초정밀 가공을 위한 자기부상 유도 제어 시스템의 모델 기반 설계

초정밀 가공은 의료기기, 광학, 도량형학 및 미세전자기계시스템을 비롯한 광범위한 응용 분야에서 필수적인 역할을 합니다. 미크론 미만의 정밀도로 기계 부품과 피삭재를 움직이는 데 사용되는 유도 기술은 가공 공정의 전체적인 정확도와 속도에 큰 영향을 미칩니다. 가장 많이 사용되는 두 가지 유도 기술인 정유압식 드라이브와 기체정역학식 드라이브는 진동을 억제하는 감쇠 기능과 부드러운 동작을 제공합니다. 그러나 이러한 유도를 구현하고 유지하기는 특히 여러 자유도가 필요한 응용 분야에서 많은 비용이 들고 복잡할 수 있습니다.

Leibniz Universität Hannover의 Institute of Production Engineering and Machine Tools에서 우리는 자기부상 기반 초정밀 가공의 새로운 유도 기술을 구현했습니다. 이 접근법은 탁월한 고정밀도를 유지하는 동시에 기존 유도 기술의 몇 가지 단점을 해결하도록 설계되었습니다. 전자기부상 유도는 부가적인 자유도와 능동 진동 감쇠를 통해 생산 속도를 높일 수 있으므로 초정밀 가공의 생산성을 대폭 높일 수 있는 잠재력이 있습니다. 우리의 프로토타입을 사용해서 3µm ~ 7µm의 다양한 절삭 깊이로 알루미늄 피삭재를 가공하여 45nm Sa 미만의 표면 거칠기를 달성했습니다. (그림 1) 우리는 모델 기반 설계를 사용하여 이러한 정밀도를 달성하는 데 필요한 실시간 제어 시스템을 구축했습니다. 이를 위해 Simulink^®에서 시스템을 모델링하고 시뮬레이션한 후 Simulink PLC Coder™를 사용하여 Beckhoff^® Industrial PC에 배포할 IEC 61131-3 Structured Text를 생성했습니다. 이 워크플로를 통해 단조롭고 노동 집약적인 Structured Text의 수작업 코딩을 최소화하는 동시에 개발 속도를 높일 수 있었습니다.

자기부상을 사용한 축 제어

초정밀 절삭에 부상 기술을 적용하는 방식의 타당성을 입증하기 위해 우리는 완전한 3축 초정밀 밀링 머신의 모든 관련 기능이 포함된 프로토타입을 설계하고 만들었습니다. 단일 축 유도 프로토타입과 달리 우리는 실제 초정밀 절삭 공정에서 유도 기술을 평가할 수 있습니다. 프로토타입 시스템의 설계에는 3개의 매크로 수준 축(x, y, z)과 5개의 부가적인 정밀 위치결정 DoF(자유도)가 포함됩니다. (그림 2) 전자기부상 유도에 의해 관리되는 이러한 부가적인 DoF는 x축과 z축상의 더 정밀한 위치결정 외에도 회전 위치결정(롤, 피치, 요)을 지원합니다. 가공 공정에서 x 및 z 매크로 축은 공급을 위한 모션을 제공하며, y축은 스핀들과 공구 위치의 사전 조정에 사용됩니다. 이러한 축상의 위치는 선형 인코더로 측정됩니다.

정밀 위치결정 제어는 피삭재의 부상에 사용되는 12개의 전자기 액추에이터와 피삭재 슬라이드와 각 전자석 사이의 간격을 측정하는 데 사용되는 12개의 정전용량 센서를 통해 수행됩니다. 6자유도에서 슬라이드의 방향은 이러한 측정값으로부터 도출됩니다.

