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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.14 No.6 pp.122-128
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2015.14.6.122

A Study on Optimization for Static Characteristics Analysis of Gantry-Type Machining Centers

Deck-Sang Yoo*#
*Dept. of Mechatronics, Daegu Campus of Korea Polytechnics
Corresponding author : yds@kopo.ac.kr Tel : 82-53-560-3202, Fax : 82-53-560-3253
October 27, 2015 November 2, 2015 November 3, 2015

Abstract

Recently, as the demand for high efficiency, multi-function machine tools has increased, domestic machine tool industries are investing in research and development for Gantry-Type Machining centers. In this thesis, for the purpose of evaluating machining accuracy and designing a machine tool structure, a simplified model of the main frame is suggested. The results show the general characteristics of the optimum design, and the approach is shown as practicable for the preliminary design analysis and improvement of a conceptual design of a Gantry-Type Machining center. This paper’s results are expected to improve the static characteristics of Gantry-Type Machine centers. The three-dimensional finite element models proved that the modeling method might be applied to real machine tool structures


문형머시닝센터의 구조해석을 통한 최적화에 관한 연구

유 덕상*#
*한국폴리텍대학 대구캠퍼스 메카트로닉스과

초록


    1.서 론

    공작기계는 모든 산업의 근간이 되는 기초산업으 로써, 공작기계 산업이 발전이 기계부품 제작 및 가공기술이 발달할 수 있다. 현재 우리나라에서도 대형 부품 제작 및 가공하기 위한 공작기계 개발 필 요성이 대두되고 있어, 대형 공작기계 개발의 국산 화를 실현할 필요가 있다.

    최근 고속절삭용 공구의 발달과 함께 가공품의 생 산성 및 품질향상에 대응하면서, 공작기계의 주축계, 이송계 등 핵심부의 가공 및 조립기술, 그리고 구조 계의 정적, 동적 등의 분석 및 최적화 기술은 공작 기계의 설계기술 확보, 성능 향상에 필수적인 사항 이 될 것이다.

    공작기계 설계의 핵심 요구사항은 최종 가공물의 표면조도 및 치수정밀도를 극대화하는 고정도화와 고속도화, 고능률화 등을 들 수 있다. 특히 공작기 계에서 고능률화 또는 고속화를 위해서는 고속절삭 가공을 실현해야 하며 그러기 위해서는 주축 설계 시에는 고려해야 할 사항들이 많다[1,2]..

    공작기계의 절삭성능을 향상시키기 위해서는 주축 계의 기본요구 기능들인 부하용량, 고강성 등의 정 적기능과 저진동, 고감쇠, 고회전 정도 등의 동적기 능 외에도 열특성, 기능수명의 장기화 등 실용성이 매우 중요한 사항임에도 이론적 해석과정이 생략되 고 경험에 의존한 직감적인 설계로 신뢰성이 미흡한 것이 일반적인 산업계의 현실이며 주축의 고속화 추 세에 대응하기 위해 회전관성 등 주축계의 신뢰성 확보을 위해서 설계시 구조에 대한 해석시스템을 활 용할 필요성이 증대되고 있다[3,4,5].

    따라서 본 연구에서는 문형머시닝센터의 모델을 구축하고(MCV-1530), 그 모델을 토대로 체계적으로 공작기계의 기구학적 이해와 해석을 통한 진동양상 및 변형을 파악하여 그 결과를 고찰함으로써 문형머 시닝센터의 제작 및 설계에 적용할 수 있도록 하는 것이 주요 연구내용이다.

    2.문형머시닝센터의 모델

    문형머시닝센터 MCV-1530의 기하학적 형상은 Fig.1과 같다. Head와 Saddle 그리고 Table 1은 LM Guide를 따라 이동하며 Magazine과 CAMBOX는 Column에 부착되어 있다. Base 하부의 홀(Hole)은 볼 트(Bolt)로 고정이 되어있는 대형 공작기계 구조물이 다.

    다음의 Fig. 1(a)은 각 파트의 명칭을 나타낸 것이 며, (b)는 MCV-1530의 어셈블리(Assembly) 형상을 나타내었다.

    유한요소해석을 수행하기 위하여 문형머시닝센터 MCV-1530의 각 파트는 Dummy Spindle, Head, Saddle, Column, Table, Base, LM Guide 및 LM Block 로 나누어 모델링하였다.

