KR101679339B1 - 선형 위치 결정 장치 및 이의 오차 보상 방법 - Google Patents

선형 위치 결정 장치 및 이의 오차 보상 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위치 결정 장치는 이동체의 위치를 측정하는 레이저 간섭계와, 이동체를 이동시키는 리니어 엔코더를 갖는 선형 위치 결정부와, 레이저 간섭계의 환경 오차에 따라 지령 위치를 보상하여 이동체의 이동을 제어하는 제어부를 포함하며, 제어부는, 레이저 간섭계가 초기 설정된 이동체의 위치를 측정한 위치값과 리니어 엔코더가 초기 설정된 위치로 이동시킨 이동체의 위치값의 차와, 레이저 간섭계가 현재 이동체의 위치를 측정한 위치값과 리니어 엔코더가 현재 위치로 이동시킨 이동체의 위치값의 차 간의 차에 따라 레이저 간섭계의 환경 오차를 보정하는 오차 보정부와, 레이저 간섭계의 현재 이동체의 위치를 측정한 위치값에 오차 보정부로부터의 오차 보정값을 마이너스 연산하는 제1 연산부와, 지령 위치값에 제1 연산부로부터의 연산값을 마이너스 연산하는 제2 연산부와, 제2 연산부로부터의 연산 결과에 따라 선형 위치 결정부의 이동체 이동을 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.

Description

선형 위치 결정 장치 및 이의 오차 보상 방법{LINEAR POSITIONING APPARATUS AND METHOD FOR COMPENSATING ERROR THEREOF}
본 발명은 레이저 간섭계의 환경 오차를 측정하고 오차를 보상하는 선형 위치 결정 장치 및 이의 오차 보상 방법에 관한 것이다.
선형 위치결정장치의 경우 정밀한 위치 제어를 위해서는 정밀한 위치 측정 또는 피드백용 위치 검출 센서 장치가 필요하다.
일반적으로 피드백용 위치 검출 센서로는 리니어 엔코더가 사용되지만, 이 경우 리니어 엔코더가 설치되어 있는 위치와 실제 위치 결정이 필요한 즉 작업이 이루어지는 위치는 차이가 발생되며 특히 롤링(Rolling), 피칭(Pitching), 요잉(Yawing) 오차가 발생될 경우 아베(Abbe) 오프셋 오차에 의해 리니어 엔코더에서 출력되는 위치와 작업이 이루어지는 위치가 일치하지 않게 되어 오차를 발생시킬 수 있다.
따라서 선형 위치결정장치의 정밀 위치 제어를 위해서는 일반적으로 레이저 간섭계를 이용하여 작업이 이루어지는 위치의 거리를 직접 측정하고, 이렇게 측정된 신호를 이용하여 위치 제어를 수행할 수 있다.
하지만 레이저 간섭계는 하기의 선행 기술 문헌에 기재된 바와 같이, 레이저 파장이 온도, 압력, 기류와 같은 환경 요인에 따라 변하게 되며, 이러한 환경 요인에 의해 오차를 최소화하기 위해 추가적인 온도, 압력 센서를 이용하여 주변 환경 상태를 모니터링 한 후 변화되는 환경 요인에 의한 오차만큼을 간접적으로 계산하여 보정한 후 사용해야 하는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제 10-2013-0107818호
본 발명의 일 실시예에 따르면, 주변 환경의 영향을 받지 않는(열팽창 계수가 0인) 재료의 리니어 엔코더 스케일을 이용하여 레이저 간섭계의 환경 오차를 측정하고 보정하는 선형 위치 결정 장치 및 이의 오차 보상 방법이 제공된다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위치 결정 장치는 이동체의 위치를 측정하는 레이저 간섭계와, 이동체를 이동시키는 리니어 엔코더를 갖는 선형 위치 결정부; 및 상기 레이저 간섭계의 환경 오차에 따라 지령 위치를 보상하여 상기 이동체의 이동을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 레이저 간섭계가 초기 설정된 이동체의 위치를 측정한 위치값과 상기 리니어 엔코더가 초기 설정된 위치로 이동시킨 이동체의 위치값의 차와, 상기 레이저 간섭계가 현재 이동체의 위치를 측정한 위치값과 상기 리니어 엔코더가 현재 위치로 이동시킨 