밸런싱 장치를 이용한 고속 주축 시스템의 능동 밸런싱에 관한 연구
A Study on Active Balancing System of High-speed Spindle Using a Balancing Device
- 발행기관 아주대학교 대학원
- 지도교수 이수훈
- 발행년도 2005
- 학위수여년월 2005. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 본문언어 한국어
초록/요약
최근 개발되고 있는 공작기계 주축 시스템은 가공능률과 정밀도 향상을 위하여 점점 고속화, 지능화되고 있는 추세이다. 고속 공작기계 주축 시스템에서 중요하게 고려되어야 할 문제 중 하나는 주축에 불가피하게 존재하는 질량 불평형에 의한 진동이다. ‘공작기계의 최대 유용 스핀들 속도는 그 성능에 의해서가 아니라 주축 시스템의 불평형량에 의해 결정된다’고 할 수 있을 만큼 질량 불평형에 의한 진동 저감은 매우 중요하며, 이를 제어하기 위한 자동 밸런싱 장치는 고속ㆍ지능형 가공 시스템의 개발 성공과 안정적인 고속 가공을 위해서는 필수적인 장치라 할 수 있다. 지금까지 대부분의 밸런싱은 현장에서 숙련된 기술자에 의한 오프-라인 밸런싱이 주를 이루었다. 그러나 이런 오프라인 밸런싱을 수행하기 위해서는 수시간 내지 수일동안 기계의 작동이 중지되므로 시간적, 경제적 손실을 가져온다. 또한 CNC 머시닝센터와 같이 한 개의 공작물을 가공하더라도 몇 번의 자동 공구 교환이 필요한 공작기계는 공구가 교환됨에 따라 주축 시스템의 특성이 변화함으로 기존의 오프-라인 밸런싱은 적합하지 않다. 따라서 주축이 회전하는 중에 주축을 정지시키지 않고 실시간으로 밸런싱을 해주는 온-라인 밸런싱이 필요하다. 제어 방법으로는 여러 밸런싱 기법 중 질량이나 감쇠 같은 시스템 특성이 필요하지 않은 영향계수법(influence coefficient method)을 기본으로 하였으며 밸런싱 프로그램의 연속적인 작동을 위하여 밸런싱 로터의 불평형을 고려한 수정된 영향계수법를 이용하였으며, 제어 방식에 있어서는 고속 회전체에 적합하도록 영구 자석과 전자석 코일을 이용한 비접촉 제어를 실현하였다. 또한 상용 머시닝 센터에 사용되는 주축의 밸런싱 장치를 설계 제작하였으며, 이장치를 공구교환에 따라 불평형이 발생하기 쉬운 주축의 툴홀더 고정부에 부착하였으며 이 시스템을 이용하여 기준 공구에 대한 속도에 따른 영향계수를 측정하고 자동 밸런싱 실험을 수행하여 전 실험영역에서 효율적으로 밸런싱이 수행됨을 확인하였다. 본 연구에서의 밸런싱 기술은 고속 공작기계의 고속가공과 정밀가공 발전에 큰 역할을 할 수 있을 것으로 생각한다. 또한 이 기술은 고속 공작기계 뿐만 아니라 모든 회전기계 산업에 응용될 수 있으므로 초정밀가공이나 고속 회전체 기술 발전에 크게 기여할 것이라 기대된다.
more초록/요약
High speed spindle can be very sensitive to rotating mass unbalance that is a major source of harmful vibration for many machine tools. Mass unbalance occurs if the principle axis of inertia of the rotor is not coincident with its geometric axis. The effect of mass unbalance is a function of mass and speed squared. So, High speed causes more dangerous damage to the spindle, so the balancing procedure is needed for all high speed spindles. Most of the conducted balancing method is off-line balancing. But this way needs high-skilled technique, high-priced equipment and time consuming. Rotating machines like CNC machining center perform many auto-tool changing on the processing time, and it means that they need more balancing procedure for more accurate and faster works. Existing off-line balancing is not adequate to the balancing like that system. So, to save the time and cost of off-line balancing, a real-time active balancing method without stopping spindle is needed. This paper presents experimental balancing device and its control mthod for spindle of machining center. An electromagnetically actuate machine balancer including a plurality of peripherally placed magnetic circuits and power driver which selectively interrupts the magnetic flux through the circuits, thereby moving unbalanced rotors in a desired manner to compensate for machine unbalance.
more목차
본문차례
1. 서론 = 1
2. 회전체 밸런싱의 이론적 배경 = 4
2-1. 회전체의 불평형 응답 = 4
2-1-1. 단순 회전체(Jeffcott rotor) = 4
2-1-2. 불평형 진동 특성 = 6
2-2. 밸런싱 기법의 종류 = 7
2-2-1. 오프-라인 밸런싱(Off-line balancing method) = 8
2-2-2. 온-라인 능동 밸런싱법(On-line active balancing method) = 13
3. 영향계수법을 이용한 능동 밸런싱 이론 = 13
3-1. 영향계수법을 이용한 능동 밸런싱 = 14
3-1-1. 능동 밸런싱에서의 보정 질량 = 14
3-1-2. 영향계수의 안정성 = 16
3-2. 능동 밸런싱 장치를 이용한 밸런싱 과정 = 18
4. 머시닝센터 자동 밸런싱 장치의 개발 = 19
4-1. 밸런싱 장치의 개념 설계 = 19
4-2. 밸런싱 장치의 설계 = 20
4-2-1. 로터부 (Rotor Unit) = 20
4-2-2. 드라이버부 (Driver Unit) = 24
4-3. 밸런싱 로터의 구동 원리 = 26
4-3-1. 로터의 구동 원리 = 26
4-3-2. 로터 구동을 위한 전원 입력 = 29
5. 자동 밸런싱 장치를 이용한 실험 = 31
5-1. 실험 시스템 구성 = 31
5-2. 영향 계수 측정 실험 = 38
5-3. 영향계수의 안정성 판별 = 39
5-4. 능동 밸런싱 실험 결과 = 42
6. 결론 = 45
