KR101990157B1 - 미세-방전 기반 계측 시스템 - Google Patents

Abstract

미세-방전 가공기 기반 계측 시스템은 감지 회로를 구비한 제어 유닛, 및 감지 프로브를 구비한 미세-방전 가공기를 포함한다. 미세-방전 가공기 기반 계측 시스템은 피코-줄 에너지 레벨로 공작물의 치수를 감지할 수 있다. 미세-방전 가공기 기반 계측 시스템은 공정내 품질 보장/품질 제어가 가능한 비접촉, 비파괴, 온-보드 계측 시스템이다.

Description

미세-방전 기반 계측 시스템{MICRO-ELECTRICAL DISCHARGED BASED METROLOGY SYSTEM}

본 발명은, 피코-줄(pico-joule) 에너지 레벨로 감지하며, 스타일러스를 사용하는 미세-방전 가공기(μEDM) 기반 계측 시스템에 관한 것이다. 미세-방전 가공기 기반 계측 시스템은 공정내 품질 보장/품질 제어(QA/QC)가 가능한 비접촉, 비파괴, 온-보드 계측 시스템이다.

반도체, 의료, 자동차, 국방, 및 항공우주를 포함하는 많은 산업에서, 보통 미세구조로 알려진 미크론 단위로 계측되는 치수들을 가진 부품들에 대한 필요성이 증가하고 있다. 그러나, 이러한 미세구조를 계측하는 주지의 방법들은 종종 기준일탈(out of specification) 제조된 부품들을 폐기해야 할 필요성을 초래하는 다양한 단점들을 가진다.

종래 크기의 부품이 제조된 경우, 이 부품은 가공 플랫폼으로부터 제거되어 계측될 수 있다. 치수가 공차일탈(out of tolerance)인 것으로 밝혀지면, 부품은 추가 작업을 위해 가공 플랫폼에 다시 배치될 수 있다. 그러나, 가공된 부품들은 훨씬 더 작은 공차로도 크기가 미크론 단위로 감소하기 때문에, 이러한 부품들을 필요한 정밀도로 계측 후 가공기 상에 재위치시키는 것은 비실용적이다. 따라서, 가공된 부품 상에 기준점들을 유지하기 위해서는, 부품은 제거 전에 가공 플랫폼 상에서 계측되어야 한다. 부품이 가공기로부터 제거되어 계측되고, 기준일탈로 밝혀지면, 추가 가공에 필요한 정밀도로 가공기 내에 부품을 재위치시키는 것은 매우 어렵기 때문에, 부품을 폐기해야 한다. 이후, 가공 공정을 수정해야 하고, 새로운 부품을 제조해야 한다. 이는 시간과 비용이 소요되며, 재료 낭비를 초래한다.

주지의 가공기-탑재형(on-machine) 계측 장치는 이러한 낙오율(drop-out rate)을 90% 감소시킬 수 있고, 결과적으로 제조자, 공급자, 소비자에게 상당한 절감을 가져온다. 그러나, 이러한 주지의 계측 플랫폼은 고가이며, 깨지기 쉬운 센서를 구비하고, 계측 범위가 제한된다.

주지의 가공기-탑재형 미세-계측 시스템은 일반적으로 2가지 유형(촉각 시스템 또는 광학 시스템)으로 분류된다. 광학 시스템(가시 또는 레이저)은 가시선(line-of-sight) 제약(볼 수 없으면, 계측할 수 없다)에 의해 제한되는 반면, 촉각 기반 시스템은 종횡비, 측벽, 오버행(overhang)에 대해 제한된 범위를 가진 섬세한 센서를 구비한다. 촉각 센서는 또한 부품과의 표면 접촉에 의존하고, 표면 접촉은 부품이 의도된 용도로 사용될 수 없게 만드는 경계 표지, 긁힌 자국, 또는 흠집을 남길 수 있다. 일례로, 일 유형의 초고정밀 프로브는 0.300Nm/㎛의 힘으로 표면과 접촉할 것이다. 이 힘은 본 발명의 센서로부터의 최소 힘보다 150억 배 더 크다.

촉각 시스템 및 광학 시스템 모두는 또한 가공유 및 다른 가공 잔류물에 의해 좋지 않은 영향을 받게 된다. 이 시스템들 중 하나라도 효율적이 되기 위해서는, 사용 전에 가공 플랫폼의 내외부 모두에, 추가적인 세척 단계가 필요하다.

이로써, 주지의 계측 시스템의 단점들을 방지하는 미세-크기의 구성요소들을 계측하기 위한 개선된 계측 시스템에 대한 필요성이 존재한다.

