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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.19 No.8 pp.43-49
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2020.19.08.043

A Study on the Development of a Cantilever & Swing-Type Fast
Tool Servo with Rotational Moment Hinge Design

Seung Jun Lee*, Jae Ho Jeong**#
*Industrial Liaison Innovation Cluster, Pusan National
UNIV
**Kyungnam College of Information & Technology
#Corresponding Author : jungjh@eagle.kit.ac.kr Tel:
+82-51-320-2936, Fax: +82-51-320-1595
13/04/2020 02/07/2020 06/07/2020

Abstract


The growth of the AR/VR market due to the advent of the 4th Industrial Revolution
begins with the development of the display industry. The development of OLED and
flexible displays is further accelerated by the development of R2R technology.
Micro-processing technology using a fast tool servo (FTS), the core technology
in R2R processes, is making technological progress in increasingly diverse ways.
This paper proposes a method to develop an FTS for horizontal driving and
presents this method through experiments and analyses. To develop a swing-type
FTS based on a seesaw motion, a rotational moment hinge structure was designed
for each type, and research was conducted to determine an effective design
method. A cantilever-based swing-type FTS was developed in two variations: one
with single-side hinges and another with dual-side hinges. The parameters in the
design of the swing-type FTS are rotational moment, natural frequency, and
material selection. In conclusion, an FTS with a single-side hinge demonstrates
the high performance required for micro processing.



회전모멘트 힌지 설계에 따른 캔틸레버형 횡방향 구동 Fast Tool Servo 연구 개발에 관한
고찰

이 승준*, 정 재호**#
*부산대학교 부품소재산학협력연구소
**경남정보대학교 기계계열

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    근래에 비약적인 시장 성장과 기술의 발전을 이 루고 있는 AR·VR 산업은 4차 산업 혁명 시대의 도래에 따른 IoT 및 IT 기술과 최첨단 플랙서블 디스플레이 기술 발전의 총체적 결과물이다.

    4차 산업 혁명 기술의 발전에 따라 OLED를 기 반으로 한 플랙서블 디스플레이 산업의 중요도는 더욱 증대되고 있으며 2020년에 들어선 현재 새로 운 패러다임을 맞이하고 있다[1]. Display 기술의 발전 트랜드는 2030년까지 AR·VR 산업 핵심 기 술인 3D Display 시장의 증가로 Flexible 과 OLED(Organic Light-Emitting Diode)의 수요가 급 격히 늘어날 전망이다. 이러한 미래지향적 기술과 산업을 위해 미세패턴 가공기술은 중요한 핵심 기 술 중 하나이다. Display 제품의 핵심부품 중 하나 인 Back Light용 광학필름은 Roll to Roll 공정에 의해 대량 생산되며 필름의 광효율은 패턴의 크기 와 형상에 따라 좌우된다. 이러한 패턴의 크기와 형상은 금형인 Master Roll 표면에 정밀패턴인쇄 기술을 이용하여 만들어 진다. 롤금형은 Ni-P도금 으로 표면처리 된 고경도 황산동을 주로 활용한 다. 롤금형의 정밀패턴인쇄 기술은 오늘날 레이저 기반 가공기술을 이용하기도 하지만 고정밀을 요 구하는 디스플레이 산업에서는 아직도 형상정밀도 에서 우위에 있는 기계기반 절삭가공 시스템을 사 용하고 있다. 프리즘 패턴은 다이아몬드 툴을 이 용한 선삭으로 가능하나 웨이브 패턴 또는 3D 패 턴에는 Fast Too Servo(FTS)가 사용된다.

    Fig. 2는 FTS를 이용한 롤금형 패터닝 공정의 개념도이다. 롤금형가공기는 선반의 축을 기본으 Fig. 2 The roll mold suface texturing process using ultra-precision lathe with FTS[3] 로 사용한다. 하지만 FTS는 산업의 응용도에 따라 축의 방향이 각각 다르게 표현되므로 여기서는 쉬 운 이해를 위해 FTS의 가공 툴을 기준으로 F(정 방향), H(횡방향), V(수직방향)으로 설명하겠다.

