[논문]축대칭 렌즈 코어의 초정밀 보정가공에 관한 연구

강상도; 김우순; 장광호; 박순섭; 김동현

문제 정의

이로써 측정 프로파일의 각각의 형상에 의한 공구의 위치 결정오차 방향을 알 수 있으며, 그 방향량 만큼을 보정하여 설계 비구면과 가까운 면을 가공할 수 있다. 본 논문에서는 공구 위치결정오차에 의해 생겨난 잔여 형상 오차를 보정 가공 방법을 사용함으로서 형상정도가 현저하게 감소될 수 있음을 고찰하고, 보정 싸이클을 사용하면 더 좋은 결과⁽⁵⁾들이 얻어질 수 있음을 연구 고찰하였다.
그러나 공구 위치결정 오차로부터의 잔여 형상 오차에 대한 보정의 경우 전통적인 시행착오 방법으로는 가공비용과 시간적으로 매우 소비적이고 만족스러운 결과들을 도출해낼 수 없었다. 본 연구에서는 설계된 유리재질의 콜리메이터렌즈 데이터를 초정밀 가공데이터로 사용하였고 초정밀 비구면 가공기계를 이용하여 공구 위치결정 오차로부터 생겨난 형상 오차를 보정하기 위해 체계적이고 신뢰할 수 있는 방법을 통하여 평가 제안하였다.
본 연구에서는 위치결정 오차(ΔX_c, ΔZ_c)를 최소화하기 위한 보정으로 공구에 의한 위치결정을 하고 보정싸이클(Compensation cycle)을 반복하여 사용함으로써 비구면의형상정도를 개선시키고자 하였다. 초정밀 비구면 연삭기에서 공구 경로 생성 소프트웨어에 의해 발생된 CNC기계코드를 수정하기 위해 폼 테일러서프 시스템 (Form talysurf system)으로부터 형상 측정 데이터를 사용하여 비구면 보정 가공법과 일련의 연삭 실험에 의해 평가하였다.

제안 방법

비구면 렌즈 코어를 가공하기 전에 코어 재료를 Jig에 부착시키고, Jig를 Vacuum chuck에 고정한 후 비구면 소프트웨어에 의하여 공구경로를 생성하여 비구면 형상을 1차 가공을 하였다. 1차 가공 후 비구면 형상측정기를 이용하여 형상을 측정하였고, 비구면 설계 데이터와 실제가공 형상 측정값의 오차량을 측정한다. 이때 얻은 오차량을 보정하여 피드백 데이터로 사용하였다.
따라서 Fig. 10과 Fig. 11과 같이 반복적 보정 가공방법을 사용하여 위치결정에 위한 형사오차를 보정가공 하였다. Fig.
를 이용하여 28, 000rpm에서 1㎛의 연삭깊이로 Dressing하였다. 비구면 렌즈 코어를 가공하기 전에 코어 재료를 Jig에 부착시키고, Jig를 Vacuum chuck에 고정한 후 비구면 소프트웨어에 의하여 공구경로를 생성하여 비구면 형상을 1차 가공을 하였다. 1차 가공 후 비구면 형상측정기를 이용하여 형상을 측정하였고, 비구면 설계 데이터와 실제가공 형상 측정값의 오차량을 측정한다.
)를 최소화하기 위한 보정으로 공구에 의한 위치결정을 하고 보정싸이클(Compensation cycle)을 반복하여 사용함으로써 비구면의형상정도를 개선시키고자 하였다. 초정밀 비구면 연삭기에서 공구 경로 생성 소프트웨어에 의해 발생된 CNC기계코드를 수정하기 위해 폼 테일러서프 시스템 (Form talysurf system)으로부터 형상 측정 데이터를 사용하여 비구면 보정 가공법과 일련의 연삭 실험에 의해 평가하였다. 공구는 공구위치결정 오차가 발생하는 경우에 이상적인 공구경로를 지나지 않고 오차발생량 만큼의 궤적을 그리게 된다.

