정밀 모션 제어 및 메커니즘의 진보

PI

1. ACS 다이나믹 에러 보상에 의한 스테이지 정확도 향상

정밀 모션 시스템은 다양한 요인으로 인해 어느 정도의 위치 부정확성(또는 위치 오류)은 항상 있기 마련이다. 이러한 오류는 레이저 간섭계와 같은 외부 측정 장치를 사용하여 측정할 수 있으며 오류 수정 맵에 따라 모션 프로파일을 변경하여 수정할 수 있다.

이때 사전 설정 보정 맵에 따라 모션 프로필을 변경하는 기능을 동적 오류 보정이라고 하며, 이 기능은 PI에서 사용하는 모든 ACS SPiiPlus 컨트롤러의 표준이다.

용어

위치 정확도는 시스템이 이동하도록 명령을 받은 목표 위치와 외부 계측 장치(일반적으로 레이저 간섭계)에 의해 측정된 실제 위치 간의 차이로 정의된다.

오류 소스

위치 정확도는 위치 피드백 시스템(예: 리니어 인코더)의 결함, 구동 메커니즘, 베어링의 유도 에러 및 스테이지가 장착된 구조에 의해 영향을 받는다. 위치 정확도는 사용자의 페이로드 또는 센서가 있는 스테이지 공간의 위치에 의해서도 영향을 받는다. 이 위치를 ‘관심 지점(point of interest)’이라고 하며 이 지점과 스테이지 사이의 거리를 ‘오프셋’이라고 한다.

Abbe error는 스테이지 이동 부분의 각도 오차 모션과 오프셋 크기로 인해 발생하는 위치 오차이다. 스테이지와 사용자의 관심 지점 사이의 오프셋 거리가 클수록 Abbe error가 커진다. 아래 그림은 Abbe offset h의 길이와 결합된 스테이지의 피치 오류 양이 Abbe error를 결정하는 것을 보여준다.

리니어 포지셔닝 정확도 측정

이 테스트는 스테이지의 이동 테이블에 장착된 역 반사경으로 수행되며 광학 장치는 사용자의 지정 지점에 있다. 이렇게 하면 Abbe 오류가 측정에 캡처된다. 간섭계 빔 스플리터 옵틱은 스테이지 끝에 배치되고 고정되어 있다. 빔 경로는 모션 방향이다.

폐쇄 루프 서보 제어에서 스테이지는 고정된 증분(스텝 당 10~50mm)으로 이동하고 각 지점에서 측정이 수행된다. 스테이지는 양방향으로 전체 이동 거리를 통해 이동한다. 수집된 데이터가 플로팅되고 전체 정확도가 계산된다. 정확도 및 반복성 결과는 마이크론 단위로 보고된다.

회전 포지셔닝 정확도 측정

이 테스트는 회전 스테이지 테이블에 장착된 Renishaw XR20-W 로터리 축 보정기를 사용하여 수행됐다. XR20-W는 정밀 서보 제어축에 장착된 통합 각도 역 반사기로 구성된다. 이 축의 각도 위치와 본체 하우징에 대한 광학 장치는 스케일이 메인 베어링에 직접 가공된 매우 높은 정확도의 인코더 시스템에 의해 제어된다. 각도 간섭계 옵틱은 스테이지 끝에 배치되고 고정되어 있다.

각도 광학 설정은 두 개의 빔 경로를 생성한다. 스테이지가 회전하면 XR20-W도 같은 양만큼 역 회전한다. 각도 오차는 레이저에 의한 잔류 회전 측정을 기반으로 계산된다.
선형 정확도 데이터를 수집하는 것과 같은 방식으로 스테이지가 고정된 증분(스텝 당 5~30°)으로 이동하고 각 지점에서 측정이 수행된다. 스테이지는 여러 패스에 대해 양방향으로 전체 이동 범위를 통해 이동한다. 수집된 데이터가 플로팅 되고 전체 오류가 계산된다. 결과는 초 단위 또는 마이크로 라디안 단위로 보고된다.

