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장행정 XY스테이지용 모듈형 반력보상 시스템의 설계와 제어
- Alternative Title
- Chang-hoon Seo
- Author(s)
- 서창훈
- Alternative Author(s)
- Chang-hoon Seo
- Advisor
- 전용호
- Department
- 일반대학원 기계공학과
- Publisher
- The Graduate School, Ajou University
- Publication Year
- 2019-08
- Language
- kor
- Abstract
- 최근 정밀 가공 기술의 발달에 따라 레이저 가공, 적층 제조, 3D 스캐너, 비전 카메라 등의 가공, 검사기법들이 대중화되는 단계에 진입하였다. 이러한 대중화 흐름에 따라 대면적 가공에 대한 수요도 점차 늘어나고 있으며, 대면적 가공 장비의 생산성 향상이 요구되고 있다. 대면적 가공 장비의 생산성 향상을 위해서는 장행정 스테이지의 고속화가 필요하다. 그러나 스테이지의 고속 이송 시 발생하는 시스템의 잔류 진동이 가공 품질의 저하를 야기하는 문제가 있어 고속과 고정밀의 특성을 동시에 만족시키기에는 어려움이 있다. 시스템에 발생하는 잔류 진동의 주된 원인은 스테이지의 이송 모듈에서 발생하는 반력이다. 이송 모듈은 고속 이송을 수행하기 위해 가감속 시간 동안 큰 추력을 발생시키며, 뉴턴의 제 3법칙에 의해 추력과 동등한 크기의 반력이 시스템 베이스에 전달된다. 일시적으로 큰 외력이 인가된 시스템 베이스에는 지지구조의 강성에 따라 초기 변위가 발생하게 되며, 반력의 크기가 변하는 순간 과도 응답에 해당하는 진동이 발생하는 것이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 진동을 유발하지 않는 지지구조와 함께 순간적으로 발생하는 반력을 상쇄하기 위한 방안이 필요하다. 공압 마운트와 오일 댐퍼로 구성된 반능동형 제진대는 낮은 강성과 높은 감쇠를 가지고 있어 넓은 주파수 범위에서 시스템 베이스에 직접적으로 전달되는 외력에 대해 강인한 특성을 갖는다. 특히, 감쇠비가 임계감쇠 또는 과감쇠에 해당하는 경우 과도 응답에 진동이 발생하지 않으므로 스테이지의 고속 이송 시 발생하는 잔류 진동을 억제하는 데 효과가 있다. 그러나 낮은 강성으로 인한 반대급부로 강체운동에 준하는 극저주파 성분의 외력에는 취약해진다. 고속 이송 시 발생하는 반력은 대부분 5.0 Hz 미만의 주파수 성분을 가지므로 제진대가 적용된 시스템 베이스에 큰 기생변위를 발생시킨다. 반력보상 시스템을 적용함으로써 고속 이송 시에도 잔류 진동과 기생변위가 억제되어 높은 안정성을 갖는 시스템을 구현할 수 있다. 6자유도 능동 제진대를 기반으로 하는 기존의 반력보상 시스템은 높은 비용과 복잡한 구성으로 인해 특수한 장비에 한해 사용되고 있다. 본 논문에서 제시하는 반력보상 시스템은 잔류 진동 억제에 유리한 댐퍼 내장형 제진대와 시스템 베이스 내에 내장 가능한 반력보상 모듈로 구성된다. 오일 댐퍼를 내장한 반능동형 제진대는 별도의 제어 시스템이 필요 없어 비용과 내구성 측면에서 유리한 장점이 있다. 반력보상 모듈은 제진대의 동특성을 변화시키기 않으면서 시스템 베이스의 기생변위에 강인하도록 설계되었다. 반력보상 모듈은 체적대비 큰 추력을 갖는 원통형 보이스 코일 모터를 사용하고, 각각의 보이스 코일 모터가 양방향 구동이 가능하도록 하여 적은 수의 구동기를 사용함으로써 공간 활용도를 높였다. 좁은 공극으로 인한 구동기의 파손을 방지하기 위해 볼 캐스터를 통해 구동력이 전달되도록 하였으며, 이를 통해 주 작동 방향을 제외한 5자유도 성분에 대해 구조적으로 디커플링 되었다. 볼 캐스터의 점 접촉 특성에 따라 큰 추력이 인가될 때 발생하는 응력집중 현상을 방지하기 위하여 금속 판재와 EVA foam으로 구성된 샌드위치 복합재를 적용하였다. EVA foam의 압축비를 조절함으로써 반력보상 모듈에 가해지는 예압을 조정할 수 있으며, 기생변위 발생 시 접촉이 떨어지는 현상을 방지할 수 있다. 반력을 효과적으로 상쇄하기 위하여 스테이지와 반력보상 시스템은 통합된 제어 시스템을 사용한다. 스테이지의 이송 명령은 반력보상 모듈의 피드포워드 제어를 위한 기준신호로 활용된다. 스테이지 이송 모듈의 LM 가이드에서 발생하는 감쇠를 반영하여 피드포워드 제어 성능을 개선하였다. 비접촉식 변위센서를 각 구동기마다 배치하여 위치 피드백 제어를 수행하였다. 피드백 제어를 통해 피드포워드로 상쇄되지 않은 외란과 기생변위를 보상하였다. 고속 이송 시 외부에서 측정한 석정반의 기생 변위는 첨두치 기준 약 70 % 감소하였으며, 내부에서 측정한 구조물의 잔류 진동은 진폭 기준 약 80% 감소하였다. 결과적으로 기존의 반력보상 시스템 대비 간단한 설계안과 제어 시스템 구성을 가지면서도 반력을 효과적으로 상쇄할 수 있는 반력보상 시스템을 제시하였다.
