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공작기계 스핀들 부위의 열분포 분석 및 오차 보정

Analysis of Thermal Distribution and Compensation of Error for Spindle of Machining Center

대한기계학회 2004년도 춘계학술대회, 2004 Apr. 28, 2004년, pp.1352 - 1357  

고한서 (성균관대학교 기계공학부) ,  박광희 (성균관대학교 대학원 기계설계학과) ,  서형렬 ((주) 두산메카텍 공작기계 사업 부문) ,  하종수 ((주) 두산메카텍 공작기계 사업 부문)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Thermal error compensation has been developed for CNC (Computer Numerical Control) machining center with moving heat sources. The thermal error in CNC machining center has an effect on machining accuracy more than the geometric error does. Thus, temperature distributions of a spindle unit have been ...

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구는 공작기계 가동시에 스핀들 부위의열분포를 유한요소기법을 이용해서 모델링하고 적외선 카메라(Infrared Camera)로 정밀 측정하여주요 발열 부위를 파악한 후, 레이저 센서로 측정된 여러 운전 상태에서의 주축 변형 오차와 주축계 발열부의 온도 데이터를 분석해서 수식화하는 것을 목표로 한다. 따라서, 실험에서 얻은 데이터로 운전 상태에 따른 스핀들 부위의 온도 분포와 주축의 변형량을 파악하고 CNC공작기계 가공 오차의 큰 원인이 되는 열변형을 감소시키기 위한 실시간 보정 알고리즘을 개발하였다.
  • 따라서, 기계 가공물의 가공정밀도 향상을 위해 공작기계에서 발생하는 오차를 제어, 보정하는 기술이 절실히 필요하다. 오차의 종류에는 기계의 진동, 채터 및 스핀들의 진동에 의해 발생하는 오차인 dynamic error와 공작기계 구성 요소 인 안 내면, 칼럼, 볼스크류 등의 기하오차와 온도변화에 의한 열변형 오차인 quasi-static error가 있으며 본 연구에서는 공작기계의 CNC 및 고정 도화가 속에 따라 공작기계의 정밀도에 많은 영향을 미치는 열변형에 대한 연구를 목표로 한다.

가설 설정

  • 이를 참고로 하여 Fig. 1 (b)에는 가장 높은 온도를 보이는 지점인 절삭 부에 강제 대류 (h=250 W/(m》℃)를 가정하여 모델링 결과를 그려 보았다. 전체적으로 온도는 약 4C 정도 감소하고 있음을 관찰할 수 있고 특히 절삭부에서 발생한 열이 위의 경우와 비교해서 상당히 협소하게 전도되는 것을 알 수 있다.
  • 해석을 위한 경계 조건으로는 모터에서 발생하는 열원과 절삭 부에서 발생하는 열원, 그리고 대기에 접촉하는 표면에서의 대류를 고려하였으며 기계 내부 모델링의 경우 대기온도는 15℃로 균일하다고 가정하였다. 또한 모터부에서 발생한 열량은 모두 축을 통해 전도된다고 가정하였으며 절삭부 부분의 회전에 의한 열량 및 베어링에 의한 열전도와 냉각 유의 흐름도 고려하였다.
  • 1 에 나타내었다. 먼저 대기 온도를 15 C로 가정하고 공작기계의 정격 출력(15kW)과 스핀들의 회전속도(4000rpm)를 고려하였을 때 내부 기계 부위의 온도분포를 살펴보면 (Fig. 1 (a)), 모터부와 절삭 부에서 발생하는 열이 각 축을 따라서 전도되는 것을 볼 수 있다.
  • 있었다. 모터의 발열량과 그에 따른 절삭부의 회전에 의한 열량은 고정된 것이어서 이를 변형하는 것은 어려우므로 발열부 주위에 강제 대류가 발생한다고 가정하고 이에 따른 열전달량의 추이를 Fig. 1 에 나타내었다. 먼저 대기 온도를 15 C로 가정하고 공작기계의 정격 출력(15kW)과 스핀들의 회전속도(4000rpm)를 고려하였을 때 내부 기계 부위의 온도분포를 살펴보면 (Fig.
  • 6을 이용하여 중점적으로 해석하였다. 해석을 위한 경계 조건으로는 모터에서 발생하는 열원과 절삭 부에서 발생하는 열원, 그리고 대기에 접촉하는 표면에서의 대류를 고려하였으며 기계 내부 모델링의 경우 대기온도는 15℃로 균일하다고 가정하였다. 또한 모터부에서 발생한 열량은 모두 축을 통해 전도된다고 가정하였으며 절삭부 부분의 회전에 의한 열량 및 베어링에 의한 열전도와 냉각 유의 흐름도 고려하였다.
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