[논문]대칭구조 철심형 리니어모터 이송계에서의 코깅현상에 관한 연구

오정석; 박천홍

문제 정의

본 연구에서는 대형 초정밀 이송계에서 철심형 리니어모터의 응용 가능성을 확인하기 위하여유정압베어링 기반 대칭구조 철심형 리니어모터 이송 계를 설계하고 제작하였으며 두 가지의 자석 트랙 배치 에 따른 코깅현상의 영향을 분석 하는데 주안점을 두었다.
본 연구에서는 대형 초정밀 이송계에서 철심형 리니어모터의 응용가능성을 확인하기 위하여 흡인력을 서로 상쇄할 수 있는 대칭구조 철심형 리니어모터 이송계를 설계하고 제작하였다. 특히 철심형 리니어모터의 코깅현상에 의한 영향을 분석하는데 주안점을 두었으며 이를 위하여 코깅모멘트를 상쇄할 수 있는 대칭구성 및 코깅력을 상쇄할 수 있는 반피치이동구성의 두 가지 구성에 대해 코깅 력, 주종오차, yaw 오차를 각각 즉정하여그 결과를 비교, 분석하였다.
물론 코깅력과 코깅모멘트가 완전한 조화함수의 형태를 가지는 것은 아니므로 위치에 따라 완벽히 상쇄되는 것을 기대하기는 힘들지만 그 경향은 예상할 수 있다. 본 연구에서는 이상의 두 가지 구성에 대해 실험적으로 그 영향을 측정하고 분석하였다.

제안 방법

대형 초정밀 가공기에서의 응용 가능성을 확인하기 위해 안내방식으로는 유정압베어링을 사용하였으며 10 kgiYcm² 의 공급압력에서 수평 방향의 부하 하중은 9, 420 N, 수직방향의 부하하중은 14, 620 N 으로 설계되었다.
9 배에 이르는 큰 힘이 작용하고 있으나 본 구조에서는 서로 상쇄되어 이송계의 운동부에는 영향이 없다. 오른쪽 자석트랙 브라켓에는 반피치이동구성 실험을 위해 대칭구성 시의 조립용 탭에 대해 반피치 (8 mm) 이동된 탭들을 추가로 가공하였다.
2 로계산할 수 있다. 이와 같은 대칭구성 시의 잔류 yaw 오차를 베어링 의 설계개선을 통하여 더 줄일 수 있는지 그 가능성을 확인하기 위하여 대칭구성에서 유정압베어링의 오일 공급압력을 변화시키면서 yaw 오차의 변화를 관찰하였다. Fig.
실시하였다. 총 행정은 600 mm 로 설계되었으며 500 mm 길이의 Zerodur 거울로 측정 가능한 450 mm 구간에 대해 운동오차를 측정하였다.
3에 나타낸 두 가지 구성 에 대 한코깅력을 측정하여 비교한 결과이다. 코깅력에 의한 영향을 명확히 관찰하기 위하여 속도는 10 mm/s 로 매우 낮게 설정하였으며 코깅력은 모터 드라이버의 전류출력과 모터의 추력정수 (force constant)로부터 계산하였다.
코깅모멘트에 의한 이송계의 yaw 오차를 측정하기 위하여 두 개의 정전용량형 센서(ADE, 3401 모델)와 함께 Zerodur 거울을 기준면으로 사용하였으며 레이저간섭계의 각도모듈을 추가로 설치하여 비교검증을 실시하였다. 총 행정은 600 mm 로 설계되었으며 500 mm 길이의 Zerodur 거울로 측정 가능한 450 mm 구간에 대해 운동오차를 측정하였다.
특히 철심형 리니어모터의 코깅현상에 의한 영향을 분석하는데 주안점을 두었으며 이를 위하여 코깅모멘트를 상쇄할 수 있는 대칭구성 및 코깅력을 상쇄할 수 있는 반피치이동구성의 두 가지 구성에 대해 코깅 력, 주종오차, yaw 오차를 각각 즉정하여그 결과를 비교, 분석하였다. 실험 결과 대칭구성에서의 코깅모멘트 상쇄효과가 매우 명확함을 확인할 수 있었으며 대형 초정밀 이송계에서의 진직도 및 각도오차의 중요성에 비추어 볼 때 대칭구성이 상대적으로 유리한 것으로 판단된다.

대상 데이터

리니어스케일은 4 pim 의 신호주기를 갖는 Mitutoyo 사의 ST-36D 모델을 사용하였으며 4096 체배를 적용하여 약 1 nm 의 분해능으로 제어하였다. 제어기로는 MEI 사의 XMP-SynqNet 을 사용하였다.
2의 설계에 따라 제작되었다. 사용된 리니어모터는 Kollmorgen 사의 IC22-075 모델로 최대추력은 1, 875 N, 수냉 시 1, 493 N 의 연속추력을 그 사양으로 하고 있다.
제어기로는 MEI 사의 XMP-SynqNet 을 사용하였다.

