KR101314468B1 - 공기베어링의 강성 및 감쇠계수 측정장치 - Google Patents

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Abstract

이 발명은, 모터를 사용하지 않고, 외부 압축 공기와 터빈 드라이브 버킷을 사용하여 주축을 구동함으로써, 측정 신호의 노이즈 영향을 최소화시킴으로써 측정 데이터의 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 주축과 비접촉하면서 주축에 직접 가진력을 인가함으로써 상대적으로 정확도를 높일 수 있는, 공기베어링의 강성 및 감쇠계수 측정장치에 관한 것으로서,
외부 가압 공기에 의해 회전되는 주축과, 상기한 주축을 회전시키기 위하여 상기한 주축의 양쪽 끝부분에 설치되어 있는 터빈 드라이브 버킷과, 상기한 주축의 외주면에 설치되어 있으며 서로 간격을 두고 떨어져 있는 반경방향 공기 베어링과, 상기한 반경방향 공기 베어링을 둘러싸면서 설치되는 베어링 하우징과, 상기한 베어링 하우징을 둘러싸면서 베이스와 연결 설치되는 메인 하우징과, 상기한 메인 하우징과 베어링 하우징을 관통하여 상기한 공기베어링에 공기를 주입하기 위한 공기 주입부와, 상기한 주축의 양단에 각각 설치되는 축방향 공기 베어링과, 상기한 주축의 외주면에 설치되어 있으며 주축의 회전수에 동기된 하중 및 비동기된 하중을 비접촉으로 부가하기 위한 진동을 발생시키는 전자석 가진기와, 상기한 전자석 가진기를 구동하기 위한 구동회로부와, 상기한 주축의 거동을 측정하기 위한 비접촉 변위센서와, 상기한 메인 하우징에 장착되는 힘센서와, 상기한 힘센서에 예압을 가하기 위한 예압볼트를 포함하여 이루어진다.

Description

공기베어링의 강성 및 감쇠계수 측정장치{Mesuring device for stiffness and damping coefficient of air bearing}
이 발명은 공기베어링의 강성 및 감쇠계수 측정장치에 관한 것으로서, 좀더 세부적으로 말하자면 모터를 사용하지 않고, 외부 압축 공기와 터빈 드라이브 버킷을 사용하여 주축을 구동함으로써, 측정 신호의 노이즈 영향을 최소화시킴으로써 측정 데이터의 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 주축과 비접촉하면서 주축에 직접 가진력을 인가함으로써 상대적으로 정확도를 높일 수 있는, 공기베어링의 강성 및 감쇠계수 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로 모터와 같이 회전축을 갖는 회전기기에는 회전축을 지지하면서 회전 마찰력을 감소시키기 위하여 베어링 장치를 사용하게 되며, 이와 같은 베어링 장치로서는 볼베어링, 공기베어링, 유체베어링, 자기베어링 등이 있다.
베어링의 강성 및 감쇠 계수의 측정은 글리니케(Glienicke)가 처음 시도하였으며, 그 이후로 야나베(Yanabe), 머피(Murphy), 야스다(Yasuda), 공(Gong), 가네모리(Kanemori), 칸키(Kanki) 등이 측정을 위한 여러가지 실험 방법을 제시한 바 있다. 그러나 이러한 실험들은 모두 베어링의 틈새가 크며 작동유체가 오일인 경우이다.
공기베어링은 5~20㎛ 정도의 틈새를 가지며, 회전 오차가 수십 나노 미터 정도이기 때문에 실험적으로 강성 및 감쇠 계수를 측정하기가 어려워서, 현재까지는 이론적 해석에 의존해 왔다. 물론, 시험적으로 공기베어링의 강성 및 감쇠계수를 측정하려는 시도가 있었지만 한계가 있었다.
공기베어링에 대해서는 플레밍(Fleming)이 강성 및 감쇠계수를 측정한 바 있으나, 그는 공기베어링의 강성 및 감쇠를 등방성이라 가정하고, 무하중시의 주 강성과 주 감쇠계수만을 측정하였다.