대상 데이터

Fig. 1은 본 연구에 사용된 초정밀가공기계이다. Toshba 사의 ULG100C(H³)로써 Grinder spindle을 사용하였고, X축과 Z축은 베드위에 직교되어 있고 Z축은 정압공기베어링 방식의 스핀들이 슬라이드 되면서 공작물을 회전시키며 회전속도는 10-1, 500min-1범위내이다.
1은 본 연구에 사용된 초정밀가공기계이다. Toshba 사의 ULG100C(H³)로써 Grinder spindle을 사용하였고, X축과 Z축은 베드위에 직교되어 있고 Z축은 정압공기베어링 방식의 스핀들이 슬라이드 되면서 공작물을 회전시키며 회전속도는 10-1, 500min-1범위내이다. Y축은 정압공기베어링 스핀들 방식의 구동을 하며, 연삭공구를 회전속도로 5, 000- 40, 000min-1의 속도로 제어할 수 있다.
공구위치결정오차에 의한 보정가공은 비구면 형상 측정기인 Form talysurf의 측정데이터를 기반으로 실시되므로 실험의 신뢰성을 확보하기 위하여 M4의 캘리브레이션 마스터를 이용하여 캘리브레이션(Calibration)을 Rt 0.0885 ㎛로 실시하였다. Fig.
회전대칭 비구면 렌즈의 가공서는 가공좌표를 X, Z 2축을 사용하여 가공경로를 따라 직선과 원호 보간을 한다. 본 논문에서는 가공경로 X, Z를 생성하기 위한 비구면 설계변수 R, K, C, a, b, c, d값은 광학 설계 소프트웨어인 Code V 상에 설계된 콜리메이터렌즈 데이터를 이용하였다.
사용공구는 동경 Diamond에서 제작한 Tungsten bar grin-der wheel을 사용하였다. 연삭숫돌은 지름 7.
사용공구는 동경 Diamond에서 제작한 Tungsten bar grin-der wheel을 사용하였다. 연삭숫돌은 지름 7.712mm의 원추형 합성다이아몬드 휠이며, 입도1500, 결합제는 레진본드이다. 비구면형상 측정 장비로는 RTH사의 비구면 형상측정기인 Form talysurf series2 PGI PLUS를 사용하였다.
비구면형상 측정 장비로는 RTH사의 비구면 형상측정기인 Form talysurf series2 PGI PLUS를 사용하였다. 절삭실험에 사용된 렌즈코어의 재료는 초경합금을 사용하였으며 Fuji Dies사에서 제작한 J05이다.
이때 얻은 오차량을 보정하여 피드백 데이터로 사용하였다. 피드백 데이터는 공구위치와 단위보정길이의 재입력으로 비구면형상을 보정하여 비구면을 창성하였으며 고정도 비구면 렌즈금형코어를 완성하였다.

성능/효과

(1) 초정밀 비구면 연삭가공기계를 이용하는 가공에서 공구 위치결정오차(ΔX_c, ΔZ_c)에 의해 발생된 잔여 형상 오차는 보정가공 싸이클의 반복수행에 따라 형상오차를 구면 0.1 ㎛, 비구면 0.2㎛이내로 보정하였으며, 그 이상은 위치결정오차에 의한 보정 가공으로 형상정밀도가 향상되지 않았다.
(2) 초정밀비구면 연삭 기계를 이용하여 초경합금을 보정 싸이클에 의해 비구면 가공한 결과 형상정밀도가 구면은 0.100㎛, 비구면은 0.1889㎛인 콜리메이터 렌즈 금형 코어를 가공하였다.
1 ㎛이내로는 보정되지 않았고 위치결정에 의한 보정법의 수행이 제한되는 것을 알 수가 있었다. 또한 구면 코어의 가공에서는 위치결정에 의한 형상오차의 보정이 선형적으로 일정하게 보정되었고 형상오차가 약 0.1 ㎛정도에서는 더 이상 좋은 결과가 형성되지 않았다.
9는 1차 보정가공 후 수정된 형상 데이터이며, 형상 오차 분포를 관찰하여 위치결정오차가 완전히 제거되지 않았음을 발견하였다. 보정된 잔여 형상 오차는 구면에서 Pt 0.3358㎛, 비구면에서 Rt 0.3613㎛까지 감소되었고 첫 번째 보정 사이클에서 형상오차가 구면 Pt 0.1075㎛, 비구면 Rt 0.6899㎛만큼 형상 오차가 감소하였다. 발견된 위치결정 오차는 보정 전 형상 데이터와 비교하고 위치결정에 의한 오차를 완전히 제거하기 위하여 보정 싸이클을 반복 사용하여야 한다.
비구면 가공에서는 1차 보정으로 형상정도를 65.63% 감소시켰으며 2, 3차 보정가공에서는 미소한 향상을 보였으며, 0.1889㎛에서부터는 보정가공으로 인한 형상정도의 향상이 더 이상 효과를 발휘 할 수 없었다. 이유는 보정 전 정삭가공 시 다이아몬드 휠이 장착된 X축 정렬 과정에서 야기되는 위치결정오차(ΔX_c, ΔZ_c)에 의한 형상오차를 보정하였기 때문에 형상오차는 구면 0.
발견된 위치결정 오차는 보정 전 형상 데이터와 비교하고 위치결정에 의한 오차를 완전히 제거하기 위하여 보정 싸이클을 반복 사용하여야 한다. 이러한 보정가공 실험 결과는 초정밀 비구면 가공에서 공구의 위치결정 오차를 보정 가공함으로써 잔여 형상오차를 감소시키는 방법으로 효과적임을 알 수 있다.
이런 유형의 오차는 공구 경로보정에 의한 보정가공으로 제거될 수 없었다. 이로써 초정 밀비구면 연삭 기계를 이용하여 초경합금을 보정 싸이클에 의해 비구면 가공한 결과 형상 정도 구면은 0.100㎛, 비구면은 0.1889㎛인 콜리메이터 렌즈 금형 코어를 가공하였다. Fig.
측정한 형상데이터를 보여준다. 측정 프로파일 형상이 M형상 분포로써 다이아몬드 휠과 스핀들 중심과는 일치하지 않다는 것을 확인할 수 있으며, 이로 이한 형상 잔여 오차가 구면은 Pt 0.4433㎛, 비구면은 Rt 1.0512㎛임을 알 수 있다.

후속연구

초정밀 비구면 가공에서 공구의 위치결정오차는 보정 가 을 함으로써 효과적으로 잔여 형상오차를 보정할 수 있으므로, 반복적인 보정가공을 사용하면 더욱더 좋은 결과를 얻을 수 있을 것이다.

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