[논문]레이저 마커용 빔 정렬장치의 공리적 설계

신광섭; 이정욱; 박경진

doi:10.3795/ksme-a.2002.26.9.1727

레이저 마커용 빔 정렬장치의 공리적 설계
Axiomatic Design of a Beam Adjuster for Laser Marker 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.26 no.9 = no.204, 2002년, pp.1727 - 1735

신광섭 (한양대학교 대학원 기계설계학과) , 이정욱 (한양대학교 대학원 기계설계학과) , 박경진

Abstract ▼ AI-Helper

The usage of beam scanning type laser marker is rapidly increasing in the field of semiconductor equipment. A device called ″beam adjuster″ is employed to adjust the visible diode laser, which points the marking position for various setting. The device is very sensitive to manufacturing tolerance and assembly condition. Axiomatic approach has been applied to the design of the device. An existing design is analyzed based on the Independence Axiom. The existing design is found to violate the axiom. Two new designs are proposed to satisfy the Independence Axiom. The Information Axiom is utilized to evaluate the designs. A design is selected to have the minimum information content. The significance of this research is that a full cycle of axiomatic design is applied to a real engineering product.

주제어

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문제 정의

(95)정 보공리 는 독 립공리 를 만족하는 설계들 중에서 정보량이 가장 적은 설계가 최상의설계임을 의미하며, 설계의 우수성을 정량적으로표현하는 방법을 제시한다.⑶기3) 본 연구에서는공리적 설계방법을 이용하여 빔 정렬장치 설계를평가하고 이에 대한 문제점을 파악하였다. 또한문제점을 해결할 수 있는 새로운 빔 정렬장치의설계모델을 도출하였다.
또한, 설계파라미터는 인간의 손으로 조정하는 양이므로 목표점 부근에서 1 mm 만큼의 오차를 갖는다고 하자. 각 설계파라미터는 확률상 독립이고, 균일한 분포를 갖는 연속형 균등분포함수

가설 설정

설계대상의 정보량을 최소화하라.

제안 방법

(3) 독립공리를 사용하여 기능적으로 독립적인용해서 얻어낸 두 가지의 설계안 중에서 더 좋은설계안을 선택하기 위해 정보공리를 이용하여 최종안을 선택하였다.
4.1 독립공리를 이용한 정렬장치의 설계안 도출독립공리를 만족하는 새로운 설계를 도출하기위하여 새로운 설계파라미터를 갖는 정렬장치를고안하였다. 일단 수직 위치 및 각도를 조절하는 FR1, FR2 만을 고려하여 설계안을 도출한다면 수평위치를 조절하는 FR3, FR4 는 같은 원리로 확장시킬 수 있다.
공리적 관점에서는 정보량이 적은 설계가 더 좋은 설계이다. Fig. 11 에서 보여진 두가지 설계의 정보량을 비교하기 위해, 목표치 부근에서 각 설계파라미터의 분포에 대한 성공의 확률을 비교하였다.
이때 정렬 장치는 정렬된 실제 마킹용 레이저의 경로에 지시 빔 레이저의 경로를 일치시키는 장치로, 부품 가공 상의 오차와 정밀한 조립의 한계성으로 인하여 빔 경로를 정밀하게 일치시키기가 매우 어렵다.偿)이러한문제점을 해결하기 위해서 공리적 설계방법을 이용하여 새로운 설계의 고안을 시도하였다.
먼저 초기 설계에 대한 분석을 한다. 기능요구와 설계변수를 정의하고 설계행렬을 구성하여, 독립공리에 대한 만족 여부를 판단한다. 독립공리를 만족하지 않을 경우에는 사상 과정을 통해 새로운 설계안을 모색한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 독립공리를 이용한 새로운 설계변수를 모색하였고, 두 종류의 비연성화설계 (decoupled design) 모델을 도출할 수 있었다. 도출된 두 가지의 설계 중에서 우수한 설계를 선택하기 위해 설계모델의 정보량을 계산하였다. 계산 결과 성공의 확률이 높은 설계를 최종적으로 선택함으로써, 두 가지 이상의 설계 안에 대하여 더 좋은 설계를 선정하는데 정보공리가 이용될 수 있음을 보여주었다.
⑶기3) 본 연구에서는공리적 설계방법을 이용하여 빔 정렬장치 설계를평가하고 이에 대한 문제점을 파악하였다. 또한문제점을 해결할 수 있는 새로운 빔 정렬장치의설계모델을 도출하였다. 먼저 초기의 정렬장치를 분석하기 위하여, 기능요구(functional requirements.
또한문제점을 해결할 수 있는 새로운 빔 정렬장치의설계모델을 도출하였다. 먼저 초기의 정렬장치를 분석하기 위하여, 기능요구(functional requirements. FRs)와 설계파라미터(design parameter, DPs)를 정의 하였다. 이를 설계방정식으로 나타낸 결과 연성 설계(coupled design)임을 알 수 있었다.
사용자가 요구하는 사항을 기능적 영역 내의기능요구로 사상 시키고 물리적 영역 내에서 기능요구를 만족하는 설계파라미터를 구한다. 기능요구와 설계파라미터는 계층구조 형태로 분해 (decomposition)할 수 있다.
이를 설계방정식으로 나타낸 결과 연성 설계(coupled design)임을 알 수 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 독립공리를 이용한 새로운 설계변수를 모색하였고, 두 종류의 비연성화설계 (decoupled design) 모델을 도출할 수 있었다. 도출된 두 가지의 설계 중에서 우수한 설계를 선택하기 위해 설계모델의 정보량을 계산하였다.
첫 번째 설계안은 Fig. 8 과 같이 빔의 시작하는 수직 위치를 조절할 수 있는 뒤쪽 체결부와 수직 각도를 조절할 수 있는 앞쪽 체결부로 나뉘어진설계파라미터를 가지고 있다. 각각의 홀에 나사를 체결할 수 있고 조절 후 각 위치를 고정시킬 수 있는 설계다.

