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문제 정의
- MR polishing 시스템을 이용한 비구면 렌즈의 연마 실험을 위한 기초 연구로 소재에 대한 연마 PMMA 특성 분석에 대한 실험을 수행하였다 연마 효율의 . 극대화를 위해 가공 깊이 에 따른 재료 제 (0.
- 본 연구에서는 비구면 렌즈의 초정밀 연마를 위해 MR polishing 시스템을 구축하였고 연마 메커니즘에 대한 연구를 수행하였다 이를 위해 조명용으로 사 . 용되는 비구면 렌즈를 형상 역공학을 통해 형상 데 이터를 추출하고 비구면 방정식을 통해 비구면 계 수를 도출하였다 기초 실험을 통해 비구면 렌즈를 .
제안 방법
- MR polishing을 이용한 3차원 형상의 초정밀 연마를 위해서는 MR 유체와 공작물 사이의 간격 및 표면 형상에 따른 공구 경로 제어를 통해 일정한 가공 깊이를 유지해야 한다 따라서 본 논문에서는 비구면 렌즈와 같은 차원 형상의 연마를 위해 4축 이송 시스템을 설계하였고 렌즈 형상에 따른 연마 공구의 이송 메커니즘에 대해 분석하였다 또한 렌즈 형상에 따라 생성된 연마 경로를 이용하여 선삭 가공 된 PMMA 소재의 비구면 렌즈에 대한 연마 실험을 수행하였다 최종적으로 연마된 비구면 렌즈의 표면 품위 향상 정도를 분석하였고 비구면 렌즈 연마에 대한 MR polishing 공정의 유효성에 대해 확인하였다.
- 서 일정한 재료제거율을 얻기 위해 형상 및 크 MR fluid 기를 동일하게 유지시키도록 형상 보정장치 를 제작하였다 정밀 이송을 위한 이송계의 제어는 제 . PID 어를 기반으로 하는 제어기 PMAC (Clipper, Delta tau, USA) 를 사용하였고 산출된 비구면 형상의 연마 경로 좌표 값 을 각 축의 이송 경로마다 지정하여 별도의 이송과 관련 된 연산이 필요 없이 다음위치 좌표로 연속적으로 이송 하는 방법으로 위치 제어를 수행하였다.
- 1 정도를 보유하고 있어야 한다. [8] 본 연구에서는 차3 원 형상 측정기 이용하여 위치별 좌표값을 도출하 였으며 선반을 통해 소재 비구면 렌즈를 CNC PMMA 제작하였다 제작된 비구면 렌즈의 중심부 높이는 . 5.
- 개발된 MR polishing 시스템을 이용한 비구면 렌즈의 연마 공정을 위해서는 곡면 형상을 따라 연마 휠을 수직인 상태로 유지시켜야 한다 본 연구에서는 비 . 구면 방정식을 미분하여 연마 위치별 접선벡터 (Tangent vector)와 법선벡터(Normal vector)를 계산하여공작물의 기울임 각도를 도출하였고 도출된 (Tilting) ,. 회전 각도를 이용하여 회전 변환을 통해 가공 경로 를 생성하여 비구면 렌즈의 연마를 수행하였다.
- 역설계 과정을 통하여 획득한 곡률과 원추계수 값을 이용하여 고차항의 비구면 계수를 좌표 값을 대입하여 연립방정식의 해로 도출하였다 비구면 방정식은 설계 시 방정식의 차수가 증가할수록 형상과의 오차율이 적어 지게 되며 일반적으로는 차 항까지 적용하여 사용한다 6 . 따라서 본 논문에서는 앞서 결정된 곡률 및 원추 계수 값을 이용하여 고차항의 계수(a4=0.0000983, a6=0.000000409) 를 산출하였고 이를 이용하여 선삭 가공을 통해 , PMMA 소재 비구면 렌즈를 제작하였다.
