[논문]진동형 볼피더의 가진력 해석과 적용

오석규; 배강열

doi:10.14775/ksmpe.2020.19.11.070

진동형 볼피더의 가진력 해석과 적용
Analysis of Excitation Force and its Application in Vibratory Bowl Feeders 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.19 no.11, 2020년, pp.70 - 77

오석규 (경남과학기술대학교 메카트로닉스공학과) , 배강열 (경남과학기술대학교 메카트로닉스공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Vibratory bowl feeders are widely utilized to align and feed the parts stacked inside the bowl of a feeder. The electro-magnetic force of the electromagnet in a bowl feeder generates the excitation force for the bowl to vibrate in both the horizontal and vertical directions to continuously feed the parts on the track. The feed rate of the part depends on the associated displacement in each direction during the vibration. Therefore, the excitation force induced by the electromagnet should be estimated in advance to ensure the suitable design of the bowl feeder. In this study, a theoretical solution was developed to calculate the electro-magnetic force of the electromagnet for a bowl feeder. Using the proposed solution, the electro-magnetic forces corresponding to a variation in the input parameters of the electromagnet, such as the voltage, frequency, and air gap, could be obtained. The force values obtained using the theoretical solution exhibited a satisfactory agreement with the results obtained using the finite element method, thereby demonstrating the validity of the approach. Subsequently, the bowl displacements were analyzed using the motion equation for the bowl feeder when the theoretically obtained excitation force were applied to vibrate the feeder. The correlation between the vertical displacements of the bowl and input parameters of the electromagnet could be obtained.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 볼피더 전자석의 가진력을 산출할 수 있는 이론해를 제안하였다 . 이는 , 상부와 하부코어 사이의 공극에 의한 인덕턴스와 하부코어의 자체 인덕턴스를 중첩한 인덕턴스 계산법을 적용하고 , 전류가 공극에 따라 변화되는 점을 고려하여 유도하였다 .
제안된 이론해의 타당성은 전자기장 유한요소해석 프로그램^[11]을 활용하여 검증하였다 . 이와 같은 과정에서 공급 전원의 전압과 주파수 , 그리고 코어 간 공극의 크기에 따라 가 진력의 크기 변화를 규명하고자 하였다 . 볼 피더에 대한 운동방정식과 이론해로 산출된 가진력을 볼의 운동해석에 적용하여 , 가진력과 볼 변위의 관계를 도출하였다.

가설 설정

3 에 보인 바와 같이 , 하부와 상부코어의 좌우 (YZ 면 ) 및 전후 (XZ 면 ) 대칭성을 고려하여 , 전자석 모델의 1/4 부분과 공기층을 해석영역으로 선정하였다 . 대칭면에서 자기장은 접선 분포 , 전기장은 법선 분포로 설정하였고 , 코어는 선형 등방성의 자성을 갖는다고 가정하였다 . 공극 주위 코어에는 최소 길이가 0.

제안 방법

EI 형 전자석에 대한 인덕턴스 , 전류 , 그리고 전자기력 해석을 수행하였다 . 상부코어가 없는 E 형에 대하여는 , 전자석이 갖는 인턱턴스와 코일에 흐르는 전류를 해석하였다.
대칭면에서 자기장은 접선 분포 , 전기장은 법선 분포로 설정하였고 , 코어는 선형 등방성의 자성을 갖는다고 가정하였다 . 공극 주위 코어에는 최소 길이가 0.25 mm 인 작은 요소로 나누는 등 해석영역을 사면체 요소 108, 100 여 개로 나누었다 . 코일은 인덕터와 저항 소자의 직렬 연결로 모델링하고 , 여기에 실효치 전압과 주파수를 갖는 전원과 접지 (GND) 를 인가한 전기회로를 구성하였다.
비교하였다 . 또 두 경우에 대한 전류해석의 결과도 유한요소해석에 의한 전류해석 결과와 비교하였다.
특히 , 전압의 증가에 따라 가진력은 완만한 포물선 형태로 증가하였고 , 주파수와 공극의 증가에 따라서는 각각 완만한 포물선 형태로 감소하였다. 또한 , 전자기력의 이론 모델을 볼의 운동 해석에 적용하여 , 매개변수 변화에 의한 볼의 운동을 예측할 수 있었다.
이와 같은 과정에서 공급 전원의 전압과 주파수 , 그리고 코어 간 공극의 크기에 따라 가 진력의 크기 변화를 규명하고자 하였다 . 볼 피더에 대한 운동방정식과 이론해로 산출된 가진력을 볼의 운동해석에 적용하여 , 가진력과 볼 변위의 관계를 도출하였다.
볼피더 전자석에 대한 유한요소해석으로 , AC 정자기장 3 차원해석을 FLUX3D 소프트웨어 [11]를 활용하여 수행하고 , 이론해로써 산출한 전자기력해석 결과를 검증하고자 하였다.
해석을 수행하였다 . 상부코어가 없는 E 형에 대하여는 , 전자석이 갖는 인턱턴스와 코일에 흐르는 전류를 해석하였다.
수 있는 이론해를 제안하였다 . 이는 , 상부와 하부코어 사이의 공극에 의한 인덕턴스와 하부코어의 자체 인덕턴스를 중첩한 인덕턴스 계산법을 적용하고 , 전류가 공극에 따라 변화되는 점을 고려하여 유도하였다 . 제안된 이론해의 타당성은 전자기장 유한요소해석 프로그램^[11]을 활용하여 검증하였다 .
이를 위해 Fig. 3 에 보인 바와 같이 , 하부와 상부코어의 좌우 (YZ 면 ) 및 전후 (XZ 면 ) 대칭성을 고려하여 , 전자석 모델의 1/4 부분과 공기층을 해석영역으로 선정하였다 . 대칭면에서 자기장은 접선 분포 , 전기장은 법선 분포로 설정하였고 , 코어는 선형 등방성의 자성을 갖는다고 가정하였다 .
전자석에 대한 이론해석을 통해 , 전자석 공급전압의 실효치를 100~220 V, 공급전압의 주파수를 40~70 Hz, 그리고 상부와 하부코어 사이의 공극을 0.05~1 mm 변화함에 따른 가진력과 실효치 전류를 계산하고자 하였고 , 유한요소해석을 통해 계산 결과를 검증하였다.
05 초 동안을 대상으로 수치해석을 통해 수행하였고 , 해석 시간 간격 수는 3072 으로 설정하였다 . 전자석의 공극 변화 , 가진 전압의 진폭 변화와 주파수 변화에 따라 볼의 운동을 해석하였다.
전자석의 이론해석에서는 , 실효값 전압 220 V 와 주파수 40 Hz 전원이 공급된 경우 , 하부코어 및 코일의 인덕턴스(_를 고려하지 않는 경우와 고)려한 경우의 각각에 대하여 EI 형 전자석의 인덕턴스를 산출하고 , 유한요소해석의 인덕턴스 해석 결과와 비교하였다 . 또 두 경우에 대한 전류해석의 결과도 유한요소해석에 의한 전류해석 결과와 비교하였다.
제안된 가진력을 적용하여 볼의 변위 등 운동해 석을 수행하였다 이를 위해 와 같은 좌표 . Fig.
진동형 볼피더에 적용되는 전자석의 가진력을 이론적 모델로 제안하였다 . 제안된 모델을 활용하여 , 전자석의 설계 매개변수에 따른 전류와 전자력의 크기를 예측할 수 있음을 보였고 , 유한요소해석을 통해 결과의 타당성을 확인할 수 있었다.
25 mm 인 작은 요소로 나누는 등 해석영역을 사면체 요소 108, 100 여 개로 나누었다 . 코일은 인덕터와 저항 소자의 직렬 연결로 모델링하고 , 여기에 실효치 전압과 주파수를 갖는 전원과 접지 (GND) 를 인가한 전기회로를 구성하였다.

