마이크로 조립용 6자유도 소형 정렬기의 설계에 관한 연구

Alternative Title
Design of 6-DOF Compact Aligner for Micro-Assembly
Alternative Author(s)
Yoo, Yong Hwan
일반대학원 기계공학과
The Graduate School, Ajou University
Publication Year
6자유도 정렬기PID 제어Voice Coil Motor
최근에는 부품의 소형화 및 집적화로 인하여 제품 자체의 크기가 작아짐으로써 이에 따른 제작 설비의 소형화가 계속해서 이루어지고 있다. 이러한 소형화는 공간의 효율적인 활용과 에너지의 절감으로 인하여 제작 원가의 절감이라는 효과를 얻게 된다. 이러한 일환으로 마이크로 팩토리 사업이 활발히 이루어지고 있다. 여기서는 휴대폰 카메라 모듈의 조립을 위해서 조립의 정렬도를 향상시키기 위한 소형 정밀 6자유도 정렬기를 설계하고자 한다. 휴대폰 카메라 모듈은 그 개발 속도가 빠르고 제품의 크기가 작을뿐더러 소비자의 욕구 충족을 위해서 더욱 빠른 속도로 대응하고자 마이크로 팩토리화 하여 그 효율을 높이고자 한다. 여기서는 이러한 마이크로 팩토리를 위한 소형의 정렬기를 설계하기 위하여 기존의 다자유도의 이송장치와 기구를 조사하고, 적합한 크기와 적당한 크기와 정밀성을 가지는 구동기로서 VCM(Voice Coil Motor)을 선정하였다. 정렬기의 총 크기는 100 × 100 × 100 mm3 이고, 최대한 단순한 구조를 가지도록 하기 위하여 2개의 스테이지로 구성하여, 각각 평면 운동과 수직운동을 하도록 하였다. 이에 따른 가이드와 제어부, 구동부등을 설계하여 제작하였다. 이 정렬기의 평가를 위해서 제작 기구를 제어하고 실험을 실시하였다. 정밀한 움직임을 구동할 수 있도록 제어를 위한 수치적 모델링으로 모델을 얻어 냈다. 그 후 기본적인 제어인 PID제어의 이득을 계산 프로그램을 통하여 최적화된 이득을 얻어낸 후 실제 제어에 적용하는 방법을 택하였다. 정렬기를 구동할 수 있도록 실험 보조 장치를 설치하여 제어를 하기 위해, 그 알고리즘이 간단한 되먹임 블록선도를 통해서 실험을 구성하였다. 그 후 실험을 통하여 기구학적 보정을 실시하였다. 기구학적 보정은 이미 알고 있는 위치적인 관계식의 행렬을 실험적으로 계산하여 찾아낼 수 있는데 이 보정은 설계와 차이가 날 수 있는 누적된 에러를 최소화 할 수 있었다. 최종적으로 PID 제어를 통하여 각 방향으로 정렬기가 가지는 분해능을 측정하여 결과를 얻어내었다. 이에 따라서 분해능은 X, Y, Z 각방향의 병진 구동은 0.1 μm 정도의 분해능을, 회전 구동에 있어서는 2~6 arcsec 정도의 분해능을 가지고 있는 것으로 확인 되었다. 또한 정현파를 입력하는 실험을 통하여 각축이 움직임에 따라서 다른 방향으로의 움직임도 어떻게 움직이는가를 확인할 수 있었다.
Alternative Abstract
Recently, according to the demand of downsizing and portablization in mobile electronic devices, micro-component of the product such as semiconductor or micro lens is needed to be assembled together precisely. So the precision aligner that can assemble the small sized parts is needed. There is also the trend that configures the micro-manufacturing system, so-called ‘micro-factory’. This work will develop a 6-DOF precision aligner with small size and high resolution for assembling the micro parts for a mobile electronics. The designed aligner has the volume smaller than 100 × 100 × 100 mm3, and total travel range of XYZ axis is ± 1 mm, rotational motion range of Zαβ axis is ± 0.5 degree. According to its specifications, it is expected to satisfy our motion-control accurately. Arrangement of actuators will be a symmetrical based on kinematic design. This design can avoid errors caused by the effect of temperature gradient on the structure, will make mathematical analysis easy, and will minimize moment of inertia. There have been many mechanisms of 6-DOF positioner in industry’s applications, planer XYθZ stages and Z tilt stages. This paper presents combining two modules of mechanism for the 6-DOF precision aligner. The first is a stage which can control XYθZ motion, and the second can control Zαβ motion, in other words, Z tilt motion. Two components are connected with each other kinematically, i.e., the second is mounted on the first using balls, groove and surface. The first module has three actuators mounted in a hexagonal plane with 3 spaces to put actuators in three sides with tri-symmetric arrangement. It is a planar motion mechanism, therefore Z and tilts motions are required. Second part has three actuators to move perpendicularly the first stage. The arrangement of these actuators is also tri-symmetrical, like a three-legged stool. The aligner takes advantages of kinematic coupling and symmetry. It has the tapped hole to equip the gripper handling the micro-parts. Finally, this system is a symmetrical design completely. In this paper, kinematic analysis will be presented about this aligner’s mechanism and describe relation of two different moving directions when two modules have motions at a same time. The aim of analysis is to improve its structure through the investigating characteristics. The Experiment of PID control was carried out with proposed mechanism, For the verification of proposed mechanism, resolution of translational motion is 0.1 μm and rotational motion is 2~6 arcsec. Also we took the expermental result of sinusoidal input test.

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Graduate School of Ajou University > Department of Mechanical Engineering > 3. Theses(Master)
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