리니어 스테이지 용어정리

3차원 공간에서 정확하게 움직이는 선형 스테이지의 성능에 영향을 주는 여러 가지 요소들이 있다. 아베 오차, 진직도, 평탄도, 피치, 롤, 요, 히스테리시스, 백래쉬, 직교 정렬, 인코더 에러, 장착 표면 및 굽힘 하중 모두 3차원 공간에서의 위치 오차에 기여한다.

리니어 스테이지 요소들에 대한 독자들의 이해를 돕기 위해 용어정리를 준비해 보았다.

이 글에는 스테이지의 위치 정확도에 대한 값이 포함되어 있으며, 단지 이송방향에서 스테이지의 위치 결정 성능만을 설명한다. 다중 축을 위한 부품으로써 선형 스테이지가 적용될 때 글에 나타나 있는 정확도를 3차원 공간에서 스테이지 위치 결정 성능의 대표 값으로 취급하면 안 된다. 2개 이상의 선형 스테이지가 다축 구성을 위하여 적용될 때, 추가적인 요인들이 3차원 공간에서 위치 오차를 유발할 것이다. 설명을 위해 다음 장에서 XY 어셈블리로 조립되는 두 개의 선형 스테이지 세트를 참조한다. 어셈블리의 하단 스테이지는 3차원 공간에서 X축 방향으로 선형 운동하기 위해 정렬된다. 상단 스테이지는 첫 번째 하단 스테이지 위에 조립되고, 3차원 공간상의 Y축 방향으로 선형 운동한다.

아베오차(Abbe error)

가이드 배치에 의한 각도 오차와 관심 지점과 구동 메커니즘(볼 스크류) 혹은 피드백 메커니즘(선형 엔코더) 간의 오프셋 거리로 인해 발생한 변위 오차를 의미한다.

진직도(Straightness)

진직도는 수평면에서 이동 방향에 수직인 실제 이동 라인으로부터의 편차를 말한다. 위에 나열된 단계별 어셈블리의 경우 X축 스테이지 이동 경로의 진직도 편차로 인해 Y방향의 위치 오차가 발생한다. Y축 스테이지 이동 거리에서 직선 편차가 발생하면 X 방향의 위치 결정 오차가 발생한다.

평탄도(Flatness)

평탄도는 수직면에서의 이동 방향에 수직인 실제 이동 라인과의 편차를 말한다. 결합된 XY 스테이지의 경우 X축 또는 Y축 스테이지의 이동 시 평면 편차로 인해 Z축의 위치 오차가 발생한다.

피치(Pitch)

피치는 이동 방향에 수직인 수평면에서 축을 중심으로 회전하는 것이다. 측정할 관심 위치가 회전 중심에 위치해 있지 않으면 피치 회전으로 인해 2차원에서 아베 오차가 발생한다. X축의 경우 피치 회전은 X와 Z 방향 모두에서 아베 오차를 발생시킨다. Y축의 경우, 피치 회전은 Y와 Z 방향 모두에서 아베 오차를 발생시킨다. 아베 오차들의 크기는 각각 옵셋(offset) 거리의 길이(D)를 회전각의 사인(sine)값과 ‘1-코사인(cosine)’값을 곱하여 계산할 수 있다.

예시: X-axis

Pitch Angle(Φ) = 10 arc sec (.0027°) Offset Distance(D) = 25 mm (1in) Error·direction = D·(1 - cos (.0027°)) = 25㎜·(1-cos (.0027°) = 0.00003㎛ Error z direction = D·sin Φ = 25㎜·sin (.0027°) = 1.18㎛

롤(Roll)

롤은 이동 방향에 평행한 수평면의 축을 중심으로 한 회전이다. 측정되는 관심 위치가 회전 중심에 위치하지 않으면 롤 회전은 두 가지 차원에서 아베 오차를 야기한다. X 축의 경우 롤 회전은 Y 방향과 Z 방향 모두에서 아베 오차를 발생시킬 것이다. Y 축의 경우 롤 회전으로 인해 X, Z 방향 모두에서 아베 오차가 발생할 것이다. X, Z 방향 아베 오차들의 크기는 옵셋(offset) 거리의 길이에 회전 각도의 사인과 코사인을 곱하여 계산할 수 있다.

