공작기계의 가상 제품 개발 적용을 위한 가공 공정 통합 예측 모델에 관한 연구

Abstract

공작 기계의 다기능화가 요구됨에 따라 복잡한 기계 구성의 high-end 공작 기계 개발이 증가 추세에 있으며, 사용 조건이 확대 됨에 따라 다양한 하중 조건과 경계 조건을 고려한 공작 기계의 설계가 요구되고 있다. 또한, 복잡해지는 요구 조건에 반해, 적기에 제품 개발을 통한 시장 선점이 무엇보다 중요시 되고 있다. 최근 들어 공작 기계 제조사들은 제품 개발에 소요되는 시간과 비용을 절감하기 위해 선진화된 해석 기술을 도입하여 설계 단계에서 사전에 문제를 점검하고 해결하려는 프런트 로딩(front loading)에 많은 노력을 기울이고 있다. 제품의 개념 설계 단계에서 구조 형상을 결정한 후 주요 구성품들의 시방을 결정하며, 상세 해석을 통해 이들 도면화 시키는 과정에 이르기까지 시뮬레이션을 통한 예측 설계가 설계 품질의 향상을 가져 왔다. 그러나, 공작 기계의 성능은 가공 대상물의 가공 품질로 평가 되는데 반해, 지금까지 단순한 가공 정보만을 활용하거나 가공 공정을 배제한 채, 정확한 부하를 고려하지 않은 해석적 평가가 이루어져 왔다. 공작 기계는 다른 기계 시스템과 달리 기계 구조, 제어 시스템과 함께 가공 공정이 서로 상호 작용을 하면서 동적 거동을 하기 때문에 이를 통합하여 고려할 필요가 있다. 본 연구는 공작 기계의 기계 구조, 제어 시스템, 그리고 가공 공정의 상호 작용을 모두 고려하는 통합 동적 예측 모델을 제시하고자 한다. 가공 공정을 고려한 통합 동적 예측 모델은 가상 환경에서 요구되는 가공을 수행하게 되며, 가공 표면 생성 모델을 이용하여 가공 중 발생되는 다양한 공작 기계의 동적 오차들이 가공 표면에 미치는 영향들을 예측 가능하게 한다. 제안된 통합 동적 예측 모델은 수직형 머시닝 센터의 대표 구조인 볼스크류 구동 메커니즘의 C-frame형 공작 기계와 리니어 모터 구동의 gantry형 공작 기계의 구조를 대상으로 적용하였으며, 장비 구조 및 가공 공정에 따른 가공 특성을 예측하고 이를 분석하여 제안한 설계 방법론이 설계 단계에서 장비의 성능을 평가하고 분석할 수 있는 중요한 수단이 될 수 있음을 검증하였다.