KR100608270B1 - 초정밀 가공에서의 공구 윤곽도 보상방법 - Google Patents

초정밀 가공에서의 공구 윤곽도 보상방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비평면 가공시 공구의 가공면에 대한 접촉각에 따라 바뀌는 공구 윤곽도를 주축동기공구대를 사용하여 실시간으로 보상하여 가공물의 표면조도를 향상시킬 수 있는 초정밀 가공에서의 공구 윤곽도 보상 방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 방법은 사용할 공구의 공구 윤곽도와 가공정보에 따라 공작물을 가공하기 위한 초정밀 가공방법에 있어서, 가공정보로부터 가공할 위치좌표를 구하고 해당 위치에서의 가공면 형상을 판단하는 단계; 가공면이 비평면이면, 해당 위치에서의 접촉각을 계산하는 단계; 계산된 접촉각에 따라 공구 윤곽도를 참조하여 해당 위치에서의 보정값을 산출하는 단계; 및 각 가공위치에서의 보정값 산출이 완료되면, 보정값에 따라 주축동기공구대를 구동하여 실시간 보상하면서 공작물을 가공하는 단계를 포함한다.
따라서 본 발명에 따르면 공구 윤곽도를 구해 가공중에 주축동기공구대를 제어하여 실시간으로 보상함으로써 가공물의 표면조도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
표면조도, 공구 윤곽도, 보상, 초정밀 가공, 다이아몬드 터닝 기술

Description

초정밀 가공에서의 공구 윤곽도 보상방법 { Method of compensating waviness in Ultraprecision machining }
도 1은 본 발명이 적용되는 초정밀 절삭시스템의 전체 구성을 도시한 개략도,
도 2는 도 1에 도시된 주축동기공구대의 세부 구성도,
도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 공구 윤곽도를 설명하기 위해 도시한 도면,
도 4는 평면 가공시의 접촉각을 설명하기 위해 도시한 도면,
도 5는 비평면 가공시의 접촉각을 설명하기 위해 도시한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 공구 윤곽도 보상방법을 도시한 순서도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10: 초정밀 절삭시스템의 기구부 20: 초정밀 절삭시스템의 제어계통
11: 스핀들 12: X축 안내대
13: 다이아몬드 공구 15: 주축동기공구대(FTS)
16: Z축 안내대 17: 공작물
21: 센서보드
22: 아날로그-디지털 변환기 23: 미소공구 제어기
24: 디지털-아날로그 변환기 25: 고전압증폭기
151: 공구홀더 152: 정전용량 센서
153: 센서홀더 154: 가동부
155: 탄성힌지 156: 압전 액튜에이터
본 발명은 다이아몬드 공구(예컨대, 바이트)를 이용한 초정밀 절삭 가공기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비평면 가공시 공구의 가공면에 대한 접촉각에 따라 바뀌는 공구 윤곽도를 주축동기공구대를 사용하여 실시간으로 보상하여 가공물의 표면조도를 향상시킬 수 있는 초정밀 가공에서의 공구 윤곽도 보상 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체나 광통신 시스템, 및 우주 항공 분야의 발전은 초정밀 가공기술을 기초로 하고 있으며, 전자산업의 고도화로 초정밀 가공 기술에 대한 수요가 날로 증가하고 있다. 초정밀 가공 기술은 그 시대의 기술로서 달성할 수 있는 최고 정밀도의 가공기술을 말하며, 현재의 시점에서 이를 수치적으로 말하면 치수 및 형상 정밀도 0.1∼0.01(㎛), 표면 거칠기 0.02∼0.006(㎛ Rmax) 또는 그 이하이다. 현재의 초정밀 가공기술의 발전 추이를 볼 때, 21세기 초에는 1(㎚)의 정밀도가 실현될 것으로 예상되고 이것이 최종목표라고 여겨진다. 이는 고체길이의 측정분해능의 한계가 원자간 거리이거나 약 0.3(㎚)의 원자격자 거리이고, 1(㎚)는 2∼3개의 원자격자 거리이기 때문이다.
