기계 시스템을 위한 구성 설계 민감도 해석에 관한 연구

김형우 漢陽大學校 大學院 2001 국내박사

The considerable results related to the analysis about dynamics of mechanical systems have been accomplished with the advancement of computers and commercial software (RecurDyn, ADAMS, DADS, etc.). The process of design analysis of mechanical systems depends upon sense of the engineers, because many definitions of design variables and kinematic admissibility conditions among design variables are necessary to analyze design sensitivity of mechanical systems. To solve that problem, in this paper, the number of design variables was significantly reduced by introducing configuration design variable for mechanical systems. The design sensitivity of kinematic response of mechanical systems was analyzed by introducing the configuration design variables. To eliminate kinematic constraints among design variables, the velocity fields that satisfy the kinematic admissibility conditions are introduced after a configuration design change. Imposing kinematic admissibility conditions of the velocity field eliminates the reassembly process for a mechanical system after a configuration design change. The direct differentiation method is used to derive design sensitivity equations. In solving the constrained mechanical systems, two kinds of solution process - implicit numerical integration method and explicit numerical integration method - are available. Compared to the implicit numerical integration methods, explicit numerical integration methods usually spend less computation time per iteration, because the equations of motion and an explicit integration formula coupled with the constraint manifolds are solved separately. However, the integration step size can be excessively small for highly nonlinear or stiff problems, due to the small stability region of the explicit method. In contrast, implicit numerical integration methods do not have the problem of excessive small step size. However kinematic constraints and their derivatives, and equations of motion are solved simultaneously in implicit numerical integration method. Therefore the size of the system equations to be solved becomes large. In addition to the problem of large size of the matrix equation, the condition of the matrix becomes