KR101910522B1 - 단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼 및 그의 구현 방법과 장치 - Google Patents

단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼 및 그의 구현 방법과 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼에 관한 것으로서 리니어 가이드 레일(A101), 리지드-플렉시블 커플링 운동 플랫폼, 리니어 드라이브 및 변위 센서(A6)를 포함하고, 여기에서 리지드-플렉시블 커플링 플랫폼은 리지드 프레임(A201), 플렉시블 힌지(A203) 및 핵심 운동 플랫폼(A202)을 포함한다. 리니어 드라이브는 플렉시블 힌지(A203)를 통하여 리지드 프레임(A201)을 리니어 가이드 레일(A101) 상에서 운동시킨다. 상기 운동 플랫폼은 고정밀 연속 변위를 구현할 수 있으며, 가속도 급변으로 인한 변위 “진동”을 막아준다.

Description

단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼 및 그의 구현 방법과 장치
본 발명은 모터 구동 기술 분야에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼 및 그의 구현 방법과 장치에 관한 것이다.
고속 정밀 운동 플랫폼은 반도체 패키징 등 분야에서 광범위하게 사용된다. 고속 정밀 운동 플랫폼 중 대우(kinematic pair) 사이 표면 조도의 불확실한 변화는 마찰저항의 진폭을 불확실하게 변화시킬 수 있다. 운동 플랫폼의 가동, 정지 및 마이크로 피딩(micro-feeding) 과정에서 운동 플랫폼의 속도가 상대적으로 비교적 낮고, 상기 마찰저항의 진폭 파동이 운동 플랫폼에 “기어가는” 현상이 나타나게 만들기 쉽다. 폐루프 제어 시스템 작용 하에서 드라이브는 구동력을 증대시키는 방식을 통해 마찰저항을 극복하고 운동 플랫폼 위치 오차를 보상할 수 있다. 상기 보상 과정에서 운동 플랫폼은 빈번한 “정지→운동” 상태 전환을 거친다. “정지→운동” 과정에서 대우 사이의 마찰저항은 “정지마찰→운동마찰”의 상태 전환을 거칠 수 있으며, 정지마찰계수와 운동마찰계수 사이의 차이는 상기 상태 전환 순간의 가속도를 급변시킬 수 있고, 이는 운동 플랫폼이 최종 위치고정 지점 부근에서 “진동”을 일으켜 위치고정 정밀도에 영향을 줄 수 있다.
가동, 정지 및 마이크로 피딩 과정 중 마찰 상태 전환으로 인한 위치고정 오차가 고정밀 운동 플랫폼 실행 정밀도에 영향을 주는 것을 어떻게 줄일 수 있느냐는 중요한 문제이다. 상기 문제에 대한 종래의 해결방안은 이하와 같다.
1. 정확한 마찰모형을 구축해 운동 제어 구동력 보상의 방식을 채택한다.
2. 무마찰 또는 저마찰의 대우 설계를 채택한다. 예를 들어 공기 베어링, 자기 베어링 또는 마이크로 피딩 플랫폼의 플렉시블 힌지 등 구조 설계를 채택한다.
대우 사이의 접촉면 미세 특성 차이와 제조 오차 등 요소로 인하여 고정밀도의 마찰 모형을 구축하기가 어려우며, 이로 인하여 운동 제어 시스템에 복잡한 보상 제어 방법을 채택해야 한다.
공기 베어링 또는 자기 베어링 등 저마찰 대우의 실시는 원가가 비교적 높아 그 사용 범위가 제한적이다.
플렉시블 힌지는 일종의 무마찰 대우로서, 탄성 변형에 의거하여 연속 고정밀도의 운동을 구현한다. 작업 원리가 제한적이기 때문에, 플렉시블 힌지 대우는 주로 미세행정의 운동에 적용된다. 장행정 운동의 경우에는 플렉시블 힌지를 종종 마찰 대우와 매칭시켜 매크로/마이크로 복합 운동 플랫폼을 구성하여 장행정의 고정밀도 운동을 구현하며, 나아가 큰 범위 운동에 대한 보상을 진행한다.
