[논문]나노계면 형성을 위한 초음파 진동자 위치보정을 위한 레이저 스캐닝 기술

김경한; 이제훈; 김현세; 박종권; 윤광호

doi:10.7736/kspe.2014.31.12.1121

나노계면 형성을 위한 초음파 진동자 위치보정을 위한 레이저 스캐닝 기술
Laser Scanning Technology for Ultrasonic Horn Location Compensation to Modify Nano-size Grain 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.31 no.12, 2014년, pp.1121 - 1126

김경한 (한국기계연구원 광응용기계연구실) , 이제훈 (한국기계연구원 광응용기계연구실) , 김현세 (한국기계연구원 열공정극한기계연구실) , 박종권 (한국기계연구원 초정밀시스템연구실) , 윤광호 (한국기계연구원 광응용기계연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

To compensate location error of ultrasonic horn, the laser scanning system based on the galvanometer scanner is developed. It consists of the 3-Axis linear stage and the 2-Axis galvanometer scanner. To measure surface shape of three-dimensional free form surface, the dynamic focusing unit is adopted, which can maintain consistent focal plane. With combining the linear stage and the galvanometer scanner, the scanning area is enlarged. The scanning CAD system is developed by stage motion teaching and NURBS method. The laser scanning system is tested by marking experiment with the semi-cylindrical sample. Scanning accuracy is investigated by measured laser marked line width with various scanning speed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 산업통산자원부의 “초음파 진동을 이용한 나노표면개질 공정기술 및 장비개발” 및 산업통산자원부의 3차원 대면적 자유형상 레이저 연속가공을 위한 CNC 기반 5축 레이저 통합 제어모듈 개발” 사업의 지원으로 수행되었음.
^1-3 대형 부품의 경우 자중에 의한 처짐에 따른 형상 정밀도 왜곡 문제 등에 의하여 초음파 진동자와 기계 부품 사이의 위치 오차가 발생할 수 있다. 본 연구에서는 이를 보상하기 위한 3차원 자유형상 보정을 위한 레이저 스캐닝 방법에 관한 연구를 진행 하였다. 일반적으로 가공 공구와 공작물 사이의 거리 오차를 측정 및 보정하는 방법에는 비접촉 방식의 광학적 측정 방법이 많이 사용되고 있다.
이를 보상하기 위하여 공작기계에 대형 부품을 부착하고, 갈바노 미터 스캐너를 활용하여 형상을 측정하는 연구를 수행하였다. 부품의 대형화 및 3차원 자유형상 일때 위한 레이저 스캐닝을 위한 CAD 시스템을 개발하였다. 이는 갈바노미터 스캐너의 스캐닝을 영역을 초과할 때 공작 기계의 리니어 스테이지와 복합적으로 이송하며 스캐닝 하는 방식을 구현하는 것이다.

