9.2 레이저 축정렬 시스템

Laser Shaft Alignment System

 

9.2.1 測定 시스템의 種類 (Classifications of Measuring System)

그림 2-91은 모든 제작자들이 사용하는 세 가지 기본 측정 기법을 보여준다. 가장 위의 그림인 루프 프리즘, Laser/Detector 시스템은 Prüftechink사의 대부분의 시스템에서, Dual Laser/Dual Detector 시스템은 AlignX, Fixuure Laser AB 및 Computational Systems Inc.사에서 또 Laser/Beam Splitter/Dual Detector 시스템은 Hammer, MMS 및 Prüftechink사에서 사용하고 있다.

 

그림 2-91 레이저 축정렬 시스템의 기본 원리

9.2.2 L-711 Laser Alignment System

(1) L- 711 시스템의 구성

① Laser 본체

Model 711 Laser Unit는 Hammer사의 제품으로 Laser, Power Supply, Expending Optics, Sweep Optics, 두개의 Precision Levels와 기계적인 조정을 위한 구성품으로 구성되어 있다. Laser의 BasicFrame은 장비의 상단에 있는 Coarse Leveling 나사로 두 방향을 조정할 수 있도록 되어 있다 (그림 2-92 참조). 그리고 장비의 밑부분 즉 상단에 있는 Coarse Leveling 나사 바로 밑에는 Fine Leveling Micrometer(Micrometer에서 0.001“이면 10 feet에서 0.001” Tilt 된다)들이 있어 미세 조정할 수 있다. Sweep Turret는 일반적으로 Beam Point를 오른쪽 방향으로 손으로 돌릴 수 있으며, Sweep Turret 자체에 Coarse Thumb 나사와 미세하게 조정하는 Fine Micrometer(Azimuth Adjustment)가 있다. Model 711 Laser Unit은 Magnetic Base로 고정할 수 있도록 되어 있다 (그림 2-92, 93 참조).

그림 2-92 레이저 본체의 정밀 조정 장치

그림 2-93 레이저 본체 장치

② Target과 Target Stand

대부분의 Machine Tool 작업시에는 Model T212 Dual Axis Target과 T230 Target Stand를 사용한다. Target은 두쌍의 Silicon Solar Cell로 되어 있으며, Laser Beam이 Target 중앙의 위치에 있을 때 Readout에 의해서 출력이 나타난다. Target Cell은 1.500"직경으로 0.001"까지 Centering할 수 있다. T230 Target Stand는 Magnetic Base로 고정할 수 있도록 되어 있으며 두개의 직각 Micrometer로 ±0.25" 범위까지 조정할 수 있도록 되어 있다. 또한 이 T230은 Target을 고정 및 지지를 해주며, 지시치(Readout)를 조정할 때 사용한다 (그림 2-94 참조).

그림 2-94 Target 장치

③ Readout

이 Target Readout은 두 채널 디지털 지시치를 나타내는 시스템으로서 Laser Beam의 Center를 inch로 나타내며 Target Center의 상대적인 Alignment를 나타낸다. Readout Unit의 전면부에는 두개의 디지털 Meter가 있고 그 중에 하나는 Vertical Channel이고 다른 하나는 Horizontal Channel이다 (그림 2-95 참조). 각 Channel를 위한 독립된 조정단이 전면판에 있다. 또한, 3단 선택 스위치가 있는데 전원 On/Off 스위치와 세 번째 단의 명칭은“Slow Response"라 되어 있다. 이 세 번째 단의 용도는 대기로 인하여 흔들리는 상태에서 출력값을 평균을 내도록 회로가 설계되어 전자적인 Damping을 막아준다.

(2) Laser Alignment 기본개념

Laser는 그 중심의 에너지가 절대적으로 직선을 그리면서 빛의 강도를 제공하는 것이다. 이 Beam의 직경은 약 3/8"(9.5 ㎜)이며, 100'(30 m)까지는 Beam이 전혀 퍼지지 않고 그 이후의 거리에서는 일부가 급격히 퍼진다. Laser Beam의 중심 에너지를 잡기 위해서 Target이 필요하며, Readout 유니트가 Target의 중심과 Laser Beam의 중심사이의 수평방향과 수직방향에 대한 편차를 화면에 나타낸다. Laser 시스템이 직접적으로 이러한 변위를 측정하는 것은 매우 중요한데, 이러한 방향에 대한 윤곽을 측정함으로써, Target을 요구되는 간격으로 방향을 따라 이동시킬 수 있는 것이다. 그림 2-95는 바로 Target이 0.011"(0.2794 ㎜)만큼 낮은 지점에 위치하고 있다는 것을 보여주고 있다.

