대형 부품 절삭력 모니터링에서 측정 면적 확대에 따른 질량 증가와 고유 진동수 저하라는 기술적 문제를 해결하기 위해 경량화 개념을 도입하여 대면적 압전 다차원 측력계를 개발하고 체계적인 이론 분석과 실험 검증을 수행하였다. 구조 기능 분석을 통해 경량화 설계 제약과 최적화 방향을 명확히 하였으며, 토폴로지 최적화를 활용해 초기 구조를 얻고 주요 치수 매개변수를 결정하였다. 실험 설계와 응답면법을 결합하여 매개변수와 최적화 목표의 대리 모델을 구축하였다. 이후 다목적 최적화 알고리즘을 적용하여 최종 설계안을 확정하고 측력계 시제품을 제작하였다. 마지막으로 정적 및 동적 교정과 실제 밀링 실험을 통해 경량화 측력계의 성능을 검증하였다. 실험 결과 측력계의 전체 질량이 8.3% 감소하고 1차 고유 진동수가 33.2% 향상되었으며, 각 방향 선형도와 반복성이 0.5% 미만이고, 각 방향 간 결합 오차가 3% 미만이며, 삼축 고유 진동수는 1.9 kHz 이상임을 나타냈다. 밀링 절삭력 실험은 작업 면적 내에서의 테스트 안정성을 검증하였고, 다양한 작업 조건에 대한 민감한 반응을 명확히 보여주어 경량화된 측력계가 우수한 성능을 유지함을 입증하였다. 본 연구는 향후 측력계 구조 설계 및 고유 진동수 향상을 위한 이론적 지침을 제공하며 명확한 공학적 적용 가치를 가진다.

측정 면적; 절삭력 측정; 응답면 분석; 경량화