특허 201410696217.0은 리니어 모터 공동 고정자(co-stator) 더블 구동 매크로/마이크로 일체화 고속 정밀 운동 1차원 플랫폼에 관한 것이다. 여기에서 제안하는 매크로/마이크로 운동 플랫폼의 매크로 운동 외부 프레임과 마이크로 운동 플랫폼은 각각 2세트의 리니어 모터 회전자와 연결된다. 여기에서 매크로 운동 외부 프레임과 마이크로 운동 플랫폼 사이는 플렉시블 힌지를 통하여 연결되고, 상기 매크로 운동 외부 프레임은 리니어 모터 회전자에 대응하는 구동 하에서 장행정의 매크로 운동을 구현하며, 상기 마이크로 운동 플랫폼은 대응하는 리니어 모터 회전자의 구동 하에서 상기 매크로 운동의 운동 편차에 대하여 동적 보상을 진행한다. 상기 매크로/마이크로 복합 운동 원리를 이용하여 장행정 고정밀도의 운동을 구현한다. 상기 운동 플랫폼 중 마이크로 운동 플랫폼은 무마찰의 플렉시블 힌지 대우 설계를 채택하여 위치고정 과정 중의 연속 변위를 구현하였다. 특허 201410696217.0에서 제안하는 운동 플랫폼에 존재하는 주요 결함은 이하와 같다. (1) 매크로/마이크로 복합 제어를 채택하기 때문에, 운동 플랫폼의 매크로 운동 플랫폼과 마이크로 운동 플랫폼에 각자의 드라이브 및 변위 센서로 구성되는 피드백 시스템이 각각 필요하므로 원가가 비교적 높다. (2) 제어 시스템 중 매크로 운동과 마이크로 운동 전환 제어를 고려해야 하므로 제어 시스템이 비교적 복잡하다. (3) 플랫폼 중 운동 부분의 질량이 비교적 크기 때문에 높은 가속도 등 큰 관성 영향이 있는 환경에 사용하기에는 부적합하다. (4) 매크로 운동 플랫폼의 피드백 제어 시스템은 여전히 위치고정 단계의 마찰상태 영향을 고려하여, 위치고정 과정 중 매크로 운동 플랫폼의 변위 편차가 플렉시블 힌지 대우의 극한 변형 범위보다 작도록 만들어야만 한다.
본 발명의 목적은 모터 구동 플랫폼의 간소화된 제어와 최적화된 구조를 제안함으로써 상기 기술문제를 해결하는 데에 있다. 상세하게는, 본 발명은 단일 구동 리지드-플렉시블(rigid?flexible) 커플링 정밀 운동 플랫폼 및 그의 구현 방법과 장치를 제안한다.
본 발명에서 제공하는 단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼은 베이스, 리니어 가이드 레일(linear guide rail), 리지드-플렉시블 커플링 운동 플랫폼, 리니어 드라이브 및 변위 센서를 포함하며, 여기에서 리지드-플렉시블 커플링 플랫폼은 리지드 프레임, 플렉시블 힌지 및 핵심 운동 플랫폼을 포함하고;
상기 리지드-플렉시블 커플링 플랫폼의 핵심 운동 플랫폼은 플렉시블 힌지를 통하여 상기 리지드 프레임과 연결되고;
상기 리지드-플렉시블 커플링 플랫폼의 핵심 운동 플랫폼은 리니어 드라이브와 연결되고, 상기 리지드 프레임은 가이드 레일 슬라이딩 블록을 통하여 상기 베이스 상에 고정된 상기 리니어 가이드 레일과 연결되고, 상기 핵심 운동 플랫폼은 상기 리니어 드라이브 작용 하에서 상기 플렉시블 힌지에 탄성 변형을 일으키고, 플렉시블 힌지를 통하여 상기 리지드 프레임을 상기 리니어 가이드 레일 길이 방향 상에서 자유 운동시키고;
상기 변위 센서는 상기 핵심 운동 플랫폼과 연결되어 핵심 운동 플랫폼의 운동 방향 상에서의 변위를 측정하는 데 사용된다.
바람직하게는, 상기 리니어 드라이브는 음성 코일 모터 또는 리니어 모터이다.
바람직하게는, 상기 리지드-플렉시블 커플링 플랫폼의 리지드 프레임과 핵심 운동 플랫폼 사이에 위치제한 장치와 댐퍼를 설치한다.
바람직하게는, 상기 리지드-플렉시블 커플링 플랫폼의 상기 핵심 운동 플랫폼과 상기 리지드 프레임 사이의 플렉시블 힌지는 대칭 배치한다.
바람직하게는, 상기 리지드-플렉시블 커플링 플랫폼은 일체형으로 가공 제조한다.
바람직하게는, 상기 플렉시블 힌지는 빔 타입(beam type) 또는 노치 타입(notch type) 플렉시블 힌지이다.
본 발명은 단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼 구현 방법을 더 제공하며, 본 발명은 상기 단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼을 이용하고, 이하 단계를 포함한다.
