경험적 모드 축소를 이용한 볼나사 이송계의 실시간 열 오차 예측

Abstract

볼나사(Ball screws)는 모터의 회전운동을 직선운동으로 변환시켜 이송을 가능하게 하며 볼이 너트와 나사축 사이에서 구름 운동을 하기 때문에 마찰 및 백래시(Backlash)가 적어 정밀 이송이 가능하고 강성이 높다. 이러한 특성 때문에 볼나사는 공작기계에서 이송계 요소로 널리 사용된다. 근래 산업 기술의 성장이 가속화됨에 따라 공작기계에서 요구되는 가공 제품의 품질과 정밀도가 높아져 이송계의 고정밀성이 더욱이 요구된다. 그러나 기계 작동 시 발생하는 열에 의해 정밀도가 저하되고 결과적으로 열변형 오차가 발생하게 된다. 이런 열변형 오차를 감소시키기 위해 볼나사 열원에 냉각 수행 혹은 공작기계 설계 시 여러 요소에서 발생하는 열팽창들이 상쇄될 수 있도록 하는 열 대칭 구조를 도입하여 정밀도 향상을 도모하였다. 앞선 방법들은 공작기계의 열 오차 감소에 큰 기여를 하였으나 열 오차를 완벽히 제거하지 못하였으며 이에 따라 열 오차 예측 모델 기반의 능동적인 오차 보상 기술에 대한 연구가 수행되어왔다. 본 연구에서는 경험적 모드 축소를 이용한 볼나사 이송계의 실시간 열 오차 예측 모델을 제안한다. 이를 위해 이론적 모드 형상과 경험적 모드 형상을 도출하고 축소 성능이 우수한 경험적 모드 형상을 이용한 모드 축소 방법론을 제시한다. 또한, 볼나사 실험 장비를 이용해 나사축 온도 추정 모델을 제시하고, 축소된 경험적 모드 형상과 모델을 이용하여 예측한 나사축의 온도를 이용해 볼나사의 온도 분포와 변형 분포를 실시간으로 예측한다. 그리고 볼나사 이송계 실험장치에서 실험을 수행하여 본 연구에서 제안하는 모델의 성능을 확인한다.