기계 시스템의 소형화에 따른 결합 구조물의 동특성 연구 = (A)study on the dynamic characteristics of joint structure according to miniaturization of mechanical system

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The advent of microfabrication technologies in the last couple of decades according to advancement of mechanical equipments and scientific technologies has led the beginning of micro machine, micro machining technology, and micro factory.
The major technologies applied to produce micro parts and micro components are the micro electronic fabrication technique like micro electromechanical systems and X-ray lithography technology and also micro manufacturing technologies like micro electric discharge machining and focused ion beam process. However, these kinds of technologies have the limitation of materials and shapes. Regardless of the materials and shapes, the mechanical machining of micro/meso-level parts and shapes is carried out by ultra precision machining processes such as diamond turning, micro milling, micro drilling, and micro grinding, but these processes tend to increase high production cost and lengthy production time. In order to overcome the drawbacks and difficulties of such technologies, recently micro/meso machine tool and microfatory system have been materialized due to effective usefulness and efficient system maintenance. One of the most important issues to be considered in development of micro/meso machine tool and micro factory is the effect on dynamic behavior and dynamic characteristics by miniaturization of machine structure from macro to micro system. Therefore, it is the key to find out whether the research on structural analysis accumulated in macro system can be applied to the new concept micro system.
This paper is to study that the structure miniaturization has effect on dynamic parameters of bolt-jointed structure to predict the changes in structural characteristics and dynamic behaviors to occur in micro/meso machine and micro factory.
The dynamic characteristics of natural frequencies, damping ratios, and mode shapes are identified and compared through modal testing with test models by 4 types of size from macro to micro-size, 2 types of joining conditions like monolithic and bolt-jointed model, and 2 types of materials like SS41 and AL6061. In addition, natural frequencies and mode shapes by using the exact same finite element analysis as is generally applied to conventional macro system are also extracted and compared with the results of modal testing. Based on the results of modal testing and finite element analysis, the natural frequencies according to joining condition and material in macro-size test model are little changes; on the other hands, those in AL6061 micro-size bolt-jointed test model are much lower than we expected. This unusual feature results from the changes of dynamic characteristics in bolt-jointed structure due to the miniaturization from macro to micro-scale, the decrease of joining stiffness in bolt-joints, and the change of material from steel to aluminum. In this research, I suggest the modified natural frequency equation considering weighting factors on the basis of the result of modal testing and predict the natural frequency in micro-size model by using that in macro-size model.
Unfortunately, since a study on the structural characteristics according to the scale-down has never been verified so far, the structural test and dynamic analysis to predict dynamic behavior and structural characteristics of micro/meso machine structure in advance is indispensable to new system design and design modification.

국문 초록 (Abstract)

