3D 레이저 가공기의 통합시스템 구현을 위한 VCM 자동초점장치의 광기계적 설계에 관한 연구

Abstract

국 문 요 약

최근 다양한 분야에서 제품의 소형화를 추구하면서 이러한 제품을 생산 및 가공할 수 있는 초정밀 가공 장비의 사용이 확대 되고 있다. 따라서, 이를 만족할 수 있는 가공장비를 개발하는 것이 시장 경쟁력을 확보하는 핵심요소가 될 것이다. 정밀한 가공을 위해서 레이저 가공 시스템의 사용이 확대되고 있으며 그 중 3D 레이저 스캐너(갈바노미러)를 적용한 장비들이 출시되고 있다. 갈바노미러를 적용한 레이저 스캐너 시스템은 다양한 작업을 쉽게 운용할 수 있으며 레이저 빔을 반사시켜 2차원 평면으로 위치시키는 2개의 미러와 함께, 초점 렌즈의 위치를 조절하여 Z-축의 초점길이를 조절하는 자동초점장치로 구성되어 3차원 가공을 가능하게 한다. 현재 시중에 판매되는 3D 스캐너 시스템은 성능은 우수하지만 스캐너 시스템과 장비의 축이 분리되어 운용되는 경우가 많다. 이러한 분리는 시스템 구동 중에 오차를 발생시키거나 제어를 어렵게 하는 문제가 있다. 본 연구에서는 확장된 하나의 컨트롤러를 이용하여 스캐너와 장비를 함께 운용해서 보다 효율적인 가공을 가능 하도록 하는 통합시스템을 구현할 수 있도록 레이저 스캐너용 자동초점장치를 제안 하고자 한다. 제안하는 자동초점조절장치는 코일의 자기장을 이용하여 구동되는 Voice Coil Motor(VCM)가 사용되었다. VCM은 스텝모터(step motor)에 비하여 구조가 간단하며 빠른 응답성과 정밀한 분해능을 갖는다. 또한 중공형 VCM을 이용하면 레이저 빔과 VCM의 중심이 같은 축 상에 놓이게 됨으로써, 구동력의 중심과 운동방향의 중심이 일치하여 제어에 용이하다는 장점이 있다. 본 연구에서는 여러 VCM의 형태 중에서 상대적으로 가볍고, 감도가 좋은 장점을 가지고 있는 코일 이동형 방식 VCM을 사용하였다. 산업계에서 사용되는 레이저 가공 장치는 f-theta 렌즈 이후의 레이저 빔의 초점거리가 100 mm 이상이 되고, Z축의 변화(Working Volume)가 4 mm이상이 되어야 한다. 이를 위하여 제안된 초점장치는 3D 레이저 가공기 통합시스템의 사양을 충족시킬 수 있도록 구동 렌즈의 행정거리를 ±2 mm로 설정하였고 다구찌 기법 (Taguci method)으로 최적화 하였다. 전자기장 해석을 위해서는 Ansoft Maxwell 2D & 3D 시뮬레이션을 사용하여 설계를 모델링 하였다. 설계결과를 확인하기 위해서 가우스미터(Gauss Meter)를 이용하여 자기장을 측정하였고, 제어 실험으로 모터 구동을 파악하고 설계에 대한 타당성을 검증하였다. 최종 설계 완료 후, VCM 자동초점장치를 제작 하였으며 제어기(Power PMAC), 레이저 도플러 진동계 (LDV, Laser Doppler Vibrometer), Beam profiler 실험을 통해 성능 검증을 실시하였다. 레이저 센서를 통하여 측정된 아날로그 신호를 자동제어기를 이용하여 디지털신호로 변환하여 폐루프 제어를 실시하였으며, 오차를 보상하여 명령하는 위치에 렌즈가 위치하도록 하는 제어 알고리즘을 구축하여 목표한 렌즈 이송 거리와 속도를 실험결과를 통하여 검증하였다. 또한, Beam profiler 실험을 통해 자동초점장치가 구동되는 동안 전 구간에서 레이저 중심의 위치변화를 측정하였다. 성능 검증 결과 ±2 mm 행정거리, 2 μm 분해능을 가지는 것을 확인 하였다. 이 수치는 목표하는 수치를 만족하는 사양이며 레이저 가공이 유효하다고 생각되는 레이저 초점 깊이를 만족시키므로 레이저 스캐너 가공에 적용 가능하다고 판단할 수 있다. 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.