다이나믹 에러 보정을 사용한 위치 오류 수정

위치 오류 측정의 데이터를 사용하여 수정 테이블을 생성하고 ACS 모션 컨트롤러에 로드할 수 있다. 오류는 다이나믹 에러 보정이라는 컨트롤러 기능을 통해 수정 맵에 따라 즉시 모션 프로필을 변경하여 수정된다.

다이나믹 에러 보상은 지속적으로 스테이지에 수정된 궤적을 제공한다. 즉, 이동이 끝날 때뿐만 아니라 스테이지가 움직이는 동안 오류 수정이 이루어진다. 이러한 방식으로 모션 중 실제 위치 추적이 이루어진다. 컨트롤러는 또한 보정 테이블에 제공된 개별 포인트 사이를 보간한다.

결과

아래는 ACS SPiiPlus 모션 컨트롤러를 사용하여 다이나믹 에러 보상을 구현하기 전과 후에 수행된 PIglide 에어 베어링 스테이지에 대한 포지셔닝 오류 플롯이다. 오차 보정으로 얻을 수 있는 최종 결과는 스테이지의 반복성에 의해서만 제한된다.

7.1. PIglide A-123.500A1 리니어 에어 베어링 스테이지

7.2. PIglide A-623.050A1 회전 에어 베어링 스테이지

2. 산업 및 우주 분야를 위한 피에조 모션 디바이스

피에조 세라믹(Piezo ceramics)은 결정 고체 상태 효과를 기반으로 전기 에너지를 직접 기계적 운동으로 변환하거나 그 반대로 변환한다. 피에조 액추에이터는 힘, 속도 및 정밀한 동작을 작은 패키지에 결합하는 데 있어 매우 효과적이다.

OEM 설계자가 쉽게 접근할 수 있도록 제조업체는 간단한 장착 인터페이스와 함께 정밀한 안내, 증폭된 모션을 제공하는 플렉셔 배열 내부에 액추에이터를 구성할 수 있다. 플렉셔는 일반적으로 알루미늄, 강철 또는 티타늄으로 만들어진다. 마찰과 마모가 없는 이 제품은 유지 보수가 필요 없다.

피에조 모션 장치를 사용하면 밀리 초 또는 마이크로 초 단위로 쉽게 나노미터 이하의 정밀도로 위치를 변경할 수 있다. 피에조 액추에이터는 드라이브 전압에 비례하는 동작 출력을 제공한다. 일반적으로 최대 1mm의 동작 출력과 수백에서 수천 Hz의 주파수로 높은 동적 모션을 제공한다. 분해능을 방해하는 기계적 마모 및 마찰 부품이 없다. 산업, 생명 과학, 현미경, 의료 공학 및 우주에서 많은 정밀 모션 및 포지셔닝 애플리케이션을 위한 우수한 조건이다.

1,000억 사이클, 이런 신뢰성을 제공하는 액추에이터의 설계가 가능할까? 대답은 '예' 다. 종전의 피에조 세라믹의 신뢰성은 적용 현장의 환경 조건에 크게 좌우되었다. 컨포멀(conformal) 코팅이 적용된 액추에이터의 경우 절대적으로 불 투과성인 폴리머 절연이 존재하지 않기 때문에 습도, 온도 및 작동 전압에 상당한 영향을 받았다.

이러한 경우 높은 습도에서 기대 수명이 크게 감소할 수 있으며 침투하는 수분과 적용된 전기장은 부품에서 화학 반응을 일으켜 고온에 의해 가속화된다. 그 결과 처음에는 누설 전류가 증가하고 마지막으로 절연 파괴, 즉 전극 사이의 단락이 발생한다.

동적 작동 중에 피에조 세라믹의 서비스 수명은 동적 힘과 기계적 응력 조건의 영향을 받을 수 있다. 잘못 설계된 세라믹 액추에이터는 미세 균열의 영향을 받아 빠르게 고장을 일으킬 수 있다.

올바른 방법

여기서의 답은 최적화된 재료 및 제조 공정, 적절한 설계, 그리고 적절한 단열재의 선택에 있다. PI Ceramic에서 제공하는 PICMA? 피에조 스택(그림 1)이 좋은 예이다. 수십 미크론 두께의 특수 세라믹 층 스택을 기반으로 하며 전극과 인터리브 되고 고체 구조로 소결된다. 제조 과정에서 먼저 특수 변형된 PZT(강유전성 세라믹)를 기반으로 하는 세라믹 재료를 연마하여 얇은 세라믹 호일이 주조되는 슬러리를 만든다(그림 2). PZT 세라믹은 구동 전압이 전극에 적용됨에 따라, 선형적인 치수 변화를 나타낸다.