poor as the step size becomes small, especially for discontinuous systems. In this paper, a decoupling solution method for implicit numerical integration method is proposed. The method has merits of implicit numerical integration, reduces the size of equations of motion, and guarantees the accuracy and stability of solutions by offering well-conditioned matrix. The equation of configuration design sensitivity for constrained mechanical systems was formulated with the decoupling solution method. The design variables for changes of shape and orientation are defined. The material derivatives are introduced to solve sensitivity for shape and orientation, and those of mass and inertia moment are formulated. To illustrate the accuracy of analysis of configuration design sensitivity equation, numerical examples are solved and numerical solutions are validated against those from the finite difference method. 컴퓨터의 발달과 RecurDyn, ADAMS, DADS등의 상용 소프트웨어의 발달로 인해 기계 시스템에 대한 동적 거동 해석은 상당한 성과를 이루었다. 하지만 기계 시스템의 설계에 대한 해석을 하기 위해서는 많은 설계 변수의 정의가 필요하고, 설계 변수들 사이의 구속 조건이 필요하였기 때문에, 기계 시스템의 설계 과정은 여전히 공학자의 감각에 의존하고 있다. 이런 문제점을 해결하기 위해, 본 논문에서는 기계 시스템에 대한 구성 설계 변수를 도입하여 설계 변수의 자유도를 줄일 수 있었다. 구성 설계 변수를 이용하여 기계 시스템의 기구학적 응답에 대한 민감도 해석을 하였다. 설계 변수들 사이의 구속 조건을 제거하기 위해, 설계 변화 이후에 기구학적 구속조건을 만족시킬 수 있는 속도장을 도입하였다. 이러한 속도장을 이용하여 구성 설계 변화이후에도 기계 시스템에 대한 재결합 과정을 생략할 수 있다. 그리고 설계 민감도 방정식은 직접적인 미분을 이용하여 유도하였다. 구속된 기계 시스템에 대한 해를 구하기 위한 방법으로는 보통 명시적 수치 적분과 암시적 수치 적분으로 나눌 수 있는데, 일반적으로 명시적 수치 적분이 암시적 수치 적분보다 반복 횟수에 대한 계산 시간량은 적다. 왜냐하면 운동 방정식과 명시적 적분 공식을 따로 풀 수 있기 때문이다. 그러나 비선형이 심한 문제나 강성이 큰 문제에 대해서는 안정성 구간이 작아져서, 적분 시간 간격이 아주 작아지게 된다. 이와 반대로, 암시적 수치 적분은 적분 시간 간격의 문제를 가지지 않는다. 그러나 암시적 수치 적분 방법은 기구학적 구속조건, 그에 대한 미분치, 운동 방정식, 그리고 적분 방정식을 동시에 풀어야 하기 때문에, 풀어야 할 행렬의 수가 증가하게 된다. 이런 행렬의 크기에 대한 문제뿐만 아니라, 특히 discontinuous system에 대해서는 행렬이 ill-condition이 되어서 적분 간격이 작아진다. 그래서 본 논문에서는 암시적 수치 적분을 이용한 분리해 방법을 제안하였다. 분리해 방법은 암시적 방법의 이익을 그대로 가지면서 시스템 방정식의 크기를 줄일 수 있고, well-condition의 행렬을 제공하여 해의 정확성과 안정성을 보장할 수 있다. 이러한 분리해 방법을 이용하여, 기계 시스템의 동특성에 대한 구성 설계 민감도 방정식을 유도하였고, 형상과 자세의 변화에 대한 구성 설계 변수를 정의하였다. 그리고 형상과 자세에 대한 민감도를 구하기 위해 물질 미분을 도입하였으며, 질량과 관성 모멘트에 대한 물질 미분을 유도하였다. 본 논문에서 유도되어진, 구성 설계 민감도 방정식에 대한 해석을 검증하기 위해 수치해석을 행하였으며, 이 수치해석에 대한 검증은 유한 차분법(finite difference method)을 이용하여 증명하였다.