초정밀 가공법중 단결정 다이아몬드 공구를 사용한 연질금속의 초정밀 절삭, 이른바 다이아몬드 터닝 기술(Diamond Turning Technique)은 1960년대 중반 경에 미국에서 연구개발이 진행되어 현재 알루미늄 자기디스크 회전기판, 회전 다면경, 레이저 광용 미러 등 그 적용이 확대되고 있다.
일반적인 다이아몬드 터닝에서는 절입량이 수(㎛)에서 수십(㎛)이지만, 이 절입량을 서브마이크로미터 이하로 제어하면 결정립 계단차가 없는 표면과 결함이 없는 이상적인 표면이 얻어질 가능성이 있다. 그러나 초정밀 가공기는 공구대가 조립된 슬라이드의 행정거리가 수백(㎜)로 나노미터급의 위치 결정 분해능을 얻기 어렵고, 슬라이드의 관성력이 크기 때문에 공구와 가공물간의 동적인 상대오차를 보상하기에 충분한 응답속도를 얻기 어렵다. 따라서, 최근에는 고분해능과 고응답성을 갖는 주축동기공구대(FTS: Fast Tool Servo System)을 개발하여 이러한 문제를 해결하기 위해 많은 연구가 수행되었다.
이렇게 개발된 종래의 주축동기공구대(FTS)는 다이아몬드 공구를 구동하는 액튜에이터로 압전 물질(piezo electric material)를 사용하는데, 이러한 압전 물질 중에서 현재 가장 널리 사용하는 것으로는 납-지르코늄-티타늄(lead-zirconate-titanate;PZT), 납-마그네슘-니오베이트(lead-magnesium-niobate;PMN)가 있다. 나아가, 단일의 압전 물질로는 충분한 변위를 얻어낼 수가 없기 때문에 이를 적층하여 변위를 증대시키고 있다.
그런데 종래의 초정밀 가공시스템에서는 공구와 공작물의 접촉각도에 따라 공구 윤곽도가 달라져 비평면 가공시에 가공물의 표면조도(surface roughness)가 열악해지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 가공전에 비평면 가공시 공구의 윤곽도를 구한 후 보정값을 산출하여 가공중에 실시간으로 보상 가공함으로써 표면조도를 향상시킬 수 있는 초정밀 가공에서의 공구 윤곽도 보상방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 방법은, 사용할 공구의 공구 윤곽도와 가공정보에 따라 공작물을 가공하기 위한 초정밀 가공방법에 있어서, 상기 가공정보로부터 가공할 위치좌표를 구하고 해당 위치에서의 가공면 형상을 판단하는 단계; 상기 가공면이 비평면이면, 해당 위치에서의 접촉각을 계산하는 단계; 상기 계산된 접촉각에 따라 상기 공구 윤곽도를 참조하여 해당 위치에서의 보정값을 산출하는 단계; 및 각 가공위치에서의 보정값 산출이 완료되면, 보정값에 따라 주축동기공구대를 구동하여 실시간 보상하면서 상기 공작물을 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 공구 윤곽도의 접촉각은 공구의 축을 기준으로 -45°에서 +45 °이고, 상기 공구 윤곽도의 윤곽도값은 접촉각이 0°일 때의 가공값을 기준으로 한 변위값이며, 상기 접촉각은 공구와 공작물의 접촉점에서 접촉면에 수직한 방향과 공구의 축이 이루는 각이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 초정밀 절삭시스템의 전체 구성을 도시한 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시된 주축동기공구대의 세부 구성도이다.
본 발명에 따른 초정밀 절삭시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 공작물에 대한 실제 가공이 이루어지는 기구적인 부분(10)과 가공을 위한 각종 제어명령을 제공하는 제어계통(20)으로 구성된다. 여기서, 제어계통은 개인용 컴퓨터(PC)를 이용하여 구현될 수도 있다.
