구조적 유연성을 포함한 위치정보 기반 5축 공작기계 이송계 모델링과 진동 저감에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

현대 제조 산업에서는 고속·고정밀 가공에 대한 수요 증가로 공작기계의 동적 성능 향상이 필수적이다. 특히 5축 공작기계는 높은 자유도와 복잡한 형상 가공 능력으로 널리 활용되고 있으나, 이송계의 구조적 유연성과 비선형 거동으로 인해 위치오차가 발생하여 가공 정밀도를 저해하는 문제가 존재한다. 기존 연구에서는 이송계를 강체 조합 모델로 단순화하여 최소제곱법, 수학적 계산, 센서를 이용한 동특성 파라미터 식별이 주로 수행되었으나, 비선형 마찰을 반영하기 어렵고 기계구조 변경이 필요하다는 것과 구조적 유연성을 반영하지 못하는 한계가 있다. 또한 다자유도 구조물 모델링이나 FEM 기반 모델링은 식별 가능한 진동모드가 제한적이거나, 높은 계산량이 요구되는 한계가 있다. 구조적 유연성을 반영하더라도 모드 기여도 파악이 어렵거나 비구조적 진동은 고려하지 못하는 문제도 있다. 본 연구는 이러한 문제를 해결하기 위해 위치정보만을 활용하여 5축 공작기계 이송계의 동특성 파라미터와 구조적 유연성의 모달 파라미터를 식별하고, 이를 기반으로 구조적·비구조적 진동을 저감하는 방법을 제안하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 먼저, 임의 파라미터를 갖는 이송계 시뮬레이션 모델과 실제 위치정보 간의 차이를 분석하여 플랜트 상수로 정규화된 관성모멘트와 점성감쇠계수를 식별하고, 외란관측기를 구성하여 다양한 속도 조건에서의 마찰 특성을 모델링하였다. 또한 외란관측기에서 추정한 구조적 유연성에 의한 토크와 위치정보를 기반으로 구조적 유연성의 주파수 응답을 산출하고, Peak Picking 알고리즘과 비선형 최소제곱법을 적용하여 고유진동수, 감쇠비, 모드 참여계수 등 구조적 유연성의 모달 파라미터를 식별하였다. 진동 저감을 위해 구조적 유연성을 포함한 이송계 모델을 기반으로 칼만필터를 설계하여 구조적 진동을 보상하였으며, 가변게인을 적용하여 비구조적 진동에도 대응하도록 하였다. 아울러 급가속·급감속 구간에서는 EI 입력성형기를 적용하고, 모드 참여계수가 가장 큰 모드의 파라미터를 반영하여 성능을 향상시켰다. 제안한 방법의 유효성은 기계장비에 대한 위치 예측오차 및 주파수 응답 비교를 통해 검증하였으며, 구조적 유연성을 고려하지 않은 경우보다 진동 저감 방법 적용 후 이송계 모델의 위치 예측 정확도가 향상됨을 확인하였다. 이러한 결과는 본 방법이 추가 센서 없이도 구조적 유연성을 포함한 이송계를 모델링하고 구조적·비구조적 진동을 저감하는 것으로 이송계 모델의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과적인 방안으로 활용될 수 있음을 보인다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 선행 연구 2
• 1.3 연구 목적 4
• Ⅱ. 위치정보 기반 5축 공작기계 이송계 모델링 6
• 2.1 직선 이송축 모델링 8
• 2.2 회전축 모델링 13
• 2.3 마찰 특성 모델링 17
• 2.4 이송계 모델링 및 위치 예측 결과 20
• 2.4.1 이송계 모델링 결과 20
• 2.4.2 이송계 모델링 기반 위치 예측 결과 23
• Ⅲ. 위치정보 기반 5축 공작기계 구조적 유연성 모델링 29
• 3.1 구조적 유연성 모델링의 필요성 32
• 3.2 직선 이송축 구조적 유연성 모델링 35
• 3.3 회전축 구조적 유연성 모델링 40
• 3.4 구조적 유연성 모델링 결과 43
• Ⅳ. 구조적 유연성을 고려한 진동 저감 47
• 4.1 칼만필터 기반 구조적 진동 저감 50
• 4.1.1 엔벨로프 진동 발생 원인 54
• 4.1.2 가변게인 기반 엔벨로프 진동 저감 59
• 4.2 급가속·급감속 구간 입력성형기 기반 진동 저감 61
• 4.3 진동 저감 결과 64
• 4.3.1 칼만필터 기반 구조적 진동 저감 결과 64
• 4.3.2 입력성형기 기반 진동 저감 결과 108
• 4.3.3 진동 저감 기반 가공 평가 114
• Ⅴ. 결론 118
• 참고문헌 120
• Abstract 124
• 감사의 글 126