그러나, 이러한 종래의 강성 및 감쇠계수 측정 방법은 모터를 사용하여 주축을 회전시키기 때문에 상대적으로 노이즈의 영향을 받게 되는 문제점이 있다.
또한, 종래의 강성 및 감쇠계수 측정 방법은 주축이 아닌 주축 볼베어링에 가진력을 인가하기 때문에 상대적으로 정확도가 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 모터를 사용하지 않고, 외부 압축 공기와 터빈 드라이브 버킷을 사용하여 주축을 구동함으로써, 측정 신호의 노이즈 영향을 최소화시킴으로써 측정 데이터의 신뢰성을 향상시킬 수 있는, 공기베어링의 강성 및 감쇠계수 측정장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 주축과 비접촉하면서 주축에 직접 가진력을 인가함으로써 상대적으로 정확도를 높일 수 있는, 공기베어링의 강성 및 감쇠계수 측정장치를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명의 구성은, 외부 가압 공기에 의해 회전되는 주축과, 상기한 주축을 회전시키기 위하여 상기한 주축의 양쪽 끝부분에 설치되어 있는 터빈 드라이브 버킷과, 상기한 주축의 외주면에 설치되어 있으며 서로 간격을 두고 떨어져 있는 반경방향 공기 베어링과, 상기한 반경방향 공기 베어링을 둘러싸면서 설치되는 베어링 하우징과, 상기한 베어링 하우징을 둘러싸면서 베이스와 연결 설치되는 메인 하우징과, 상기한 메인 하우징과 베어링 하우징을 관통하여 상기한 공기베어링에 공기를 주입하기 위한 공기 주입부와, 상기한 주축의 양단에 각각 설치되는 축방향 공기 베어링과, 상기한 주축의 외주면에 설치되어 있으며 주축의 회전수에 동기된 하중 및 비동기된 하중을 비접촉으로 부가하기 위한 진동을 발생시키는 전자석 가진기와, 상기한 전자석 가진기를 구동하기 위한 구동회로부와, 상기한 주축의 거동을 측정하기 위한 비접촉 변위센서와, 상기한 메인 하우징에 장착되는 힘센서와, 상기한 힘센서에 예압을 가하기 위한 예압볼트를 포함하여 이루어지면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 구동회로부는, 정현파 신호를 생성하기 위한 정형파신호 생성부와, 상기한 정형파신호 생성부로부터 생성된 정현파 신호를 클리핑하기 위한 클리퍼 회로와, 상기한 클리퍼 회로의 출력신호의 전력을 증폭하기 위한 파워 앰프를 포함하여 이루어지면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 전자석 가진기는 8개의 극으로 구성되어 있으며, 각 극에 코일을 감고 옆 극의 코일과 직렬 연결함으로써 4개의 극을 형성했으며, NN-SS-NN-SS으로 이루어지면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 전자석 가진기는 주축 회전 속도의 1.5배, -1.5배에 달하는 주파수로 두번 주축을 가진하면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 전자석 가진기는 X축은 클리핑된 사인(sine)파 Y축은 클리핑된 코사인(cosine)파를 이용하여 X축과 Y축을 동시에 가진하면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 사인파 신호는 음의 신호를 잘라내고, 코사인파 신호는 양의 신호를 잘라내면 바람직하다.
이 발명은, 모터를 사용하지 않고, 외부 압축 공기와 터빈 드라이브 버킷을 사용하여 주축을 구동함으로써, 측정 신호의 노이즈 영향을 최소화시킴으로써 측정 데이터의 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 주축과 비접촉하면서 주축에 직접 가진력을 인가함으로써 상대적으로 정확도를 높일 수 있는, 효과를 갖는다.
도 1은 이 발명의 일 실시예에 따른 공기베어링의 강성 및 감쇠계수 측정장치의 구성도이다.
도 2는 이 발명의 일 실시예에 따른 공기베어링의 강성 및 감쇠계수 측정장치의 단면도이다.
