초록 ▼

1대의 가공기로 여러 가지 가공(Turning, Grinding, Grooving, Milling, Fly-cutting 등)을 할 수 있는 X, Y, Z축의 직선 이송계와 B축의 회전테이블 및 Work spindle의 회전축 위치제어기능인 C축을 가지는 5축 초정밀 자유곡면가공기를 개발하였다.
가공기 성능평가에서, 직선 운동정밀도(진직도)는 0.2㎛/full stroke(X, Y, Z축 수평 진직도), 각운동정밀도는 0.6arcsec(X, Z축 yaw, pitch error)를 달성하였으며, 미소이송실험에서는 1㎚, 0.5㎚

1대의 가공기로 여러 가지 가공(Turning, Grinding, Grooving, Milling, Fly-cutting 등)을 할 수 있는 X, Y, Z축의 직선 이송계와 B축의 회전테이블 및 Work spindle의 회전축 위치제어기능인 C축을 가지는 5축 초정밀 자유곡면가공기를 개발하였다.
가공기 성능평가에서, 직선 운동정밀도(진직도)는 0.2㎛/full stroke(X, Y, Z축 수평 진직도), 각운동정밀도는 0.6arcsec(X, Z축 yaw, pitch error)를 달성하였으며, 미소이송실험에서는 1㎚, 0.5㎚ Step까지 가능함을 확인하였다. 가공성능평가를 위한 절삭 가공실험을 실시하였다. Al, Cu 소재에 대한 평면가공에서 형상정밀도 0.1㎛ 이하, 표면거칠기 5㎚Ra 이하의 측정결과를 얻을 수 있었다.
X, Z축, 2개의 직선축과 공구형상을 이용하는 2축 동시제어 구면과, X, Z축, 2개의 직선축과 Z축 테이블에 설치된 회전테이블(B축)을 이용하는 3축 동시제어 구면을 가공하였고, Work spindle의 기능을 속도제어가 아닌 각도제어를 함으로 회전축(C축)으로 사용하고, 이 C축을 일정한 각도에서 정지 상태를 유지시킨 후, 직선이송계로 절삭이송하여 피라미드 및 폴리곤미러를 가공하였다.
초정밀 선삭가공기에서 비 회전대칭(Non-rotational symmetric)의 초정밀 자유곡면(Ultra-precision free-form surface)을 가공하기 위하여, 탄성 힌지 기반의 변위 확대 기구가 적용되어, 432㎛의 이송거리를 구동할 수 있는 압전액츄에이터 기반의 Long-stroke 압전구동형 FTS(Long-stroke fast tool servo; LFTS)와 접촉식 기상측정장치(OMM, On Machine Measurement)를 개발하여, 이를 기반으로 초정밀 자유곡면가공 프로세스 및 초정밀가공용 오차 보상시스템을 개발하고, 초정밀 자유곡면가공기, NT300F에 적용하여 가공실험을 실시하였다.
초정밀 자유곡면의 가공을 위한 공구 경로를 생성하기 위하여, Turbo-PMAC2에서 제공하는 스플라인 보간(Spline interpolation)을 적용하는 CAM S/W도 개발하였다. 이 CAM S/W는 구면, 토릭면 등의 공구경로 생성, 가공조건 입력, 공구반경에 따른 공구경로 보상, 생성된 공구경로의 모의실험 및 시각화, 가공용 프로그램 생성 등의 기능을 가지고 있다.
초정밀 자유곡면가공기, NT300F를 이용한 연삭가공실험을 실시하였다. 평면과 구면에 대하여 가공하였으며, 평면에 대한 측정결과, 표면거칠기 4.9㎚Ra, 형상정밀도 ＜0.1㎛/?10㎜의 결과를 얻었으며, 1회 트루잉에 의한 공구수명은 8~9시간 정도로 연삭저항의 안정성이 확보된 것으로 관찰되었다.