제안 방법

3차원 자유형상의 표면 형상을 스캐닝을 위하여, 스캐닝 시퀀스 및 경로를 위한 CAD 시스템을 개발하였다. 특히, 자유형상 표면이 유효 스캐닝 영역보다 면적이 클 때, 공작기계의 스테이지의 이송과 갈바노미터 스캐너를 결합한 복합적인 이송 알고리즘을 개발하였다.
Z축 스테이지 모션과 스캐너의 자동초점 장치의 선택적인 이송은 식(3)과 식(4) 의 조건에 의해서 정의되어지는데, 스캐닝 대상물의 심도인#가 자동초점 장치의 심도, #보다 작을 때는 고속인 자동 초점 장치가 먼저 움직이게 되며, 심도가 이를 초과시에는 z 축 스테이지 모션이 필요하지만 스캐닝 속도를 위해서 모션의 이송은 최소화하는 방향으로 알고리즘을 개발하였다.
실제 가변 초점의 높이와 두 렌즈 사이의 거리의 상관관계는 독일의 Scanlab 사에서 제공하는 함수를 활용하였다. 또한, 3축 스캐너 제어보드의 칼리브레이션을 위하여 제공하는 데이터 파일을 활용하여 보정하였다. 가변 초점 장치를 거친 레이저 빔은 갈바노미터 스캐너를 통하여 수직 방향으로 레이저 빔이 전달된다.
갈바노미터 스캐너는 내부의 두개의 미러와 이를 회전 시키는 갈바노미터 및 제어보드로 구성된다. 레이저 스캐닝 시스템은 X, Y 두 축의 하축 리니어 스테이지와, Z 축의 상축 리니어 스테이지로 구성하였다.
레이저 스캐닝 시스템을 테스트하기 위하여 반원통형 시편에 레이저 마킹을 하여 선폭 균일도를 3.9% 이내로 측정하였다. 또한, 스캐닝 속도가 증가할수록 선폭이 작아지는 것을 알 수 있었다.
^4,5 이들은 레이저 거리 측정기(Interferometer)를 사용하여 공작기계의 위치 보정에 주안점을 둔 연구가 주를 이룬다. 반면 본 연구에서는 대면적 자유형상 측정에 적용하기 위한 갈바노미터 스캐너 기반 형상 측정 시스템을 개발하였으며, 또한, 공작기계에 부착된 리니어 스테이지와 갈바노미터 스캐너를 복합적으로 활용하여 대면적 스캐닝이 가능한 CAD 시스템을 개발하였다. 이는 기존 갈바노미터 스캐너의 스캐닝 영역의 한계를 뛰어넘는 것으로써, 대형 기계 부품에 적용에 반드시 선행되어야 할 기술이다.
반원통 시편의 표면을 30 mm/s 속도로 스캐닝 후 20개의 지점을 임의로 선택하여 직선의 형상을 현미경으로 Fig. 9와 같이 관찰하였다. 20 개 지점의 선폭을 Table 1에 정리하였는데, 측정은 니콘 LV100모델의 현미경을 사용하였으며, 스펙은 1 µm 안쪽의 정밀도를 가진다.
이는 갈바노미터 스캐너의 스캐닝을 영역을 초과할 때 공작 기계의 리니어 스테이지와 복합적으로 이송하며 스캐닝 하는 방식을 구현하는 것이다. 스테이지 모션을 생성하기 위하여 작업자의 컨트롤 포인트를 지정하는 티칭 방법을 개발하였으며, NURBS 방법으로 부드러운 경로를 생
성하였다.
스테이지의 모션은 작업자가 임의로 컨트롤 포인트를 지정하게 하였으며, 컨트롤 포인트가 정해지면 3차원 상에서 NURBS 기법에 의해야 NURBS곡선을 추출하는 방식을 Fig. 2와 Fig. 3과 같이 선택하였다.
4는 스캐너로부터 빠른 시간에 점데이터를 획득하여 폴리곤(polygon) 모델을 만들고, 곡선화시킨 후 넙스(NURBS) 표면을 만드는 과정을 보여준다. 이렇게 형상 복원 위하여 3차원 자유형상 스캐닝을 위한 CAD 시스템을 개발하였다. Fig.
대형 기계 부품의 수명 향상을 위하여 초음파 진동자를 활용한 나노계면을 형성 할 때, 대형 부품의 자중에 의한 처짐 등의 이유에 따른 형상 정밀도 오차가 발생하게 된다. 이를 보상하기 위하여 공작기계에 대형 부품을 부착하고, 갈바노 미터 스캐너를 활용하여 형상을 측정하는 연구를 수행하였다. 부품의 대형화 및 3차원 자유형상 일때 위한 레이저 스캐닝을 위한 CAD 시스템을 개발하였다.
3차원 자유형상의 표면 형상을 스캐닝을 위하여, 스캐닝 시퀀스 및 경로를 위한 CAD 시스템을 개발하였다. 특히, 자유형상 표면이 유효 스캐닝 영역보다 면적이 클 때, 공작기계의 스테이지의 이송과 갈바노미터 스캐너를 결합한 복합적인 이송 알고리즘을 개발하였다. Fig.
2mm 간격에 50mm길이로 구형파의 지그재그 패턴을 생성하였다. 표면 형상의 정확한 측정을 위해서 원통형 시편 위에 레이저로 마킹한 후 선폭의 균일도를 측정하는 간접 방식을 채택하였다. 레이저의 특성상 초점 영역에서 집속이 되었을 때, 빔크기가 최소화 되며, 초점 영역 상하 영역으로 갈수록 점차 커짐을 알 수 있다.

