Characteristics of a PZT-Driven Micro Depth Adjustment Device for Cutting Coated Film

박막 절단용 PZT 구동 미세깊이 조절 장치의 특성

Characteristics of a PZT-Driven Micro Depth Adjustment Device for Cutting Coated Film

Sang-Oh Ryu^a, Hwa-Young Kim^b, Jung-Hwan Ahn^c*

a School of Mechanical Engineering, Pusan National University, Jangjeon-dong, Geumjeoung-gu, Busan 609-735, Korea

b Research Institute of Mechanical Technology, Pusan National University, Jangjeon-dong, Geumjeoung-gu, Busan 609-735, Korea

c School of Mechanical Engineering, Pusan National University, Jangjeon-dong, Geumjeoung-gu, Busan 609-735, Korea

ARTICLE INFO ABSTRACT

Article history: This study aims to develop a PZT‐driven depth adjustment device with a flexure hinge and to investigate its static/dynamic characteristics. This device will be applied to rapidly and accurately trace a flat surface with slight waviness of up to several hundreds of micrometers in magnitude. One typical example is to cut a film coated on a steel plate. A depth control system composed of PMAC, PZT/PZT amplifier, flexure hinge/knife, and laser displacement sensor is implemented on a desktop three‐axis machine and an actual cutting test is conducted on a steel workpiece with a sinusoidal‐wavy surface. It is verified that the dynamic characteristics of the device limit the maximum cutting speed and depth precision.

Received 21 October 2014 Revised 1 December 2014 Accepted 3 December 2014

Keywords:

Thin film Cutting process Piezo actuator (PZT) Flexure Hinge

* Corresponding author. Tel.: +82-51-510-2333 Fax: +82-51-581-3087 E-mail address: [email protected](Jung-Hwan Ahn).

1. 서 론

1980년대 이후 비약적인 발전을 거친 폴리카보네이트(Polycar- bonate) 소재의 박막은 내충격성, 내열성 등의 우수한 특성 때문에 에어컨이나 냉장고 같은 가전제품의 미관을 결정짓는 철판표면에 흠집이 생기지 않도록 철판표면에 부착되어진다^[1].

가전제품의 고급화에 따라 생산절차가 복잡해지고, 생산단가가 높아지기 때문에 흠집으로 인한 불량을 최소화하기 위해서 최근 박막 부착이 점차 증가하는 추세이다^[2].

손잡이나 조작부 등이 조립될 경우 해당 부위의 철판을 펀칭으로 제거해야 하는데 이때 해당부위의 모양에 맞게 박막을 펀칭 전에

미리 정밀하게 절단해 둠으로써 펀칭을 용이하게 하고 가공부위의 철판에 부착된 박막은 그대로 남아 제품의 외관을 보호하게 된다.

기존 박막 절단장치는 칼날의 절단 깊이를 롤러나 스프링으로 조절함으로써 이때 발생하는 압력에 의해 철판에 흔적을 남긴다는 단점이 있고, 철판에 미세한 굴곡이 있어 절단 깊이가 일정하지 못 할 때 칼날의 깊이 조절이 제대로 안되면 과절단이나 미절단으로 인한 제품 불량을 초래할 수 있다. 그러므로 철판표면의 높이가 변 하더라도 절단 깊이를 일정하게 할 수 있는 응답속도와 분해능이 좋은 깊이조절장치가 필요하다.

본 논문에서는 빠른 응답속도와 높은 분해능을 가진 PZT와 변위 량을 확대시키는 변위확대기구(유연힌지)를 이용하여 박막 절단장

Fig. 1 Design parameter of flexure hinge

Fig. 2 Parallel type flexure hinge

PZT Amplifier

Function Generator

DAQ Board Computer Oscilloscope AC Signal

Frequency, Voltage

Flexure Hinge

Sensor Amp PZT

Knife B

Laser Displacement Sensor

A

C

Fig. 3 Layout of experimental devices

Model Pst 150/3.5*3.5/20

Travel range for 0 to 150 V 20 [μm]

Max. Displacement 28 [μm]

Blocking force at 150 V 800 [N]

Capacitance 800 [nF]

Push / pull force capacity 1000/5 [N]

Stiffness 25 [N/μm]

Resonant frequency 50 [KHz]

Table 1 Specification of PZT actuator 치에 적용할 수 있는 미세깊이 제어기구를 개발하고자 한다^[3]. 그

리고 장치의 정동특성을 분석하여 유용한 적용 범위를 찾고자 하 였다.

