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문제 정의
- 가공물(Workpiece)은 초음파가 진에 의해 진동이 발생하며, 가공물의 진동은 가공력의 변화를 발생시킨다. 따라서 가공물의 흔들림 현상을 방지하기 위해 가공물을 진공흡착/고정하는 방식을 채택하였다. 진공펌프의 최대 진공도는 580mmHg이다.
- 본 논문에서는 초음파가공을 위한 가공력 제어형 위치서보 시스템을 이용한 초음파 가공기를 개발하였다. 시스템 의 견실성을 확보하기 위하여 초음파 가공시 발생하는 가공력의 변화를 분석하여 AC 서보 모터 구동을 위한 최적의 PID tuning을 수행하였다.
- 또한, 공작물 하단에 위치한 로드셀에서 측정된 가공력의 모니터링을 통해 가공시 발생하는 초음파 혼과 가공물 사이의 물리적인 접촉 현상을 회피하기 위한 이득 조정을 수행하였다. 본 논문을 통하여 개발된 초음파가진 된 가공입자의 타격력을 고려한 정압제어형 초음파 미세가공기의 가공력 모니터링을 통하여 미세 초음파가공과 가공력 사이의 상관관계를 살펴본다.
제안 방법
- (1)가 공력 제어형 위치서 보 시스템을 장착한 미세 초음파가 공기 시스템을 개발하였다.
- (2) 초음파 혼의 이송시오버슈트의 발생을 방지 하기 위하여 자동 튜닝기법을 사용하여 PID 이득을 구한 후 수작업으로 이득 조절을 수행하였 다.
- (3)로드셀과 하이브리드 증폭기 및 A/D 보드의 측정 특성 교정을 통하여 선형율 0.5% 이내에서 가공력 측정기의 교정을 수행 하였다.
- 본 논문에서 제작된 가공력 계측시스템의 계측 신뢰성을 검증하기 위하여 1/lOOOg 정밀전자 저울을 사용하여 로드셀 교정을 수행하였다. PMAC ACC-28A A/D 보드를 사용하여 단위 하중에 의한 로드셀 출력 아날로그 값을 디지털로 변환하였으며, PMAC에서 데이터 처리를 수행하였 다. Fig.
- 로드셀 신호를 가공력 데이터로 사용하기 위해서는 신호증폭을 수행해야 한다. 그러므로 Fig. 9에서 보는 바와 같이 고정밀 측정 시스템에 사용되는 Analog Device사의 AD524를 이용하여 증폭 회 로를 구성하였다
- 진공펌프의 최대 진공도는 580mmHg이다. 기존의 가공물고정 방식을 개선하여 가공물이 초음파가 진에 의해 흔들림 없는 안정된 위치를 유지하도록 하였다.
- 첫째, 가공이 이루어지는 초음파 가공기 및 가공물 고정부분. 두 번째, 정압제어 및 서보모터 위치제어를 위한 제어기(PMAC), 주축이송을 위한 AC 서보 모터와 위치피드백용 리니어 스케일. 세번째, 로드셀을 이용한 가공력 계측 및 신호증폭과 A/D 변환 기이다.
- 따라서 본 논문에서는 Fig. 2와 같이 시스템을 구축하여 로드셀을 이용해 실시간으로 가공력 계측을 수행하였으며, 다축모션 제어기 PMAC(Programmable multi axis controller)을 사용하여 계즉된 가공력을 통해 AC 서보 모터의 위치 제어9) 를 수행하여, 가공력 제어형 위치피드백 서보시 스템을 구축 하였다.
- 그럼에도 불구하고 대다수 초음 파 가공 시스템은 가공력을 피드백 하지 않고 단순히 서보 모터의 단위 이송을 통해 가공을 수행함으로써 가공시간이 많이 소요되며 툴(혼)의 손상을 초래하였다. 또한 가공력에 의한 정압제어가 이루어지지 않아 가공 입자에 의한 가공이 아닌 초음파 혼이가공물에 닿아 기계식초음파 드릴링 현상이 발생되어 가공면의 형상정밀도를 낮추고 공구의 수명을 단축시켰다.
- 또한 옵셋량을 조절하기 위하여 AD524 전원 입력단에 두 개의 가변저항을 사용하였으며, 출력단의 옵셋량을 조절하기 위해 6번 핀에 741연산증 폭기를 사용하였다.가공력의 선형성을 높이기 위해 증폭율을 조정하여 실험한 결과 출력 신호는 최대 1000배까지 안정된 특성을 나타내었다.