多孔質 靜壓空氣 Bearing을 利用한 直進Table에 있어 周圍環境이 움직임精密.正確度에 미치는 影響

허석한 漢陽大學校 1986 국내석사

솔리드 모델러기반 기계상 측정 알고리듬에 관한 연구

신재만 서울産業大學校 産業大學院 2004 국내석사

최근의 생산공정은 자동화, 통합화, 효율화에 의하여 품질향상과 납기의 단축을 필요로 하고 있다. 타사 제품과 비교 우위에 설 수 있는 경쟁력을 갖추기 위하여 공작기계의 가공기능 외에 측정, 연마, 열처리, 조립 등 복합적인 연구가 진행되고 있다. 금형의 제작 과정에서 코어, 캐비티 및 부품의 측정은 대부분 3차원 측정기(CMM : Coordinate Measuring Machine)에 의하여 수행되며, 자동차용 금형과 같은 초대형 금형의 경우 제품을 측정하거나 방전 가공에 사용되는 전극을 측정함으로써 금형의 측정을 대신하고 있다. 중대형 금형의 경우에는 금형을 측정하기 위하여 공작물을 CNC 공작 기계에서 분리하여 3차원 측정기로 이동하여야 하기 때문에 시간과 비용의 소요가 예상되고, 재 설치에 따른 오차가 발생한다. 결과적으로 중대형 금형 업체들은 대형의 3차원 측정기의 도입이 불가피하며, 이로 인하여 설비 및 투자비용을 증가시키는 원인이 된다. 또한 기존 작업자에 의한 수동 측정의 경우 작업자의 능력에 따라 측정 정밀도가 결정되며, 다양하고 복잡한 3차원 형상의 측정에 있어서 측정이 불가능한 영역이 존재할 수 있음은 물론, 작업자에 의한 측정 경로 생성시간 역시 일정하지 못하므로 측정 품질에 영향을 미친다. 본 연구에서는 금형을 가공한 후, 측정용 센서인 접촉식 프로브를 이용하여, 공작 기계상에서 측정을 수행할 수 있는 측정용 NC 데이터와 측정 경로를 자동적으로 생성할 수 있는 알고리듬을 개발하고 Visual Basic(ver.6.0)과 Solid Works(ver.2001)를 이용하여 프로그래밍 하였다. 개발에 있어서 측정 목적에 따라 위치에 대한 정밀도를 측정하는 위치기반 측정 시스템과 형상정보에 대한 정밀도를 측정하기 위한 형상기반 측정 시스템으로 나누어 연구하였으며, 위치기반 측정 모듈 내에는 point, surface, cylinder, set-up module로 구성되며, 형상기반 측정 모들 내에는 calibration, 3-point bore/boss, 4-point bore/boss, external/internal edge, pocket/web, (eature to feature, PCD module 등으로 구성하였다. 이와 같은 측정 모듈마다 최적 알고리듬을 개발하여 측정의 이용효율을 극대화하였으며, 설계정보와 부합된 측정 결과를 도출하도록 하였다. CAD 데이터와 OMM 데이터를 비교한 결과 2~4㎛의 오차 범위를 가지며, CMM 데이터와 비교한 결과 평균 ±3㎛의 오차를 나타내었다. 또한 3차원 형상에 대한 측정 경로와 NC 데이터를 자동생성하고, 사용자 편의를 고려한 인터페이스를 구축하여 작업자의 효율성을 증대시켰다. 본 연구에서 개발된 측정 시스템을 통하여 설계-가공-측정에 대한 데이터를 공유함으로써 컴퓨터를 이용한 통합생산 시스템 구축시 측정 공정의 단축과 가공정밀도의 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 사료된다. Recently, manufacturing process is required for the purpose of decreasing measuring time and cost, and increasing the quality of product. Especially, die and mold measuring system, precisional measurement of large part is very important for the high-quality of product. Generally CMM(coordinate measuring machine) was used with the CNC(computer numerical control) manufacturing machine in conventional manufacturing process. This study is concerned with the algorithm development of on-machine measuring system. It is based on Solid Works(ver.2001), 3-dimensional solid modeler. It contains modules such as position based measuring module and feature based measuring module that can be used for on-machine-measuring system. Firstly, the position based measuring module is to get the information about coordinate of measuring point. It is classified by point, surface, cylinder, set-up module. Moreover, it can generate measuring path of probe and NC code for automatic measurement. Secondly, the feature based measuring module is to get the parameters such as center point, diameter and distance, etc. It is classified by calibration, 3-point bore/boss, 4-point bore/boss, external/internal edge, pockerweb, feature to feature, PCD module, etc. Also, it can generate measuring path of probe and NC code for on-machine-measuring process. Finally, as comparing of OMM data and CAD data, we could confirm that difference of measured data between two systems was less than 2 ~ 4㎛. Also, as comparing of OMM data and CAD data, it's difference is less than ±3㎛. Developed algorithm and on-machine-measuring program can be used in the manufacturing industry such as mold and press die manufacturing field. It could be expected that OMM system can reduce measuring time and cost by sharing the data created from each step, concurrent CAD/CAM/CAT system with computer integrated manufacturing process.

