◆ 특집 ◆ 직선·회전모터 구동 이송·회전체 연구 X
레이저보조가공에서 레이저 렌즈 교환장치의 정밀도 평가에 관한 연구
Study on Accuracy Evaluation of Laser Lens Changer for a Laser-Assisted Machining System
오원정1, 김은중1, 이춘만1,
Won-Jung Oh1, Eun-Joong Kim1, and Choon-Man Lee1,
1 창원대학교 기계공학부 (School of Mechanical Engineering, Changwon National University)
Corresponding author: [email protected], Tel: +82-55-213-3622 Manuscript received: 2015.6.29. / Revised: 2015.7.11. / Accepted: 2015.7.15.
LAM (Laser-Assisted Machining) is an effective method for processing difficult-to-cut workpieces.
The focal length of a LAM system is changed by the change of the workpiece shape during laser preheating; this problem is solved by changing the lens of the laser module. Linear- and rotary- type lens changers were developed to change the laser lens of a LAM system. The linear-type lens changer is operated by a motor with a ball-screw, and the rotary type is operated by a stepping motor. The natural frequency and structural stability of the laser lens changers were confirmed by using a finite element analysis; in addition, the functions of the lens changers were verified by measuring the iterative accuracy. The measured results show that the rotary-type lens changer is more accurate than the linear-type changer.
KEYWORDS: Laser lens changer (레이저 렌즈 교환장치), Laser assisted machining (레이저 보조 가공), Design verification (설계 검증), Iterative accuracy (반복 정밀도)
1. 서론
항공우주, 전자, 국방, 조선 등 고부가 가치 산 업에 사용되고 있는 소재는 고온에서의 강도, 높 은 내부식성 및 내마모성 등의 특성을 가진 세라 믹, 티타늄, 니켈 합금 등을 들 수 있다. 하지만 이러한 물질의 고유 특성은 가공 시 방해요소로 작용해 이른바 난삭재라고 명명된다.1 이러한 가공 이 어려운 난삭재를 쉽게 가공하기 위한 연구들이
최근에 많이 이루어지고 있다.2
열보조가공(Thermally assisted machining: TAM)은 열원이 공구 앞을 선행하여 공작물을 국부적으로 가열 및 연화시켜 절삭하는 가공방법이다.3-6 TAM 을 통해 생산된 제품은 표면 거칠기 개선, 가공시 간의 감소 등의 이점을 가진다. TAM 중에서도 레 이저보조가공(Laser assisted machining: LAM)은 높은 열 집적도와 열원 제어가 쉽다는 장점으로 인해 레이저 보조 선삭은 상용화가 되었으며, 레이저 __________
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에 따른 예열효과 변화는 Woo 등10이 연구하였다.
예열 효과의 변화는 제품의 품질과 생산성, 공 구 수명에 영향을 끼칠 수 있다. 이를 개선 하기 위해서는 레이저 렌즈의 교환을 통해 레이저 초점 의 변화와 레이저 열원의 형상 변화 등이 필요하 다. 이러한 레이저 렌즈교환 모듈 개발에 관한 선 행 연구는 Sim등11이 수행하였다.
본 연구에서는 레이저 렌즈교환을 위한 직선식 및 회전식 레이저 모듈을 개발 하였고, 개발된 모 듈에 대한 안정성과 정밀도를 평가하고자 한다.
2. 레이저 렌즈 교환장치의 구조
LAM은 레이저가 공구 앞에 선행하여 소재를 예열하고 그 뒤를 따라 공구가 절삭하는 방법이 다. 레이저 장치는 스핀들에 부착되어 구동되는 방식으로 제작되어 있다. 따라서 렌즈교환장치의 크기는 스핀들과 레이저 장치 사이의 거리를 고 려하여 설계되었다. 이 거리와 렌즈의 크기를 고 려하여 직선식과 회전식의 렌즈교환장치를 고안 하였다. 고안된 2개의 장치를 실험하여 구조적으 로 안정적이며 정밀도가 더 우수한 장치를 선택 하고자 한다.
Fig. 1(a)는 LAM장치의 구성을 나타낸다. LAM 에서는 가공형상에 따라 열원의 모양이 변하게 되 며 이런 변화는 불균일한 예열효과를 가져온다.
이 문제점을 해결하기 위해서 레이저의 초점 거리 조절을 통해 열원형상을 바꾸어야 하며 이러한 초 점거리의 변화는 Fig. 1(b)의 렌즈교환장치로 해결 할 수 있다. 레이저 렌즈교환장치는 레이저 모듈 에 장착되어 레이저 모듈의 렌즈를 교환할 수 있 도록 설계되었다.
레이저 렌즈 교환장치는 Fig. 2와 같이 직선식 과 회전식의 타입으로 개발하였다. 직선식 레이저 렌즈 교환장치는 볼스크류(BNT 1605-2.6)로 구동된 다. 회전식 레이저 렌즈 교환장치는 1 step 당 회전 각이 0.72°인 스태핑 모터(A8K-M566)를 이용해 최 대 100 rpm으로 회전이 가능하다. 직선식 및 회전식 렌즈교환장치의 구성은 Fig. 3에 상용 설계소프트웨 어 CATIA를 이용하여 3D 모델링을 나타내었다.