기구적인 부분(10)은 공작물(17)을 장착하고 고속 회전하는 스핀들(11; 주축이라고도 함)과, 스핀들(11)을 X축 방향으로 이송하기 위한 X축 안내대(12), 공구인 다이아몬드 바이트(13)와, 정전용량 센서(152)가 장착된 주축동기공구대(15: FTS), 공구대를 Z축 방향으로 이송하기 위한 Z축 안내대(16)로 구성되고, 제어계통(20)은 정전용량 센서(152)의 감지값을 입력하기 위한 센서보드(21)와, 아날로그-디지털 변환기(22), 본 발명에 따른 보상 알고리즘을 실행하여 가공과정을 제어하는 미소공구 제어기(23), 디지털 제어 지령값을 아날로그값으로 변환하는 디지털-아날로그 변환기(24), 공구대의 압전 액튜에이터(도 2의 156)를 지령에 따라 구동하기 위한 고전압 증폭기(25)로 구성된다.
그리고 주축동기공구대(15)는 도 2에 도시된 바와 같이, 각종 공구(예컨대, 다이아몬드 바이트 등)를 장착하기 위한 공구홀더(151)와, 미소 변위를 측정하기 위한 정전용량 센서(152), 정전용량 센서(152)를 장착하기 위한 센서홀더(153), 액튜에이터(156)의 구동에 따라 공구를 이송하는 가동부(154), 가동부(154)의 움직임을 지지하기 위한 탄성 힌지(155), 제어계통(20)의 구동신호에 따라 가동부(154)를 움직이는 압전 액튜에이터(156)로 구성된다.
주축동기공구대(15)에서 공구 조립시에 공구홀더(Tool holder: 151)와 고정되어 있는 정전용량 센서(152) 사이는 일정량 만큼 이격되어 있어, 압전 액튜에이터(156)가 가동부(moving part: 154)를 밀어서 구동시키면 정전용량 센서(152)는 그 사이의 거리변화를 측정하여 공구(13)의 Z축 방향으로의 절입량을 제어할 수 있다.
도 3a는 다이아몬드 바이트에서 접촉각을 설명하기 위한 도면으로서, 다이아몬드 바이트(132) 날끝의 곡률반경이 R일 때 공구의 축 중심(일점쇄선)을 기준으로 좌, 우 45도, 전체 90도의 윈도우 각(Window angle)을 나타낸 것이다. 도 3b는 도 3a와 같은 접촉각에서 윤곽도를 나타낸 것으로, 횡축은 접촉각도(단위: °)를 나타내고 종축은 윤곽도(단위: ㎛)를 나타낸다.
위와 같이 구성되는 초정밀 절삭시스템에서 다이아몬드 바이트(132)를 공구로 이용한 초정밀 절삭 가공(Diamond Turning Machine: DTM)에서 다이아몬드 바이트(132)의 형상이 가공물(17)에 그대로 전사된다. 즉, 다이아몬드 바이트(132)를 이용한 비구면 가공이나 비평면 가공시에 다이아몬드 바이트(132)의 가공면에 대한 접촉각(contact angle)에 따라 공구의 윤곽도가 달라져 가공물의 표면조도가 나빠지게 된다. 따라서 본 발명에서는 주축동기공구대(Fast Tool Servo: FTS; 15)를 사용하여 공구 윤곽도(waviness)를 실시간으로 보상하여 가공물의 표면조도를 향상시킨다. 여기서, 접촉각(contact angle)이란 다이아몬드 바이트(132)와 공작물(17)의 접촉점에서 접촉면에 수직한 방향(normal vector)과 공구의 축 중심이 이루는 각을 의미한다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 공작물(17)과 다이아몬드 바이트(132)가 평면에서 만날 때(즉, 접촉각이 0도 일때)를 기준으로 접촉각이 증가하거나 감소함에 따라 윤곽도가 달라지는 것을 알 수 있다. 여기서, 공구 윤곽도의 접촉각(θ)은 공구의 축을 기준으로 -45°에서 +45°이고, 공구 윤곽도의 윤곽도값은 접촉각이 0°일 때의 가공값에 대한 변위값이다.
