KR920001309B1

KR920001309B1 - 레이저 간섭장치를 이용한 높이마이크로미터 교정장치

Info

Publication number: KR920001309B1
Application number: KR1019890006260A
Authority: KR
Inventors: 정명세; 우인훈; 임재선; 엄태봉; 양상희
Original assignee: 재단법인 한국표준연구소; 이충희
Priority date: 1989-05-10
Filing date: 1989-05-10
Publication date: 1992-02-10
Also published as: KR900018637A

Abstract

내용 없음.

Description

레이저 간섭장치를 이용한 높이마이크로미터 교정장치

제1도는 본 발명의 전체 구조 사시도.

제2a, b도는 본 발명의 일부 작동 설명도.

제3도는 본 발명의 일부 내부 구조도.

제4도는 제3도의 베어링 배치도.

본 발명의 정반을 이용한 정밀 길이 측정에서 자주 사용되는 단면기준물중의 하나인 높이마이크로미터(HEIGHT MICROMETER)에 있어서 교정의 정밀정확도 향상과 교정시간의 단축을 목표로 레이저 간섭장치를 이용한 높이마이크로미터 교정장치에 관한 것이다. 여러개의 게이지블럭(GAGE BLOCK)을 조합시킨 블록군을 마이크로미터 헤드로 상하 이동시킬 수 있도록 만들어진 높이마이크로미터는 보통 1㎛의 분해능과 수㎛ 미만의 정확도를 갖고 있어 이런 정밀측정기를 교정하기 위해서는 1시간이내의 신속성과 1㎛ 이내의 정확도가 요구된다. 일반적으로 높이 특정에는 하이트 게이지(HEIGHT GAGE)가 많이 사용되고 있으나 0.01㎜ 이상의 정밀도를 얻을 수 없으며 이보다 높은 정밀정확도가 요구되는 측정에서는 게이지블럭과 전기마이크로미터를 이용한 비교측정이 사용된다. 그러나 이 경우 조합된 블록군의 각 블록마다 그 블록높이에 해당되는 기준게이지블럭을 선택하거나 수종의 게이지블럭을 밀착시킨후 정반위에서 높이마이크로미터와 기준게이지블럭의 상호 높이차이를 전기마이크로미터로 측정하게 된다. 또한 조합된 블록의 수, 즉 측정점이 많고 게이지블럭을 밀착할 경우 열평형이 이루어질때까지 기다려야 하기 때문에 교정에 약 8시간 정도의 너무 많은 시간이 소요되고 정반의 평면도 게이지블럭의 밀착 오차등으로 교정의 불확실도가 크다. 따라서 이 방법은 높이마이크로미터를 교정하기에 현실적으로 적합하지 못한 것이며 정확한 높이 측정을 자주할 필요성이 있는 곳에서는 높이마이크로미터를 사용하는 것이 유리하다.

본 발명은 레이저 간섭장치의 이동반사경과 전기마이크로미터의 측정침을 이송가능하게 하였으며 이를 제어할 수 있는 구동부를 만들어 측정범위 0-300㎜가 되도록 하고 측정시간을 단축시킴과 동시 정확도를 더욱 정밀하게한 것이다.

이하 별명의 요지를 도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

정반(1)위에 교정할 게이지블럭(G)(G′)이 장치된 높이마이크로미터(H)를 안착시키고 이와 대향되게 높이마이크로미터 교정장치(2)를 안착시키되 그 원통 스퀘어(3)를 타고 상하 이송되는 2단이송부(4)를 끼워 일단 좌우스테핑모터(S1)에 의해 수평이동하는 레이저 반사경인 코너큐브(5)와 그 아래 측정침(6)이 부착된 전기마이크로미터(E)를 설치하고 하단은 스트라이트에지(STRAIGHT EDGE)(7)를 타고 안내되는 브라켓트(8)을 연결하며, 원통스퀘어(3)의 상단은 상하 스테핑모터(S)와 로울러(9)(9′)를 타고 승강하는 스틸테이프(10)로서 2단이송부(4)를 연결하고 레이저 반사경인 코너큐브(5)와 직선상단에 레이저 간섭계(11)을 설치하여 놓고 원통스퀘어(3)의 내부에 상하 스테핑모터(S)와 기어 연결된 리드스크류(12)와 나사결합된 무게 바란스(13)를 스틸테이프(10)와 로울러(9″)로서 상호 연결시키며 2단이송부(4)의 내부에는 볼베어링(14)(14′)과 스프링(15)(15′)에 의해 원통스퀘어(3)의 외주면을 타고 승강이 가능케 설치하였다.

미설명부호 16는 레이저헤드, 17은 조종간, 18은 전기마이크로미터 지시부, 19는 레이저 간섭장치 지시부, 20은 구동장치, 21은 레이저 간섭장치 오차보정부, 22는 컴퓨터이다.

