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1 한국정밀공학회지제 00 권제 00 호 (2003 년 0 월 ) Journal of the Korean Society of Precision Engineering Vol. 00, No. 0, April Conoscopic Holography 를이용한 3D Burr 측정기술개발 박상욱 *, 고성림 # Development of 3D Burr Measurement Technique using Conoscopic Holography Sang-Wook Park *, Sung-Lim Ko # ABSTRACT Generally, for the burrs formed in machining are irregular and very sharp in shape, it is usually very difficult to measure burr accurately. But, it is proved that precision measurement for micro burr using the conoprobe sensor by conoscopic holography method is possible. We developed 3D burr measurement system using this sensor. The system is composed of Conoscopic laser Sensor, X-Y table, controller and 3D measurement program. Some measurements using the developed system are applied to burrs formed in micro drilling and piercing. Key Words : Burr Measurement ( 버측정 ), Coherent light( 가간섭광 ), Conoscopic holography ( 코노스코픽홀로그래피 ), Interferometry method ( 간섭법 ), Laser spot size( 레이져스폿크기 ) 1. 서론 Burr 는전단또는절삭가공시소성변형에의해생기는원하지않는부분으로가공물의정밀도에큰영향을미친다. 이러한버를효율적으로제거하기위해서는적절한제거방법을알아야하고, 이를알기위해서는버의정확한측정이선행되어야한다. 하지만버는매우작고날카롭기때문에정확한형상측정이어렵다. 따라서보다효율적인측정기술개발이필요한것이다. 형상측정은방법에따라비접촉식과접촉식으로나뉜다. 하지만, 접촉식측정방법으로하이트게이지를사용할경우얇고연성인버의변형을가져오기때문에이러한측정법은미소한버 측정에는바람직하지않다. 따라서미소버를측정하기위해서는비접촉식측정방법이주로사용되는데 1 이러한측정방법에는레이저를광원으로이용한광삼각법, Conoscopic holography method 와백색광을이용한간섭법 (interferometry method) 등여러가지방법들이있다. 2 이중버측정에있어가장효율적인것은 Conoscopic holography method 로 3 이방법은비가간섭성광을사용하고또한랜즈교환만을통해 Laser spot size 를수 µm 까지줄일수있다. 4 이러한특징은미소버측정시가장큰제약요소인에지부분에서의난반사와매우얇은버두께로부터구속받지않게하여정밀한측정이이뤄질수있도록해준다. 따라서이러한장점을가진 Conoscopic 센서를이용한버 2003 년 5월 12 일접수 * 건국대학교대학원기계설계학과 # 교신저자, 건국대학교기계설계학과 Tel. (02)

2 측정시스템개발에타당성이있는것이다. 보다효율적이고정밀한측정을위해 XY_table 을제작하고여기에센서를달아구동할수있는제어프로그램과버측정전용해석프로그램을 Visual C++ 의 MFC 로개발하였다.. 본연구에서는 Conoscopic 센서의특징과개발된시스템의유용성을설명하고실제로측정된버를 3D 로표현하여그형상을분석하였다. 또한마이크로버의측정예로서보다효율적인미소버측정방법을제시하였다. 2. Conoscopic holography 의특성 전통적인홀로그래피에서간섭무늬는가간섭광 (coherent light) 을사용하여기준면에서반사된빔 (reference beam) 과물체에서반사된빔 (object beam) 의광경로차에의해서형성된다. 이두개의빔은같은속도로진행하지만, 서로다른경로를지난다. 