도 3은 이 발명의 일 실시예에 따른 공기베어링의 강성 및 감쇠계수 측정장치의 가진기의 코어형태 및 극배치를 나타낸 도면이다.
이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용, 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 동작상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.
참고로, 여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 제시된 실시예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시예가 가능함을 밝혀 둔다.
또한, 본원의 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 정의된 것으로서, 통상적이거나 사전적인 의미로만 한정해서 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 일예로서, 방향에 관한 용어는 설명상의 편의를 위하여 도면상에 표현된 위치를 기준으로 설정하기로 한다.
도 1은 이 발명의 일 실시예에 따른 공기베어링의 강성 및 감쇠계수 측정장치의 구성도이고, 도 2는 이 발명의 일 실시예에 따른 공기베어링의 강성 및 감쇠계수 측정장치의 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 이 발명의 일 실시예에 따른 공기베어링의 강성 및 감쇠계수 측정장치의 구성은, 외부 가압 공기에 의해 회전되는 주축(1)과, 상기한 주축(1)을 회전시키기 위하여 상기한 주축(2)의 양쪽 끝부분에 설치되어 있는 터빈 드라이브 버킷(2a, 2b)과, 상기한 주축(1)의 외주면에 설치되어 있으며 서로 간격을 두고 떨어져 있는 한쌍의 반경방향 공기 베어링(3a, 3b)과, 상기한 한쌍의 반경방향 공기 베어링(3a, 3b)을 둘러싸면서 설치되는 베어링 하우징(10)과, 상기한 베어링 하우징(10)을 둘러싸면서 베이스(12)와 연결 설치되는 메인 하우징(11a, 11b)과, 상기한 메인 하우징(11a, 11b)과 베어링 하우징(10)을 관통하여 상기한 공기베어링(3a, 3b)에 공기를 주입하기 위한 공기 주입부(4)와, 상기한 주축(1)의 양단에 각각 설치되는 축방향 공기 베어링(5a, 5b)과, 상기한 주축(1)의 외주면에 설치되어 있으며 주축(1)의 회전수에 동기된 하중 및 비동기된 하중을 비접촉으로 부가하기 위한 진동을 발생시키는 전자석 가진기(9)와, 상기한 전자석 가진기(9)를 구동하기 위한 구동회로부와, 상기한 주축(1)의 거동을 측정하기 위한 비접촉 변위센서(6a, 6b)와, 상기한 메인 하우징(11a, 11b)에 장착되는 힘센서(7a, 7b)와, 상기한 힘센서(7a, 7b)에 예압을 가하기 위한 예압볼트(8a, 8b)를 포함하여 이루어진다.
상기한 구동회로부는, 정현파 신호를 생성하기 위한 정형파신호 생성부(14)와, 상기한 정형파신호 생성부(14)로부터 생성된 정현파 신호를 클리핑하기 위한 클리퍼 회로(15)와, 상기한 클리퍼 회로(15)의 출력신호의 전력을 증폭하기 위한 파워 앰프(16)를 포함하여 이루어진다.
상기한 메인 하우징(11a, 11b)은 볼트를 이용하여 베이스(12)에 고정된다.
도 3은 이 발명의 일 실시예에 따른 공기베어링의 강성 및 감쇠계수 측정장치의 가진기의 코어형태 및 극배치를 나타낸 도면이다.
도 3에 도시되어 있는 바와 같이 이 발명의 일 실시예에 따른 공기베어링의 강성 및 감쇠계수 측정장치의 전자석 가진기(9)는, 8개의 극으로 구성되어 있으며, 각 극에 코일을 감고 옆 극의 코일과 직렬 연결함으로써 4개의 극을 형성했으며, 그 형태는 NN-SS-NN-SS으로 이루어진다.
상기한 구성에 의한, 이 발명의 일 실시예에 따른 공기베어링의 강성 및 감쇠계수 측정장치의 작용은 다음과 같다.
한쌍의 반경방향 공기 베어링(3a, 3b)과 축방향 공기 베어링(5a, 5b)으로 지지된 주축(1)의 반경 방향 강성 및 감쇠 계수를 측정하기 위해서는, 주축(1)에 가해지는 힘과, 주축(1)이 흔들리게 되는 변위를 측정해야 한다.