본 발명의 전반적인 목적은 방전 감지를 이용하여 구성요소의 크기를 계측하는 계측 시스템을 제공하는 데에 있다.

방전 가공(EDM)은 현재 완전한 재료 부식 제조 공정으로, 원하는 형상을 형성하기 위해, 전기 스파크를 이용하여 공작물로부터 재료를 부식시킨다. 공구-전극 및 공작물-전극이 유전체 내에서 전압을 받게 된다. 먼저, 공구-전극이 공작물-전극에 접근할 때, 유전체는 절연체로 작용한다. 공구-전극이 공작물에 더 가깝게 이동함에 따라, 전계가 유전체를 절연 파괴하여, 플라즈마 거품이 공구-전극과 공작물-전극 사이에 형성된다. 플라즈마 거품은 에너지 흐름(스파크)을 공작물-전극과 공구-전극 사이로 전달하여, 공작물로부터 재료를 그리고 공구로부터 더 적은 양의 재료를 증발시킨다. 이러한 에너지 흐름은 시스템 내에 저장된 전하를 공핍시키며 공구-전극과 공작물-전극 사이의 전기 전위를 균등화하여, 전계를 붕괴시키고, 스파크 이벤트를 종료한다. 증발된 재료의 입자들은 냉각되고, 유전 유체로 플러싱된다. 전기 유동이 중단됨에 따라, 커패시터가 재충전되고, 전계가 재형성된다. 표 1은 종래의 EDM 및 μEDM 시스템들에 의해 사용되는 통상의 에너지 레벨들을 기재하고 있다. 통상적으로, EDM 회로는 60V 미만의 바이어스로 기능하지 않을 것으로 여겨진다.

[표1]

전술한 EDM의 종래의 초점 대신에, 본 발명의 계측 가공기는 공작물의 표면으로부터 재료를 제거하지 않기 위해 더 낮은 에너지 레벨을 사용한다.

바람직한 실시예에서, 비접촉, 비파괴, 온-보드 계측을 위한 미세-방전 기반 계측 시스템은 피코-줄 에너지 레벨 μEDM 감지 회로, 및 전기적으로 격리되며 다양한 종래의 EDM 가공기들 내에 장착 가능한 신뢰할 만한 스핀들 프로브 센서를 포함한다. μEDM 형성된 스타일러스를 사용하여 이러한 에너지 레벨들로 감지하는 것은 EDM 뒤의 공정의 반전이다. 고주파 응답 전자기기와 결합된 이러한 미세한 에너지 레벨들은 원위치(in situ) 계측을 위한 비파괴, 비접촉 전기 센서를 생성할 것이다. 본 발명의 시스템은 미세-계측 능력을 가질 뿐만 아니라, 자신의 프로브 센서들을 자체-제조하는 μEDM의 고유 능력, 및 미세-홀의 제조, 외형 형성, 도전 재료의 디버링을 위한 표준 μEDM 기능의 추가된 이점을 가질 것이다.

바람직한 실시예에서, 본 발명의 미세-방전 기반 계측 시스템은 바람직하게는 유전 유체 내에 공작물을 유지하기 위한 탱크를 포함한다. 바람직하게는, 탱크는 지지 표면, 및 적어도 2차원으로 그리고 바람직하게는 3차원으로 공작물을 재위치시키기 위한 메커니즘을 포함한다. 공작물은 바람직하게는 도전 재료, 예컨대 스테인리스 강, 백금, 티타늄, 금, 및 몰리브덴을 포함하는 금속 재료를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 그러나, 공작물은 금속 재료일 필요가 없으며, 세라믹 재료, 도핑된 실리콘, 함침된 세라믹, 및 박막 피복된 비전도 재료를 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 도전 재료를 포함할 수 있다.

본 발명의 미세-방전 기반 계측 시스템은 공작물에 근접하게 프로브를 배치시키기 위한 메커니즘을 구비한 프로브를 더 포함한다. 메커니즘은 바람직하게는, 적어도 2차원으로 그리고 바람직하게는 3차원으로 프로브를 이동시킬 수 있는 컴퓨터 수치 제어(computer numerical control, CNC) 가공기이다. 프로브는 바람직하게는 통상의 좌표 계측기(coordinate measuring machine, CMM) 스타일러스, 원통형 스타일러스, 초평탄(ultra-smooth) 스타일러스, 직사각형 스타일러스, 휠 또는 원반 스타일러스, 및 테이퍼형 스타일러스 중 하나를 포함한다. 그러나, 본 발명은 기재된 스타일러스들에 제한되지 않으며, 당해 기술분야의 숙련자에게 알려진 임의의 유형의 스타일러스일 수 있다.

