정확한 제어로 작업 처리량을 극대화하는 ETEL AccurET

ETEL

개요

ETEL의 힘 제어(force control) 기능은 처리량 극대화와 여러 모선축의 정밀한 힘 조절을 중점으로 설계됐다. 주로 제로 정지 시간(zero stop time), 센서리스 기능, 서브 뉴턴 범위의 정밀한 힘 제어 같은 것들이다. ETEL 의 개발한 힘 제어 알고리즘은 AccurET의 계산 방법을 써서 위치에서 힘 제어로 빠르고 원활히 전환할 수 있다. 최대 다이내믹을 유지하면서 오버슛(overshoot)을 방지하기 위해 모션이 제어된다.

 

힘 제어의 특징

ETEL AccurET 힘 제어로 만들어내는 것은 다음과 같다.

• 빠른 접근

• 위치에서 컨트롤까지 제로 정지 제어

• 자동 접촉 감지

• 오버슛 제어

• 기판 위치 불확실한 변화에 대한 강건 제어(robust control)

힘 제어는 힘 센서 통합 여부와 관계없이 뉴튼 이하의 정확도에 도달하도록 설계됐다<그림 1>.

위치에서 힘 제어까지 제로 정지 시간(zero stop)

정확한 접촉 위치는 예측할 수 없으므로 힘 제어는 접촉이 언제든지 발생할 수 있는 접근 단계에서 쓴다. 이 접근 단계는 사용자가 정의한 일정 속도로 이뤄진다. 속도는 터치다운에서 힘 제어의 오버슛에 직접 영향을 미친다.

고속에서 접근 속도로 전환되는 것은, 프로세스에서 기판 위치가 불확실하므로, 사용자가 지정한 위치로 결정된다. 그림 2는 기판 위의 대략 3.3mm에서 고속(>100mm/s)에서 35mm/s로 스위치된 측정 프로파일을 보여준다. 힘 제어는 두 개의 다른 다이내믹 세그먼트 사이에서 멈추지 않도록 한다.

그림 2에서 측정된 속도는 접근 속도의 빠른 안정화(ms)를 보여준다. 축은 접근속도 전환 직후 표면을 감지할 수 있다.

자동 접촉 감지

접촉 감지는 힘이나 속도로 설정할 수 있는 임계 값으로 정의된다.

그림 3에서 위쪽 그래프는 0.1N 대상에 대해 0.01N의 임곗값에서 접촉 감지를 보여준다. 감지 플래그는 ETEL의 AccurET로 강제로 오버슛을 제어하기 위해 내부적으로 쓰인다. 이 플래그는 사용자 애플리케이션에 터치 다운이 발생했을 때, 이를 알리기 위해 쓸 수 있다.

그림 3의 아래쪽 그래프는 축 측정 속도를 보여준다. 접근 속도는11mm/s이며 속도 임계 값은 9mm/s로 설정된다. 속도 감지를 권장한다.

• 힘 제어 피드백 신호가 너무 시끄럽기 때문에 초기 터치다운을 감지할 수 없다.

• 힘 제어 피드백 신호가 필터링 된 경우(저주파 필터링), 신호가 지연돼 접촉면이 나타나지 않는다. 속도에 대한 접촉은 필터 지연을 무시함으로써 더 빠른 반응을 얻을 수 있게 한다.

 

매우 빠른 이동과 힘 제어 정착 시간

빠른 접근과 도착 단계 간에는 자동 터치다운 감지와 결합된 모션 정지가 없다. ETEL의 힘 제어는 매우 빠른 ‘이동과 힘 제어 정착 시간’을 제공한다. 그림 4는 7.2mm 스트로크의 빠른 이동과 0~200μm의 접근 동작으로 5N 터치다운을 보여준다. 접촉 재료는 경질 플라스틱(액추에이터 쪽)과 스테인리스강(접촉면 쪽)이다. 피에조 힘 센서는 액추에이터와 직렬로 장착돼 힘 추정기(force estimator) 성능을 검증한다. 이동이 시작되면, 1.8% 의 힘 윈도(force window) 내에서, 5N은 25ms에 도달한다. 힘의 상승 시간은 12ms이며, 1.8%의 힘의 오버슛이 관찰될 수 있다.

힘(force) 궤적 생성

일단 표면과 접촉하면, 힘 제어는 ‘힘 램프(force ramp)’라고 하는 힘의 설정 점생성 기능을 제공한다. 간단한 하이 레벨 기능은 정의된 램프 시간(초)에 도달해야 하는 뉴튼(또는 회전식 애플리케이션의 경우 Nm)의 새로운 힘 레벨을 정의할 수 있다. 힘은 부드럽게 조절된다. 램프 궤도는 선택적으로 FIR 필터로 부드럽게 할 수 있다.