1) 리니어 드라이브가 핵심 운동 플랫폼을 직접 구동시키며, 구동력이 리지드 프레임 정지마찰을 극복할 수 없을 때, 핵심 운동 플랫폼은 플렉시블 힌지의 탄성 변형을 통하여 미세 변위를 형성함으로써 정밀 마이크로 피딩을 구현한다.
2) 리니어 드라이브의 구동력이 커질 때 마찰력을 극복하여 리지드 프레임을 운동시키고, 이때 탄성 변형이 커져 위치제한 상태에 진입하며, 모든 구동력이 리지드 프레임에 전달되어 고속 운동을 진행한다.
3) 플랫폼 감속 시, 핵심 운동 플랫폼이 먼저 제동하고, 플렉시블 힌지를 통해 리지드 프레임을 제동하고, 그 후 다른 위치제한 장치와 댐퍼로 전환하여 진동 에너지를 감퇴시킨다.
본 발명은 단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼의 장치를 더 제공하며, 상기 단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼은 장행정 정밀 가공 설비 상에 응용되며, 상기 단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼을 모터 구동 플랫폼으로 채택하였다.
본 발명의 유익한 효과는 이하와 같다.
1) 무마찰 플렉시블 힌지 대우를 채택하여 고정밀도 연속 변위를 구현하기 때문에, 저속 조건에서 대우 마찰 상태 전환으로 인한 가속도 급변 때문에 변위 “진동”이 일어나는 것을 막아 준다.
2) 리지드-플렉시블 커플링의 운동 플랫폼 설계를 채택하며, 사용하는 플렉시블 힌지가 자체 탄성 변형을 기반으로 가이드 레일 대우의 마찰력 변화에 주도적으로 적응할 수 있기 때문에, 대우 마찰 상태 전환으로 인해 발생하는 “기어가는” 현상이 위치고정 연속 변위에 미치는 영향을 막아 주므로, 더 높은 위치고정 정밀도를 구현하는 데 유익하다.
3) 운동 플랫폼에 단일 구동 폐루프 제어 시스템을 채택하였으며, 채택하는 드라이브와 센서가 모두 상기 핵심 운동 플랫폼 상에 연결되고, 제어 시스템 설계가 간단하여 신뢰성이 더욱 높다.
4) 운동 플랫폼에 비교적 긴밀한 설계를 채택하며, 매크로/마이크로 복합 운동 플랫폼에 비해 더 작은 운동 질량을 구현할 수 있으므로, 높은 가속도 등의 환경에 응용하기에 더욱 유익하다.
도 1은 본 발명에 있어서 상기 리지드-플렉시블 커플링 운동 플랫폼의 작업원리도이고;
도 2는 본 발명에 있어서 실시예 A의 설명도이고;
도 3은 본 발명에 있어서 실시예 A의 일부 단면에 대한 확대도이고;
도 4는 본 발명에 있어서 실시예 A의 전방 단면도 및 일부 확대도이고;
도 5는 본 발명에 있어서 실시예 B의 설명도이고;
도 6은 본 발명에 있어서 실시예 B의 일부 단면에 대한 확대도이고;
도 7은 본 발명에 있어서 실시예 B의 전방 단면도 및 일부 확대도이고;
도 8은 본 발명에 있어서 실시예 C의 설명도이고;
도 9는 본 발명에 있어서 실시예 C의 일부 단면에 대한 확대도이고;
도 10은 본 발명에 있어서 1um 정밀 마이크로 피딩 실험데이터 곡선도이고;
도 11은 본 발명에 있어서 100mm의 쾌속 위치고정 실험데이터 곡선도이다.
이하에서는, 본 발명의 예시적인 실시형태들을 도면을 통해 보다 명확하고 완전하게 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명의 모든 실시예가 아닌 일부 실시예에 불과하다. 본 발명이 속한 기술분야의 당업자가 본 발명의 실시예를 기반으로 창조적 노동 없이 획득한 모든 기타 실시예는 본 발명의 보호범위에 속한다.
본 발명에서 제공하는 운동 플랫폼의 실시예 A는 이하와 같다.
도 1 내지 3에서 도시하는 바와 같이, 운동 플랫폼은 주로 베이스(A4), 리니어 가이드 레일(linear guide rail)(A101), 가이드 레일 슬라이딩 블록(A102), 리지드 프레임(A201), 핵심 운동 플랫폼(A202), 플렉시블 힌지(A203), 광학격자 변위 센서(A6), 및 리니어 모터 드라이브 등으로 구성된다. 여기에서 리지드 프레임(A201)과 핵심 운동 플랫폼(A202) 사이는 플렉시블 힌지(A203) 대우를 통하여 연결하고, 리지드 프레임(A201)은 리니어 가이드 레일 대우를 통하여 베이스(A4)와 연결한다.
