 구조물의 3축과 Fc방향의 힘을 정적으로 측정하여 구조물의 각 분력을 측정할 수 있는지 검증하고자 하며, 향후 무선통신방법으로 각 분력의 힘을 측정할 수 있는 회전형 공구동력계를 완성하고자 한다.
본 장치는 절삭력 측정이 가능한 공구동력계 설계 및 개발을 목적으로 진행한다. 설계를 진행시킨 뒤 검증실험을 통하여 이론값과 수치적 차이를 구하고 보상값을 통한 보상을 시킨 뒤 장치를 완성시킨다.
가설 설정
본 과제에서는 상기 기준을 만족하기 때문에 Force Sensing은 스테인리스강 등급 304를 사용하였으며 자세한 재료의 성질은 Table 1에 표시되어 있으며, 절삭력을 측정할 수 있고 스핀들 공구에 통합된 힘감지 요소 설계 밀링 및 시추 작업의 홀더 회전 시절단력(Fc) 방향은 100kgf으로 하고 공작물의 스핀들 압력에 의한 추력(Ft)은 대략적으로 가정된다. 3000 N을 Z축 방향에 적용하고 밀링 공정은 공급 속도로 인해 변환 움직임이 있기 때문에 수직 절단력(FcN)은 운동에 따라 발생하며 최대 값은 약 100kgf으로 가정한다.
힘 감지 요소의 재료 선택에는 환경적 문제, 힘의 크기, 기계적 통합, 강성, 높은 자연 주파수 및 부식 내성을 포함한 몇 가지 요소가 있다. 본 과제에서는 상기 기준을 만족하기 때문에 Force Sensing은 스테인리스강 등급 304를 사용하였으며 자세한 재료의 성질은 Table 1에 표시되어 있으며, 절삭력을 측정할 수 있고 스핀들 공구에 통합된 힘감지 요소 설계 밀링 및 시추 작업의 홀더 회전 시절단력(Fc) 방향은 100kgf으로 하고 공작물의 스핀들 압력에 의한 추력(Ft)은 대략적으로 가정된다. 3000 N을 Z축 방향에 적용하고 밀링 공정은 공급 속도로 인해 변환 움직임이 있기 때문에 수직 절단력(FcN)은 운동에 따라 발생하며 최대 값은 약 100kgf으로 가정한다.
제안 방법
1. 2축 측정 실험은 절삭력 측정과 프로그램의 설계, 스트레인 게이지의 부착 위치의 이상 유무를 확인하였다. 프로그램을 실행 시 동시에 3축 그래프가 화면 상에 도출되었고 데이터 저장 상태도 이상이 없었다.
3. 모멘트 측정 실험을 통해 측정되는 변형률 데이터와 이론 계산을 통해 도출된 변형률 데이터의 차이를 보정값을 이용해 도출하며 측정된 변형률 데이터를 보정한다. 모멘트축에 힘을 가할때 약 1.
해석계산을 위해 Force Sensing 부품의 재료 물성치의 정의를 위해 스테인리스강 등급 304 재질값을 정의하였다. Force sensing의 형상에 메쉬를 정의하였으며 정의된 Mesh Size는 2.5mm, 노드 수는 141374EA, 요소 수는 92882EA로 Fig. 8(a)에 정의된 메쉬모델을 작성한 후 경계조건으로 및 하중조 건을 입력하여 전처리과정 조건을 정의하고 이후 해석계산을 통해 정적구조해석의 결과를 확인할 수 있었다.
2축 측정 실험은 절삭력 측정과 프로그램의 설계, 스트레인 게이지의 부착 위치의 이상 유무를 평가하는 실험이다. z축 측정 실험은 측정되는 데이터와 이론 변형률 값의 차이를 분석하고 보정하기 위한 실험이며 소재측 측정 실험은 소재 측에 힘을 가했을 때 데이터를 측정하는 실험으로 z축 측정 실험의 보정값으로 측정된 데이터를 보정하여 분석한다.
본 장치는 3방향 측정이 가능한 공구 동력계 개발로 설계는 Strain rings 이론, 휘스톤 브릿지 이론 등을 기반으로 절삭력 측정 설계, 스트레인 게이지 부착 위치 설정, 휘스톤 브릿지 구성을 하였고 3방향 측정이 가능한 공구 동력계의 실험을 하였다. 검증 실험은 2축 측정, z축 측정, 모멘트 값 측정 3가지로 분류하여 진행하였다.
공구동력계의 실험장치 검증 실험과 비교 및 대조를 하기 위해서, 카티아(CATIA)에서 모델링 작업을 진행하였으며 ANSYS 프로그램을 활용하여 정적구조해석을 이용해서 해석적 실험을 먼저 진행하였다.
금속 절삭시 발생되는 힘의 크기를 확인하기 위해 공구동력계 형상 설계를 진행하였으며 공구동력계 전체 조립체는 Fig. 2에 표시하였다. 또한 절삭 공구를 장착할 수 있는 구조로 형상설계를 하고 공구동력계 시스템에 대한 적합성을 보장하기 위해 측정의 기하학, 크기, 강성, 안정성 및 정확도가 고려되었다.
