초정밀 가공기는 높은 형상 정도를 필요로 하는 광학 부품이나 광학 부품용 금형가공을 목적으로 하여 많은 연구 개발이 이루어져 왔다. 이러한 초정밀 가공을 필요로 하는 공작물에는 형상 정도가 P-V값 0.1μm 이하의 요구도 있고, 공작물의 가공에서 형상 측정 및 형상 오차의 보정가공까지 일관된 시스템이 필요하다. 광학 금형의 가공에서는 미리 주어진 형상식에서 NC 프로그램을 작성하고, 절삭 또는 연삭가공 실시 후, 형상 측정을 하는 설계값에 대한 오차를 해석한다. 그 후 보정가공용 NC 프로그램을 작성하고, 보정가공을 하여 목표의 형상을 얻는다. 그렇게 하기 위해 초정밀 가공을 할 때는 교정된 측정기를 이용하여 형상 측정을 하고, 공작물의 형상을 보증할 필요가 있다. 이것으로부터 초정밀 가공에서는 가공기의 운동 정도 외에 공작물의 형상을 정확히 측정하는 것이 중요하다.
공작물의 형상 측정 시에 가공기에서 떼어진 공작물은 보정가공을 위해 가공기에 다시 설치된다. 이 때의 측정기 및 가공기에 대한 설치 오차가 측정 오차나 가공 오차로 이어지는 문제가 있다. 또한 코스트 면에서는 이들 세팅 작업의 시간을 단축하고, 생산성을 높이는 것이 요구된다.
동사에서는 ‘초정밀 비구면·자유곡면 가공기 나노애스퍼’ 시리즈를 개발, 초정밀 가공의 요구에 대응해 왔다. 이들 가공기에는 공작물을 주축으로 유지한 상태에서 형상 측정이 가능한 기상 계측장치가 부속되어 있으며, 고정도의 형상 측정과 해석 결과에 근거한 보정가공이 가능하다. 여기서는 초정밀 비구면·자유곡면 가공기의 일례로서 그림 1에 나타내는 초정밀 5축 가공기 ‘나노애스퍼 ASP01UPX’를 들어, 초정밀 가공기와 가공기에 탑재된 기상 계측장치의 특징에 대해서 설명한다. 또한 축대칭 비구면 형상의 가공 시에 기상 계측장치를 사용한 보정가공에 대해서 보고한다. 

▲그림 1. 초정밀 5축 가공기 ‘나노애스퍼 ASP01UPX’

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초정밀 5축 가공기의 구성과 기상 계측장치의 구조

1. 초정밀 가공기의 구성
그림 2에 초정밀 5축 가공기의 구조를 나타내고, 주된 사양을 표에 나타냈다. 축 구성은 2축 정밀 선반에, 2축에 직교하는 직동 1축을 추가한 직교 3축의 구조로 했다. 또한 절삭공구의 선회축으로서 사용하는 B축을 구비하고, 공작물을 유지하는 주축은 무한 회전 모드에 더하여 각도 제어가 가능한 C축으로서 사용할 수 있다. 직동축의 안내면에는 유정압 슬라이드를 채용했다. 유정압 슬라이드는 안내면과 가동하는 베어링의 미소한 틈새에 고압의 윤활막이 개재하는 안내기구로, 스틱 슬립이라고 불리는 마찰과 고착의 간헐 운동이 발생하지 않는다. 그렇기 때문에 나노미터 오더의 위치결정이 쉬워진다. 구동원으로는 속도 변동이 작고 고속 구동이 기대되는 리니어 모터 구동을 채용하고 있으며, 저속 이송에서 고속 이송까지 폭넓은 속도역에서 가공이 가능하게 된다. B축에는 직동축과 마찬가지로 유정압 베어링을 이용하여 다이렉트 드라이브의 AC 서보 모터를 조합하고, 주축에는 공기정압 베어링과 AC 서모 모터를 채용했다. 또한 절삭공구의 날맞춤에 사용할 수 있는 현미경도 설치했다. 이들을 그라나이트 석정반 상에 설치하여 액티브 제진대에 탑재한 가공기이다.
기상 계측장치는 선회가 가능한 설치대에 고정된 상태로 X축 테이블 상에 설치하고 있다. 공작물을 가공할 때의 기상 계측장치는 공구와의 간섭을 피하기 위해 X축 테이블의 사각 구석에 수납하는 것이 가능하다. 형상 측정 시에는 설치대를 수동으로 선회시켜 측정용 프로브를 날붙이대와 평행하게 설치한다. 그렇기 때문에 공작물의 형상은 가공 시의 공구 배치와 거의 동일한 상태에서 측정이 가능하게 된다.