(a) LAM system
(b) Lens changer
Fig. 1 LAM and lens changer system
(a) Linear changer
(b) Rotary changer Fig. 2 Laser lens changers
(a) Linear changer
(b) Rotary changer Fig. 3 3-D model of the changers
3. 유한요소 해석 3.1 구조해석
본 실험에서의 유한요소해석은 해석소프트웨어 ANSYS workbench 를 사용하여 진행하였다. Fig. 4 는 각 타입의 해석모델을 나타낸다. 해석모델에는 육면체 메쉬(Hex dominant mesh)를 적용하였으며 직 선식 렌즈교환장치 모델은 177,834개의 노드(Nodes) 와 43,738의 요소(Elements)를 가지며 회전식 렌즈 교환장치의 모델은 107,082개의 노드와 27,366개의 요소를 가진다. 해석에 사용된 모델의 재료는 구 동부 SM45C를 제외한 부품은 Al6061이며 Table 1 에 소재의 물성치를 나타내었다.
Fig. 5에 부품간의 접촉조건 및 경계 조건을 나 타내었다. 렌즈가 결합되어 구동되는 하우징 부분 과 직접적인 움직임이 있는 모터부분을 연결하는 조건은 No Separation 조건을 부여하였고 나머지 부분은 bonded 조건을 부여하였다.
경계조건은 실제로 조립이 이루어지는 플레이트 면에 Fix 조건을 주었고 구동모터의 직선 및 회전운 동으로 최대속도 100 rpm을 부과하여 해석하였다.
Fig. 6은 직선식 렌즈교환장치의 해석결과를 나 타낸다. 직선식 렌즈교환장치의 최대 변위는 0.153 mm로 해석되었으며, 최대응력은 15.46 MPa로 해석 되었다.
Fig. 7은 회전식 렌즈교환장치의 해석결과를 나 타낸다. 회전식 렌즈교환장치의 최대변위는 0.036 mm로 해석되었으며, 최대응력은 4.69 MPa로 해석 되었다. 해석의 결과로서 렌즈교환장치의 소재인 Al6061의 항복강도 145 MPa 보다 적은 응력이 도 출되었으므로 안정적인 구조라고 판단된다.
(a) Linear changer (b) Rotary changer Fig. 4 FEM model of the changers
Table 1 Material properties
Material Al6061-T4 SM45C Density 2700 kg/m3 7600 kg/m3 Young’s modulus 68.9 GPa 207 GPa
Yield strength 145 MPa 370 MPa Poisson ratio 0.33 0.3
(a) Linear changer
(b) Rotary changer
Fig. 5 Boundary conditions of the changer
(a) Maximum deformation (b) Maximum stress Fig. 6 Results of structural analysis of linear changer
(a) Maximum deformation (b) Maximum stress Fig. 7 Results of structural analysis of rotary changer
Table 2 Natural frequency of the changers Type
Mode Linear changer(Hz) Rotary changer(Hz)
1 30.74 77.32
2 40.63 100.15 3 67.51 196.14 4 96.77 223.43 5 120.26 248.95 6 231.25 292.32
3.2 모드 해석
직선식 렌즈교환장치의 모터는 최대 회전속도 가 100 rpm으로 회전하며, 회전식 렌즈교환장치의 스태핑 모터 또한 최대 100 rpm으로 회전 가능하 다. 이때 렌즈교환장치의 회전 주파수는 약 1.67 Hz 이다. 이 회전 주파수가 각 렌즈교환장치의 모 드해석 공진주파수와 근접하지 않음을 확인함으로 써 설계의 안정성을 확인할 수 있다.
렌즈교환장치의 모드 해석 결과를 Table 2에 나 타내었다. 직선식 렌즈교환장치의 모드해석 결과 1차 모드의 고유진동수는 30.74 Hz로 직선식 렌즈 교환장치의 작동 회전 주파수 1.67 Hz에 비해 크게 나왔으므로 공진현상에 대한 설계는 안정적으로 되었다고 볼 수 있다. 회전식 렌즈교환장치의 결 과 1차 모드의 고유진동수는 77.32 Hz로 회전식 렌 즈교환장치의 렌즈 하우징 회전 주파수 1.67 Hz에 비해 크게 나왔으므로 직선식 렌즈교환장치와 마 찬가지로 안정적이라고 판단할 수 있다.
LAM에서 주로 사용되는 스핀들의 회전수는 3,000 rpm, 4,000 rpm, 9,000 rpm으로 나타났다.6,14 이 때 스핀들의 진동수는 각 50 Hz, 66.66 Hz, 150 Hz이 며 스핀들의 회전수가 4,000 rpm일 경우 직선식 렌 즈교환장치의 3차 모드 해석의 결과(67.51 Hz)와 공진이 발생할 가능성을 확인하였다. 직선식 렌즈 교환장치인 경우 주축 회전수 4,000 rpm에서는 사 용 하지 않는 것이 추천된다.