도 4는 평면 가공시의 접촉각을 설명하기 위해 도시한 도면이며, 도 5는 비평면 가공시의 접촉각을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
통상 초정밀 절삭 가공에서는 가공면의 조도는 다이아몬드 바이트(132)의 곡률반경(R)과 공구의 이송(feed) 등에 직접적으로 영향을 받는다. 이상적인 바이트(132)의 공구 윤곽도는 0 [㎛]이어야 하나, 실제의 바이트(132) 형상은 도 3b에 도시된 바와 같이 일정한 공구 윤곽도를 가지게 된다. 따라서 윤곽도를 갖는 공구를 이용하여 가공할 경우에 공구(바이트)의 형상은 가공면에 직접적으로 전사되어 표면조도가 직접적으로 영향을 받게 된다.
예컨대, 도 4에 도시된 바와 같은 평면가공의 경우에는 도 3b에 도시된 바와 같은 공구 윤곽도를 갖더라도 가공면에서 공구의 접촉각이 항상 같으므로 표면조도에 영향을 미치지 않으나, 도 5에 도시된 바와 같이 비평면 가공일 경우에는 공구의 접촉각이 가공면의 위치에 따라 달라지므로 표면조도가 바이트의 공구 윤곽도에 직접적으로 영향을 받게 된다. 따라서 가공면의 표면조도를 향상시키기 위해서는 사용되는 바이트(132)의 공구 윤곽도를 주축동기공구대(15)를 이용하여 가공중에 실시간으로 보정할 필요가 있다.
도 4를 참조하면, 다이아몬드 바이트(132)와 공작물(17)이 만나는 가공면이 평면으로서, 접촉각이 0°인 것을 알 수 있고, 도 5를 참조하면 다이아몬드 바이트(132)와 공작물(17)이 만나는 가공면이 곡면으로서, 접촉각이 θ°인 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 공구 윤곽도 보상방법을 도시한 순서도이다.
통상, 초정밀 절삭 가공에서 가공중에 발생하는 가공오차는 매우 높은 주파수를 가지므로, 주축동기공구대(15)를 이용하지 않고 초정밀 절삭 가공을 할 경우에 가공면의 조도에 영향을 주는 인자들을 알고, 각각의 인자들에 의한 가공오차를 미리 알 수 있다고 해도, 오차량이 수nm~ 수십μm일 경우에 이 오차량을 가공중에 선반공구대를 움직여서 실시간으로 보상한다는 것은 불가능하다. 그러나 주축동기공구대(15)는 Z축으로 움직이는 선반공구대 위에 공구대를 설치하여 가공중에 발생하는 오차를 실시간으로 보상해줄 수 있다. 또한 본 발명에 따라 주축공구대(15)를 사용하면, 사용되는 바이트(132)의 공구 윤곽도가 이상적이지 않을 경우에 가공 면과 공구의 접촉점에서 접촉각이 변함에 따라 발생하는 공구 윤곽도의 오차도 보상해줄 수 있다.
도 6을 참조하면, 먼저 절삭가공에 사용할 공구(예컨대, 다이아몬드 바이트)의 공구 윤곽도를 측정한 후 데이터베이스(621)에 저장하여 해당 공구의 윤곽도를 설정한다(601,602). 통상, 공구 윤곽도는 공구 현미경이나 다른 공구형상 측정 방법을 통하여 미리 알 수 있다.
이후 특정한 공작물을 가공하기 위해 가공정보를 데이터베이스(622)에 입력한다(603).
이어 가공전에 사용할 공구에 대한 윤곽도 보정값을 산출하기 위해 가공할 위치좌표를 구하고, 해당 위치에서의 가공면 형상이 평면인지 혹은 비평면인지를 판단한다(604~606). 해당 가공면의 형상이 비평면이면 해당 위치에서의 접촉각(θ)을 계산한다(607,608). 즉, 가공면이 평면이 아니고 비평면 형상이라면 공작물(17)의 좌표에 따라 최종적으로 가공되어야 할 비평면 형상의 좌표값(X, Z)은 주어진다. 따라서 공작물(17)의 가공되는 각 위치(공구와 가공된 면의 접촉점)에 따라 접촉각을 계산할 수 있다.
