VCM을 이용한 레이저 스캐너용 자동초점 장치의 설계 및 제어에 관한 연구

Abstract

최근 용접(Welding), 절단(Cutting), 마킹(Marking), 드릴링(Drilling) 등 다양한 가공 산업에서 레이저 가공 시스템이 적용되고 있다. 그 중 갈바노미터(Galvanometer)를 대표적으로 사용하는 레이저 스캐너(Laser Scanner) 시스템은 다른 레이저 가공 시스템에 비해 보다 고속, 정밀 하게 레이저 초점을 가공 목적물에 위치시킬 수 있는 장점으로 널리 사용되고 있다. 레이저 스캐너 시스템은 레이저 빔을 반사시켜 2차원 평면으로 위치시킬 수 있는 2개의 미러(Mirror)와 함께 초점 렌즈(Lens)의 위치를 조절하여 Z-축의 초점길이(Focal length)를 조절하는 자동초점장치(Dynamic Focusing Unit)로 구성되어 3차원 가공을 가능하게 한다. 그러나 현재 주로 사용되고 있는 자동초점장치의 경우 함께 사용되고 있는 스캐너의 가공 속도에 크게 미치지 못하고 렌즈의 위치 이동거리가 작아 초점길이 조절에 한계가 있어 널리 사용되지 못하고 적용 범위가 매우 제한적이다. 이에 본 연구에서는 개선된 성능을 가지는 레이저 스캐너 용 자동초점장치를 제안한다. 제안하는 새로운 자동초점장치는 레이저가 통과 할 수 있는 구멍(Hole)을 가지는 중공형 VCM(Hollow Voice Coil Motor)를 이용하여 보다 큰 범위의 가공을 가능하게하고 보다 빠른 응답을 가지게 하여, 기존 레이저 스캐너와 연동 제어함으로써 레이저 스캐너 가공의 적용 범위를 확대 할 수 있다. VCM은 기존에 사용되던 스텝 모터(Step Motor)에 비하여 구조에 따라 큰 속도를 가지며 높은 분해능(Resolution)을 가진다. 그 구동력 특성이 전류에 대해서 선형적이고, 구성에 따라 부드러운 운동이 가능하다. 또한, 중공형 VCM을 사용하면, 스텝모터를 이용하여 렌즈 이송 메커니즘을 구성하는 것 보다 레이저 빔과 VCM의 중심이 같은 축 상에 놓이게 됨으로써, 구동력의 중심과 운동 방향의 중심이 일치하여 제어에 용의하고, 공간적 측면에서 보다 적합한 구조를 가질 수 있는 장점이 있다. 제안된 자동초점장치는 96 × 60 × 60 mm3 이며, 링형(Ring-shaped) 자석과 요크(Yoke)부로 구성된 자기장 속에 환형으로 코일이 감긴 보빈(Bobbin)이 힘을 받으며 렌즈를 이송하게 된다. 기존 제품을 참고하여 스캐너 시스템 구성 시 자동초점장치가 위치할 높이 등을 고려하여 제한된 크기 내에서 고속 장행정을 구현 할 수 있는 VCM 파라미터 최적화 설계를 퍼미언스법(Permeance Method) 및 SQP 알고리즘을 이용하여 수행하였다. 최적 설계된 파라미터는 자기장 해석 Tool인 Maxwell 2D & 3D 해석과 가우스미터를 이용한 자기장 측정으로 그 타당성을 검증하였다. 최종 설계 완료 후, VCM 자동초점장치 제작 및 조립을 실시하였으며 레이저 도플러 진동계를 이용하여 성능 검증을 실시하였다. 센서를 통하여 측정된 신호와 폐루프 제어를 통하여 에러를 보상하여 명령하는 위치에 렌즈가 위치하도록 하는 제어 알고리즘을 구축하였으며 목표한 렌즈 이송 거리와 속도를 실험 결과를 통하여 검증하였다. 성능 검증 결과 16 mm 행정거리, 0.2 µm 분해능을 가지는 것을 확인하였다. 이러한 수치는 기존 제품보다 개선된 성능이며 레이저 가공이 유효하다고 생각되는 레이저 초점 깊이(Focal depth)를 만족시키므로 레이저 스캐너 가공에 적용 가능하다고 판단 할 수 있다. 또한 렌즈의 위치 정렬 속도는 기존 제품의 18 rad/s보다 큰 40 rad/s의 속도를 가지는 것을 확인하였다. 이에 더불어 광학 시뮬레이션 Tool인 ZEMAX를 이용하여 렌즈의 이송에 따른 실제 초점 변화를 확인하였다. 기존 시스템과 비슷한 광학 조건을 가지고 있을 때 제안하는 초점장치가 적용될 경우 고속에서 초점 변화가 커지며 최종적으로 보다 넓은 가공 범위를 확보함을 확인하였다. 성능 검증 실험 및 광학 시뮬레이션을 통하여 레이저 스캐너용 자동초점장치에 VCM을 적용한 시스템이 넓은 범위에서 고속 가공이 필요한 레이저 스캐너 시스템에 활용 될 수 있는 가능성을 확인하였다.