    4차 산업 혁명으로 더욱 고난이도의 3D패턴이 요구되어지고 있어 깊이(상/하) 방향으로의 진동에 따른 형상에서 나아가 횡(좌/우)방향으로의 진동에 따른 패턴도 활용도가 높아지고 있다. 따라서 횡 방향 진동을 위한 FTS 개발은 디스플레이 산업 외에도 광학렌즈를 포함한 기능성 표면 시장에 중 요한 기술적 요소라 할 수 있다[4].

    Fig. 3은 삼각 다이아몬드 툴을 체결한 횡방향 FTS를 이용하여 가공하는 프로세스와 패터닝 된 제품을 예시로 보여준다. 횡방향 진동 FTS의 개발 방안은 여러 가지가 있으나 우리는 지렛대 원리를 이용한 시소운동의 Swing type FTS 개발에 집중하 였다. 시소운동을 응용하기 위해서는 모멘트 축이 있어야 한다. 모멘트 축은 단순하나 치수적 안 정성이 우수하고 운동범위가 넓으며 강성이 강한 Notch type(노치)힌지를 선택하였다. 노치힌지는 유연성과 스프링 복원력도 좋아 모멘트 축으로 활 용하기에 적합한 모델이다[5]. 힌지를 중심으로 진 동하는 Swing type FTS를 개발하기 위해 대표적으 로 두 가지 타입의 구조설계를 진행하였다. 원하 는 변위를 위한 설계를 거쳐 제작하고 실험과 측 정을 통해 성능을 비교하였다. 본 논문은 그동안 연구했던 Swing type FTS의 두 가지 힌지 구조에 대한 성능의 차이점에 대한 원인을 이론적으로 분 석하고 해석을 통해 증명하는 고찰이다.

    2. 개발 및 실험

    2.1 이론적 배경

    Swing type FTS 개발은 지렛대 원리를 이용한 시소운동을 기반으로 설계하였다. 지금까지 지렛 대 원리를 응용한 다양한 구동 메커니즘을 개발하 였으며 주로 초정밀 나노스테이지 연구에 활용되 는 대표적인 기술이다[6,7]. 이러한 지렛대 원리를 FTS 횡방향 진동 메커니즘에 응용하여 노치힌지 를 중심점으로 시소 운동하는 캔틸레버형 모델을 고안하였다.

    캔틸레버 구조는 지지점의 위치에 따라 처짐 현 상이 발생하고 진동시 내적요인이 가중되는 문제 점이 있다. 따라서 설계의 기본 개념은 지지점의 위치를 고려하여 Fig. 4와 같이 직삼각형과 직사 각형 지지타입으로 나누었다. 시소회전 중심의 힌 지(h1)로 고정되는 기점(P3)에서 p의 예압에 의해 고정되는 지점(P1)까지의 거리(dp)와 툴의 끝 지점 까지의 거리(dt)를 1:1로 지정하였고 이는 두 타입 모두 동일하다. 구동 메커니즘은 PZT(납 티탄산 지르코늄)압전소자에 전압을 인가하여 p에 하중 (F)이 부가되면 증폭량 만큼 P1이 이동하게 된다. 이때 h1을 중심으로 모멘트가 작용되고 툴은 PZT 가 인가한 힘의 반대 방향으로 이동한다. PZT가 압축할 때 스프링(s)에 의해 원점으로 복귀한다. 이를 한 주기로 파형신호를 보내면 진동을 반복하 게 된다. (a)는 모멘트 축을 형성하는 h1으로 고정 되는 P3p에 의해 고정되는 P1 그리고 s에 의해 고정되는 P2로 다소 불안정한 직삼각지지형 구조 이다. 정삼각 지지형으로 안정적인 구조로 설계하 려면 캔틸레버 중심에 상, 하로 힌지를 설계하여 야 하는데 이는 제작에 있어서 많은 어려움이 있 다. 하여 이를 보완하기 위해 h1의 반대면에 힌지 (h2)를 추가하여 고정점 P4를 설계한 사각구조의 지지점을 가진 (b)타입을 고안하였다. 하지만 이 타입은 회전에 대한 구조적 문제점을 안고 있다. PZT가 구동하면 P3를 중심으로 회전 모멘트가 인 가되는데 그 반대 지점인 P4는 변형되는 양만큼 P5로 원주를 그리며 이동한다. 이때 (a)는 P3의 회 전모멘트에 의해 P4에서 P5로 이동이 자유로운 반 면 (b)는 h2의 구속에 의해 P5로의 이동에 제약이 있을 것으로 예상된다. 이러한 현상은 단단한 재 질일수록 심화된다. 그러나 본 연구에서 사용할 재질은 스테인레스 합금(STS304)으로 유연성과 복 원성이 우수하다. 그러므로 앞에서 언급한 구조적 인 문제점은 크지 않을 것으로 예측되어 내구성에 서 유리한 직사각의 지지형(b)으로 개발하고자 하 였으나 두 가지 타입을 모두 제작하여 비교 실험 을 통해 검증하고 결과에 대해 원인 분석 및 고찰 하였다.

