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KR101729589B1 - 기계장비 구조해석방법 - Google Patents

기계장비 구조해석방법 Download PDF

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KR101729589B1
KR101729589B1 KR1020160036168A KR20160036168A KR101729589B1 KR 101729589 B1 KR101729589 B1 KR 101729589B1 KR 1020160036168 A KR1020160036168 A KR 1020160036168A KR 20160036168 A KR20160036168 A KR 20160036168A KR 101729589 B1 KR101729589 B1 KR 101729589B1
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KR
South Korea
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connection
frame
bed
model
vertical
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KR1020160036168A
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English (en)
Inventor
김창주
오정석
이찬홍
박천홍
Original Assignee
한국기계연구원
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Abstract

기계장비 구조해석방법은, 구조물과 상기 구조물을 연결하는 연결부를 포함하는 기계장비에서, 연결부 데이터베이스에서 상기 연결부 기본 모델을 선택한다. 상기 연결부 기본모델에 정보를 입력한다. 상기 입력된 정보를 바탕으로 상기 연결부의 CAD 요소를 생성한다. 상기 입력된 정보를 바탕으로 상기 연결부의 FEM 요소를 생성한다. 상기 구조물의 해석모델과 상기 연결부의 CAD 요소를 접합하여 상기 기계장비의 CAD 모델을 완성한다. 상기 구조물의 해석모델을 생성한다. 상기 연결부의 FEM 요소와 상기 기계장비의 CAD 모델로부터 상기 기계장비의 CAE 해석모델을 완성한다.

Description

기계장비 구조해석방법{FINITE ELEMENT ANALYSIS TECHNIQUES FOR MACHINE TOOLS}
본 발명은 기계장비 구조해석방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기계장비의 설계 단계에서 장비의 정적 성능 또는 동적 성능을 확인할 수 있는 기계장비 구조해석방법에 관한 것이다.
공작기계와 같은 기계장비의 설계 단계에서, 유한요소해석(finite element analysis, FEA) 방법을 이용하여 상기 기계장비의 정적 성능 또는 동적 성능을 미리 확인하여 최적 설계를 수행하는 기술은 다양하게 사용되고 있으며, 널리 알려져 있다.
관련 선행기술로, 대한민국 등록특허 제10-1224973호에서는 복합재 로터 블레이드의 구조 설계 및 해석에 관한 기술로, 3차원 형상을 일체로 모델링한 후 유한요소 해석을 통해 최적 설계를 수행하는 기술을 개시하고 있다. 또한, 로터 블레이드의 구조 설계 외에, 공작기계 등의 구조 설계 등에도 유사한 해석 방법들이 사용되고 있다.
그러나, 상기 선행기술을 포함하여 현재까지 개발된 유한요소해석 방법을 이용한 해석모델에 있어서는, 공작기계와 같은 기계장비에 포함된 모든 요소들에 관한 정보를 일체로 해석모델에 입력하여야하며, 일부의 요소들이 변화하는 경우 매번 새로운 정보를 입력하여야 하는 등, 해석 모델의 생성에 많은 수작업과 노력이 필요했다.
대한민국 등록특허 제10-1224973호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 기계장비의 구조해석에 있어 수작업을 최소화하여 자동화를 구현하여 보다 효과적이고 정확한 해석을 수행할 수 있는 기계장비 구조해석방법에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 기계장비 구조해석방법은, 구조물과 상기 구조물을 연결하는 연결부를 포함하는 기계장비에서, 연결부 데이터베이스에서 상기 연결부 기본 모델을 선택한다. 상기 연결부 기본모델에 정보를 입력한다. 상기 입력된 정보를 바탕으로 상기 연결부의 CAD 요소를 생성한다. 상기 입력된 정보를 바탕으로 상기 연결부의 FEM 요소를 생성한다. 상기 구조물의 해석모델과 상기 연결부의 CAD 요소를 접합하여 상기 기계장비의 CAD 모델을 완성한다. 상기 구조물의 해석모델을 생성한다. 상기 연결부의 FEM 요소와 상기 기계장비의 CAD 모델로부터 상기 기계장비의 CAE 해석모델을 완성한다.