연삭가공이나, 절삭가공 후 최종 다듬질공정으로 형상정밀도 개선보다는 표면거칠기 개선을 위해서 적용되고 있는 연마가공법 중, 초정밀가공에 이용되는 가공법 중 자기연마가공에 대하여 가공실험을 실시하였다.

목차 Contents

• 표지 ...1
• 제출문 ...2
• 지역산업기술개발업 보고서 초록 ...3
• 목차 ...5
• 제1장 서론 ...12
• 제1절 개발기술의 개요 ...12
• 1. 기술개발의 필요성 ...12
• 2. 국내？외 관련기술의 현황 ...14
• 제2절 개발목표 ...16
• 1. 최종목표 ...16
• 2. 단계목표 ...16
• 가. 1단계 ...16
• 나. 2단계 ...16
• 3. 연차별 개발목표 ...16
• 가. 1단계 1차년도 ...16
• 나. 1단계 2차년도 ...17
• 다. 2단계 1차년도 ...17
• 라. 2단계 2차년도 ...17
• 제3절 개발기술의 평가방법 및 평가항목 ...17
• 1. 1단계 평가방법 및 평가항목 ...17
• 2. 2단계 평가방법 및 평가항목 ...18
• 3. 정량적 목표 항목 ...19
• 제4절 추진체계 및 내용 ...20
• 제2장 기술개발 내용 및 방법 ...22
• 제1절 초정밀 자유곡면가공기 사례조사 ...22
• 1. Freeform 4000 ...24
• 2. Nanotech 350FG ...25
• 3. AHN 05 ...26
• 4. ASP30X ...28
• 제2절 초정밀 자유곡면가공기 개발 ...29
• 1. Lay-out 설계 ...29
• 2. 상세설계 및 제작 ...32
• 가. 구조물 ...32
• 나. 초정밀 Work spindle ...33
• 다. 이송계 ...36
• 1) 유정압베어링 설계 ...36
• 2) 이송계의 변형량 해석 ...41
• 3) 안내면(Guideway)의 제작 ...42
• 4) Feedback system 및 구동기구 ...42
• 5) 이송계의 제작 ...45
• 라. Loop 강성 계산 ...46
• 마. Vibration isolation 기술 ...47
• 1) Isolation 기술 개요 ...47
• 2) Isolation system 구성 ...50
• 마. 초정밀 Counter balance ...51
• 제3절 초정밀 자유곡면가공기의 성능평가 ...52
• 1. 안내면의 강성평가 ...52
• 2. 정지시의 위치 오차 ...54
• 3. 운동정밀도 평가 ...55
• 4. Volumetric error 측정 ...60
• 가. 위치결정정밀도 평가 ...60
• 나. 공간오차 정밀도 평가 ...64
• 제4절 목표가공기에 의한 초정밀절삭가공기술 확립 및 Application 개발 ...67
• 1. 초정밀절삭가공의 이해 ...67
• 가. 현대사회에 있어서의 초정밀가공기술 ...67
• 나. 초정밀절삭가공 메카니즘 ...70
• 다. 초정밀절삭용 단결정 다이아몬드공구 ...73
• 2. 가공정밀도 확립을 위한 기초 가공실험 ...75
• 가. 가공물 표면거칠기의 검토 ...75
• 나. 가공물 형상정밀도의 검토 ...79
• 3. 목표가공기를 사용한 샘플가공 ...86
• 가. 2축 동시제어에 의한 구면형상 가공 ...86
• 나. 3축 동시제어에 의한 구면형상 가공 ...87
• 다. 쉐이핑 가공에 의한 피라미드 및 폴리곤미러 형상가공 ...89
• 제5절 PC-NC 응용기술 및 목표가공기 전장시스템 개발 ...91
• 1. 제어기 ...91
• 가. 범용 수치 제어기 ...91
• 나. 모션 제어기 기반의 수치 제어기 ...92
• 다. 초정밀가공기에서 요구되는 제어기 조건 ...92