2. PZT구동 유연힌지 설계

PZT는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환 시킬 때 효율이 90% 정도로 매우 높고, 초정밀 분야에서 사용되는 다른 액추에 이터에 비해 응답속도가 매우 빠르며 정확도가 아주 높다^[4]. 하 지만 변위량이 적어서 변위를 증폭하는 유연힌지와 함께 사용하 는 경우가 많다. 유연힌지는 일체형 구조로 결합오차가 없으며, 탄성 변위를 이용하여 부드럽고 백래쉬가 없는 특징을 가지고 있다^[5].

Fig. 1에 나타낸 유연힌지 변수 중 주요변수는 폭(b), 노치 반경 (R), 노치 두께(t), 그리고 힌지길이이다. 폭과 힌지길이을 일정하 게 하고 노치 반경, 노치 두께를 변화시키면 고유진동수, 변형량 등을 달리할 수 있다. 고유진동수를 크게 하려면 노치 반경은 작게 하고 두께를 크게 해야 하며, 반대로 최대 변형량을 크게 하려면 노치 반경을 크게 하고, 노치 두께는 작게 해야 한다^[6,7].

본 연구에서 다룰 박막 두께는 대략 110 μm, 철판의 평탄도는

±50 μm, 평탄도 주기는 100 mm라고 가정한다. 절단방향 이송속 도 250 mm/s이면 철판의 평탄도 주기에 해당하는 주파수는 2.5 Hz이다. PZT 최대변위를 20 μm라고 하면 7 배정도 변위증폭이

되도록 힌지를 설계해야 한다.

Fig. 2는 본 연구에서 사용한 힌지의 형상으로 노치의 두께는 0.8 mm, 노치의 반경은 3 mm이고, H1을 지지점으로해서 PZT 에서 입력 변위를 주면 H2에서 변위가 증폭되는 구조이다. 단순 설계를 위해 강체 지렛대로 가정하고 지렛대의 원리에 따라 L1 과 L2의 비율을 1:7로 하여 PZT변위를 7배 정도 확대하도록 설계하였으며, 와이어 방전가공기로 Al7075을 가공하여 제작하 였다^[8,9].

3. PZT 구동 깊이 변위 기구의 특성 실험

3.1 실험 장치 구성

PZT 구동 유연힌지기구의 특성을 알아보기 위한 실험장치 구성 은 Fig. 3과 같다. 함수발생기에서 특정 전압을 PZT 앰프를 통하 여 인가하면 PZT가 특정량 만큼 늘어나고 이것은 유연힌지를 거 쳐 칼날 끝에 증폭된 변위로 나타난다. 칼날의 변위는 레이저 변위 측정기로 측정되고 센서 증폭기를 거쳐 DAQ를 통해 데이터 수집 된다. 이때 사용한 PZT 구동기, PZT 앰프, 레이저 변위 측정기의 성능은 Table 1, Table 2, Table 3과 같다.

Laser Displacement Sensor

B

Fig. 4 Experimental setup for measuring stiffness of flexure hinge

Fig. 5 Results of flexure hinge stiffness

Fig. 6 Displacement amplification of flexure hinge

Weight

Thin film

Steel plate Cutting

head

Counter weight Pulley

Fig. 7 Experimental setup for measuring cutting load

Model SVR 150/1

Output

Maximum voltage -30 [V] ~+150 [V]

Maximum Current 60 [mA]

Impedance 5 [kΩ]

Gain 30 (without attenuation) Noise 0.3 mVpp (for 4.7 μ Farad load)

Table 2 Specification of PZT amplifier

Model LK-G35

Reference distance 30 mm

Measurement range ± 5 mm

Spot diameter About 30 * 850 μm

Linearity ± 0.05 % of F.S.

