[논문]코깅힘 저감 방법을 적용한 선형모터로 구성되는 Pick & Place 모듈

정명진

doi:10.7471/ikeee.2020.24.3.735

코깅힘 저감 방법을 적용한 선형모터로 구성되는 Pick & Place 모듈
Pick & Place Module consist of Linear Motor using Cogging Force Reduction Method 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.24 no.3, 2020년, pp.735 - 742

정명진 (Dept. of Mechatronics Engineering, Korea Polytechnic University)

초록
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반도체 부품을 생산 및 검사하기 위한 다양한 공정 장비에서 상하직선운동과 회전운동을 동시에 수행하기 위한 Pick & Place 모듈이 핵심 모듈로 사용되고 있다. 기존의 Pick & Place 모듈은 회전운동을 직선운동으로 변환하는 변환장치를 사용하여 시스템의 정밀도 및 내구성이 저하되고 모듈의 크기와 무게가 증가되는 단점이 있다. 본 연구에서는 이와 같은 단점을 개선하여 변환장치 없이 상하직선운동을 구현하며, 평균 추력과 이동거리에 제한이 없는 선형모터를 적용한 Pick & Place 모듈을 제안하였다. 체적대비 추력비가 큰 코어 방식의 선형모터를 설계하기 위한 파라미터를 선정하고, 자기해석을 통해 설계 파라미터 변화에 따른 코깅힘의 영향을 분석하여 평균 추력을 유지하며 코깅힘을 저감할 수 있는 설계 파라미터 값을 선정하였다. 제작된 선형모터로 구성되는 Pick & Place 모듈에 대해 평균 추력 및 코기힘을 측정하여 설계값과 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The pick & place module is used as a core module in the process equipment for producing and inspecting semiconductor components. The conventional pick & place module has the disadvantage that the precision and durability of the system are reduced and the size and weight of the module are increased by using a conversion device that converts rotary motion into linear motion. In this study, we proposed a pick & place module that implements up-and-down linear motion without a conversion device by improving such disadvantage and employs a linear motor with no limit on average thrust and travel distance. Design parameter values, that can reduce cogging force while maintaining average thrust by selecting parameters for designing a core type linear motor with a large thrust to volume ratio and analyzing the effect of cogging force according to design parameter changes through magnetic analysis, was selected. Average thrust and cogging force were measured for the pick & place module composed of the manufactured linear motor and compared with the design values.

주제어

표/그림 (23)

그림 Fig. 1. Configuration of Pick & Place Module. 그림 1. Pick & Place 모듈 구성도
그림 Fig. 2. Define of design parameter of linear motor. 그림 2. 선형모터의 설계 파라미터 설정
그림 Fig. 3. Magnetic analysis model according to backiron length: (a) L=24mm, (b) L=28mm. 그림 3. Backiron 길이에 따른 자기해석 모델： (a) L=24mm, (b) L=28mm
그림 Fig. 4. Magnetic flux distribution according to backiron length: (a) L=24mm, (b) L=28mm. 그림 4. Backiron 길이에 따른 자속 분포： (a) L=24mm, (b) L=28mm
그림 Fig. 5. Cogging force in the stroke according to backiron length: (a) L=24mm, (b) L=28mm. 그림 5. Backiron 길이에 따른 이동거리에서 코깅힘： (a) L=24mm, (b) L=28mm
그림 Fig. 6. Magnetic analysis model according to bump height: (a) H=1.5mm, (b) H=2.5mm. 그림 6. Bump 높이에 따른 자기해석 모델： (a) H=1.5mm, (b) H=2.5mm
그림 Fig. 7. Magnetic flux distribution according to bump height: (a) H=1.5mm, (b) H=2.5mm. 그림 7. Bump 높이에 따른 자속 분포： (a) H=1.5mm, (b) H=2.5mm
그림 Fig. 8. Cogging force in the stroke according to bump height: (a) H=1.5mm, (b) h=2.5mm. 그림 8. Bump 높이에 따른 코깅힘： (a) H=1.5mm, (b) H=2.5mm
그림 Fig. 9. Magnetic analysis model according to tooth champer width: (a) W=0.4mm, (b) W=0.8mm. 그림 9. Chamfer 폭에 따른 자기해석 모델： (a) W=0.4mm, (b) W=0.8mm
그림 Fig. 10. Magnetic flux distribution according to tooth chamfer width: (a) W=0.4mm, (b) W=0.8mm. 그림 10. Chamfer 폭에 따른 자속 분포： (a) W=0.4mm, (b) W=0.8mm
그림 Fig. 12. Cogging force according to relative skew length of magnet and coil. 그림 12. 자석-코일의 상대 skew 길이에 따른 코깅힘
그림 Fig. 11. Cogging force in the stroke according to tooth chamfer width: (a) W=0.4mm, (b) W=0.8mm. 그림 11. Chamfer 폭에 따른 코깅힘： (a) W=0.4mm, (b) W=0.8mm
표 Table 1. Cogging force and average trust force according to rleative skew length. 표 1. 상대 skew 길이에 따른 코깅힘 및 평균추력
표 Table 2. Designed linear motor parameter value. 표 2. 설계된 선형모터 파라미터 값
그림 Fig. 13. Model of structural analysis. 그림 13. 구조해석 모델
그림 Fig. 14. Structual analysis of stator core; (a) stress distribution, (b) strain. 그림 14. 고정자 코어에 대한 구조해석 결과： (a) 응력분포, (b) 변형량
표 Table 3. Specifications of designed linear motor. 표 3. 설계된 선형모터 사양
표 Table 4. Mechanical material properties of S45C. 표 4. 재질(S45C)의 기계적인 물성값
그림 Fig. 16. Manufactured Pick & Place Module. 그림 16. 제작된 Pick & Place 모듈
그림 Fig. 17. Experimental setup for measurement of trust force. 그림 17. 추력을 측정하기 위한 실험장치
그림 Fig. 15. Structual analysis of mover backiron: (a) stress distribution, (b) strain. 그림 15. 이동자 backiron에 대한 구조해석 결과： (a) 응력분포, (b) 변형량
그림 Fig. 18. Experimental results: (a) trust force according to moving length, (b) trust force according to current. 그림 18. 실험 결과：(a) 이동거리에 따른 추력, (b) 인가 전류에 따른 추력
표 Table 4. Specifications of manufactured linear motor. 표 4. 제작된 선형모터 사양

