고정도 볼스크류 이송시스템의 성능향상에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In a machine tool, the three major types of errors are geometric, thermal and cutting-force included errors. Thereinto, the geometric errors make up the major part of the inaccuracy of a machine tool, the error caused by cutting forces depending on the types of tool and work piece and the cutting conditions adapted. In a machine tool, continuous usage causes heat generation at the moving elements and this heat causes expansion of the various structural elements of the machine tool. It is this expansion of the structural linkages of the machine that leads to inaccuracy in the positioning of the tool. Such errors are called thermal errors and constitute a significant portion of the total error in a machine tool. Thus the overall volumetric error of a machine tool is not only dependent on errors due to the assembly and the specific kinematic structure of the machine but also on the thermal errors.

As a tried and tested technology, ball screw drive systems are still used in a majority of machine tools which can meet the demands of higher productivity and tight part tolerances due to their low cost and high degree of stiffness. Ball screw is a precision mechanical linear actuator that uses steel balls between a screw shaft and a nut to transfer the motion which convert rotary into linear movement when screw is rotated. Different from any conventional power transmission screw, which needs to overcome sliding friction between the screw and the nut threads, ball screw operates similar to bearing components could achieve high mechanical efficiency since it moves in relatively low rolling friction. Ball screw is the key contributor to the thermal error of a machine tool which leading to dimensional error of machined work-piece.

In order to eliminate geometric error, thermal error and noise error of ball screw feed drive system, series of works were done in this paper. In geometric error elimination, using the method of ball screw groove surface finishing, groove surface grinding process optimization and groove surface lapping technology were developed. In thermal error elimination, the nut and screw liquid cooling method were used to control heat generation of ball screw system. And a series of tests contains axial deformation, positioning accuracy, temperature variation and temperature distribution was carried out in the certain working condition to verify the performance of the such cooling system. And in the noise error elimination case, improvement of circulation method was used. As the results, the such methods of error elimination of ball screw feed drive presented excellent performance improvement.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 방법 4
• 1.3 연구 내용 5
• 1.4 연구 목적 6
• Ⅱ. 볼스크류의 특징과 이론적 분석 8
• 2.1 볼스크류 특징 8
• 2.2 이론적 분석 13
• 2.2.1 볼스크류 기계적 성질 분석 13
• 2.2.2 볼스크류 운동학적 분석 18
• 2.2.3 볼스크류 소음 생성원인 및 고찰 20
• Ⅲ. 볼스크류 궤도면의 연마 효과 22
• 3.1 서언 22
• 3.2 볼스크류 궤도면의 연마방법 23
• 3.3 볼스크류 궤도면 연마 공정의 최적화 26
• 3.3.1 연마 조건 선정 26
• 3.3.2 시험편 28
• 3.3.3 실험장비 29
• 3.3.4 실험방법 30
• 3.4 실험결과 및 해석 31
• 3.4.1 측정장비 31
• 3.4.2 연마 조건의 최적화 결과 32
• 3.4.3 거칠기 측정 결과 40
• 3.5 결언 41
• Ⅳ. 볼스크류 궤도면의 래핑 효과 42
• 4.1 서언 42
• 4.2 볼스크류 궤도면의 래핑방법 43
• 4.2.1 래핑원리 43
• 4.2.2 궤도면 래핑장비 소개 45
• 4.2.3 시험편 46
• 4.2.4 측정장비 47
• 4.3 실험을 통한 래핑공정의 최적화 48
• 4.3.1 래핑 속도의 영향 48
• 4.3.2 래핑 압력의 영향 49
• 4.3.3 래핑 시간의 영향 50
• 4.3.4 표면 거칠기 측정 결과 51
• 4.3.5 표면 형태 변화 52
• 4.4 결언 54
• Ⅴ. 볼스크류 발열에 대한 냉각 효과 55
• 5.1 서언 55
• 5.2 볼스크류의 열 분석 57
• 5.2.1 베어링의 발열량 57
• 5.2.2 너트의 발열량 58
• 5.2.3 열전달 계수 59
• 5.3 실험장비 및 실험방법 61
• 5.3.1 냉각형 볼스크류 61
• 5.3.2 실험장비 62
• 5.3.3 실험방법 63
• 5.4 실험 결과 및 분석 64
• 5.4.1 냉매 선정 64
• 5.4.2 축방향 변형 67
• 5.4.3 정위오차 측정 70
• 5.4.4 온도분포 77
• 5.5 결언 80
• Ⅵ. 볼스크류 볼 순환 방식의 설계 및 개선 81
• 6.1 서언 81
• 6.2 기존 문제점 분석 82
• 6.3 튜브 타입 순환방식의 해석 86
• 6.3.1 순환방식의 모델링 86
• 6.3.2 순환방식의 해석 88
• 6.4 내부순환방식 볼스크류의 연구 91
• 6.4.1 내부순환방식 분석 91
• 6.4.2 내부순환방식의 설계 93
• 6.4.3 내부순환방식의 해석 95
• 6.4.4 튜브 타입 순환방식과 내부 순환방식의 비교 98
• 6.5 시제품 제작 공정 및 완성품 99
• 6.6 소음 측정실험 및 측정 결과 102
• 6.6.1 실험방법 및 실험장치 102
• 6.6.2 회전수별 소음 비교 105
• 6.6.3 주파수 분석 데이터 107
• 6.6.4 음압 분석 데이터 108
• 6.7 결언 109
• Ⅶ. 결 론 110
• 참고문헌 112