[논문]6-자유도 초정밀 위치 결정 스테이지의 비선형성 식별을 위한 로스트 모션 해석

신현표; 문준희

doi:10.7736/kspe.2015.32.3.263

6-자유도 초정밀 위치 결정 스테이지의 비선형성 식별을 위한 로스트 모션 해석
Lost Motion Analysis for Nonlinearity Identification of a 6-DOF Ultra-Precision Positioning Stage 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.32 no.3, 2015년, pp.263 - 268

신현표 (동양미래대학교 로봇자동화공학부) , 문준희 (유한대학교 메카트로닉스학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes lost motion analysis for a novel 6-DOF ultra-precision positioning stage. In the case of flexure hinge based precision positioning stage, lost motion is generated when the displacement of actuator is not delivered completely to the end-effector because of the elasticity of flexure hinge. Consequently, it is need to compute amount of lost motion to compensate the motion or to decide appropriate control method for precision positioning. Lost motion analysis for the vertical actuation unit is presented. The analysis results are presented in two ways: analytic and numerical analyses. It is found that they closely coincide with each other by 1% error. In finite element analysis result, the amount of lost motion is turned out to be about 3%. Although, the amount is not so large, it is necessary procedure to check the lost motion to establish the control method.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 플렉셔 힌지 병렬 기구 기반의 6-자유도 정밀위치결정기구에 대한 비선형성 식별을 수행하였다. 플렉셔 힌지의 자체 탄성으로 인해 엑추에이터의 운동이 일정 부분 감소되어 전달되는 것이 로스트 모션이다.

제안 방법

플렉셔 힌지의 자체 탄성으로 인해 엑추에이터의 운동이 일정 부분 감소되어 전달되는 것이 로스트 모션이다. 그러므로, 정확한 위치 결정을 하기 위해 수직 구동 유닛에 대해 각 힌지의 강성을 고려한 로스트 모션 해석을 수행하였다.
로스트 모션을 계산하여 이동거리를 보상해 주는 것이 본 연구의 목표이지만 본 정밀 스테이지의 경우 그 양이 적어서 제어를 폐루프 제어에 의해 보상이 되도록 하였다. 그러나, 로스트 모션을 계산하는 것은 어떠한 제어를 해야 할지 판단하는데 도움이 되며, 제어를 수행하기에 앞서 선행되어야 하는 중요한 과정임을 알 수 있다.
본 논문에서는 고정밀 내하중성을 동시에 갖춘플렉셔-병렬 기구 기반의 6-자유도 정밀위치결정기구에 대한 비선형성 및 동역학 식별을 수행하였다. 플렉셔 힌지와 PZT를 적용한 기구의 경우 힌지강성으로 인해 로스트 모션이 발생할 수 있으며, 힌지는 스테이지의 동적 성능을 결정하는 주요 요소이다.
본 연구의 6-DOF 스테이지는 공간 활용도를 높이고 각 구동 유닛이 하중을 균일하게 분담하며 틸트 모션 범위 향상에 강조점을 두도록 설계되었다.
인플레인 운동(In-plane motion)과 아웃 오브플레인 운동(Out-of-plane motion)을 담당하는 수평 구동 유닛과 수직 구동 유닛이 서로 이중 삼각형 구조를 이루도록 배치하였다. 수평 구동 유닛과 수직 구동 유닛이 각각 내부와 외부의 삼각형을 이루도록 배치함으로써 z-회전 범위와 x, y틸트의 민감도가 최대화 되도록 했으며, 동시에 웨이퍼 접합과 같은 수직 방향의 하중에 대해 안정적으로 지지할 수 있도록 하였다. 이중 삼각형 구조는 중앙에 홀을 만들 수 있으므로 스테이지 중앙 부분에 광학 모듈을 관통 장착하는 것이 가능하다는 장점이 있다.
수평 구동 유닛의 로스트 모션의 경우 스테이지의 하중 지지 구조상 수직 구동기에서 발생되는 로스트 모션 보다 상대적으로 매우 작은 수준이므로 수직 구동 유닛의 로스트 모션을 계산하였다.
⁹Liang et al.은 6-자유도 병렬기구 방식의 플렉셔 힌지 스테이지를 설계하고 힘센서를 통합하여 피드백 제어를 하고, 강성 및 작업영역 해석을 수행하였다.¹⁰
⁸ Choi et al.은 모션 증폭 메카니즘의 최적 설계를 수행하고 Preisach model feedforward와 PID피드백 제어기를 설계하여 정밀 모션을 구현하였다.⁹Liang et al.
1에 나타나 있다. 인플레인 운동(In-plane motion)과 아웃 오브플레인 운동(Out-of-plane motion)을 담당하는 수평 구동 유닛과 수직 구동 유닛이 서로 이중 삼각형 구조를 이루도록 배치하였다. 수평 구동 유닛과 수직 구동 유닛이 각각 내부와 외부의 삼각형을 이루도록 배치함으로써 z-회전 범위와 x, y틸트의 민감도가 최대화 되도록 했으며, 동시에 웨이퍼 접합과 같은 수직 방향의 하중에 대해 안정적으로 지지할 수 있도록 하였다.