그림 2-95 레이저 축정렬 기본 개념

(3) 측정시 고려사상

① 측정 지점의 기울기

A-517 Target 앞에 부착된 유리 부분에서 Laser Beam이 통과할 때 굴절이 일어나며 이는 A-517 Target의 기울기와 비례한다. 실제 측정시험 결과 A-517 Target 아래에 0.08 ㎜의 Shim을 삽입한 상태까지는 그 영향이 작아 측정값의 신뢰성에 큰 문제가 없으며 이는 착탈식 Magnet에 부착된 수준기의 기포가 중앙원 범위 내에 있을 때이다. 따라서 Laser Beam을 이용하여 Level을 측정할 때 L-711 본체의 절대 수평과 A-517 Target의 절대 수평을 동시에 만족시켜야 한다.

② Target Cell의 영향

HAMAR Laser에서는 현재 United Detector Technology of California에서 개발한 모델명 SC10D Position Sensitive Cell을 사용하고 있다. 이 Type의 Cell은 Light Spot의 모양이나 크기에 관계없이, 표면을 발광시키는 Light Spot의 Energy Center를 찾고 결합시킨다. Cell의 앞면에 4개의 접합부(수직축 2개, 수평축 2개)가 있고 뒷면에는 5개정도의 연결부가 있다. 두개의 수직 연결선은 Cell의 상부와 하부에 각 1개씩 Light Spot의 Energy Center 위치와 비례해서 Positive Voltage를 만든다.

이 두 수직 신호가 전자공학적으로 결합하여 ±DC Voltage는 Target의 전기적 중심과 레이저빔의 에너지 중심과의 차이를 선형적으로 나타낸다. 만약 양전압이 같다면, 레이저빔의 중심과 Target의 전기적 중심은 일치하게 된다 (일반적으로, Target의 전기적 중심은 Cell 의 실지 면적의 중심에 위치한다). 이상은 수평축에서도 같은 원리로 되어있다.

Cell의 해상도는 0.0001" (2.5 Microns)이고, Cell의 선형성은 약 5%이다. 일반적으로 Cell이 한 축으로만 움직인다고 하고, ±0.100(2.5 ㎜) 범위 내에서 움직인다고 할 때 2% 이내로 선형성이 있다. 하지만 만약 Cell이 양 축으로 결합해서 움직인다면, Cell의 구석에서는 Roll Off(감도의 손실)가 일어난다. 이때 제작사에서 제시한 선형도는 5%이다. 환언하면 한 축에서는 매우 선형적이고, 두 축이 결합해서 움직이면 오차가 발생한다. Cell은 단축으로 사용하거나, 0.5 ㎜ 범위 이내에서 사용할 때 가장 정확도가 높다. 현장 경험은 필요한 Level의 정밀도가 2.5 micron 수준으로 요구될 때는 영점 부근에서 작업하는 것이 가장 정확한 결과를 나타낸다. 또한 원거리에서 사용할 때는(8 m 이상) Air Turbulence 문제를 해결하여야 한다.

그림 2-96 대표적인 Target Cell

그림 2-97 Target Cell Sensing

③ Air Turbulence

Laser 시스템의 성능은 대기의 Turbulence에 의해서 제한을 받게되는데, 일반적으로 그 허용치는 기계가 이상적인 상태라고 했을 때 Laser와 Target 사이의 거리가 10 ft(3 m)일 때 0.0001"(0.00254 ㎜)이다. 그 정확도는 Air가 차갑거나 농도가 큰 겨울 같은 때는 Factor 2보다 더 안 좋고, Air가 뜨겁거나 습도가 높고 또한 농도가 낮은 여름 같은 경우에는 Factor 2보다 더 낮다 (그림 2-98 참조).

그림 2-98 Air Pocket 효과

시스템의 정확도에 있어서는 대기에서 두 가지가 그 영향을 끼치는데 첫 번째는 Laser Beam이 통과할 때 마치 약한 렌즈의 역할을 해서 대기에서 온도의 높낮이가 형성되는 에어 포킷 현상으로 인한 Turbulence가 생기는데 이것을 앵귤러 효과라고도 한다. 이 현상은 Target이 멀리 떨어져 있으면 있을수록 그 정도는 더 심하게 된다. 이것은 봄철에 잘 나타나는 아지랑이와 비슷한 현상이며 동일한 효과가 작업장에서도 나타나게 된다. 불행히도 사람의 육안으로는 확인이 되지 않는다.

다른 영향은 수직으로 온도의 구배 또는 굴절 현상으로 인한 것이다. Air가 정지해 있을 때는 그 Air의 온도는 바닥보다도 천장에 가까우면 가까울수록 높다. 이러한 조건은 결국 Laser Beam이 아래쪽으로 휨이 일어나는 현상을 가져오게 한다. 그것은 10℃인 상태에서 12m 거리에서 0.20 ㎜ 만큼의 영향을 끼친다 (그림 2-99 참조). 이러한 현상은 현장에서 Air가 전혀 움직이지 않을 때 일어날 수 있는 현상이다. 보통 수직 온도 구배로 인한 오차가 발생할 때는 Turbulence는 그 영향력이 상대적으로 낮게 된다. 결국 10에서 20초 정도의 주기 동안에 평균에 도달한 다음, 그 편차가 좁혀지는 것을 확인하고서 그 값을 산정하는 것이 좋다.