• 2. 제어 알고리즘 ...92
• 가. 서보 제어 강성 및 반응성을 높이기 위한 제어루프 구성 ...93
• 나. 빠른 서보 제어 주파수 ...93
• 다. 오차 보정 알고리즘 ...93
• 라. 지령 Trajectory 및 보간 ...93
• 3. 서보 앰프 ...94
• 4. 전장시스템 구성 ...95
• 5. NT300F의 서보 제어시스템 ...99
• 6. 주축 속도 및 C축 모드 제어 ...102
• 7. 수직축에 대한 지능형 자중 보상 ...102
• 8. HMI(Human-Machine Interface) 개발 ...104
• 제6절 초정밀 자유곡면가공을 위한 오차보상시스템 개발 ...109
• 1.장행정 고속공구대 개발 ...111
• 가. FTS의 기술개발 동향 ...112
• 1) LLNL의 FTS ...112
• 2) NCSU의 FTS ...113
• 3) Precitech사의 FTS ...114
• 4) Micor-positioning stage ...115
• 나. LFTS의 설계, 해석 ...116
• 1) LFTS의 개념설계 ...116
• 2) LFTS의 구조해석 ...122
• 3) LFTS의 실험적 검증 ...124
• 가) 정강성 측정 ...127
• 나) 최대 이송범위 ...127
• 다) 1차 공진주파수 ...128
• 라) 단위 응답특성 ...129
• 마) 히스테리시스 거동 ...131
• 바) 정적 정밀도 측정 ...131
• 사) 동적 정밀도 측정 ...132
• 다. LFTS 기반의 기초 가공 실험 ...133
• 1) LFTS의 실험장치 ...133
• 2) LFTS의 비선형 제어 알고리듬 ...136
• 2. 기상측정장치 개발 ...140
• 가. 기상측정장치 개념설계 ...140
• 1) 비접촉식 기상측정장치 연구동향 ...140
• 가) 피조 간섭계 ...140
• 나) 점 회절 광섬유 간섭계 ...141
• 다) Shack-Hartmann 테스트 방법 ...142
• 2) 접촉식 기상측정장치 개념설계 ...144
• 3) Probe와 공작물의 접촉(접촉각 θ)에 따른 오차 보정 ...146
• 4) 기상측정장치 측정 알고리듬 ...148
• 5) 기상측정장치 설계/부품 ...149
• 가) 측정 Probe ...149
• 나) 정전용량형 센서 앰프(RMGB-20) ...150
• 다) 인터페이스 보드 ...150
• 나. 기상측정장치 제작 ...150
• 1) 기상측정장치 제작 ...151
• 2) 기상측정장치 이송축의 사양 ...154
• 3) 기상측정장치용 Touch-ball 형상 측정 ...154
• 다. 기상측정장치를 사용한 기초 성능 실험 ...159
• 1) 기상측정장치를 사용한 반복정밀도 실험 ...159
• 2) 기상측정장치를 사용한 토릭 시편 측정 ...160
• 가) 측정 과정에서 발생한 구동시스템의 오차 고려 ...162
• 나) 측정 과정에서 발생한 외란의 영향 고려 ...163
• 다) 시편의 법선 벡터와 기상측정장치의 센서 이송방향의 불일치 고려 ...164
• 3. LFTS와 OMM의 기초 실험 ...164
• 가. LFTS 기반의 평면가공 ...164
• 나. OMM 기반의 마스터볼 측정 ...167
• 4. 결론 ...171
• 제7절 초정밀 자유곡면 가공용 CAM ...171
• 1. 가공용 초정밀 자유곡면 ...171
• 가. HMD의 형상 및 광학 변수 ...171
• 나. 측정기반의 HMD 역설계 ...175
• 2. 자유곡면 가공을 위한 CAM ...179
• 가. 구면 가공을 위한 공구경로 ...179
• 나. 자유곡면 가공을 위한 공구경로 ...183