대상 데이터

이중 삼각형 구조는 중앙에 홀을 만들 수 있으므로 스테이지 중앙 부분에 광학 모듈을 관통 장착하는 것이 가능하다는 장점이 있다. 스테이지를 구동하기 위한 엑추에이터와 센서는 분해능 및 응답속도가 빠르고 백래쉬가 없는 PZT와 서브나노급 분해능으로 운동을 감지할 수 있는 정전용량 갭 센서를 각각 사용하였다. 각 구동 유닛 및 센서의 배치는 Fig.

이론/모형

또한, 이론식과 유한요소해석을 통해 수직 구동 유닛의 로스트 모션을 해석한 결과가 Table 1에 제시되어 있다. 유한요소해석 소프트웨어는 ANSYS를 적용했다.

성능/효과

3개의 센서는 스테이지 바닥면에 수평이 되도록 배치되어 인플레인 운동을 감지하고, 3개의 센서는 스테이지 바닥면을 기준으로 수직으로 배치되어 아웃오브플레인 운동을 감지한다. 각 센서는 엔드이펙터의 움직임을 높은 정밀도로 감지하기 위해 직각이 되도록 설계 되었고, 센서와 마주하는 면은 센싱 오차를 줄이기 위해 표면 조도가 높게 가공되었다. 총 6개의 센서를 통해 스테이지의 움직임을 감지함으로써 폐루프 제어를 하게 된다.
제시된 이론식의 계산 결과와 유한요소해석을 적용한 결과가 1% 이내의 오차로 일치함을 확인할 수 있었다. 또한, 구동 목표치와 실제 구동거리의 차이가 유한요소해석 결과를 기준으로 3% 정도임을 알 수 있었다.
분석적·수치적 로스트 모션 해석을 통해 실제로 아웃오브플레인 운동을 담당하는 수직 구동 유닛 내에서 로스트 모션이 발생함을 확인하였다.
분석적·수치적 로스트 모션 해석을 통해 실제로 아웃오브플레인 운동을 담당하는 수직 구동 유닛 내에서 로스트 모션이 발생함을 확인하였다. 제시된 이론식의 계산 결과와 유한요소해석을 적용한 결과가 1% 이내의 오차로 일치함을 확인할 수 있었다. 또한, 구동 목표치와 실제 구동거리의 차이가 유한요소해석 결과를 기준으로 3% 정도임을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	위치 결정스테이지의 주된 역할은 무엇인가?	마이크로/나노 위치결정은 광파이버 정렬, 웨이퍼 정렬, 마이크로 가공 등의 분야에서 많은 관심을 끌어 왔다. 1 이러한 적용들에 있어 위치 결정스테이지의 주된 역할은 물체를 마이크로/나노 정밀 도로 조작하고 위치시키는 것이다. 2,3 특히, 웨이퍼 정렬과 같이 두께 편차가 존재하는 웨이퍼를 정밀 정렬하고 높은 압력을 가하는 공정의 경우 높은 분해능과 내하중성과 같이 동시에 만족시키기 어려운 요구 사항들이 존재한다.
	PZT가 별도의 운동 증폭 메카니즘과 함께 사용되는 이유는 무엇인가?	정밀위치결정 장치에 사용되는 엑추에이터로써, PZT(Lead zirconate titanate)는 빠른 주파수 응답성, 높은 강성, 높은 분해능, 부드러운 운동 등의 특성으로 인해 정밀 위치결정에 적합하다. 그러나 최대 운동 범위가 엑추에이터 자체 길이 대비 0.1%정도로 제한되어 별도의 운동 증폭 메카니즘과 함께 사용되는 경우가 많다.
	병렬 기구 매니퓰레이터의 장단점은 무엇인가?	반면, 운동을 바꾸고 전달하기 위해 탄성 변형을 사용하는 컴플라이언트 기구 (Compliant mechanism)는 마모, 마찰, 백래쉬 등이 존재하지 않아서 좋은 반복정밀도를 제공한다. 4,5또한, 병렬 기구 매니퓰레이터의 경우 직렬 기구에 비해 작업영역이 좁고, 제어가 복잡해진다는 단점이 있지만 높은 강성, 낮은 관성, 높은 하중지지력, 고정밀 등에 있어 유리하다. 6,7