본 발명의 미세-방전 기반 계측 시스템은 CNC 가공기를 위한 제어기 및 감지 회로(방전 회로로도 알려짐)를 구비한 제어 유닛을 더 포함한다. 감지 회로는 프로브 및 공작물에 전기적으로 연결된다. 감지 회로는 바람직하게는 선정된 구성요소 값들의 고유 주파수 상에서 작동되는 저항-커패시터(RC) 회로를 포함한다. 대안으로, 감지 회로는 파형 발생기에 의해 선택된 주파수를 가진 펄스형 직류(DC) 발생기를 포함할 수 있다.

작동 중, CNC 가공기는 공작물에 근접하게 프로브를 이동시키고, 공작물과 프로브 사이의 갭이 충분히 작게 될 때, 절연 파괴가 일어나며, 프로브와 공작물 중 적어도 하나의 위치가 바람직하게는 제어 유닛 및/또는 CNC 가공기 내의 기록 가능한 매체 상에 기록된다. 이후, CNC 가공기는 다른 위치를 기록하기 위해 공작물에 근접한 다른 위치로 프로브를 이동시킨다. 이러한 과정은 공작물이 요구된 대로 치수화될 때까지 반복된다. 바람직한 실시예에서, 절연 파괴에서 기인한 스파크 에너지는 공작물의 표면에 손상을 초래하지 않는다. 일 실시예에서, 절연 파괴에서 기인한 스파크 에너지는 2.0nJ 미만이다. 다른 실시예에서, 절연 파괴에서 기인한 스파크 에너지는 0.500nJ 미만이다. 또 다른 실시예에서, 절연 파괴에서 기인한 스파크 에너지는 0.020nJ 미만이다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 본 발명의 비접촉 계측을 위한 미세-방전 가공기는 격리된 프로브 시스템, 독립형 제어 박스, 제어 케이블, 및 제3자 미세-방전 가공기 및/또는 제3자 CNC 가공기와 인터페이스하기 위한 부호화 명령어들을 포함하는 독립형 가공기이다. 다른 실시예에서, 미세-방전 가공기는 기존의 μEDM 상에 개조될 수 있을 뿐만 아니라, 새로운 μEDM 플랫폼과 함께 인가 및 분배될 수 있다.

본 발명의 이러한 목적들과 다른 목적들 및 특징들은 하기 도면을 참조한 후술하는 상세한 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세-방전 기반 계측 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 감지 회로를 도시한다.
도 3은 도 1의 미세-방전 기반 계측 시스템과 사용될 수 있는 프로브의 바람직한 실시예를 도시한다.
도 4a 내지 도 4g는 도 1의 미세-방전 기반 계측 시스템과 사용될 수 있는 다양한 대안적인 프로브들을 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 미세-방전 기반 계측 시스템과 사용될 수 있는 한 쌍의 프로브 및 각각의 프로브에서 기인한 표면 변형을 도시한다.
도 6은 본 발명의 미세-방전 기반 계측 시스템의 계측 반복성(repeatability)을 나타내는 한 쌍의 그래프를 도시한다.
도 7은 탄화물 노즐 및 이 탄화물 노즐의 3D 맵핑을 도시한다.

도 1은 본 발명의 미세-방전(μEDM) 기반 계측 시스템(10)의 바람직한 실시예를 도시한 개략도이다. μEDM-기반 계측 시스템(10)은 비접촉, 비파괴, 온-보드 계측 시스템을 제공한다. 이 실시예의 μEDM-기반 계측 시스템(10)은 μEDM-기반 계측 시스템(10)을 작동시키기 위한 제어 유닛(12), 스핀들 프로브(14), 미세-방전 가공기(16), 및 작업면(20)을 구비하며 유전 유체(22)로 충진된 탱크(18)를 포함한다.

바람직한 실시예에서, 제어 유닛(12)은 스핀들 프로브(14) 및 공작물(100)에 전기적으로 연결된 감지 회로(24; 방전 회로로도 알려짐)를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 감지 회로(24)는 선정된 구성요소 값들의 고유 주파수 상에서 작동되는 저항-커패시터(RC) 회로를 포함한다. 도 2는 본 발명의 감지 회로(24)의 바람직한 실시예에 대한 상세한 회로 레이아웃을 도시한다. 도 2의 회로는 프로브에 대한 연결(50), 프로브로부터의 연결(60), 및 제어 회로에 대한 연결(70)을 포함한다. 대안적인 실시예에서, 감지 회로(24)는 파형 발생기에 의해 선택된 주파수를 가진 펄스형 직류(DC) 발생기를 포함할 수 있다.