일 실시예에서, 상기 연결부 기본모델에 정보를 입력하는 단계는, 상기 연결부의 형상 정보를 입력하는 단계, 상기 연결부의 수치 정보를 입력하는 단계, 및 상기 연결부에 강성(stiffness) 정보를 입력하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연결부에 강성 정보를 입력하는 단계에서, 상기 연결부를 한 쌍의 몸체와 상기 몸체를 연결하는 6자유도 스프링으로 모델링하여, 상기 6자유도 스프링에 6자유도에 해당하는 강성 정보를 입력할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 구조물의 해석모델을 생성하는 단계에서, 상기 구조물이 복수의 부품들을 포함하는 경우, 상기 복수의 부품들은 접촉면으로 서로 접합되는 것으로 가정하여 구조물의 해석모델을 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기계장비는 공작기계일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 구조물은, 제1 방향(X)으로 연장된 제1 베드, 및 상기 제1 방향(X)에 수직인 제3 방향(Z)으로 연장된 제2 베드를 포함하여, 상기 공작기계의 베드를 형성하는 베드부, 상기 제2 베드 상에서 상기 제3 방향으로 이송되는 수직프레임, 상기 수직프레임 상에서 상기 제1 및 제3 방향들에 수직인 제2 방향(Y)으로 이송되는 수직이송프레임, 및 상기 제1 베드 상에서 상기 제1 방향으로 이송되는 수평이송프레임을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연결부는, 상기 베드부를 고정면에 연결하는 베이스 연결부, 상기 제2 베드와 상기 수직프레임의 이송면을 연결하는 제1 LM 연결부, 상기 수직프레임과 상기 수직이송프레임의 이송면을 연결하는 제2 LM 연결부, 및 상기 제1 베드와 상기 수평이송프레임의 이송면을 연결하는 제3 LM 연결부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연결부는, 상기 수직프레임의 상기 제3 방향으로의 이송력을 제공하는 볼스크류 및 볼너트와 상기 제2 베드 및 상기 수직프레임을 각각 연결하는 제1 볼스크류 연결부 및 제1 볼너트 연결부, 상기 수직이송프레임의 상기 제2 방향으로의 이송력을 제공하는 볼스크류 및 볼너트와 상기 수직프레임 및 상기 수직이송프레임을 각각 연결하는 제2 볼스크류 연결부 및 제2 볼너트 연결부, 및 상기 수평이송프레임의 상기 제1 방향으로의 이송력을 제공하는 볼스크류 및 볼너트와 상기 제1 베드 및 상기 수평이송프레임을 각각 연결하는 제3 볼스크류 연결부 및 제3 볼너트 연결부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 구조물은, 상기 수평이송프레임 상에 회전 가능하도록 연결되는 고정 프레임, 및 상기 수직이송프레임 상에 회전 가능하도록 연결되는 공구홀더를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연결부는, 상기 고정프레임과 상기 수평이송프레임을 연결하는 제1 롤러 연결부, 및 상기 공구홀더와 상기 수직이송프레임을 연결하는 제2 롤러 연결부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 구조물과 연결부를 포함하는 기계장비에서, 구조물과 연결부를 서로 분리하여 해석모델을 생성한 후, 접합하여 기계장비의 해석모델을 완성함으로써 종래, 구조물과 연결부를 일체로 해석모델을 생성하는 방법보다 수작업의 양을 줄이면서 다양한 환경 및 구조에서의 해석모델을 보다 용이하게 생성할 수 있다.
특히, 연결부에 대한 해석모델의 생성시, 연결부 데이터베이스에서 연결부 기본 모델을 선택한 후 연결부의 형상, 수치 및 강성 정보를 입력함으로서 다양한 종류의 연결부에 대하여 보다 용이하게 해석모델을 생성할 수 있다.
나아가, 상기 연결부를 한 쌍의 몸체와 6자유도 스프링으로 간략 모델링한 후, 6자유도에 해당되는 강성 정보를 입력함으로써, 연결부를 통해 구조물이 서로 연결되는 경우, 연결부와 구조물 사이의 정적/동적 모델링을 보다 용이하게 구현할 수 있다.
