선형 가이드 수평 방향 정렬 오차 보상을 위한 2 자유도 유연 힌지 기구 설계 - 유승하 (The Graduate School, Ajou University, 2024)
선형 스테이지는 산업 혁명 이후로 현대 제조업의 근간을 이루는 매우 중요한 설비 이다. 최근 정밀 산업 연구와 개발이 증대되면서 해당 분야에 대한 정밀 스테이지 설 비의 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 특히 퇴근 AI 기술의 발달과 함께 폭발적으 로 증가하는 기술적/생산적 수요를 감당하기 위해 고집적/소정밀 제품을 생산하는 반 도체 업계는 정밀 스테이지 설비의 수요와 가동률이 매우 높은 상황이다. 다양한 장행정 선형 스테이지는 해당 라인을 움직이기 위해 한 쌍의 선형 가이드를 기본적으로 포함하고 있다. 이상적인 조립 상황에서 두 개의 선형 가이드는 완벽한 평행을 이루고 있어야 하지만, 실제로는 그 둘 사이의 정렬 오차(오정렬, misalignment)를 가지고 있다. 정렬 오차는 선형 스테이지의 작동에 관한 다양한 문제 의 원인이 되는데, 베어링의 탄성 영역에서 발생하는 미세한 수준의 정렬 오차는 베 어링과 마찰면의 변형으로 보상될 수 있다. 탄성 영역에 가까워지거나 넘어서게 되면 베어링에 가해지는 응력이 증가하며 가이드 부품간의 마찰력이 증가하고 스테이지에 공금되는 전력이 증가하며 전력 효율 감소와 제어 안정성 감소, 제품 수명 감소 등으 로 이어지게 된다. 상기 문제는 스테이지 설계 단계에서 측정하고 예방할 수 있는 범 위 내의 문제이다. 하지만 스테이지에 높은 부하가 지속적으로 작용하거나 벽면에 설 치되어 횡 방향으로의 하중 혹은 모멘트가 반복하여 가해지는 등의 상황에서 가이드 부품이나 베어링의 탄성 영역을 벗어나 소성 변형이 발생할 수 있으며 제품 결합부의 변형이 발생할 수 있다. 이는 부품의 유지/보수 기간을 단축시키고 제품의 수명을 감 소시켜 결과적으로 기술적 문제로 이어지게 된다. 본 연구에서는 개량형 가이드 설계를 통해 해당 문제를 개선하고자 한다. 베어링의 탄성 영역에서 이루어지는 변형을 비교적 저강성인 유연 힌지의 탄성 영역으로 옮겨 응력을 감소시키고 결과적으로 제어 전류를 감소시켜 에너지 효율을 높힘과 동시에 제어 성능과 제품수명을 개선한다. 해당 연구에서 지향하는 기본 구조는 유연 힌지를 기반으로 한 기구 설계를 목표로 한다. 적절한 가동 범위와 강성으로 정렬 오차를 보 상하고자 한다. 기존 가이드 모델과 개선 가이드 모델 구조를 탄성 모델로 나타내어 응력과 변형 등을 이론적으로 계산하고, 힌지 기구 설계를 통해 오차 보상 범위를 도 출한다. 유한요소법(Finite Element Method, FEM)을 통해 본 논문에서 제시하는 오차 보상 기구 모델이 합리적인지 검증하여 모델의 신뢰성을 입증한다. 그리고 한 쌍의 선형 가이드를 가진 선형 모터 설비를 이용하여 실험 환경을 구축해 개발 모델의 성 능을 실험적으로 증명한다. 본 연구를 통해 정렬 오차를 효율적으로 보상하면서 저 비용의 기구를 설계하여 정밀 산업에 보다 높은 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다.
학위논문(석사)--기계공학과,2024. 8
Keywords: 선형 스테이지; 오차 보상; 유연 힌지