성능/효과

(2) 레이저마커에 사용되는 빔 정렬장치의 초기설계행렬을 구성하여 분석한 결과 초기의 설계는연성된 설계임을 알 수 있었다.
도출된 두 가지의 설계 중에서 우수한 설계를 선택하기 위해 설계모델의 정보량을 계산하였다. 계산 결과 성공의 확률이 높은 설계를 최종적으로 선택함으로써, 두 가지 이상의 설계 안에 대하여 더 좋은 설계를 선정하는데 정보공리가 이용될 수 있음을 보여주었다. 실제로 새로운 설계로 제작하여 시험한 결과, 원하는 기능을 만족시키면서 비교적 빠른 시간에 성공적인 레이저 빔 정렬 작업을 수행할 수 있었다.
시제품을 제작하여 초기 설계안과의 성능을 비교한 결과 Table 1 과 같이 정렬 정확성이 약 58% 가 향상되었고 정렬소요시간은 43%가 단축되어도출된 설계가 보다 우수한 설계임을 확인할 수었다.
계산 결과 성공의 확률이 높은 설계를 최종적으로 선택함으로써, 두 가지 이상의 설계 안에 대하여 더 좋은 설계를 선정하는데 정보공리가 이용될 수 있음을 보여주었다. 실제로 새로운 설계로 제작하여 시험한 결과, 원하는 기능을 만족시키면서 비교적 빠른 시간에 성공적인 레이저 빔 정렬 작업을 수행할 수 있었다.
위의 두 가지 설계안은 각각의 기능요구에 대한 설계파라미터를 새로 정의하여 비연성화설계를도출할 수 있었다. FR1, FR2 에 대한 개념을 같은방법으로 확장시키면 다음과 같은 설계를 도출 할수 있다.
5 와 같이 다이오드 레이저를 켜서 생기는 표시 점의 위치가 YAG 레이저로 이미 생성한 마킹 기준점과 같아지도록 다이오드 레이저의 빔 발생 위치를 이동하여 두 점을 일치시키면 된다. 이때 다이오드 레이저를 마킹용 YAG 레이저의 경로에 정확히 일치시켜야 두 가지 레이저가 같은 위치로 확인되어 YAG 레이저를 끈 상태에서 다이오드 레이저만으로도 마킹 위치를 안전하게 확인할 수 있다. 마치 사격에서 말하는 영점조정의 기능을 하도록 레이저 빔 경로의 두 축을 일치시키는 장치가 빔 정렬장치 (beam adjuster) 이 다.

참고문헌 (14)

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Operation & Maintenance Manual, 2000, Dongyang Semiconductor Equipment
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Suh, N.P., Wilson, D.R., Tice, W.W., Yasuhara, M. and Bell, A.C., 1979, 'Application of Axiomatic Design Techniques to Manufacturing,' Winter Annual Meeting, ASME, 79-WA/Prod-25, New York, NY, December 2-7
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Suh, N.P., 1990, The Principles of Design, Oxford University Press, New York
Suh N.P., 2000, Axiomatic Design: Advances and Applications, to be Published: Oxford University Press
Lee, K.W. and Park, G.J., 2000, 'A Structural Optimization Methodology Using the Independence Axiom,' Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers (A), October, Vol. 24, No. 10, pp. 2438-2450

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Shin, M.K., Hong, S.W. and Park, G.J., 2000, 'Analysis and Design of a Motor Driven Tilt/Telescopic Steering Column for Safety Improvement,' Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers (A), June, Vol. 24, No.6, pp. 1479-1490

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Do, S.H. and Park, G.J., 1996, 'Application of Design Axioms for Glass-bulb Design and Software Development for Design Automation,' Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers (A), Vol. 20, No. 4, pp. 1333-1346

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Daniel D. Frey, Ebad Jahangir, Fredrik Engelhardt, 2000, 'Computing the Information Content of Decoupled Designs,' First International Conference on Axiomatic Design, Proceedings of ICAD2000, pp. 151-159
Albano, L.D. and Suh, N.P., 1993, 'The Information Axiom and its Implication,' Intelligent Concurrent Design: Fundamentals, Methodology, Modeling and Practice, ASME, Vol. 66-DE
Alexander M. Mood, Franklin A. Graybill and Duane C. Boes, 1963, Introduction to the Theory of Statistics, McGraw-hill, Inc.

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