다음으로 전극을 스크린 인쇄하고 층을 적층한다. 세라믹은 개별 층 사이에 갇힌 공기를 제거하기 위해 압축되고 전극과 함께 소결되어(공동 소성 기술) 모놀리식 블록을 생성한다. 이것은 세라믹 절연 층에 의해 습기와 고장으로부터 보호된다. 또한 모놀리식 디자인은 재료의 강성을 증가시켜 높은 기계적 공진 주파수, 전기 입력에 대한 빠른 기계적 응답 및 매우 동적인 분야로 이어진다. 세라믹은 유연하지 않으며 모션은 고체 상태를 기반으로 한다.

절연 및 전기 접점(그림 3)을 위해 무기 재료를 독점적으로 사용하기 때문에 가스 방출이 없어 초고 진공에서도 쉽게 사용할 수 있다.

그림 4는 피에조 세라믹 액추에이터를 고습 조건에서 컨포멀 코팅 및 세라믹 절연 PICMA? 액추에이터와 비교한 가속 수명 테스트 결과이다. 웨이퍼를 리소그래피 및 검사 중에 안정된 위치에 유지하기 위해 높고 일정한 오프셋 구동 전압이 사용된다. 이 과정에서 클린룸은 정전기 플래시 오버를 방지하기 위해 인공적으로 가습된다. 습도가 높은 다른 예는 정밀 가공 분야이다(피에조 액추에이터는 고속 공구 서보, 능동 진동 제거 및 정밀 정렬 분야에 사용됨). 여기서 냉각 액체는 주변 습도를 크게 증가시킬 수 있다.

우주 애플리케이션을 위한 테스트

이는 초저온 및 고진공의 공간 조건에도 적용된다. NASA가 화성 임무를 수행할 때 여러유형의 액추에이터를 고려하고 테스트했다. Curiosity Mars rover(그림 5) 예의 CheMin 실험실 장치의 샘플 분석기 시스템의 경우 PICMA? 피에조 액추에이터는 성능 실패없이 1,000억 사이클을 달성했다.

CheMin 기기는 화성 암석에 대한 화학적 및 광물학적 분석을 수행한다. 적절한 암석 샘플을 공급하려면 먼저 암석 분말을 분류해야 한다. 이를 위해 분말을 0.9 ~ 2.2kHz 범위의 다양한 진폭과 주파수로 흔들어 균일한 입자크기 또는 밀도에 따라 분리한다. 이 작업은 PICMA? 멀티 레이어 피에조 액추에이터에 의해 수행된다. 재료에 필요한 진동을 수행하고 정의된 진폭 및 주파수를 공급한다.

피에조 액추에이터는 발사 전에 광범위한 인증과 테스트를 통과했다. PICMA? 액추에이터는 매우 인상적인 결과를 제공했다. NASA/JPL 성능 및 서비스 수명 테스트에서 1,000억(10 exp 11)주기 후에도 고장이 전혀 발생하지 않았다. ILC 초전도 캐비티(SC)용 능동 주파수 튜너에서 10년 동안 작동하는 것과 동일한 조건에서도 피에조 액추에이터의 동작을 테스트했다.

부정적인 영향을 최소화, 스트레스 부하 및 습도

이러한 동적 분야에서 수명을 최대화하고 응력을 최소화하려면 균열 가능성을 줄이는 것이 필수적이다. 이때 인장 하중을 최소화하기 때문에 PICMA? 액추에이터의 특허 받은 슬롯 설계가 적용된다. 측면 슬롯은 스택의 기계적 인장 응력 증가를 방지하여 균열의 형성을 방지한다(그림 6).