상기 리니어 모터 드라이브는 리니어 모터 회전자(A501) 및 리니어 모터 고정자(A502)로 구성된다. 여기에서 리니어 모터 회전자(A501)는 상기 핵심 운동 플랫폼(A202)과 연결되고, 상기 리니어 모터 회전자(A501)는 전자기력 작용 하에서 핵심 운동 플랫폼(A202)에 구동력을 가할 수 있다. 상기 구동력은 플렉시블 힌지(A203)에 탄성 변형을 일으킬 수 있으며, 나아가 상기 핵심 운동 플랫폼(A202)에 가이드 레일 길이 방향을 따라 직선 변위를 일으킬 수 있다. 상기 플렉시블 힌지(A203)의 탄성 변형 반작용력은 상기 리지드 프레임(A201)에 연결된 리니어 가이드 레일 대우의 마찰력을 극복하는 데 사용할 수 있으며, 플렉시블 힌지(A203)의 탄성 변형 반작용력이 상기 리니어 가이드 레일 대우 사이의 정지마찰력 등 저항보가 클 경우, 상기 리지드 프레임(A201)이 정지 상태를 운동 상태로 전환시킨다.
상기 핵심 운동 플랫폼(A202)의 변위는 이하의 두 가지 상황으로 나눌 수 있다. a. 플렉시블 힌지(A203)의 탄성 변형이 상기 대우의 정지마찰력 등 저항보다 작은 경우, 상기 핵심 운동 플랫폼(A202)의 변위는 상기 플렉시블 힌지(A203) 대우의 탄성 변형량이다. b. 플렉시블 힌지(A203)의 탄성 변형이 상기 대우의 정지마찰력 등 저항보다 큰 경우, 상기 핵심 운동 플랫폼(A202)의 변위는 상기 플렉시블 힌지(A203) 대우의 탄성 변형량과 상기 리지드 프레임(A201)의 리지드 변위의 중첩이다. 상기 리니어 가이드 레일 대우의 운동 상태가 상기 상황 a와 b 사이에서 전환될 때, 상기 리니어 가이드 레일 대우 정지마찰계수와 운동마찰계수 사이의 차이가 저항 급변을 초래하며, 운동 플랫폼에 대한 리지드 충격을 발생시키고, 대우의 마찰이 “기어가는” 현상을 초래한다. 상기 플렉시블 힌지(A203)는 자체적인 탄성 변형을 기반으로 상기 대우 마찰 상태 전환으로 인한 마찰 저항 급변에 주도적으로 적응함으로써, 마찰 저항 급변의 상기 핵심 운동 플랫폼(A202)에 대한 리지드 충격을 완화시킨다. 상기 임의 상황 하에서, 상기 핵심 운동 플랫폼(A202)은 모두 플렉시블 힌지(A203)의 탄성 변형을 기반으로 연속 변위를 구현할 수 있으며, 마찰이 “기어가는” 상황이 운동 위치고정 정밀도에 미치는 영향을 막아줄 수 있다.
상기 광학격자 변위 센서(A6)는 상기 핵심 운동 플랫폼(A202)과 연결하며, 임의 상황 하에서 상기 핵심 운동 플랫폼(A202)의 변위를 실시간으로 측정할 수 있다. 상기 광학격자 변위 센서(A6)의 변위 측정은 피드백 단계로서 리니어 모터 드라이브 등과 폐루프 제어 시스템을 형성할 수 있으며, 상기 핵심 운동 플랫폼(A202)의 고정밀도 운동 위치고정을 구현할 수 있다.
상기 운동 플랫폼이 고가속도 등의 상황에 있을 때, 상기 리니어 모터 드라이브는 상기 핵심 운동 플랫폼(A202)을 통하여 상기 플렉시블 힌지(A203) 구동력에 작용을 가하여 상기 플렉시블 힌지(A203)의 변형량이 극한 탄성 변형량을 초과하기 쉽게 만든다. 상기 플렉시블 힌지(A203)의 탄성 변형량이 극한을 초과할 때, 상기 핵심 운동 플랫폼(A202)은 상기 리지드 프레임(A201)과 접촉하며 전체 리지드 운동 플랫폼을 구성한다. 상기 핵심 운동 플랫폼(A202)과 상기 리지드 프레임(A201) 사이에 댐퍼(A3)를 설치하여, 상기 핵심 운동 플랫폼(A202)이 상기 리지드 프레임(A201)과 접촉하는 충격력을 완화시키는 데 사용한다.
