[논문]모션프로파일의 주파수분석을 통한 웨이퍼 이송로봇의 진동성능 향상

신동원; 윤장규

doi:10.7736/kspe.2014.31.8.697

모션프로파일의 주파수분석을 통한 웨이퍼 이송로봇의 진동성능 향상
Improvement of Vibration Performance for Wafer Transfer Robot using Frequency Analysis of Motion Profile 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.31 no.8, 2014년, pp.697 - 703

신동원 (금오공과대학교 기계시스템공학과) , 윤장규 (금오공과대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is study of solving vibration problem occurred in moving hand of wafer transfer robot in semiconductor manufacturing line. Long settling time for decreasing vibration makes low production rate, and moreover the excessive vibration of hand sometimes breaks the wafer in a cassette. The ways of reducing the moving speed and changing the type of motion profile did not help for lessening vibration. Therefore, we analyzed the mechanical property of the hand such as natural frequency, and frequency component of the motion profile currently used in the manufacturing line. In several conditions of motion profile, we found the best condition of which the frequency component in near of natural frequency of the hand is minimal and this induced small vibration in moving hand. The results were verified theoretically and experimentally using frequency analysis.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구는 실제 반도체 생산라인 상에서 웨이퍼이송로봇(wafer transfer robot)의 웨이퍼 이송 중에 발생하는 진동문제의 해결에 대한 연구이다. 일반적으로 웨이퍼 이송로봇은 시작 카세트 슬럿(Slot)에서 웨이퍼를 꺼내 핸드(hand)에 올려놓고 도착카세트 슬럿에 넣는 작업을 반복하게 된다.
본 연구는 이러한 문제를 해결하기 위하여 로봇의 기계적 특성과 모션프로파일을 분석하여 로봇에 적합한 모션프로파일 조건을 제시하였다.
본 연구에서는 반도체 생산라인 상에서 웨이퍼 이송로봇의 핸드에서 발생하는 진동문제를 해결하기 위하여 로봇의 기계적 특성과 모션프로파일을 분석하여 로봇에 적합한 모션프로파일을 구하고 이를 실험을 통하여 확인하였다.