여기서 고려해야 할 시항은 전극에 가해지는 스트레스이다. 같은 동작을 1000억 번 반복하면 지칠 수 있다. 종단 전극의 파손을 방지하기 위해 특허 받은 굴곡 모양의 디자인(그림 7)은 모든 내부 전극이 극한의 동적 부하에서도 안정적인 전기적 접촉을 갖도록 한다. 이것이 PICMA? 디자인이 다른 디자인이 실패한 곳에서도 살아남는 이유이다.

낮은 작동 전압

PICMA? 액추에이터는 최소화된 전압에서 작동하도록 설계되었다. 기존 액추에이터와 달리 벤더 유형 액추에이터의 경우 +/- 30V 만큼 낮은 150V 미만의 전압에서 공칭 모션 출력을 달성한다.
이는 얇은 세라믹 층으로 달성된다. 최신 생산 기술을 사용하여 다층 액추에이터는 거의 모든 형태로 제조할 수 있다. 이렇게 하면 모든 표면이 세라믹 절연체로 캡슐화 된다(그림 8). 벤더, 칩 및 스택 액추에이터의 절연된 중앙 구멍을 포함하여 원형 또는 삼각형 단면의 기본 형태를 사용할 수 있다.

장거리 이동 및 간편한 통합을 위한 플랙셔 디자인

피에조 세라믹 액추에이터의 작동은 네 가지 요소로 a) 정밀도, b) 속도, c) 높은 힘 d) 상대적으로 짧은 변위로 특징지어진다. 위치 정밀도는 분자 효과에서 파생되기 때문에 마찰이 없어 원하는 경우 나노미터 이하 범위로 제어할 수 있다. 반면에 높은 힘의 움직임은 마이크로 초 단위로 발휘될 수 있다.

이것이 압전 메커니즘이 최신 세대의 연료 분사 밸브 뿐만 아니라 반도체 리소그래피 도구, 초 고해상도 현미경 및 다양한 기타 나노 스케일 정밀 계측 및 포지셔닝 시스템의 핵심인 이유다.

피에조 스택의 모션 출력은 물리적 길이의 약 0.1% 로 제한된다. 긴 모션 범위가 필요한 경우 통합 모션 증폭기가 있는 플렉셔 액추에이터가 올바른 선택이며, 이러한 플렉셔 액추에이터의 중심에는 피에조 스택이 있다(그림 9).

설계에 따라 동작 범위를 최대 20배까지 확대할 수 있으며 동시에 측면 및 인장력으로부터 보호하고 정밀 가이드가 추가된다. 그러나 동작 범위를 늘리면 강성이 감소하고 최대 변위와 강성/힘 사이의 적절한 균형을 찾아야한다.

피에조 플렉셔 액추에이터 유틸리티의 핵심은 구성 범위와 신중한 마운팅 제공이다. 이는 설계에 쉽게 통합할 수 있는 메커니즘이다(그림 10, 11). 통합된 예압 메커니즘은 높은 동적 작동을 수용한다. 위치 피드백 센서는 히스테리시스 없는 정보를 제공하기 위해 장착된다.

제어의 용이성

오늘날 모션 시스템 설계자는 광범위한 피에조 모션 컨트롤러 중에서 선택할 수 있다. 콤팩트하고 비용 효율적이며 OEM 장치에서도 찾을 수 있는 기능들은 최신 고속 디지털 및 아날로그 통신 인터페이스, 내부 파형 생성 기능, 자동 보정 기능이 있는 고급 디지털 서보 알고리즘, 데이터 레코더 과도 및 시스템 최적화 등이다(그림 12, 13).

피에조 장치는 정밀 모션 제어가 필요한 분야에 성공적으로 통합될 수 있다. 피에조 스택 액추에이터와 최신 플렉셔 액추에이터가 OEM 설계자에게 제품 개발 기능을 제공하는 반면, 피에조 세라믹은 모션 제어 솔루션의 기반을 제공한다.

예를 들어 장거리 이동 애플리케이션을 위한 피에조 모터는 1 밀리미터를 훨씬 넘는 빠르고 정확한 모션을 제공한다. 피에조 모터는 공진 모터, 관성 모터, 인치 웜형 모터 등과 같은 여러 하위 범주로 나뉘며 각각 특성을 가진 선형 및 회전 성능을 제공한다.

자료 제공: PI(www.pi-usa.us)