[논문]요 모션 갠트리 제어 시 공기베어링 스테이지의 리플 보상

안다훈; 이학준

doi:10.5762/kais.2020.21.11.554

초록
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평판 디스플레이 제조 공정에서 대상물의 위치 결정을 위해 고정밀 평면 모션 스테이지를 사용한다. 이 유형의 스테이지는 일반적으로 마찰이 없는 선형 모터와 에어 베어링을 사용하며, 고정밀 위치 센서로 레이저 간섭계를 사용한다. 스테이지의 불가피한 기생 운동에 의해 야기되는 요 모션 오차는 위치 결정 대상체의 향 변화를 의미하므로, 스테이지의 성능과 공정 정밀도 향상을 위해 요 모션 오차의 실시간 동적 보정은 매우 중요하다. 요 모션 오차 보상에는 갠트리 제어가 일반적이며, 이 방법을 공기베어링 가이드를 사용하는 스테이지에 적용하기 위해서 회전 모션을 허용하는 유연기구가 스테이지에 적용된다. 본 논문은 공기베어링과 유연기구를 갖춘 H형 XY 스테이지의 정속 구동 성능을 개선하는 방법을 제안한다. 유연기구를 포함한 스테이지의 갠트리 제어 시 선형 모터로부터 발생하는 상호 리플의 발생 원인을 분석하고, 이러한 상호 리플을 보상하는 방안으로 적응 학습 제어를 제시한다. 제시 방안의 검증을 위해 시뮬레이션을 수행하여, 보상 제어를 통해 속도 리플이 약 22 % 수준으로 감소함을 확인하였다. 그리고 요 모션 오차가 발생하는 스테이지 상태를 가정하여 리플 저감 효과를 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the manufacturing process of flat panel displays, a high-precision planar motion stage is used to position a specimen. Stages of this type typically use frictionless linear motors and air bearings, and laser interferometers. Real-time dynamic correction of the yaw motion error is very important b...

In the manufacturing process of flat panel displays, a high-precision planar motion stage is used to position a specimen. Stages of this type typically use frictionless linear motors and air bearings, and laser interferometers. Real-time dynamic correction of the yaw motion error is very important because the inevitable yaw motion error of the stage means a change in the specimen orientation. Gantry control is generally used to compensate for yaw motion errors. Flexure units that allow rotational motion are applied to the stage to apply this method to a stage using an air-bearing guide. This paper proposes a method to improve the constant speed motion performance of a H-type XY stage equipped with air bearing and flexure units. When applying the gantry control to the stage, including the flexure units, the cause of the mutual ripple generated from the linear motors is analyzed, and adaptive learning control is proposed to compensate for the mutual ripple. A simulation was performed to verify the proposed method. The speed ripple was reduced to approximately the 22 % level. The ripple reduction was verified by simulating the stage state where yaw motion error occurs.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. H-type XY air bearing guide stage, (a) Conceptual diagram, (b) 3D drawing of the total system.
그림 Fig. 2. Gantry control of the air bearing guided stage (a) Conventional structure without a compliant mechanism (b) New structure with compliant mechanisms.
그림 Fig. 3. A free body diagram of the air bearing stage with compliant mechanisms.
그림 Fig. 4. Algorithm for compensation of mutual ripple.
표 Table 1. The parameters of the governing equation of stage
그림 Fig. 5. Three different state of the air bearing stage for simulation of yaw motion error compensation, (a) case 1: Ideal case of zero yaw motion error, (b) case 2: 45 arcsec of initial orientation, (c) case 3: 45 arcsec of initial orientation and yaw motion error of -20 arcsec during constant speed operation.
표 Table 2. Simulation results
그림 Fig. 6. Yaw motion error compensation control results of case 1: Ideal case of zero yaw motion error.
그림 Fig. 7. Yaw motion error compensation control results of case 2: 45 arcsec of initial orientation.
그림 Fig. 8. Yaw motion error compensation control results of case 3: 45 arcsec of initial orientation and yaw motion error of -20 arcsec during constant speed operation.

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 이와 동시에 스테이지를 구동하기 위한 선형 모터에서 힘 리플이 증가한다. 따라서 본 논문에서는 H-type XY 공기베어링 스테이지의 갠트리 제어시 발생하는 힘 리플을 모델링하고, 시뮬레이션을 통해 이를 저감하는 방안을 제안한다.
본 연구에서는 요 모션 오차를 갠트리 제어로 실시간으로 보상하는 XY 스테이지에 대하여, 고정밀도를 위한 공기베어링 사용 시 유연기구 적용을 소개하고, 그에 따라 발생하는 선형 모터의 상호 리플 효과를 연구하고 보상 시뮬레이션을 수행하였다. 공심형 선형모터와 무마찰 공기베어링을 사용하는 스테이지에서 처음으로 상호 리플의 영향을 분석하였으며, 요 모션 오차 보상을 위한 유연기구의 도입으로 그 영향이 나타나는 것을 보였다.