바람직한 실시예에서, 감지 회로(24)는 공작물(100)의 손상을 방지하기 위해 5~20V 및 10pF와 같은 피코-줄 에너지 레벨로 작동하도록 설계된다. 그러나, 감지 회로(24)는 비파괴 계측을 제공하는 임의의 에너지 레벨로 작동하도록 설계될 수 있다.

도 1의 실시예에서, 제어 유닛(12)은 μEDM(16)에 명령어들을 제공하기 위한 제어기(26)를 더 포함한다. 제어기(26)는 제어 케이블(28)을 통해 μEDM(16)에 연결된다. 바람직한 실시예에서, 제어기(26)는 사용자-독립형 폐루프 계측 시스템을 제공하기 위해 부호화 명령어들(소프트웨어 및/또는 하드웨어)을 포함한다. 여기서, 부호화 명령어들은 데이터 프로세서와 결합하여 기록 가능한 매체를 포함할 수 있다. 제어 유닛(12)은 바람직하게는 플랫폼-독립형이며, 다양한 제3자 가공 플랫폼들 상에서 검출 및 움직임을 전달하기 위해 필요한 입출력(I/O)을 제공할 수 있다. 이로써, μEDM-기반 계측 시스템(10)은 제3자 플랫폼들에 장착되어, 제3자 플랫폼의 가공 측면에 더하여 온-보드 미세-계측 시스템으로 작동할 수 있다. μEDM-기반 계측 시스템(10)은 바람직하게는 자체-적응형 미세-가공 플랫폼으로서 제3자 플랫폼들과 직접 작동할 수 있다. 도 1의 실시예에서, 제어 유닛(12)은 별개의 구성요소로 도시된다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 제어 유닛(12)은 μEDM(16)의 특징부 또는 구성요소로 제조될 수 있다.

도 1의 실시예에서, μEDM(16)은 스핀들 프로브(14)를 위치시키기 위한 메커니즘(34), 및 μEDM(16)에 스핀들 프로브(14)를 연결하기 위한 리시버(30)를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 스핀들 프로브(14)를 위치시키기 위한 메커니즘은 적어도 2차원으로 그리고 바람직하게는 3차원으로 프로브(14)를 이동시킬 수 있는 컴퓨터 수치 제어(CNC) 가공기이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 프로브(14)의 위치를 제어하기 위한 메커니즘(34)은 제어 유닛(12)으로부터 제어 가능하다.

바람직하게는, 리시버(30)는 이중 V-홈 맨드릴 홀더이며, 이는 프로브(14)가 μEDM(16)으로부터 분리될 수 있게 하고, 이후 약간의 필요한 위치 교정과 함께 추가 계측을 위해 복귀될 수 있게 한다. 이중 V-홈 맨드릴 홀더는 맨드릴 간에 0.250미크론 미만으로 위치 정밀도를 유지하여, 미세 제조 부품들이 원위치에서 계측될 수 있게 하고, 미세 제조 부품들이 가공 플랫폼으로부터 분리되기 전에 확인될 수 있게 한다. 대안적인 실시예에서, 리시버(30)는, 예컨대 스핀들/콜릿 시스템 및 척킹된 스핀들 프로브를 포함하지만 이에 제한되지 않는, μEDM(16)에 프로브(14)를 연결하기 위한 다른 수단을 포함할 수 있다.

스핀들 프로브(14)가 리시버(30)에 부착될 때, 프로브는 바람직하게는 교정된다. 바람직한 실시예에서, 본 발명의 스핀들 프로브(14)는 CMM 교정을 위한 시험 과정, 예컨대 ASME B89.4.1, VDI/VDE 217, 및 ISO 10360을 이용하여 교정된다. CMM 교정을 위한 시험 과정은 바람직하게는, 각각의 축(X, Y, Z)에 대한 선형 정밀도; 축들의 서로에 대한 직각도(XY, XZ, YZ); 각각의 축(X, Y, Z)의 수평 및 수직 진직도; 및 각각의 축의 회전 정밀도(각각의 축의 피치, 롤, 요우(yaw))를 포함하는 다양한 기준들의 21가지 시험을 포함한다. 각각의 시험은, 국립표준기술연구소(NIST)에 의해 정의되고 수차례 교정되며 제공되는 일련의 게이지들을 계측함에 의한 데이터 수집을 수반한다.

