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문제 정의
- 연구에서는 선행 연구를 통해 구현된 실험 장치에서 계단 응답을 통한 선형 이송 스테이지에서의 6-DOF 성분의 동특성을 측정하고, 볼 스크류 스테이지의 이송 속도에 따른 테이블의 6-DOF 성분의 운동 특성을 실험적으로 측정하였고, 이러한 결과로부터 볼 스크류 스테이지의 운동 특성에 영향을 미치는 인자에 대해서 논의하였다.
- 회절격자 간섭계를 사용한 다자유도 운동오차 측정 시스템은 고분해능과 고속응답 특성을 가지고 있기 때문에 오차 측정과 동시에 스테이지의 다자유도 운동 특성 측정이 용이하다. 본 연구에서는 계단 이송 응답을 통해 압전소자 구동 나노 스테이지와 볼 스크류 구동 스테이지에서의 6-DOF 운동 특성과 슬라이드 테이블의 구동 속도에 따른 운동 특성을 측정하기 위해 두 종류의 선형 스테이지를 실험 대상으로 선정하였다.
- 본 연구에서는 미세 구동 영역에서 이송 속도에 따른 스테이지 운동 특성을 비교하기 위하여 스테이지에 X 방향으로 100 ㎛의 변위를 발생할 수 있도록 계단 입력을 인가하여 6-DOF 운동 특성을 측정하였다. 측정 결과, Fig.
제안 방법
- 선행연구를 통하여 Fig. 1 과 같이 각도센서와 회절격자 간섭계를 결합한 선형 스테이지에서의 6-DOF 운동오차 측정 장치를 제안하였다.
- PSD 는 그림 2에서와 같이 4개의 독립된 PD 로 구성되어 있다. 3축의 회전 운동오차와 선형 운동오차는(∆Y, ∆Z) 4개의 PSD에 Grating scale 로부터 회절 반사되어 입사되는 레이저 광원의 변위를 Ray tracing 방법으로 산출하여 각각의 운동오차로 환산하였다. PSD 입사되는 광원의 움직임을 선형 스테이지의 운동오차 발생량을 변위로 식(2) – (6)과 같이 나타내었다.
- 3 에 제시하였다. 제안된 측정 시스템은 선형 스테이지의 이송 시, 발생하는 운동오차를 실시간으로 측정할 수 있도록 설치되어 A/D 컨버터를 통해 모든 데이터를 수집하여, 실시간으로 운동오차를 모니터링 할 수 있게 구성되어 있다. 또한, 회전 운동오차의 비교군으로 오토콜리메이터를 설치 하였다.
- 제안된 측정 시스템은 선형 스테이지의 이송 시, 발생하는 운동오차를 실시간으로 측정할 수 있도록 설치되어 A/D 컨버터를 통해 모든 데이터를 수집하여, 실시간으로 운동오차를 모니터링 할 수 있게 구성되어 있다. 또한, 회전 운동오차의 비교군으로 오토콜리메이터를 설치 하였다. 본 실험에서 사용된 선형 스테이지는 측정 기준 센서인 레이저 간섭계를 사용하여 UMAC 제어기를 통해 X 방향에 대해서 되먹임 제어 루프가 구성되어 있고, 또한, 전류 측정 센서를 이용하여 실시간으로 모터에 가해지는 전류를 측정 하였다.
- 또한, 회전 운동오차의 비교군으로 오토콜리메이터를 설치 하였다. 본 실험에서 사용된 선형 스테이지는 측정 기준 센서인 레이저 간섭계를 사용하여 UMAC 제어기를 통해 X 방향에 대해서 되먹임 제어 루프가 구성되어 있고, 또한, 전류 측정 센서를 이용하여 실시간으로 모터에 가해지는 전류를 측정 하였다.
- 압전소자 구동 기반인 나노스테이지에 계단 응답 함수를 인가하여 위에서 제안된 측정 시스템으로 6-DOF 운동을 측정하였다. X 방향으로 5 ㎛의 변위를 발생할 수 있도록 계단 이송이 스테이지에 인가되었다.
- 주파수 응답과 더불어 대수 감쇠 방법을 도입 하여 시간 영역에서의 감쇠 응답을 통해 6-DOF 변위에 대해서 각각의 감쇠비를 계산하였다.14,15 앞서 언급한 바와 같이 X 와 Pitch 운동 방향에 대해서는 매우 큰 진동을 보여주었지만, 다른 운동 방향에 대해서는 매우 작은 변위를 보였기 때문에 X 와 Pitch 운동에 대한 감쇠비만을 정확히 얻을 수 있었다.
- 앞선 실험과 동일한 조건에서 볼 스크류 스테이지에 대한 실험을 수행하였다. 볼 스크류로 구동되는 슬라이드 테이블은 스크류와 볼의 구성 및, LM 가이드의 강성 및 마찰 특성이 반영되기 때문에 운동오차 및 운동특성을 평가하기가 매우 어렵다.