주축(1)에 가해지는 힘을 측정하기 위해서, 회전하는 주축(1)에 가해지는 힘을 직접적으로 측정하기는 매우 어렵기 때문에, 본 발명에서는 주축(1)에 힘을 가하고, 주축(1)과 상대 운동을 하는 베어링 하우징(10)과 베이스(12)에 고정된 메인 하우징(11a, 11b)의 사이에 힘 센서(7a, 7b)를 장착하여 주축(1)에 가해지는 힘을 측정한다. 또한, 상기한 힘 센서(7a, 7b)를 이용하여 주축(1)에 가해지는 동적인 힘을 측정하기 위해서는 일정한 정적인 예압을 힘 센서(7a, 7b)에 가해줘야 되는데, 이를 위해 예압 볼트(8)를 이용한다.
주축(1)이 흔들리게 되는 변위를 측정하기 위해서, 회전하는 주축(1)에 대하여 접촉식 가진기를 사용할 수 없기 때문에, 본 발명에서는 비 접촉으로 주축을 가진하기 위한 전자석 가진기(9)를 이용한다. 상기한 전자석 가진기(9)의 코어는 8개의 극이 2개씩 코일이 직렬 연결되어 4개의 극을 형성했으며, 그 형태는 NN-SS-NN-SS으로 이루어진다.
측정 준비가 완료되면, 외부 압축 공기를 이용하여 터빈 드라이브 버킷(2a, 2b)을 구동시킴으로써 주축(1)을 원하는 회전 속도로 회전시킨다. 일반적으로 축의 구동을 위해서는 모터를 사용하지만, 이 경우에 모터의 전기 노이즈 등이 센서에 영향을 미쳐 정밀한 측정을 방해할 수 있기 때문에 본 발명에서는 모터 대신에 터빈 드라이브 버킷(2a, 2b)을 이용하여 주축(1)을 회전시킨다.
다음에, 원하는 주축 회전 속도에서 전자석 가진기(9)를 이용하여 비 접촉으로 주축 회전 속도의 1.5배, -1.5배에 달하는 주파수로 두번 주축(1)을 가진한다. 이를 위하여 정현파 신호 생성부(14)로부터 정현파 신호가 생성되고, 이와 같이 정현파 신호 생성부(14)로부터 생성된 정현파 신호는 클리퍼 회로(15)에 의해 클리핑되어 파워 앰프(16)에 의해 증폭되어 전자석 가진기(9)로 인가되는데, X축은 클리핑된 사인(sine)파 Y축은 클리핑된 코사인(cosine)파를 이용하여 X축과 Y축을 동시에 가진한다.
전자석 가진기(9)의 경우, 정현파의 신호 부호에 상관없이 견인력이 작용하기 때문에, 정현파가 +X방향과 -X 방향으로 동시에 가해지면, X방향으로의 힘은 상쇄되며, 이러한 현상은 Y방향에서도 같다. 따라서, 클리퍼 회로(15)를 사용하여 정현파 신호의 양과 음의 신호를 적절히 잘라주면, 사인파 신호는 음의 신호를 잘라내고, 코사인파 신호는 양의 신호를 잘라내면 순수한 정현파 신호로 주축(1)을 가진할 수 있다.
이와 같이 주축(1)을 가진 하면서, 비접촉 변위 센서(6a, 6b)을 이용하여 주축(1)의 흔들리는 변위를 측정하고, 이와 동시에 힘 센서(7a, 7b)을 이용하여 주축(1)에 가해지는 동적인 힘을 측정한다.