이동체의 위치값의 차 간의 차에 따라 상기 레이저 간섭계의 환경 오차를 보정하는 오차 보정부; 상기 레이저 간섭계의 현재 이동체의 위치를 측정한 위치값에 상기 오차 보정부로부터의 오차 보정값을 마이너스 연산하는 제1 연산부; 지령 위치값에 상기 제1 연산부로부터의 연산값을 마이너스 연산하는 제2 연산부; 및 상기 제2 연산부로부터의 연산 결과에 따라 상기 선형 위치 결정부의 이동체 이동을 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위치 결정 장치의 오차 보상 방법은 오차 보정부에서, 레이저 간섭계가 초기 설정된 이동체의 위치를 측정한 위치값과 리니어 엔코더가 초기 설정된 위치로 이동시킨 이동체의 위치값의 차와, 상기 레이저 간섭계가 현재 이동체의 위치를 측정한 위치값과 상기 리니어 엔코더가 현재 위치로 이동시킨 이동체의 위치값의 차 간의 차에 따라 상기 레이저 간섭계의 환경 오차를 보정하는 단계; 제1 연산부에서, 상기 레이저 간섭계의 현재 이동체의 위치를 측정한 위치값에 상기 오차 보정부로부터의 오차 보정값을 마이너스 연산하는 단계; 및 제2 연산부에서, 지령 위치값에 상기 제1 연산부로부터의 연산값을 마이너스 연산하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 환경 오차에 의해 발생된 최종적인 오차를 실제 물리적인 거리 값으로 직접 측정하고 보상함으로써, 보다 정확한 오차 측정 및 보상이 가능하고, 센서의 노이즈에 의해 선형 위치결정장치의 제어 시 추가적인 진동(지터)를 발생시켜 성능을 저하를 가져올 문제를 해결할 수 있으며, 레이저 간섭계의 오차 측정 및 보정값 적용을 사용자가 임의의 시점에서 자유롭게 적용시킬 수 있기 때문에 작업 성능에 영향을 미치지 않는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위치 결정 장치의 상면도 및 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위치 결정 장치의 레이저 간섭계의 환경 오차 측정 및 보정값 계산을 나타내는 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위치 결정 장치의 개략적인 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위치 결정 장치의 오차 보정 방법을 나타내는 동작 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위치 결정 장치를 나타내며, 도 1의 (a)는 선형 위치 결정 장치의 상면도이고, 도 1의 (b)는 선형 위치 결정 장치의 측면도이다.
도 1의 (a) 및 (b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위치 결정 장치(1)는 선형 위치 결정부(100) 및 제어부(200)를 포함할 수 있다.
선형 위치 결정부(100)는 선형 위치 결정 장치를 안정적으로 지지해 주는 베이스(10)와 작업이 이루어지는 이동체(60)와 이동체의 이동 안내를 위한 리니어 가이드 부(20)와 이동체에 힘을 공급하는 구동부(30)와 이동체의 위치를 검출하는 리니어 엔코더 헤드(41) 및 리니어 엔코더 스케일(42)로 구성되어 있으며, 정밀한 위치 결정을 위해 작업이 이루어지는 곳의 위치를 직접 측정할 수 있는 추가적인 위치 검출 장치인 레이저 간섭계(51)와 레이저 간섭계(51)의 발광부에서 발생된 레이저를 반사시켜 다시 레이저 간섭계의 수광부로 들어갈 수 있도록 이동체(60) 위에 설치되는 미러(52)가 구비된다.
도 1의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 선형 위치결정 장치(1)는 이동체(60)의 위치를 제어하기 위해 리니어 엔코더(41, 42)를 이용할 수 있으며, 리니어 엔코더(41. 42)가 설치되어있는 위치와 실제 작업이 이루어지는 이동체(60) 상면과는 구조적으로 일정 거리가 발생될 수 있다.