- 시스템 의 견실성을 확보하기 위하여 초음파 가공시 발생하는 가공력의 변화를 분석하여 AC 서보 모터 구동을 위한 최적의 PID tuning을 수행하였다. 또한, 공작물 하단에 위치한 로드셀에서 측정된 가공력의 모니터링을 통해 가공시 발생하는 초음파 혼과 가공물 사이의 물리적인 접촉 현상을 회피하기 위한 이득 조정을 수행하였다. 본 논문을 통하여 개발된 초음파가진 된 가공입자의 타격력을 고려한 정압제어형 초음파 미세가공기의 가공력 모니터링을 통하여 미세 초음파가공과 가공력 사이의 상관관계를 살펴본다.
- 로드셀의 증폭된 신호를 컴퓨터에서 데이터로 처리하기 위해 PMAC에서 제공하는 A/D 변환보드인 ACC-28A를 사용하여 A/D 변환을 수행하였 다. ACC-28A는 4채널, 16-bit 분해능의 A/D 변환기 이다.
- 리니 어 스케일은 Mitutoyo ATI 11을 사용하며, 측정 범 위는 100-1500mm, 최대 응답 속도는 72nVmin이다. 리니어 스케일의 위치정보를 제어기에 입력하기 위해서는 별도의 펄스 발생 장치가 필요하므로 Mistutoyo 펄스 신호 유닛인 PSU-102를 사용하여 구형파(Swuare wave pulse)를 생성하여 PMAC 보드에 입력하였다. PSU 102는 ly m와 0.
- 위치제어기의 기준 제어 이득을 구하기 위하여 PMAC에 내장된 자동(auto)튜닝 기능을 사용하여 PID 튜닝을 수행기 하였다. 먼저 초음파 혼에 공구를 부착하기 전의 무부하 상태에서 튜닝을 실시한 이후, 수작업으로 이들 조절을 수행하였다. PMAC 내장함수에 의한 이득 튜닝 결과는 오버슈트를 수반하여 공구와 공작물 사이의 접촉이 발생하여 공구의 파손을 초래한다.
- 본 논문에서 제작된 가공력 계측시스템의 계측 신뢰성을 검증하기 위하여 1/lOOOg 정밀전자 저울을 사용하여 로드셀 교정을 수행하였다. PMAC ACC-28A A/D 보드를 사용하여 단위 하중에 의한 로드셀 출력 아날로그 값을 디지털로 변환하였으며, PMAC에서 데이터 처리를 수행하였 다.
- 본 논문에서는 초음파가공을 위한 가공력 제어형 위치서보 시스템을 이용한 초음파 가공기를 개발하였다. 시스템 의 견실성을 확보하기 위하여 초음파 가공시 발생하는 가공력의 변화를 분석하여 AC 서보 모터 구동을 위한 최적의 PID tuning을 수행하였다. 또한, 공작물 하단에 위치한 로드셀에서 측정된 가공력의 모니터링을 통해 가공시 발생하는 초음파 혼과 가공물 사이의 물리적인 접촉 현상을 회피하기 위한 이득 조정을 수행하였다.
- 위치제어기의 기준 제어 이득을 구하기 위하여 PMAC에 내장된 자동(auto)튜닝 기능을 사용하여 PID 튜닝을 수행기 하였다. 먼저 초음파 혼에 공구를 부착하기 전의 무부하 상태에서 튜닝을 실시한 이후, 수작업으로 이들 조절을 수행하였다.
- 만약 차동 입력일 경우 사용 범위는-5V-+5V 이다. 이번 실험에서는 Singled-ended 입력이므로 나머지 한 개의 입력단은 AGND에 연결하여 노이즈를 개선 하였다.
- 초음파 혼이 장착된 수직축의 운동제어를 위하여 PMAC에 내장된 P1D 제어 알고리즘을 사용하였으며, 가감 속 도중에 공구와 가공물에 가해지는 중격력을 최소화하기 위하여 blended linear move의 S-곡선운동을 사용하여 수직축의 위치제어를 수행하였다.
- 초음파가공을 위해 처음에는 엔코더를 사용하여 모션 제어를 수행하였으나, 커플링에서 발생하 는 슬립과 볼 스크류에서 발생되는 기계적 오차를 최소화하기 위하여 Fig. 7의 리니어 스케일(Linear scale)을 사용하여 주축이송계를 구성하였다. 리니 어 스케일은 Mitutoyo ATI 11을 사용하며, 측정 범 위는 100-1500mm, 최대 응답 속도는 72nVmin이다.
대상 데이터
- 리니어 스케일의 위치정보를 제어기에 입력하기 위해서는 별도의 펄스 발생 장치가 필요하므로 Mistutoyo 펄스 신호 유닛인 PSU-102를 사용하여 구형파(Swuare wave pulse)를 생성하여 PMAC 보드에 입력하였다. PSU 102는 ly m와 0.511 m 분해능의 두 가지 모드가 있으며, 실험에서는 0.5u m 스케일을 사용하였다. 따라서 주축의 모터 이송 시 분해능은 0.