대상 데이터

3차원 레이저 스캐닝 시스템을 테스트하기 위하여 Fig. 7과 같은 반원통형 시편을 준비하였다. AL을 아노다이징한 블록으로써, 블록의 크기는 X=180 mm, Y=150 mm, 최대 높이 Z=30 mm 이다.
6과 같은 실험 장치를 구성하였다. 레이저 소스는 펄스폭이 피코초에서 펨토초 가변이 가능하며, 빔집속이 용이한 레이저를 사용하였다. 레이저의 출력은 최대 10W 이나 출력을 낮추면 표면 형상 측정이 가능하다.
레이저의 출력은 최대 10W 이나 출력을 낮추면 표면 형상 측정이 가능하다. 파장은 355, 532, 1064nm 로 가변 선택이 가능하며 본 실험에서는 1064nm 파장을 선택하였다. 레이저 빔은 가변 초점 장치를 통해서 초점의 위치가 변하게 되는데, 가변 초첨 장치는 내부에 위치한 두 개 렌즈의 거리를 조절하여 기능을 구현한다.

이론/모형

레이저 빔은 가변 초점 장치를 통해서 초점의 위치가 변하게 되는데, 가변 초첨 장치는 내부에 위치한 두 개 렌즈의 거리를 조절하여 기능을 구현한다. 실제 가변 초점의 높이와 두 렌즈 사이의 거리의 상관관계는 독일의 Scanlab 사에서 제공하는 함수를 활용하였다. 또한, 3축 스캐너 제어보드의 칼리브레이션을 위하여 제공하는 데이터 파일을 활용하여 보정하였다.

성능/효과

Fig. 5(a)의 CAD 시스템을 통하여 스캐너 위치 데이터가 각각 X, Y, Z 에 할당되며, G00 은 데이터의 시작점으로 약속하였고, G01은 연속된 데이터를 지정하는 것으로 약속하였다. 스테이지의 모션경로는 X, Y 축에 위치 데이터와 속도 데이터를 입력하게 하였으며, F3 의 속도로 일정하게 피드하는 예를 Fig.
11의 그래프에서는 스캐닝 속도별 선폭의 변화 및 선폭 균일도 변화를 나타내었다. 그래프에서 알 수 있듯이, 스캐닝 속도가 증대됨에 따라 선폭이 감소함을 알 수 있으며, 스캐닝 속도가 100 mm/s 로 증가할 때, 선폭 균일도가 급격히 악화됨을 알 수 있었다. 그림 12는 같은 패턴을 x, y평면에 가공했을 때 선폭을 나타낸 것이다.
선폭의 균일도는 보통 변동계수(Coefficient of variation)로 계산되는데, 이는 표준편차를 평균값으로 나눈 값을 의미한다. 따라서, 20개의 선폭의 균일도는 3.9% 이내임을 알 수 있으며, 표면 형상 스캐닝을 위한 충분한 정밀도임이 기대된다.
9% 이내로 측정하였다. 또한, 스캐닝 속도가 증가할수록 선폭이 작아지는 것을 알 수 있었다. 고속 스캐닝과 형상 정밀도 사이에는 서로 상보적인 관계가 있음을 추측할 수 있으며, 둘 사이의 최적화 조건에서 형상을 측정할 수 있는 스캐닝 속도와 형상 오차, 복원 오차를 최소화할 방법을 계속연구해나갈 예정이다.
10에서는 반원통 시편에 블랙 페인팅된 종이를 랩핑하여 스캐닝 속도에 따른 선폭을 측정하여 스캐닝 속도와 스캐닝 정밀도에 관한 관계를 유추하였다. 스캐닝 속도를 100 mm/s 에서 시작하여, 50 mm/s 와 30 mm/s 로 점차적으로 감소시켰으며, 스캐닝 속도가 감소할수록 레이저 마킹 시간이 증가함에 따라 선폭이 증대됨이 관측 되었다.

