[논문]다기능 5축 복합가공기 램 헤드 모듈의 동특성 분석

김성민; 장성현; 김실근; 하종식; 최영휴

[국내논문] 다기능 5축 복합가공기 램 헤드 모듈의 동특성 분석
Dynamic Characteristics Analysis of a 5-Axes Multi-tasking Machine Tool by using F.E.M and Impulse Hammer Test 원문보기

김성민 (창원대학교 대학원) , 장성현 (창원대학교 대학원) , 김실근 (창원대학교 대학원) , 하종식 (한국정밀기계(주)) , 최영휴 (창원대학교 기계설계공학과)

This paper describes a case study on dynamic characteristics analysis of a 5-axis multi-tasking machine tool of ram-head typed. Natural frequency and corresponding vibration modes of the machine tool structure were obtained by using both FEM modal analysis and an experimental modal test(impulse hammer test). Both the theoretical and experiment analysis results showed good agreement with each other. Finally, some discussion and review, from the view point of resonance vibration and/or mode coupled chatter, were made based on the analysis results.

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문제 정의

본 논문에서는 다기능 5축 복합가공기의 동특성을 파악하기 위하여 FEM을 통한 고유진동해석과 충격 망치를 이용한 가진 시험을 통해서 실제 제작된 램 헤드 모듈의 고유진동수를 측정하였다. 이를 통해 FEM과 실험에 따른 고유진동수가 10%이내의 차이를 보이며 거의 일치함을 알 수 있었다.
그러므로 램 헤드 모듈에 대하여 동특성을 파악하여 가진력에 의한 공진을 확인할 필요가 있다. 따라서, 본 연구에서는 5축 복합가공기의램 헤드 모듈에 대한 FEM 해석과 제작된 램 헤드 모듈 단품에 대하여 가진 시험(Impulse hammer test)을 통하여 동특성을 확인하였다.

제안 방법

다기능 5축 복합가공기 구조물의 램 헤드 모듈에 대한 고유진동수를 측정하고, 고유모드형상을 얻기 위해 모달 시험을 하었다. 시험 방법은 Fig.
본 논문의 다기능 5축 복합가공기는 3000 rpm 이하의 운전속도를 가지는 비하여, 램 헤드 모듈의 1차 고유진동수는 50 Hz이상에서 나타나므로 가진력에 의한 공진은 발생하지 않게 설계되었다.
다기능 5축 복합가공기의 모드해석을 위하여 Fig. 2와 같이 17,976개의 절점(Node)과 18,832개의 쉘 요소(SHELL 181)로 구성되는 FEM 모델링을 하였다.
시험 방법은 Fig. 5에서처럼 충격 망치 시험(Impulse hammer test)을 하였으며, SISO(Single Input & Single Ouput) 방법에 따라 가속도계를 램 헤드 모듈의 측정점에 부착하고, 충격 해머로 램 헤드 모듈을 가진하여, 가속도를 측정하였다.
5에서처럼 충격 망치 시험(Impulse hammer test)을 하였으며, SISO(Single Input & Single Ouput) 방법에 따라 가속도계를 램 헤드 모듈의 측정점에 부착하고, 충격 해머로 램 헤드 모듈을 가진하여, 가속도를 측정하였다. 측정된 가속도 신호는 FFT 분석기로 전달되고, 전달된 가속도신호로부터 각각의 가진점에 대한 주파수 응답 함수(Frequency response function)를 구하여 단품의 고유진동수를 측정하게 된다.

성능/효과

본 논문에서는 다기능 5축 복합가공기의 동특성을 파악하기 위하여 FEM을 통한 고유진동해석과 충격 망치를 이용한 가진 시험을 통해서 실제 제작된 램 헤드 모듈의 고유진동수를 측정하였다. 이를 통해 FEM과 실험에 따른 고유진동수가 10%이내의 차이를 보이며 거의 일치함을 알 수 있었다.
또한 본 논문의 결과에서처럼 다기능 5축 복합 가공기의 운전속도는 램 헤드 모듈의 1차 고유진동수 영역에 있지 않으므로, 가진력에 의한 공진은 발생하지 않는다. 또한 외팔보 형태로 설계된 5축 복합가공기의 램은 자중이나 가진력에 의한 처짐 또는 진동에 의하여 가공 정밀도에 영향을 미칠 수가 있는데, 램 헤드 모듈의 2차, 3차 고유진동수는 5축 복합가공기 운전속도의 2배인 6000 rpm보다 낮기 때문에 2차, 3차 고유진동수에서 램의 상하 굽힘 모드가 5축 복합가공기의 정밀도에 많은 영향을 미치지 않음을 알 수 있다.

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