또한, 리니어 가이드부(20)를 따라 이동체(60)가 이동시 가공 및 조립 정도에 의해 발생되는 각도 오차(Roll, Pitch, Yaw), 그리고 리니어 가이드부(20)와 리니어 엔코더 스케일(42)의 평행도 오차에 의해 리니어 엔코더 헤드(41)에서 검출된 이동체(60)의 거리와 실제 작업이 이루어지는 이동체(60) 상면의 위치는 정확하게 일치하지 않고 오차를 발생시키게 된다. 이러한 오차를 극복하고 보다 더 정밀한 위치 제어를 하기 위해서, 레이저 간섭계(51)와 미러(52)가 위치 검출용 센서 또는 선형 위치결정 장치의 피드백 센서로 사용된다.
하지만 레이저 간섭계(51)는 온도, 압력, 기류 등과 같은 환경 요인에 의해 파장이 변화되며, 결국 정밀한 위치 측정 시 오차를 발생시킨다. 따라서 레이저 간섭계를 이용하여 정밀한 위치 측정 또는 정밀한 위치 제어용 피드백 센서로 사용할 경우 환경의 영향이 없는 진공환경에서 사용을 하거나 또는 일반 대기 환경에서 사용을 해야 할 경우에는 반드시 환경 영향에 의한 오차를 실시간으로 측정하여 보정을 해 주어야 한다.
이러한, 레이저 간섭계를 이용한 선형 위치 결정 장치의 정밀한 위치 제어를 수행하게 되는 경우, 다음과 같은 문제점을 가질 수 있다.
1. 센서의 정밀도 문제 및 노이즈 문제가 발생되며,
2. 이러한 센서의 신호를 통해 실시간으로 오차값을 계산하고 보정 할 경우 계산에 따른 시간 지연이 발생되고,
3. 실시간으로 보정값을 적용할 경우 선형위치결정장치의 제어시 원하지 않는 지터(떨림)가 수반되어지며,
4. 실시간이 아닌 일정 시간 간격을 두고 오차를 보정할 경우 선형 위치결정장치를 이용하여 작업이 진행되는 도중에 오차 보정이 이루어질 경우 순간적인 보정값에 의해 위치 변화가 발생되고, 이로 인해 작업의 품질을 저하시킬 우려가 있다.
5. 레이저 간섭계의 환경에 의한 오차를 측정하고 보정하기 위해서는 센서류 및 제어기와 같은 별도의 장치를 수반하게 될 수 있다.
본 발명에서는 레이저 간섭계의 환경에 의한 오차 측정 및 보정 방법을 종래의 레이저 간섭계 공급사에서 제공하는 별도의 환경보상 장치를 사용하지 않고, 선형 위치결정 장치에 구비되어 있는 리니어 엔코더(41, 42)를 이용하여 환경에 의한 레이저 간섭계의 오차 측정 및 보정 방법을 제안한다.
리니어 엔코더 스케일(42)은 다양한 재료를 이용하여 제작될 수 있으며, 예를 들어, 유리 세라믹 재질과 같이 열팽창 계수가 0에 가까운 제로듀어(Zerodur) 재질을 사용할 경우 환경의 변화에도 높은 위치 결정 반복 성능을 기대할 수 있다. 한편, 리니어 엔코더 스케일(42)을 베이스(10)에 설치할 경우 한쪽 끝단을 고정(43)하고 반대쪽 끝단을 비고정시켜서 베이스(10)의 열적 변형에 대해 영향을 받지 않을 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위치 결정 장치의 레이저 간섭계의 환경 오차 측정 및 보정값 계산을 나타내는 측면도이다.
도 1과 함께 도 2를 참조하면, 도 2에 도시된 바와 같이 리니어 엔코더 스케일(42)의 한쪽 끝단 고정점(43)을 기준으로 하여 임의의 사전에 정의된 위치(xref)로 이동체(60)를 이동시킨 후, 이 위치에서의 레이저 간섭계(51, 52)와 리니어 엔코더(41, 42)로부터 각각 검출 된 거리값의 차이를 하기의 수식1과 같이 계산함으로써 레이저 간섭계의 환경에 의한 오차를 계산할 수 있다.
