[논문 리뷰] Feed drive simulation for the prediction of the tool path follow up in High Speed Machining

David Prévost, Sylvain Lavernhe외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 04. 27.

Iterative Learning Control Systems참고 문헌 11인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 5축 고속切削(HSM) 시스템을 위한 동적 피드드라이브 시뮬레이션 모델을 제시한다. 이 모델은 전류, 속도, 위치 제어 루프에 피드포워드 항목을 통합하여 공구 경로 이탈을 예측한다. 모델은 이 translational 및 회전축의 거동을 정확하게 시뮬레이션하며, 3축 및 5축 공구 경로를 실험적으로 검증하여 시뮬레이션된 경로와 실제 경로 간의 높은 상관관계를 보이며, 가공 이전에 기하 오차를 조기에 탐지할 수 있게 한다.

ABSTRACT

This paper deals with an advanced modeling of the feed drives of a five axis machine tool within the context of High Speed Machining. The management of the multi axes as well as high velocities causes problems to the set machine tool - Numerical Controller throughout the trajectory execution process. As a result, many errors are introduced during machining all process long affecting the surface quality. The paper aims at modeling the feed drive dynamics during trajectory follow-up including the current, the velocity and position loops as well as the feed forward terms, which characterize classical drives on actual HSM machines. It concerns translational axes as well as rotary axes. A procedure of identification is implemented. Performances of the model are assessed by the comparison between simulated tool paths to the real one. Experimental verifications of the virtual axis model are detailed for three and five axis trajectories presenting various types of geometrical discontinuities.

연구 동기 및 목표

• 5축 고속切削 기계에서 피드드라이브의 동적 거동을 모델링하기 위해.
• HSM 중 다중축 조율과 고속도로 인한 경로 추적 오차를 해결하기 위해.
• 전류, 속도, 위치 및 피드포워드 제어 루프를 포함한 종합적인 시뮬레이션 프레임워크를 개발하기 위해.
• 다양한 기하 불연속성을 가진 실제 공구 경로와의 모델 검증을 위해.
• 실제 가공 이전에 공구 경로 정확도를 가상으로 검증할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 전류, 속도, 위치 제어 루프를 포함한 피드드라이브의 다중 루프 동적 모델 개발.
• 실제 HSM 드라이브 특성을 반영하기 위해 피드포워드 항목 통합.
• 실험 데이터를 사용하여 모델 파라미터를 校정하기 위한 시스템 식별 절차 구현.
• 복잡한 3축 및 5축 공구 경로 궤적에서 이 translational 및 회전축의 시뮬레이션.
• 모델 정확도 평가를 위해 시뮬레이션된 공구 경로와 측정된 실제 경로 비교.
• 실제 가공 이전에 경로 이탈을 예측하기 위해 가상 축 모델 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고속 5축 가공에서 동적 피드드라이브 모델은 공구 경로 이탈을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ2 다중축 조율과 고속도는 경로 추적 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 전류, 속도, 위치 및 피드포워드 제어 루프는 HSM에서 경로 이탈에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 제안된 모델은 기하 불연속성이 있는 상황에서 실제 공구 경로 거동을 어느 정도 정확히 재현할 수 있는가?
• RQ5 가상 시뮬레이션 모델은 실제 가공 이전에 표면 품질 문제를 신뢰성 있게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 피드드라이브 시뮬레이션 모델은 시뮬레이션된 경로와 측정된 경로 간의 높은 일치도를 보이며, 공구 경로 이탈 예측에 높은 정확도를 달성한다.
• 피드포워드 항목의 통합은 모델이 실제 드라이브 동역학을 재현하는 데 있어 뚜렷한 향상을 이룬다.
• 모델은 3축 및 5축 궤적 모두에서 기하 불연속성으로 인한 경로 오차를 성공적으로 포착한다.
• 실험적 검증을 통해 모델은 다양한 공구 경로 기하학 및 피드 속도에서 효과적인 것으로 확인되었다.
• 가상 축 모델은 경로 추적 오차를 조기에 탐지할 수 있게 하여 실제 절삭 이전의 공정 최적화를 지원한다.
• 식별 절차는 모델 파라미터를 효과적으로 校정하여 신뢰할 수 있는 시뮬레이션 결과를 보장한다.