힘 제어 램프(force lamp)의 장점은 최대한 빨리 힘의 레벨을 변경시키지만, 오버슛 컨트롤로 바뀌는 것이다. 접촉력 변화로 전체 시스템의 기계 주파수 응답도 변한다. 경사로는 이러한 기계 모드를 자극하지 않는다.

그림 5는 서로 다른 힘 레벨 간 힘 전이 제어 시의 이점을 대표적으로 보여준다. 측정에는 똑같은 액추에이터를 쓴다.

위의 그래프는 기계적 모드가 강하게 야기(수백 Hz)되는 순간의 힘 설정 포인트 변화를 보여준다. 스텝 반응은 시스템을 자극하는 많은 주파수를 포함한다. 프로파일형 힘 제어 램프를 써서 주파수 기여도를 제어할 수 있다.

오른쪽 그래프에서 힘은 5ms 램프(기계 모드 주파수 성분의 기여도 낮음)를 통해 적용된다. 이 5ms 힘 제어 램프를 쓰면 램프가 끝난 뒤에 기계적 모드를 볼 수 없다. 램프 사용 시 손실된 시간은 힘 제어 램프의 시간을 더 빨리 안정화시키는 것으로 보상된다.

‘윈도 내’ 힘 감지

힘 컨트롤 기능은 엔코더 위치와 똑같은 ‘윈도 내’기능을 제공하여 목표가 된 힘 주변의 윈도를 정의할 수 있다. 특정 시간 동안 힘이 윈도 내에 있으면, ETEL의 AccurET를 통해 플래그가 올려진다.

그림 6은 1N 터치다운을 보여준다. 윈도는 최소 시간 10ms 동안 ±0.01N로 설정된다. 힘 윈도(force window)에 들어가면 힘 신호가 10ms 동안 힘에 남아 있으므로 플래그가 올라간다. 이 플래그는 소프트웨어 애플케이션에서 프로세스를 계속 진행하는 데 쓴다. 이 힘 윈도 기능을 쓰면 목표 힘에 도달하고, 안정되면 바로 프로세스를 계속 진행할 수 있다. 터치다운 후 수정 시간을 기다리는 것과 견주어 ‘힘 윈도 내’ 기능은 더 많은 처리량과 안정을 제공한다.

툴 포인트(tool point) 지점에서 힘의 정확도

ETEL의 힘 제어 알고리즘에는 힘 피드백에 대한 두 가지 옵션이 있다.

• 외력 참조(아날로그 신호, 1Vpp 신호, TTL 신호, PC의 모든 데이터)를 쓴다.

• 힘 센서와 같은 성능을 얻으려면 ETEL의 힘 평가기(force estimator, 외력 신호가 필요 없음)를 쓴다. 이 모드에는 Comet 소프트웨어의 특정 보정 설정이 필요하다.

외력 피드백과 ETEL의 힘 평가기 모두 힘 제어 루프를 닫기 위해 쓸 수 있다.

센서리스 옵션은 재보정이 거의 필요하지 않다. 센서를 내장할 필요가 없기 때문에 제어 대역폭과 성능을 향상할 수 있다. 그러나 이 해결책의 힘 제어 정확도는 기계 통합에 달려 있다. 보통 직접 구동 저 마찰 작동기로 최상의 결과를 제공한다.

보정된 힘 센서는 센서 제공자가 작동 범위에 대해 인증된 정확성을 갖는 이점이 있다. 힘 피드백 정확도와 반복성은 축의 메커니즘에 영향을 받지 않는다.

힘 추정기의 정확도

ETEL의 AccurET에 쓰인 힘 추정기 모델은 액추에이터 툴 포인트에서 접촉력에 맞게 설계됐다. 컨트롤러는 이 힘을 계산하기 위해 많은 물리적 변수를 입력하여 힘의 우수한 시뮬레이션을 유도한다. 표면 터치다운의 중요한 단계에서 종종 힘의 반발과 튀는 효과를 관찰할 수 있다.

그림 7처럼, 힘 추정기는 축이 이미 접촉하고 움직이지 않더라도 힘의 튀는 것을 시뮬레이션할 수 있다. 피에조 힘 센서는 액추에이터와 직렬로 장착돼 정확히 힘을 추정한다. 이러한 정확한 힘 추정 기능을 통해 사용자는 잠재적인 힘 진동과 변화를 제어하고 완충시켜 완벽한 접촉을 보장한다.