한편, 실제 기계장비의 구조물은 다양한 부품들로 구성되며 상기 부품들은 볼트 등의 연결부를 통해 결합되는데, 본 실시예에서는 상기 구조물을 구성하는 부품들은 볼트 등의 연결부를 통한 결합이 아닌, 접촉면 기준의 접합으로 가정함으로써, 해석 모델을 보다 용이하게 생성하여 수작업을 최소화하여 해석 모델의 자동화 구현이 가능하다.
나아가, 공작기계와 같은 기계장비에 본 실시예의 해석방법이 적용되는 경우, 공작기계를 구조물과 연결부로 분리하여 각각 해석모델을 완성한 후, 이를 접합하여 전체 공작기계의 구조물을 해석할 수 있으므로, 공작기계와 같이 다수의 구조물과 다수의 연결부들을 포함하는 기계장비에서의 구조 해석의 효율성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 기계장비 구조해석방법을 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1의 기계장비 구조해석방법을 통해 구조 해석되는 5축 공작기계의 예를 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 기계장비 CAD 모델링 단계에 의해 상기 5축 공작기계가 모델링된 것을 도시한 사시도이다.
도 4는 도 1의 기계장비 CAE 해석 단계에 의해 상기 5축 공작기계의 해석모델이 생성된 것을 도시한 사시도이다.
도 5는 도 1의 기계장비 구조해석에 있어, 상기 5축 공작기계의 구조강성을 결정하는 Force Loop를 도시한 분해 사시도이다.
도 6은 도 1의 기계장비 구조해석방법을 통해, 상기 5축 공작기계의 정적 루프강성을 해석한 결과를 도시한 이미지들이다.
도 7은 도 1의 기계장비 구조해석방법을 통해, 상기 5축 공작기계의 정적 루프강성에 영향을 미치는 인자들을 해석한 결과를 도시한 이미지들이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 기계장비 구조해석방법을 도시한 블록도이다. 도 2는 도 1의 기계장비 구조해석방법을 통해 구조 해석되는 5축 공작기계의 예를 도시한 분해 사시도이다. 도 3은 도 1의 기계장비 CAD 모델링 단계에 의해 상기 5축 공작기계가 모델링된 것을 도시한 사시도이다. 도 4는 도 1의 기계장비 CAE 해석 단계에 의해 상기 5축 공작기계의 해석모델이 생성된 것을 도시한 사시도이다.
본 실시예에 의한 기계장비 구조해석방법은 복수의 구조물들과 복수의 연결부들을 포함하는 기계장비에 대한 구조해석에 적용될 수 있으며, 이하에서는 도면에 도시된 바와 같이, 기계장비 중 5축 공작기계에 적용되는 예를 중심으로 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 기계장비 구조해석방법에서는, 우선, 연결부에 대한 해석모델을 생성한다.
구체적으로, 도 1을 참조하면, 연결부 데이터베이스(121)로부터 연결부 기본모델을 선택한다(단계 S110).
상기 연결부 데이터베이스(121)에는 도시된 예와 같이, 박스(Box) 형 연결부, 링(Ring) 형 연결부, 디스크(Disk) 형 연결부, 팬(Fan) 형 연결부 등 연결부를 형성할 수 있는 다양한 기본 모델들이 저장되어 있으므로, 이로부터 연결부와 기본 형상이 유사한 연결부 기본모델을 선택할 수 있다.
이 후, 상기 선택된 연결부 기본모델에 대하여 연결부에 대한 정보를 입력한다(단계 S120).
구체적으로, 상기 연결부의 형상 정보를 입력하고, 상기 연결부의 수치 정보를 입력하고, 상기 연결부에 강성(stiffness) 정보를 입력하여, 상기 연결부에 대한 정보 입력을 완성한다.
이 경우, 상기 형상, 수치 및 강성 정보 외에 추가적으로 입력이 필요한 정보를 추가 입력할 수도 있다.
이와 같이, 상기 연결부에 대한 정보를 입력하면, 실제 기계장비에 적용되는 연결부와 동일한 형상, 수치 및 강성을 갖는 연결부가 완성된다.