- 볼 스크류로 구동되는 슬라이드 테이블은 스크류와 볼의 구성 및, LM 가이드의 강성 및 마찰 특성이 반영되기 때문에 운동오차 및 운동특성을 평가하기가 매우 어렵다.16-21 본 연구에서도 측정 결과에 기반을 두어 측정된 변위를 역으로 유추하여 볼 스크류 스테이지의 운동 특성을 검토하였다. 볼 스크류 샤프트의 변형과 안내면과의 예압 조건을 각각의 위치마다 직접적으로 알기 어렵기 때문에, 본 논문에서는 특정 지점에서의 거동 및 동특성 규명에 초점을 두어 실험하였다.
- 16-21 본 연구에서도 측정 결과에 기반을 두어 측정된 변위를 역으로 유추하여 볼 스크류 스테이지의 운동 특성을 검토하였다. 볼 스크류 샤프트의 변형과 안내면과의 예압 조건을 각각의 위치마다 직접적으로 알기 어렵기 때문에, 본 논문에서는 특정 지점에서의 거동 및 동특성 규명에 초점을 두어 실험하였다.
- 다음으로 테이블 이송 속도에 따른 6-DOF 운동 특성 차이를 비교하였다. 실험 조건은 주 운동 방향(X) 이송 속도를 5 mm/s 와 0.
- 다음으로 테이블 이송 속도에 따른 6-DOF 운동 특성 차이를 비교하였다. 실험 조건은 주 운동 방향(X) 이송 속도를 5 mm/s 와 0.01 mm/s 로 설정 하였고, 다른 조건은 앞선 실험과 동일하게 설정 하였다. 이송 속도에 따른 테이블의 운동 변위를 실험적으로 측정하였다.
- 01 mm/s 로 설정 하였고, 다른 조건은 앞선 실험과 동일하게 설정 하였다. 이송 속도에 따른 테이블의 운동 변위를 실험적으로 측정하였다. 먼저, 두 조건에서 모터에 가해지는 전류를 Fig.
- 본 연구에서는 선행 연구를 통해 달성한 초정 밀 선형 스테이지에서의 6 자유도 운동오차 및 운동특성 측정용 각도 센서와 회절격자 간섭계를 이용하여 선형이송 테이블의 동특성을 분석하였다. 압전 구동 나노스테이지와 볼 스크류 스테이지에 대하여 측정 신호로부터 주파수 분석과 함께 선형 스테이지의 주 운동 방향을 포함한 6-DOF 운동을 동시에 측정할 수 있었다.
- 압전 구동 나노스테이지와 볼 스크류 스테이지에 대하여 측정 신호로부터 주파수 분석과 함께 선형 스테이지의 주 운동 방향을 포함한 6-DOF 운동을 동시에 측정할 수 있었다. 아울러서, 스테이지의 이송 방향 계단 입력에 대하여 각 방향으로의 동적 운동 전달에 따른 시스템 응답 특성의 측정을 수행하였다. 측정 결과, 선형 스테이지를 저속 이송시, 미세 이송 영역에서 스틱-슬립을 동반한 비 선형적인 마찰 특성이 반영된 복합 운동 특성을 확인할 수 있었다.
대상 데이터
- 본 측정 시스템은 광원(He-Ne), 회절격자(1200 grooves/mm), 4개의 PSD와 4개의 PD, 다수의 광학소자들로 구성되어 있고, 주요 사양은 Table 1에 정리되어 있다. PSD 는 그림 2에서와 같이 4개의 독립된 PD 로 구성되어 있다.
이론/모형
- 선형 오차(∆X)는 4개의 PD 로부터 원형 편광 간섭 기법을 이용하여 측정하였다. 이 기법은 PD에 들어오는 신호에 90도 간격의 편광을 이용하여 위상 지연을 두어 DC 옵셋을 제거하기 위한 방법이다.
성능/효과
- 03 arcsec. 임을 확인하였고, 제안된 측정 시스템은 선형 스테이지에서의 6-DOF 운동오차를 고정밀급 수준으로 측정할 수 있었으며, 레이저 간섭계와 오토콜리메이터의 결과와도 일치함을 선행연구를 통하여 확인하였다. 13 또한, 선형 스테이지의 구성 및 구동 방식이 운동오차 측정 결과와 상관관계가 있음을 알 수 있었다.
- 나노스테이지는 일반적으로 힌지 구조와 레버 기반의 구동 방식을 채택하고 있기 때문에 설계와 제조 오차에 따라 주 운동 방향에 대해서 타 방향 오차가 자주 나타난다. 그러나, 본 실험에서 사용한 나노스테이지에서는 계단 입력을 인가한 결과, Fig. 4 에서 보는 바와 같이 X와 Pitch 방향에 대해서 큰 진동 신호를 보였고, 다른 방향에 대해서는 일부 신호가 관찰되었으나 진동의 진폭을 크기를 정확히 측정할 수는 없었다.