회전대우 기구에서의 기계편차 해석에 관한 연구

신대영 漢陽大學校 大學院 1999 국내박사

정밀한 운동을 요구하는 많은 기계류나 장치의 설계에 있어서 기구(mechanism)에서 필연적으로 발생하는 편차는 기구의 성능과 밀접한 관계가 있다. 따라서 정밀한 기구의 설계에 있어서 편차의 발생인자와 편차의 크기 등을 정확하게 알고 설계하는 것이 매우 중요하다. 편차는 크게 구조편차와 기계편차로 구분된다. 구조편차는 기구 설계의 오류나 특성에 의하여 필연적으로 기구가 안고 있는 편차로서 기구의 설계 거동(designed motion)과 기구의 구조적 거동(structural motion)사이에 발생하는 편차를 말한다. 기계편차는 치수편차, 틈새편차, 기계요소의 변형 등의 발생인자에 의하여 발생하는 것으로 기구의 구조적 거동과 기구의 기계적 거동(mechanical motion)사이에 발생하는 오차를 말한다. 일반적으로 기구합성(kinematic synthesis)을 통하여 구조편차의 최소화를 도모하고 효율적인 공차와 틈새의 할당에 의하여 기계편차의 최소화를 시도한다. 기계편차의 최소화를 위해서는 발생인자에 의한 영향을 파악 내지는 해석하는 것이 무엇보다 중요하다. 그 동안 많은 방법들이 결정론적 접근(deterministic approach) 또는 통계적인 접근(statistical approach)을 통하여 치수편차와 틈새편차에 의하여 발생하는 기계편차(mechanical deviation)의 특성을 해석하여 왔다. 본 논문은 회전대우(revolute joint)로 구성되는 모든 기구에서 발생하는 최대 기계편차를 결정론적인 접근을 통하여 해석하며 또한 허용 기계편차 범위 내에서 공차와 틈새를 할당하고자 한다. 최대 기계편차는 다음과 같은 과정을 거쳐 해석된다. ① 치수편차와 틈새편차에 의하여 발생되는 기계편차를 치수편차의 영향(dimension deviation effect)과 틈새편차의 영향(clearance deviation effect)으로 분리한다. 틈새편차의 영향은 독립 회전대우를 비롯한 I 중첩 회전대우의 영향으로 구분한다. ② 최적화를 위하여 기계편차를 목적함수로 하는 공식화(formulation)를 수행한다. ③ 쿤-터커 필요조건(Kuhn-Tucker necessary condition)을 이용하여 틈새와 공차에 의하여 발생되는 최대 기계편차의 일반해를 유도한다. 최대 기계편차의 일반해를 유도하는 과정에서 모든 링크의 치수편차가 관련 치수변수의 공차와 같을 때 그리고 회전대우에서 핀은 항상 구멍과 접촉한 상태에서 최대 기계편차가 발생된다는 사실이 수식으로 규명되었다. 최대 기계편차는 양의 최대 기계편차와 음의 최대 기계편차 로 구분되는데 양의 최대 기계편차와 음의 최대 기계편차의 크기는 항상 서로 같으며, 양과 음의 최대 기계편차를 발생시키는 치수변수의 공차 방향은 서로 반대이고, 회전대우에서 양과 음의 최대 기계편차를 발생시키는 회전각 사이에는 항상 180°의 차이가 있다는 사실이 판명되었다. 최대 기계편차의 일반해는 치수편차의 최대 영향과 틈새편차의 최대 영향으로 분리하여 표현함으로써 공차와 틈새의 할당에 기여할 수 있었다. 이와 같이 최대 기계편차를 유도하는 과정은 회전대우 이외에 미끄럼대우(prismatic joint) 등과 같이 다른 대우로 구성되는 기구에서 최대 기계편차를 해석하기 위한 방법에 이용될 수 있다.

A Study on the Simulation and Control Performance Estimation of Ultra Precision Positioning Apparatus : 초정밀위치결정기구의 시뮬레이션 및 제어성능 평가에 관한 연구

