In this thesis, for the purpose of evaluating machining accuracy and designing a machine tool structure, a simplified model of the main frame is suggested.
It is basically composed of a set of beam elements, springs and masses. The properties of beams are extracted from CAD data of the machine tool frame. A joint is simply modeled as a spring and a damper. Lumped masses are used to represent massive components attached to the frame. As a numerical example, the portal frame of an NC plano-miller is used.
For the optimization, a two stage approach is proposed. First, a stiffened structure with shells is optimized for dimensions in ratios of thickness of stiffeners to walls. In the second stage, a simplified model of the frame with the dimension ratios obtained is used to finally determine the concrete dimensions of the sections of the columns and the cross-rail. The criterion taken is the volume of the structure under static and dynamic loadings approximated from cutting operations.
The results have shown general characteristics of the optimum design and the approach is shown practicable for a preliminary design analysis and improvement of a conceptual design of a machine tool.
본 논문에서는 공작기계의 가공 오차 평가와 공작기계 구조물의 설계를 위해 주 프레임의 단순화 모델링이 제안되었다. 단순화 모델링은 기본적으로 보 요소, 스프링, 그리고 감쇠기로 구성된다. 보의 단면 자료는 공작기계 프레임의 캐드 자료로부터 얻어진다. 결합부는 스프링과 감쇠기로 단순하게 모델링된다. 프레임에 부착된 무거운 요소를 나타내기 위해서는 집중 질량이 사용된다. 수치 예제로써 NC 플라노 밀러의 문형 프레임이 사용됐다. 최적화를 위해서 2단계 접근법이 제안되었다. 첫번째, 단면 최적화 단계에서는 보강재의 두께와 벽면의 두께의 최적비가 쉘 요소를 이용해서 구해진다. 두번째 단계에서는 단면 최적화 값이 적용된 프레임의 단순화 모델을 통해서 칼럼과 크로스레일의 단면 치수가 결정된다. 최적설계의 기준은 절삭력으로부터 근사화된 정적 동적 하중하의 변형량을 제한 조건으로 해서 전체 구조물의 부피를 최소화하는 것이다. 단면 최적화 단계에서는 대각선형 리브구조가 적합함을 알았다. 또한 칼럼과 크로스레일에서 외벽 대 보강재의 두께는 각각 0.15와 0.5가 됨을 알았다. 이 결과를 적용하여 여러 하중하에서의 공작기계 프레임의 치수를 설계했다. 이러한 결과들은 최적설계의 일반적인 경향을 보이고 있고 본 논문에서 취한 접근 방법이 공작기계의 예비설계 해석 및 개념설계의 개선에 응용될 수 있음을 보여줬다.