도 3 및 4에서 도시하는 바와 같이, 상기 핵심 운동 플랫폼(A202)의 지탱 능력을 향상시키기 위하여, 상기 리지드 프레임(A201)과 상기 핵심 운동 플랫폼(A202) 사이에 리니어 베어링 유닛을 설치한다. 여기에서 리지드 프레임(A201)의 두 지탱단부 사이에 광축(A702)을 설치하고, 상기 핵심 운동 플랫폼(A202) 상에 리니어 베어링 부싱(linear bearing bushing)(A701)을 설치한다. 상기 리니어 베어링 부싱(A701)의 운동 자유도는 상기 광축(A702) 길이 방향으로 제한된다. 상기 리지드 프레임(A201) 상에 설치하는 광축(A702)과 상기 핵심 운동 플랫폼(A202) 상에 설치하는 리니어 베어링 부싱(A701)은 공동으로 강성 강화 유닛을 구성하며, 상기 핵심 운동 플랫폼(A202)의 지탱 능력을 향상시키는 데 사용된다.
본 발명에서 제공하는 운동 플랫폼의 실시예 B는 이하와 같다.
도 5 및 6에서 도시하는 바와 같이, 실시예 B에 있어서 운동 플랫폼의 구조 설계와 운동 원리는 실시예 A와 같다. 운동 플랫폼은 주로 베이스(B4), 리니어 가이드 레일(B101), 가이드 레일 슬라이딩 블록(B102), 리지드 프레임(B201), 핵심 운동 플랫폼(B202), 플렉시블 힌지(B203), 광학격자 변위 센서(B6), 및 리니어 모터 드라이브 등으로 구성된다. 여기에서 리지드 프레임(B201)과 핵심 운동 플랫폼(B202) 사이는 플렉시블 힌지(B203) 대우를 통하여 연결하고, 리지드 프레임(B201)은 리니어 가이드 레일 대우를 통하여 베이스(B4)와 연결한다. 상기 리니어 모터 드라이브는 리니어 모터 회전자(B501) 및 리니어 모터 고정자(B502)로 구성된다. 여기에서 리니어 모터 회전자(B501)는 상기 핵심 운동 플랫폼(B202)과 연결되고, 상기 리니어 모터 회전자(B501)는 전자기력 작용 하에서 핵심 운동 플랫폼(B202)에 구동력을 가할 수 있다. 상기 핵심 운동 플랫폼(B202)과 상기 리지드 프레임(B201) 사이에 댐퍼(B3)를 설치하여, 상기 핵심 운동 플랫폼(B202)이 상기 리지드 프레임(B201)과 접촉하는 충격력을 완화시키는 데 사용한다.
실시예 A와 비교할 때, 실시예 B의 주요 변화점은 실시예 A 중 상기 핵심 운동 플랫폼 지탱 능력 향상을 위해 채택하는 강성 강화 유닛 설계가 더욱 개선되었다는 것이다.
도 6 및 7에서 도시하는 바와 같이, 상기 리지드 프레임(B201) 상에 자석 블록 II(B702)를 설치하고, 상기 핵심 운동 플랫폼(B202) 상에 자석 블록 I(B701)을 설치한다. 상기 자석 블록 II(B702)를 플랫폼 운동 과정에서 항상 상기 자석 블록 I(B701) 중간에 위치한다. 상기 자석 블록 II(B702)와 상기 자석 블록 I(B701) 상부의 서로 마주보는 면 상에 동일한 자극 극성을 채택하고, 상기 자석 블록 II(B702)와 상기 자석 블록 I(B701) 하부의 서로 마주보는 면 상에도 동일한 자극 극성을 채택한다. 상기 자극 배치 방식을 이용하여, 상기 자석 블록 II(B702)은 상기 자석 블록 I(B701)에 의한 자석의 척력을 상기 자석 블록 II(B702) 사이에 구속시키며, 나아가 상기 핵심 운동 플랫폼(B202)의 지탱 능력을 향상시켜 준다. 상기 자석 블록 II(B702)와 자석 블록 I(B701)은 공동으로 비접촉식의 강성 강화 유닛을 구성한다.
본 발명에서 제공하는 운동 플랫폼의 실시예 C는 이하와 같다.