    2.2 주파수응답특성 실험

    앞서 설명하였던 이론적 배경을 바탕으로 1개의 힌지로 구성된 Single-side hinge(S)타입과 Dual-side hinges(D)타입을 Fig. 5과 같은 제원으로 설계하여 제작하였고 400Vpp 전압을 인가한 상태에서 25㎚ 급 정전용량형 갭센서를 이용하여 주파수응답특성 실험을 하였다.

    결과는 Fig. 6과 같이 나타났으며 S타입이 D타 입보다 약 2.3배 변위가 큼을 알 수 있다. 이는 모 멘트가 발생하는 힌지의 상호관계에 따른 결과로 예측된다. 즉, 두 개의 힌지 구조는 서로 다른 모 멘트 점의 위치를 소유하고 있다. 따라서 구동시 서로의 모멘트 구동으로 인해 각 힌지의 운동을 방해하는 것으로 사료된다[8]. 메커니즘 설계자들은 장비의 무게를 줄이고자 흔히 타공을 디자인한다.

    특히 FTS는 미세진동을 기반으로 하므로 고유진 동수에 민감하다. 고유진동수는 장비의 무게와 연 관성이 있어 캔틸레버 타입 구조물의 무게를 줄이 고자 Fig. 7와 같이 중간에 타공을 디자인한다.

    하지만 이는 오히려 고유진동수에 더욱 민감하 게 만든다. 이는 이미 선행연구를 통해 증명되었 으며 제작하여 주파수응답특성 실험한 결과를 Fig. 8에서 보여준다. Fig. 7과 같이 직사각 지지형 인 D타입 이지만 주파수 3kHz에서부터 고유진동 이 점차 증가됨을 확인하였다[9,10].

    본 실험은 4kHz 조건에서 가공하였으므로 타공 형상의 구조물의 경우 변위가 증폭되어 시스템의 불안이 예상되어 적용하지 않았다.

    2.3 가공 실험

    주파수응답특성 실험을 통해 D타입보다 S타입 의 변위가 더 큼을 알 수 있었다. 하지만 현장에 서는 변위의 효율성이 높다하여 무조건 사용되지 않는다. 금속을 가공하는 공정에 적합하려면 구조 물의 안정성과 절삭력이 뒷받침되어야 한다. 그러 므로 두 가지 타입 모두 제작하였으며 한국기계연 구원(KIMM)에서 개발한 초정밀 롤금형가공기[11]를 이용하여 현장평가를 실시하였다.

