정·동강성을 고려한 5축 복합가공기의 설계최적화에 관한 연구 = A study on design optimization of 5-axis multi-tasking machine tools considering static and dynamic stiffness

국문 초록 (Abstract)

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.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

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.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• I. 서 론 1
• 1. 연구의 필요성 및 배경 1
• 2. 국내/외 연구동향 3
• 3. 연구의 목적 및 내용 9
• II. 정·동강성 해석 개요 11
• 1. 구조해석 모델 11
• 2. 해석 소프트웨어 및 강성 평가 기준 14
• Ⅲ. 5축 공작기계의 정강성 해석 16
• 1. 해석 모델 소개 16
• 2. 헤드 구조물의 정강성 해석 18
• 1) 헤드 구조물의 형상 18
• 2) 헤드 구조물의 강성 해석조건 20
• 3) 헤드 구조물의 정강성 해석 결과 23
• 3. 칼럼 구조물의 정강성 해석 27
• 1) 칼럼 구조물의 형상 27
• 2) 칼럼 구조물의 강성 해석조건 29
• 3) 칼럼 구조물의 정강성 해석 결과 30
• 4. 베드 구조물의 정강성 해석 34
• 1) 베드 구조물의 형상 34
• 2) 베드 구조물의 강성 해석조건 36
• 3) 베드 구조물의 정강성 해석 결과 38
• 5. 세들 및 테이블 구조물의 정강성 해석 41
• 1) 세들 및 테이블 구조물의 형상 41
• 2) 세들과 테이블 구조물의 강성 해석조건 42
• 3) 세들과 테이블 구조물의 정강성 해석 결과 42
• 6. 정강성 해석 결과 분석 46
• Ⅳ. 5축 공작기계의 동강성 해석 47
• 1. 헤드 구조물의 동강성 해석 결과 48
• 2. 칼럼 구조물의 동강성 해석 결과 52
• 3. 베드 구조물의 동강성 해석 결과 56
• 4. 세들 및 테이블 구조물의 동강성 해석 결과 60
• 5. 동강성 해석 결과 분석 64
• Ⅴ. 5축 공작기계 구조물 형상 최적화 66
• 1. 헤드 구조물의 형상 최적화 68
• 1) 헤드 구조물 최적화 해석조건 및 결과 68
• 2) 헤드 구조물의 최적화 검증 71
• 2. 칼럼 구조물의 형상 최적화 76
• 1) 칼럼 구조물 최적화 해석조건 및 결과 76
• 2) 칼럼 구조물의 최적화 검증 78
• Ⅵ. 헤드 구조물의 열변형 분석 81
• 1. 헤드 구조물의 열변형 해석 82
• 1) 헤드 구조물의 열변형 해석조건 82
• 2) 헤드 구조물의 열변형 해석 결과 85
• Ⅶ. 결론 87
• 참고문헌 89
• 영문초록 92