곽이구 Graduate school, Chosun University 2001 국내박사

최근 첨단기계와 특히 반도체 제조장치, 초정밀 공작기계, 정보기기 등의 분야에서 끊임없이 고정도화, 고정밀화의 요구가 계속되어지고 있다. 이처럼 위치결정 기술은 산업전반에서 포괄적으로 응용되는 기술로 이러한 기술들이 가속되어 현재는 서브마이크론의 위치정밀도를 요구하고 있으며 2000년대 초의 가공정밀도는 정밀가공분야에서 10nm, 초정밀가공분야에서는 1nm의 수준까지 도달 할 것으로 예상되어지고 있다. 또한 고속화와 저 진동화 등의 요구도 강화되어 지고 있다. 예를 들면 메모리형 반도체의 경우 기억 용량은 3년에 4배의 속도로 대용량화되고 그 때문에 Chip내의 최소 선폭은 3년에 약 0.7배로 되어지고 있다. 그러므로 21세기의 초기에는 최소 선폭 100nm의 4GIGA DRAM이 개발되어진다고 보며 이러한 문제의 야기로 첨단기계 제조장치에는 위치결정 정도 20∼30nm가 요구되어지고 있는 실정이며 자기 디스크 분야에서도 기억 용량의 증대로 초정밀구동장치의 필요성이 커지고 있다. 현재는 기록밀도가 1G bit/in의 것이 실용화되어지고 있으며 이경우의 bit사이의 간격은 약 1㎛ 정도이고 이러한 밀도에서 써넣기도 하고 읽기도 한 까닭에 헤드를 약 0.2∼0.4 ㎛정도에서 구동 위치결정 제어 할 필요가 있다. 또한 앞으로는 헤드에 위치결정정도로 10배 (20∼40nm), 기록 밀도가 100배정도의 기억장치가 개발되어진다고 볼 수 있고 위치결정 기술이 장치 실현의 테크날로지 구축으로 대단히 중요한 부분이다. 종래의 논문에서는 실제 기구를 먼저 제작하여 시행착오를 거치면서 적합한 제어기나 구성요소들을 보완해 나가는 것이 대부분이다. 하지만 본 논문에서는 시행착오를 줄이기 위해서 먼저 시뮬레이션을 행하였고 특히 PID제어기의 성능을 미리 평가하여 본 기구에 가장 적합한 제어기를 선정하고자 하였다. 따라서 본 연구에서는 이러한 초정밀서보기구의 설계 구성방법과 제어계에 대해서 연구하는 것으로써 기본단계인 Matlab을 이용한 제어기의 성능 평가와 Simulation을 하여 실제 기구를 제작하기 전에 시행착오를 줄이기 위한 성능평가를 실시하고 초정밀위치결정기구를 제작하여 여러 가지 제어 알고리즘을 비교 분석하고 최적 알고리즘을 선정하여 조동 및 미동기구의 초정밀위치결정기구에 대한 유효성을 확인하고 제어 성능을 평가하고자 한다. Recently, high accuracy and high precision are required in various industrial fields that are composed of semiconductor manufacturing apparatus and ultra precision positioning apparatus and information system and so on. The positioning technology is a very important one among them. This technology has been rapidly developed, its field needs for positioning accuracy to high as submicron. It is expected that accuracy with 10 nm in precision working and accuracy with 1 nm in ultra precision working are reached at the beginning of 2000s. Also, high speed and low vibration are really needed for the same reason. For example, the memory on memory-type semiconductor is increased for 3 times during 3 years. Because of it, line width on semiconductor at the 21st century will be decreasing for 0.7 times per 3 years. It is predicted that 4 Giga Dram with line width of 100 nm will be developed. In this reason, the accuracy with 20-30 nm for positioning is required in some high-tech machines. In the manufacturing fields of magnetic disks, necessity of ultra precision positioning device will be increasing, that is up to improvement on memory capacity. Now, the one with packing density of 1G bit / inch is available in practical use. In this case, the gap between bits is about 1㎛. Because of that, the head on positioning device is needed that can be controlled under accuracy with 0.2- 0.4㎛. Further, head with accuracy of 10 times (ex. 20∼40nm) and memory with packing density of 100 times will be developed. Recently, to accomplish this positioning technology, many researches are concerned about it and make efforts it. In this study, design method and control system with ultra precision position apparatus are researched. As the first step, I has estimated for control performance and system stability before an actual apparatus is manufactured by MATLAB with SIMULINK including various functions those are composed of pre-design and system modeling.

The Compensation of Environment and Motion Error for nm Grade Accuracy Improvement of Ultra Precision Turning Machine : 초정밀 가공기의 나노미터급 정밀도 향상을 위한 환경 및 운동오차 보상

Kwac, Lee-Ku 朝鮮大學校 大學院 2005 국내박사

초정밀 가공기의 나노미터급 정밀도 향상을 위한 환경 및 운동오차 보상 : The Compensation of Environment and Motion Error for nm Grade Accuracy Improvement of Ultra Precision Turning Machine

곽인구 朝鮮大學校 大學院 2005 국내박사

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. 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.

