KR100987196B1 - 평면 고속 이송 병렬기구 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 평면상에서 자유로운 움직임을 구현할 수 있고, 고속, 고정도(high accuracy) 및 고강성(high stiffness)을 갖는 평면 고속 이송 병렬기구(parallel mechanism)를 제공하는 것이다. 이를 위하여 본 발명에서는, 일방향으로 연장되어 서로 평행하게 배치된 두 개의 고정 가이드; 상기 고정 가이드들과 교차하는 방향으로 연장되고, 상기 고정 가이드들의 상측에 상기 고정 가이드들 중 하나 이상과 프리스마틱 조인트로 연결된 두 개의 가동 가이드; 상기 가동 가이드들 중 하나의 상측에 프리스마틱 조인트로 각각 연결된 두 개의 링크; 및 상기 두 개의 링크에 각각 레볼루트 조인트로 연결된 가동 플랫폼을 포함하는 평면 고속 이송 병렬기구를 제공한다.

Description

평면 고속 이송 병렬기구{Planar type high-speed parallel mechanism for positioning}

본 발명은 평면 고속 이송 병렬기구에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 평면에서 고속, 고정밀도로 X축, Y축 및 회전의 3자유도 운동을 구현할 수 있는 평면 고속 이송 병렬기구에 관한 것이다.

근래의 전자 장치의 제조에서는 대량 생산을 위해 흔히 인쇄회로기판(Printed Circuit Board: PCB)을 취급하는 공정이 필요하다. 특히, 표면 실장 기술(Surface Mount Technology: SMT)이나 인쇄회로기판의 디패널링(depaneling) 공정에서는 이러한 공정이 필수적이다. 여기서 표면 실장 기술은 전자 회로를 인쇄회로기판의 표면에 직접 구현하는 기술이고, 디패널링 공정은 여러 개의 인쇄회로기판을 포함하는 큰 제조 패널에서 표면 실장 작업이 완료된 개별 인쇄회로기판을 분리하는 공정이다. 이러한 대량 생산을 위한 공정에서는 작업을 수행하는 장치는 속도가 빠르고, 정확하며 비용이 저렴하여야 한다. 개별 공정은 실장(mounting), 분리(seperating) 및 이송(positioning) 시스템 등의 서브시스템으로 이루어지며, 이중에서 이송 시스템은 개별 공정에 필수적인 시스템이다.

평면 이송 시스템에서 가장 흔히 사용되는 형태는 평면 2자유도 직렬기구(serial mechanism)이다. 도 9에는 대한민국 특허공보 제1996-0015125호에 개시된 평면 2자유도를 구현하는 종래의 XY-스테이지 장치 구성을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다. 도 9에 도시된 종래의 XY-스테이지(110)는, 장치를 지지하는 스테이지 베이스(11)가 마련되어 있고, 그 스테이지 베이스(11) 위에는 Y-스테이지(12)가, 그 Y-스테이지(12) 위에는 X-스테이지(13)가 각각 안착되어 있다. 그리고, 각 스테이지(12, 13)의 왕복 직선 운동의 구동력을 발생시키는 X-스테이지 구동 모터(13m)와 Y-스테이지 구동 모터(12m)가 각 스테이지(12)(13)의 일측에 각각 설치되어 있다. 이러한 평면 2자유도 직렬기구는 평면상에서의 자유로운 움직임을 구현하기 위해서는 별도의 회전 자유도를 제공하는 회전축을 필요로 한다. 그러나 별도의 회전축을 구비하도록 하기 위해서는 시스템의 중량이 증가되고 시스템을 구성하는데 비용이 많이 추가되는 단점이 있다. 시스템의 중량이 커지는 경우에는 고속의 움직임이나 고정밀도의 움직임을 구현하기 어려운 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 평면상에서 자유로운 움직임을 구현할 수 있고, 고속, 고정도(high accuracy) 및 고강성(high stiffness)을 갖는 평면 고속 이송 병렬기구(parallel mechanism)를 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 일방향으로 연장되어 서로 평행하게 배치된 두 개의 고정 가이드; 상기 고정 가이드들과 교차하는 방향으로 연장되고, 상기 고정 가이드들의 상측에 상기 고정 가이드들 중 하나 이상과 프리스마틱 조인트로 연결된 두 개의 가동 가이드; 상기 가동 가이드들 중 하나의 상측에 프리스마틱 조인트로 각각 연결된 두 개의 링크; 및 상기 두 개의 링크에 각각 레볼루트 조인트로 연결된 가동 플랫폼을 포함하는 평면 고속 이송 병렬기구를 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 링크와 상기 가동 플랫폼을 연결하는 레볼루트 조인트는 상기 가동 가이드 상에서 상기 가동 플랫폼 측으로 돌출되도록 배치된 것이 바람직하다.