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

문제 정의

본 연구에서는 기존의 Pick & Place 모듈에서 사용하는 변환장치 없이 상하직선운동을 구현하며, 평균 추력과 이동거리의 제한을 극복하기 위해 선형모터를 적용한 Pick & Place 모듈을 제안하였다. Pick & Place 모듈에서 요구되는 평균추력 확보 및 코깅힘 저감을 위해 코어 방식의 선형모터에 대한 자기해석을 통해 설계 파라미터 변화에 따른 평균 추력 및 코깅힘의 영향을 분석하여 설계 파라미터 값을 선정하고, 설계된 선형모터의 구조 안정성을 검증하기 위해 구조해석을 수행하였다.

제안 방법

본 연구에서는 기존의 Pick & Place 모듈에서 사용하는 변환장치 없이 상하직선운동을 구현하며, 평균 추력과 이동거리의 제한을 극복하기 위해 선형모터를 적용한 Pick & Place 모듈을 제안하였다. Pick & Place 모듈에서 요구되는 평균추력 확보 및 코깅힘 저감을 위해 코어 방식의 선형모터에 대한 자기해석을 통해 설계 파라미터 변화에 따른 평균 추력 및 코깅힘의 영향을 분석하여 설계 파라미터 값을 선정하고, 설계된 선형모터의 구조 안정성을 검증하기 위해 구조해석을 수행하였다. 제작된 선형모터로 구성되는 Pick & Place 모듈에 대해 평균 추력 및 코깅힘을 측정하여 설계값과 비교하였다.
Pick & Place 모듈용 선형모터로 체적대비 추력 비가 큰 특성을 갖는 코어 방식의 선형모터를 선정하고, 선형모터의 설계 파라미터를 설정하여 코어 방식에서 발생하는 코깅힘을 저감하기 위한 자기해석을 수행하였다.
본 연구에서는 코어 방식의 선형모터에 대한 자기해석과 구조해석을 통해 50mm의 두께, 13.2N의 평균 추력과 5N의 코깅힘을 갖는 Pick & Place 모듈을 구현하였다. 선형모터의 설계 파라미터에 따른 코깅힘 분석을 통해 기준값 대비 설계값을 적용함으로써 코깅힘의 최대-최저값이 60% 저감되었다.

