초록

(1) 삼차원 전도성 미세구조물 가공 기술 개발(형상치수 500㎛ 이내)
(2) 레이저-방전-전해 복합 미세 가공 기술 개발(기존 방법 대비 가공성 50% 이상 향상)
(3) 텅시텐 카바이드 미세 축 전해 가공 기술 개발(직경 50㎛ 이내)
(4) 광학을 이용한 고정밀 이미지 프로세싱 기술 개발 및 정밀부품 정밀형상 측정(해상도 0.1픽셀, 측정정밀도 1㎛)
(5) 최적설계기법을 이용한 다자유도 플렉서/힌지 메카니즘 설계 및 제어 기술 개발(이송분해능 10nm)

Abstract ▼

We developed the technologies about micro electrical discharge machining, laser-EDM complex machining, micro eletro chemical machining, vision system and stage design for high precision measurement. As mechanical components require size minimization and high precision, micro die machining technology

We developed the technologies about micro electrical discharge machining, laser-EDM complex machining, micro eletro chemical machining, vision system and stage design for high precision measurement. As mechanical components require size minimization and high precision, micro die machining technology has been developed in many fields. To machine a micro die by EDM, sometimes, a polygonal electrode is used. Machining corners by MEDM shows special characteristics. Physically, electrons are concentrated in sharp region and a high potential level is established in this region. Also, the electrode can't be rotated when machining a polygonal cavity, and machined debris can not be drawn off easily. Discharge concentration in corners and 2nd discharge by machined debris result in distortion of corner shape. This phenomenon can be improved by shaking the electrode. This method is also shown to be effective in improving surface roughness by circulation of machining fluid resulting from movement of the electrode. In manufacturing a micro die with half sphere cavity by MEDM, it is necessary to prepare an electrode with the same shape. However, this type of electrode is difficult to machine because its size is too small. This paper suggests a simple method to manufacture a half sphere electrode based on tool wear. The tool wears more rapidly at the edge of a cylindrical electrode. In order to make a half sphere micro electrode, cylindrical electrode was fed into the workpiece by the distance of its radius. The d/R(depth/Radius) value varied with respect to capacitance. The smaller the size of electrode was, the closer the electrode tip geometry approached to hemisphere.
Among micro machining processes, micro EDM is known to be an effective one when machining deep micro holes on conductive materials with high quality shape. However, it is difficult to machine micro holes of high aspect ratio with this process in which machining is interrupted by the bubbles and debris in the small gap. For these reasons, many other methods have been proposed to increase the aspect ratio. In this paper, a hole is roughly machined by laser beam and then finished by electrical discharge machining. By this proposed method, a micro hole with an aspect ratio larger than 10 as well as fine finished shape can be machined. In addition, it is shown that electrode wear and machining time are reduced because of decreased machining volume and easy debris removal.
Tungsten carbide microshaft is used as micro-punch, electrode of MEDM (micro-electro-discharge machining), and micro-tool because it has high hardness and good wear resistance. In this study, experiments were performed to produce tungsten carbide microshaft by electro-chemical machining. To obtain uniform shape, the method that avoids electrolysis is proposed. So, the harmful effect of bubbles is eliminated. By conditioning the machining voltage, the concentration of electrolyte and machining time, the shape and MRR(Metal Removal Rate) of the workpiece were well controlled. In the process, the optimal shape was obtained by controlling the various machining parameters. And multi-step process makes it possible to machining 30mm(diameter), 500mm(length) tungsten-carbide microshaft. H2SO4 electrolyte was proven to an optimal electrolyte because it has the property of solving tungsten and cobalt simultaneously.
The optics with very high resolution and accuracy is designed for the accurate 2 dimensional measuring machine. It provides very high resolution image without distortion by adapting high grade lens and beam splitters, and interface with computer using high grade CCD camera. The resolution of measurement is up to 0.1 pixel by the technique of minimizing of digitization error of CCD camera and subpixelling algorithm using interpolation. The accurate feature analysis algorithm on the basic feature such as point, line, and arc is developed, and enables the measurement with the accuracy within the range of 1um. Windows based software including the subpixelling algorithm, the feature analysis algorithm is developed, and it also provides the user friendly functions such as the database and printout.
Two dimensional measuring machine with high accuracy is developed based on the development of the high grade optics and software. high precision stage is developed using muti-degree-of-freedom hinge mechanism and PZT actuator. 3 DOF high precision stage is developed using optimization design technique, and provides the high stiffness, and high sensitivity. And its resolution of movement is up to 10nm with feedback control by laser interferometer. High precision stage is also developed using optimization design technique, and also provides the high stiffness and the high sensitivity. The feedback of X,Y, and Theta movement is done by laser interferometer, and the feedback of Z and Tilt movement is done by capacitance sensors. The movement of each axis don't affect the other's by the new design technique minimizing the coupling of each axis. The newly developed movement algorithm is optimized for the developed hardware, and provides the high stiffness and high sensitivity. Using D/A converter for each axis and interface card for laser interferometer, A/D converter, the PC based controller is designed and developed.