이어 산출된 접촉각에 의해 해당 공구의 윤곽도 데이터로부터 보정값을 산출한 후 가공정보 데이터베이스(622)에 저장한다(609). 즉, 공구 윤곽도는 이미 가공전에 알고 있으므로 각각의 접촉각에 따른 접촉점에서의 공구의 윤곽도를 알 수 있고, 가공면의 각 접촉점에서의 해당 공구의 윤곽도 만큼이 가공오차가 되므로 이 오차를 보상하기 위한 보정값을 산출한다.
이와 같은 절차를 반복하여 가공할 모든 위치에 대한 보정값을 산출한 후, 실제 가공이 시작되면 가공정보 데이터베이스(622)로부터 보정값과 가공정보를 읽어와 보정된 가공값에 따라 압전 액튜에이터(156)를 구동하여 실시간으로 보상하면서 공작물(17)을 가공한다. 즉, 가공이 시작되면 공작물(17)은 스핀들(11)과 함께 회전되면서 X축으로 움직이면서 이송(feed)하게 된다. 이때 주축동기공구대(15)는 제어계통(20)의 지시에 따라 압전 액튜에이터(Piezoelectric actuator: PZT; 156)를 이용하여 탄성힌지(155)를 움직여 Z축 방향으로 수백 HZ로 높은 추종성능을 가지고 바이트(132)를 구동시킨다. 이러한 주축동기공구대(15)는 가동부(154)의 질량을 저감시키고 탄성힌지(155)의 강성을 향상시켜서 대역폭과 추종성능을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면 가공전에 가공되는 각 위치(X, Z)에 따른 공구의 접촉각을 미리 계산하여, 해당 접촉각에서의 공구 윤곽도를 보상하기 위한 주축동기공구대(15)의 입력값을 주축동기공구대와 연결되어 있는 컴퓨터(20)에 입력하고, 가공중에 각 가공위치(X, Z)에서 주축동기공구대(15)를 구동시켜서 접촉각에 따른 공구 윤곽도를 보상할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 사용되는 공구에 따른 공구 윤곽도를 측정한 후 가공면이 비평면일 경우에 공구와 공작물이 만나는 위치에서의 접촉각을 구한 후, 해당 위치에서의 윤곽도를 구해 그만큼 보상한다. 따라서 본 발명에 따 르면 공구 윤곽도를 구해 가공중에 주축동기공구대를 제어하여 실시간으로 보상함으로써 가공물의 표면조도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

  1. 사용할 공구의 공구 윤곽도와 가공정보에 따라 공작물을 가공하기 위한 초정밀 가공방법에 있어서,
    상기 가공정보로부터 가공할 위치좌표를 구하고 해당 위치에서의 가공면 형상을 판단하는 단계;
    상기 가공면 형상이 비평면이면, 해당 위치에서 공구와 공작물의 접촉점에서 접촉면에 수직한 방향과 공구의 축이 이루는 각이 -45°에서 +45°사이인 접촉각을 계산하는 단계;
    상기 계산된 접촉각에 따라 접촉각이 0°일 때의 가공값에 대한 변위 값인 상기 공구 윤곽도의 윤곽도 값을 참조하여 해당 위치에서의 보정값을 산출하는 단계; 및
    각 가공위치에서의 보정값 산출이 완료되면, 보정값에 따라 주축동기공구대를 구동하여 실시간 보상하면서 상기 공작물을 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초정밀 가공에서의 공구 윤곽도 보상방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 가공면이 평면이면, 보정값을 0으로 보상하는 것을 특징으로 하는 초정밀 가공에서의 공구 윤곽도 보상방법.
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