▲표. 초정밀 5축 가공기의 사양

▲그림 2. 초정밀 5축 가공기의 구조

2. 기상 계측장치의 구성
초정밀 가공기에 설치한 기상 계측장치를 그림 3에 나타냈다. 기상 계측장치는 0.1μm 이내의 진구도가 보증된 루비구의 측정 프로브, 에어슬라이드 및 프로브 위치검출용 레이저 홀로그램 스케일로 구성되어 있다. 에어슬라이드의 끝단에 설치된 측정 프로브는 공작물의 곡률 반경에 따라 최적의 프로브 지름인 것으로 교환할 수 있다. 이 기상 계측장치의 측정 범위는 최대 ±75°이다. 기상 계측장치의 특징으로서 가공기의 스트로크와 분해능을 이용한 계측을 한다. 그렇기 때문에 측정장치 자체는 스트로크를 필요로 하지 않으므로 소형 측정장치로 되어 있다.

▲그림 3. 초정밀 가공기에 대한 기상 계측장치의 조립 예
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보정가공의 대상으로 하는 축대칭 비구면 형상

구면만으로 구성된 렌즈에 의해 집속된 광속은 수차에 의해 상이 열화한다. 종래에는 수차의 영향을 작게 하기 위해 요철 렌즈와 굴절률이 다른 재료를 조합하여 수차를 절감하는 대응을 하고 있었다. 그러나 렌즈의 구성 수가 많아져 광학계의 사이즈 업과 코스트에 과제가 있었다. 그렇기 때문에 렌즈를 비구면 형상으로 설계하여 수차의 영향을 적게 하고 있다. 공작물이 축대칭 형상인 경우, 공작물의 가공면은 다음의 축대칭 비구면 형상식으로 나타낼 수 있다.

여기서, Z : 광축 방향의 좌표(mm), X : 광축과 수직 방향의 좌표(mm), K : 원뿔계수, C : 곡률반경의 역수(mm^-1), C_n : 비구면계수를 나타내고 있다. 이 초정밀 가공기에서는 식 (1)에 나타낸 축대칭 비구면 형상에서 NC 프로그램, 형상 측정, 오차 해석, 보정가공용 프로그램의 작성이 가능하다.

‌기상 계측장치의 측정 원리와 재현성

1. 측정 원리
공작물의 형상 측정은 모방 방식에 의해 한다. 수동 핸들로 Z축을 움직여 측정 프로브를 공작물 표면에 접촉한 후, 일정량의 압입을 주어 측정에 예압을 더한다. 그 후, 측정용 NC 프로그램을 실행한다. 측정 중인 가공기는 X축에 의한 공작물 표면의 주사에 맞춰 기상 계측장치의 측정 프로브가 설치된 에어슬라이드의 스케일 검출 좌표가 변화하지 않도록 Z축이 공작물의 요철에 맞춰 자동적으로 추종한다. 이것에 의해 측정을 하는 공작물의 형상은 에어슬라이드의 스트로크에 제한을 받지 않는다. 측정은 주사 방향의 X축 좌표, 형상을 모방하여 전후하는 Z축 좌표의 각 수치 데이터가 NC에 포함되어 측정 파일로서 보존된다.
그 후 Ethernet으로 접속된 노트북 퍼스널컴퓨터 해석 프로그램에 데이터를 전송하고, 형상 해석을 한다. 해석 프로그램에서는 측정된 좌표 데이터와 프로브 지름의 정보 등으로부터 공작물과의 접촉각을 산출하여 공작물의 형상 해석을 한다. 이 해석 프로그램에 비구면 형상식의 파라미터를 입력함으로써 형상 오차를 해석하는 것이 가능하고, 공구 반경 등의 정보를 입력함으로써 가공용 프로그램을 작성하는 것이 가능하다. 형상 해석에서는 형상 정도의 P-V값 해석 외에 공구의 심어긋남량, 공구 지름의 어긋남을 해석하고, NC 프로그램의 생성에 사용하는 파라미터의 보정을 파악하는 기능도 갖고 있다.