이와 같이된 본 발명은 조종간(17)의 작동으로 상하 스테핑모터(S)에 의해 기어와 연결된 리드스크류(12)의 회전으로 무게 바란스(13)가 상승되면서 로울러(9)(9′)(9″)를 타고 스틸테이프(10)과 2단이송부(4)가 하강하여 전기마이크로미터(E)의 측정침(6)을 측정하고자 하는 게이지블럭(G)면에 접촉시키고 전기마이크로미터 지시부(18)와 레이저 간섭장치 지시부(19)를 “±0”에 맞춘다음 측정침(6)을 상부 게이지블럭(G′)면에 측정침(6)이 걸리지 않게 하기 위하여 좌우스테핑모터(S1)에 의해 레이저 반사경인 코너큐브(5)와 전기마이크로미터(E)의 측정침(6)을 동시에 수평이동시키고 상하스테핑모터(S)에 의해 역방향으로 리드스크류(12)를 회전시키면 무게 바란스(13)가 하강하면서 전기마이크로미터(E)의 측정침(6)이 상승을 한다. 측정 게이지블럭(G′)까지 상승되면 좌우스테핑모터(S1)에 의해 수평이동시켜 측정게이지블럭(G′)면에 접촉시킴으로 측정값을 구할 수 있고 다음 측정도 이와같은 방법으로 반복하여서 측정할 수 있는 것이다. 측정값은 전기마이크로미터 지시부(18)와 레이저 간섭장치 지시부(19)를 합한 것이 실제로 전기마이크로미터가 정반(1)면에 대해서 이동한 거리다. 그리고 작동설명에서 본 발명은 레이저반사경인 코너큐브(5)와 전기마이크로미터(E)의 측정침(6)을 동시에 좌우스테핑모터(S1)에 의해 회전시켰다. 그런데 이들을 함께 수평으로 이동시키면 입사광속과 반사광속의 간격이 달라져 레이저 정렬이 유지가 어렵다. 따라서 본 발명에서는 레이저 반사경인 코너큐브(5)의 중심을 축으로 회전시킴으로서 레이저 정렬이 유지되면서 전기마이크로미터(E)를 수평으로 움직일 수 있게 하였다. 또한 이송부의 기계적인 정확도 즉, 진직도, 직각도 및 회전운동이 측정의 정확도에 직접적인 영향을 미치기 때문에 이를 간소화시키기 위하여 정밀측정에서 많이 이용되는 원통스퀘어(3)를 사용하여 이송부의 몸체를 제작하였다.

그리고 2단이송부(4)의 내부에는 정밀 볼베어링(14)(14′) 8개가 원통스퀘어(3)의 몸체를 따라 움직이고, 스트렛트 엣지(7)를 따라 수직으로 이동하는 브리켓트(8)의 내부에 4개의 볼베어링(14)(14′)을 삽설하여 측정부가 상하운동을 할 때 회전하지 않도록 하였으며 볼베어링(14)(14′)의 반은 고정시켜 회전되게 하였고 나머지 반은 스프링(15)(15′)으로 밀어주도록 하여 안내면에 굴곡이 있더라도 볼베어링(14)(14′)이 항상 안내면에 밀착되어 움직이도록 하였고 리드스크류(12)에 의한 이송부의 직접구동은 리드스크류(12) 자체의 진직도와 직각도에 의해 측정부의 상하 운동이 영향을 받는 것이다. 따라서 이 효과를 최소화시키기 위하여 원통스퀘어(3) 내부에 리드스크류(12)의 암나사 역할을 하는 무게 바란스(13)가 상하로 이동하면 무게 바란스(13)와 스틸테이프(12)로 연결된 측정부 즉, 2단이송부(4)가 이동하도록 제작하였고 무게 바란스(13)의 무게를 2단이송부(4)의 무게에 약 2배가 되게 설계하여 리드스크류(12)에 걸리는 부하를 줄였으며 레이저 간섭장치 지시부(19)는 측정부의 전체적인 이동량을 측정하는 역할을 맡고, 전기마이크로미터 지시부(18)는 측정침(6)의 미소변위를 지시하여 두지시값의 합으로써 높이마이크로미터(H)의 각 블록 높이를 측정하게 되는 것이다. 레이저 간섭장치는 지만(ZEEMAN) 안정화 He-Ne 레이저를 광원으로 사용한 휴렛 패커드(HEWLETT PACKARD)사의 5526A 장치로 공기굴절률 자동 보정장치를 사용하여 정확도는 10^-6이상이다. 한편 전기마이크로미터(E)는 인덕 티브(INDUCTIVE)방식으로 마하(MAHR)사의 밀리트론(MILLITRON) 1234이며 최소 분해능은 0.01㎛이다.

