고주파 응답성, 고정밀도 및 큰 구동력을 갖춘 압전 구동형 고속 공구 서보(Fast Tool Servo, FTS) 장치를 개발하였다. 본 장치는 광의 원뿔선 근사를 이용한 새로운 유연 힌지 구조의 유연 메커니즘을 채용하였으며, 대칭 구조 배치를 통해 유연 공구대가 작업 중 비희망 운동 방향에서 발생하는 결합 오차를 제거하였고, 메커니즘의 운동학적 특성을 종합적으로 모델링하였다. 장치의 스트로크와 고유 진동수를 고려한 설계 목표를 바탕으로 개선된 BP 신경망 최적화 알고리즘을 기반으로 유연 메커니즘의 구조 치수를 다목적 최적화 설계를 수행하였다. 최적화된 구조 파라미터를 사용하여 FTS 장치의 3차원 모델을 구축하고 ANSYS 소프트웨어를 통해 유한 요소 해석을 수행하였다. 해석 결과 최적화된 유연 메커니즘이 예상 성능 요구 사항을 충족함을 확인하였으며, 최적화 알고리즘의 타당성을 검증하였다. 마지막으로 실험용 시제품을 제작하여 성능 시험을 수행하여 FTS 장치의 최적 설계 결과를 추가로 검증하였다. 시험 결과, FTS 장치의 고유 진동수는 7.6 kHz를 초과하며, 공칭 스트로크는 약 6.4 μm, 분해능은 약 12 nm, 추종 정밀도는 약 0.3 μm이며, 정적 및 동적 성능 모두 설계 목표를 충족한다는 것을 확인하였다.

초정밀 가공; 고속 공구 서보 장치; 유연 공구대; 최적 설계; 유한 요소 해석