평면 3축 초정밀 이송 스테이지의 설계 및 제어에 관한 연구
Design and Control of In-plane 3-Axis Ultra-Precision Positioning Stage
- 주제(키워드) In-plane 3-Axis Ultra-Precision Positioning Stage , Piezoelectric actuator , flexure mechanism , Scott-Russell linkage mechanism , compound cymbal mechanism , Taguchi Design of Experiments
- 발행기관 아주대학교 대학원
- 지도교수 이문구
- 발행년도 2010
- 학위수여년월 2010. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000011023
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
최근 초정밀 마이크로 이송 스테이지의 적용 분야가 다양해짐에 따라 스테이지에 관한 요구사항 또한 더욱 엄격, 다양해지고 있다. 이러한 다양한 분야의 요구사항을 만족시키기 위하여 많은 연구가 진행되었다. 이에 본 연구에서는 다양한 분야에 적용 가능한 평면 XYθ 3축 초정밀 이송 스테이지를 제안하고 설계 및 실험 검증 하였다. 기존 평면 3축 스테이지의 병렬 구조의 단점을 보완하고, 대칭적인 구조를 갖기 위해 병진 구동부와 회전 구동부가 분리된 구조를 제안, 설계하였다. 분리 구조 스테이지는 설계 및 제어가 용이하며, 적용 분야에 따라 분리 적용 가능한 장점을 갖는다. 제안하는 스테이지의 병진 구동부는 네 개의 심벌(cymbal) 기구가 대칭적으로 배치된 복합 심벌 기구로 구성된다. 병진 운동을 위한 압전구동기(Piezoelectric transducer, PZT)가 조립되는 각각의 심벌 기구는 변위 확대 기능을 하고, 복합 심벌 기구는 병진 운동 가이드(guide) 역할을 한다. 회전 구동부의 압전구동기 변위 확대는 스캇-루셀 링크 기구에 의해 이뤄지며, 스캇-루셀(Scott-Russell) 링크 기구를 통해 증폭 된 변위는 네 개의 판 스프링에 의해 회전 운동으로 가이드 된다. 본 연구에서는 스테이지의 강건 설계를 위해 다구치(Taguchi) 실험 계획법을 적용하였다. 이를 바탕으로 최적 설계 조건을 추출하고, 최종 설계 완료 후 240 ×240 ×25 ㎜^3 크기로 스테이지를 제작하였다. 스테이지 성능 검증을 위한 개루프(open-loop) 실험 결과, 각 모드 형상에서의 공진 주파수는 135.4 ㎐, 136.6 ㎐, 122.8 ㎐ 였으며, 병진 운동 및 회전 운동의 분해능은 ±1.5 ㎚와 ±15 μrad이었다. 그리고, 최대 구동 변위에 대한 계단 응답 결과, 최대 병진 구동 변위는 58 μm이며 회전 구동 변위는 1.05 mrad 였다. 추가로 진행된 crosstalk 과 Z-runout 특정 실험을 통해, 제안하는 스테이지가 다양한 분야에 스캐너(scanner) 장비로 활용될 수 있는 가능성을 확인하였다.
more초록/요약
Recently, the applications for micro-positioning stages become more diverse and the requirements of the stage increase. To satisfy the diverse and increasing requirements,various ultra-precision positioning stages were developed. This thesis presents the design, analysis, fabrication and experimental results of a novel ultra-precision in-plane XYθ 3-axis positioning stage. To supplement disadvantages of stacked and parallel kinematics and to keep advantages of symmetrical configuration, the proposed stage was designed with kinematics decoupling between translational motion and rotational motion parts. The proposed stage is actuated by three stack-type piezoelectric transducer (PZT) actuators. Two translational motions are guided by four cymbal mechanisms that have both motion guide and motion amplifier. Four leaf springs guide a rotational motion amplified by a Scott- Russell linkage mechanism. Finite element analysis was used to predict the performance of the XYθ stage, which is validated by experimental results. The size of the fabricated XYθ stage is 240 x 240 x 25 ㎜^(3). Experimental results showed that the first resonant frequencies of the stage in X- and Y-direction were 135.4 ㎐ and 136.6 ㎐, respectively, and 122.8 ㎐ of the first resonant frequency in θ-direction was obtained. The stage has a translational motion range of 58 μm and a rotational motion range of 1.05 mrad, and a resolution of ±1.5 ㎚, ±1.5 ㎚, and ±15 μrad in X-, Y-, and θ-directional motion. Also, with the small Z-runout, the stage can position more precisely. As the experimental results, the proposed XYθz stage can be applied to various fields as a precision scanner.
more목차
Chapter 1 서론 1
1.1 연구 배경 및 현황 1
1.2 연구 목적 4
Chapter 2 초정밀 스테이지의 유연기구 6
2.1 서론 6
2.2 판 스프링 및 노치 힌지(notch hinge) 유연기구 8
2.3 운동 가이드 기구 13
2.4 변위 확대 기구 17
Chapter 3 평면 XYθ 3축 초정밀 스테이지 설계 24
3.1 서론 24
3.2 평면 XYθ 3축 이송 스테이지 개념 설계 28
3.3 병진 운동부 33
3.3.1 심벌(cymbal) 기구 설계 33
3.3.2 복합 심벌(compound cymbal) 기구 구성 및 구동 원리 38
3.4 회전 운동부 41
3.4.1 스캇-루셀(Scott-Russell) 링크 기구 설계 41
3.4.2 판 스프링 가이드 구성 및 구동 원리 44
3.5 다구치(Taguchi) 실험계획법을 이용한 강건 설계 47
3.5.1 노치 힌지 가공 오차 분석 48
3.5.2 강건 설계 55
3.5.3 유한 요소 해석 68
Chapter 4 스테이지 제작 및 실험 준비 71
4.1 스테이지 제작 및 구동기 조립 71
4.2 구동 및 측정 계획 74
Chapter 5 스테이지 성능 실험 및 위치 제어 80
5.1 스테이지의 개루프(open-loop) 특성 80
5.2 폐루프(closed-loop) 제어를 통한 스테이지의 특성 분석 88
Chapter 6 결론 및 향후 과제 94
REFERENCES 96
ABSTRACT 100
CURRICULUM VITAE 102