    각 파트 및 이송체는 솔리드 요소(Solid element)를 이용하여 모델링 하였으며, Table 적재 하중은 질량 요소(Mass element)를 이용하여 모델링을 하였다.

    유한요소 해석을 위한 좌표계는 Table 이동방향을 X-축, Saddle 이동방향을 Y-축 그리고 Head 이동방 향을 Z-축으로 설정하였다.

    Table 1은 MCV-1530의 개발 사양을 나타낸 것이 다.

    3.Head & Saddle 위치에 따른 해석 모델

    Head, Saddle 그리고 Table은 LM Guide를 따라 이 동하며 각 방향별 이송량은 X-축 방향으로 3,200 mm Y-축 방향으로 1,600 mm 그리고 Z-축 방향으로 800 mm 이동할 수 있도록 설계되었다.

    Fig. 2는 각 파트별 최대 이송 위치에 대한 해석 모델을 나타낸 것이며, Table 2은 위치에 따른 치수 정보를 나타낸 것이다.

    4.모드해석 결과

    진동해석시 모드해석(Modal analysis)은 운전영역 에서 고유진동수에 따른 모드형상을 검토하기 위한 것으로 본 해석에서는 운전영역을 충분히 내포할 수 있도록 10차까지 고유진동수와 고유진동모드를 고려 하였다[6,7,8].

    Fig. 3은 해석 모델-1의 1차 고유진동수는 35.85[Hz]에서 Saddle이 Y-축 방향에 대한 굽힘모드 가 나타났으며, 2차 고유진동수는 37.25 Hz에서 Column이 Z-축 방향에 대하여 굽힘모드가 나타났다. 그리고 3차 고유진동수는 64.90 Hz에서 Y-축 방향으 로 Head의 굽힘모드가 나타났다.

    Fig. 4는 해석 모델-2의 1차 고유진동수는 32.29 Hz 에서 Saddle이 Y-축 방향에 대하여 굽힘모드가 나타 났으며, 2차 고유진동수는 37.28 Hz에서 Column이 Z-축 방향에 대하여 굽힘모드가 나타났다. 그리고 3 차 고유진동수는 73.62 Hz에서 Z-축 방향으로 Head 의 비틀림모드가 나타났다.

    Fig. 5는 해석 모델-3의 1차 고유진동수는 35.10 Hz 에서 Saddle이 Y-축 방향에 대하여 굽힘모드가 발생 하였으며, 2차 고유진동수는 37.50 Hz에서 Column이 Z-축 방향에 대하여 굽힘모드가 나타났다.

    그리고 3차 고유진동수는 66.61 Hz에서 Y-축 방향으 로 Head의 굽힘모드가 나타났다.

    Fig. 6은 해석 모델-4의 1차 고유진동수는 31.51 Hz 에서 Saddle이 Y-축 방향에 대하여 굽힘모드가 발생 하였으며, 2차 고유진동수는 36.96 Hz에서 Column이 Z-축 방향에 대하여 굽힘모드가 나타났다. 그리고 3 차 고유진동수는 69.24 Hz에서 Z-축 방향으로 Head 의 비틀림모드가 나타났다.

    5.모델에 따른 정적해석 결과

    5.1.해석 모델-1 정적해석 결과

    해석 모델-1은 Saddle이 Column의 중앙에 위치하 며, Head는 Z-축 방향으로 -400 mm 이송한 위치에 서의 해석 모델이다.

    Fig. 7(a)은 문형머시닝센터 MCV-1530 해석 모델-1 의 자중에 의한 최대 처짐은 Head 상부에서 90.1 μm 에 나타났다.

    Fig. 7(b)는 해석 모델-1에 대하여 X-축 방향 절삭 력에 의한 최대처짐(Usum)이 Dummy Spindle 끝단에 서 353.7 μm 발생하였으며 최대응력은 Saddle 끝단과 연결된 Head 후면 중앙에서 21.83 MPa로 나타났다.

    Fig. 7(C)는 해석 모델-1의 Y-축 방향 절삭력에 의한 최대처짐은 Dummy Spindle 끝단에서 234.1 μm 발생 하였으며 최대응력은 Dummy Spindle을 지지하는 Head 하단부에서 14.63 MPa로 나타났다.