후속연구

또한, 스캐닝 속도가 증가할수록 선폭이 작아지는 것을 알 수 있었다. 고속 스캐닝과 형상 정밀도 사이에는 서로 상보적인 관계가 있음을 추측할 수 있으며, 둘 사이의 최적화 조건에서 형상을 측정할 수 있는 스캐닝 속도와 형상 오차, 복원 오차를 최소화할 방법을 계속연구해나갈 예정이다.
스캐닝 면적이 대면적화 될 때, 고속 스캐닝 기술이 필수적으로 요구되며, 이를 위해서 정밀도 증대를 위한 방안도 보완되어야 한다. 이를 위해서, 스캐닝 간격을 넓히는 방안도 생각해 볼 수 있으나, 이 또한 형상의 완벽한 복원을 위해선 문제점이 될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초음파 진동자를 이용하여 나노 계면 형상 시 어떤 특성이 향상되는가?	대형 기계 부품의 수명 향상을 위하여 내피로성 및 내마모성 향상을 위하여 초음파 진동자를 활용한 나노계면을 형상하는 연구가 활발히 진행되고 있다.1-3 대형 부품의 경우 자중에 의한 처짐에 따른 형상 정밀도 왜곡 문제 등에 의하여 초음파 진동자와 기계 부품 사이의 위치 오차가 발생할 수 있다.
	대형 부품의 형상 정밀도 왜곡 문제는 왜 발생하는가?	대형 기계 부품의 수명 향상을 위하여 내피로성 및 내마모성 향상을 위하여 초음파 진동자를 활용한 나노계면을 형상하는 연구가 활발히 진행되고 있다.1-3 대형 부품의 경우 자중에 의한 처짐에 따른 형상 정밀도 왜곡 문제 등에 의하여 초음파 진동자와 기계 부품 사이의 위치 오차가 발생할 수 있다. 본 연구에서는 이를 보상하기 위한 3차원 자유형상 보정을 위한 레이저 스캐닝 방법에 관한 연구를 진행 하였다.
	비접촉 방식의 광학적 측정 방법은 어떤 연구가 주로 수행되고 있는가?	일반적으로 가공 공구와 공작물 사이의 거리 오차를 측정 및 보정하는 방법에는 비접촉 방식의 광학적 측정 방법이 많이 사용되고 있다.4,5 이들은 레이저 거리 측정기(Interferometer)를 사용하여 공작기계의 위치 보정에 주안점을 둔 연구가 주를 이룬다. 반면 본 연구에서는 대면적 자유형상 측정에 적용하기 위한 갈바노미터 스캐너 기반 형상 측정 시스템을 개발하였으며, 또한, 공작기계에 부착된 리니어 스테이지와 갈바노미터 스캐너를 복합적으로 활용하여 대면적 스캐닝이 가능한 CAD 시스템을 개발하였다.

참고문헌 (5)

Kumar, R. V., Diamant, Y., and Gedanken, A., "Sonochemical Synthesis and Characterization of Nanometer-size Transition Metal Oxides from Metal Acetates," Chemistry of Materials, Vol. 12, No. 8, pp. 2301-2305, 2000.

상세보기
Amanov, A., Cho, I., Pyoun, Y., Lee, C., and Park, I., "Micro-dimpled Surface by Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification and its Tribological Effects," Wear, Vol. 286, pp. 136-144, 2012.
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상세보기
Pan, F., Li, M., and Yin, J., "Error Model and Accuracy Calibration of 5-axis Machine Tool," TELKOMNIKA Indonesian Journal of Electrical Engineering, Vol. 11, No. 8, pp. 4251-4259, 2013.
Aguado, S., Samper, D., Santolaria, J., and Aguilar, J. J., "Volumetric Verification of Multiaxis Machine Tool using Laser Traker," The Sci. World J., Vol. 2014, Article ID: 959510, pp. 1-16, 2014.

저자의 다른 논문 :

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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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