하지만, Conoscopic holography 에서는 reference beam 과 object beam 을복굴절체 (birefringent medium) 를통과하는하나의빔의요소인정상광선 (ordinary) 과이상광선 (extra-ordinary) 으로대체하고, 이빔은자연적으로가간섭광이되어홀로그램을만들수있게한다. 이것은측정시스템의안정성문제를해결할수있고, 가간섭광원이아닌광원으로도홀로그램을만들수있게한다. 5, 6 Conoscopic module 은두개의원형편광기와그사이에단축성물질인크리스탈, 그리고 CCD 로이루어져있음을 Fig.1 로부터알수있다. 첫번째편광기에서는반사되어온빛을서로수직하 는두개의요소로나누고, 선택투과시킨다. 투과된빛은단축크리스탈에서서로다른속도로, 즉서로굴절하는정도가틀린빛으로진행하게된다. 두번째편광기에서는서로다르게굴절된정상광선과이상광선을합쳐준다. 그리고굴절의변화에따른속도변화가두광선의위상차이를만들고, 간섭무늬가나타나 CCD 에기록된다. CCD 에기록된동심원형태의간섭무늬는간섭주기에따른동심원의반경을측정함으로써측정대상의높이를계산한다. 6 Conoscopic holography 에서는 Fig.2 에서보는바와같이대물렌즈를측정대상물체의크기에따라서다양하게선택할수있고, 비가간섭성광을사용하여난반사가잘일어나지않으므로날카로운에지부분측정도가능하다. 본실험에서는초점거리가 16mm, 25mm 인렌즈를사용했고, Optimet 사의 Conoprobe Sensor 를사용했다. 실험에사용된각센서의사양은 Table1 에나와있다. Object Objective Lens Adaptation objective Laser diode Shaping Objective Computer Conoscopic Module Control box CCD sensor Fig. 2 Measurement System of Conoscopic Holography polorizer crystal polorizer Sensor Table 1 Specification of Sensors 4 Spot size Working range Absolute accuracy Object R.i: incident ray R.o: ordinary ray R.e: extraordinary ray N: normal to the crystal Fig. 1 Schematic Illustration of Conoscopic Module 6 R.i air cry stal R.o. R.e. Standard High Definition 25mm 22µm 1.8mm <3µm 16mm 11µm 0.6mm <2µm 25mm 6µm 0.65mm <1µm 16mm 3.5µm 0.20mm <0.5µm

3 3. Burr Measurement System 개발 버측정시스템은센서와 X-Y table, 센서와모터구동을위한컨트롤러와컴퓨터로이루어져있다. 버형상의 2 차원및 3 차원측정을위하여 step motor 를이용한 XY table 을구성하고, X-Y 방향으로의 scanning 으로측정대상의형상 raw data 를획득하고 3D 및 2D 의버형상을구현하고해석하기위한프로그램을개발하였다. 전체적인프로그램구조는 Fig.3 과같다. Optimet Sensor Motor Step Motor Motor Drive Ball screw Opimet EC-1000 (Controller) Controller PCI-7344 Interface Control box Control PC Fig. 5 Layout of Measurement System X, Y data Acquisition from input data Input Data Target Position(x,y) Step size Y, Step size X Z data Acquisition by conoprobe Motion Control Fig. 6 에서와같이센싱은 1 초동안 X 방향으로 800 번이루어지며다시제자리로돌아와임의로주어진 Y 축방향의 step 만큼이동후에다시센싱을하게된다. Y X-step A scan method Drawing data saved(.