즉, 상기 입력된 정보 중 상기 연결부의 형상 및 수치에 관한 정보를 바탕으로 상기 연결부의 CAD 요소가 생성된다(단계 S130).
예를 들어, 연결부 기본모델로 박스형 연결부가 선택된 경우, 상기 형상 및 수치에 관한 정보로서, 길이(D), 너비(W) 및 높이(T)에 관한 정보가 입력되면 도 1에 도시된 바와 같은 블록 형상으로 연결부의 CAD 요소가 생성될 수 있다.
또한, 상기 입력된 정보 중 상기 연결부의 강성에 관한 정보를 바탕으로 상기 연결부의 FEM(finite elements method) 요소가 생성된다(단계 S140).
본 실시예에서는, 상기 연결부를, 도 1에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 서로 마주보는 몸체와 상기 몸체를 연결하는 6자유도 스프링으로 모델링하여, 상기 6자유도 스프링에 6자유도에 해당되는 강성 정보(kx, ky, kz, ka, kb, kc)를 입력하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 6자유도를 갖도록 연결부의 FEM 요소를 생성한 후, 연결부의 특징에 따라 상기 강성 정보에 소정의 값을 입력하면 상기 연결부가 6자유도 중 필요한 자유도만을 갖도록 움직임이 제한될 수 있으므로, 다양한 동적 특성을 갖는 연결부의 FEM 요소를 생성할 수 있다.
한편, 상기 연결부들은, 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같은 5축 공작기계(200)에서는, 상기 베드부(210)를 고정면(예를 들어, 지면)에 연결하는 베이스 연결부(211), 상기 제2 베드(216)와 상기 수직프레임(220)의 이송면을 연결하는 제1 LM 연결부(221), 상기 수직프레임(220)과 상기 수직이송프레임(230)의 이송면을 연결하는 제2 LM 연결부(231), 및 상기 제1 베드(215)와 상기 수평이송프레임(240)의 이송면을 연결하는 제3 LM 연결부(241)일 수 있다.
나아가, 상기 연결부들은, 상기 수직프레임(220)의 상기 제3 방향으로의 이송력을 제공하는 볼스크류 및 볼너트와 상기 제2 베드(216) 및 상기 수직프레임(220)을 각각 연결하는 제1 볼스크류 연결부(212) 및 제1 볼너트 연결부(222), 상기 수직이송프레임(230)의 상기 제2 방향으로의 이송력을 제공하는 볼스크류 및 볼너트와 상기 수직프레임(220) 및 상기 수직이송프레임(230)을 각각 연결하는 제2 볼스크류 연결부(223) 및 제2 볼너트 연결부(232), 및 상기 수평이송프레임(240)의 상기 제1 방향으로의 이송력을 제공하는 볼스크류 및 볼너트와 상기 제1 베드(215) 및 상기 수평이송프레임(240)을 각각 연결하는 제3 볼스크류 연결부(213) 및 제3 볼너트 연결부(242)일 수 있다.
더 나아가, 상기 연결부들은, 상기 고정프레임(250)과 상기 수평이송프레임(240)을 연결하는 제1 롤러 연결부(251), 및 상기 공구홀더(260)와 상기 수직이송프레임(230)을 연결하는 제2 롤러 연결부(261)일 수 있다.
이상과 같이, 상기 연결부들은, 각각의 기계장비에서 구조물과 구조물이 연결되는 부위에 개재되는 연결부들일 수 있으며, 각각의 연결부들의 형상, 수치 및 강성의 특성이 입력되어 해당 연결부의 물리적 특성을 가지도록 생성된다.
한편, 상기에서 설명한 바와 같이, 구조물들 각각의 해석모델, 및 연결부들 각각의 해석모델들이 완성되면, 이 후, 상기 구조물의 해석모델과 상기 연결부의 CAD 요소를 접합하여 상기 기계장비의 CAD 모델을 완성한다(단계 S150). 이렇게 완성된 기계장비의 CAD 모델로서, 5축 공작기계(200)의 CAD 모델의 예는 도 3에 도시된 바와 같다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 5축 공작기계(200)를 구성하는 복수의 구조물들과, 복수의 연결부들을 서로 분리하여 해석모델을 생성한 후, 상기 구조물들과 상기 연결부들을 서로 접합하여 5축 공작기계(200)에 대한 CAD 모델을 완성할 수 있다.