모멘트 측정 또한 측정 실험의 보정값으로 측정된 데이터를 보정하여 분석하였으며 실험결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 장치는 3방향 측정이 가능한 공구 동력계 개발로 설계는 Strain rings 이론, 휘스톤 브릿지 이론 등을 기반으로 절삭력 측정 설계, 스트레인 게이지 부착 위치 설정, 휘스톤 브릿지 구성을 하였고 3방향 측정이 가능한 공구 동력계의 실험을 하였다. 검증 실험은 2축 측정, z축 측정, 모멘트 값 측정 3가지로 분류하여 진행하였다.
본 장치에서는 LabVIEW 프로그램을 사용하여 3축을 각각 측정할 수 있도록 프로그램을 작성하였으며, Fig. 9는 3축 절삭력을 측정할 수 있는 LabVIEW 프로그램이다.
설계 시 휘스톤 브릿지의 형태와 사용되는 스트레인 게이지의 사양을 입력 가능하게 하였고 MCT의 주축 회전속도에 의한 앨리어싱(Aliasing)을 피하기 위해 데이터 취득 속도를 수정 가능하게 하였다.
본 장치는 절삭력 측정이 가능한 공구동력계 설계 및 개발을 목적으로 진행한다. 설계를 진행시킨 뒤 검증실험을 통하여 이론값과 수치적 차이를 구하고 보상값을 통한 보상을 시킨 뒤 장치를 완성시킨다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 모든 스트레인 게이지는 공칭 저항이 350Ω인 KYOWA 회사 에서 구입한 범용 선형 스트레인 게이지이다.
해석계산을 위해 Force Sensing 부품의 재료 물성치의 정의를 위해 스테인리스강 등급 304 재질값을 정의하였다. Force sensing의 형상에 메쉬를 정의하였으며 정의된 Mesh Size는 2.
데이터처리
측정값은 추를 올릴 때 발생하는 흔들림을 제거하기 위해 측정이 끝난 시점부터 3000개의 값을 추출하여 평균을 구한다.
성능/효과
2. Z축에 힘을 가할 때 약 2.46배가 이론값과 차이가 났으며 이를 보상하여 새로운 수식을 도출하였다. 변형된 수식을 통해 사용자가 원하는 데이터 값으로 변환하여 사용 가능해진다.
13에 나타냈다. 결과값을 비교 분석해보면 해석값과 실험값이 약 1.1배 정도의 차이를 보여준다.
결과값을 비교 분석해보면 해석값과 실험값이 약 2.46배 정도의 차이를 보였다.
결과값을 비교분석해보면 해석 값과 실험값이 약 11.6배 정도의 차이를 보였다.
프로그램을 실행 시 동시에 3축 그래프가 화면 상에 도출되었고 데이터 저장 상태도 이상이 없었다. 또한 반경방향에 힘을 가했을때 발생하는 변형률과 이론값과 비교하였을 때 약 11.6배 정도의 차이가 났으나 변형률의 증가폭을 살펴보면 일정한 증가를 보이고 있어 설계나 제작에 이상이 없음을 검증하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
z축 측정 실험의 목적은 무엇입니까?
2축 측정 실험은 절삭력 측정과 프로그램의 설계, 스트레인 게이지의 부착 위치의 이상 유무를 평가하는 실험이다. z축 측정 실험은 측정되는 데이 터와 이론 변형률 값의 차이를 분석하고 보정하기 위한 실험이며 소재 측 측정 실험은 소재 측에 힘을 가했을 때 데이터를 측정하는 실험으로 z축 측정 실험의 보정값으로 측정된 데이터를 보정하여 분석한다.
절삭력을 측정해야하는 이유는 무엇입니까?
절삭 성능과 관련된 가장 중요한 가공 공정 변수 중 하나는 절삭 공구가 가공물을 자르고 깎을 때 발생하는 절삭력이다. 또한 기계 공구 설계 및절삭 프로세스 최적화 절삭 공구 성능의 기초 연구 조사, 표면 거칠기의 예측, 공구 마모 모니터링, 기타의 채터링 예측 등의 중요한 지표로 사용된다. 일반적으로 테이블 동력계는 가공물이 있는 밀링및 천공 공정에서 절삭력을 측정하는 데 사용된다.
가공 공정에서 필수적인 요건은 무엇입니끼?
절삭력 측정은 가공 공정에서 필수적인 요건이다. 절삭 성능과 관련된 가장 중요한 가공 공정 변수 중 하나는 절삭 공구가 가공물을 자르고 깎을 때 발생하는 절삭력이다.
참고문헌 (7)
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.
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.
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.
Kim, J. S., and Wang, D. H., "Development of Large-scale Tool Dynamometer for Measuring Three-axis Individual Force", Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 18, No. 5, pp. 29-36, 2019.
Muhammad Rizal, Jaharah A. Ghani, Mohd Zaki Nuawi, Che Hassan Che Haron "Development and testing of an integrated rotation dynamometer on tool holder for milling process", Mechanical Systems and Signal Processing, 52-53 pp. 559-576, 2015.
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