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민복기(Bog-Ki Min),박천홍(Chun-Hong Park),정성종(Sung-Chong Chung) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集A Vol.40 No.1
볼나사 시스템은 볼과 그루브 사이에서 발생하는 마찰에 의해 온도가 상승하며, 이에 따른 열변형이 이송계의 위치결정 정도를 저하시킨다. 이를 보상하기 위해서는 볼나사 온도분포의 우선적 예측이 필요하다. 본 논문에서는 나사축 회전속도에 따른 온도분포를 해석하기 위해 볼나사 축과 너트를 각각 실린더와 중공 실린더로 가정한다. 경계조건인 대류 열전달계수, 볼과 그루브에서 발생하는 마찰토크와 접촉열전도를 볼나사 운전 및 조립 조건에 대하여 정식화 한다. 그리고, 현시적 유한차분법을 적용한 온도 분포 예측 시뮬레이터를 개발하고 그 유용성을 검증한다. Friction generated from balls and grooves incurs temperature rise in the ballscrew system. Thermal deformation due to the heat degrades positioning accuracy of the feed drive system. To compensate for the thermal error, accurate prediction of the temperature distribution is required first. In this paper, to predict the temperature distribution according to the rotational speed, solid and hollow cylinders are applied for analysis of the ballscrew shaft and nut, respectively. Boundary conditions such as the convective heat transfer coefficient, friction torque, and thermal contact conductance (TCC) between balls and grooves are formulated according to operating and fabrication conditions of the ballscrew. Explicit FDM (finite difference method) is studied for development of a temperature prediction simulator. Its effectiveness is verified through numerical analysis.
민복기(Bog-Ki Min),박천홍(Chun-Hong Park),정성종(Sung-Chong Chung) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集A Vol.42 No.11
볼나사는 기하학적 형상정보와 작동조건에 따라 발생하는 마찰에 의해 온도가 상승하며, 이는 열변형을 초래하여 이송계의 위치결정 정도를 저하시킨다. 열변형에 따른 열오차를 보상하기 위해서는 정확한 온도분포 예측이 선행되어야 한다. 본 논문에서는 볼나사 모델에 관계없이 온도를 해석하기 위해 암시적 유한차분법을 적용한 파라메트릭 온도분포 예측 시뮬레이터를 개발한다. 열경계조건인 너트부의 발열량과 대류계수는 일체집중법을 적용하여 추정하고, 나사축 표면의 대류계수와 볼과 그루브 접촉면에서의 접촉열전도는 정식화된 수식을 이용하여 계산된다. 그리고 몇 가지 나사축 회전속도에서 격자크기와 연산 시간간격에 따른 온도분포를 예측하고, 실험으로 개발 된 시뮬레이터의 유용성을 검증한다. The frictional heat generated according to geometric information and operating conditions of a ball screw incurs temperature rise. The thermal deformation due to this temperature rise deteriorates the positioning accuracy of feed drive systems. To compensate for the thermal error due to thermal deformation, the temperature distribution first has to be accurately predicted. In this paper, to predict the temperature distribution regardless of the ball screw model, a parametric temperature prediction simulator is developed using an alternating direction implicit (ADI) finite difference method (FDM). The heat generation rates and convection coefficients of the nut are estimated using the one-body lumped method. Convection coefficients of the shaft surface and thermal contact conductance (TCC) values at the ball screw interface are obtained from previous models. In addition, to verify the validity of the developed simulator, various analyses are performed according to the node size and time interval for several feed speeds. Experiment results confirm the validity of the results obtained.
오광제(Kwang-Je Oh),김경호(Gyungho Khim),박천홍(Chun-Hong Park),정성종(Sung-Chong Chung) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集A Vol.40 No.2
LM 볼가이드는 구름접촉을 갖는 이송시스템의 핵심요소로서 공작기계, 반도체 장비, 로봇 등 정밀기계에 널리 사용된다. 그러나 LM 볼가이드에서 발생하는 마찰력은 마찰열을 유발하여 위치 정도를 저하시키고 강성과 예압 변화를 야기한다. 이런 영향을 정확하게 분석하여 정밀 기계설계에 응용하기 위해서는 마찰력 모델의 정식화가 요구된다. 본 논문에서는 구름마찰, 점성마찰, 슬립마찰을 고려한 LM 볼가이드의 정확한 마찰력 모델을 유도한다. 그리고 다양한 조립, 부하 및 속도 조건에서 실험을 수행하여 마찰력 모델의 신뢰성을 검증하고, 마찰력 모델로부터 마찰 성분의 영향력을 분석한다. Linear motion (LM) ball guides with rolling contact are core units of feed-drive systems. They are widely applied for precision machinery such as machine tools, semiconductor fabrication machines and robots. However, the friction force induced from LM ball guides generates heat, which deteriorates positioning accuracy and incurs changes of stiffness and preload. To accurately analyze the effects and apply the results to precision machine design, mathematical modeling of the friction force is required. In this paper, accurate formulation of the friction force due to rolling, viscous, and slip frictions is conducted for LM ball guides. To verify the reliability of the developed friction model, experiments are performed under various assembly, load and velocity conditions. Effects of frictional components are analyzed through the formulated friction model.