제어부(도시되지 않음)는 각 회전 속도에서 비접촉 변위 센서(6a, 6b)을 통해 얻은 주축(1)의 변위와 힘센서(7a, 7b)을 통해 얻은 주축(1)에 가해지는 힘의 관계로부터 주축(1)의 주 강성과 감쇠 계수 및 연성 강성과 감쇠계수를 구한다. 그리고, 이와 같이 공기 베어링의 주 강성/감쇠 계수 및 연성 강성/감쇠 계수를 시험적으로 측정하여 공기 베어링의 특성을 정확히 규명할 수 있으며, 공기 베어링을 이용한 초정밀 공작기계 주축을 설계함에 있어서 좋은 설계 정보를 제공할 수가 있게 된다.
이상에서와 같이 본 발명은 모터를 사용하지 않고, 외부 압축 공기와 터빈 드라이브 버킷(2a, 2b)을 사용한 주축(1)의 구동 방법을 채택함으로써, 측정 신호의 노이즈 영향의 최소화를 통하여, 측정 데이터의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 주축(1)과 비접촉하면서 주축(1)에 직접 가진력을 인가함으로써 상대적으로 정확도를 높일 수 있다.
1 : 주축 2a, 2b : 터빈 드라이브 버킷
3a, 3b : 반경방향 공기베어링 4 : 공기 주입부
5a, 5b : 축방향 공기 베어링 6a, 6b : 비접촉 변위센서
7a, 7b : 힘센서 8a, 8b : 예압볼트
9 : 전자석 가진기 10 : 베어링 하우징
11a, 11b : 메인 하우징 12 : 베이스

Claims (6)

  1. 외부 가압 공기에 의해 회전되는 주축과,
    상기한 주축을 회전시키기 위하여 상기한 주축의 양쪽 끝부분에 설치되어 있는 터빈 드라이브 버킷과,
    상기한 주축의 외주면에 설치되어 있으며 서로 간격을 두고 떨어져 있는 반경방향 공기 베어링과,
    상기한 반경방향 공기 베어링을 둘러싸면서 설치되는 베어링 하우징과,
    상기한 베어링 하우징을 둘러싸면서 베이스와 연결 설치되는 메인 하우징과,
    상기한 메인 하우징과 베어링 하우징을 관통하여 상기한 공기베어링에 공기를 주입하기 위한 공기 주입부와,
    상기한 주축의 양단에 각각 설치되는 축방향 공기 베어링과,
    상기한 주축의 외주면에 설치되어 있으며 주축의 회전수에 동기된 하중 및 비동기된 하중을 비접촉으로 부가하기 위한 진동을 발생시키는 전자석 가진기와,
    상기한 전자석 가진기를 구동하기 위한 구동회로부와,
    상기한 주축의 거동을 측정하기 위한 비접촉 변위센서와,
    상기한 메인 하우징에 장착되는 힘센서와, 상기한 힘센서에 예압을 가하기 위한 예압볼트를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기베어링의 강성 및 감쇠계수 측정장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기한 구동회로부는,
    정현파 신호를 생성하기 위한 정형파신호 생성부와,
    상기한 정형파신호 생성부로부터 생성된 정현파 신호를 클리핑하기 위한 클리퍼 회로와,
    상기한 클리퍼 회로의 출력신호의 전력을 증폭하기 위한 파워 앰프를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기베어링의 강성 및 감쇠계수 측정장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기한 전자석 가진기는 8개의 극으로 구성되어 있으며, 각 극에 코일을 감고 옆 극의 코일과 직렬 연결함으로써 4개의 극을 형성했으며, NN-SS-NN-SS으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기베어링의 강성 및 감쇠계수 측정장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기한 전자석 가진기는 주축 회전 속도의 1.5배, -1.5배에 달하는 주파수로 두번 주축을 가진하는 것을 특징으로 하는 공기베어링의 강성 및 감쇠계수 측정장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기한 전자석 가진기는 X축은 클리핑된 사인(sine)파 Y축은 클리핑된 코사인(cosine)파를 이용하여 X축과 Y축을 동시에 가진하는 것을 특징으로 하는 공기베어링의 강성 및 감쇠계수 측정장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기한 사인파 신호는 음의 신호를 잘라내고, 코사인파 신호는 양의 신호를 잘라내는 것을 특징으로 하는 공기베어링의 강성 및 감쇠계수 측정장치.
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