참고문헌 (10)

Yang, R., Jouaneh, M., and Schweizer, R., "Design and Characterization of a Low-Profile Micropositioning Stage," Precision Engineering, Vol. 18, No. 1, pp. 20-29, 1996.

상세보기
Chen, M.-Y., Huang, S.-C., Hung, S.-K., and Fu, L.- C., "Design and Implementation of a New Six-Dof Maglev Positioner with a Fluid Bearing," IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 16, No. 3, pp. 449-458, 2011.

상세보기
Chang, S. and Du, B., "A Precision Piezodriven Micropositioner Mechanism with Large Travel Range," Review of Scientific Instruments, Vol. 69, No. 4, pp. 1785-1791, 1998.

상세보기
Yao, Q., Dong, J., and Ferreira, P. M., "Design, Analysis, Fabrication and Testing of a Parallel- Kinematic Micropositioning XY Stage," International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 47, No. 6, pp. 946-961, 2007.

상세보기
Moon, J. H., Park, J. H., and Pahk, H. J., "Design and Modeling of a 6-dof Stage for Ultra-Precision Positioning," J. Korean. Soc. Precis. Eng., Vol. 26, No. 6, pp. 106-113, 2009.
Kim, H. S., Cho, Y. M., and Moon, J. H., "Active vibration control using a Novel Three-Dof Precision Micro-Stage," Smart Materials and Structures, Vol. 19, No. 5, Paper No. 055001, 2010.

상세보기
Shin, H., Lee, S., Jeong, J. I., and Kim, J., "Antagonistic Stiffness Optimization of Redundantly Actuated Parallel Manipulators in a Predefined Workspace," IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 18, No. 3, pp. 1161-1169, 2013.

상세보기
Choi, K.-B. and Lee, J. J., "Passive Compliant Wafer Stage for Single-Step Nano-Imprint Lithography," Review of Scientific Instruments, Vol. 76, No. 7, Paper No. 075106, 2005.
Choi, S., Han, S., and Lee, Y., "Fine Motion Control of a Moving Stage using a Piezoactuator Associated with a Displacement Amplifier," Smart Materials and Structures, Vol. 14, No. 1, Paper No. 222, 2005.

상세보기
Liang, Q., Zhang, D., Chi, Z., Song, Q., Ge, Y., and Ge, Y., "Six-Dof Micro-Manipulator based on Compliant Parallel Mechanism with Integrated Force Sensor," Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, Vol. 27, No. 1, pp. 124-134, 2011.

상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증