데이터처리

6 N 으로 줄어들었으나 그 효과는 예상에 비해 크지 않았다. 그 이유를 분석하기 위해 코깅력 측정 결과의 주파수 분석을 실시하였으며 그 결과를 Fig. 6 에 나타내었다. 참고로 주파수는 자극피치 주파수에 정규화되었다.

성능/효과

아울러 대칭구성에서도 완전히 상쇄되지 않고 잔류하는 yaw 오차의 요동성분은 유정압베어링의 강성 향상을 통해 상당량 더 감소시킬 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 대칭구성에서의 yaw 오차의 잔류 진폭은 약 0.3 arcsec 이내로 억제되었으며 이를 통해 대형 초정밀 이송계에서 철심형 리니어모터의 응용에 관한 가능성을 확인할 수 있었다.
참고로 주파수는 자극피치 주파수에 정규화되었다. 분석결과에서 알 수 있듯이 가장 큰 주기성분은 자극피치를 주기로 하는 성분 (주파수 1에 해당)으로 이 주파수에서의 피크 크기는 대칭구성의 0.996 에 비해 반 피치 이동구성을 적용할 경우 0.244 로 대폭 줄어들었다.
특히 철심형 리니어모터의 코깅현상에 의한 영향을 분석하는데 주안점을 두었으며 이를 위하여 코깅모멘트를 상쇄할 수 있는 대칭구성 및 코깅력을 상쇄할 수 있는 반피치이동구성의 두 가지 구성에 대해 코깅 력, 주종오차, yaw 오차를 각각 즉정하여그 결과를 비교, 분석하였다. 실험 결과 대칭구성에서의 코깅모멘트 상쇄효과가 매우 명확함을 확인할 수 있었으며 대형 초정밀 이송계에서의 진직도 및 각도오차의 중요성에 비추어 볼 때 대칭구성이 상대적으로 유리한 것으로 판단된다. 아울러 대칭구성에서도 완전히 상쇄되지 않고 잔류하는 yaw 오차의 요동성분은 유정압베어링의 강성 향상을 통해 상당량 더 감소시킬 수 있음을 실험적으로 확인하였다.
실험 결과 대칭구성에서의 코깅모멘트 상쇄효과가 매우 명확함을 확인할 수 있었으며 대형 초정밀 이송계에서의 진직도 및 각도오차의 중요성에 비추어 볼 때 대칭구성이 상대적으로 유리한 것으로 판단된다. 아울러 대칭구성에서도 완전히 상쇄되지 않고 잔류하는 yaw 오차의 요동성분은 유정압베어링의 강성 향상을 통해 상당량 더 감소시킬 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 대칭구성에서의 yaw 오차의 잔류 진폭은 약 0.
이상에서 보듯이 자극피치 주파수 성분을 제외한 나머지 주파수 성분은 반피치이동구성을 택하더라도 그 크기가 그대로이거나 상쇄효과가 미약하였으며 이들 주파수 성분의 크기가 자극 피치 주파수 성분의 크기에 비해 상대적으로 작지 않으므로 반피치이동구성에서의 코깅력 상쇄효과가 반감됨을 알 수 있다.
철심형 리 니어모터(iron core linear motor) 의경우 무철심형 리니어모터(coreless linear motor) 에비해 단위체적 당 더 큰 추력을 가지고 있고 효율적인 냉각구조 및 상대적으로 저렴한 가격으로 인해 대형의 고부하/고속 이송계에 아주 유리한 장점을 가지고 있지만 몇 가지 단점으로 인해 대형 초정밀 이송계에서는 그 활용이 제약을 받고 있는 실정이다. 첫째, 철심형 모터는 최대추력의 3 배에서 5 배에 이르는 큰 흡인력(attractive force)을 가지고 있어 이송계의 변형을 유발하며 이로 인해 초정밀 안내면(공기정압 또는 유정압) 및 이송계 구조에 큰 부담으로 작용한다. 둘째, 코일과 자석 트랙 사이에 발생하는 자력 (magnetic force)의 불균형에 의해 인해 철심형 모터는 코깅력(cogging force) 및 코깅 모멘트(cogging moment)를 가지게 되며 이로 인해 등속구동이 어렵고 주기적인 각 운동 오차를 유발하는 문제점을 가지고 있다.
8 에 추종 오차의 주파수 분석결과를 나타내었다. 추종오차의 주파수 특성 은 Fig. 6 에 나타낸 코깅력 의 주파수 특성과 유사함을 알 수 있으며 자극피치 주파수에서의 피크 크기는 대칭구성에서 0.050, 반 피치 이동구성에서 0.012 로 감소비율 또한 거의 동일하였다. 다만 코깅력의 주파수 분석결과와는 달리 대칭구성에서 주파수 2.
7 의 추종오차 측정결과에서 확인할 수 있다. 추종오차의 표준편차는 대칭구성 시 0.98 |im 에서 반피치이동구성 시 0.84 gm 로 줄어들어 14.3 %의 감소비율을 보였으며 이는 코깅력의 감소비 율 28.4 %에 비해 상대 적 으로 작았다.

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