저크 디커플링이 기계 진동을 낮출 수 있다

공작기계 작업은 빠른 위치 결정과 정밀성 사이에서 균형을 맞춰야 한다. 이 과정에서 방해 요인인 기계 진동은 동역학 가능성을 제한하고 있어 연구자들이 이를 연구하고 있다.

공학박사 베렌트 뎅케나(Berend Denkena) 교수: 하노버 라이프니츠 대학 생산기술 및 공작기계 연구소(IFW) 소장,

공학박사 벤야만 베르크만(Benjamin Bergmann): IFW기계 및 컨트롤 분야 책임자.

M. Sc. 마르셀 프레데릭 뵈제(Marcel-Frederic Böhse): IFW기계 및 컨트롤 분야 연구원.

핵심 내용

  • 공작기계는 공구의 신속한 위치 결정과 높은 가공 정밀도 사이에서 균형을 이뤄야 한다.
  • 동역학을 달성하려면 축 가속도와 가속도의 변화가 가능한 한 높아야 하며, 이는 선형 드라이브에서 바람직하지 않은 진동을 생성하는 높은 저크를 유발한다.
  • 연구원들은 능동 저크 디커플링을 사용하여 정밀성 저하 진동에 대한 메카트로닉 댐핑 시스템을 만들 수 있음을 보여준다.

하노버 라이프니츠 대학의 생산기술 및 공작기계연구소(IFW)는 이른바 ‘능동 저크 디커플링’을 연구하고 있다. 이를 통해 최대 축 동역학과 달성 가능한 정확도의 한계를 크게 확장하였다. 독일연구재단 DFG가 자금을 지원하는 “공작기계를 위한 능동 저크 디커플링” 프로젝트에서 기계 진동은 메카트로닉 댐핑 시스템에 의해 능동적으로 보정된다. 메카트로닉 시스템은 가속 또는 제동 시 일반적인 피드 드라이브의 반력을 분리한다. 이는 슈튜트가르트의 Isoloc Schwingungstechnik GmbH의 추가 액추에이터 및 스프링 패키지를 사용하여 수행하였다.

리니어 다이렉트 드라이브가 진동을 만든다

변경이 큰 가공 공정은 설정된 최대 축 가속도에 최대한 빨리 도달해야 처리 시간을 최소화할 수 있다. 결과적으로 짧은 이동이 최대 처리 속도를 얻을 수 있다. 하지만 선형 다이렉트 드라이브의 높은 저크(시간 경과에 따른 축 가속도의 변화)가 기계 구조의 광대역 진동 여기를 초래한다. 이러한 기계 진동은 가공 품질에 영향을 크게 미친다. 이를 방지하기 위해 실제 가공에서는 저크가 제한된다. 하지만 저크가 제한되면 최대 축 가속도 도달하는 시간이 느려진다는 의미이고, 이는 또다시 리니어 다이렉트 드라이브의 잠재력(생산성과 관련하여)을 제한할 수 없다.

메카트로닉 댐핑 방식

이러한 정확도와 축 동역학 간의 충돌을 해결하기 위한 새로운 접근 방식은 저크 디커플링 또는 펄스 디커플링이다. 스프링 댐퍼의 통합과 메인 드라이브 그리고 기계 구조 사이의 추가 분리 슬라이드(그림 1, 왼쪽)는 기계 프레임의 구조적 진동을 줄일 수 있다. 하지만 추가의 기계 장치는 또 다른 공진 지점이 되기도 하다. 이러한 수동 저크 디커플링은 저주파 진동에서 그 효과가 제한적이다. 수동 저크 디커플링의 이러한 성능 한계를 극복하기 위해 능동 메카트로닉 댐핑 시스템으로 능동 저크 디커플링으로 전환할 수 있다.

능동 저크 디커플링은 정적 유연성을 유지하면서 드라이브와 기계 프레임 사이의 힘 흐름에 액추에이터와 센서를 포함하기 때문에 수동 저크 디커플링을 확장할 수 있다. 스프링 댐퍼는 디커플링 슬라이드와 결합하여 기계 프레임의 고주파수 구조적 진동을 감소시킨다. 또한 모델 기반 제어를 통해 액추에이터 힘이 설정된다는 점에서 액추에이터의 보상력을 통해 저주파 대역의 진동을 감소시킬 수 있다.

그림 2: 기계식 로우패스 필터 역할을 하는 저크 디커플링에 사용되는 Isoloc의 기계 마운팅 시스템 ‘FEDAM’.

기계 마운팅이 로우패스 필터 역할을 한다

IFW는 능동 저크 분리 피드 축의 특성을 연구하기 위해 능동 저크 디커플링(REK)가 통합된 테스트 벤치를 설계 및 구축하였다(그림 1 참조). 이 테스트 벤치로 능동 저크 디커플링와 수동 저크 디커플링 그리고 머신 베드에 견고하게 고정된 저크 디커플링을 실험적으로 비교할 수 있다. 이러한 방식으로 진동 감소, 위치 정확도, 최대 가능한 저크와 관련하여 능동 저크 분리의 가능성을 탐색할 수 있다.