Angular resolution ±0.07 arc seconds Maximum lateral target speed 120°/sec
Fig. 8 Measurement of the linear changer
4. 반복정밀도 측정
본 시험은 이동이 가능한 3차원 좌표 측정기인 레이저 트래커(API Laser tracker T3)를 이용하여 시 작점과 종점을 반복 측정한다. 측정 원리는 트래 커의 헤드와 SMR(Sphere Mounted Retro reflector)사 이의 거리 및 엔코더와 한쌍의 거울이 직교하는 각을 트래커의 내부에 있는 거리측정 간섭계가 측 정한다.12 각 측정점의 X축, Y축, Z축의 중점을 계 산하여 각 측정점에 이르는 오차를 계산하여 평균 값을 도출하였다. 측정에 사용된 레이저 트래커의 사양은 Table 3에 나타내었으며 평가방법은 ISO- 9283에 의거하여 평가하였다.
Fig. 8은 직선식 렌즈교환장치의 측정방법을 나 타낸다. 직선식 렌즈교환장치는 볼스크류를 사용 하여 직선식 이송을 하는 장치로서 선형적인 동작 을 통해 렌즈를 교환한다. 측정시험에서는 장치의 흔들림을 방지하기 위해 배드 위에 클램핑 한 후 레이저 트래커를 이용하여 좌·우 이송 30회를 측 정하여 측정값의 오차의 평균값을 도출하였다.
Fig. 9는 회전식 렌즈교환장치의 측정방법을 나 타낸다. 회전식 렌즈교환장치는 1 step당 0.72° 의 회전각을 가지는 스태핑 모터를 이용해 이송하는 장치로서 회전수가 100 rpm을 가지도록 설계되었
으며 이러한 회전을 통해 렌즈를 교환한다. 측정 시험에서는 장치의 흔들림을 방지하기 위해 배드 위에 클램핑 한 후 레이저 트래커를 이용하여 반 복회전이송 30회를 측정하여 측정값의 오차의 평 균값을 도출하였다.13 Table 4는 총 30번의 측정을 통해 나타난 오차의 값을 나타낸다.
5. 결론
본 연구에서는 형상변화 또는 용도에 따라 레 이저 렌즈를 교환할 수 있는 장치를 유한요소해석 을 통해 구조적 안정성, 공진 여부를 검토하였고 반복정밀도 시험을 통해 렌즈교환의 정밀도를 확 인하여 렌즈교환에 적합한 교환방안을 제시하고자 하였다. 본 연구에서 얻은 결론은 다음과 같다.
(1) 구조해석을 위한 유한요소해석 결과, 직선식 및 회전식 레이저 렌즈 교환장치 모두 하중에 의한 최대변위가 적게 나왔다. 이러한 결과는 하중에 의 한 변위가 렌즈의 초점거리에 미치는 영향이 레이 저 열원의 크기보다 미소하므로 이로 인한 영향은 미비 할 것으로 판단된다. 또한 최대응력이 파손 범주 밖에 있으므로 안정적인 구조물로 확인되었다.
(2) 모드해석을 위한 유한요소해석 결과, 직선 식 및 회전식 레이저 렌즈 교환장치 모두 안정적 인 구동범위 안에 있음을 확인했다. 다만 주축의 특정 rpm에서의 사용은 제한될 수 있다.
(3) 반복정밀도를 레이저트래커 장비를 이용하 여 30회 측정한 결과 직선식 렌즈교환장치보다 회 전식 렌즈 교환장치의 정밀도가 비교적 우수하게 측정되었다. 이는 직선식 렌즈교환장치에서 볼스 크류의 피치의 정도와 조립시 발생하는 유격으로 인한 오차라고 판단된다. 렌즈가 장착되는 부분의 최대변위는 축으로부터 113 mm이고 이때 이곳의 변위량은 0.0179 mm이며 삼각함수를 이용하여 각 도를 구하면 0.0091˚이다. 현재 사용하는 레이저 렌즈교환장치의 틸팅으로 생긴 레이저 위치의 오 차는 레이저 초점거리 135 mm와 사이 각 θ를 통 해 0.021 mm로 구해진다. 이러한 결과는 해석을 통한 결과와 마찬가지로 레이저 열원에 큰 영향을 미치지 못하므로 두 가지 형태의 렌즈교환장치에 서 비교적 변위와 반복정밀도가 낮은 회전식의 구 조물이 더 적합하다고 판단된다.
후 기
이 논문은 2015년도 정부(미래창조과학부)의 재원 으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (No.2015021823).
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Fig. 9 Measurement of the rotary changer
Table 4 Accuracy of the changers Type
Axis Linear changer(mm) Rotary changer(mm)
X-axis 0.1718 0.0122
Y-axis 0.2887 0.0220
Z-axis 0.0096 0.0303
Force and Preheating-Temperature Prediction for Laser-Assisted Milling of Inconel 718 and AISI 1045 Steel,” International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 71, pp. 264-274, 2014.
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