오차 측정모델 가공을 통한 5축 가공기의 회전축 오차 측정 및 보정에 관한 연구

이인노 한국공학대학교 산업기술·경영대학원 2026 국내석사

공작물의 탈부착 없이 다양한 가공 평면에서 절삭가공을 수행할 수 있는 5축 가공기의 장점은, 한 번의 공작물 고정으로 여러 가공 방향에서의 절삭가공을 수행할 수 있는 장점이 있다. 이는 5축 가공기의 특징에서 비롯하며 스핀들이 회전축을 기준으로 회전하거나, 테이블이 회전축을 기준으로 회전하는 5축 가 공기가 있다. 5축 가공기는 공작물의 탈부착 작업 없이 여러 각도에서 작업평 면을 생성하여 절삭가공을 수행할 수 있으며, 생산 과정에 있어 작업시간 단축 및 공작물 탈부착으로 인한 오차 감소 등의 특징이 있다. 본 연구에서는 5축 가공기 중에서 두 축이 회전하는 테이블에 존재하는 틸팅- 로터리 테이블 구조(Tilting-rotary table type; RRTTT)의 5축 가공기를 기준으 로 연구를 진행하였다. 테이블의 회전 과정에서 회전 중심과 공작물의 중심이 일치하지 않아 가공 오차가 발생하기도 한다. 이에 본 연구는 테이블 회전에 따른 공작물의 원점 오차값을 획득하여 가공오차를 최소화할 수 있는 보정 값 을 산출하였다. 다축 가공기의 장점을 극대화 하기 위해 5축 바이스 등을 사용 하여 테이블과 일정 거리를 이동시켜 공작물을 장착하게 되는데, 그로 인한 위 치 오차가 커지게 되므로 적절한 보정 값을 적용하여 회전축의 오차를 최소화 할 필요가 있다. 주요 연구 내용으로는 테이블 회전에 따른 가공 원점의 오차 를 실제 절삭가공을 통해 확인하고, 적절한 보정 값을 산출 및 적용하여 오차 의 변화를 확인하였다. 공작물의 위치와 회전 정도에 따른 최적의 보정 값을 도출하였고, 보정 값의 적용을 통하여 산출된 각 축의 편차는 y축 0.5㎛, z축 0.9㎛ 으로 나타났다. 테이블의 축 회전에 따른 보정 값의 유효성을 확인하기 위하여 테이블 상단에 기준구를 장착하고, 기준구의 표면을 다이얼 인디게이터를 활용하여 측정하였 다. 기계제어는 선단점 제어를 적용하였으며, 일정 간격의 각도로 측정하여 오 차를 산출하였다. 최대 오차는 A 60˚, C 270˚에서 8㎛로 나타났다.