요(Yaw)

요는 이동 방향에 수직인 수직면의 축을 중심으로 한 회전이다. 측정되는 관심 위치가 회전 중심에 있지 않으면 요 회전으로 인해 2 차원에서 아베 오차가 발생한다. XY 축 또는 Y 축 단계의 경우 요 회전은 X 와 Y 방향 모두에서 아베 오차를 유발한다. 이러한 위치 지정 오차의 크기는 상쇄 거리의 길이에 회전 각도의 사인 및 코사인을 곱하여 계산할 수 있다.

히스테리시스 오차(Hysteresis error)

히스테리시스 오차는 모션 시스템의 탄성력에 의해 발생하는 관심 지점에서 실제 위치와 명령 위치 사이의 편차이다. 히스테리시스는 양방향 반복도에도 영향을 미친다. AeroTech 선형 위치 결정 스테이지에 대한 히스테리시스로 인한 정확도와 반복도 오차가 스테이지 사양표에 포함되어 있다. 기계 베이스, 부하 및 하중 커플링 하드웨어의 탄성력은 고려되지 않고 최적 성능을 위해 검사하고 최소화해야 한다.

백래쉬 오차(Backlash error)

백래쉬 오차는 이동 방향의 반전으로 인해 발생하는 위치 결정 오차이다. 백래쉬는 이동 방향의 반전 시 위치에 변화를 일으키지 않게 명령된 동작의 일부이다. 백래쉬는 구동렬(drive train)의 요소들 사이에 간격을 두고 사용하기에 발생한다. 간극이 확대됨에 따라 모션을 생성하는데 필요한 입력량이 증가한다. 이 간극이 확대되면 백래쉬가 증가한다. 백래쉬도 양방향 반복 가능성에 영향을 미친다. AeroTech 선형 위치 결정 스테이지의 백래쉬로 인한 정확도와 반복도 오차는 스테이지 사양 테이블에 설명되어 있다. 선형 모터 기반 스테이지는 직접 구동이므로 백래쉬가 없다.

인코더 오차(Encoder error)

절대 스케일 길이, 격자 스케일의 비 균일 분할, 광 검출기 신호 불완전, 보간(interpolator) 오차, 히스테리시스, 마찰 및 노이즈와 같은 인코더의 불완전 특성은 선형 스테이지의 위치 결정 성능에 영향을 미칠 수 있다. 스펙 테이블의 정확도 및 반복도 정보는 절대 스케일 길이를 제외하고 모든 오차를 고려한다. 절대 스케일 길이는 엔코더 스케일의 열팽창에 영향을 받는다. 따라서 시스템 설계와 사양은 온도를 고려해야 한다.

직교 정렬(Orthogonal alignment)

두 스테이지가 X 축과 Y 축을 따라 정확히 이동하려면 Y 축 이동 라인이 X 축의 이동 라인과 직교해야 한다. 두개의 이동 라인이 직교하지 않으면 Y 축 이동은 X 방향에서 위치 오차를 만든다. 이 오차의 최댓값은 스테이지의 이동 길이에 각도 오차의 사인에 곱해서 결정할 수 있다.

기계 베이스 장착 표면(Machine base mounting surface)

기계 베이스는 선형 이송 스테이지의 성능에 중요한 역할을 한다. AeroTech 스테이지는 일반적으로 기계 표면의 국부적 평탄도 편차가 5㎛(0.0002in) 미만이어야 스테이지의 사양이 보장된다. 규격보다 큰 평탄도 편차가 기계 베이스에 스테이지를 장착하면 스테이지를 변형시킬 수 있다. AeroTech 이송 스테이지의 뒤틀림(distortion)은 표시된 사양보다 피치, 롤, 요, 평탄도 및 진직도 편차가 더 클 수 있다.

굽힘 하중(Cantilevered loading)

이송 스테이지에 굽힘 하중이 가해지면 모멘트 하중이 발생한다. 전단 및 굽힘력은 스테이지 구조 요소에서 처짐을 유도한다. XY 어셈블리에서, 하부 축에 작용하는 굽힘 하중은 하중이 상부 축의 끝단을 지나갈 때 증가한다. Y축 처짐과 X축 처짐의 조합으로 인해 z축 방향의 위치 오차가 발생한다.

자료제공 : AEROTECH