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선형모터 루프 성형 제어 기법을 이용한 공작기계의 채터 저감 기술 연구
정재우(J. W. Jung),김은규(E. K. Kim),정상원(S. W. Jung),권윤식(Y. S. Kwon),강보민(B. M. Kang),심광섭(K. S. Sim),이창호(C. H. Lee),윤준영(J. Y. Yoon) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
절삭 가공 중 발생하는 공작기계의 채터 진동은 취약 진동 모드의 낮은 동강성으로 인해서 발생한다. 이는 가공품질을 저하시키고 또한 생산성 향상을 제한하는 주요 요인이다. 공작기계의 동강성을 향상시키기 위한 방안으로 수동형 댐퍼와 능동형 댐퍼가 있다. 능동형 댐퍼는 절삭 가공 시 발생하는 공작기계의 진동 정보를 토대로 취약 진동모드의 동강성을 향상시키기 위해 설계된 제어기가 구동력을 생산한다. 따라서 공작기계의 동특성 변화에 따라 유연하게 구동력을 적용할 수 있으므로 채터를 효과적으로 저감할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 공작기계는 능동형 댐퍼가 타겟으로 하는 취약 진동 모드 외에 다양한 진동 모드들을 가지고 있으며, 이는 능동형 댐퍼를 불안정한 제어 상태로 이끌수 있거나 동강성 향상 효과를 감소시킬 수 있다는 어려움이 있다. 본 연구에서는 선형 모터의 능동 제어를 통해 능동형 댐퍼를 구현 및 공작기계의 진동을 저감하는 기술에 대해서 제안한다. 제한된 공간내 필요 구동력을 제공할 수 있는 선형 모터를 유한요소해석을 통해 최적화 설계를 진행하였다. 또한 공작기계와 선형 모터로 구성된 피드백 시스템의 루프 성형 제어를 통하여 위에서 언급한 어려움들을 고려한 다양한 절삭 조건에서 높은 동강성 효과를 제고할 수 있는 제어 기법에 대해서 제안하며, 이를 동강성 향상 및 절삭 가공 실험을 통해서 그 결과를 확인하였다.
분할 경계층 모델을 이용한 리니어 모터 끝단 현상에 의한 힘의 파동 모델링에 관한 연구
김재현(J. H. Kim),정상원(S. W. Jung),권윤식(Y. S. Kwon),윤준영(J. Y. Yoon) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
Permanent Magnet Linear Synchronous Motor (PMLSM)는 반도체 생산 장비를 비롯한 다양한 제조 및 정밀 가공 시스템에 적용되고 있다. 리니어 모터의 고정자와 이동자에 존재하는 끝단에 의해 공극의 양 끝에서 자기장은 비주기적인 분포를 보이게 되며, 이는 곧 모터 힘의 파동을 만들어낸다. 이러한 힘의 파동에 의한 원치 않는 진동은 서보 시스템의 위치 제어 정확도를 낮추는 주범이 되므로 정밀 제어의 성능 향상을 위해서는 설계 단계에서부터 끝단 현상이 반드시 고려되어야만 한다. 맥스웰 방정식을 기반으로 하여 직접 자기장 해(Magnetic Field Solution)를 구하는 기존의 경계층 모델의 경우, 유한요소해석과 비교하여 해석시간이 짧다는 장점이 있지만, 푸리에 급수 전개를 이용한 풀이과정에서 모터의 기본 유닛이 양 끝으로 무한히 펼쳐져 있다는 가정으로 인해 끝단 현상을 제대로 반영하지 못한다. 끝단 현상을 반영하기 위해 기존의 경계층 모델을 수정하려는 다양한 시도가 있었지만, 전류에 의한 힘의 파동이 고려되지 않거나, 이동자 혹은 고정자중 한쪽에 의한 끝단 현상만 고려되는 등의 한계가 존재한다. 본 연구에서는 백아이언(Back-iron)이 위치한 경계층의 기본주기를 다르게 설정하고, 전류밀도에 대한 경계층을 모델에 포함하는 분할 경계층 모델(Segmented Layer Model)을 제시하였다. 이를 통해 이동자 및 고정자에 의한 끝단 현상을 모두 반영하면서도, 모터의 형상에서 기인하는 힘의 파동뿐만 아니라 전류를 가해 줌에 따라 추가적으로 발생하는 힘의 파동을 포함하는 모터 힘을 모델링 하였다. 유한요소해석과 비교하였을 때, 분할 경계층 모델은 99% 이상의 정확도를 유지하면서도 해석에 소요되는 시간을 약 40 배 이상 줄여준다는 것을 확인하였다.