스핀들 프로브(14)는 계측될 구성요소의 형상 및 재료에 따라 다양한 형상 및 크기를 가질 수 있다. 와이어 방전 연삭(wire electro-discharge grinding, WEDG)은 다양한 형상 및 크기를 가진 공구들의 생성을 가능하게 하는 공구 형성 공정이다. 프로브(14)는 바람직하게는 개별 부품 계측을 위한 최적의 형상으로 WEDG 공정에 의해 가공된다. 도 3은 둥근 원추형 팁을 구비한 원통형 프로브를 포함하는 본 발명의 프로브(14)의 바람직한 실시예를 도시한다. 도 4a 내지 도 4g는 본 발명의 μEDM-기반 계측 시스템(10)과 사용될 수 있는 프로브들의 7가지 대안적인 실시예들을 도시한다. 도 4a는 높은 종횡비 형태를 위한 프로브이고, 도 4b는 통상의 CMM 스타일러스이다. 도 4c는, 측벽, 역 테이퍼, 및 나사산을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 특징부들을 계측하기 위해 사용되는 원반 또는 휠 프로브이다. 도 4d는 일반적인 원통형 스타일러스이다. 도 4e는 CMM 스타일 내의 초평탄(10nm Ra) 70미크론 스타일러스이다. 도 4f는 내부 모서리 반경을 계측하기 위한 직사각형 스타일러스이다. 도 4g는 V-채널들 및 테이퍼진 홀들 내부의 하부 반경을 계측하기 위한 특수 공구이다. 그러나, 프로브(14)는 도 2 및 도 3a 내지 도 3g의 형상들에 제한되지 않으며, 본 발명으로 구성요소를 계측하기 위해 필요한 임의의 형상을 가질 수 있음을 이해해야 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, μEDM(16)은 작업면(20)을 구비한 탱크(18)를 더 포함한다. 바람직한 실시예에서, 탱크(18)는 유전 유체(22)로 충진된다. 그러나, 탱크는 유전 유체(22)를 요구하지 않는다. 바람직한 실시예에서, 유전 유체(22)는 예컨대 표 2에 기재된 유체들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 표준 μEDM 유전 유체를 포함한다.

[표2]

그러나, 유전 유체(22)는 도 2에 기재된 유전 유체들에 제한되지 않으며, 프로브(14)가 공작물(100)에 매우 근접하게 될 때 절연 파괴가 일어날 수 있게 하는 임의의 유체를 포함할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 유전 유체(22)는 예컨대 공기 및 아르곤 가스와 같은 가스를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, μEDM(16)은 공작물(100)의 위치가 적어도 2차원으로 그리고 바람직하게는 3차원으로 조정될 수 있게 하는 플랫폼(32)을 더 포함한다.

작동 중, 제어기(26)를 구비한 제어 유닛(12)은 공작물(100)에 근접하게 프로브(14)를 이동시키도록 μEDM(16) 및/또는 CNC 가공기(34)에 지시하고, 공작물(100)과 프로브(14) 사이의 갭이 충분히 작게 될 때, 절연 파괴가 일어난다. 절연 파괴로 인한 전류 플럭스의 검출시에, 프로브(14)가 정지되고, 프로브(14)의 좌표가 기록된다. 이후, μEDM(16)은 다른 절연 파괴가 일어나고 다른 위치가 기록될 때까지 공작물에 근접한 다른 위치로 프로브(14)를 이동시킨다. 이러한 과정은 공작물(100)이 요구된 대로 치수화될 때까지 반복된다. 예컨대, 비교적 편평한 표면을 계측할 때, μEDM(16)은 절연 파괴가 일어나고 프로브의 위치가 기록될 때까지 프로브(14)를 수직 방향(z-축)으로 10미크론 이동시킨다. 프로브(14)는 역 수직 방향으로 이동되고, 이후 측방향(x-축 및/또는 y-축)으로 10 미크론 이동되며, 이후 프로브(14)는 다른 절연 파괴가 일어나고 프로브의 위치가 다시 기록될 때까지 다시 하강된다. 프로브(14)의 x-축, y-축, z-축 이동은 공작물(100)의 재료 및 표면 특성에 따라 필요한 만큼 변경될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 절연 파괴에서 기인한 스파크 에너지는 공작물(100)의 표면에 손상을 초래하지 않는다. 일 실시예에서, 절연 파괴에서 기인한 스파크 에너지는 2.0nJ 미만이다. 다른 실시예에서, 절연 파괴에서 기인한 스파크 에너지는 0.500nJ 미만이다. 또 다른 실시예에서, 절연 파괴에서 기인한 스파크 에너지는 0.020nJ 미만이다.

