[논문]천체망원경용 비구면 반사경 표면조도 향상을 위한 최적연삭변수 수치결정모델

한정열; 김석환; 김건희; 한인우; 양순철

doi:10.5140/jass.2005.22.1.013

천체망원경용 비구면 반사경 표면조도 향상을 위한 최적연삭변수 수치결정모델
GRINDING OPTIMIZATION MODEL FOR NANOMETRIC SURFACE ROUGHNESS FOR ASPHERIC ASTRONOMICAL OPTICAL SURFACES 원문보기

韓國宇宙科學會誌 = Journal of astronomy & space sciences, v.22 no.1, 2005년, pp.13 - 20

한정열 (과학기술연합대학원대학교 천문우주과학과, 한국천문연구원 광학천문연구부) , 김석환 (연세대학교 천문우주학파 우주광학연구실) , 김건희 (한국기초자학지원연구원 초정밀가공실) , 한인우 (과학기술연합대학원대학교 천문우주과학과, 한국천문연구원 광학천문연구부) , 양순철 (한국기초자학지원연구원 초정밀가공실)

초록
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지상 및 우주 천체 망원경용 비구면 반사경면 초기 제작공정에는 고정입자 휠을 사용하는 연삭이 있다. 본 연구에서는 매 연삭 가공 이전에 설정한 목표 표면조도를 달성할 수 있도록 입력 연삭변수들을 결정하고, 표면 가공오차를 추적하며 , 가공 경과시간을 최소화하는 새로운 연삭공정을 개발하였다. 특별히 이 공정 기법은 이전 연삭 가공 작업시 까지 수집된 입력 변수 및 가공 결과 표면조도 자료를 다 변수 회귀분석 방법에 대입하여 목표 표면조도에 따른 최적 연삭가공 입력변수를 매 가공 작업 시 진화적으로 제시하는 지능형 공정 조절 능력을 갖추고 있다. 개발된 공정기법과 초정밀 컴퓨터 수치제어 연삭기를 사용하여 $96.1\~65.0nm(Ra)$ 범위 의 목표 표면조도를 갖는 제로듀어 소재에 대하여 10회 가공 실험을 수행 한 결과 $=-0.906{\pm}3.38(\sigma)nm(Ra)$의 가공 정밀도를 달성하여, 지능형 연삭공정의 효율을 입증하였다. 이러한 연구결과는 천체망원경용 반사경면 연삭 가공 시 정성적 경험에 의존하여 가공하는 기존 기술을 극복하고 정량적 수치 모형에 의하여 가공소요시간 최소화 및 나노미터 급 표면조도를 달성하는 진화형 공정 최적화 기술의 확립이라는 의의를 가지고 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Bound abrasive grinding is used for the initial fabrication phase of the precision aspheric mirrors for both space and ground based astronomical telescopes. We developed a new grinding optimization process that determines the input grinding variables for the target surface roughness, checks the grinding error magnitude in resulting surface roughnesses, and minimizes the required machining time. Using the machining data collected from the previous grinding runs and subsequently fed into the multivariable regression engine, the process has the evolving controllability that suggests the optimum set of grinding variables for each target surface roughness. The process model was then used for ten grinding experiments that resulted in the grinding accuracy of $=-0.906{\pm}3.38(\sigma)\;nm(Ra)$ for the target surface roughnesses of Zerodur substrate ranging from 96.1 nm (Ra) to 65.0 nm (Ra) The results imply that the quantitative process optimization technique developed in this study minimizes the machining time and offers the nanometric surface roughness controllability superior to the traditional, qualitative, craftsman based grinding process for the astronomical optical surfaces.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 연삭 이전에 목표 표면조도를 설정하였고 그 목표 표면조도에 도달 가능한 최적 연삭변수 수치를 제시할 수 있도록 매 공정마다 진화하는 최적 연삭 모델을 개발하였으며, 가공 소요 시간을 최소로 하고 실 오차를 나노미터 정밀도로 조절할 수 있음을 입증하였다. 이는 연삭가공 현장에서 본 연구를 통하여 개발한 최적 연삭 모델을 적용시킴으로써 천체망원경 및 우주망원경 사업에서 반사경 면을 국내에서 가공할 수 있도록 해주는 원천 기반기술을 마련한 것이다.
본 연구에서는 한정열 등(2004)이 무작위로 선택한 가공변수로 연삭했을 때 연삭 가공 이후 표면 조도를 예측하는 방법과 구별되어 목표 표면조도와 연삭변수를 가공이 전에 결정함으로써 그림 1의 순서도와 같이 광학가공 현장에서 곧바로 응용할 수 있는 정량적 최적 연삭 모델을 독자 개발하였다. 한편 가공기 자체가 가지는 연삭변수의 미소변화로부터 야기되는 가공 및 측정조건의 불확실성 을 보상하기 위하여 가 목표 표면조도와 가공 후 표면조도와의 차를 다음 회 연삭가공 가 목표 표면 조도로부터 감하여 줌으로써 매 가공-측정 순환마다 실 목표 표면조도가 수정 진화되도록 가공 공정이 조절 되었다.