Table 3 Specification of laser sensor

3.2 정특성

3.2.1 유연힌지의 강성

유연힌지의 강성을 측정하기 위하여 칼날 고정부에 추(500 g, 1000 g, 1500 g)를 Fig. 4와 같이 매달고 레이저 변위센서로 B부 분 변위의 변화를 데이터 수집하였다. Fig. 5와 같이 회귀분석을 통해 선형적인 관계식을 구하였는데, 강성은 1.54 g/μm로 아주 작 아 칼날에 절단 하중이 걸리면 변위손실이 우려된다. 이를 해결하 기 위해 칼날 장착부에 수직 절단력에 해당하는 중량을 추가할 필 요가 있다.

3.2.2 유연힌지의 증폭비

설계한 유연힌지가 순수한 PZT 구동기의 변위를 몇 배 확대시키 는 지 파악하기 위하여 실험을 하였다. PZT 구동기에 전압을 0 V에서 150 V까지 주었을 때, PZT 변위와 칼날끝 변위에 해당하 는 힌지부의 C, A면 변위를 레이저센서로 동시에 측정하였다. Fig.

6은 그 결과를 나타내는 데 회귀분석을 통해 약 5.5배 증폭이 되는 것으로 나타났다. 설계 증폭비 7보다 작은 이유는 단순설계를 위해 강체 지렛대라고 가정하였으나 실제는 출력점의 힌지(H2)에 작용 하는 힘 때문에 출력변위가 1.5배 줄어든 결과가 나온 것으로 생각 된다. 정밀한 증폭비를 설계하기 위해서는 FEM을 통한 구조해석 이 필요하다고 생각된다.

3.2.3 박막절단 수직하중과 절단깊이

박막의 절단에 필요한 수직 하중이 얼마인가를 알아보기 위해서 수직 하중을 변화시키며 절단 실험을 하였다. 장치는 Fig. 7과 같이 커팅헤드부 자중 212 g의 영향을 없애기 위해 도르래를 설치하여 커팅헤드 반대 쪽에 212 g 평형추(counter weight)를 매달고 커팅

(a) Impulsed signal

(b) FFT results of impulsed signal

Fig. 8 Measurement of natural frequency of flexure hinge

Fig. 9 Frequency response of PZT-driven displacement device

Fig. 10 Step response of PZT actuator 헤드 상부에 50~150 g까지 10 g 단위로 추를 올려 절단 실험을

하였다. 그 결과 50~80 g에서는 박막이 절단되지 않았고 90~100 g에서는 철판에 상처를 남기지 않고 박막이 잘 절단되었으며 110 g 이상에서는 절단은 되나 철판에 상처를 남겼다. 즉 박막 절단의 최적 수직하중은 약 100 g 이었다.

3.3 동특성

3.3.1 유연힌지의 고유진동수

유연힌지의 고유진동수를 구하기 위해 힌지부 B면을 임팩트 해 머로 충격을 가하여 칼날 지지부 A면을 측정하여 Fig. 8(a)의 결과 를 얻었다. 이중에서 S부분을 FFT 분석하면 Fig. 8(b)처럼 약 107 Hz에 피크점이 나타나는데 유연힌지의 고유진동수가 107 Hz임을 알 수 있다.

3.3.2 주파수 응답 특성

설계한 PZT 구동 변위기구가 얼마나 빠른 변화를 따라가는지 알아보기 위해 주파수 응답을 조사하였다. 입력신호의 전압은 150 V로 고정한 상태에서 함수발생기로 0~20 Hz까지 주파수를 변화 시키면서 출력변위를 측정하였다.