표면 변형에 가장 영향을 미치는 변수들을 판단하기 위해, 2가지 유형의 센서 프로브와 4가지 유형의 재료를 이용하여, 다양한 에너지 레벨로 본 발명의 μEDM-기반 계측 시스템(10)을 시험하였다. 시험된 2가지 유형의 프로브는 편평한 단부를 구비한 원통형 프로브 및 둥근 원추형 팁 프로브를 구비한 원통형 프로브를 포함하였다. 4가지 유형의 재료는 스테인리스 강, 몰리브덴, 금, 및 백금을 포함하였다. 반복성 및 표면 변형의 두 기본적인 측면에 초점을 두고 시험을 이행하였다. 표준 μEDM 유전 유체(EDM 30)를 이용하여, 센서 프로브들 또는 시험 재료들의 추가적인 세척 공정 없이, 운영 중인 가공기 공장에서 시험을 완수하였다.

표 3은 전기 변수들 및 이들이 표면 변형에 미치는 영향도(level of impact)를 나타낸다.

시험에 의하면, 20V (10pF) 이하와 5V (10pF) 이상에서 에너지 레벨은 표면 변형에 거의 영향을 미치지 않은 것으로 밝혀졌다. 그러나, 20V가 넘는 더 높은 전압에서는, 경고성 EDM 표지를 생성하는 표유 방전 및 절연 파괴의 가능성이 증가한다. 5V 미만의 더 낮은 전압은 감지 회로의 5V 공급 이하이므로, 본 발명의 감지 능력을 감소시키며, 프로브가 공작물과 접촉하여 표지를 남길 가능성을 초래하기 때문에, 역시 덜 신뢰할 만하다.

또한, 시험에 의하면, 방전 회로의 감도는 거의 중요하지 않은 것으로 밝혀졌다. 감도가 75%를 초과하여 너무 높게 설정되면, 시스템은 플러싱 매체, 즉 유전 유체 내의 불순물에 의해 시동될 수 있다.

또한, 시험에 의하면, 양전압 극성은 음전압 극성보다 표면 변형에 훨씬 더 중요한 영향을 미친 것으로 밝혀졌다. 이러한 시험으로부터, 대부분의 프로브들을 위한 최적의 감지 전압은 기판에 대해 -5V 내지 -20V인 것으로 판단되었다.

시험은 2가지 종류의 프로브(직선형 90°실린더 및 둥근 원추형 실린더)로 수행되었다. 프로브의 형상은 본 발명의 공정의 비접촉 특성에 큰 영향을 미치는 것으로 판단되었다. 도 5a 및 도 5b는 각각의 프로브 및 백금 상의 최종 표면 변형을 도시한다. 도 5a는 직선형 90°실린더 프로브 및 600x 줌에서 백금의 최종 표면 변형을 도시한다. 도 5b는 둥근 원추형 실린더 프로브 및 3000x 줌에서 백금의 최종 표면 변형을 도시한다. 이러한 도면들은 둥근면 프로브가 더 신뢰할 만하게 비접촉형인 반면, 편평면 프로브가 더 쉽게 표면 접촉 및 연삭되는 것을 보여준다. 또한, 편평한 센서들이 더 둥근 센서들과 비교할 만한 결과들을 달성하기 위해서는, 더 낮은 공급 속도가 필요한 것으로 판단되었다. 프로브들은 모두 5㎜/분으로 작동되었다.

시험된 회로는 감지 회로의 5V 공급을 이용했음을 주목한다. 그러나, 감지 회로의 5V 공급은 5V일 필요가 없으며, 앞서 설명된 전기 변수들 및 이들이 표면 변형에 미치는 영향도를 변경할 수 있는 더 높거나 더 낮은 전압으로 작동하도록 설계될 수 있다.

표면 부식이 향후 위치지정을 변경할 수 있기 때문에, 반복성은 본 발명의 주요한 측면이다. 이러한 공정의 비파괴 특성은 표면 부식에 의해 초래된 오차들을 최소화한다. 도 6은 반복적으로 단일 라인을 계측한 공정의 50개의 샘플 세그먼트를 도시한다. 라인 계측의 표준 편차는 100㎚의 범위에 있었고, 최대 150㎚, 최소 80㎚였다.