    Fig. 7(d)는 해석 모델-1의 Z-축 방향 절삭력에 의 한 최대처짐(Usum)이 Dummy Spindle 끝단에서 46.4 μm 발생하였으며 최대응력은 Dummy Spindle을 지지 하는 Head 하단부에서 5.28 MPa로 나타났다.

    5.2.해석 모델-2 정적해석 결과

    해석 모델-2는 Saddle이 Column의 중앙에 위치하 며, Head는 Z-축 방향으로 +400 mm 이송한 위치에 서의 해석 모델이다.

    Fig. 8(a) 문형머시닝센터 MCV-1530 해석 모델-2의 자중에 의한 최대처짐(Usum)이 Head 상부에서 122.6 μm발생하였으며 최대응력은 Dummy Spindle를 지지 하는 Head 하단부에서 1.10 MPa로 나타났다.

    Fig. 8(b)는 해석 모델-2의 X-축 방향 절삭력에 의 한 최대처짐(Usum)이 Dummy Spindle 끝단에서 82.0 μm발생하였으며 최대응력은 Dummy Spindle를 지지 하는 Head 하단부에서 14.07 MPa로 나타났다.

    Fig. 8(c)는 해석 모델-2의 Y-축 방향 절삭력에 의 한 최대처짐(Usum)이 Saddle 상부에서 151.6 μm발 생하였으며 최대응력은 Dummy Spindle을 지지하는 Head 하단부에서 15.13 MPa로 나타났다.

    Fig. 8(d)는 해석 모델-2의 Z-축 방향 절삭력에 의 한 최대처짐(Usum)이 Saddle 상부 끝단에서 43.7 μm 발생하였으며 최대응력은 Dummy Spindle을 지지하 는 Head 하단부에서 5.75 MPa로 나타났다.

    5.3.모델-3 정적해석 결과

    해석 모델-3은 Saddle이 Column의 끝단(-800 mm)에 위치하며, Head는 Z-축 방향으로 -400 mm 이송한 위치에서의 해석 모델이다.

    Fig. 9(a)는 해석 모델-3의 자중에 의한 최대처짐 (Usum)이 Head 상부에서 80.9 μm 발생하였으며 최대 응력은 Head 상부에서 2.26 MPa로 나타났다.

    Fig. 9(b)는 해석 모델-3의 X-축 방향 절삭력에 의 한 최대처짐(Usum)이 Dummy Spindle 끝단에서 325.1 μm 발생하였으며 최대응력은 Head 중앙 가장자리에 서 22.14 MPa로 나타났다.

    Fig. 9(c)는 해석 모델-3의 Y-축 방향 절삭력에 의 한 최대처짐(Usum)이 Dummy Spindle 끝단에서 222.7 μm 발생하였으며 최대응력은 Dummy Spindle을 지지 하는 Head 하단부에서 14.51 MPa로 나타났다.

    Fig. 9(d)는 해석 모델-3의 Z-축 방향 절삭력에 의한 최대처짐(Usum)이 Dummy Spindle 끝단에서 43.6 μm 발생하였으며 최대응력은 Dummy Spindle을 지지하 는 Head 하단부에서 6.42 MPa로 나타났다.

    5.4.해석 모델-4 정적해석 결과

    해석 모델-4는 Saddle이 Column의 끝단(-800 mm)에 위치하며, Head는 Z-축 방향으로 +400 mm 이송한 위치에서의 해석 모델이다.

    Fig. 10(a)는 해석 모델-4의 자중에 의한 최대처짐 (Usum)이 Head 상부에서 112.1 μm 발생하였으며 최 대응력은 Saddle와 연결된 Head 후면에서 2.06 MPa 로 나타났다.

    Fig. 10(b)는 해석 모델-4의 X-축 방향 절삭력에 의한 최대처짐(Usum)이 Dummy Spindle 끝단에서 63.5 μm 발생하였으며 최대응력은 Dummy Spindle를 지지하는 Head 하단부에서 14.16 MPa로 나타났다.

    Fig. 10(c)는 모델-4의 Y-축 방향 절삭력에 의한 최 대처짐(Usum)이 Saddle 상부에서 116.7 μm 발생하였 으며 최대응력은 Dummy Spindle을 지지하는 Head 하단부에서 15.14 MPa로 나타났다.