*txt) Filtering Burr volume Burr height Burr width 3D drawing Y-step Fig. 3 Structure of Burr measurement Program 3 2 Scan area Sensor 구동 System 개발 Fig.4 와 Fig.5 에서개발된측정시스템의하드웨어를볼수있을것이다. XY table 의제어와 Conoprobe 센서제어프로그램은 Visual C++ 로개발했고또한모터의제어를위한 Motion Controller 로 NI-7344 board 를사용했다 Y axis sensor Power supply Motion controller Fig. 6 Schematic Diagram of Scanning Track for Automatic Burr Measurement Fig.7 은시스템을제어할수있는다이얼로그로이창을통해측정범위와각축의 scanning 간격을결정할수있다. X-step 은거리에따라자동으로결정되며 Y-step 은임의로주어질수있다. X axis Sensor controller Fig. 4 Over View of Burr Measurement System Fig. 7 Main Window of Burr Measurement System

4 3.2 3D 버형상측정용프로그램개발 Burr 형상측정용프로그램은 Visual C++ 로제작하였다. scanning 을통해얻어진높이값을배열하여 3D 와 2D 형상을얻고, 형상측정과분석이동시에이뤄질수있도록하였다. 그기능을자세히설명하기위해측정창을 Fig.8 에나타내었다. 그기능으로우선각각의포인트의높이데이터를비교하여가장큰버의높이를구할수있도록하였다. 그다음으로좌측의 3D 그래프에서는커서를이동시켜직접눈으로확인하면서알고싶은부분의버높이를측정할수있으며, 가운데에있는입력창에 X, Y, Z 좌표를입력하면정확한위치의커서이동이가능하다. 또한그아래의입력창으로는일정높이값과드릴링구멍직경의입력의입력으로그기준면이상의높이값들을계산하여버의 volume 과두께, 그리고평균높이가자동으로계산되도록하였다. 우측의 2D 창을통해서도각좌표의높이를측정할수있으며마우스의이동을통해그아래에있는그래프창에단면형상이표현된다. 이창에서는버의높이와두께측정이가능하며앞에서계산을통해구한버두께와실제측정된값과의비교가가능하다. 개발된측정시스템의장점은버형상측정을보다효율적으로할수있다는것이며, 측정프로그램안에서버측정데이터를관리함으로써버형성최소화를위한가공조건과효율적인버제거작업을위한데이터베이스구축에도움이된다는것이다. 이를위해향후측정데이터를 DB 화하는작업이병행될것이다. 4. 버측정실험 우리가개발한측정시스템으로미소버를측정하고그결과를분석하였다. 또한, 보다정밀한측정을위해초정밀테이블인 CMM(Coordinate Measuring Machine) 에 Conoprobe 센서를부착하여 2D 단면형상을측정하여그결과를나타내었다. 4.1 미소드릴링버형상측정 Fig.9 에있는실제드릴링버를개발된측정시스템으로측정하였다. 시편은드릴링작업으로버가 1mm 이하가되도록직접제작하였다. 측정결과의비교를위해다른측정은따로수행하지않았다. ø3 Fig. 9 Burrs in Drilling ø1 먼저 Fig.10 은 ø3 드릴링버를측정한결과이다. 결과값은그림에나타나있듯이버의최고높이는 0.368mm 이고, 해석을통한버의 volume 및두께그리고버의평균높이는각각 0.43mm 3, 0.197mm, 0.287mm 이다. Fig. 8 3D Display Window of Burr Measurement System Fig. 10 Measurement of Burr in Drilling ø3 Hole

5 다음으로 ø1 드릴링버를측정한결과가 Fig. 11 에나와있다. 측정결과에서 3D 그래프의형상이실제버와차이가있는것은 Z 축의한눈금당크기가 X, Y 축에비해서매우작기때문에높이차가크게보이나실제로측정해보면그높이차는매우작음을알수있다. 하기는힘든결과이다. 이것은 Conoprobe Sensor 의측정능력의문제가아닌구동되는 XY table 의진동으로인한문제이므로만약저진동의고성능 XY table 을사용한다면마이크로버의측정도가능할것이다. 이를증명하기위해 Fig.14 에서보이듯이정밀 table 인 CMM 에 Conoprobe Sensor 를부착하여버의높이를측정하였고그결과가 Fig.15 에서와같이 11.3µm 로확인되었다. 비교를위해 Fig.16 에서볼수있듯이전자현미경촬영을하였고이를통해결과의신뢰도를확인할수있을것이다. Fig. 11 Measurement of Burr in Drilling ø1 Hole 4.2 High Definition Conoprobe Sensor 를이용한 micro 버형상측정 20µm 이하의미소버도 Conoprobe Sensor 로는정확하게측정되었다. 