도 8 및 9에서 도시하는 바와 같이, 운동 플랫폼은 주로 베이스(C401), 크로스 롤러 리니어 가이드 레일(C1), 리지드 프레임(C201), 핵심 운동 플랫폼(C202), 플렉시블 힌지(C203), 광학격자 변위 센서(C7), 및 음성 코일 모터 등으로 구성된다. 여기에서 리지드 프레임(C201)과 핵심 운동 플랫폼(C202) 사이는 플렉시블 힌지(C203) 대우를 통하여 연결하고, 리지드 프레임(C201)은 리니어 가이드 레일 대우를 통하여 베이스(C401)와 연결한다.
상기 음성 코일 모터 드라이브는 음성 코일 모터 회전자(C501) 및 음성 코일 모터 고정자(C502)로 구성된다. 여기에서 음성 코일 모터 회전자(C501)는 회전자 연결부재(C3)를 통하여 상기 핵심 운동 플랫폼(C202)과 연결된다. 상기 음성 코일 모터 회전자(C501)는 전자기력 작용 하에서 핵심 운동 플랫폼(C202)에 구동력을 가할 수 있다. 상기 구동력은 플렉시블 힌지(C203)에 탄성 변형을 일으킬 수 있으며, 나아가 상기 핵심 운동 플랫폼(C202)에 가이드 레일 길이 방향을 따라 직선 변위를 일으킬 수 있다. 상기 플렉시블 힌지(C203)의 탄성 변형 반작용력은 상기 리지드 프레임(A201)에 연결된 리니어 가이드 레일 대우의 마찰력을 극복하는 데 사용할 수 있으며, 플렉시블 힌지(C203)의 탄성 변형 반작용력이 상기 리니어 가이드 레일 대우 사이의 정지마찰력 등 저항보다 클 경우, 상기 리지드 프레임(C201)이 정지 상태를 운동 상태로 전환시킨다.
상기 핵심 운동 플랫폼(C202)의 변위는 실시예 A와 동일하게 두 가지 상황으로 나눌 수 있으며, 마찰이 “기어가는” 영향을 피하는 방법을 채택하는 것 역시 실시예 A와 동일하다.
상기 광학격자 변위 센서(C7)는 상기 핵심 운동 플랫폼(C202)과 연결하며, 임의 상황 하에서 상기 핵심 운동 플랫폼(C202)의 변위를 실시간으로 측정할 수 있다. 상기 광학격자 변위 센서(C7)의 변위 측정은 피드백 단계로서 음성 코일 모터 드라이브 등과 폐루프 제어 시스템을 형성할 수 있으며, 상기 핵심 운동 플랫폼(C202)의 고정밀도 운동 위치고정을 구현할 수 있다.
상기 운동 플랫폼이 고가속도 등의 상황에 있을 때, 상기 음성 코일 모터 드라이브는 상기 핵심 운동 플랫폼(C202)을 통하여 상기 플렉시블 힌지(C203) 구동력에 작용을 가하여 상기 플렉시블 힌지(C203)의 변형량이 극한 탄성 변형량을 초과하기 쉽게 만든다. 상기 플렉시블 힌지(C203)의 탄성 변형량이 극한을 초과할 때, 상기 핵심 운동 플랫폼(C202)은 상기 리지드 프레임(C201)과 접촉하며 전체 리지드 운동 플랫폼을 구성한다. 상기 핵심 운동 플랫폼(C202)과 상기 리지드 프레임(C201) 사이에 댐퍼(C8)를 설치하여, 상기 핵심 운동 플랫폼(C202)이 상기 리지드 프레임(C201)과 접촉하는 충격력을 완화시키는 데 사용한다.
본 발명의 실시효과를 설명하기 위하여, 1um 마이크로 변위 피딩과 100mm 쾌속 위치고정 2가지 사례를 제공하였다. 일반 플랫폼(정지마찰계수 0.2, 운동마찰계수 0.15), 본 실시 사례의 저마찰(마찰계수는 일반 플랫폼의 1/10)과 무마찰 방안을 비교하였다.
