초정밀 가공기의 나노미터급 정밀도 향상을 위한 환경 및 운동오차 보상

Abstract

최근 수요가 급증하고 있는 초정밀 제품은 반도체, 컴퓨터, 항공우주, 영상정보, 정밀기계 산업 등 첨단산업 분야에 광범위하게 사용되고 있으며, 21세기 초에는 그 사용분야가 급속히 확대될 것으로 전망되므로 초정밀 가공기술은 국가적으로 시급히 확보해야 할 첨단기술 분야이다. 또한, 요구되는 부품의 정도가 매우 높고 형상이 복잡하여 래핑이나 폴리싱만으로는 가공이 불가능하게 됨에 따라 초정밀 가공기를 사용한 단결정 다이아몬드 공구에 의한 초정밀 가공이 각광을 받고 있다. 또한 각종 정밀부품의 일부 정밀부품에서 요구되는 정밀도는 현재 최고 50 nm에 이르고 있다. 이와 같은 가공정밀도를 달성하기 위해서는 매우 높은 가공시스템의 성능과 가공기술이 요구된다. 그리고 초정밀가공기술이 요구되는 제품들은 약 10년전까지만 해도 일부 선진국에서만 정밀광학을 이용한 측정설비, 위성용 관측시스템, 항공기용 관측시스템, 국방관련 무기시스템 등 일부 특정한 분야에만 적용되어 왔다. 이와 같이 정밀 비구면 렌즈가 일부 한정된 분야에만 사용되어 그 수요가 많지 않았고 요구되는 정밀도 또한 크게 높지 않았기 때문에 70년대까지만 해도 주로 숙련된 작업자의 수작업에 의해 가공되었다. 그러나 최근 들어 전자, 광학분야의 확대발전과 더불어 광학계에 대한 경량화 요구에 따라 비구면 광학계에 대한 수요가 급속히 증가하고 있고, 비구면 렌즈의 정밀도가 사용되는 광파장이 짧아짐에 따라 점차 높아지는 추세에 있어 이들 제품을 양산하기 위한 가공기술의 확보가 시급한 실정이다. 초정밀가공에서 압전엑추에이터의 응용기술의 중요성은 가공정밀도를 가공중에 오차를 보상함으로써 한 차원 높일 수 있어 우리나라와 같이 가공기 자체의 정밀도를 향상시키기 위한 기반기술이 취약한 국가에서는 매우 유용한 기술이다. 또한 압전엑추에이터를 이용한 고응답 초정밀 위치제어 기술은 비회전대칭 형상의 반사경 가공과 미소하게 절입량을 제어하여 가공해야 하는 경취성재료의 연성모드절삭등에 적용이 증대되고 있다. 이와 같이 본 논문에서는 압전엑추에이터를 이용한 초정밀위치결정기술을 기본으로, 이를 응용하여 3축 제어가 가능한 UPCU를 개발하고, 단결정 천연다이아몬드를 이용한 경취성재료의 연성모드절삭에서 기존의 가공기의 가공정밀도를 한 수준 높이고자 한다. 본 논문에는 기존의 가공기의 가공정밀도를 한 수준 높일 수 있는 UPCU의 개발과 가공정밀도 향상을 위해 아래와 같은 3가지 연구를 진행 하였다. 첫 번째 연구는 기존의 가공기에서 사용된 엔코더의 분해능보다 월등한 광섬유 레이저 엔코더를 사용하여 변위를 측정하며, 공기의 온도, 가공물의 열 변형, 스핀들의 열 변형, 기계구조에 따른 열 변형 등을 실시간 측정 하여 보상할 수 있는 시스템을 구성하는 것이다. 두 번째 연구는 가공기의 스핀들과 그 외 기계 구조 전체에 대해 3차원 레이저 진동 측정을 하거, 진동특성 분석을 통해 기공기의 개선점을 제안한다. 세 번째 연구는 UPCU에 대한 설계단계이며, 가장 적절한 재질과 형상을 갖는 UPCU를 제작 하기위해 실제 가공조건을 적용하여 안전성을 FEM 해석을 통해 검토하는 것이다. 그 결과 실시간 오차보상을 하여 UPCU는 약 30nm의 추종오차 성능을 보여주었다.|The ultra-precision products which recently experienced high in demands had included the areas of most updated technologies, such as, the semiconductor, the computer, the aerospace, the media information, the precision machining. For early 21th century, it was expected that the ultra-precision technologies would be distributed more throughout the market and required securing more nation-wise advancements. Furthermore, there seemed to be increasing in demand of the single crystal diamond tool which was capable of the ultra-precision machining for parts requiring a high degree of complicated details which were more than just simple wrapping and policing. Moreover, the highest degree of precision was currently at 50 nm for some precision parts but not in all. The machining system and technology should be at very high performed level in order to accomplish this degree of the ultra-precision. It was known that the products requiring the ultra-precision machining technology were applied only in some advance countries as measuring instrument, satellite observing systems, airplane observing system, and national defense weapon system and other special areas which all included precision optics. The technological manipulation of the piezoelectric actuator could compensate for the errors of the machining precision during the process of machining which lead to an elevation and enhancement in overall precisions. This manipulation is a very convenient method to advance the precision for nations without the solid knowledge of the ultra-precision machining technology. Moreover, there is an increasing demand of the highly responsive ultra-precision positioning control technology based on not only the piezo electric actuator for the non-axis symmetrical mirror machining, but also the delicate control of in feed rate application such as the ductile mode machining of the hardened-brittle Materials. Due to the facts mentioned above, the ultra-precision positioning technology manipulated by the piezoelectric actuator was regarded as the basis of this investigation. The main objectives of this thesis were to develop the Ultra-Precision Cutting Unit (UPCU) which enabled the 3-axis control by the manipulation of the piezoelectric actuator and to enhance the precision of the current lathe which is responsible for the ductile mode machining of the hardened-brittle material where the machining is based on the single crystal diamond. There were 3 divisions of researches conducted to develop the UPCU for precision enhancement of the current lathe and compensation for the environmental errors, the Laser application instrument has been employed to measure the environment error and the operative error. Also, extensive developments in planning, safety analysis and control to complete UPCU application which was capable of collecting the series of errors mentioned earlier and providing real-time corrections, have been carried out. The first, we are designed to measure and real-time correct any deviations in variety of areas to achieve a compensation system through more effective optical fiber laser encoder than the encoder resolution which was currently used in the existing lathe. The deviations for a real-time correction were composed of followings; the surrounding air temperature, the thermal deviations of the machining materials, the thermal deviations in spindles, and the overall thermal deviation occurred due to the machine structures. The second was in the process of developing UPCU, and the main objective was to manufacture the UPCU by applying the real machining condition and confirming the safety level with the FEM analysis. Finally, we are to develop the UPCU and to improve the machining precision through the ultra-precision positioning and the real-time operative error compensation. The ultimate goal was to improve the machining precision of the existing lathe through completing the 3 researches tasks mentioned above. The real-time error compensation result of UPCU had displayed approximately 50nm of the tracking error capability.