제안 방법

입력성형기법을 적용한 연구 중에 정밀XY스테이지와 3차원측정기에 적용하여 잔류진동을 효과적으로 제거한 연구가 있다.⁵또한, 액체를 운반하는 용기를 빠른 속도로 이송시킴에 따라 발생하는 슬로싱의 고유진동수를 입력성형기법에 적용하여 액체 용기의 속도프로파일을 설계한 연구도 진행되었다.⁶ 생산용 장비 및 설비의 고속화와 고성능화를 위한 구동모션프로파일로 저진동고속특성을 가진 개선된 5차 모션프로파일을 설계하여, 구동부의 잔류 진동을 줄여서 정착시간을 감소시킨 연구도 진행되었다.
Fig. 3과 같이 임펄스망치로 핸드 1, 3에 임펄스을 발생시켜 Fig. 3, 4, 5, 6과 같이 측정소프트웨어로 진폭 및 고유진동수를 측정하였다. Fig.
이를 위하여 웨이퍼이송로봇 핸드에 임펄스충격실험을 하여 핸드의 고유진동수를 구하였다. 로봇의 최대속도의 10%, 60%, 70% 에 해당하는 정속속도의 모션프로파일에 대하여 가속도 성분의 주파수 성분을 구하였으며, 특히 핸드의 고유진동수 부근에서의 각 모션프로파일의 주파수성분을 세밀히 분석하였다. 그 결과 70% 모션프로파일이 고유 진동수부근에서 가장 낮은 주파수응답을 가지고 있음을 확인하였다.
실험은 진동이 크게 발생하는 웨이퍼가 없는 상태에서 핸드 1, 3에 대해서 임펄스 충격실험을 하고, 이를 통하여 고유진동수를 획득하고 고유진동수를 기준으로 관심주파수대역을 설정하였다.
1과 같이 4개의 핸드를 가진 웨이퍼이송로봇 의 핸드1, 3에서 진동이 크게 발생하여 상기에서 언급한 문제가 발생하였다. 이러한 문제를 해결하기 위해 속도프로파일을 사다리꼴에서 S커브로 변경하고, 정속속도를 줄이고, 서보드라이브의 게인 튜닝 및 기계의 결합상태를 재점검하였으나, 진동이 줄어들지 않았다. 심지어 모션프로파일의 정속속도를 최대속도의 10 %로 대폭 줄인 모션프로파일을 사용하였으나 진동이 증가하였다.
이어 최대속도의 10 %, 60 %, 70 %에 해당하는 모션프로파일에 대한 주파수분석을 하여 각 모션프로파일이 관심주파수대역 에서 가지는 성분을 확인하였다. 이를 바탕으로 실험에서 각 모션프로파일로 웨이퍼이송로봇을 이송하여 웨이퍼의 진동을 측정하였다.
이를 위하여 웨이퍼이송로봇 핸드에 임펄스충격실험을 하여 핸드의 고유진동수를 구하였다. 로봇의 최대속도의 10%, 60%, 70% 에 해당하는 정속속도의 모션프로파일에 대하여 가속도 성분의 주파수 성분을 구하였으며, 특히 핸드의 고유진동수 부근에서의 각 모션프로파일의 주파수성분을 세밀히 분석하였다.
이번 실험에서는 Z, T, Y축의 3축을 동시에 이송하여 도착위치에서의 진동(T축방향)을 센서로 측정하였다. 모션프로파일은 4장에서 언급한 Fig.
3장에서 핸드1, 3에 대한 고유진동수를 측정하여 관심주파수대역을 설정하였다. 이어 Table 2와 같이 각 축의 모션조건을 설정하고 최대속도의 10 %, 60 %, 70 %에 해당하는 정속속도를 가진 Z, T, Y모션프로파일을 구성하였다. 이를 도시하면 Fig.
시작위치에서 도착위치까지의 이송은 3축(Y, T, Z)을 동시에 구동하되, Y축으로 이송되면서 동시에 Z축으로 올라가고, T축으로 180도 회전하는 동작을 한다. 이어 최대속도의 10 %, 60 %, 70 %에 해당하는 모션프로파일에 대한 주파수분석을 하여 각 모션프로파일이 관심주파수대역 에서 가지는 성분을 확인하였다. 이를 바탕으로 실험에서 각 모션프로파일로 웨이퍼이송로봇을 이송하여 웨이퍼의 진동을 측정하였다.
심지어 모션프로파일의 정속속도를 최대속도의 10 %로 대폭 줄인 모션프로파일을 사용하였으나 진동이 증가하였다. 이에 본 논문에서 그 원인을 파악하고 해결책을 제시하고자 임펄스충격실험을 통해 핸드1, 3의 고유진동 수를 측정 및 분석하고, 최대속도의 10%, 60%, 70%에 해당하는 정속속도를 가진 모션프로파일의 주파수분석을 하고, 이를 토대로 하여 각각의 속도에 따른 진동의 최대진폭을 측정하여 진동이 최소로 되는 모션프로파일의 조건과 그 이유를 분석하였다.

대상 데이터

이번 실험에서는 Z, T, Y축의 3축을 동시에 이송하여 도착위치에서의 진동(T축방향)을 센서로 측정하였다. 모션프로파일은 4장에서 언급한 Fig. 10과 같은 Z, T, Y축 10 %, 60 %, 70 % 모션프로파일을 사용하였다. 3개의 로봇에 반복실험 후 실험결과를 Table 3에 정리하였다.
진동의 측정은 로봇의 4개의 핸드 중에서 진동이 크게 발생한 1, 3번의 핸드에 대하여 실험하였으며, 핸드의 재질은 경량화를 위한 CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic)재질이다.