Figure 112018033740516-pct00001
표 1에서 알 수 있듯이, 정밀 마이크로 피딩 시, 마찰작용 때문에 일반 플랫폼의 실제 변위는 0.44484um에 불과하며 목표와의 편차가 -56.616%이다. 본 발명의 저마찰 리지드 탄성 커플링 매크로/마이크로 복합 플랫폼을 채택한 경우, 핵심 플랫폼 탄성 변형 변위는 0.92547um이며 목표와의 편차가 -7.453%이고 리지드 프레임의 변위가 0.05071um에 불과했다. 본 발명의 무마찰 리지드 탄성 커플링 매크로/마이크로 복합 플랫폼을 채택한 경우, 핵심 플랫폼 탄성 변형 변위는 0.98611um이며 목표와의 편차가 -1.389%이고 리지드 프레임의 변위가 0.010593um에 불과했다. 여기에서 알 수 있듯이, 정밀 마이크로 피딩 시, 마찰작용 때문에 아주 큰 위치고정 오차가 발생한다. 본 방안의 리지드 탄성 운동 커플링을 채택하면, 저마찰 또는 무마찰의 탄성 변형이 마이크로 변위를 발생시켜 정밀 마이크로 피딩을 구현할 수 있다.
도 11.a에서 도시하는 것은 100mm의 쾌속 위치고정 사례이다. 마찰 때문에 구동력이 아주 작을 때 슬라이딩 블록이 정지 상태에 놓이며, 구동력이 정지마찰보다 커져야만 운동을 시작한다(도 11.b). 제동 과정에 있어서, 구동력은 먼저 핵심 플랫폼 상에 작용하여 플랫폼의 운동 속도를 떨어뜨리며, 다시 플렉시블 힌지를 통하여 리지드 프레임 상에 작용하기 때문에, 핵심 플랫폼이 리지드 프레임보다 먼저 제동된다. 리지드 프레임 속도가 0에 근접할 때 마찰 사륜구동으로 진입하며, 이때 핵심 플랫폼은 플렉시블 힌지 변형의 마이크로 피딩을 통하여 오차 보상을 완료한다(도 11.c).
Figure 112018033740516-pct00002
표 2에서 알 수 있듯이, 유마찰 일반 플랫폼의 경우 정지상태 위치는 99.9968mm이고 오차는 -0.0032%이다. 저마찰 탄성 변형을 통한 복합 후 위치고정 정밀도는 99.9992mm이고 오차는 -0.0008%이다. 탄성 보상 무마찰 시, 실제 변위는 99.9996이고 상대 오차는 -0.0004%이며 위치고정 정밀도가 서브미크론 레벨이다.상기 내용을 종합하면, 핵심 플랫폼이 플렉시블 힌지를 통하여 리지드 프레임과 연결되기 때문에, 구동력이 마찰을 극복하기에 부족할 때 핵심 플랫폼은 플렉시블 힌지를 통하여 변형이 발생하여 변위가 일어나므로 쾌속 가동이 구현된다. 고속 운행 시 정지할 때까지 속도가 떨어지고 구동력도 함께 떨어지면서 구동력이 정지마찰보다 작은 상황이 또 나타난다. 이때 핵심 플랫폼은 계속해서 플렉시블 힌지 변형을 통하여 변위를 구현한다. 전체 과정에 알고리즘 전환이 필요없기 때문에 제어가 간단하다.상기에서는 본 발명이 제공하는 단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼, 구현 방법 및 그 용용에 대하여 상세하게 설명하였다. 본문에서는 구체적인 예시를 응용하여 본 발명의 원리 및 실시방식을 설명하였으며, 상기 실시예에 대한 설명은 본 발명의 방법 및 그 핵심 사상에 대한 이해를 돕는 것에 불과하다. 본 발명이 속한 기술분야의 당업자가 본 발명의 원리를 기반으로 본 발명에 대해 진행한 약간의 개선과 수식은 모두 본 발명의 보호범위 내에 속한다.