제안 방법

공정진행 중 도달하고자 하는 실 목표 표면조도(Ra_TC)에 근사한 정수 값으로 약 10nm 간격의 가 목표 표면조도를 90nm(Ra)에서 55nm(Ra) 범위에서 진화하며 설정하였다(공정 d). 가공기 자체가 가지는 연삭변수의 비선형적 미소변화가 원인이 되어 결과적으로 나타나는 가공 후 표면조도의 불확실성을 진화적으로 보상하기 위하여 본 연구에서는 실 목표 표면조도를 가 목표 표면조도로부터 직전 오차 값(E_R)을 제한 값으로 수정 결정하였다(공정 e).
공정 c에서는 금회 실시되는 가공 실험의 고유 번호를 정의하며, 이는 이후 공정 순서에서 발생되는 모든 입력 및 측정 변수, 또한 그들로부터 만들어지는 파생 자료의 고유 번호 표식으로 사용되었다. 공정진행 중 도달하고자 하는 실 목표 표면조도(Ra_TC)에 근사한 정수 값으로 약 10nm 간격의 가 목표 표면조도를 90nm(Ra)에서 55nm(Ra) 범위에서 진화하며 설정하였다(공정 d). 가공기 자체가 가지는 연삭변수의 비선형적 미소변화가 원인이 되어 결과적으로 나타나는 가공 후 표면조도의 불확실성을 진화적으로 보상하기 위하여 본 연구에서는 실 목표 표면조도를 가 목표 표면조도로부터 직전 오차 값(E_R)을 제한 값으로 수정 결정하였다(공정 e).
5mm/min 이상, 연삭 휠 회전속도 lOOrpm 이상, 최대한계 수치는 공작물 이송속도 10mm/min 이하, 연삭 휠 회전속도 400rpm이하로 하였다. 그리고 연삭 휠 입자의 크기(Grit number)는 9.3um(2200), 6.9um(3000), 5.3um(4000), 4.2um(5000) 등 네 종류 중에서 선택하도록 하였다. 첫 번째 선별과정은 최적 연삭 모델에서 제시된 연삭조건들 중 위 선택한계 범위 내에서 공작물 이송속도와 연삭 휠 회전속도의 최소, 최대 한계치를 연결하여주는 직선상에 놓여진 연삭조건들과 가장 유사한 범위에 있는 연삭조건들을 선별하는 것이다.
0034mm인 직경 100mm Zerodur 소재를 사용하였다. 연삭 가공기는 미국 Precitech사의 Pneumo-K001 Nanoform 600 Diamond Turning Machine(DTM, Serial number: 960040)이며, 300mm x 300mm 연삭 모듈(Grinding module)에 Di- agrind사의 직경 75mm 연삭 휠(Serial number: 62981-01)을 장착하여 소재를 가공하였고, 접촉식 측정 장치인 Rank Taylor Hobson사의 Form Talysurf(Serial number: 0626)는 소재 표면의 서로 다른 일곱 군데에서 표면조도를 측정하였다. 각 위치에서의 측정 길이는 ISO(International Organization for Standardization) 기준 길이인 5.
두 번째 선별과정은 연삭가공 소요시간임이 최소인 연삭조건을 선별하는 것이다. 연삭가공 소요시간은 연삭 길이와 공작물 이송속도로부터 결정되는데, 본 연구에서는 90mm 직 경의 소재를 연삭 하였으므로 공작물은 중심으로부터 45mm 지점까지 이동하면서 연삭하였고, 이송속도는 최적 연삭 모델로부터 진화적으로 제시되었다. 따라서 공작물의 이송길이(L)는 45mm이다.
연삭가공이 진행되면서 이전 실험 자료에 금회 실험에서 획득한 가공 후 표면 조도(RaM)와 연삭변수들이 지속적으로 누적되면서 계수 및 지수들이 진화되었다. 연삭변수 제시모델로부터 예측된 표면조도와 가공 후 표면조도와의 차이를 추적하여 그 모델이 제시한 최적연삭변수 범위의 채택 여부를 판단하기 위하여 연삭 오차추적 모델을 구성하였다(공정 g). 연삭 오차추적 모델은 주어진 연삭조건들이 가 목표 표면조도와 가공 후 표면조도와의 오차(E_M)에 기여하는 값을 회귀분석하여 얻은 다음 식(2)를 기본으로 한다.
따라서 공작물의 이송길이(L)는 45mm이다. 연삭은 제시된 이송속도의 두 배 속도로 1회(L/2F), 제시된 이송속도로 2회(2L/F)를 수행하였다. 이로써 연삭가공 소요시간은 이들의 합인 다음 식(3)으로 주어진다(공정 h).
가공 후 표면조도는 Form Talysurf를 사용하여 측정하였고(공정 j), 가공 오차 값(E_R)은 공정 e)의 실 목표 표면조도에 보상하도록 하였다(공정 k). 측정 표면조도가 오차(E_M)범위 이내에 있고, 가공 후 표면조도(Ra_M)가 실 목표 표면조도인 65nm(Ra) 이하일 때 연삭가공 실험을 종료하였다(공정 l).