정·동강성을 고려한 5축 복합가공기의 설계최적화에 관한 연구

김재선 대구대학교 대학원 2021 국내석사

고속 및 고정밀에 대한 요구가 증가함에 따라 복합 가공 공구의 강성과 진동에 대한 관심이 높아지고 있다. 그러나 개발 기간 단축이 어렵기 때문에 구조적 최적화를 위한 FEM 사용이 증가하고 있다. 그러나 구조물의 응력 분포를 통한 최적화가 주로 사용되기 때문에 진동 상태를 고려한 최적화가 어렵다. 본 논문에서는 헤드 최적화를 위해 정적 구조 해석, 모달 해석, FEM을 이용한 조화 해석을 수행하여 복합 가공 공구의 작업성에 큰 영향을 미친다. 변수를 설정하여 정적 구조와 동적 강성을 모두 고려한 토폴로지 최적화 해석 방법을 제안하고 이를 재해석하고 검증하고자 한다. 또한 스핀들의 회전으로 인해 헤드 구조에 열이 발생하므로 열에 의한 변형을 고려하기 위해 열전달 및 열 변형 해석을 추가로 수행하였다. 5 축 복합 가공 공구 구조의 정적 구조 및 동적 강성 해석 결과 변형량에는 큰 문제가 없었으나 일부 ​​구조에서는 공진 위험이 있었다. 이 문제를 해결하기 위해 정적 구조 및 동적 강성 해석 결과를 기반으로 토폴로지 최적화 해석을 수행하고 토폴로지 최적화 해석 결과를 기반으로 구조를 재설계하였다. 재설계된 구조의 정적 개선 및 동적 강성을 검증하기 위해 재분석을 수행하였다. 재해석의 정적 구조 및 모달 해석 결과 헤드 구조의 외형각과 리브 두께를 변경하여 변형량을 16 % 개선하고 중량을 2.1 % 감소시켰으며 공진 주파수도 작동 주파수 범위에서 크게 벗어나 정적 및 동적 강성 측면에서 모두 개선 된 것으로 확인되었다. 기둥 구조의 경우 측면의 모양과 내측 리브의 두께가 바뀌었고 무게에는 큰 변화가 없었지만 변형량은 24 % 개선되었다. 본 논문에서 연구 한 결과, 정적 강성만을 고려한 최적화 해석 문제를 해결하기 위해 정적 강성과 동적 강성을 모두 고려한 해석 방법을 제안하고 검증하였다. 헤드 및 기둥 구조의 정적 구조 및 동적 강성을 고려하여 토폴로지 최적화 해석을 수행하였으며, 최적화 된 구조의 정적 및 동적 강성 해석을 재수 행하여 최적화를 통한 구조 개선 방법 검증을 완료했습니다. 토폴로지 최적화를 분석적으로 수행 한 결과 중량 감소 및 강성 향상이 이루어졌습니다. 5 축 복합 가공기의 구조를 개선하기 위해 정적 강성과 동적 강성을 고려한 토폴로지 최적화 해석의 타당성을 수행 하였다. 또한 이 논문의 결과를 바탕으로 최적화 분석을 확장하여 다른 구조를 개선 할 수 있습니다. As the demand for high speed and high precision increases, interest in rigidity and vibration of multi-tasking machining tool is increasing. However, since it is difficult to shorten the development period, the use of FEM for structural optimization is increasing. However, since optimization through the stress distribution of the structure is mainly used, it is difficult to optimize considering the vibration state. In this paper, static structural analysis, modal analysis, and harmonic analysis using FEM were performed to optimize the head, which greatly affects the workability of the multi-tasking machining tool. By setting variables, we propose a topology optimization analysis method that considers both static structure and dynamic stiffness, and reinterpret and verify it. In addition, since heat is generated in the head structure due to the rotation of the spindle, heat transfer and thermal deformation analysis were additionally performed to consider the deformation due to heat. As a result of the static structure and dynamic stiffness analysis of the 5-axis multi-tasking machining tool structure, there was no significant problem in the amount of deformation, but there was a risk of resonance in some structures. To solve this problem, topology optimization analysis was performed based on the static structure and dynamic stiffness analysis results, and the structure was redesigned based on the topology optimization analysis results. Re-analysis was carried out to verify the improvement of static structure and dynamic stiffness of the redesigned structure. As static structure and modal analysis results of the re-analysis, the external shape angle and internal rib thickness of the head structure were changed, and the amount of deformation was improved by 16% and weight was reduced by 2.1%. It was confirmed that the resonant frequency also greatly deviated from the operating frequency range and improved both in terms of static and dynamic stiffness. In the case of the column structure, the shape of the side and the thickness of the inner rib were changed, and there was no significant change in weight, but the amount of deformation was improved by 24%. As a result of the study in this paper, an analysis method to consider both static stiffness and dynamic stiffness was proposed and verified to solve the problem of optimization analysis that only considered static stiffness. A topology optimization analysis was performed considering the static structure and dynamic stiffness of the head and column structure, and the verification of the structural improvement method through optimization was completed by re-executing the static and dynamic stiffness analysis of the optimized structure. As a result of performing topology optimization analytically, weight reduction and rigidity improvement were achieved. In order to improve the structure of the 5-axis multi-tasking machine, the validity of the topology optimization analysis considering both the static and dynamic stiffness was performed. In addition, based on the results of this paper, the optimization analysis can be extended and utilized to improve other structures.

(A) study on the effect of robot introduction on productivity improvement of 5-axis machine for small quantity batch production