또한 상하 구동은 분해능이 0.72°인 5상스테핑모터를 사용하였으며 조종간(17)을 사용하여 회전속도와 방향을 변경할 수 있도록하여 빠른 속도로 원하는 위치까지 정확하게 이동할 수 있게 하였으며 최대 이동속도는 20㎜/분이고 미세이동 가능량은 1㎛이며 좌우구동은 분해능이 0.09°인 2상 스테핑모터를 사용하여 블록면의 동일위치에 접촉할 수 있도록 항상 일정한 양의 각도를 제어할 수 있게 하였다. 스테핑모터는 펄스 발생기에 의한 일정 주파수의 펄스가 스테핑모터 구동회로에 입력되면 모터가 회전하게 되고, 한편으로 이 입력펄스 수를 계수하여 그 양이 디지털 스위치에 지정된 각도 회전량과 일치되면 모터 구동 회로에 입력되는 신호를 차단함으로써 지정된 각도만큼 정확히 회전하도록 하였다.

완성된 장치의 성능을 평가하기 위하여 진직도, 직각도, 반복성 및 피치(PITCH)오차를 측정하였다. 진직도는 레이저 간섭장치를 이용하여 앞 뒤, 좌우 방향에 대하여 측정하였다. 측정결과 앞 뒤, 좌우방향의 진직도는 각각 5㎛와 7㎛ 이내로 이 값이 측정에 미치는 오차는 게이지블럭의 평면도와 평행도를 고려할 때 0.01㎛ 이하이다. 직각도는 정밀 직각자를 이용하여 측정하였다. 측정결과 직각도는 1.4㎛이하로 이 값에 의해 발생되는 여현오차(COSINE ERROR)는 0.01㎛ 이하이다. 반복성은 임의의 블록면을 선정하여 전기마이크로미터의 측정침을 상하 및 좌우로 이동시킨 후에 다시 원위치시킴으로써 항상 동일한 측정값을 지시하는지 확인하였다. 측정결과 반복성은 0.1㎛ 이하이었다. 피치 오차는 3.3초로 이 값에 의해 발생되는 아베오차(ABBE′S ERROR)는 약 0.6㎛ 정도이다.

완성된 장치의 종합적인 측정 능력을 평가하기 위해 본 발명의 장치를 이용한 교정법과 게이지블럭을 이용한 교정법을 적용하여 실제로 높이마이크로미터를 교정하였다.

본 발명의 장치를 이용하여 성능평가에 대한 종합된 결과는 표 1과 같다.

[표 1]

표 1은 측정범위를 300㎛로 했을때의 결과로써 본 장치를 이용하게 되면 종래의 방법보다 3배 이상의 정확도 향상이 가능할 뿐 아니라 교정에 소요되는 시간도 대폭줄일 수 있고 완성된 장치의 측정 범위는 0-300㎜이고 정확도는 ±0.5㎛로써 높이마이크로미터의 정밀도 보다 좋기 때문에 높이마이크로미터의 교정장치로 만족할 만하다.

특히 본 발명을 이용하여 높이마이크로미터를 교정할 때 소요되는 시간은 20분/회로 준비시간을 감안하더라도 1시간이면 충분하므로 게이지블럭을 사용할 때 8시간 이상 소요되는 것과 비교하면 크게 향상되는 것이다. 한편 레이저 반사경으로 코너큐브(CORNER CUBE)를 이용할 경우 반사경의 중심을 축으로 회전시키면 레이저 정렬이 그대로 유지된다는 사실을 개발하므로써 앞으로 단면 표준물들을 교정하는데 널리 활용할 수 있는 것이다.

Claims

정반(1)위에 교정할 게이지블럭(G)(G′)이 장치된 높이마이크로미터(H)를 안착시키고 이와 대향되게 높이마이크로미터 교정장치(2)를 안착시키고 그 원통스퀘어(3)를 타고 상하 이송되는 2단이송부(4)를 끼워 일단은 좌우스테핑모터(S1)에 의해 수평이동하는 레이저반사경인 코너큐브(5)와 그 아래 측정침(6)이 부착된 전기마이크로미터(E)를 설치하고 원통스퀘어(3)의 상단은 상하스테핑모터(S)와 로울러(9)(9′)를 타고 승강하는 스틸테이프(10)로서 2단이송부(4)를 연결하며 레이저 반사경인 코너큐브(5)와 직선상단에는 레이저 간섭계(11)을 설치하여 원통스퀘어(3)의 내부에 상하스테핑모터(S)와 기어 연결된 리드스크류(12)와 나사 결합된 무게 바란스(13)를 스틸테이프(10)와 로울러(9″)로서 상호연결시킨 일연의 장치를 결합한 것을 특징으로 하는 레이저 간섭장치를 이용한 높이마이크로미터 교정장치.