- 7의 리니어 스케일(Linear scale)을 사용하여 주축이송계를 구성하였다. 리니 어 스케일은 Mitutoyo ATI 11을 사용하며, 측정 범 위는 100-1500mm, 최대 응답 속도는 72nVmin이다. 리니어 스케일의 위치정보를 제어기에 입력하기 위해서는 별도의 펄스 발생 장치가 필요하므로 Mistutoyo 펄스 신호 유닛인 PSU-102를 사용하여 구형파(Swuare wave pulse)를 생성하여 PMAC 보드에 입력하였다.
- 이러한 이중 피드백은 엔코더만을 사용한 기계적 오차와 리니어 스케일만을 사용했을 경우의 엔코더보다 낮은 안정성을 개선한다. 본 논문에서는 모터에 부착된 엔코더를 사용하지 않고 부하쪽에 설치한 리니어 스케일을 사용하여 위치 피드백 신호로 사용하였다.
- 본 연구에서 사용된 운동제어기는 Deltatau사의PMAC(Programmable Multi Axis Controllder)-Lite(l0'111로서, 모토롤라의 DSP56K 를 사용하여 최대 8축까지 동시 제어가 가능한 고성능 다축제어 컨트롤러이다. PMAC은 로봇, 공작기계, 레이저가공기, 실리콘 웨이퍼가공기등 Sub-micron 제어로부터 수백kW급의 대용량 운동 제어에 이르기까지 다양한 적용 분야에 걸쳐 사용되고 있는 제어기이다.
- 서보모터는 대우 DS-F01CA-1 모델을 사용하였 고 모터의 정격출력은 100 Watt, 정격회전 속도는 3000 rpm, 최대 회전속도는 4500rpm이다. 서보드 라이버는 DASD-C-01SPCA 모델로 단상(AC200~22 0V)를 사용하며, 정현파 PWM 제어 방식으로 토크제어, 위치제어, 속도제어가 모두 가능하다.
- 로드셀의 탄성체 변화에 의해 출력된 신호는 mV 단위의 매우 작은 전압값이다. 실험에 사용된 로드셀은 CAS BCL-2L(single point) 으로 정격출력은 1.1士 0.1 mV/V 이다.
- 초음파가 공기는 압전세라믹 가진 소자가 28kHz의 주파수를 발생시키며, 이를 전달하여 최종적으로 가공 입자를 가진 하는 혼은 원추형(Conical type)으로 Booster와 볼트 체결된다. 혼은 티타늄(titanum) 합금을 사용하였다. Fig.
이론/모형
- 가공력의 계측을 위하여 스트레인 게이지형 로드셀을 사용하였다. 로드셀의 탄성체 변화에 의해 출력된 신호는 mV 단위의 매우 작은 전압값이다.
성능/효과
- 또한 옵셋량을 조절하기 위하여 AD524 전원 입력단에 두 개의 가변저항을 사용하였으며, 출력단의 옵셋량을 조절하기 위해 6번 핀에 741연산증 폭기를 사용하였다.가공력의 선형성을 높이기 위해 증폭율을 조정하여 실험한 결과 출력 신호는 최대 1000배까지 안정된 특성을 나타내었다.
- 로드셀의 최대 허용 하중은 2Kgf로 선형성이 보장되며, 측정 결과 100g까지 선형적임을 알 수 있다. 또한 선형 피팅 결과 0.5% 이내에서 선형성이 확보됨을 검증할 수 있었다.
- 12는 부하에 대한 A/D 변환값을 나타낸다. 로드셀의 최대 허용 하중은 2Kgf로 선형성이 보장되며, 측정 결과 100g까지 선형적임을 알 수 있다. 또한 선형 피팅 결과 0.
- 18에서는 가공력 피드백 알고리즘을 사용하여 직경 100|lm 공구로 유리시편에 초음파가공 을 시행한 결과를 보여주고 있다. 본 사례에서는 공구의 초기 진입 시점에서의 가공력 피크 발생으로 가공경계면이 거칠게 가공되었으나 차츰 가공력이 안정화되면서 가공면의 거칠기가 개선되어지고 있음을 알 수 있다.
후속연구
- (5) 본 연구 결과를 토대로 하여 향후, 공구의 초기 진입 시점에서 예하 중과 이송비율을 최소화하여 부드럽게 최초 접촉 조건을 형성한 후, 차츰 이송비율과 예하 중을 늘려나간다면 가공정밀도 의 향상과 가공속도의 증대를 동시에 추구할 수 있을 것으로 기대된다.
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