이존일 Graduate School, Yonsei University 2021 국내박사

2000년대 이후 제조업의 환경은 빠르게 변화하고 있다. 제품의 수명 주기가 짧아지고, 다양한 제품의 요구로 인해 기존의 대량생산 체제에서 다품종 소량생산을 하는 기업들이 늘어나고 있다. 다품종소량생산 중소기업은 최근 근무환경의 변화와 젊은 기술자의 부재, 설비의 노후 등 여러 가지 환경변화에 어려움을 겪고 있어 대기업과 비교하면 근로자당 노동생산성이 현저히 낮은 수준에 머무는 실정이다. 이러한 환경변화와 함께 최근 화두가 되는, Industiry 4.0, 스마트 팩토리 시대에 맞춰 다품종소량생산 기업이 생산성을 높이고, 근무환경을 개선하기 위해서, 로봇 도입이 필수적 요소로 인식되고 있다. 기존에 정량화된 제품의 공작기계의 로봇을 활용한 사례나 연구자료들이 존재하지만, 다품종소량생산에서의 로봇 도입에 관련 연구가 부족한 상황이다. 본 연구의 목적은 최근 공작기계에서 수요가 늘고 있는 5축 가공기의 로봇 도입으로 인해 다품종 소량 생산의 환경에서 설비 생산성에 영향을 주는 요소들이 어떻게 영향을 받는지 분석하고, 로봇 도입이 경제적 타당성을 검증하는 것이다. 설비의 생산성을 측정하는 설비종합효율과 이를 높이기 위해 관리 되어야 하는 Loss와 다품종소량생산의 가장 큰 특징인 제품의 다양성을 변수로 설정하고 각각의 변수가 로봇 도입으로 인해 생산성에 어떻게 영향을 미치는지 경로 분석을 통해 분석하였다. 분석결과 로봇 도입은 시간 가동률과 계획된 정지 시간 및 계획되지 않은 정지 시간은 경로에 유의한 영향을 미치는 것으로 분석되었고, 성능가동률과 속도 저하의 경로에 유의한 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 시작단계에서의 불량, 가동 중의 불량과 양품률 경로는 로봇 도입으로 유의한 영향을 미치는 것으로 분석되었으나, 제품의 다양성과 생산시간의 경로와 미세정지시간과 성능가동률의 경로는 유의하지 않은 결과를 얻었다. 변수로 설정한 6가지 로스와 생산성 향상의 경로에 모두 유의한 영향이 있는 결과를 얻었다. 연구 기간 정량적 데이터 분석을 통해 실제 생산시간을 도출하고, 이를 기반으로 NPV, B/C Ratio, IRR, PP 경제성 분석을 하였다. 분석결과, 5축 가공기의 로봇 도입은 경제적 타당성이 우수한 것으로 분석되었으며, 다양한 변수를 고려하여 실시한 수익과 비용변화에 따른 민감도 분석(±20%)을 수행하여 경제성 분석결과를 다시 한번 확인하였다. 본 연구를 통해 도출한 로봇 도입으로 인한 각 경로의 직접 효과, 간접효과, 총 효과의 크기에 대한 의의를 제시하고, 결과에 따른 산업과 학계에서 본연구의 활용성, 연구의 한계점 및 향후 연구 방향을 제시하였다. Since the 2000s, the environment of the manufacturing industry has changed rapidly. Companies are increasingly using small quantity batch production from the conventional mass production system due to the shortened product life cycle and the demand for various products. Since small and medium-sized enterprises that use small quantity batch production are suffering from various environmental changes such as recent changes in the working environment, absence of young technicians, and obsolescence of equipment, the labor productivity per worker remains significantly lower than that of large enterprises. The introduction of robots is recognized as an essential factor in order to increase productivity and improve the working environment for companies that use small quantity batch production in line with the Industry 4.0 and Smart Factory era, which are the recent conversation topics, along with such environmental changes. Although there have been cases and research data using robots of machine tools for quantified products in the past, there are insufficient studies on the introduction of robots in small quantity batch production. The purpose of this study is to analyze how factors affecting equipment productivity are affected in the small quantity batch production environment due to the introduction of robot for 5-axis machine, which are increasing in demand in machine tools, and to verify the economic feasibility of introducing robots. The Overall Equipment Effectiveness that measures the productivity of the equipment, the loss that needs to be managed accordingly, and the diversity of products, which is the biggest feature of small quantity batch production, were set as variables to analyze how each variable affects productivity due to the introduction of robots through path analysis. As a result of the analysis, it was analyzed that robot introduction had a significant effect on the path of the availability, planned and unplanned down time, and it was analyzed that it had a significant effect on the path of performance rate and reduced speed. It was analyzed that although the introduction of the robot had a significant effect on the path of defects in the starting stage, scraps during operation, and quality rate, it was not significant on the variety of products, the path of running time, and the path of minor stoppages and performance rate. Results showed that it had a significant effect on all the six losses set as variables and the path of equipment productivity improvement. The actual production time was derived through quantitative data analysis during this research period, and NPV, B/C Ratio, IRR, PP and economic feasibility were analyzed based on this. As a result of the analysis, it was analyzed that the introduction of a robot for a 5-axis machine has good investment feasibility, and a sensitivity analysis (±20%) according to changes in profit and cost was conducted in consideration of various variables, thereby Economic feasibility analysis result was confirmed once again. The significance of the magnitude of the direct effect, indirect effect, and total effect of each path due to the introduction of robots derived through this study was presented, and the usability of this study in industry and academia according to the results, limitations of the study, and future research topics were presented.

프로펠러 가공기의 수치 제어 프로그램 개발

김유철 서울대학교 대학원 2001 국내석사