데이터처리

Pick & Place 모듈에서 요구되는 평균추력 확보 및 코깅힘 저감을 위해 코어 방식의 선형모터에 대한 자기해석을 통해 설계 파라미터 변화에 따른 평균 추력 및 코깅힘의 영향을 분석하여 설계 파라미터 값을 선정하고, 설계된 선형모터의 구조 안정성을 검증하기 위해 구조해석을 수행하였다. 제작된 선형모터로 구성되는 Pick & Place 모듈에 대해 평균 추력 및 코깅힘을 측정하여 설계값과 비교하였다.

후속연구

Pick & Place 모듈에서 취급하는 대상 부품이 점차 소형화 됨에 따라 모듈의 두께를 줄이기 위한 추가적인 연구가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SMAC 사의 소형화를 위해 보이스 코일모터를 적용하여 상하직선운동을 구현한 Pick & Place 모듈의 한계는?	Jeon 은 반응표면법과 유한요소법을 이용하여 Pick & Place 모듈의 디텐트 힘 저감을 위한 리니어 모터의 고정자 치 형상을 찾는 방법을 제안하였다[5]. SMAC 사에서는 소형화를 위해 보이스 코일모터를 적용하여 상하직선운동을 구현한 Pick & Place 모듈을 적용하고 있으나[6], 추력과 이동거리에 제한이 있어 다양한 제조공정에 적용하는데 한계를 가지고 있다.
	기존의 Pick & Place 모듈은 어떤 단점이 있는가?	반도체 부품을 생산 및 검사하기 위한 다양한 공정 장비에서 상하직선운동과 회전운동을 동시에 수행하기 위한 Pick & Place 모듈이 핵심 모듈로 사용되고 있다. 기존의 Pick & Place 모듈은 회전운동을 직선운동으로 변환하는 변환장치를 사용하여 시스템의 정밀도 및 내구성이 저하되고 모듈의 크기와 무게가 증가되는 단점이 있다. 본 연구에서는 이와 같은 단점을 개선하여 변환장치 없이 상하직선운동을 구현하며, 평균 추력과 이동거리에 제한이 없는 선형모터를 적용한 Pick & Place 모듈을 제안하였다.
	기존의 Pick & Place 모듈의 시스템의 정밀도 및 내구성이 저하되고 모듈의 크기와 무게가 증가되는 단점을 개선하기 위해 어떤 모듈을 제안했는가?	기존의 Pick & Place 모듈은 회전운동을 직선운동으로 변환하는 변환장치를 사용하여 시스템의 정밀도 및 내구성이 저하되고 모듈의 크기와 무게가 증가되는 단점이 있다. 본 연구에서는 이와 같은 단점을 개선하여 변환장치 없이 상하직선운동을 구현하며, 평균 추력과 이동거리에 제한이 없는 선형모터를 적용한 Pick & Place 모듈을 제안하였다. 체적대비 추력비가 큰 코어 방식의 선형모터를 설계하기 위한 파라미터를 선정하고, 자기해석을 통해 설계 파라미터 변화에 따른 코깅힘의 영향을 분석하여 평균 추력을 유지하며 코깅힘을 저감할 수 있는 설계 파라미터 값을 선정하였다.

참고문헌 (6)

M. Pfeffer, et al, "3D-Assembly of Molded Interconnect Devices with standard SMD pick & place machines using an active multi axis workpiece carrier," 2011 IEEE International Symposium on Assembly and Manufacturing, pp.1-6, 2011. DOI: 10.1109/ISAM.2011.5942362
S. David, T. Giles, G. J. Jasper, "Simple rules to modify pre-planned paths and improve gross robot motions associated with pick & place assembly tasks," Assembly Automation, vol.31 no.1, pp.69-78, 2011. DOI: 10.1108/01445151111104191

상세보기
H. Gael, "Development of a methodology to improve the performance of multi-robot pick & place applications: From simulation to experimentation," Industrial Technology (ICIT), 2016 IEEE International Conference, pp.1960-1965, 2016. DOI: 10.1109/ICIT.2016.7475067
Y. G Bae, C. W Lee, J. Y Song, S. S Park, Y. S Jung, "Lightweight Picking System of high speed inspection system for semiconductor package," KSMTE Anual Spring Conference, pp.92-97, 2008.
Ah-Ram Jeon, Il-Kyo Lee, Jung-Ho Lee, "Optimum Design Criteria of Miniature Type Linear Servo Motor of Precise Pick & Place Module for Detent Force Reduction Using Response Surface Methodology & Finite Element Method," The 41st KIEE Summer Conference, pp.818-819, 2010.
SMAC Corporation, "Linear Rotary Actuators" https://www.smac-mca.com/products/linear-rotary-actuators, 2020.

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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