[논문]듀얼스테이지를 이용한 고정밀도의 하이브리드 밀링머신

정병묵; 여인주; 고태조; 이천

듀얼스테이지를 이용한 고정밀도의 하이브리드 밀링머신
High Precision Hybrid Milling Machine Using Dual-Stage 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.25 no.7 = no.208, 2008년, pp.39 - 46

정병묵 (영남대학교 기계공학부) , 여인주 (영남대학교 기계공학부 대학원) , 고태조 (영남대학교 기계공학부) , 이천 (영남대학교 기계공학부 대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

High precision machining technology has become one of the important parts in the development of a precision machine. Such a machine requires high speed on a large workspace as well as high precision positioning. For machining systems having a long stroke with ultra precision, a dual-stage system including a global stage (coarse stage) and a micro stage (fine stage) is designed in this paper. Though linear motors have a long stroke and high precision feed drivers, they have some limitations for submicron positioning. Piezo-actuators with high precision also have severe disadvantage for the travel range, and the stroke is limited to a few microns. In the milling experiments, the positional accuracy has been readily achieved within 0.2 micron over the typical 20 mm stroke, and the path error over 2 micron was reduced within 0.2 micron. Therefore, this technique can be applied to develop high precision positioning and machining in the micro manufacturing and machining system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

있다. 4 그러나 밀링머신에 있어서 한 축에 대해서만 듀얼 스테이지를 적용하는 것은 무의미하므로 본연구에서는 2축 듀얼 스테이지를 설계하여 밀링머신에 적용하고 듀얼 스테이지의 제어실험을 통해 넓은 영역의 밀링가공에서 정밀한 가공 결과를 얻을 수 있음을 보여주고자 한다.
본 논문은 정밀 가공을 위한 듀얼 스테이지의 설계와 제어에 대한 것으로 기존의 LM 을 기반으로 하는 밀링머신에 PZT 로 구동되는 마이크로 스테이지를 추가하여 정밀가공을 구현하였다. 마이크로 스테이지를 설계하기 위해서는 탄성 기반의 유한 요소 모델을 만들어 ANSYS 로 인장 웅력을해석하였고 이를 기반으로 ±2 μm의 이동 거리를 갖는 마이크로스테이지는 설계하였다.

제안 방법

PZT는 PI 사에서 판매하는 제품이며, 최대 힘이 900 N 이고 115 N/m 의 강성을 갖는다. PZT 의 최대 이동거리가 9 pm 이므로 마이크로스테이지 이동거리를 4 μm 로 설계하였다. Fig.
6은 듀얼 스테이지와 글로벌 위치 센서의 구성도를 나타내며, 마이크로 스테이지와글로벌 스테이지는 기계적으로 결합되어 각 스테이지의 단점을 보완하도록 설계되었다. 그림의 XY 그리드 센서(grid sensor) 2D 레이저 센서 헤드와 2D 눈금판(grating plate)로 구성되어 있는데 레이저 헤드는 밀링본체의 베이스에 부착되어 있고, 그리드 센서는 마이크로 스테이지 위에 장착되어 듀얼 스테이지의 글로벌 이송량을 측정할 수 있도록 설계하였다.
모든 미끄럼과 구름 현상이 없고 고강성과 높은 허용 하중 특징을 지닌다. 글로벌 스테이지의 가속성능을 좋게 하기 위해 전체 중량을 최소화하는 것이 필요하므로 알루미늄 7075-T6 을 사용하여 마이크로스테이지를 제작하였고 보다 완벽한 설계를 위해 유한 요소 모델을 만들어서 정적 및 동적해석을 수행했다. PZT는 PI 사에서 판매하는 제품이며, 최대 힘이 900 N 이고 115 N/m 의 강성을 갖는다.
마이크로 스테이지를 설계하기 위해서는 탄성 기반의 유한 요소 모델을 만들어 ANSYS 로 인장 웅력을해석하였고 이를 기반으로 ±2 μm의 이동 거리를 갖는 마이크로스테이지는 설계하였다. 듀얼 스테이지의 컨트롤 알고리즘에서 글로벌 스테이지는 자체 서보 제어기에 의해 제어되지만 마이크로 스테이지는 ±2 pm 이내의 에러에 대해 전체 에러를 줄이도록 설계하였다. 그 결과 직선 가공이나 원호 가공 실험에서 LM 단독 스테이지에서 나타난 큰 추적에러를 듀얼 스테이지는 크게 감소시켜 밀링머신의 가공정밀도를 높이는 것을 확인할 수 있었다.
일반적으로 탄성힌지를 이용한 마이크로 스테이지를 설계하기 위해서는 균형 잡힌 구조이면서 약간의 유연성 있는 모션이 가눙하도록 다중 힌지 방식을 사용한다. 따라서 본 논문에서는 Fig. 3과 같이 각 축 당 1자유도를 갖도록 4 개의 탄성 힌지를 갖는 마이크로스테이지를 설계하였고 강성은 다음과 같은 식으로 구하였다.15
마이크로 스테이지를 설계하기 위해서는 탄성 기반의 유한 요소 모델을 만들어 ANSYS 로 인장 웅력을해석하였고 이를 기반으로 ±2 μm의 이동 거리를 갖는 마이크로스테이지는 설계하였다. 듀얼 스테이지의 컨트롤 알고리즘에서 글로벌 스테이지는 자체 서보 제어기에 의해 제어되지만 마이크로 스테이지는 ±2 pm 이내의 에러에 대해 전체 에러를 줄이도록 설계하였다.

대상 데이터

PZT 의 분해능은 무한대이므로 초정밀 제어를 위해서는 엔코더의 역할이 아주 중요하다. 따라서 위치 센서로 XY grid sensor 를 사용하였고 측정 범위는 60X 60mm 으로 두 축이 동시에 측정이 되고 정밀도는 약 5 nm 이다. 이엔코더는 피삭 물 고정대와 일체형으로 되어있으며 마이크로 스테이지 위에 장착되어있다.

성능/효과

그 결과 직선 가공이나 원호 가공 실험에서 LM 단독 스테이지에서 나타난 큰 추적에러를 듀얼 스테이지는 크게 감소시켜 밀링머신의 가공정밀도를 높이는 것을 확인할 수 있었다. 결론적으로 듀얼 스테이지 이송장치 시스템은 장거리 이동뿐만 아니라 높은 위치정밀도를 동시에 얻을 수 있었다.
듀얼 스테이지의 컨트롤 알고리즘에서 글로벌 스테이지는 자체 서보 제어기에 의해 제어되지만 마이크로 스테이지는 ±2 pm 이내의 에러에 대해 전체 에러를 줄이도록 설계하였다. 그 결과 직선 가공이나 원호 가공 실험에서 LM 단독 스테이지에서 나타난 큰 추적에러를 듀얼 스테이지는 크게 감소시켜 밀링머신의 가공정밀도를 높이는 것을 확인할 수 있었다. 결론적으로 듀얼 스테이지 이송장치 시스템은 장거리 이동뿐만 아니라 높은 위치정밀도를 동시에 얻을 수 있었다.

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