- 2는 제작된 MR polishing 시스템으로 공작물의 위치 제어를 위한 이송 스테이지 축와 공작물과 연마 (X, Y, Z ) 휠 사이의 각도를 유지시키기 위한 회전 스테이지 축(C ) 으로 구성되어 있어 비구면 렌즈의 표면 형상을 따라 연 마 휠과 연마 면이 수직을 유지하면서 가공이 가능하다. 또한 축대칭 형상의 렌즈를 회전시키기 위한 스핀들을 장착하여 선속도 제어를 통해 전체 연마 구간에서 일정 한 재료 제거율을 유지하도록 시스템을 구성하였다 공. 작물 회전을 위한 스핀들은 약 까지 회전이 가 7800 rpm 능한 서보 모터를 사용하였고 엔코더 를 장착 DC (encorder) 하여 선속도 제어를 위한 피드백 이 가능하도록 (feedback) 구성하였다 연마 시 공작물을 견고하게 고정시키기 위 .
- 본 연구에서는 비구면 렌즈의 초정밀 연마를 위해 MR polishing 시스템을 구축하였고 연마 메커니즘에 대한 연구를 수행하였다 이를 위해 조명용으로 사 . 용되는 비구면 렌즈를 형상 역공학을 통해 형상 데 이터를 추출하고 비구면 방정식을 통해 비구면 계 수를 도출하였다 기초 실험을 통해 비구면 렌즈를 . 위한 최적의 조건을 도출하였고 균일한 연마를 위 해 이송 경로 제어 및 선속도 제어 방법에 대한 연 구를 수행하였다 생성된 이송 경로를 이용하여 .
- 용되는 비구면 렌즈를 형상 역공학을 통해 형상 데 이터를 추출하고 비구면 방정식을 통해 비구면 계 수를 도출하였다 기초 실험을 통해 비구면 렌즈를 . 위한 최적의 조건을 도출하였고 균일한 연마를 위 해 이송 경로 제어 및 선속도 제어 방법에 대한 연 구를 수행하였다 생성된 이송 경로를 이용하여 . PMMA 소재에 대한 연마 공정을 수행한 결과, MR polishing 공정 전후 표면 거칠기는 Ra=40.
- 65 mμ 로 나타나 가장 큰 재료 제거량을 획득하였다 실험 . 을 통해 산출된 가공 깊이를 적용하여 자기장의 세 기(15.92 kA/m), 휠 회전속도(1236 mm/s), 이송속도(0.333 mm/s)를 고정하여 기초 이송 실험을 수행하였다. Fig.
- 또한 축대칭 형상의 렌즈를 회전시키기 위한 스핀들을 장착하여 선속도 제어를 통해 전체 연마 구간에서 일정 한 재료 제거율을 유지하도록 시스템을 구성하였다 공. 작물 회전을 위한 스핀들은 약 까지 회전이 가 7800 rpm 능한 서보 모터를 사용하였고 엔코더 를 장착 DC (encorder) 하여 선속도 제어를 위한 피드백 이 가능하도록 (feedback) 구성하였다 연마 시 공작물을 견고하게 고정시키기 위 . 해 진공 펌프를 이용한 척킹 시스템(chucking system)을 스 핀들 부분에 장착하였다 연마 휠 부분에는 동일 조건에 .
- 제작된 비구면 렌즈를 이용하여 각 연마 구 PMMA 간별로 공작물의 회전 각속도를 제어함으로써 연마 지점의 선속도를 일정하게 유지하면서 연마 공정을 수행하였다 가공 조건은 기초 실험을 바탕으로 산 . 출된 최적 조건 하에서 연마를 진행하였다 은 .
- 72 nm로 매우 우 수한 표면 품위를 획득할 수 있었다 이를 통해 기 . 존 고가의 장비를 이용한 비구면 렌즈 제작 공 DTM 정을 선반 가공 및 CNC MR polishing 연마 공정으로 의 대체 가능성을 확인하였다.