이 후, 구조물 해석모델을 생성한다(단계 S160). 이 경우, 상기 구조물 해석모델을 생성하는 경우, 구조물에 대한 CAD 모델링을 완성하여 유한요소 해석 방법을 적용하여 해석모델을 생성한다.
상기 구조물은, 예를 들어, 도 2에 도시된 5축 공작기계(200)의 경우, 제1 방향(X)으로 연장된 제1 베드(215) 및 상기 제1 방향(X)에 수직인 제3 방향(Z)으로 연장된 제2 베드(216)를 포함하는 베드부(210), 상기 제2 베드(216) 상에서 상기 제3 방향으로 이송되는 수직프레임(220), 상기 수직프레임(220) 상에서 상기 제1 및 제3 방향들에 수직인 제2 방향(Y)으로 이송되는 수직이송프레임(230), 및 상기 제1 베드(215) 상에서 상기 제1 방향으로 이송되는 수평이송프레임(240)일 수 있다.
나아가, 상기 구조물은, 상기 수평이송프레임(240) 상에 회전 가능하도록 연결되는 고정프레임(250), 및 상기 수직이송프레임(230) 상에 회전 가능하도록 연결되는 공구홀더(260)를 더 포함할 수도 있다.
이상과 같이, 상기 구조물은 상기 기계장비를 구성하는 소정 부피를 갖는 단위체에 해당되는 것으로, 각각의 구조물은 일체로서 다른 구조물과 연결되거나 다른 구조물에 대하여 이동하는 것을 특징으로 하되, 스스로 복수의 구조물들로 나누어지거나 분리되지 않는 것으로 정의할 수 있다.
다만, 구조물의 경우, 기계장비의 특성상 일체로서 제작되는 것은 어려우며, 복수의 서브 구조물들의 결합으로 완성되는 것이 일반적이다.
예를 들어, 상기 5축 공작기계(200)에서 상기 수직 프레임(220)도 하나의 구조물로 정의되고 있으나, 실질적으로 상기 수직 프레임(220)을 구성하는 서브 구조물들은, 측면 프레임, 상부 및 하부 프레임, 전면 및 후면 프레임, 내부 프레임 등과 같이 다양하게 구성될 수 있다. 나아가, 상기 수직 프레임(220)을 구성하는 서브 구조물들은 실질적으로는 볼트, 너트, 리브 등과 같은 다양한 연결유닛들을 통해 연결되는 것이 일반적이다.
그러나, 본 실시예에서는, 상대적인 이동이 야기되지 않는 구조물 내부에서의 서브 구조물들은, 상기 연결유닛을 통해 연결되어 구조물로 형성됨에도 불구하고, 상기 연결유닛을 통해 연결되는 것으로 정의하지 않고 접촉면을 기준으로 서로 접합되는 것으로 가정한다.
그리하여, 본 실시예에서, 상기 구조물은 하나의 유닛으로 내부에 연결유닛들을 포함하지 않으며 복수의 서브 구조물들이 서로 접촉면을 통해 접합된 일체의 구조물로 해석될 수 있다. 그 결과, 상기 구조물의 해석에서 각각의 서브 구조물들 또는 연결유닛들을 개별적으로 정의하여 해석하는 번거로움을 줄일 수 있다.
이 후, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 기계장비의 CAD 모델로부터 상기 연결부의 CAD 요소를 상기 연결부의 FEM 요소로 치환함으로써 상기 기계장비에 대하여 CAE 해석모델을 완성한다(단계 S170). 이 경우, 상기 기계장비에 대한 CAE 해석모델은, 상기 연결부의 FEM 요소의 생성에서 입력된 6자유도 스프링의 강성에 관한 정보를 바탕으로 구조물과의 연결을 통해 도출될 수 있으며, 이렇게 도출된 상기 기계장비에 대한 CAE 해석모델을 바탕으로, 상기 기계장비의 동적 또는 정적 특성을 해석할 수 있다.