그림 2-99 Vertical Temperature 구배

대기 영향을 줄이기 위해서는 다음의 조치가 도움이 된다.

• Fan을 사용

실질적으로 Turbulence의 파동을 감소시키고 수직 온도 구배를 제거시키는 방법으로서 가장 좋은 것은 Fan을 사용하고 그 위치는 Target 뒤쪽에 설치하여 Laser 방향으로 작동시킨다. 그렇게 함으로써 Turbulence 효과와 수직 온도 구배를 파괴시킬 수 있다. 이 Fan이 리드아웃 스위치의 위치 “Slow Response"와 결합되어 사용하게 되면, 10 이라는 값까지 Turbulence가 감소하게 되며 수직 온도 구배는 자연 소멸하게 된다. 시스템이 상당히 높은 정확성이 요구된다면, Fan과 전자적인 댐핑 둘 다 사용하는 것이 매우 중요하다. 여름에 정밀도가 6 m에서 0.025 ㎜가 요구되면 그때는 Fan과 댐핑 둘 다 사용할 필요가 없다. 그러나 같은 거리에서 0.0025 ㎜가 요구되면 그때는 둘 다 사용해야만 한다.

• 사용할 Fan의 종류

두 가지 Fan 종류중 한가지를 사용하게 되는데, 첫번째 종류는 가격이 덜 비싼 평범한 박스 윈도우 Fan으로써 일반적인 백화점에서 구입이 가능하다. 보통 상대적으로 가격이 덜 비싼 Fan은 Air를 콘 타입으로 불어내기보다는 실린더 타입으로 불어내기 때문에 더 이상적이다.

거리가 7.62 m 내외이면 한 개의 Fan으로 사용할 수 있지만 거리가 그 이상이면 2개 이상의 Fan을 사용하는 것이 좋으며 다음 그림 2-100을 참조해 주기 바란다. 이러한 Fan을 사용함으로써 Fan에 문제가 없다면 상당히 정확성을 상승시킬 수 있다. 만일 Fan을 사용하는데도 불구하고 더 안좋아진다면 그때는 더 이상의 Fan을 사용하지 말기를 권고한다.

두 번째 종류의 Fan으로서는 큰 프로펠러를 갖고 있는 현장 Fan이다. 이러한 Fan들은 상당히 큰데 보통 15 m 이상이 된다. 그러나 그것들은 운반하기가 어려운 Fan들이다. 대부분 둥근 블레이드로 되어있는 오실레이팅 Fan이나 오피스 Fan들은 작업하기가 용이하지 않다.

그림 2-100 Fan의 설치

• 전자 댐핑

전자 댐핑은 Readout Display 앞에 선택 스위치를 포함하고 있다. 보통 이러한 스위치로 수행되는 모든 조정은 “Fast Response"로 셋트한다.

“Slow Response"로 놓게 됐을때, 추가적인 댐핑이나 또는 전자 에버러징은 스위치 상태에 있게 되고 실질적으로 공기 터벌런스로부터 파형의 크기가 감소하게 될 것이다. 초기에 "Slow Response"로 스위치를 놓게 됐을 때는 메타가 읽는 값이 대부분 서로 다른 값으로 점프하게 될 것이며 이것이 완전한 정상 상태인 것이다. 이런 후 10에서 20초 정도 지나면 그 값은 원래의 값으로 진정될 것이다 (주목할 점은 임의의 시간 주기가 지나간 다음이라도 그 값을 받아 들이지 말라. 왜냐하면 그 값이 오류가 될 가능성이 있기 때문이다). 이러한 점프현상은 케페시터에 잔량의 전하가 있을 때 발생하게 된다.

크기가 많이 감소하였다 하더라도 파형이 여전히 있으면, 그때 그 값을 수집하지 말고 어느 정도 간격이 좁혀질 때까지 계속 주시하라. 이러한 절차는 터벌런스에 대하여는 잘 작용하지만 수직 온도 구배에는 잘 먹혀 들어가지 않는다.

• 외부에서 사용 - 고정 센타라인

외부에서 Alignment할 때는 공장 내에서 하는 것과는 달리 공기 터벌런스나 온도 구배의 영향을 받을 가능성이 높기 때문에 그러한 보호 장치를 해야하는데 그렇게 하기 위해서는 레이저 빔을 보호하기 위한 투명한 플라스틱 파이프를 이용하고 이 안에서도 그러한 현상이 일어날 수 있기 때문에 “T"자나 엘보를 만들어 결합시킨후 블로워를 이용하여 바람을 불어넣어 이러한 터벌런스나 온도 구배를 제거한다.

 

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