기계 장비와 과학 기술이 진보됨에 따라 많은 분야에서 각종 제품과 구성품들의 마이크로/메조 크기로 소형화를 구현시키기 위해 새로운 제조 공정과 가공 기술이 개발되어 계속 진보되면서 기계, 전기전자, 재료 등의 전통산업에서는 경쟁력을 강화시키고 정보통신, 생명과학, 항공우주 등의 첨단 분야의 산업화를 가속화시키고 있다. 현재 마이크로 장치, 구성품, 시스템을 생산하기 위한 기술로 재료와 형상에 제한 없이 마이크로/메조 레벨의 기계적인 가공은 다이아몬드 터닝, 마이크로 밀링, 마이크로 드릴링, 마이크로 그라인딩과 같은 초정밀 기계 가공과정에 의해서 이루어진다. 이 방법은 높은 정확도로 마이크로/메조 크기의 구성품과 형상을 생산할 수는 있지만 필수 정확도를 유지하기 위한 공간과 에너지가 커 생산비가 높아지는 경향이 있다. 이러한 초정밀 가공 공정들의 결점을 극복하고 고정밀 미세 부품과 마이크로 가공을 위하여 마이크로/메조 크기 공작기계 및 마이크로 팩토리 개발이 활발히 진행되고 있다. 이는 신개념의 생산 시스템으로 소비자가 원하는 제품을 현장에서 신속히 제조할 수 있어 공간, 에너지, 노동력을 효과적으로 절감하여 효율적인 시스템의 유지를 할 수 있게 된다. 마이크로/메조 공작기계 및 마이크로 팩토리가 개발되면서 반드시 고려되어야 할 분야 중 하나가 시스템의 소형화에 따른 구조 동특성과 동적 거동에 대한 영향 규명이다. 초기의 마이크로 공작기계는 기존의 매크로 공작기계에 마이크로/메조 크기의 공구를 부착한 시스템이 대부분이었지만 현재는 구조물 자체가 소형화되고 있다. 그러나 불행하게도 현재까지 마이크로/메조 크기로 감소에 따른 구조 특성에 대한 연구는 거의 전무한 실정이다. 기존 매크로 시스템에서 축적된 연구결과가 마이크로 시스템의 특성이나 거동에 적용가능 여부에 대한 의문이 존재한다. 따라서 앞으로 개발될 마이크로/메조 시스템에 대한 동적 성능이나 동적 거동을 예측하기 위한 동적 시험과 구조 해석은 설계와 개발을 위해서 반드시 요구되는 과정이다.
본 논문에서는 매크로 시스템에서 마이크로 시스템으로의 스케일 감소가 볼트 결합부에서의 동특성 파라미터에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. 볼트 결합부는 기존 매크로 기계 구조물의 결합방식일 뿐만 아니라 높은 정밀도를 요구하는 소형 공작기계의 부분 구조물 결합에도 널리 적용되고 있다. 기계 시스템에 존재하는 여러 결합부에서의 결합특성은 구조물의 동적 특성에 많은 영향을 주게 되고 특히 많이 사용되는 볼트 결합부에서의 동적 특성을 파악하는 것은 매우 중요하다. 마이크로에서 매크로까지 네 가지 크기의 두 가지 재질의 단일 구조와 볼트 결합 구조의 시험 시편 모델로 모달시험을 통하여 시스템의 특성 파라미터 고유진동수, 감쇠비, 모드형상을 추출하여 특성을 파악하였다. 또한 각 시험 시편에 대하여 유한요소 해석을 통해 얻어진 해석 결과와 시험에 의한 결과를 비교하여 매크로 시스템과 마이크로 시스템에서 적합한 방법을 유추해 내었다. 시험에 의한 결과와 유한요소 해석에 의한 결과를 바탕으로 구조물이 마이크로 크기로 소형화됨에 따라 볼트 결합부에서 발생하는 동특성의 변화를 규명하였다. 또한 모달시험 결과를 바탕으로 가중치 인자를 고려한 고유진동수를 제안하여 매크로 모델의 고유진동수를 통해 마이크로 모델의 고유진동수를 예측하여 보았다.
본 논문의 연구 결과는 기존에 연구되지 않은 분야로 기계 구조물의 소형화에 따른 동특성 파라미터에 대한 영향을 규명한 것이다. 이러한 연구는 현재까지 예측하지 못했던 소형 시스템의 동적 거동에 대하여 구조해석을 통해 새로운 제품의 개발이나 설계 변경시 주요 파라미터를 고려할 수 있는 기반을 마련할 수 있고 더 나아가 구조 안정성을 확보하여 초정밀 가공을 수행할 수 있는 근간이 될 수 있을 것이라 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 = 1
• 1.1 연구의 배경 = 1
• 1.2 연구 동향 = 5
• 1.3 연구 내용 = 13
• 제2장 이론적 배경 = 15
• 2.1 보의 진동 = 15
• 2.1.1 운동방정식 = 15
• 2.1.2 자유진동 보 = 18
• 2.1.3 비틀림 진동의 영향 = 23
• 2.1.4 회전관성과 전단변형의 영향 = 26
• 2.2 실험적 모드 해석 = 30
• 2.2.1 모드데이터 추출 = 31
• 2.2.2 주파수 응답함수 = 36
• 제3장 실험적 모드 해석 = 41
• 3.1 실험 장치의 구성 = 41
• 3.2 단순 모델을 통한 특성 예측 = 50
• 3.3 모드시험 결과 = 54
• 3.3.1 고유진동수의 특성 분석 = 54
• 3.3.2 모달 감쇠비의 특성 분석 = 62
• 3.3.3 모드형상의 특성 분석 = 66
• 3.3.4 경계조건의 검증 = 69
• 제4장 유한요소 해석 = 73
• 4.1 유한요소 모델링 = 73
• 4.1.1 단일구조 시편 = 75
• 4.1.2 볼트결합구조 시편 = 77
• 4.2 유한요소 해석 결과 = 78
• 4.2.1 유한요소 방법에 따른 비교 = 78
• 4.2.2 모달시험 결과와 비교 = 83
• 4.2.3 모드형상 비교 = 89
• 4.3 볼트결합 모델의 결합강성 특성 = 93
• 제5장 결합조건에 따른 동특성 영향 = 96
• 5.1 결합토크에 따른 특성 = 97
• 5.1.1 결합토크에 따른 고유진동수의 영향 = 97
• 5.1.2 결합토크에 따른 모달 감쇠비의 영향 = 103
• 5.2 결합볼트 수에 따른 특성 = 107
• 5.2.1 시험 시편과 구성 = 107
• 5.2.2 모달시험 결과 = 109
• 5.2.3 유한요소 해석과 모달시험 결과 비교 = 114
• 5.2.4 모드형상 비교 = 118
• 제6장 고유진동수의 예측 = 121
• 6.1 가중치 인자 추출 = 121
• 6.1.1 굽힘 진동 모드 = 121
• 6.1.2 비틀림 진동 모드 = 126
• 6.2 고유진동수 변형식 = 129
• 6.2.1 굽힘 진동의 고유진동수 제안식 = 129
• 6.2.2 비틀림 진동의 고유진동수 제안식 = 131
• 제7장 결론 = 134
• 참고문헌 = 137
• ABSTRACT = 141