- Alternative Abstract
- Recently, with the development of precision manufacturing processes, manufacturing and inspection techniques such as laser processing, lamination manufacturing, 3D scanner, vision camera, etc. have come to the stage of popularization. Long-stroke XY stages are widely used to transport the head unit of these processes and are becoming faster to increase productivity of the processes. However, residual vibrations with rapid motion of the stage make quality of the processes worse. For this reason, it is hard to simultaneously satisfy equipment’s requirement of high-precision and high-speed. The reaction force of linear motors in the stages is main cause of the residual vibration. When the stage operates, the linear motor generates thrust force to transport its mover. At the same time, the reaction force pushes the system base of the stage to the opposite direction because of Newton’s third law. The residual vibration is transient response of the system base that caused by the reaction force. To suppress the residual vibration, the system base requires a robust support structure to resist the vibration and a particular plan to cancel the reaction force. Pneumatic isolators with air mounts and oil dampers are widely used to suppress the residual vibration of the system base. With low stiffness and high damping ratio, the residual vibration is eliminated from transient response of the system base. On the other hand, the system base has a very low natural frequency due to its large weight and the low rigidity of the isolator. While the system base is robust to the residual vibration, it is vulnerable to direct disturbance with low frequencies. Unfortunately, the reaction force of the linear motor generates forces in extremely low frequency range during every single step motion. To increase stability of the system base, the reaction force compensator must concentrate to cancel the reaction force immediately. Six degrees-of-freedom active vibration isolators are used only in special cases because its configuration is very complicated or requires a limited surrounding environment. A proposed reaction force compensation system is a combination of a semi-active pneumatic vibration isolator and the reaction force compensator that is placed in the system base. The semi-active pneumatic vibration isolator provides benefits of cost and durability because it operates individually without a control system. The proposed reaction force compensator is designed to maintain dynamic characteristics of the pneumatic vibration isolator. A modular design of the proposed reaction force compensator reduces turnaround time for processes related to design and fabrication. The reaction force compensator proposed in this study uses a cylindrical voice coil motor as an actuator. Since the voice coil motor has high energy efficiency and linearity compared to general linear motors, it meets the characteristics of the actuator required by the reaction force compensator. With bidirectional operation, the proposed design makes the reaction force compensator compact and lightweight with a small footprint. Typically, the cylindrical voice coil motors are vulnerable to parasitic motion due to its narrow gap. The ball caster is applied to make point contact between the actuator and the system base in order to prevent the breakage of the actuator. The reaction force compensator is decoupled to parasitic motion of the system base in the other five degrees-of-freedom by rotating balls in the ball casters. To prevent stress concentration at the contact area, the sandwich composite panel with EVA (Ethylene-Vinyl Acetate) foam is mounted at sidewall of the system base. In parallel, a preload for the actuator is adjustable with various compression ratio of the EVA foam. The control algorithm of the reaction force compensator consists of an open loop controller corresponding to the thrust force of the linear motor and a closed loop controller regulating the displacement of the system base. The open loop controller compensates the reaction force with feedforward control scheme using command signal of the linear motor. The feedforward controller is improved with consideration of the friction due to linear motion guide of the stages. The closed-loop controller plays the role of maintaining the initial position of the granite. The current position of the system base is observed through the non-contact displacement sensor mounted on the structure completely separated from the stage. From experimental results, according to the application of the reaction force compensator, the parasitic displacement of the system base was reduced by about 70% in the horizontal direction. The amplitude of the relative vibration was reduced by about 75% when the workpiece is placed on soft materials. Consequently, the proposed reaction force compensating system accomplished the improvement of the stability caused by the residual vibration with high-speed motion of XY stages. A modular design of the proposed system is expected to provide availability of the high-speed operation for general instruments with simple composition.
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- Graduate School of Ajou University > Department of Mechanical Engineering > 4. Theses(Ph.D)
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