공정의 최종 시험으로, 공작물을 계측 및 결함 검사하였다. 도 7은 연마된 노즐 및 그 맵핑된 형태의 절개도를 도시한다. 억지 접근 알고리즘(brute force algorithm)을 이용하여 연마된 노즐을 계측하였고, 이후 별개로 맵핑하였다. 맵핑은 종래의 가공 공정에 의해 생성된 선반 또는 불일치를 노출시키기 위해 준비되었다. 결과는 매끄러운 형태의 그래프이다. 연마된 노즐은 이후 '경계 (witness)' 표지 검사를 거쳤고(1000x), 아무것도 발견되지 않았다.

그러므로, 시험은 본 발명의 μEDM-기반 계측 시스템이 효과적인 계측 공구일 수 있음을 보여준다. 공정에 영향을 미치는 주요 변수들은 전압 극성, 에너지, 및 프로브 형상이다. 다른 변수들은 극단적인 경우를 제외하면 중요하지 않은 것으로 밝혀졌지만, 기타 변수들은, 전극 형태의 최적화와 함께, 공급 속도 및 전압 전위와 같이 공정에 유리하도록 변경되었다.

따라서, 본 발명은 미세-방전 가공기 기반 계측 시스템을 제공한다. 미세-방전 가공기 기반 계측 시스템은 공정내 품질 보장/품질 제어가 가능한 비접촉, 비파괴, 온-보드 계측 시스템이다.

예시의 목적으로 제공된 전술한 실시예들의 상세는 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 함은 물론이다. 본 발명의 단지 몇몇 예시적인 실시예들만을 상세히 설명하였지만, 당해 기술분야의 숙련자들은 본 발명의 신규한 교시 및 이점을 실질적으로 벗어남 없이 예시적인 실시예들에서 다수의 수정이 가능함을 쉽게 이해할 것이다. 그러므로, 이러한 모든 수정은 후술하는 청구범위 및 그 모든 균등물에 정의된 본 발명의 범주 내에 포함되도록 의도된다. 아울러, 몇몇 실시예들, 특히 바람직한 실시예들의 모든 이점을 달성하지 않는 다수의 실시예들이 고려될 수 있음은 물론이지만, 특정한 이점의 부재는 이러한 실시예가 본 발명의 범주의 밖에 있다는 것을 반드시 의미하는 것으로 해석되지 않아야 한다.

Claims (20)