    절삭각 90°인 다이아몬드 툴을 체결하여 사용하 였으며 Table 1의 가공조건으로 실험하였다. 실험 결과, 변위에 있어서는 두 타입 모두 주파수응답 특성 실험에서 보여줬던 결과 값과 유사하였다. 이는 두 모델 모두 강성 및 절삭력에서는 큰 차이 가 없다는 것을 보여준다. 하지만 Fig. 10을 통해 알 수 있듯이 형상정밀도에서 S타입은 정형적 사 인파형으로 부드럽게 가공되는 반면 D타입은 거 칠고 부자연스러운 모습을 보여준다. 결국 시소운 동의 모멘트 중심축을 이루는 두 힌지가 마주 봄 으로써 간섭에 의해 서로를 구속하는 조건이 된 것으로 사료된다[12,13].

    3. 해석 및 고찰

    3.1 유한요소 해석

    두 타입의 차이점에 대해 지금까지의 연구를 기 반으로 유한요소 해석을 통하여 결과와 비교하였 다. 제작을 위해 설계된 치수대로 3D모델링을 하 였고 0.4㎜의 메쉬로 분할하여 힘이 가해졌을 때 의 정적구조 변화를 해석하였다. 입력한 물성치는 제품과 같은 STS304의 물성치이다.

    제품으로서의 성능은 툴의 변위에서 최종적으로 결정되므로 Fig. 11과 같이 PZT의 증폭된 힘이 가 해졌을 때 툴의 끝점이 약 6㎛ 이동할 수 있는 힘 을 찾아보았다. S타입은 100N, D타입은 200N으로 D타입이 S타입 보다 2배의 힘이 필요하였다. 이것 은 주파수응답특성 실험 결과에서 확인한 변위의 차이점과 연관된다. 두 타입 모두 툴 끝점 변형값 이 유사하게 나올 수 있도록 PZT 힘을 설정하여 해석한 결과는 Fig. 12와 같다. S타입은 설계의 의 도대로 h1에서 모멘트 축(O)이 형성되는 반면 D 타입은 h2에서 O가 형성되었다. 특히 툴 끝점이 두 모델 모두 동일한 값의 이동이 필요하다면 PZT의 힘은 S보다 D가 2배의 힘이 필요하였으며 p의 변형도 2배가 되어야 한다.

    3.2 이론적 고찰

    캔틸레버형 횡방향 구동 FTS의 개발에 있어서 제작 및 실험과 해석을 통하여 두 모델간의 차이 점을 확인하고 검증하였다. 앞에서 나열한 두 모 델의 결과에 대한 원인은 근본적으로 힌지(h1, h2) 설계에 따른 구동 메커니즘의 차이에 있다. 이는 캔틸레버의 굽힘모멘트 이론에서 근거를 찾을 수 있는데 Fig. 13은 설명을 위한 개념도이다.

    (a)는 힌지 하나로만 지지되는 타입으로서 p지 점에 힘(F)이 가해지면 h1을 회전축(O)으로 모멘트 (M)가 형성되므로 H F 의 벡터방향으로 길게 형성 된다. 이때 거리 L = L’ 이고 최대굽힘모멘트 지 점은 p’이므로 보의 두께를 고려한 S 타입의 최대 굽힘모멘트(Mmax)는 아래의 식과 같이 나타낼 수 있다.

    M m a x = ( F · L · 2 ) / cos θ
    (1)

    또는

    M m a x = ( F · ( L + L ) ) / cos θ
    (2)

    (b)는 마주보는 힌지 두 개(h1, h2)로 지지됨으로 써 h1을 중심으로 M가 형성되지 못하고 고정점 h2 에서 M’가 형성되고 H F 의 벡터는 h2에서 묶여버 린다. 이로써 최대굽힘모멘트의 거리는 반(L)으로 줄어들게 되고 θ는 S 타입 보다 미세하게 커지게 된다. 그러므로 D 타입의 최대굽힘모멘트 (M’max)는 다음의 식으로 나타낼 수 있다.