1: 리니어 가이드 레일(linear guide rail); 201: 강성 프레임; 202: 핵심 운동 플랫품; 203: 플렉시블 힌지; 3: 완충기; A101: 리니어 가이드 레일(linear guide rail); A102: 가이드 레일 슬라이딩 블록; A201: 리지드 프레임; A202: 핵심 운동 플랫폼; A203: 플렉시블 힌지; A3: 댐퍼; A4: 베이스; A501: 리니어 모터 회전자; A502: 리니어 모터 고정자; A6: 광학격자 변위 센서; A701: 리니어 베어링 부싱(linear bearing bushing); A702: 광축; B101: 리니어 가이드 레일; B102: 가이드 레일 슬라이딩 블록; B201: 리지드 프레임; B202: 핵심 운동 플랫폼; B203: 플렉시블 힌지; B3: 댐퍼; B4: 베이스; B501: 리니어 모터 회전자; B502: 리니어 모터 고정자; B6: 광학격자 변위 센서; B701: 자석 블록; B702: 자석 블록 II; C1: 크로스 롤러 리니어 가이드 레일; C201: 리지드 프레임; C202: 핵심 운동 플랫폼; C203: 플렉시블 힌지; C301: 회전자 연결유닛; C4: 베이스; C6: 충격방지블록; C501: 음성 코일 모터 회전자; C502: 음성 코일 모터 고정자; C7: 광학격자 변위 센서; C8: 댐퍼

Claims (10)

  1. 베이스, 리니어 가이드 레일(linear guide rail), 리지드-플렉시블 커플링 운동 플랫폼, 리니어 드라이브 및 변위 센서를 포함하며, 여기에서 리지드-플렉시블 커플링 플랫폼은 리지드 프레임, 플렉시블 힌지 및 핵심 운동 플랫폼을 포함하고;
    상기 리지드-플렉시블 커플링 플랫폼의 핵심 운동 플랫폼은 플렉시블 힌지를 통하여 상기 리지드 프레임과 연결되고;
    상기 리지드-플렉시블 커플링 플랫폼의 핵심 운동 플랫폼은 리니어 드라이브와 연결되고, 상기 리지드 프레임은 가이드 레일 슬라이딩 블록을 통하여 상기 베이스 상에 고정된 상기 리니어 가이드 레일과 연결되고, 상기 핵심 운동 플랫폼은 상기 리니어 드라이브 작용 하에서 상기 플렉시블 힌지에 탄성 변형을 일으키고, 플렉시블 힌지를 통하여 상기 리지드 프레임을 상기 리니어 가이드 레일 길이 방향 상에서 자유 운동시키고;
    상기 변위 센서는 상기 핵심 운동 플랫폼과 연결되어 핵심 운동 플랫폼의 운동 방향에서의 변위를 측정하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 리니어 드라이브는 음성 코일 모터 또는 리니어 모터인 것을 특징으로 하는 단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 리지드-플렉시블 커플링 플랫폼의 리지드 프레임과 핵심 운동 플랫폼 사이에 위치제한 장치와 댐퍼를 설치하는 것을 특징으로 하는 단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 리지드-플렉시블 커플링 플랫폼의 상기 핵심 운동 플랫폼과 상기 리지드 프레임 사이의 플렉시블 힌지는 대칭 배치하는 것을 특징으로 하는 단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼.
  5. 제 1 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리지드-플렉시블 커플링 플랫폼은 일체형으로 가공 제조하는 것을 특징으로 하는 단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼.
  6. 제 1 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플렉시블 힌지는 빔 타입(beam type) 또는 노치 타입(notch type) 플렉시블 힌지인 것을 특징으로 하는 단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼.
  7. 제1 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리지드-플렉시블 커플링 운동 플랫폼 내의 핵심 운동 플랫폼과 리지드 프레임이 여전히 리니어 베어링, 자기력 지탱 강성 강화 구조가 존재하는 것을 특징으로 하는 단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼.
  8. 상기 제 1 내지 4항 중 어느 한 항의 상기 단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼을 이용하고,
    1) 리니어 드라이브가 핵심 운동 플랫폼을 직접 구동시키며, 구동력이 리지드 프레임 정지마찰을 극복할 수 없을 때, 핵심 운동 플랫폼은 플렉시블 힌지의 탄성 변형을 통하여 미세 변위를 형성함으로써 정밀 마이크로 피딩을 구현하는 단계;
    2) 리니어 드라이브의 구동력이 커질 때 마찰력을 극복하여 리지드 프레임을 운동시키고, 이때 탄성 변형이 커져 위치제한 상태에 진입하며, 모든 구동력이 리지드 프레임에 전달되어 고속 운동을 진행하는 단계;
    3) 플랫폼 감속 시, 핵심 운동 플랫폼이 먼저 제동하고, 플렉시블 힌지를 통해 리지드 프레임을 제동하고, 그 후 다른 위치제한 장치와 댐퍼로 전환하여 진동 에너지를 감퇴시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼 구현 방법.
  9. 단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼의 장치에 있어서,
    상기 단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼을 장행정 정밀 가공 설비 상에 응용하고, 제1항, 제2항, 제3항, 또는 제4항 중 어느 한 항의 단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼을 모터 구동 플랫폼으로 삼는 것을 특징으로 하는 단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼의 장치.
  10. 단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼의 장치 구현 방법에 있어서,
    본 방법이 장행정 정밀 가공 설비에 사용되고, 제8항의 방법을 이용하여 모터 구동을 구현하는 것을 특징으로 하는 단일 구동 리지드-플렉시블 커플링 정밀 운동 플랫폼의 장치 구현 방법.
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