1. 비접촉 계측을 위한 시스템으로서,
   감지 회로 및 제어기를 포함하는 제어 유닛;
   상기 감지 회로와 전기 연결되는 스핀들 프로브;
   상기 제어 유닛과 통신하며, 상기 스핀들 프로브를 유지하기 위한 리시버를 포함하는, 미세-방전 가공기;
   적어도 2차원으로 상기 스핀들 프로브를 이동시키기 위해 상기 제어 유닛과 통신하는 메커니즘;
   작업면 상에 위치되는 공작물을 포함하며,
   상기 메커니즘이, 상기 공작물에 대해 상대적으로 먼 위치에서 상기 공작물에 대해 상대적으로 근접한 위치로 상기 스핀들 프로브를 이동시킴으로써 상기 공작물과 상기 스핀들 프로브 사이의 거리를 규정하는 갭의 크기를 감소시키도록 하는 명령어를 상기 제어기로부터 수신하고; 상기 감지 회로는 상기 스핀들 프로브에 전압을 인가하도록 하는 명령어를 상기 제어기로부터 수신하며;
   이로써, 상기 근접한 위치를 향한 상기 스핀들 프로브의 이동이 상기 감지 회로가 전류 플럭스를 검출하는 것을 허용하도록 충분히 상기 갭의 크기를 감소시키며;
   이에 따라 상기 전류 플럭스와 연관되어 상기 스핀들 프로브의 위치가 기록되고;
   인가된 전압에서 기인한 에너지가 상기 공작물의 표면에 손상을 초래하지 않도록 상기 인가된 전압이 선택되는, 비접촉 계측을 위한 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 감지 회로는 저항-커패시터(RC) 회로를 포함하고, 상기 감지 회로는 고유 주파수 상에서 작동하는, 비접촉 계측을 위한 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 리시버는 스핀들/콜릿 시스템을 포함하는, 비접촉 계측을 위한 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 리시버는 이중 V-홈 맨드릴 홀더를 포함하는, 비접촉 계측을 위한 시스템.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서, 상기 공작물은 스테인리스 강, 백금, 티타늄, 금, 및 몰리브덴 중 하나를 포함하는 도전 재료를 포함하는, 비접촉 계측을 위한 시스템.
7. 제1항에 있어서, 상기 인가된 전압에서 기인한 에너지는 2.0nJ 미만인, 비접촉 계측을 위한 시스템.
8. 제1항에 있어서, 상기 인가된 전압에서 기인한 에너지는 0.500nJ 미만인, 비접촉 계측을 위한 시스템.
9. 제1항에 있어서, 상기 인가된 전압에서 기인한 에너지는 0.020nJ 미만인, 비접촉 계측을 위한 시스템.
10. 제1항에 있어서, 상기 스핀들 프로브는 전기적으로 격리되는, 비접촉 계측을 위한 시스템.
11. 제1항에 있어서, 상기 미세-방전 가공기는 재료 부식 가공기로 추가로 작동할 수 있는, 비접촉 계측을 위한 시스템.
12. 제1항에 있어서, 적어도 2차원으로 상기 스핀들 프로브를 이동시키기 위한 상기 메커니즘은 컴퓨터 수치 제어 가공기를 포함하는, 비접촉 계측을 위한 시스템.
13. 비접촉 계측을 위한 시스템으로서,
    감지 회로 및 CNC 제어기를 포함하는 제어 유닛;
    상기 CNC 제어기와 연결되며, 가공 아암 및 상기 가공 아암을 이동시키기 위한 구동 메커니즘을 포함하는, CNC 가공기;
    상기 감지 회로와 전기 연결되며, 상기 가공 아암에 장착되는, 스핀들 프로브;
    작업면 상에 위치되는 공작물을 포함하며,
    상기 제어 유닛이, 상기 공작물에 대해 상대적으로 먼 위치에서 상기 공작물에 대해 상대적으로 근접한 위치로 상기 스핀들 프로브와 상기 가공 아암을 이동시켜 상기 공작물과 상기 스핀들 프로브 사이의 거리를 규정하는 갭의 크기를 감소시키도록 상기 구동 메커니즘을 제어하며; 상기 감지 회로는 상기 스핀들 프로브에 전압을 인가하도록 하는 명령어를 상기 제어 유닛으로부터 수신하고;
    이로써, 상기 근접한 위치를 향한 상기 스핀들 프로브의 이동이 상기 감지 회로가 전류 플럭스를 검출하는 것을 허용하도록 충분히 상기 갭의 크기를 감소시키며;
    이에 따라, 상기 전류 플럭스와 연관되어 상기 스핀들 프로브의 위치가 기록되고;
    인가된 전압에서 기인한 에너지가 상기 공작물의 표면에 손상을 초래하지 않도록 상기 인가된 전압이 선택되는, 비접촉 계측을 위한 시스템.
14. 제13항에 있어서, 상기 감지 회로는 저항-커패시터(RC) 회로를 포함하는, 비접촉 계측을 위한 시스템.
15. 제13항에 있어서, 상기 감지 회로는 파형 발생기에 의해 선택된 주파수를 가진 펄스형 직류(DC) 발생기를 포함하는, 비접촉 계측을 위한 시스템.
16. 삭제
17. 제13항에 있어서, 상기 인가된 전압에서 기인한 에너지는 2.0nJ 미만인, 비접촉 계측을 위한 시스템.
18. 제13항에 있어서, 상기 스핀들 프로브는 전기적으로 격리되는, 비접촉 계측을 위한 시스템.
19. 제13항에 있어서, 상기 CNC 가공기는 재료 부식 가공기로 추가로 작동할 수 있는, 비접촉 계측을 위한 시스템.
20. 미세-방전 가공기를 비접촉 계측 가공기로 작동시키는 방법으로서,
    감지 회로 및 상기 감지 회로와 전기 연결되는 스핀들 프로브를 포함하는 제어 유닛을 상기 미세-방전 가공기에 연결하는 단계;
    계측될 공작물에 대해 상대적으로 먼 위치에서 상기 공작물에 대해 상대적으로 근접한 위치로 상기 스핀들 프로브를 이동시키도록 상기 미세-방전 가공기를 작동시킴으로써 상기 공작물과 상기 스핀들 프로브 사이의 거리를 규정하는 갭의 크기를 감소시키며, 인가된 전압에서 기인한 에너지가 상기 공작물의 표면에 손상을 초래하지 않게 전압을 선택하여 상기 스핀들 프로브에 상기 전압을 인가하도록 상기 미세-방전 가공기를 작동시키고,
    이로써 상기 공작물과 상기 스핀들 프로브 사이의 상기 갭의 크기가 충분히 작게 될 때 상기 감지 회로가 전류 플럭스를 검출하는, 단계;
    상기 전류 플럭스와 연관되어 상기 스핀들 프로브의 위치를 기록하는 단계를 포함하는 방법.

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