모든 사람에게 맞는 시스템은 없습니다.

고정밀 위치 결정 시스템을 구성하는 부품들, 즉 베이스 및 베어링, 위치 측정 시스템, 모터 및 구동 시스템, 그리고 컨트롤러는 최대한 원활하게 함께 작동해야 합니다. 1부에서는 시스템 베이스와 베어링에 대해 다루었고, 이번 2부에서는 위치 측정에 대해 살펴보겠습니다. 3부에서는 스테이지, 드라이브 및 엔코더 설계, 드라이브 증폭기, 그리고 컨트롤러에 대해 다룰 예정입니다.

위치 측정 시스템

일반적으로 컨트롤러는 "개루프" 또는 "폐루프"로 분류할 수 있습니다. 개루프 컨트롤러(주로 스텝 모터에 사용됨)는 컨트롤러에서 발생하는 모든 펄스가 특정 슬라이드 변위를 유발합니다. 그러나 변위의 크기를 측정할 방법이 없습니다. 예를 들어, 500개의 펄스가 발생했더라도 마찰, 볼 스크류 공차, 히스테리시스, 권선 오차 등으로 인해 테이블이 실제로 이동한 펄스는 498개일 수 있습니다. 주요 단점은 위치 오차 보정이 불가능하다는 것입니다.

폐루프 시스템 또는 서보 시스템에서 위치 엔코더는 컨트롤러에 피드백을 제공합니다. 컨트롤러는 슬라이드가 원하는 정확한 위치에 도달할 때까지 모터 제어 신호를 계속해서 보냅니다.

위쪽 그림은 위치 피드백이 없는 슬라이드이고, 아래쪽은 슬라이드 위치를 측정하는 세 가지 일반적인 방법입니다.
• 모터 또는 볼스크류 샤프트에 장착된 위치 엔코더.
• 슬라이드에 장착된 선형 엔코더.
• 슬라이드에 거울이 장착된 레이저 간섭계.

첫 번째 방법에서는 슬라이드 위치를 간접적으로 측정합니다. 위치 엔코더가 구동축에 장착됩니다. 슬라이드와 위치 엔코더 사이의 기계 부품의 공차, 마모 및 변형으로 인해 원하는 슬라이드 위치와 실제 슬라이드 위치 사이에 편차가 발생합니다. 볼 스크류와 결합된 경우, 슬라이드의 정확도는 최상의 경우 볼 스크류의 정확도에 의해 제한됩니다. 일반적인 정확도는 300mm 이동 거리당 ±5~±10mm입니다.

대부분의 선형 측정 시스템은 정밀한 유리 눈금과 광전식 측정 헤드로 구성됩니다. 눈금 또는 헤드는 움직이는 슬라이드에 직접 부착되어 슬라이드의 위치를 ​​직접 측정합니다. 따라서 볼스크류의 부정확성으로 인한 오차가 발생하지 않습니다. 눈금 자체의 일반적인 정확도는 ±1~±5mm/m입니다. 이는 측정 헤드 위치에서의 슬라이드 자체의 정확도와 동일합니다.

우리가 실제로 관심을 갖는 위치 정확도가 중요한 스테이지 하중은 이동 방향에 수직인 방향으로 측정된 측정 스케일에서 항상 일정 거리를 두고 있습니다. 이는 대부분의 엔코더가 슬라이드 아래에 위치하지만 하중은 슬라이드 위에 있기 때문입니다. 여러 개의 스테이지가 적층된 구조에서는 이러한 현상이 더욱 두드러집니다. 이동 중에 베어링 웨이의 직선도 편차, 반전 오류 등으로 인해 슬라이드가 약간 기울어지면 하중의 위치와 엔코더의 위치 사이에 편차가 발생합니다.

적층형 XY 스테이지에서 볼 수 있는 것처럼, 작은 각도 오차가 큰 오프셋을 동반하면 측정 눈금의 오차가 증폭될 수 있습니다. 다시 말해, 측정 눈금은 측정 헤드가 부착되는 지점에서만 정확한 위치 정보를 제공합니다.

예를 들어, 정밀한 롤 특성을 가진 모션 스테이지는 일반적으로 약 ±5 arc sec의 각도 오차를 보입니다. (1 arc sec = 1/3,600도 또는 약 5 μrad) 하중과 눈금 사이의 거리가 100 mm일 경우, 이는 ±2.5 mm의 위치 오차를 초래합니다!

극도로 정밀한 제어가 필요한 응용 분야에서는 평면 거울을 사용하는 레이저 간섭계 위치 결정 피드백 시스템이 최적의 선택입니다. 헬륨-네온 레이저의 파장인 632.8 nm가 표준으로 사용됩니다. 1 나노미터는 1 × 10⁻⁹ 미터입니다. 안정화된 레이저 광원을 사용하면 약 ±0.1 mm/m의 정밀도와 최대 λ/1,024 또는 0.617 μm의 해상도를 얻을 수 있습니다. 람다(λ)는 빛의 파장입니다.

가장 큰 장점은 미러를 하중이 가해지는 지점, 즉 정밀도가 가장 중요한 지점에 배치할 수 있다는 것입니다. 이를 통해 아베 오차를 제거할 수 있습니다. 일반적으로 서브마이크론 범위에 있는 미러의 평탄도는 슬라이드의 움직임의 선형성을 결정합니다.

또한, XY 스테이지의 움직임은 동작 평면 외부의 고정점을 기준으로 하기 때문에, 슬라이드를 일정한 거리로 유지함으로써 XY 시스템의 직각도 불균형을 자동으로 보정합니다.

공기 중에서 빛의 파장은 공기 중에서의 빛의 속도에 따라 달라지는데, 이 속도는 공기 온도, 압력, 상대 습도 등 여러 요인의 영향을 받습니다. 측정 눈금을 사용할 때 온도 변화는 눈금 재질의 팽창으로 인해 측정 오차를 발생시킵니다. 유리와 강철 눈금의 일반적인 팽창 계수는 각각 8mm/m/K와 10mm/m입니다. 안정적인 환경을 유지할 수 없는 레이저 간섭계에서는 선택 사양인 자동 보정 부품을 사용하여 대기 변화를 보정할 수 있습니다.