여기서, 상기 링크가 상기 가동 가이드 상에서 가동 플랫폼 측으로 돌출된 길이는 상기 가동 플랫폼의 두 개의 레볼루트 조인트 사이의 거리보다 더 큰 것이 바람직하다.

여기서, (i) 제1고정 가이드를 따라 제1가동 가이드가 이동할 수 있게 하는 엑츄에이터(A1); (ii) 제2고정 가이드를 따라 제2가동 가이드가 이동할 수 있게 하 는 엑츄에이터(A2); (iii) 제1가동 가이드를 따라 제1링크가 이동할 수 있게 하는 엑츄에이터(B1); 및 (iv) 제2가동 가이드를 따라 제2링크가 이동할 수 있게 하는 엑츄에이터(B2) 중 세 개 이상의 엑츄에이터를 더 포함할 수 있다.

또는 여기서, 제1고정 가이드를 따라 제1가동 가이드가 이동할 수 있게 하는 엑츄에이터(A1)와, 제1고정 가이드를 따라 제2가동 가이드가 상기 제1가동 가이드와는 독립적으로 이동할 수 있게 하는 엑츄에이터(A2)를 포함하고, (i) 제1가동 가이드를 따라 제1링크가 이동할 수 있게 하는 엑츄에이터(B1); 및 (ii) 제2가동 가이드를 따라 제2링크가 이동할 수 있게 하는 엑츄에이터(B2) 중 하나 이상의 엑츄에이터를 더 포함하도록 할 수도 있다.

본 발명에 의하면, 기구부의 구성이 간단하고, 중량이 작으면서 평면상에서 자유로운 움직임을 구현할 수 있고, 고속, 고정도(high accuracy) 및 고강성(high stiffness)을 갖는 평면 고속 이송 병렬기구(parallel mechanism)를 구현할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하도록 한다.

도 1에는 본 발명에 따른 평면 고속 이송 병렬기구의 구성을 개략적으로 보여주는 사시도가 도시되어 있다.

도 1에 도시된 것과 같이 본 발명에 따른 평면 고속 이송 병렬기구(100)는, 제1 및 제2고정 가이드(2, 3), 제1 및 제2가동 가이드(4, 5), 제1 및 제2링크(6, 7) 및 가동 플랫폼(8)을 포함한다.

상기 제1 및 제2고정 가이드(2, 3)는 소정의 베이스(1) 상에서 일방향으로 연장되어 서로 평행하게 배치된다.

상기 제1 및 제2가동 가이드(4, 5)는 상기 고정 가이드들(2, 3)과 교차하는 방향으로 연장되고, 상기 고정 가이드들(2, 3)의 상측에 상기 고정 가이드들(2, 3) 중 적어도 하나와 프리스마틱 조인트(prismatic joint)로 연결된다. 여기서 "프리스마틱 조인트"란 연결된 부재들이 슬라이딩에 의한 상대 운동이 가능하게 연결된 것을 말한다. 또한, 여기서 "교차하는 방향"은 평행하지 않은 방향을 의미하며 도면에 도시된 것과 같이 직교하는 경우로 한정되지는 않는다. 다만, 고정 가이드들(2, 3)과 가동 가이드들(4, 5)이 서로 직교하는 것이 전체 기구의 제어를 용이하게 하므로 바람직하다. 상기 두 개의 고정 가이드 사이의 간격은 변화하지 않고, 상기 두 개의 가동 가이드들은 상기 고정 가이드 상에서 움직일 수 있다.