(수식1)
Figure 112014127776919-pat00001
Figure 112014127776919-pat00002
여기서 Perr_now는 현재 측정 된 두 위치 검출 센서(레이저 간섭계 및 리니어 엔코더)의 위치 검출 차이 값이며, Perr_ref는 초기 설정된 기준 환경에서 선형위치결정 장치의 셋업시 측정된 두 위치 검출 센서(레이저 간섭계 및 리니어 엔코더)의 위치 검출 차이 값으로, 이 차이값(Perr_ref)은 레이저 간섭계의 환경에 의한 오차 검출시 기준 값으로 사용될 수 있다.
이렇게 사전에 정의된 특정 위치(xref)에서 측정된 레이저 간섭계의 환경에 의한 오차를 이용하여 선형 위치결정 장치의 전체 이동 구간에 대한 레이저 간섭계의 환경 오차(Laser_error) 보상을 위한 데이터(Laser_comp(x))는 하기의 수식2와 같이 선형 보간을 통해 계산할 수 있다.
(수식2)
Figure 112014127776919-pat00003

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위치 결정 장치의 개략적인 블럭도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위치 결정 장치의 오차 보정 방법을 나타내는 동작 흐름도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제어부(200)는 오차 보정부(210), 제1 연산부(220), 제2 연산부(230) 및 제어기(240)를 포함할 수 있다.
제어부(200)는 맵핑 방법을 이용하여 오차 보정값을 적용시킬 수 있다. 즉, 이동 지령 위치(u)에 대해 레이저 간섭계로부터 검출된 이동체(60)의 위치(x)를 직접 피드백하는 것이 아닌 해당 위치에서 레이저 간섭계 환경오차 보정 데이터 값(Laser_comp(x)) 만큼을 뺀 보상된 값(xcomp)으로 피드백을 함으로써 정밀한 위치 제어 구현이 가능하다.
예를 들어, 오차 보정부(210)는 상술한 수식1 및 수식2에 따라 레이저 간섭계(51)에서 측정한 이동체의 위치의 환경 오차를 보정할 수 있다.
즉, 오차 보정부(210)는 레이저 간섭계(51)가 초기 설정된 이동체의 위치를 측정한 위치값과 리니어 엔코더(41,42)가 초기 설정된 위치로 이동시킨 이동체의 위치값의 차와, 레이저 간섭계(51)가 현재 이동체의 위치를 측정한 위치값과 리니어 엔코더(41,42)가 현재 위치로 이동시킨 이동체의 위치값의 차 간의 차에 따라 레이저 간섭계(51)의 환경 오차를 보정할 수 있다(S110). 상술한 오차 보정은 이동체가 이동 가능한 전 영역에 대하여 선형 보간하여 오차를 보정할 수 있다.
다음으로, 제1 연산부(220)는 레이저 간섭계(51)의 현재 이동체의 위치를 측정한 위치값에 오차 보정부(210)로부터의 오차 보정값을 마이너스 연산할 수 있다(S120).