제어 아키텍처는 프로토타입의 매크로 수준 측면과 정밀 위치결정 측면을 중심으로 유사하게 구성됩니다. 한 제어 서브시스템은 주요 축 x, y, z축 전용이며, 두 번째 서브시스템은 전자기부상 시스템에 사용됩니다. (그림 3) 프로토타입을 위해 선택한 Beckhoff Industrial PC가 지원하는 최대 샘플링 속도인 20kHz로 작동하는 이 제어기는 초정밀 측위를 관리하며, 툴이 피삭재를 절삭할 수 있도록 전자석을 통해 충분한 대항력을 유지합니다.

제어기 모델링 및 시뮬레이션

우리는 매크로 수준 제어 시스템과 정밀 위치결정 제어 시스템 모두 Simulink에서 모델링했습니다. 매크로 수준 시스템은 비교적 간단합니다. 비례-적분 제어기가 있는 캐스케이드 제어 루프를 기반으로 하는 이 시스템은 x, y, z축 인코더의 위치 및 속도 측정값을 기반으로 전류 설정점을 출력합니다. (그림 4)

정밀 위치결정 제어 시스템에는 5자유도 각각에 대해 별도의 PID(비례-적분-미분) 제어기가 포함됩니다. 이 제어기는 프로토타입의 정전용량 센서 12개의 입력값을 기반으로 전자석의 전류 설정점을 계산합니다. 전자기부상은 개루프 상태에서 본질적으로 불안정하므로 하드웨어에서 테스트하기 전에 초기 제어 파라미터를 결정하기 위한 시뮬레이션이 필요합니다. 준비 과정에서 정전용량 센서의 특성, 전송 지연 및 전류와 전자석을 피삭재와 분리하는 간격 간의 비선형 관계와 기타 다양한 효과를 캡처한 플랜트 모델을 만들었습니다. 제어 시스템의 견고성을 평가하기 위해 Simulink에서 제어기와 플랜트 모델을 사용하여 광범위한 폐루프 시뮬레이션을 실행했고 이 과정에서 여러 부분을 개선하여 성능을 높였습니다.

Structured Text 생성 및 프로토타입 테스트

시뮬레이션을 통해 제어 설계를 검증한 후 Simulink PLC Coder를 사용하여 Simulink 모델에서 IEC 61131-3 Structured Text를 생성했습니다. 그런 다음 제어 애플리케이션을 가져와서 컴파일하고 하드웨어 프로토타입의 센서 및 액추에이터에 연결된 Beckhoff Industrial PC에 배포했습니다. 초기 테스트는 긍정적이었지만, 예상했던 대로 성능을 개선하기 위해서는 정밀 위치결정 제어기에서 일부 파라미터를 조정해야 했습니다. 전자석의 특성에 나타나는 제조상의 차이(자석과 백 아이언 사이의 약 200마이크로미터 간격에 영향을 미칠 수 있음)와 기타 머신 어셈블리의 허용오차를 반영하기 위해 이 같은 조정이 필요했습니다. 모델에 필요한 변경 사항을 적용하고 시뮬레이션을 통해 검증한 후, 모델에서 Structured Text를 재생성하고 추가 테스트를 수행하여 프로토타입의 초정밀 가공 기능을 검증했습니다. (그림 5)

차세대 개선사항

모델 기반 설계는 초기 목표, 즉 자기부상 유도를 사용한 초정밀 가공을 위한 동종 최초의 온전한 프로토타입 시연을 달성하는 데 중요한 역할을 했습니다. 우리는 모델링과 시뮬레이션, 코드 생성에 계속해서 Simulink와 Simulink PLC Coder를 사용 중이며 현재 차세대 프로토타입을 개발 중입니다. 이 새로운 머신에서는 여러 부분을 개선했는데, 정전용량 간격 센서를 대체하는 6자유도 광학 위치 센서를 채택한 것도 그러한 개선사항 중 하나입니다. 이러한 센서는 전자기 잡음에 덜 취약하므로 이번 변경에 따라 이 버전의 머신에서는 정밀도가 더욱 높아질 것으로 예상됩니다.