장행정 XY스테이지용 모듈형 반력보상 시스템의 설계와 제어 - 서창훈 (The Graduate School, Ajou University, 2019)
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.
학위논문(박사)--아주대학교 일반대학원 :기계공학과,2019. 8