[논문]위치결정 스테이지의 고속 정밀 위치결정을 위한 입력성형명령 생성 기법

장준원; 박상원; 홍성욱

위치결정 스테이지의 고속 정밀 위치결정을 위한 입력성형명령 생성 기법
Command Generation Method for High-Speed and Precise Positioning of Positioning Stage 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.25 no.10 = no.211, 2008년, pp.122 - 129

장준원 (금오공과대학교 기전공학과) , 박상원 (금오공과대학교 기전공학과) , 홍성욱 (금오공과대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with precise positioning of a high-speed positioning stage without inducing residual vibration by using an input shaping technique. Input shaping is well known to be a very effective tool for suppressing the residual vibration of flexible structures. However, the ordinary input shaping for positioning stages is designated mostly for velocity regulation, not for the residual vibration at the target position. The main difficulties in implementing input shaping along with precise positioning are the time delay caused by the servo system characteristics and the s-curve feature often employed in some motor controllers. This paper analyzes the dynamic responses of a single-mode-dominate stage system subjected to input shaping. A theoretical model is developed io investigate the nature of system. In order to overcome the difficulty, this paper proposes an improved input shaper based on modified command profile generation. The proposed method is proved effective through experiments and simulations.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 서보계의 시간지연으로 발생하는 특성과 사용된 모션 컨트롤러의 감속구간 S-곡선 명령 특성을 고려하여 기존 입력성형기를 개선한 입력 성 형 기 법 (IZV; Improved ZV input shaping)을제안하였다. 개선된 입력성형기법은 위치결정 작업을 위해 입력된 최초의 기준명령에 필터링 특성 (S-곡선 등)을 고려하여 목표지점에서 잔류진동이효과적으로 제거될 수 있도록 감속구간에서의 명령을 수정하는 것이다.
본 논문에서는 준폐루프 시스템에서 상업용모션 컨트롤러를 이용한 위치결정 작업 중 가속구간과 감속구간에서 발생하는 진동 특성을 파악하고, 목표지점에서의 잔류진동을 효과적으로 제거할 수 있는 방법을 제안하고 검증하였다.
본 연구는 위치결정 스테이지의 고속 정밀 위치결정을 위한 입력성형명령 생성 기법에 대해 연구하였다. 먼저, 이동경로가 정해진 위치결정 동작을 위한 룩업 테이블을 생성하였으며, 고유진동수의 변화에 따라 자동으로 입력성형기에 의한 수정명령을 생성할 수 있는 알고리즘을 개발하였다.

제안 방법

본 논문에서 사용된 시 간구간은 기 준명령에 대해 입력성형기를 컨벌루션한 결과로부터 얻을 수 있다. 그리고 계산된 각 구간에 대해 룩업테이블(Look-Up Table)을 생성하여 실제 위치 결정작업을 위해 사용하였다. 이렇게 함으로써 각 구간별 명령 실행으로 인한 시간지연 (Time Delay) 현상을 무시할 수 있다.
XY 스테이지는 석정반위에 고정되어 있으며모션 컨트롤러는 DSP 보드를 사용하였다. 또한 모션에 관련된 데이터 및 모든 제어 변수(속도, 가속도, 위치 등)를 실시간으로 수정하고, 모니터링할 수 있도록 소프트웨어를 개발하였다. Fig.
또한, 서보계의 시간지연 및 감속구간에서의상이한 명령 특성으로 인해 가속 및 감속구간에서동일한 입력성형기를 이용한 입력성형기법은 목표지점에서의 잔류진동을 효과적으로 제거할 수 없음을 확인하였고, 이를 개선하기 위해 서보계의시간지연 특성 및 감속 시 발생되는 S-곡선 명령특성을 고려하여 개선된 입력성형기를 이용한 입력성형명령 생성 기법을 제안하였다. 이러한 방법을 통해 목표지점에서의 잔류진동을 효과적으로제거하였으며, 위치결정을 위한 모든 고유진동수에 대해 대응할 수 있는 입력성형기를 설계하는방법을 제안하였다.
먼저, 이동경로가 정해진 위치결정 동작을 위한 룩업 테이블을 생성하였으며, 고유진동수의 변화에 따라 자동으로 입력성형기에 의한 수정명령을 생성할 수 있는 알고리즘을 개발하였다.
본 논문에서는 ZV 성형기를 이용한 입력성형기법 적용 시 속도 프로파일을 총 일곱 개의 시간구간으로 구분 하였으며, 각 구간별 이동거리를이용하여 전체 위치결정을 위한 이동거리를 계산하였다. 본 논문에서 사용된 시 간구간은 기 준명령에 대해 입력성형기를 컨벌루션한 결과로부터 얻을 수 있다.
본 논문에서는 위치 결정 작업시 발생하는 시스템의 잔류진동을 제거하기 위해 ZV 성형기를사용하였으며, 입력성형기를 통한 수정 명령을 생성하기 위해 사용된 인자들은 Table 1 과 같다. 또한, 서보계의 제어 방식은 준폐루프 방식이다.
사용된 zv 성형기는 비교를 위해 고유 진동수가 30Hz 와 100Hz 인 두 가지 경우에 대해 설계되었다. Fig.
시스템의 고유진동수 변화에 따라 개선된 성형기를 설계하기 위해 본 논문에서는 실험을 통하여 보상치 를 계산하였으며, Fig. 10은 이 것에 대 한결과를 나타낸 것이다. 이렇게 얻어진 결과를 바탕으로 다양한 고유진동수 영역에 대해 계산을 할수 있었으며, 모든 영역에서 가속 및 감속구간에동일한 입력성형기를 적용한 기존의 입력성형기법보다 개선된 입력성형기법을 적용한 경우가 목표지점에서의 잔류진동이 더 효과적으로 제거됨을알 수 있다.
8 에 나타나는 일점쇄선과 같이 입력명령과 상이한 형태를 보여 주고 있다. 이러한 감속구간의 특성을 개선하기 위해 개선된 입력성형기법을 도입하였다. 이는 Fig.
생성 기법을 제안하였다. 이러한 방법을 통해 목표지점에서의 잔류진동을 효과적으로제거하였으며, 위치결정을 위한 모든 고유진동수에 대해 대응할 수 있는 입력성형기를 설계하는방법을 제안하였다.
이는 서보계의특성으로 인하여 지연된 감속구간에서의 명령 프로파일을 보상해 줄 수 있도록 실험적으로 획득된값이다. 이렇게 생성된 실제 명령 프로파일을 이용하여 XY 스테이지를 기존 ZV 성형기를 이용한동일한 명령 프로파일 형태로 구동하였다. 여기에서 실제 명령(Actual Command)은 모션 컨트롤러에서 서브 드라이브로 입력되는 명령이다.