    Fig. 10(d)는 해석 모델-4의 Z-축 방향 절삭력에 의 한 최대처짐(Usum)이 Saddle 상부 끝단에서 45.6 μm 발생하였으며 최대응력은 Dummy Spindle을 지지하 는 Head 하단부에서 5.96 MPa로 나타났다.

    6.결과 분석

    6.1.모드해석 결과 비교 분석

    문형머시닝센터 MCV-1530의 절삭위치에 4개(해석 모델-1,2,3,4)의 해석 모델에 대하여 10개의 고유진동 수 및 진동 모드를 계산하였다. 모든 해석 모델에서 1차 진동 모드는 Saddle이 Y-축 방향에 대하여 굽힘 모드가 나타났으며 2차 진동 모드는 Column이 Z-축 방향으로 굽힘모드가 나타났다.

    Head의 위치가 아래쪽 보다는 위쪽에 위치하는 것 이 고유진동수가 높게 나타났으며, Saddle의 위치도 Column 중앙보다는 끝단에 위치하는 것이 고유진동 수가 높게 나타났다. 이것은 Head와 Saddle의 위치변 화로 인하여 구조물의 강성이 증가하였기 때문이다. Spindle이 10~6,000 rpm 영역에서 운전하기 때문에 모드해석 결과 100 Hz 내에서 1차~5차 고유진동수 는 공진의 위험성을 가지고 있다. Table 3은 각 위치 에서 고유진동수 결과를 정리한 것이다.

    6.2.정적 해석결과 비교 분석

    문형머시닝센터 MCV-1530의 해석 모델에 대하여 절삭위치에 따라 자중과 절삭력 작용 시 변위와 응 력을 평가하였다.

    최대응력은 모든 해석 모델에서 적재하중 10,000 kg이 작용하는 Table 하부 LM Block에서 발생하였 으며, 응력의 크기는 47~50 MPa로써 안전율은 충분 한 것으로 나타났다.

    Table 4은 각 위치에서 최대처짐과 응력에 대한 결 과를 정리한 것이다.

    7.결 론

    본 연구에서는 문형머시닝센터에 대하여 유한요소 해석법을 이용하여 모드해석과 자중, 절삭력에 의한 정적해석에 의한 구조해석을 수행하였으며, 변위와 응력 특성을 비교 평가하여 다음과 같은 결론을 얻 었다.

    1. 모드해석 결과 운전영역은 1~6,000 rpm에서는 5개 의 고유진동수가 존재하였으며, Head가 Z-축 방향 으로 +400 mm 위치하는 것 보다 -400 mm 위치 시 고유진동수가 낮게 나타났다.

    2. 자중에 의한 처짐은 Head와 Saddle의 위치에 따라 최대 10 μm 발생하였다. X/Y-축 방향 절삭력 작용 시 해석 모델-1에서 최대변위가 발생하였으며, Z- 축 방향 절삭력 작용시 해석 모델에 따라 최대변 위는 크게 차이가 나타나지 않았다.

    3. 고속가공기 및 대형물 가공기술개발에 대한 연구 가 시급히 요구되며, 생산 현장에 적용되어 생산 성을 획기적으로 증대시킬 수 있다.

    4. 향후 최종 설계 완료 후 주파수 응답해석을 통하 여 운전 시 특정 위치의 변위나 응력을 분석하고 또한 동강성을 평가한다면 고강성의 문형머시닝센 터을 개발할 수 있을 것으로 판단된다.

    Figure

    KSMPE-14-122_F1.gif
    Geometry of MCV-1530 assembly
    KSMPE-14-122_F2.gif
    Ass'y positions of analysis model
    KSMPE-14-122_F3.gif
    Mode shape of analysis model-1
    KSMPE-14-122_F4.gif
    Mode shape of analysis model-2
    KSMPE-14-122_F5.gif
    Mode shape of analysis model-3
    KSMPE-14-122_F6.gif
    Mode shape of analysis model-4
    KSMPE-14-122_F7.gif
    Max. displacement of analysis model-1
    KSMPE-14-122_F8.gif
    Max. displacement of analysis model-2
    KSMPE-14-122_F9.gif
    Max. displacement of analysis model-3
    KSMPE-14-122_F10.gif
    Max. displacement of analysis model-4

    Table

    Specifications of MCV-1530
    Comparison of analysis model for head and saddle positions
    Comparison of natural frequency for analysis model
    Comparison of displacement and stress for static force

    Reference

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