- 6-DOF 변위 측정값을 이용하여 고속 푸리에 변환한 결과, 선행 연구에서와 같이 Pitch 운동 방향에 대해서 가장 큰 진폭이 확인되었고, 이는 Fig. 4 의 결과로도 설명이 가능하다. Pitch 운동에 대한 주파수 응답 결과는 Fig.
- 5 와 매우 유사한 결과를 보였기 때문에 Pitch 방향에 대한 결과만 수록하였다. 그 결과, 광학소자 마운트를 포함한 나노스테이지의 각 방향에 대해서, X, Y, Z, Pitch, Yaw, Roll 방향의 고유 진동수는 각각 85.3 Hz, 82.7 Hz, 86.7 Hz, 86.0 Hz, 86.0 Hz, 86.7 Hz 로 측정되었다.
- 14,15 앞서 언급한 바와 같이 X 와 Pitch 운동 방향에 대해서는 매우 큰 진동을 보여주었지만, 다른 운동 방향에 대해서는 매우 작은 변위를 보였기 때문에 X 와 Pitch 운동에 대한 감쇠비만을 정확히 얻을 수 있었다. 계산 결과, 본 실험에서 사용된 나노스테이지는 X 와 Pitch 운동 방향 모두 동일하게 0.022 의 감쇠비를 갖고 있음을 확인할 수 있었다. 이로써 X 방향의 운동 특성이 Pitch 방향에 가장 많이 전사되고 있다고 할 수 있다.
- 본 연구에서는 미세 구동 영역에서 이송 속도에 따른 스테이지 운동 특성을 비교하기 위하여 스테이지에 X 방향으로 100 ㎛의 변위를 발생할 수 있도록 계단 입력을 인가하여 6-DOF 운동 특성을 측정하였다. 측정 결과, Fig. 6 에서와 같이 Y 와 Roll 방향으로 변위가 상대적으로 많이 발생하였음을 알 수 있었다. 이는 스크류의 회전 운동이 볼 너트에서의 회전 마찰력을 통해 테이블에 전달 되어 나타나는 것으로 볼 수 있다.
- 이는 스크류의 회전 운동이 볼 너트에서의 회전 마찰력을 통해 테이블에 전달 되어 나타나는 것으로 볼 수 있다. 또한, 계단 입력이 스테이지에 가해진 직후, Z 와 Pitch 운동 측정 결과에서 발생된 변위가 약 6 초에 걸쳐 매우 천천히 임의의 특정 변위 값으로 수렴됨을 확인하였다. 이것은 Fig.
- 8 과 같이 측정하였다. 그 결과, 5 mm/s 테이블 속도에서는 시간이 증가하면서 모터에 가해지는 전류가 선형적으로 증가하다가 약 6 초 이후에 특정 값으로 수렴되는 경향을 보였으며, 0.01 mm/s 테이블 속도에서는 모터에 가해지는 전류가 꾸준히 증가하고 있음을 확인할 수 있었다. 두 조건에서 측정된 6-DOF 변위는 Fig.
- 전체적으로 저속 이송의 경우 매우 작은 신호의 변동을 확인할 수 있었다. 특히, X 방향의 변위 결과로부터 고속 이송의 경우 테이블 이 시간에 따라 등속으로 이송하고 있음을 확인할 수 있다. 저속의 경우, 수십 마이크로미터 영역에서 마찰을 극복하면서 정방향으로 진행하는 이송 과 비선형 특성에 의해 역방향으로 움직이는 현상이 결합되어 복합적인 운동을 한다는 것을 측정 결과로부터 유추할 수 있다.
- 압전 구동 나노스테이지와 볼 스크류 스테이지에 대하여 측정 신호로부터 주파수 분석과 함께 선형 스테이지의 주 운동 방향을 포함한 6-DOF 운동을 동시에 측정할 수 있었다.
- 아울러서, 스테이지의 이송 방향 계단 입력에 대하여 각 방향으로의 동적 운동 전달에 따른 시스템 응답 특성의 측정을 수행하였다. 측정 결과, 선형 스테이지를 저속 이송시, 미세 이송 영역에서 스틱-슬립을 동반한 비 선형적인 마찰 특성이 반영된 복합 운동 특성을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 연구에서 제안된 각도 센서와 회절격자 간섭계를 결합한 6 자유도 운동오차 측정 장치를 모듈화, 소형화 시킬 경우 초정밀급 선형 스테이지의 운동오차 측정 및 보상 시스템 개발에 적극 활용할 수 있을 것으로 기대 된다.
후속연구
- 측정 결과, 선형 스테이지를 저속 이송시, 미세 이송 영역에서 스틱-슬립을 동반한 비 선형적인 마찰 특성이 반영된 복합 운동 특성을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 연구에서 제안된 각도 센서와 회절격자 간섭계를 결합한 6 자유도 운동오차 측정 장치를 모듈화, 소형화 시킬 경우 초정밀급 선형 스테이지의 운동오차 측정 및 보상 시스템 개발에 적극 활용할 수 있을 것으로 기대 된다.
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