상기 제1 및 제2링크(6, 7)는 상기 가동 플랫폼(8)과 레볼루트 조인트(revolute joint)(C1, C2)로 연결되고, 상기 레볼루트 조인트 부분이 상기 가동 가이드들로부터 상기 가동 플랫폼(8) 방향으로 돌출되어 위치하도록 하는 기능을 한다. 이를 위해 상기 제1 및 제2링크는 각각 상기 가동 가이드들과 교차하는 방향으로 연장되고, 상기 가동 가이드의 상측에 고정되어 배치된다. 도면에서는 상기 제1 및 제2링크(6, 7)가 상기 가동 플랫폼(8)들과 직교하는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 다만, 기구의 대칭적인 움직임과 구성을 통해 제어를 용이하게 하기 위해서는 상기 두 개의 링크(6, 7)는 각각 상기 가동 가이드들(4, 5)과는 직교하는 것이 바람직하다. 상기 가동 가이드(4, 5)와 상기 고정 가이드(2, 3)가 직교하는 경우에는 상기 링크(6, 7)는 상기 고정 가이드(2, 3)와는 평행하게 배치된다.

상기 가동 플랫폼(8)은 상기 두 개의 링크(6, 7)에 각각 레볼루트 조인트로 연결된다. 상기 가동 플랫폼(8)의 형상은 도면에서는 사각형 형상의 링크로 표시되어 있으나, 본 발명의 범위는 도시된 형상으로 한정되지 않는다. 또한, 본 발명의 병렬기구가 채용되는 시스템에서 요구하는 임의의 엔드 이팩터(end effector)가 배치될 수 있다.

이상에서 상기 고정 가이드들과 링크들은 서로 평행하게 배치되고, 상기 가동 가이드들은 상기 고정 가이드들이나 링크들과 서로 직교하는 방향으로 배치되는 것이 정밀한 움직임을 구현하고 제어를 용이하게 하는 면에서 바람직하다. 다만 본 발명은 이에 한정되지는 않는다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 평면 고속 이송 병렬기구(100)를 구동하여 X축 방향, Y축 방향의 이동과 회전의 평면 3자유도를 구현하기 위해서는 최소 세 개의 엑츄에이터가 필요하다. 예를 들어, 다음의 네 가지 운동을 구현하는 엑츄에이터 중 세 개가 선택적으로 사용될 수 있다.

(i) 제1고정 가이드와 제1가동 가이드 간의 상대 운동을 가능하게 하는 엑츄에이터(A1)

(ii) 제2고정 가이드와 제2가동 가이드 간의 상대 운동을 가능하게 하는 엑 츄에이터(A2)

(iii) 제1가동 가이드와 제1링크 간의 상대 운동을 가능하게 하는 엑츄에이터(B1)

(iv) 제2가동 가이드와 제2링크 간의 상대 운동을 가능하게 하는 엑츄에이터(B2)

바람직하게는 위 네 개의 엑츄에이터가 모두 사용되는 것이 바람직한데, 그 이유에 대해서는 이후에 특이점에 대해 설명하면서 보다 상세히 설명하도록 하겠다.

도 2 내지 도 4에는 이상과 같이 구성된 본 발명의 평면 고속 이송 병렬기구에서 가동 플랫폼(8)의 Y축 방향, X축 방향 움직임과 회전 동작을 구현하는 방법을 보여주는 도면이 도식적으로 도시되어 있다.

도 2에 도시된 것과 같이, 가동 가이드(4, 5)들은 상기 고정 가이드(2, 3)들 상에서 움직이지 않으면서 엑츄에이터 B1 또는 B2에 의해 가동 가이드(4, 5)를 따라 링크들(6, 7)이 동일한 방향으로 움직이는 경우에는 가동 플랫폼(8)의 Y축 방향 왕복 운동이 가능하다.

도 3에 도시된 것과 같이, 링크들(6, 7)은 상기 가동 가이드들(4, 5) 상에서 움직이지 않으면서 엑츄에이터 A1 또는 A2에 의해 상기 고정 가이드들(2, 3)을 따라 상기 가동 가이드들(4, 5)이 움직이는 경우에는 가동 플랫폼(8)의 X축 방향 왕복 운동이 가능하다.