• 3. 수정가공 기반의 자유곡면 구현 ...187
• 가. R138.3508의 구면 수정가공 ...187
• 나. 초정밀 자유곡면 HMD의 수정가공 ...192
• 4. 결론 ...198
• 제8절 초정밀연삭가공 공정기술 개발 ...199
• 1. 초정밀연삭가공기술 개요 ...199
• 2. 1단계 실험결과 요약 ...202
• 가. 초정밀연삭메커니즘 분석 ...202
• 나. 실험을 통한 가공공정 분석/확립 ...202
• 다. Grinding head 검토/확보 ...203
• 3. 2단계 연구개발 실험결과 요약 ...203
• 4. 수평형(Parallel) 연삭법에 의한 구면연삭실험(NT300U) ...203
• 5. 실험계획법과 보정가공을 적용한 비구면연삭실험(Nachi, ASP01) ...208
• 가. 실험개요 ...208
• 나. 실험장비 및 방법 ...209
• 다. 실험계획법 실험결과 및 평가 ...212
• 라. 보정가공법 실험결과 및 평가 ...212
• 6. 수평형(Parallel) 연삭법에 의한 평면연삭실험(NT300F) ...213
• 7. 수평형(Parallel) 연삭법에 의한 구면연삭실험(NT300F) ...219
• 8. 연삭저항 안정성 연삭실험(NT300F) ...221
• 가. 연삭저항 개요 ...221
• 나. 연삭시간(연삭체적)에 따른 공구수명 변화 ...223
• 9. 연삭가공 실험 결론 ...227
• 제9절 초정밀연마가공 공정기술 개발 ...228
• 1. 초정밀연마가공 개요 ...228
• 2. NC제어 연마기(NC Controled polishing machine) ...229
• 3. 전기점성유체(ER流體) 연마가공(Electrorheological Fluid-assisted polishing ...229
• 4. 자성유체(MR流體) 연마가공(Magneto-Rheological finishing) ...232
• 5. 자기 연마가공(Magnetic assisted polishing) ...233
• 6. 자기 연마가공(Magnetic assisted polishing) 실험 ...237
• 가. 자기연마가공 실험 방법 ...237
• 나. 평면시편의 자기연마가공 실험결과 ...239
• 다. 구면시편의 자기연마가공 실험결과 ...241
• 7. 연마가공 실험 결론 ...243
• 제3장 결과 ...244
• 제1절 기술개발 결과 ...244
• 1. 단계목표에 대한 결과 ...244
• 2. 정량적 목표에 대한 결과 ...258
• 3. 특허출원 ...263
• 4. 논문발표 ...263
• 가. 학술지 개재 ...263
• 나. 학술회의 발표 ...263
• 제2절 활용방안 및 기대효과 ...264
• 부 록 ...266
• 제1절 이송계 실험유닛 개발 ...266
• 1. 실험유닛 개발 ...266
• 가. 구동기구 및 피드백시스템 ...266
• 나. 안내면 ...267
• 2. 특성실험 ...269
• 가. 안내면의 강성 평가 ...269
• 나. 운동정밀도 평가 ...271
• 제2절 이송계 정밀제어알고리즘 개발 ...275
• 1. 상분배 이용 3상 리니어 모터 인터페이스 시스템 ...275
• 2. 차동 증폭기를 이용한 3상 상분배 회로 ...277
• 가. 회로설명 ...277
• 나. 동작 설명 ...279
• 다. 실험데이터 ...283
• 1) 입력파형 ...283
• 2) 출력파형 ...283
• 3) 입력과 출력 파형 비교 ...283
• 3. 결론 ...284
• 제3절 측정분석에 의한 평가기술 개발 ...284
• 1. 가공 및 측정 ...285
• 2. 분석 ...285