이와 같이, 상기 5축 공작기계(200)에 대한 CAE 해석모델을 완성함으로서, 종래 처음부터 구조물과 연결부들이 동시에 포함된 형태의 CAE 해석모델을 완성하는 경우보다 해석 모델의 완성에 필요한 시간을 줄일 수 있으며, 특히, 상기 5축 공작기계(200)의 연결관계가 변형되는 경우, 변형된 연결부만을 신규 연결부로 대체함으로써 해석 모델을 보다 용이하게 수정할 수 있으므로, 해석 모델의 제작 시간을 줄이는 것은 물론 해석 모델의 제작을 자동화할 수 있다.
한편, 본 실시예에서 구조물과 연결부를 서로 분리하여 해석모델을 생성한 후 이를 접합하여 전체 기계장비에 대한 해석모델을 생성하는 경우, 분리 생성 및 접합이라는 본 실시예의 특징을 제외한 일반적인 기계 구조에서의 해석모델에 관한 기술은 종래 Schorry, R. E., "Machine Tool Structural Modeling and Simulation," UNOVA Industrial Automation Systems Inc., 2000. 등에 상세히 기술되고 있는바 부가적인 설명은 생략한다.
한편, 이하에서는 본 실시예를 통한 기계장비 구조해석방법을 상기 5축 공작기계(200)에 적용하여 해석된 결과를 설명한다.
도 5는 상기 5축 공작기계의 구조강성을 결정하는 Force Loop를 도시한 분해 사시도이다. 도 6은 도 1의 기계장비 구조해석방법을 통해, 상기 5축 공작기계의 정적 루프강성을 해석한 결과를 도시한 이미지들이다. 도 7은 도 1의 기계장비 구조해석방법을 통해, 상기 5축 공작기계의 정적 루프강성에 영향을 미치는 인자들을 해석한 결과를 도시한 이미지들이다.
도 5를 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 5축 공작기계(200)를 복수의 구조물들과 복수의 연결부들 각각에 대하여 서로 분리하여 해석모델을 생성한 후 이를 접합하여 전체 5축 공작기계(200)에 대한 CAD 모델링 및 CAE 해석 모델을 완성하였다. 이 경우, 주요 구조물들과 주요 연결부들에 대하여는 도 5에 도시하였고, 앞서 설명한 바와 같으므로 중복되는 설명은 생략한다.
이 후, 도 6을 참조하면, 상기 5축 공작기계(200)의 정적 루프강성(static loof stiffness)을 평가하기 위해, 상기 제1 내지 제3 방향들(X, Y, Z)로 공구(270)와 공작물(280) 위치에 서로 반대 방향으로 일정한 크기의 힘을 인가하고, 서로 간의 상대 변위를 측정하였다.
이와 같은 측정결과를 참조하면, 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y) 강성은 대략 9~11 N/μm 수준으로 제3 방향(Z) 강성인 57 N/μm와 비교하여 상대적으로 낮은 것을 확인할 수 있다.
한편, 기계장비에서 각 구조물과 각 연결부들이 전체 변형에 대한 기여도를 평가하기 위해 요소별 변형에너지(stain energy)의 전체에 대한 비율을 사용할 수 있으며, 이는 종래 Schorry, R. E., "Machine Tool Structural Modeling and Simulation," UNOVA Industrial Automation Systems Inc., 2000.에 기술되고 있다.
상기 5축 공작기계(200)의 해석결과를 바탕으로, 상기 요소별 변형에너지를 계산한 변형에너지 비율을 도 7에 도시하였다.
도 7을 참조하면, 실선으로 둘러 쌓인 막대는 몸체 즉 구조물에 해당되며 그렇지 않은 부분은 연결부에 해당된다. 상기 제1 및 제3 방향들의 경우 각 요소들 즉 구조물 및 연결부들의 변형에 대한 기여도가 고르게 분산된 것이 확인되지만, 제2 방향의 경우 특히, A축(제1 방향(X)을 중심으로 회전)의 연결부의 변형에 대한 기여도가 매우 높은 것을 확인할 수 있다.