가설 설정

는 크로스빔과 Y-슬라이더의 θ_z 방향 초기 각 변위가 45 arcsec 인 경우이다. 이는 위치 되먹임 센서로 사용하는 레이저 간섭계를 고려한 것으로 최대 정렬 오차 90 arcsec의 절반 정도를 초기 구성 요 모션 오차로 가정하였다. 이러한 오차는 크로스빔의 조립이나 레이저 간섭계의 설치 과정 등에서 발생할 수 있다.
에서는 크로스빔의 초기 θ_z 방향 초기 각변위가 45 arcsec이고, Y축 방향으로 이동하는 동안 약 -20 arcsec의 요 모션 오차가 추가적으로 발생하는 시뮬레이션 사례이다. 이는 크로스빔의 Y축 방향 이동 중 상부의 X-슬라이더가 X축 방향으로 이동하면서, 레이저 간섭계로부터의 빔이 반사되는 평면거울의 편평도 공차에 의해 발생할 수 있는 요 모션 오차를 가정한 것이다.
는 크로스빔이 Y축 방향으로 이동하는 과정에서 요 모션 오차가 전혀 없는 경우이다. 크로스빔과 Y-슬라이더 간에 상대 회전 변위가 전혀 없는 경우로서, 제작 및 조립 오차가 전혀 없고 기구부와 모든 공기 베어링의 가이드 기준면 또한 이상적으로 평행하면서 동시에 이상적으로 편평한 경우를 가정한 시뮬레이션 사례이다. 따라서 정속 구동시에는 두 선형 모터의 입력 전류가 이상적으로 0이다.

제안 방법

1. H형 XY 스테이지의 갠트리 제어 시 정밀도 저하 원인이 되는 힘리플을 분석하고, 무마찰 공기베어링 가이드와 선형모터 구성에서도 정속 구동 시에 발생할 수 있는 상호 리플의 발생을 분석하였다.
2. 유연힌지가 적용된 공기베어링 스테이지의 요 모션 오차 보상 제어와 연계한 정류 리플의 보상 방법을 제안하였다.

대상 데이터

이 중 코깅 리플은 자석과 철심 사이의 인력에 의해 발생하여, 다른 유형의 리플에 비해 가장 크다. 본 논문에서 사용한 선형모터는 철심이 없는 공심형 모터로서 코깅 리플이 나타나지 않는다. 상호 리플은 주기성을 띄는 영구자석에 의한 자속밀도와 3상 코일에 인가되는 전류의 하모닉 불일치로 인해 발생한다.
본 연구에서 사용한 공기베어링 스테이지는 평판 디스플레이 유리 패널을 취급하며, 요 운동 오차 보상 검증을 위한 파일럿 모델로서 행정 거리는 XY 평면 상에서 200 mm × 200 mm 이다.

이론/모형

두 가지 방식의 리플 추정 알고리즘을 MATLAB simulink를 사용하여 시뮬레이션 하였다. 두 선형 모터 중 하나는 1 A의 전류 인가 시 약 1.
(2)에 따르면 스테이지의 모델에 기반하여 현재의 입력 전류와 스테이지의 위치로부터 상호 리플을 추정할 수 있다. 두 번째 방법은 제어 시스템이 RLSE(Recursive Least-Square Estimator) 알고리즘 [14]을 사용하여 실시간으로 상호 리플을 적응 학습하도록 하는 것이다. 알고리즘은 복잡하지만 모델링되지 않은 반복적인 불확실성을 보상할 수 있다.

성능/효과

3. 요 모션 오차를 보상하며 정속 구동 제어 시, 정류 리플을 보상할 경우 속도 리플이 20 % 수준으로 저감되는 것을 확인하였다.
4. 정류 리플을 보상하기 위해 실용성이 높은 학습 적응 제어 알고리즘을 제안하고 시뮬레이션을 통해 리플 저감 성능을 확인하였다.
본 연구에서는 요 모션 오차를 갠트리 제어로 실시간으로 보상하는 XY 스테이지에 대하여, 고정밀도를 위한 공기베어링 사용 시 유연기구 적용을 소개하고, 그에 따라 발생하는 선형 모터의 상호 리플 효과를 연구하고 보상 시뮬레이션을 수행하였다. 공심형 선형모터와 무마찰 공기베어링을 사용하는 스테이지에서 처음으로 상호 리플의 영향을 분석하였으며, 요 모션 오차 보상을 위한 유연기구의 도입으로 그 영향이 나타나는 것을 보였다. 본 연구 결과의 의의를 정리하면 다음과 같다.

후속연구

본 연구 결과는 갠트리 제어뿐만 아니라 요 모션 오차를 보상하기 위한 일반적인 XY 스테이지의 경우에도 확장 적용할 수 있다. 향후 유연기구를 장착한 공기베어링 스테이지를 제작하고, 실제 시스템에 적응 제어 알고리즘을 적용하는 실험 연구를 수행할 계획이다.
본 연구 결과는 갠트리 제어뿐만 아니라 요 모션 오차를 보상하기 위한 일반적인 XY 스테이지의 경우에도 확장 적용할 수 있다. 향후 유연기구를 장착한 공기베어링 스테이지를 제작하고, 실제 시스템에 적응 제어 알고리즘을 적용하는 실험 연구를 수행할 계획이다.

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S. K. Ro, J. K. Park, "A compact ultra-precision air bearing stage with 3-DOF planar motions using electromagnetic motors", International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol.12, pp. 115-119, 2011. https://doi.org/10.1007/s12541-011-0014-y

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G. Y. Cho, A Study on Position Adaptive Control of Linear Brushless Motor, Master's thesis, Hanyang Univ, Seourl, Korea, 1995.

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