대상 데이터

가지고 있다. 운동해석은 가진 시작 직후부터 0.05 초 동안을 대상으로 수치해석을 통해 수행하였고 , 해석 시간 간격 수는 3072 으로 설정하였다 . 전자석의 공극 변화 , 가진 전압의 진폭 변화와 주파수 변화에 따라 볼의 운동을 해석하였다.

데이터처리

이는 , 상부와 하부코어 사이의 공극에 의한 인덕턴스와 하부코어의 자체 인덕턴스를 중첩한 인덕턴스 계산법을 적용하고 , 전류가 공극에 따라 변화되는 점을 고려하여 유도하였다 . 제안된 이론해의 타당성은 전자기장 유한요소해석 프로그램^[11]을 활용하여 검증하였다 . 이와 같은 과정에서 공급 전원의 전압과 주파수 , 그리고 코어 간 공극의 크기에 따라 가 진력의 크기 변화를 규명하고자 하였다 .

성능/효과

4 H . 안된 식 의 활용 결과 이론해에 의해 산출된 EI전자석의 인덕턴스(Inductance2)와 유한요소해석 에 의한 인덕턴스의 크기가 매우 유사하게 얻어짐 을 알 수 있다. 한편 이를 통한 전류 해 .
5 mm 공극을 가진 전자석에 인가하는 40 Hz 주파수 전압이 100 V 에서 220 V 까지 변화될 때의 전자기력( 가진력) 과 전류를 나타내고 있다. 이론해석의 결과 , 전압의 증가에 따라 , 전자기력은 38.7 N 에서 187.3 N 까지 완만한 포물선 형태로 증가하고 , 유한요소해석결과와 거의 유사하게 나타나고 있다. 전류는 68.
모델로 제안하였다 . 제안된 모델을 활용하여 , 전자석의 설계 매개변수에 따른 전류와 전자력의 크기를 예측할 수 있음을 보였고 , 유한요소해석을 통해 결과의 타당성을 확인할 수 있었다. 특히 , 전압의 증가에 따라 가진력은 완만한 포물선 형태로 증가하였고 , 주파수와 공극의 증가에 따라서는 각각 완만한 포물선 형태로 감소하였다.
5 mm 공극을 가진 전자석에 인가한 200 V 전압의 주파수 변화에 따른 예측 결과이다 . 주파수가 40 Hz 에서 70 Hz 까지 변화할 때 , 전자기력은 약 154.8 N 에서 51.9 N 으로 포물선 형태로 감소하는 것으로 나타났다 . 유한요소해석 결과는 이론해석의 결과와 매우 유사한 크기를 나타내었다 .
제안된 모델을 활용하여 , 전자석의 설계 매개변수에 따른 전류와 전자력의 크기를 예측할 수 있음을 보였고 , 유한요소해석을 통해 결과의 타당성을 확인할 수 있었다. 특히 , 전압의 증가에 따라 가진력은 완만한 포물선 형태로 증가하였고 , 주파수와 공극의 증가에 따라서는 각각 완만한 포물선 형태로 감소하였다. 또한 , 전자기력의 이론 모델을 볼의 운동 해석에 적용하여 , 매개변수 변화에 의한 볼의 운동을 예측할 수 있었다.

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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].

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