He-Ne 레이저의 干涉을 利用한 高精密 리니어 스케일의 製作에 關한 硏究

이명호 漢陽大學校 1991 국내박사

기계 동작 특성을 고려한 5축 밀링 가공의 고효율화 알고리즘

소범식 부산대학교 2007 국내박사

본 논문은 5축 가공의 효율을 높이기 위해 공작 기계의 동작 특성을 고려하여 가공 데이터를 평가하고 최적화 시키는 알고리즘을 제시하였다. 본 논문에서는 5축 가공의 효율을 높이는 범위를 가공속도의 향상과 특이 영역에서의 오차를 최소화하는 것으로 정하고, 다음과 같은 연구내용을 수행 하였다. 첫째, 공구 경로를 변경하지 않고 5축 공작기계의 가공 속도를 향상시키는 알고리즘을 제안하였다. 기존의 5축 가공에서는 가공을 수행하는 공작기계와의 적합성을 전혀 고려하지 않고 단지 공작물의 형상만을 고려하여 데이터를 생성하기 때문에 실제 가공속도가 지령된 이송속도를 따라가지 못하는 현상이 발생한다. 이러한 현상 때문에 기존의 5축 가공은 공작기계가 가진 능력을 최대한 발휘할 수 없으며, 동시에 가공 시간을 정확히 예측하기 어렵다. 본 논문에서는 공작기계의 가감속 성능과 컨트롤러의 특성을 고려하여 가공 데이터의 보간 길이를 최적화함으로써 실제 가공속도를 향상시켰으며, 동시에 5축 가공의 시간을 정확히 예측하였다. 둘째, 특이 영역에서 공구 궤적 오차를 해석적으로 구하고 이를 이용하여 효과적인 선형화 알고리즘을 제안하였다. 가공 데이터에 5축의 동작특성을 고려하지 않는 경우 특이 영역에서 발생하는 불안정한 공작기계의 동작을 피할 수 없다. 본 논문에서는 특이 영역에서 발생하는 가공상의 문제를 해결하기 위해 특이 영역에서의 공구 궤적과 오차를 미리 예측하고 이를 이용하여 선형적인 공구의 동작이 가능하도록 NC 궤적을 선형화함으로써 가공의 품질을 향상시켰다. 셋째, 특이 영역의 NC 궤적 후처리 과정에서 발생하는 역기구학 방정식과 회전축 위상 선택의 문제를 해결하였다. 5축 공작기계의 역기구학 방정식은 회전축 동작으로 인하여 두 가지 종류의 해가 존재하기 때문에 부적절한 해가 적용되는 경우 공구의 불연속적인 동작이 발생한다. 본 논문에서는 공작기계의 작동축 배치 특성을 고려하여 일반적인 역기구학 방정식의 유도 방법을 제안하였으며, 동시에 실제 궤적 오차를 고려하여 위상을 선택함으로써 연속적인 공구의 동작을 가능하게 하였다. 이와 같이 본 논문에서는 5축 가공에서 공작 기계의 동작특성을 고려하여 가공 데이터를 최적화함으로써 가공의 속도와 정밀도를 향상시켰으며, 시뮬레이션과 실험으로 제안된 알고리즘의 유효성을 검증하였다. 제안된 방법은 기존의 공구 경로를 변경하지 않고 5축 공작기계의 성능을 극대화 시키므로 기존의 상용 CAM 시스템에 추가적인 모듈로 쉽게 적용이 가능하며, 또한 동작축이 직렬로 연결된 모든 5축 공작기계에 적용이 가능한 방법이다.