힘 추정기는 특정 위치에서만 정확한 게 아니다. 터치다운 위치가 마이크로미터나 밀리미터로 변경되는 경우, 툴 포인트 지점에 가해지는 힘은 정확한 상태를 유지한다.

몇몇 애플리케이션은 다른 터치다운 위치가 필요하다. 예를 들어, 다른 접촉 강성에 힘이 가해지면 압축 계수가 변경돼 접촉 위치가 달라진다.

그림 8은 서로 다른 접촉 위치에서 1N 접촉력을 적용하는 똑같은 액추에이터를 보여준다. 접촉 위치가 더 일찍 감지되더라도 최종 접촉력과 오버슛 거동은 똑같다(액추에이터와 직렬로 연결된 피에조 힘 센서를 통해 검증됨). 이 기능 덕분에 애플리케이션은 터치다운 위치가 정확해져 다른 설정 포인트 명령을 관리할 필요가 없다.

액추에이터의 위치(직렬 스프링, 케이블, 중력 보상들)에 따라 달라지는 모든 외력은 ETEL의 힘 추정기로 알 수 있다.

 

힘 추정기 반복성

많은 힘 제어 피드백 센서는 시간에 따른 힘 드리프트(force drift, 피에조 힘 센서와 같은)에 영향을 받는다. 센서의 비선형성은 강제 반복성에 부정적인 영향을 미친다. ETEL의 힘 추정기는 터치스크린 힘 보정 애플리케이션으로 그림 9와 같이 입증된 반복성을 가진다. 첫 번째 제품은 첫 번째 터치다운에서, 두 번째 제품은 440,000회 터치다운(연속 생산 7일) 다음 두 번 측정된다. 각 측정에 대해 평균 힘은 0.4ms마다 계산된 2'500 포인트 에서 발행된다.

측정 #1 (1 사이클째): 0.4964N

측정 #2 (7일 뒤): 0.5071N

따라서 힘의 반복성에 대한 다음과 같은 오류 요인이 발생한다.

힘 반복성은 축 역학의 영향을 받는다. 따라서 역학이 반복되지 않으면 힘 추정기가 영향을 받는다. 힘 추정기의 정확성을 보장하기 위해 ETEL S.A.는 견적 보정 소프트웨어를 제공한다. 정확도는 제조 시나 액추에이터 유지 보수 서비스 다음에 보정될 수 있다.

 

애플리케이션의 힘 제어

ETEL의 AccurET 강제 제어 기능은 업계에서 다음과 같은 작업에 널리 쓰이고 있다.

• 와이어 본딩(bonding)

• 다이 본딩

• 부품 테스트와 교정 또는 배치

그림 10은 터치스크린 캘리브레이션(calibration) 프로세스를 도시한다.

보정은 화면의 각 구석과 중앙에서 수행된다. 5개의 관심 지점(POI) 각각에 대해 0.5N, 1N, 2N, 5N,10N의 힘이 1초 동안(±2%의 윈도에 진입한 다음) 적용된다. 이 과정에서 충족되는 사양은 0.1N보다 작은 오버슛과 8mm 앞뒤의 총 이동 거리이다.

또한 그림 10은 모든 접촉점에서 높이가 서로 다름을 나타낸다.

이 과정에서 사이클 시간은 화면당 26.965초(측정 25초 포함)로 측정된다. 즉, 다음과 같이 하나의 교정 위치에서 전체 사이클을 수행하는 데 단지 400ms만 필요하다.

시간당 테스트된 화면의 처리량은 UPH가 133.5에 도달했다.

센서리스 모드를 쓰면 22'400 화면 보정 다음에 힘 정밀도가 5개 위치(외부 피에조 힘 센서로 제어됨)에 대해 공칭 힘의 2%보다 여전히 우수하다.

 

결론

ETEL의 AccurET force control은 개발을 시작한 이래, 알고리즘과 기능이 완벽하고 안정적이며 효율적인 해결책이 되도록 계속해서 개선됐다. 소프트웨어의 성숙도는 여러 산업 부분의 많은 애플리케이션으로 달성됐다.

AccurET 힘 제어는 정확성을 유지하면서 처리량을 늘릴 수 있다. 독자적인 센서리스 추력 추정기를 쓰는 건 동일한 수준의 성능으로 힘 센서를 대체하는 비용 효율적인 방법이다.

 

자료 제공: ETEL(www.etel.ch)