2. 마스터구의 측정 재현성
기상 계측장치에서는 측정 정도를 높이기 위해 트레이서빌리티가 잡힌 마스터구를 측정하고 측정 프로브의 교정을 한다. 즉, 마스터구의 측정 재현성 높이가 기상 계측장치의 정도를 나타내기 때문에 연속 측정을 하여 기상 계측장치의 평가를 한다. 구경 2mm의 마스터구를 구경 0.5mm의 측정 프로브를 이용하여 연속 5회의 형상 측정과 해석을 하여 각 각도에서 표준편차를 산출하고, 3σ를 구한 결과를 그림 4에 나타냈다. 경사가 급한 면은 형상 측정이 어렵고 재현성을 얻기 어렵지만, 측정 재현성이 높고 ±75°의 범위에서 형상 측정의 3σ는 최대 27nm이 됐다. 이 결과로부터 기상 계측장치의 형상 재현성은 양호하며, 고정도의 측정을 실현하고 있다고 할 수 있다.

▲그림 4. 기상 계측장치의 측정 재현성

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기상 계측장치를 이용한 보정가공의 예

여기서 기상 계측장치를 이용한 보정가공의 실례를 든다. 무전해 Ni-P 도금의 공작물에서 직경 30mm, 곡률반경 30mm, 형상 정도 0.1μm의 비구면 형상을 얻기 위해 단결정 다이아몬드의 공구를 이용하여 절삭가공을 했다. 그림 5 (a)에 1회째의 가공한 후에 기상 계측장치를 이용하여 형상 측정과 해석을 한 결과를 나타냈다. 형상 정도는 P-V값 0.13μm
가 되고 목표 형상 정도에 도달해 있지 않는다. 공구 반경의 어긋남량을 해석한 결과, 공구 반경으로서 주어진 값이 실제 공구 반경보다도 18μm가 큰 값이라는 것을 알 수 있었다. 또한 공작물 중심과 공구 중심에 대해서도 0.7μm의 어긋남이 있다는 것을 알 수 있었다.
이들 해석 결과를 이용하여 보정가공용 NC 프로그램을 작성하고, 보정가공을 했다. 그림 5 (b)에 보정가공 실시 후에 한 형상 측정과 해석 결과를 나타냈다. 형상 정도는 P-V값 0.06μm가 되고, 이번에 목표로 한 형상 정도 0.1μm를 달성할 수 있었다. 1회째의 가공에서는 목표 형상 정도에 도달하지 못해도 기상 계측장치를 사용한 형상 측정과 해석 및 보정가공의 실시에 의해 정도를 달성할 수 있다는 것을 나타냈다.

▲그림 5. 보정가공 전후의 공작물 형상 정도

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초정밀 가공기와 기상 계측장치의 실례를 들어 특징을 설명했다. 동사의 기상 계측장치는 고정도의 유정압 안내와 고분해능 스케일을 이용한 소형 장치이면서 장치의 스트로크에 제한을 받지 않는 고정도 형상 측정이 가능하다. 이번에 보정가공의 실례를 나타내고, 형상 측정과 보정가공에 의해 0.1μm 이하의 형상을 얻을 수 있는 것을 나타냈다. 이것으로부터 초정밀 가공에서 기상 계측은 효과적이라고 할 수 있으며, 초정밀 가공에 반드시 필요하다고 할 수 있다.
초정밀 가공 분야는 지금까지 광학 부품용 금형뿐만 아니라, 자동차용 조명 부품의 금형 등 대형 금형가공으로 확대되고 있으며, 앞으로 점점 더 수요의 확대가 기대된다. 기상 계측장치에서도 이들 초정밀 가공의 수요로부터 정밀 측정과 보정가공의 중요도가 증가해 갈 것으로 생각되며, 시대의 요구에 대응한 개발과 제공을 추진해 간다.

히로세 토모히로 (廣瀬 智博)   (주)不二越