실리콘 기판의 화학기계적 미세가공 기술에 관한 연구 : A Study on the Chemical Mechanical Micromachining of silicon Substrate

박준민 부산대학교 일반대학원 2004 국내박사

1960년대경 반도체 산업기술이 미세 가공기술에의 도입이래, 미세 구조물의 구현을 위해 개발된 리소그라피기술과 에칭기술에 기반을 둔 실리콘 프로세스, 집적이온빔 (FIB: Focused Ion Beams), 또는 LIGA 프로세스와 같은 가공방법이 개발되어 왔으며, 이러한 프로세스는 소형화된 구조물의 구현이라는 장점을 지니고 있으나, 비용과 장비산업의 측변에서 단점을 지니고 있다. 이러한 이유로, 비용의 감소와 시스템의 단순화를 위한 노력의 일환으로 미세 기계가공에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 본 연구에서는, 미세구조물 제작을 위해 미세 기계가공과 반도체 프로세스의 결합된 형태인 화학 기계적 미세가공 기술을 제안하였다. 제안된 프로세스의 적용을 위해 현재 반도체 프로세스 및 각종 미세구조물의 제작에 주로 사용되는 실리콘 웨이퍼와 다결정실리콘, SiO_(2)의 박막을 선택하였다. 각 재료에 대한 물리적, 기계적 특성과 재료의 파단에 이르기까지의 하중인 임계하중을 측정하기 위해, 스크래칭실험과 인덴텐이션 실험을 수행하였다. 실험결과로부터, 증착된 박막을 기계적으로 제거하고, 에칭프로세스를 수행함으로써, 실리콘 웨이퍼 기판위에 홈모양의 미세구조물과 외팔보형태의 다결정 실리콘 beam을 제작할 수 있었다. 이 프로세스의 적용에 있어서 가장 중요한 요소는 대상 구조물과 구조물 형성을 위한 저항층의 화학적 선택비 선정이 중요하다. 제안된 화학 기계적 미세가공 기술의 다른 한가지 방법은 재료 표면에 화학반응층을 형성한 후, 이를 기계적으로 제거하는 방법이다. 실리콘 웨이퍼와 같은 경도가 높은 경취성 재료에서는 연성재료와 달리 가공력에 따라 탄성, 소성영역으로 가공이 이루어지는 것이 아니라, 탄, 소송영역없이 파괴가 일어나는 특성이 뚜렷이 나타나게 되어, 미세 기계가공을 수행하기 어렵게 된다. 따라서, 본 실험에서는 미세 기계가공에 화학에너지를 부가하여, 가공재료 표면에서의 화학반응층을 형성한 후, 가공을 수행함으로써, 가공면의 품위(표면거칠기, 형상정밀도)를 향상시킬 수 있었다. 화학액의 농도에 따른 형성된 화학반응층 분석을 위해 MTS사의 Nano inedner XP^(TM)를 이용하여 인덴데이션실험 스크래치실험 및 표면에서의 마찰계수에 대한 실험을 수행하였으며, 표면에서의 화학적 에너지 변화를 관찰하기 위해 XPS분석기를 사용하였다. 본 프로세스의 적용을 위한 화학액의 농도는 KOH 10wt% 영역대로 분석되었으며, 기계가공 조건 10㎛/sec로 판단되었다. 얻어진 조건을 이용하여 실리콘 웨이퍼에 미세 기계가공을 수행할 수 있었다. 또한, 비교적 큰 형상의 미세구조물 제작을 위해 infeed grooving의 방식을 도입하여 선폭 100㎛, 깊이 50㎛의 미세 채널을 제작할 수 있었다. 제안된 화학 기계적 미세가공 기술은 실리콘 웨이퍼와 같은 경취성 재료를 미세한 크랙이나 파괴현상없이 직접적으로 기계가공을 수행함으로써, 기존의 미세 구조물의 제작에 있어서 필수요건이었던 마스크(photlithography mask)응 사용하지 않고 미세 구조물을 제작할 수 있다는 장점과 기계공구를 이용함으로써, 2차원의 자유로운 형상을 직접 제작할 수 있다는 장점을 가진다. 향후, 본 프로세스를 이용하여 미세 채널(microchannel), 미세 홀(microhole) 등의 제작에 직접 이용될 수 있을 것으로 판단된다.