[논문]선형 운동 공작기계의 가공오차 저감을 위한 리니어 모터의 힘 특성 해석

조한욱; 한철; 최장영; 최상규; 박철훈; 장석명

선형 운동 공작기계의 가공오차 저감을 위한 리니어 모터의 힘 특성 해석
Force Characteristic Analysis of Linear Motor to Reduce Manufacturing Error in A Linear Motion Machine Tool 원문보기

조한욱 (충남대) , 한철 (충남대) , 최장영 (충남대) , 최상규 (한국기계연구원) , 박철훈 (한국기계연구원) , 장석명 (충남대)

In order to predict the accuracy of the linear motion machine tools, the force characteristics such as the detent force, the attraction force and the moment are estimated by analytical method or FEM. In this paper, we proposed the analytical calculation process for the force characteristics of a linear motor. The analytical results are good agreement with FEM one. They could be used for the precision prediction simulator with the information of linear bearings, encoders, etc.

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문제 정의

본 논문에서는 선형 운동을 통해 초정밀가공에 적용되는 선형운동유니트의 정밀도 예측 시뮬레이터 개발의 일부로, 리니어 모터의 디텐트력, 흡인력, 모멘트 등의 힘특성을 해석적으로 예측하고자 한다. 정밀도 예측 시뮬레이터는 베어링, 리니어모터, 엔코더 등의 모델 및 구성요소의 정보와 가공오차/조립오차, 운전조건 등을 DB 및 대화창을 통해 사용자가 입력하면 직선운동 유니트의 운동정밀도를 예측해주는 S/W이다

제안 방법

리니어 모터의 힘특성 해석을 위해서 보통 유한요소해석(FEM)이 주로 적용되고 있지만, 기계 가공을 수행하는 작업자가 빠른 시간내에 공작기계의 정밀도를 예측하기 위해서는 빠른 해석시간을 갖는 등가자기회로 해석법이나 맥스웰 방정식을 기초로 하여 해석 해를 도출하는 해석적기법의 적용이 DB 구축 및 S/W 개발을 위해서는 훨씬 용이하다. 따라서, 본 논문에서는 리니어 모터의 디텐트력, 흡인력 특성 예측을 위해 공간고조파해석법을 적용하고, 해석결과를 FEM과의 비교를 통하여 해석결과의 타당성을 검증하였다.
본 논문에서는 선형운동 공작기계의 정밀가공오차 원인의 하나인 리니어 모터의 힘 특성, 즉, 디텐트력, 흡인력을 해석적 방법에 의하여 예측하였다. 해석결과는 디텐트력 pk-to-pk 오차 0.

이론/모형

그림 2는 영구자석을 갖는 철심형 리니어모터의 자계특성해석을 수행 위한 단순화된 직각좌표계 모델이다. 각 영역에서의 자계 분포 특성은 자기벡터 포텐셜 A_n과 맥스웰 방정식을 기초로 하는 지배방정식을 통해 구할 수 있다.
두 번째는 공극과 영구자석 사이의 자속밀도 분포에 대한 영향이다. 치 슬롯 형상을 고려하기 위하여 하나의 치 슬롯 모델에 대하여 2-D 비퍼미언스 함수를 구하고, 이 함수를 여러 슬롯으로 확장한다. 공극과 영구자석 사이의 퍼미언스 계산은 영구자석을 제거하고 고정자와 가동자 사이의 자기 벡터 포텐셜 변화를 계산하여 구할 수 있으며 2-D 퍼미언스 함수를 Fourier급수로 표현하면 식 (9)과 같다.

성능/효과

6%로 상대적으로 높은 정밀도를 갖는 것을 알 수 있다. 제시된 해석결과를 통해 본 논문의 해석적 모델은 이송 테이블에 적용되는 리니어모터의 힘특성 영향을 잘 반영하고 있음을 알 수 있다. 향후, 정밀도 예측 및 통합시뮬레이터 DB에서 가공오차 예측을 위한 S/W로 적절히 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
본 논문에서는 선형운동 공작기계의 정밀가공오차 원인의 하나인 리니어 모터의 힘 특성, 즉, 디텐트력, 흡인력을 해석적 방법에 의하여 예측하였다. 해석결과는 디텐트력 pk-to-pk 오차 0.0864[N], 흡인력 평균 오차 35.7[N] 1.6%로 상대적으로 높은 정밀도를 갖는 것을 알 수 있다. 제시된 해석결과를 통해 본 논문의 해석적 모델은 이송 테이블에 적용되는 리니어모터의 힘특성 영향을 잘 반영하고 있음을 알 수 있다.

후속연구

제시된 해석결과를 통해 본 논문의 해석적 모델은 이송 테이블에 적용되는 리니어모터의 힘특성 영향을 잘 반영하고 있음을 알 수 있다. 향후, 정밀도 예측 및 통합시뮬레이터 DB에서 가공오차 예측을 위한 S/W로 적절히 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

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