다중 스케일 대상물 취급을 위한 쌍안정 기구형 마이크로그리퍼 설계

Abstract

최근 산업의 스케일이 마이크로/나노미터 수준으로 발전함에 따라, 산업에서 요구되는 장비 및 부품의 스케일 또한 다중 스케일화 되며, 다중 스케일의 대상물을 취급하는 기술이 요구된다. 그에 따라, 본 연구에서는 쌍안정성을 갖는 마이크로그리퍼의 설계에 관한 연구를 진행하였다. 후-좌굴 상태의 보를 통해 쌍안정 기구를 구현하였으며, 이를 통해 밀리미터 스케일과 마이크로미터 스케일의 대상물을 국부적으로 취급하였으며, 쌍안정 기구의 Snap-Through Effect를 이용하여 미세스케일의 대상물 취급 시 발생하는 정전기 및 표면장력, 점성력 등에 의한 들러붙음(Sticking) 현상의 해결 가능성을 확인하였다.

오일러 보 이론을 통해 보 설계를 진행하였으며, 설계한 후-좌굴 상태의 보가 쌍안정성을 가지는 것을 실험을 통해 확인하였다. 이를 대칭 구조의 심벌 형상 확대기구에 적용하고자 4-Bar 기구에 수직 방향으로 압축력을 가한 기구와 압전형 구동기를 통해 마이크로그리퍼의 쌍안정성을 위한 쌍안정 구동기를 설계하였으며, 유한요소해석을 통해 확대 기구의 성능과 쌍안정 구동기의 작동을 확인하였다. 실험을 통해 쌍안정 구동기의 성능을 확인한 결과 보의 물성 오차 및 조립에 의한 정렬 오차가 발생하나, 압전형 구동기의 입력 변위에 대한 변위 확대비는 열린 모드에서 6.6, 닫힌 모드에서 4.4임을 확인하였고, 위치 분해능은 열린 모드에서 ±20 nm, 닫힌 모드에서 ±30 nm 수준으로 높은 정밀도의 시스템임을 확인하였다. 쌍안정 구동기의 출력 변위의 확대를 위해 레버 기구를 적용한 Jaw를 설계하였으며, 레버 기구의 회전 운동을 위한 유연 기구를 설계하였다. 유한요소해석을 통해 Jaw와 유연 기구의 출력 변위와 응력을 확인하였으며, 응력은 2.5 MPa 수준으로 0.3σy 이하의 결과를 확인하였다. 쌍안정 구동기와 Jaw, 유연 기구를 조립하여, 쌍안정 마이크로그리퍼를 제작하고, 마이크로그리퍼의 성능을 실험을 통해 확인하였다. 쌍안정 마이크로그리퍼의 안정된 위치에서의 Jaw tip 사이 거리는 열린 모드에서 22 mm, 닫힌 모드에서 0 mm이며, 대상물의 취급 범위는 열린 모드에서 21.244 ~ 22 mm 닫힌 모드에서 0 ~ 0.734 mm이다. 이는 목표한 마이크로그리퍼의 대상물 취급 범위에 대해 5.5%, 8.25% 수준의 오차를 가지며, 이는 조립에 따른 정렬 오차와 재료의 물성 오차를 원인으로 볼 수 있다. 결과적으로, 마이크로그리퍼의 위치 분해능은 ±60 ~ ±80 nm 수준으로 높은 정밀도를 가지며, 압전형 구동기의 입력 변위에 대한 확대비는 열린 모드에서 16.8, 닫힌 모드에서 16.3임을 확인하였다. 기존 연구 사례에 대하여 위치 분해능은 기존 연구의 3.2 μm 수준에서 ±60 ~ ±80 nm 수준으로 매우 향상되었으며, 행정 거리는 918 μm에서 756 μm 수준으로 성능이 저하되었으나, 마이크로그리퍼의 쌍안정성에 따른 각 위치에서의 행정 거리를 고려하면 대상물 취급 범위 측면에서 성능은 향상되었다고 볼 수 있다. 또한, 점성 유체를 이용하여 Jaw 사이에 인위적으로 들러붙음 현상을 모사하였으며, 압전형 구동기의 최대 입력 전압 인가하였을 때의 Jaw 움직임을 확인하였다. 결과적으로, Jaw 사이의 발생한 표면장력과 점성력에 의하여 Jaw는 벌어지지 않았으며, 쌍안정 마이크로그리퍼의 Snap-Through Effect를 통하여 들러붙음 현상을 해결하는 성능을 확인하였다.

향후 Jaw의 회전 운동에 따른 기생 변위의 보상에 대한 방안과 쌍안정 구동기와 Jaw의 적절한 질량, 강성의 균형을 위한 최적 설계, 후-좌굴 보의 크리프(Creep) 현상에 따른 강성 변화에 관한 연구를 동반하여 쌍안정 마이크로그리퍼의 성능 향상을 기대할 수 있으며, 다중 스케일의 대상물을 취급하는 마이크로그리퍼를 통해 산업의 전반적으로 공정의 효율 향상을 기대할 수 있다.