- 로 비구면 렌즈의 공작물 회전 속도에 따른 표면 거칠기 분석에 대한 실험을 수행하였다 실험을 위 . 해 와 같이 휠 회전속도 자기장 세기 가공 Table 2 , , 깊이를 고정하고 공작물 회전 방향과 휠의 회전 방 향을 반대로 회전시켜 공작물 회전 속도에 따른 표면 거칠기 변화를 분석하였다.
- 구면 방정식을 미분하여 연마 위치별 접선벡터 (Tangent vector)와 법선벡터(Normal vector)를 계산하여공작물의 기울임 각도를 도출하였고 도출된 (Tilting) ,. 회전 각도를 이용하여 회전 변환을 통해 가공 경로 를 생성하여 비구면 렌즈의 연마를 수행하였다.
대상 데이터
- 비구면 렌즈의 형상은 식 과 같이 곡률 (1) c(base curvature), 원추계수 k (conic constant), 비구면 계수 a (aspheric deformation constant)로 나타낼 수 있으며 원추계수 값에 따라 Table 1과 같이 비구면의 형상이 다르게 표현된다. [7] 본 논문에서는 직경이 20mm인 축대칭 형상의 비구면 렌즈를 연마 모델로 선정하였다 비구면 곡 . 선의 곡률 원추계수 비구면 계수는 조명용으로 사용되고 있는 렌즈를 비접촉식 차원 형상 측정기 3 (Opto-Top HE, Germany)로 획득하여 역설계 작업을 통 해 획득하였다 비접촉식 차원 형상 측정기로 획득 .
- 극대화를 위해 가공 깊이 에 따른 재료 제 (0.4~1.2 mm) 거량을 분석하였고 에서 연마 깊이가 , 1.0 mm 3.65 mμ 로 나타나 가장 큰 재료 제거량을 획득하였다 실험 .
- 28mm, 직경은 로 상용 프로그램인 18mm CAM Feature CAM을 통하여 황삭과 정삭으로 나누어 절삭 가공을 수행하였다 선반 가공에 사용된 공구는 고속도강 . 바이트를 이용하였으며 0.025 mm/rev의 이송속도로 가 공하였다.
- [7] 본 논문에서는 직경이 20mm인 축대칭 형상의 비구면 렌즈를 연마 모델로 선정하였다 비구면 곡 . 선의 곡률 원추계수 비구면 계수는 조명용으로 사용되고 있는 렌즈를 비접촉식 차원 형상 측정기 3 (Opto-Top HE, Germany)로 획득하여 역설계 작업을 통 해 획득하였다 비접촉식 차원 형상 측정기로 획득 . 3 된 형상 정보는 역설계 프로그램(Imageware, Siemens, Germany)을 이용하여 단면 정보로의 변환한 후 곡선 맞춤(curve fitting) 과정을 통해 원추 계수 곡률 (k=1.
데이터처리
- 선의 곡률 원추계수 비구면 계수는 조명용으로 사용되고 있는 렌즈를 비접촉식 차원 형상 측정기 3 (Opto-Top HE, Germany)로 획득하여 역설계 작업을 통 해 획득하였다 비접촉식 차원 형상 측정기로 획득 . 3 된 형상 정보는 역설계 프로그램(Imageware, Siemens, Germany)을 이용하여 단면 정보로의 변환한 후 곡선 맞춤(curve fitting) 과정을 통해 원추 계수 곡률 (k=1.21), (c=0.113734mm) 값을 도출하였다.
성능/효과
- 출된 최적 조건 하에서 연마를 진행하였다 은 . Fig. 8 CNC 선반 가공 이후의 표면과 연마 공정 이후의 표 면을 분석한 결과로 선반 가공 후 측정된 표면 거 칠기인 Ra=40.99 nm, Rmax=357.16 nm R 에서 a=4.54 nm, Rmax=35.72 nm 1/10 로 각각 정도로 표면 거칠기가 감소 함을 확인할 수 있다.
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