모든 사람에게 맞는 시스템은 없습니다.

고정밀 위치 결정 시스템을 구성하는 구성 요소(베이스 및 베어링, 위치 측정 시스템, 모터 및 구동 시스템, 그리고 컨트롤러)는 가능한 한 서로 잘 작동해야 합니다. 1부에서는 시스템 베이스와 베어링에 대해 다루었습니다. 여기에서는 위치 측정에 대해 다룹니다. 3부에서는 스테이지, 드라이브, 엔코더 설계, 드라이브 증폭기, 그리고 컨트롤러에 대해 다룹니다.

위치 측정 시스템

일반적으로 컨트롤러는 "개루프" 또는 "폐루프"로 분류할 수 있습니다. 개루프 컨트롤러(일반적으로 스텝 모터에 사용됨)의 경우, 컨트롤러가 방출하는 모든 임펄스는 특정 슬라이드 변위를 유발합니다. 그러나 변위의 크기를 측정할 방법은 없습니다. 예를 들어, 500개의 펄스가 방출되었더라도, 마찰력, 볼 스크류 공차, 히스테리시스, 권선 오차 등으로 인해 테이블이 498개의 펄스만 움직였을 수 있습니다. 이 경우의 주요 단점은 위치 오차 보정이 이루어지지 않는다는 것입니다.

폐쇄 루프 시스템 또는 서보 시스템에서 위치 엔코더는 컨트롤러에 피드백을 제공합니다. 컨트롤러는 슬라이드가 원하는 정확한 위치에 도달할 때까지 모터 제어 신호를 계속 전송합니다.

위 그림에서 위치 피드백이 없는 슬라이드는 슬라이드 위치를 측정하는 세 가지 일반적인 방법을 보여줍니다.
• 모터 또는 볼스크류 샤프트에 장착된 위치 인코더.
• 슬라이드에 선형 인코더가 장착됨.
• 슬라이드에 거울이 장착된 레이저 간섭계.

첫 번째 방법은 슬라이드 위치를 간접적으로 측정하는 것입니다. 위치 인코더가 구동축에 장착됩니다. 슬라이드와 위치 인코더 사이의 기계 부품의 공차, 마모 및 컴플라이언스는 원하는 슬라이드 위치와 실제 슬라이드 위치 사이의 편차를 발생시킵니다. 볼 스크류와 결합할 경우, 슬라이드 정확도는 볼 스크류 정확도에 의해 제한됩니다. 일반적인 정확도는 ±5~±10mm/300mm 이동 거리입니다.

대부분의 선형 측정 시스템은 정밀 유리 스케일과 광전식 측정 헤드로 구성됩니다. 스케일이나 헤드 중 하나가 움직이는 슬라이드에 직접 부착되어 슬라이드 위치를 직접 측정합니다. 볼스크류의 부정확성으로 인한 오차는 발생하지 않습니다. 스케일 자체의 일반적인 정확도는 ±1~±5mm/m입니다. 이는 측정 헤드 위치에서 슬라이드 자체의 정확도이기도 합니다.

스테이지 부하(실제로 우리가 관심을 두는 것은 위치 정확도)는 항상 측정 눈금으로부터 어느 정도 떨어져 있으며, 이동 방향에 수직인 방향으로 측정됩니다. 대부분의 인코더는 슬라이드 아래에 위치하지만 부하가 슬라이드 위에 있기 때문입니다. 스테이지가 여러 개일 경우 이러한 현상은 더욱 두드러집니다. 이동 중 베어링 경로의 직진도 편차, 역전 오차 등으로 인해 슬라이드가 다소 기울어지면 인코더 대비 부하의 위치에 대한 편차가 발생합니다.

적층형 XY 스테이지에서 볼 수 있는 것처럼, 큰 오프셋을 가진 작은 각도 오차는 스케일의 부정확도를 배가시킬 수 있습니다. 즉, 측정 스케일은 측정 헤드가 부착되는 지점에서만 정확한 위치 정보를 제공합니다.

예를 들어 정밀 롤 특성을 갖춘 모션 스테이지는 일반적으로 약 ±5초각의 각도 오차를 보입니다. (1초각 = 1/3,600도 또는 약 5μrad) 하중과 스케일 사이의 거리가 100mm인 경우, 이는 ±2.5mm의 위치 오차를 발생시킵니다!

매우 정확한 응용 분야에서는 평면 거울을 사용한 레이저 간섭계 위치 피드백 시스템이 최선의 선택입니다. 헬륨-네온 레이저의 파장은 632.8nm이며, 1나노미터는 1 × 10-9미터입니다. 안정화된 레이저 광원의 경우 약 ±0.1mm/m의 정확도가 가능하며, 최대 λ/1,024 또는 0.617μm의 분해능을 제공합니다. 람다(λ)는 빛의 파장입니다.

주요 장점은 거울을 하중 위치, 즉 정밀도가 매우 중요한 위치에 설치할 수 있다는 것입니다. 아베 오차는 발생하지 않습니다. 일반적으로 서브미크론 범위의 거울 평탄도는 슬라이드의 선형성을 결정합니다.

또한, XY 스테이지의 동작은 동작 평면 외부의 고정된 지점을 기준으로 하므로 피드백은 슬라이드를 고정된 거리에 유지하여 XY 시스템의 직각도가 벗어나는 것을 자동으로 보상합니다.

공기 중 빛의 파장은 공기 중 빛의 속도에 따라 달라지며, 이는 기온, 압력, 상대 습도 등의 함수입니다. 측정 저울을 사용할 경우, 온도 변화는 저울 재질의 팽창으로 인해 측정 오차를 발생시킵니다. 유리 및 강철 저울의 일반적인 팽창 계수는 8mm/m/deg K입니다. 레이저 간섭계를 사용하면 안정적인 환경을 유지할 수 없는 경우, 옵션인 자동 보정 구성 요소를 사용하여 대기 변화를 보정할 수 있습니다.