목차 Contents

• 제 1 장. 서론...16
• 제 2 장. 국내외 기술개발 현황...18
• 제 3 장. 연구개발수행 내용 및 결과...19
• 제 1 절. 삼차원 미세 구조물 방전가공 기술개발...19
• 1. 미세 방전 가공 기술...19
• 가. 방전 가공의 원리...19
• 나. 미세 방전 가공 시스템...19
• 다. 방전 회로 및 원리...21
• 2. 삼차원 미세 방전 가공...24
• 가. 형방전에 의한 방법...24
• 나. 단순전극에 의한 방법...24
• 3. 방전면에 따른 가공 특성...24
• 가. 모서리부의 왜곡 현상...24
• 나. 방전 바닥면의 형상 특성...25
• 다. 왜곡 현상에 대한 대책...26
• (1) 가공액의 순환에 의한 가공...26
• (2) 라운드 전극에 의한 가공...27
• (3) 전극 요동에 의한 방법...27
• 4. 모서리부 가공...28
• 가. 실험 조건 및 가공 방법...28
• 나. 실험 결과...29
• 5. 반구형 전극 가공 원리...30
• 가. 전극과 가공물의 마모 현상...30
• 나. 방전 집중 현상...30
• 6. 정밀 미세 금형 가공을 위한 반구형 전극 제작...31
• 가. 기초 실험...31
• (1) 가공 방법...31
• (2) 실험 및 결과...31
• 나. 실험 방법 및 결과...33
• (1) 실험 방법...33
• (2) 마모 실험 결과...34
• (3) d/R 값 변화...35
• 7. 미세 방전가공 적용례...38
• 제 2 절. 복합가공기술 개발...45
• 1. 레이저-방전 복합가공기술...45
• 가. 레이저 빔 가공...45
• 나. 미세 방전 가공...46
• 다. 레이저-방전 복합가공...48
• (1) 실험 방법...50
• (2) 실험 및 결과...52
• 2. 전해가공 기술 개발...58
• 가. 전해가공의 개요...58
• (1) 연구 배경...59
• (2) 텅스텐 카바이드의 특성...59
• (3) 황산($H_2SO_4$) 전해액의 특성...60
• 나. 전해가공 특성...63
• (1) 가공원리...63
• (2) 전해 프로세스의 특징...64
• (3) 실험장치의 구성...66
• 다. 전압제어를 통한 미세축 구성...68
• (1) 전압제어의 효과...68
• (2) 분해전압 이상에서의 효과...68
• (3) 분해전압 이하에서의 효과...72
• 라. 전해액의 농도에 따른 특징...73
• (1) 전해액의 농도에 따른 특징...73
• (2) 실험결과...74
• 마. 가공 시간에 따른 특징...79
• (1) 시간에 따른 가공 효과...79
• (2) 직경변화와 금속제거율...85
• (3) 축의 직경변화에 따른 전류밀도의 분포...86
• 바. 전압과 농도에 따른 특징...89
• (1) 시편의 직경 측정 방법...89
• (2) 농도와 전압에 따른 직경의 변화...90
• (3) 수면 상승에 의한 효과...95
• (4) 시편 길이의 감소...99
• (5) 시간별 슬러지의 발생...100
• 사. 최적 조건의 선정...102
• (1) 단계별 임계 조건...102
• (2) 실험 결과...106
• 제 3 절. 광학을 이용한 고정밀 이미지 프로세싱 기술 개발 및 정밀부품 정밀형상 측정...109
• 1. 전체 시스템 구성...109
• 가. 광학계 구성...109
• 나. 이송부 구성...110
• 다. 제어부 구성...110
• 2. 2차원 형상 측정 기술 개발...111
• 가. 측정 원리...111
• 나. CCD 카메라 보정...112
• 다. Auto Focusing...113
• 라. 경계 추출...115
• (1) AOI(Area of Interest) 및 방향 설정...115
• (2) 경계추출...116
• (3) 측정 점 추출...117
• 3. 기본 2차원 형상 해석...118
• 가. 직선 해석...118
• 나. 원 해석...118
• 다. 2차원 형상 측정 과정...119
• 제 4 절. 최적설계기법을 이용한 다자유도 플렉서/힌지 메카니즘 설계 및 제어 기술 개발...122
• 1. 3자유도 초정밀 구동 스테이지...122
• 가. 제작된 스테이지의 강성 해석...123
• (1) 힌지 가이드(hinge guide) 부의 해석...124
• (2) PZT구동부의 강성해석...126
• 2. 초정밀 6자유도 구동 스테이지(Prototype)...130
• 가. 굽힘힌지의 제작 및 강성평가...131
• 3. 초정밀 6자유도 Low Profile 스테이지...134
• 4. 서보 시스템 구성...138
• 가. 레이저 인터페로메터를 이용한 측정 시스템 구성...138
• 나. 3자유도 마이크로 스테이지의 운동 모델...140
• 다. 6자유도 마이크로 스테이지의 운동 모델...143
• 라. 제어를 위한 시스템 모델링...146
• (1) DA Converter...146
• (2) PZT Amp의 특성...146
• (3) Low-pass filter의 적용...153
• (4) 마이크로 스테이지와 압전소자의 동적 모델링...160
• (5) 시스템 계수의 결정...162
• 마. 시스템 제어 및 실험...165
• (1) Digital PID 제어기의 적용...166
• (2) Root locus에 의한 제어기 설계...169
• (3) 스테이지의 간섭운동 실험...178
• 5. 이중 서보 시스템...180
• 가. 이중 서보 시스템에서 Micro stage의 제어 (Digital filter의 도입)...181
• 나. 이중 서보 시스템의 위치 제어...185
• 다. 3자유도 이중 서보 시스템...191
• 제 4 장. 연구개발목표 달성도 및 대외기여도...198
• 제 5 장. 연구개발결과의 활용계획...199
• 제 6 장. 참고문헌...200