대상 데이터

기준명령에 의한 이동거리는실선으로 나타내었고, XY 스테이지의 위치 응답에의한 실제 이동거리는 점선으로 나타내었다. XY 스테이지의 위치 응답을 획득하기 위해 본 논문에서는 서보모터의 엔코더 신호를 이용하였으며, 총이 동거리는 250mm 이다. 기 준명령 에 의해 계산된위치와 실제 이동위치의 차이를 Fig.
본 실험에서 사용된 P4와 P5 의 보상치는 기존 ZV 성형기를 이용하여 생성된 명령 프로파일을기준으로 각각 -15ms, -21ms 이다. 이는 서보계의특성으로 인하여 지연된 감속구간에서의 명령 프로파일을 보상해 줄 수 있도록 실험적으로 획득된값이다.
본 연구는 2007 년도 구미 전자 산업 진흥원에서 “지역 밀착형 산학 협력 촉진 사업” 소재.부품.
또한 XY 스테이지의 작업 테이블에는실제 작업 조건을 근사화하기 위해 적당한 질량이부착되어 있다. 본 연구에 사용된 질량은 10kg 이다. XY 스테이지는 석정반위에 고정되어 있으며모션 컨트롤러는 DSP 보드를 사용하였다.
1 은 본 연구에서 사용된 실험 장치에 대해 나타낸 것이다. 실험 장치의 구성은 산업 전반에서 위치결정 스테이지(Positioning Stage)로 널리사용되고 있는 XY 스테이지와 각 축을 구동하기위한 서보모터 그리고 LM 가이드 등으로 구성되어 있다. 또한 XY 스테이지의 작업 테이블에는실제 작업 조건을 근사화하기 위해 적당한 질량이부착되어 있다.

성능/효과

10은 이 것에 대 한결과를 나타낸 것이다. 이렇게 얻어진 결과를 바탕으로 다양한 고유진동수 영역에 대해 계산을 할수 있었으며, 모든 영역에서 가속 및 감속구간에동일한 입력성형기를 적용한 기존의 입력성형기법보다 개선된 입력성형기법을 적용한 경우가 목표지점에서의 잔류진동이 더 효과적으로 제거됨을알 수 있다.
이와 같은 결과들을 바탕으로 위 치결정 작업중, 특히 목표지점에서 발생하는 잔류진동을 효과적으로 제거할 수 있는 개선된 입력성형기를 설계할 수 있었으며 개선된 입력성형명령을 통해 목표지점에서의 잔류진동을 제거함으로써 위치결정 완료 시간을 단축시켜 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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