스프링 댐퍼 시스템, 저크 디커플링 슬라이드 및 저크 액추에이터는 구동력에 대한 캐스케이드 필터 형태로 능동 저크 디커플링의 역할을 한다. 스프링의 강성은 설계 단계에서 기계 구조의 첫 번째 고유 진동수에 맞추어진다. 이 고유 진동수는 제시된 테스트 벤치에서 fM = 38Hz이다. 스프링 댐퍼는 드라이브와 기계 구조 사이에서 기계적 로우패스 필터의 역할을 한다. 저크 액추에이터는 더 낮은 주파수 범위(5Hz)에서 기계적 로우패스에 의해 생성된 추가 공진점을 보상한다. 이것은 저크 디커플링 슬라이드의 편향을 감소시킨다. 프로토 타입 이송축의 강성과 견고성에 대한 높은 요구를 충족하기 위해 강성이 c = 180 N/mm인 Isoloc의 FEDAM-4-12.0-A03 타입기계 마운팅 시스템 2개를 스프링 댐퍼 패키지로 사용하였다. 이러한 기계 마운팅 시스템은 D = 1 ~ 10%의 감쇠 수준을 갖는 깊은 조정(파단 주파수 ƒo  3 ~ 5Hz)을 달성할 수 있는 저주파 진동 아이솔레이터이다. FEDAM-4-12.0-A03은 미끄럼 방지 플레이트에 장착된 54SiCr6 재질의 4개의 압축 스프링이다. 길이는 128mm이고 내부 직경은 약 68mm이며 와이어 두께는 9mm이다(그림 2 참조).

그림 3: 수동 및 능동 저크 디커플링 시 여기 주파수에 대한 프레임 주파수 응답 함수 및 사용한 크로스 테이블 테스트 벤치.

프레임 진동도 과거의 일

능동 저크 분리 교차 테이블 테스트 스탠드(그림 3) 형태의 첫 번째 모델을 사용하여 능동 저크 분리의 효과를 성공적으로 입증할 수 있었다. 패시브 저크 디커플링의 로우패스 거동은 38Hz에서 머신 베드의 최대 동적 유연성을 80%까지 감소시킨다(δ = 250µm/kN에서 50µm/kN으로). 수동 저크 디커플링으로 인해 추가로 증가되는 공진은 fREK = 5Hz이다. 저주파 범위(5Hz)에서 발생하는 공진 증가는 이 시스템으로 인해 절반으로 줄어든다(δ = 100에서 50µm/kN까지).

이 접근 방식의 가능성은 시간에서 확인할 수 있다(그림 4). s = 120mm의 거리와 사다리꼴 가속 프로파일(amax = 15m/s², vmax = 0.5m/s)의 위치 점프 예시에서 r = 500,000m/s³의 저크에 대한 기계 프레임의 편향을 표시된 시간 동안 묘사된다(그림 4, 왼쪽). 수동 저크 디커플링은 고정 연결에 비해 최대 진폭을 40%(XF = 42에서 25마이크로미터로) 감소시킨다. 하지만 수동 저크 디커플링의 프레임 진동은 감쇠 시간이 40% 더 길다. 능동 저크 디커플링으로 기계 프레임의 편향은 수동 저크 디커플링과 유사한 진폭을 생성하고 감쇠 시간은 절반으로 줄일 수 있다.

그림 4: 왼쪽은 기계 구조의 진동 거동을 보여준다. 오른쪽에는 액추에이터와 모터의 힘 곡선을 확인할 수 있다.

저크 액추에이터의 액추에이터 힘 FREK는 저주파 진동을 줄이기 위해 진동을 유발하는 모터 힘 FMot의 1/10만 되어도 된다(그림 4, 오른쪽). 이는 힘 흐름에 통합되어야 하는 해당 저크 액추에이터가 훨씬 더 작아도 된다는 의미이다. 축 동역학은 높으면서 동시에 높은 정밀도가 중요한 경우, 능동 저크 디커플링이 결정적인 이점이 있다. 고속 가공(HSC) 또는 픽 앤 플레이스 작업의 경우 최대 저크가 증가하고 가공과 위치 지정 시간이 단축될 수 있다.

추가적인 연구는 절삭 연구의 일환으로 공작기계의 디커플링 조치들을 비교하는 것이다. 능동 디커플링 시스템 시운전 시 추가로 필요한 작업이 컨트롤러 자동 매개변수화로 단순화된다. 연구 프로젝트 ‘공작기계를 위한 능동 저크 디커플링’(프로젝트 번호: 269666724)은 DFG (독일연구재단)에서 자금을 지원했으며, IFW의 프로젝트 재정 지원에 감사한다.