도 4에 도시된 것과 같이, 두 개의 가동 가이드 중 도 4의 상측에 위치한 가 동 가이드(제1가동 가이드, 2)는 도면의 좌측으로 움직이고, 도 4의 하측에 위치한 가동 가이드(제2가동 가이드, 3)는 도면의 우측으로 움직이며, 도 4의 좌측에 위치한 링크(제2링크, 7)는 아래쪽으로 움직이고, 도 4의 우측에 위치한 링크(제1링크, 6)는 위쪽으로 움직이면, 상기 가동 플랫폼(8)은 도 4의 평면에서 반시계 방향으로 회전한다. 여기서 언급한 방향과 반대방향으로 가동 가이드들(4, 5)과 링크들(6, 7)이 움직이는 경우에는 가동 플랫폼(8)은 시계 방향으로 회전할 수 있다.

도 5 및 도 6에는 가동 플랫폼(8)의 90° 회전 상태를 보여주는 도면이 도시되어 있다.

도 5에 도시된 것과 같이 링크들과 가동 가이드들의 직선 움직임의 조합에 의해 링크들에 레볼루트 조인트로 연결된 가동 플랫폼(8)은 시계방향으로 90°까지 회전이 가능하다. 물론, 도 5에 도시된 것과 반대 방향으로 가동 플랫폼(8)을 회전 시키는 경우에도 도 6에 도시된 것과 같이 반시계방향으로 90°까지 회전할 수 있다.

도면에 도시된 실시예에서는 90°이상으로 회전시키지 않는 것을 예정하고 있지만, 링크의 길이를 길게 하는 경우에는 시계 방향 및 반시계 방향 모두 180°에 가까운 회전이 가능하다. 다만, 링크의 길이가 길어지는 경우에는 가동 플랫폼(8)에 설치되는 엔드 이팩터의 기능에 따라 강성이 문제될 수 있다. 예를 들어, 디패널링 작업을 수행하는 라우터(router)의 회전 절삭 공구가 가동 플랫폼(8)에 설치되는 경우에는 패널을 절삭하는데 소요되는 절삭력에 의해 링크가 굽힘 응력을 크게 받게 되어 고정밀도의 작업이 어려워질 수 있다. 따라서, 90도 이상의 회전 이 가능하도록 구성할 때에는 엔드 이팩터에 작용하는 힘이 작거나 고정밀도의 작업이 요구되지 않는 경우인 것이 바람직할 것이다.

도 7 및 도 8에는 본 발명의 평면 고속 이송 병렬기구의 특이점(singularity point)에 해당하는 위치와 자세를 보여주는 도면이 도시되어 있다.

특이점이란 순간적으로 기구의 자유도가 변하는 위치와 자세를 말한다. 병렬 기구에 있어서는 기구가 특이점 상태가 되면 운동에 제약이 생기거나 엔드 이팩터의 제어 불능 또는 기구의 파손까지 일어날 수 있으므로 병렬 기구 설계에 있어서 특이점을 피하기 위한 설계는 대단히 중요하다.

본 발명의 평면 고속 이송 병렬 기구에는 도 7에 도시된 것과 같이 가동 플랫폼(8)의 회전 각도가 0°인 상태에서 하나의 특이점이 존재하고, 도 8에 도시된 것과 같이 가동 플랫폼(8)의 회전 각도가 90°인 상태에서 또 하나의 특이점이 존재한다. 도 8에서는 가동 플랫폼(8)의 반시계 방향의 회전 각도가 90°인 경우만을 도시하고 있으나, 가동 플랫폼(8)의 시계 방향의 회전 각도가 90°인 경우도 마찬가지이다.

작동 중에 이러한 특이점 상태를 피하기 위해 본 발명에서는 앞서 언급한 네 개의 엑츄에이터를 모두 사용하는 것이 바람직하다.