즉, 상기와 같은 변형에 대한 기여도 분포를 바탕으로, 상기 5축 공작기계(200)에서는 A축 연결부를 구성하는 제2 롤러 연결부(261)의 요소 강성을 향상시키는 것이 상기 5축 공작기계(200) 전체의 정적 루프강성의 향상에 가장 필요한 것임을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 의한 기계장비 구조해석방법을 통해, 구조물들과 연결부들 각각이 전체 기계장비에 미치는 영향을 개별적으로 해석할 수 있으며 이에 따라 개선이 필요한 요소도 개별적으로 확인할 수 있는 바, 기계장비 구조해석 및 이를 통한 개선 요소의 확인을 보다 용이하게 수행할 수 있다.
나아가, 다양한 구조물들 및 연결부들로 구성된 기계장비에 대하여도 보다 효과적으로 해석을 수행할 수 있는 바, 해석 모델의 완성에 있어서 시간을 절약하며 동시에 자동화의 구현도 가능할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 구조물과 연결부를 포함하는 기계장비에서, 구조물과 연결부를 서로 분리하여 해석모델을 생성한 후, 접합하여 기계장비의 해석모델을 완성함으로써 종래, 구조물과 연결부를 일체로 해석모델을 생성하는 방법보다 수작업의 양을 줄이면서 다양한 환경 및 구조에서의 해석모델을 보다 용이하게 생성할 수 있다.
특히, 연결부에 대한 해석모델의 생성시, 연결부 데이터베이스에서 연결부 기본 모델을 선택한 후 연결부의 형상, 수치 및 강성 정보를 입력함으로서 다양한 종류의 연결부에 대하여 보다 용이하게 해석모델을 생성할 수 있다.
나아가, 상기 연결부를 한 쌍의 몸체와 6자유도 스프링으로 간략 모델링한 후, 6자유도에 해당되는 강성 정보를 입력함으로써, 연결부를 통해 구조물이 서로 연결되는 경우, 연결부와 구조물 사이의 정적/동적 모델링을 보다 용이하게 구현할 수 있다.
한편, 실제 기계장비의 구조물은 다양한 부품들로 구성되며 상기 부품들은 볼트 등의 연결부를 통해 결합되는데, 본 실시예에서는 상기 구조물을 구성하는 부품들은 볼트 등의 연결부를 통한 결합이 아닌, 접촉면 기준의 접합으로 가정함으로써, 해석 모델을 보다 용이하게 생성하여 수작업을 최소화하여 해석 모델의 자동화 구현이 가능하다.
나아가, 공작기계와 같은 기계장비에 본 실시예의 해석방법이 적용되는 경우, 공작기계를 구조물과 연결부로 분리하여 각각 해석모델을 완성한 후, 이를 접합하여 전체 공작기계의 구조물을 해석할 수 있으므로, 공작기계와 같이 다수의 구조물과 다수의 연결부들을 포함하는 기계장비에서의 구조 해석의 효율성이 향상될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 기계장비 구조해석방법은 공작기계를 포함한 기계장비의 구조해석에 사용될 수 있는 산업상 이용 가능성을 갖는다.