    M max = ( F · L ) / cos θ
    (3)

    두 타입 모두 PZT에 주어진 힘(F)과 보의 두께 (W)가 같으므로 최대굽힘모멘트의 차이는 거리(L, L’)와 비율인 θ에 따라 결정된다. 이러한 원리로 S 타입이 D 타입 보다 두 배 정도의 적은 힘으로 같은 변위의 성능을 낼 수 있는 것이다.

    가공 실험 결과(Fig. 10)와 유한요소 해석 결과 (Fig. 12)에 대한 설명은 설계에 따른 벡터의 변화 로 설명 가능하다. S 타입(a)은 지지점(h1)이 하나 로서 회전축을 기준으로 모멘트가 작용하고 반면 D 타입(b)은 힌지(h1, h2) 두 개로 고정되어 있음으 로서 힘(F)에 의한 벡터( H F )가 고정되어 있는 반 대편 힌지(h2)로 향하게 된다. 유연힌지의 소재에 따른 물리적 특성과 설계적 요소에 의해 회전축이 h2로 이동을 하게 되고 M’가 형성되게 된다. 이렇 게 서로의 간섭으로 인해 회전축이 h1h2가 번 갈아 가며 회전축이 된다. 이러한 원리로 정형파 가 아닌 각진 사인파형이 형성되게 되는 것이다. D 타입은 소재의 물성치에 상당한 영향을 받는다. 만약 고강도, 고경질의 소재로 제품을 만들어 구 동을 시키면 PZT가 오히려 파손되고 메커니즘은 아예 작동을 하지 않을 것이다.

    4. 결론

    지금까지 캔틸레버형 횡방향 FTS의 힌지구조에 따른 제작 및 실험으로 두 모델간의 성능을 파악 해 보았고 해석을 통해 실험값이 틀리지 않았음을 확인하였으며 이론적 고찰을 통해 원인을 분석하 였다. 이에 따른 결론을 요약하면 다음과 같다.

    1. 시소원리를 이용한 캔틸레버형 구동 메커니즘을 설계할 때는 모멘트 축을 하나로 하는 것이 용의 하다.

    2. 만약 구조적인 안정감을 더 중요시하여 두 개의 힌지로 설계를 할 경우는 모멘트 축이 서로 간섭 받지 않게 구성하여야 하고 소재 선정에 신중하 여야 한다.

    3. 캔틸레버형 구조 설계시 무게를 줄이기 위해 타 공을 고안하는 것은 자칫 고유진동수에 민감한 디자인이 될 수 있으므로 신중을 기해야 한다.

    Figure

    KSMPE-19-8-43_F1.gif
    History of display industry[1]
    KSMPE-19-8-43_F2.gif
    The roll mold suface texturing process using ultra-precision lathe with FTS[3]
    KSMPE-19-8-43_F3.gif
    Micro machining process using the horizontal type FTS
    KSMPE-19-8-43_F4.gif
    Motional mechanism of (a)right triangular support type with single-side hinge and (b)rectangular support type with dual-side hinges
    KSMPE-19-8-43_F5.gif
    Defaults of design according to types
    KSMPE-19-8-43_F6.gif
    Graph of frequency response characteristics
    KSMPE-19-8-43_F7.gif
    Hall design to light in weight of structure
    KSMPE-19-8-43_F8.gif
    Frequency response characteristics of swing type FTS designed hall[9]
    KSMPE-19-8-43_F9.gif
    Machining test using the ultra-precision lathe
    KSMPE-19-8-43_F10.gif
    Machining test results by swing FTS types
    KSMPE-19-8-43_F11.gif
    Input force for static structure analysis
    KSMPE-19-8-43_F12.gif
    Results of static structure analysis
    KSMPE-19-8-43_F13.gif
    Driving mechanism by swing FTS types

    Table

    Experimental conditions in machining test

    Reference

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