모델차수축소를 이용한 볼스크류 이송계의 실시간 열오차 예측 :Real-time thermal error prediction of ball screw feed drive systems by using model order reduction

조뢰

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자료유형: 학위논문

저자정보: 조뢰 (한양대학교, 한양대학교 대학원)

지도교수: 정성종

발행연도: 2021

저작권: 한양대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수3

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2022

모델차수축소에 기반한 볼스크류 이송계의 실시간 열오차 예측

조뢰 , 정성종 , 김경호 외 2명 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2022.05 학술대회자료

2021

모델차수축소를 이용한 볼스크류 이송계의 실시간 열오차 예측

조뢰 기계공학과 2021.01 학위논문

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공작기계 이송계에서 볼스크류의 열변형은 직접적인 위치 오차를 유발한다. 본 연구에서는 실시간 열오차 보상을 위해 모델차수축소 (model order reduction, MOR)를 이용한 볼스크류 이송계의 열오차 예측 시스템을 개발하였다. 열오차를 예측하기 위해서는 볼스크류 이송계의 정확한 열해석이 선행되어야 한다. 이를 위해 주요 열원의 발열량, 윤활유 온도 영향을 고려된 이동 열원, 대류열전달계수 (convective heat transfer coefficients, CHTCs), 환경온도의 변화, 조인트 인터페이스의 열저항 (thermal resistances, TRs)이 포함된 볼스크류 이송계의 유한요소 (finite element, FE) 모델을 구축하였다. 주요 열원인 너트의 발열량을 정확하게 예측하기 위해 본 연구에서는 볼스크류의 각 구성요소들 사이의 역학적과 운동학적인 상호작용을 고려하면서 볼스크류의 형상정보, 물성치, 조립 및 운전 조건들에 대한 정밀 마찰토크 모델을 제안하였다. 불균일 접촉부하, 스핀 마찰, 볼의 운동, 자이로스코픽 모멘트와 원심력에 의한 접촉각 변화 및 온도효과가 볼스크류 마찰토크 모델에 통합되었다. 이러한 정밀 마찰토크 모델을 바탕으로 볼스크류 너트부의 발열 모델을 제시하였다.
볼스크류 이송계의 온도분포를 신속하게 예측하기 위해 제안된 FE 모델에 MOR이 적용된다. 온도분포의 예측 정확도를 높이기 위해 볼스크류 이송계의 열특성 계수들은 1 min마다 3점에서 측정된 온도 데이터를 이용하여 정확하게 갱신한다. 이러한 역열문제 (inverse heat problem, IHP)를 풀기 위해 반응표면법 (response surface methodology, RSM)이 사용된다. 따라서 설치조건에 따라 볼스크류 이송계의 축방향 열팽창은 예측된 온도분포로부터 수학적으로 실시간 추정된다.

#기계공학

제 1 장 서 론 1
1.1 연구 배경 및 현황 1
1.2 연구 목적 및 내용 3
제 2 장 볼스크류 마찰토크 모델링 6
2.1 개 요 6
2.2 정적 볼 접촉부하 해석 7
2.2.1 이론적 배경 7
2.2.2 정적 볼 접촉부하 모델링 8
2.2.3 정적 접촉부하 및 접촉변형 14
2.3 볼 운동 해석 16
2.3.1 이론적 배경 16
2.3.2 좌표계 정의 17
2.3.3 관성력과 관성 모멘트 19
2.3.4 볼 속도 성분 해석 23
2.4 운전 상태의 볼 접촉 메커니즘 해석 28
2.4.1 볼의 접촉부하 28
2.4.2 접촉각 변화 31
2.4.3 불균일 볼 접촉부하 35
2.5 마찰토크 모델 42
2.5.1 이론적 배경 42
2.5.2 부가하중 마찰 44
2.5.3 점성 마찰 45
2.5.4 스핀 마찰 48
2.5.5 마찰토크 예측 50
2.6 실험 및 검증 52
2.6.1 실험장비 구성 52
2.6.2 실험 결과 및 모델 검증 55
2.6.3 마찰토크 매개변수 특성 조사 59
2.6.3.1 설계 매개변수의 영향 60
2.6.3.2 온도의 영향 64
2.6.3.3 축력 및 조립 조건의 영향 65
2.6.3.4 업그레이드 해석의 영향 67
2.7 결 과 70
제 3 장 유한요소법을 이용한 열해석 71
3.1 개 요 71
3.2 온도분포 해석 71
3.2.1 이론적 배경 72
3.2.2 유한요소모델 72
3.2.3 베어링 발열량 볼스크류 발열량 75
3.2.4 볼스크류 발열량 76
3.2.4.1 기존 발열 모델과 문제점 76
3.2.4.2 개정한 발열 모델 78
3.2.4.3 발열량의 예측 결과 비교 79
3.2.5 대류열전달계수 80
3.2.5.1 스크류와 너트의 강제대류 80
3.2.5.2 볼스크류 이송계의 자연대류 82
3.2.6 열저항 83
3.2.6.1 베어링 조인트 84
3.2.6.2 볼스크류 조인트 85
3.3 실험 및 결과 86
3.3.1 실험장비 구성 86
3.3.2 실험 결과 및 모델 검증 88
3.4 결 과 93
제 4 장 모델차수축소를 이용한 실시간 열오차 예측 95
4.1 개 요 95
4.2 모델차수축소 96
4.2.1 이론적 배경 96
4.2.2 열전달문제에 대한 모델차수축소 97
4.2.3 모델차수축소를 이용한 과도 열해석 모듈 99
4.2.4 반응표면법에 의한 열특성 계수 갱신 106
4.2.5 설치조건에 따른 열오차 모델 109
4.2.6 열오차 예측 선도 110
4.3 실험 및 결과 112
4.3.1 실험장비 구성 112
4.3.2 실험 결과 및 검증 113
4.3.3 설치조건의 영향 121
4.4 열오차 보상 123
4.5 결 과 125
제 5 장 결 론 126
참고문헌 129
ABSTRACT 136
감사의 글 138

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