즉, 도 7에 도시된 것과 같은 상태에서 A1, A2, B1의 세 개의 엑츄에이터만으로는 기구의 움직임이 구속되어 자세를 바꾸거나 위치를 이동할 수 없다. 이때 B2의 엑츄에이터를 더 사용하면 정상적인 작동이 가능하다. 도 8에 도시된 경우도 마찬가지로, A1, B1, B2의 엑츄에이터만으로는 기구의 움직임이 구속되어 자세를 바꾸거나 위치를 이동할 수 없다. 이때 A2의 엑츄에이터를 더 사용하면 정상적인 작동이 가능하다.

한편, 이상에서는 도면에 도시된 것과 같이, 두 개의 가동 가이드를 구동하는 엑츄에이터들이 각각 서로 다른 고정 가이드에 설치되는 경우만을 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 하나의 고정 가이드에 두 개의 가동 가이드를 독립적으로 구동하는 엑츄에이터가 설치되는 경우도 본 발명의 범위에 속하는 것이다.

지금까지 본 발명을 설명함에 있어, 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 평면 고속 이송 병렬기구의 구성을 개략적으로 보여주는 사시도.

도 2 내지 도 4는 도 1에 도시된 병렬기구가 각각 Y축 움직임, X축 움직임 및 회전 움직임을 구현하는 경우를 도식적으로 보여주는 도면.

도 5 및 도 6은 가동 플랫폼의 90° 회전 상태를 보여주는 도면.

도 7 및 도 8은 본 발명의 평면 고속 이송 병렬기구의 특이점(singularity point)에 해당하는 위치와 자세를 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 베이스 2: 제1고정 가이드

3: 제2고정 가이드 4: 제1가동 가이드

5: 제2가동 가이드 6: 제1링크

7: 제2링크 8: 가동 플랫폼

9: 제1슬라이더 10: 제2슬라이더

100: 평면 고속 이송 병렬기구

Claims (5)

1. 일방향으로 연장되어 서로 평행하게 배치된 두 개의 고정 가이드;

   상기 고정 가이드들과 교차하는 방향으로 연장되고, 상기 고정 가이드들의 상측에 상기 고정 가이드들 중 하나 이상과 프리스마틱 조인트로 연결된 두 개의 가동 가이드;

   상기 가동 가이드들 중 하나의 상측에 프리스마틱 조인트로 각각 연결된 두 개의 링크; 및

   상기 두 개의 링크에 각각 레볼루트 조인트로 연결된 가동 플랫폼을 포함하고,

   상기 링크와 상기 가동 플랫폼을 연결하는 레볼루트 조인트는 상기 가동 가이드 상에서 상기 가동 플랫폼 측으로 돌출되도록 배치된 평면 고속 이송 병렬기구.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 링크가 상기 가동 가이드 상에서 가동 플랫폼 측으로 돌출된 길이는 상기 가동 플랫폼의 두 개의 레볼루트 조인트 사이의 거리보다 더 큰 평면 고속 이송 병렬기구.
4. 제1항에 있어서,

   (i) 제1고정 가이드를 따라 제1가동 가이드가 이동할 수 있게 하는 엑츄에이터(A1);

   (ii) 제2고정 가이드를 따라 제2가동 가이드가 이동할 수 있게 하는 엑츄에이터(A2);

   (iii) 제1가동 가이드를 따라 제1링크가 이동할 수 있게 하는 엑츄에이터(B1); 및

   (iv) 제2가동 가이드를 따라 제2링크가 이동할 수 있게 하는 엑츄에이터(B2) 중 세 개 이상의 엑츄에이터를 더 포함하는 평면 고속 이송 병렬기구.
5. 제1항에 있어서,

   제1고정 가이드를 따라 제1가동 가이드가 이동할 수 있게 하는 엑츄에이터(A1)와, 제1고정 가이드를 따라 제2가동 가이드가 상기 제1가동 가이드와는 독립적으로 이동할 수 있게 하는 엑츄에이터(A2)를 포함하고,

   (i) 제1가동 가이드를 따라 제1링크가 이동할 수 있게 하는 엑츄에이터(B1); 및

   (ii) 제2가동 가이드를 따라 제2링크가 이동할 수 있게 하는 엑츄에이터(B2) 중 하나 이상의 엑츄에이터를 더 포함하는 평면 고속 이송 병렬기구.

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