이후, 제2 연산부(230)는 지령 위치값에 상기 제1 연산부로부터의 연산값을 마이너스 연산할 수 있고, 제어기(240)는 제2 연산부(230)로부터의 연산 결과에 따라 선형 위치 결정부(100)의 이동체의 이동을 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 환경 오차에 의해 발생된 최종적인 오차를 실제 물리적인 거리 값으로 직접 측정하고 보상함으로써, 보다 정확한 오차 측정 및 보상이 가능하고, 센서의 노이즈에 의해 선형 위치결정장치의 제어 시 추가적인 진동(지터)를 발생시켜 성능을 저하를 가져올 문제를 해결할 수 있으며, 레이저 간섭계의 오차 측정 및 보정값 적용을 사용자가 임의의 시점에서 자유롭게 적용시킬 수 있기 때문에 작업 성능에 영향을 미치지 않는다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
1: 선형 위치 결정 장치
10: 베이스
20: 리니어 가이드부
30: 구동부
41: 리니어 엔코더 헤드
42: 리니어 엔코더 스케일
43: 고정점
51: 레이저 간섭계
52: 미러
60: 이동체
100: 선형 위치 결정부
200: 제어부
210: 오차 보정부
220: 제1 연산부
230: 제2 연산부
240: 제어기

Claims (7)

  1. 이동체의 위치를 측정하는 레이저 간섭계와, 이동체를 이동시키는 리니어 엔코더를 갖는 선형 위치 결정부; 및
    상기 레이저 간섭계의 환경 오차에 따라 지령 위치를 보상하여 상기 이동체의 이동을 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 레이저 간섭계가 초기 설정된 이동체의 위치를 측정한 위치값과 상기 리니어 엔코더가 초기 설정된 위치로 이동시킨 이동체의 위치값의 차와, 상기 레이저 간섭계가 현재 이동체의 위치를 측정한 위치값과 상기 리니어 엔코더가 현재 위치로 이동시킨 이동체의 위치값의 차 간의 차에 따라 상기 레이저 간섭계의 환경 오차를 보정하는 오차 보정부;
    상기 레이저 간섭계의 현재 이동체의 위치를 측정한 위치값에 상기 오차 보정부로부터의 오차 보정값을 마이너스 연산하는 제1 연산부;
    지령 위치값에 상기 제1 연산부로부터의 연산값을 마이너스 연산하는 제2 연산부; 및
    상기 제2 연산부로부터의 연산 결과에 따라 상기 선형 위치 결정부의 이동체 이동을 제어하는 제어기를 포함하는 선형 위치 결정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 레이저 간섭계에 측정한 이동체의 위치값과, 상기 리니어 엔코더에서 이동시킨 이동체의 위치값의 차에 따라 상기 지령 위치를 보상하는 선형 위치 결정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 레이저 간섭계가 초기 설정된 이동체의 위치를 측정한 위치값과 상기 리니어 엔코더가 초기 설정된 위치로 이동시킨 이동체의 위치값의 차와, 상기 레이저 간섭계가 현재 이동체의 위치를 측정한 위치값과 상기 리니어 엔코더가 현재 위치로 이동시킨 이동체의 위치값의 차 간의 차에 따라 상기 지령 위치를 보상하는 선형 위치 결정 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 리니어 엔코더는
    베이스상에서 이동체의 이동을 안내하는 리니어 가이드부;
    상기 이동체를 이동시키는 구동부;
    상기 이동체가 이동된 위치를 검출하는 리니어 엔코더 헤드와 리니어 엔코더 스케일
    를 포함하고,
    상기 리니어 엔코더 스케일은 열적 변형이 적은 재질로 구성되는 선형 위치 결정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 리니어 엔코더 스케일은 상기 베이스에 설치되어, 일단은 고정되고, 타단은 비고정되는 선형 위치 결정 장치.
  7. 오차 보정부에서, 레이저 간섭계가 초기 설정된 이동체의 위치를 측정한 위치값과 리니어 엔코더가 초기 설정된 위치로 이동시킨 이동체의 위치값의 차와, 상기 레이저 간섭계가 현재 이동체의 위치를 측정한 위치값과 상기 리니어 엔코더가 현재 위치로 이동시킨 이동체의 위치값의 차 간의 차에 따라 상기 레이저 간섭계의 환경 오차를 보정하는 단계;
    제1 연산부에서, 상기 레이저 간섭계의 현재 이동체의 위치를 측정한 위치값에 상기 오차 보정부로부터의 오차 보정값을 마이너스 연산하는 단계; 및
    제2 연산부에서, 지령 위치값에 상기 제1 연산부로부터의 연산값을 마이너스 연산하는 단계를 포함하는 선형 위치 결정 장치의 오차 보상 방법.
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