200 : 5축 공작기계 210 : 베드부
220 : 수직프레임 230 : 수직이송 프레임
240 : 수평이송 프레임 250 : 고정프레임
260 : 공구홀더 270 : 공구
280 : 공작물 211 : 베이스연결부
212 : 제1 볼스크류 연결부 213 : 제2 볼스크류 연결부
221 : 제1 LM 연결부 222 : 제1 볼너트 연결부
223 : 제3 볼스크류 연결부 231 : 제2 LM 연결부
232 : 제2 볼너트 연결부 241 : 제3 LM 연결부
242 : 제3 볼너트 연결부 251 : 제1 롤러 연결부
261 : 제2 롤러 연결부

Claims (10)

  1. 구조물과 상기 구조물을 연결하는 연결부를 포함하는 기계장비에서,
    연결부 데이터베이스에서 연결부 기본 모델을 선택하는 단계;
    상기 연결부 기본모델에 정보를 입력하는 단계;
    상기 입력된 정보를 바탕으로 상기 연결부의 CAD 요소를 생성하는 단계;
    상기 입력된 정보를 바탕으로 상기 연결부의 FEM 요소를 생성하는 단계;
    상기 구조물의 해석모델과 상기 연결부의 CAD 요소를 접합하여 상기 기계장비의 CAD 모델을 완성하는 단계;
    상기 구조물의 해석모델을 생성하는 단계; 및
    상기 연결부의 FEM 요소와 상기 기계장비의 CAD 모델로부터 상기 기계장비의 CAE 해석모델을 완성하는 단계를 포함하는 기계장비 구조해석방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연결부 기본모델에 정보를 입력하는 단계는,
    상기 연결부의 형상 정보를 입력하는 단계;
    상기 연결부의 수치 정보를 입력하는 단계; 및
    상기 연결부에 강성(stiffness) 정보를 입력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계장비 구조해석방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 연결부에 강성 정보를 입력하는 단계에서,
    상기 연결부를 한 쌍의 몸체와 상기 몸체를 연결하는 6자유도 스프링으로 모델링하여, 상기 6자유도 스프링에 6자유도에 해당하는 강성 정보를 입력하는 것을 특징으로 하는 기계장비 구조해석방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 구조물의 해석모델을 생성하는 단계에서,
    상기 구조물이 복수의 부품들을 포함하는 경우, 상기 복수의 부품들은 접촉면으로 서로 접합되는 것으로 가정하여 구조물의 해석모델을 생성하는 것을 특징으로 하는 기계장비 구조해석방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기계장비는 공작기계인 것을 특징으로 하는 기계장비 구조해석방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 구조물은,
    제1 방향(X)으로 연장된 제1 베드, 및 상기 제1 방향(X)에 수직인 제3 방향(Z)으로 연장된 제2 베드를 포함하여, 상기 공작기계의 베드를 형성하는 베드부;
    상기 제2 베드 상에서 상기 제3 방향으로 이송되는 수직프레임;
    상기 수직프레임 상에서 상기 제1 및 제3 방향들에 수직인 제2 방향(Y)으로 이송되는 수직이송프레임; 및
    상기 제1 베드 상에서 상기 제1 방향으로 이송되는 수평이송프레임을 포함하는 것을 특징으로 하는 기계장비 구조해석방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 연결부는,
    상기 베드부를 고정면에 연결하는 베이스 연결부;
    상기 제2 베드와 상기 수직프레임의 이송면을 연결하는 제1 LM 연결부;
    상기 수직프레임과 상기 수직이송프레임의 이송면을 연결하는 제2 LM 연결부; 및
    상기 제1 베드와 상기 수평이송프레임의 이송면을 연결하는 제3 LM 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계장비 구조해석방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 연결부는,
    상기 수직프레임의 상기 제3 방향으로의 이송력을 제공하는 볼스크류 및 볼너트와 상기 제2 베드 및 상기 수직프레임을 각각 연결하는 제1 볼스크류 연결부 및 제1 볼너트 연결부;
    상기 수직이송프레임의 상기 제2 방향으로의 이송력을 제공하는 볼스크류 및 볼너트와 상기 수직프레임 및 상기 수직이송프레임을 각각 연결하는 제2 볼스크류 연결부 및 제2 볼너트 연결부; 및
    상기 수평이송프레임의 상기 제1 방향으로의 이송력을 제공하는 볼스크류 및 볼너트와 상기 제1 베드 및 상기 수평이송프레임을 각각 연결하는 제3 볼스크류 연결부 및 제3 볼너트 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계장비 구조해석방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 구조물은,
    상기 수평이송프레임 상에 회전 가능하도록 연결되는 고정 프레임; 및
    상기 수직이송프레임 상에 회전 가능하도록 연결되는 공구홀더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기계장비 구조해석방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 연결부는,
    상기 고정프레임과 상기 수평이송프레임을 연결하는 제1 롤러 연결부; 및
    상기 공구홀더와 상기 수직이송프레임을 연결하는 제2 롤러 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계장비 구조해석방법.
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