Identification of Tapered Spindle-Tool Joint Properties by IRCSA and Optimization = IRCSA 및 최적화를 활용한 테이퍼 형상 공작 기 계 스핀들-공구 결합부 동특성 계측

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The objective of this study is to present an experimental framework for identifying the dynamic characteristics of a spindle–tool joint using the virtual point transformation (VPT) method and inverse receptance coupling substructure analysis (IRCSA). In order to reconstruct joint responses whose direct measurements are limited, particularly rotational degrees of freedom, translational receptances measured at multiple locations were transformed using the VPT method to obtain joint receptances including both translational and rotational components. Based on the reconstructed receptances, the spindle, tool, and joint were treated as separate substructures, and the joint receptance was estimated using IRCSA.
Because the joint receptance estimated by IRCSA can be affected by measurement noise and experimental uncertainty, an additional optimization procedure, with initial parameters determined by receptance coupling substructure analysis (RCSA) was employed to refine the joint receptance matrix. In the optimization procedure, equivalent stiffness and damping parameters of the joint were estimated assuming frequency-independent behavior. These parameters were determined by minimizing the difference between the experimentally obtained receptance of the assembled structure and the receptance reconstructed through substructure synthesis.
Experiments were conducted under various clamping force conditions, and the identified joint parameters revealed that increasing the clamping force led to an increase in joint stiffness, while the damping increased up to a certain level and subsequently decreased. These results demonstrate that the clamping force is a dominant factor that determines the dynamic behavior of spindle–tool joint. The proposed experimental identification framework can be applied to dynamic characterization and frequency-response prediction of machine tool joints, and it provides a basis for future studies on cutting stability analysis and joint design optimization.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 virtual point transformation(VPT) 기법과 inverse receptance coupling substructure analysis(IRCSA) 기법을 활용하여 스핀들–공구 결합부의 동특성을 실험적으로 규명하는 방법을 제시한다. 직접적인 측정이 어려운 결합부 회전 자유도의 응답을 재현하기 위해, 다수의 병진 자유도 리셉턴스 측정값을 VPT 기법을 통해 변환함으로써 결합부의 병진 및 회전 자유도를 포함하는 리셉턴스를 재구축하였다. 이를 바탕으로 스핀들, 공구, 결합부를 부분구조로 분리하여 결합부 리셉턴스를 IRCSA 기법으로 추정하였다. IRCSA를 통해 추정된 결합부 리셉턴스는 측정 오차 및 잡음의
영향을 받을 수 있으므로, 본 연구에서는 receptance coupling substructure analysis(RCSA) 기반의 최적화 절차를 추가로 적용하여 결합부 리셉턴스 행렬을 보정하였다. 최적화 과정에서는 상수
등가 강성 및 감쇠 모델을 사용하여 실험적으로 측정된 결합품 리셉턴스와 예측 리셉턴스 간의 차이를 최소화함으로써 결합부의 유효 동특성을 식별하였다. 제안된 방법을 적용하여 서로 다른 결합력 조건에서 실험을 수행한 결과, 결합력의 증가에 따라 결합부 강성은 증가하고 감쇠는 일정 수준까지 증가한 후 감소하는 경향을 보이는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 결합력이 스핀들–공구 결합부의 동특성에 지배적인 영향을 미친다는 점을 실험적으로 보여준다. 본 연구에서 제시한 방법은 공작기계 결합부의 동특성 식별 및 주파수 응답 예측에 활용될 수 있으며, 향후 절삭 안정성 해석 및 결합부 설계 최적화를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents ii
• List of Figures iii
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Background and motivation 1
• 1.2. Overview of this research 2
• Chapter 2. Theory 3
• 2.1. RCSA and IRCSA 3
• 2.2. Virtual point transformation 4
• Chapter 3. Identification of Joint Properties by IRCSA and Optimization 7
• 3.1. Parameter definition 7
• 3.2. Experimental procedure and FEM 7
• 3.3. Optimization 9
• Chapter 4. Results 11
• 4.1. Optimization results 11
• 4.2. Change of joint properties according to clamping force 11
• Chapter 5. Conclusion 19
• Bibliography 21
• 국문 초록 23