볼나사 너트부의 부하분포와 강성에 관한 연구

Abstract

볼나사는 공작기계 등 정밀기계의 고속, 고정도화를 결정하는 중요한 요소이다. 접촉 메커니즘을 가지는 거의 모든 기기에서 핵심적인 역할을 하고 있는 볼나사는 저마찰에 따른 높은 기계적 효율과 토크 전달의 효율성, 안정성을 보장하는 등 많은 장점을 가지고 있다(1). 그러나, 볼나사에서는 볼, 너트와 나사축의 홈, 요소 사이의 접촉변형, 예압 및 조립조건, 그리고 다양한 부하조건에 따른 변형을 정확하게 규명하기 힘들기 때문에 정밀 위치결정 기구를 설계, 제작하기 위해서는 이송계의 강성을 정확하게 구하는 것이 선행되어야 한다(2~4). 볼나사로 구동되는 이송계의 축방향 강성은 볼나사축, 너트축, 지지베어링 및 너트-지지부 브라켓의 축방향 강성으로 이루어지는데, 이 중에서 너트부의 강성은 Hertz contact deformation에 따른 비선형성 때문에 양함수적 모델을 구하는 것이 어렵다.(5~7) 또한, 볼나사는 제작 시에 여러 가지 오차가 발생하고, 예압 및 하중의 작용방향 등 여러 가지 조건에 따라서 강성이 수시로 변하게 된다. 이러한 문제들로 인해 정밀위치결정이 가능한 기기의 제작을 위해서는 너트부 강성 모델의 구축이 절실히 요구된다. 본 논문에서는 볼나사의 조립조건과 부하조건에 따른 너트부의 정확한 양함수적 강성모델을 구축하기 위해 제작오차를 고려한 볼나사 너트부에서의 부하분포를 우선 모델링하고, 접촉변형과 조립 및 작동 조건에 따른 너트부의 강성을 모델링한다. 그리고, 사례를 적용하여 정밀기계의 위치결정정도 예측과 향상에 적용할 수 있도록 한다.