실험결과는 Fig. 9와 같으며, 차단(Cut-Off) 주파수는 10 Hz 정 도이다. 이것은 Fig. 10의 PZT 구동 변위기구의 스텝 응답 특성으

로부터도 확인할 수 있다. 대역폭(Band Width)과 상승시간(rise time)은 대략 식 (1)처럼 되므로 상승시간은 0.034 sec이고, 대역 폭은 10 Hz 정도임을 알 수 있다.

   

× 

(1)

이것은 사용한 PZT앰프의 특성에 기인하는 것으로 생각된다.

4. 철판 변위 추적 실험

4.1 실험장치 구성

탁상용 XYZ 3축 기계의 Z축에 PZT 구동 변위 기구를 설치하 여 큰 변위는 3축 기계로, 미세변위는 PZT 구동 변위기구를 이용 하여 칼날의 깊이를 제어하며 박막을 절단하는 실험을 하였다. 실 제 장치의 사진은 Fig. 11과 같은데. 실험 장치는 크게 모션제어기 (PMAC), PZT구동기, 변위기구(유연힌지와 칼날), 레이저 변위 측정기 4가지로 구성된다.

Fig. 11 Experimental apparatus for cutting film on steel plate

Fig. 12 Test piece of steel plate with wavy thickness

4.2 깊이 제어실험

철판 높이 변화에 따라 변위기구의 깊이 제어가 잘 되는지 성능평 가를 위하여 Fig. 12와 같이 진폭 ±45 μm, 주기 50 mm의 사인파 형상으로 CNC밀링머신에 의해 가공된 철판에 대해 실험을 하였다.

제어계 구성은 Fig. 13과 같이 나타낼 수 있다. 철판 표면 변위량 을 레이저 센서로 측정하고 이를 따라가기 위해 PZT 구동기로 칼 날 변위량을 제어한다. 이송속도를 증가시키면 철판 표면 변위의 주파수가 높아진다. 주파수 5 Hz, 10 Hz에 해당하는 이송속도 0.25 m/s와 0.5 m/s에 대해 실험하여 Fig. 14(a), (b)의 결과를 얻었다. 대역폭에 해당하는 이송속도 0.5 m/s에서 칼날 변위가 철 판 변위의 70 % 정도 추적함을 확인할 수 있다. 두 가지 속도에서 각각 0.010 s, 0.011 s 정도의 시간지연(time delay)이 발생하였 다. 실제 위치제어 절단 시스템에서는 칼날 변위제어를 제대로 하 기 위해 시간지연에 해당하는 거리만큼 센서를 칼날보다 앞쪽에 설치할 필요가 있다.

Fig. 13 Construction of control system

(a) Feedrate 0.25 m/s

(b) Feedrate 0.5 m/s

Fig. 14 Knife displacement results along with feedlate

5. 결 론

본 논문에서 박막 절단장치의 생산성 향상을 위해 빠른 응답속도 와 높은 분해능을 가진 PZT와 변위확대기구(유연힌지)를 이용하 여 박막 절단장치에 적용할 수 있는 미세 깊이 제어 기구를 설계하 고, 정동특성을 분석한 뒤 설계한 미세깊이 제어기구가 철판 높이 변화에 따라 깊이 제어가 잘 되는지 철판 변위 추적 실험을 통해 확인하였다. 본 연구를 통해서 확인한 사실은 아래와 같다.

(1) 유연힌지의 증폭비는 단순 지렛대 원리에 의한 값보다 80%

수준이었다.

(2) 박막이 부착된 철판에서 철판에 손상을 주지 않고 박막만 절 단하기에 필요한 최적의 수직 하중은 약 100 g이었다.

(3) PZT와 유연힌지를 사용하여 장치를 구성하였을 때, 장치의

주파수 특성은 PZT앰프와 유연힌지의 성능 중 PZT앰프의 성능에 기인한다.

(4) 칼날 최대 이송속도는 철판 변위 주파수와 미세변위 구동기 구의 대역폭에 의해 제한을 받는다.

후 기

이 논문은 부산대학교 자유과제 학술연구비(2년)에 의하여 연구 되었음.

References

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