성능/효과

Table 3을 보면 Robot1에서 70 % 모션프로파일에 의한 핸드1와 핸드3의 진동이 150 µm, 200 µm으로 기존모션프로파일인 60 %모션프로파일에 의한 핸드1, 3의 진동보다 62.5 %, 60 %가 감소하였으며, Robot2에서 70 % 모션프로파일에 의한 핸드1와 핸드3의 진동이 160µm, 100 µm으로 기존모션프로파일인 60 %모션프로파일에 의한 핸드1, 3의 진동보다 68.75 %, 0 %가 감소하였다 또한 Robot3에서 70 % 모션프로파일에 의한 핸드1와 핸드3의 진동이 250 µm, 400 µm으로 기존모션프로파일인 60 %모션프로파일에 의한 핸드1, 3의 진동보다 20 %, 75 %가 감소하였다.
그 결과 70% 모션프로파일이 고유 진동수부근에서 가장 낮은 주파수응답을 가지고 있음을 확인하였다. 각 모션프로파일을 사용한 실험을 통해 진동을 측정하여 70% 모션프로파일에서 진동이 가장 작게 나옴을 확인하였다.
로봇의 최대속도의 10%, 60%, 70% 에 해당하는 정속속도의 모션프로파일에 대하여 가속도 성분의 주파수 성분을 구하였으며, 특히 핸드의 고유진동수 부근에서의 각 모션프로파일의 주파수성분을 세밀히 분석하였다. 그 결과 70% 모션프로파일이 고유 진동수부근에서 가장 낮은 주파수응답을 가지고 있음을 확인하였다. 각 모션프로파일을 사용한 실험을 통해 진동을 측정하여 70% 모션프로파일에서 진동이 가장 작게 나옴을 확인하였다.
711 Hz으로 측정되었다. 로봇 3대에 대하여 각각 실험한 결과의 평균을 Table 1과 같이 정리하여 핸드1의 1차 고유진동수는 22.401 Hz, 2차 고유진동수는 38.399 Hz으로, 핸드3의 1차 고유진동수는 22.202 Hz, 2차 고유진동수는 38.619 Hz으로 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	웨이퍼가 있는 상태란?	이러한 작업 중에 웨이퍼가 있을 때의 이송과 없을 때의 이송의 두가지 경우가 발생한다. 웨이퍼가 있는 상태란 핸드에 웨이퍼를 장착하고 시작 카세트를 출발하여 도착 카세트 앞에서 정지하기까지의 상태이고, 웨이퍼가 없는 상태란 웨이퍼가 없이 도착 카세트를 출발하여 시작 카세트 앞에서 정지하기까지의 상태이다.
	기구부의 구조변경의 단점은 무엇인가?	이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 기구부의 구조를 변경하거나 모션프로파일을 입력성형하거나, 모션프로파일을 변경하는 방법이 있다.1-4 기구부의 구조변경은 비용이 많이 드는 경우가 많고 이미 개발된 장비에는 구조변경이 어렵다. 그래서 이미 개발된 장비의 진동을 줄이는 방법으로 모션프로파일을 성형하는 입력성형과 모션프로파일을 변경하는 방법이 지속적으로 연구되어 산업현장장비에 적용되고 있다.
	산업현장에서 물건을 이송하거나 경로를 따라 이동하는 장비에 발생하는 진동의 문제점은 해결하는 방법은 어떤 것들이 있는가?	산업현장에서 물건을 이송하거나 경로를 따라 이동하는 장비에 발생하는 진동은 물건을 파손하거나 생산품의 품질을 떨어뜨리고 생산속도에도 악영향을 미친다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 기구부의 구조를 변경하거나 모션프로파일을 입력성형하거나, 모션프로파일을 변경하는 방법이 있다.1-4 기구부의 구조변경은 비용이 많이 드는 경우가 많고 이미 개발된 장비에는 구조변경이 어렵다.

참고문헌 (8)

Biagiotti, L. and Melchiorri, C., "Trajectory Planning for Automatic Machines and Robots," Springer, pp. 59-87, 265-289, 2008.
Yoon, J. K. and Shin, D. W., "A Research for Comparative Analysis of Various Motion Profile," Proc. of KSPE Spring Conference, pp. 83-84, 2012.
Yoon, J. K. and Shin, D. W., "Improvement of Vibration Performance for Wafer Transfer Robot using Motion Profile," Proc. of KSPE Spring Conference, pp. 53-54, 2013.
Yim, J. C., Ahn, T. K., and Cho, J. K., "Reduction of Residual Vibration in Wafer Positioning System using Input Shaping," Proc. of KSNVE Autumn Conference, pp. 559-563, 2005.
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Kim, D. J., Hong, S. W., and Kim K. J., "Velocity Profile Design of Liquid Tank Considering Sloshing Natural Frequencies," Proc. of KSMTE Conference, Paper No. 19, 2013.
So, B. K., Tae, W. H., and Kim, J. H., "Development of Improved 5th Order Motion Profile for Low Vibration and High Speed," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 29, No. 10, pp. 1110-1118, 2012.

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Lim, C. Y. and Shin, D. W., "The Design of Predefined Motion Profiles with Input Shaping," Proc. of KSPE Autumn Conference, pp. 179-180, 2011.

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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