대상 데이터

연삭 가공기는 미국 Precitech사의 Pneumo-K001 Nanoform 600 Diamond Turning Machine(DTM, Serial number: 960040)이며, 300mm x 300mm 연삭 모듈(Grinding module)에 Di- agrind사의 직경 75mm 연삭 휠(Serial number: 62981-01)을 장착하여 소재를 가공하였고, 접촉식 측정 장치인 Rank Taylor Hobson사의 Form Talysurf(Serial number: 0626)는 소재 표면의 서로 다른 일곱 군데에서 표면조도를 측정하였다. 각 위치에서의 측정 길이는 ISO(International Organization for Standardization) 기준 길이인 5.6mm이다. 연삭초반과 후반의 휠 상태가 변화함으로 인하여 연삭 후 표면조도는 소재의 위치에 따라 다르게 측정될 것이다.
본 연구에서는 비구면 계수 -5.95, 비구면도(asphericity) 0.0034mm인 직경 100mm Zerodur 소재를 사용하였다. 연삭 가공기는 미국 Precitech사의 Pneumo-K001 Nanoform 600 Diamond Turning Machine(DTM, Serial number: 960040)이며, 300mm x 300mm 연삭 모듈(Grinding module)에 Di- agrind사의 직경 75mm 연삭 휠(Serial number: 62981-01)을 장착하여 소재를 가공하였고, 접촉식 측정 장치인 Rank Taylor Hobson사의 Form Talysurf(Serial number: 0626)는 소재 표면의 서로 다른 일곱 군데에서 표면조도를 측정하였다.
이 연구는 한국기계연구원(과제:M1-0332-00-0011)의 지원에 의해 수행되었다. 본 연구의 치공구 설계 및 제작에 도움 주신 한국기초과학지원연구원 초정밀가공실의 김효식, 복민갑, 김상보님께 감사를 드린다.
연삭초반과 후반의 휠 상태가 변화함으로 인하여 연삭 후 표면조도는 소재의 위치에 따라 다르게 측정될 것이다. 자료의 대표성을 위하여 측정 기준 길 이와 그 사이의 공간 약 10mm를 고려하여 100mm 크기의 소재가 사용되었다.

성능/효과

본-연구에서는 1) 연삭 이전에 목표 표면조도에 도달할 수 있는 입력 연삭변수들을 결정할 수 있고, 2) 표면조도 예측오차를 추적하며, 3) 연삭공정의 경과시간이 상대적으로 작게 소요되는 변수들을 택하도록 모델을 개발하였고 실험을 통하여 효용성을 입증하였다.
결과적으로 매 실험에서의 실 오차 평균치()는 -0.906nm(Ra)이고 평균치에 대한 표준편차(b) 값은 ±3.38nm(Ra)으로 계산되었다.
연삭 가공 소요시간을 비교한 표 3에서 이송속도가 가장 느린 0.5mm/min(제 3안)을 택하여 10회 를 가공하였을 때 총 연삭시간은 2250분이 되는 반면 본 모델에 의해 결정된 최소 소요시간의 이송 속도(제 1안)로 연삭한 경우 302.8분이 소요되어 약 86.5%의 시간절감효과를 나타내었다. 한편 연삭변수 제시모델에 의해 두 번째 최적연삭조건(제 2안)으로 연삭하면 843.

참고문헌 (6)

한정열, 김석환, 김건희, 김대욱, 김주환 2004, 한국우주과학회지, 21, 141

원문보기 상세보기
Benardos, P. G., & Vosniakos, G.-C. 2003, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 43, 833

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Feng, C. X., & Wang, X. 2002, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 20, 348

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Hecker, R. L., & Liang, S. Y. 2003, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 43, 755

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Pierre, Y. B. 2003, The Design and Construction of Large Optical Telescopes (New York: Springer-Verlab)
Zhou, X., & Xi, F. 2002, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 42, 969

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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