보다정밀한측정을위해 Standard 형이아닌 High Definition Conoprobe Sensor 를사용하였고측정시편은전자총과 ø0.5 드릴링버로그높이가수 µm 단위의매우작은버이다. Fig.12 에서그실제모습을볼수있을것이다. Fig. 13 Burr of Electron Gun Measured by Developed Measurement System Part of Electron gun ø0.5 Drilling Burr Fig. 12 Examples of Micro Burrs 우선전자총의경우개발된측정시스템으로측정한결과가 Fig.13 에나와있다. 확대해서보면가운데에버와비슷한돌출부가있다는것은알수있으나그것의높이는진동으로인해생긴옆면의돌출부의높이 (20µm 이내 ) 와비교할때신뢰 Fig. 14 Burr of Electron Gun Measured by CMM (Coordinate Measuring Machine)

6 점은현재개발된시스템의 XY table 정도향상으로곧해결될것이다. Fig. 15 Resuit of Electron Gun Measurement Fig. 17 Resuit of ø0.5 Drilling Burr 5. 결론 Fig. 16 Electron Microscope Photograph of Electron Gun 다음으로 10µm 이하의버를갖는 ø0.5 드릴링버를측정하였다. 개발된시스템으로측정한결과진동으로인한문제로정확한측정이이뤄지진않았다. 따라서그결과를나타내는것은의미가없기때문에생략하였다. 대신에전자총의경우와마찬가지로 CMM 에 Conoprobe Sensor 를부착하여한 line 의높이만을측정하였고그결과를 Fig.17 에나타내었는데높이가 7.7µm 로확인되었다. 이결과는기존의다른측정법으로측정하기힘든마이크로버도 Conoprobe Sensor 를사용하면쉽게측정할수있음을알게해준다. 하지만, 버의형상은굴곡이있기때문에이높이가버의완전한높이라고말할수는없다. 따라서실제버의높이를정확히알기위해서는버의여러곳을스캔해야하는불편함이존재한다. 그러나이러한문제 Conoscopic holography 방식의측정은 laser spot size 가매우작고, 난반사가잘일어나지않기때문에기존의다른측정법에비해날카로운에지 (edge) 부분도정밀하게측정할수있는장점이있다. 따라서우리는이러한특성을살려효과적인버측정시스템을개발하였다. 버의형상을 3D 로표현하여측정을위한접근성을보다향상시켰고, 측정된좌표값을해석하여버의볼륨은물론두께와평균높이가계산되도록하였다. 이를통해얻어진데이터는디버링 (deburring) 작업과버의형상분류를통한효율적드릴링가공기술개발에도움이될것이다. 또한여기에적용된기술은버측정뿐만아니라다른가공물측정에도적용가능할것으로보인다. 현재개발된시스템에서 XY table 고유의진동에의한문제로마이크로버의측정에는한계가있으나고정밀 table 인 CMM 에서의실험결과마이크로버의측정도완벽히수행될수있음을확인할수있었다. 따라서, 현재의측정시스템에서 XY table 에의한진동문제만해결된다면보다효율적이고정밀한측정시스템이될수있을것이다. 향후이러한보완작업들이지속적으로수행될것이다.

7 후기 본연구는과학기술부의 2001 국가지정연구실사업 (NRL) 지원으로수행되었음. 참고문헌 1. Sung-Lim Ko, Development of Burr Measurement System using Laser and It s Application, Proceedings of 6thInt. Conference on Precision Surface Finishing and Deburring Technology, St.Petersburg, Russia, Sep. 5-7, 2000, pp Hecht, Optics, Addison-wesley. 3. Won-sub Kim, Sung-Lim Ko, Development of Effective Measurement Method for Burr Geometry, Journal of KSPE, Vol.20/6/2003 tobe appeared. 4. Conoprobe Sensor Catalog. 5. P. M. Lonardo, D. A. Lucca, and L. De Chiffre, Emerging Trend n Surface Metrology, Annals of the CIRP Vol. 51/2/ Sirat, G.Y., Conoscopic holography, SPIE vol.523 Application of holography, 1985