KR20120133579A - 5 자유도 운동 오차 보정 기능을 갖는 능동 보정형 스테이지 및 그 운동 오차 보정 방법 - Google Patents

5 자유도 운동 오차 보정 기능을 갖는 능동 보정형 스테이지 및 그 운동 오차 보정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 서로 직교하는 제1 및 제2가이드면을 갖는 가이드 지지체와, 상기 제1 및 제2가이드면과 대향하는 제1 및 제2면을 구비하며 상기 제1 및 제2면에 각각 에어 베어링이 구비된 테이블과, 상기 테이블을 x축 방향으로 직선 구동시키는 구동기와, 상기 가이드 지지체와 테이블 사이에 자기 예압을 인가하며 상기 테이블에 발생하는 5 자유도 운동 오차를 보정할 수 있도록 가이드 지지체와 테이블 사이의 자기력을 가변시키는 복수의 자기 액츄에이터를 포함하고, 상기 자기 액츄에이터는 상기 제1면에 x축 방향으로 이격되게 설치된 제1 및 제2액츄에이터와, 상기 제2면에 x축 방향으로 이격되게 설치된 제3 및 제4액츄에이터, 및 상기 제2면에 상기 제3 및 제4액츄에이터로부터 z축 방향으로 이격되게 설치된 제5액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 보정형 스테이지 및 그 운동 오차 보정 방법을 개시한다.

Description

5 자유도 운동 오차 보정 기능을 갖는 능동 보정형 스테이지 및 그 운동 오차 보정 방법{ACTIVE COMPENSATED STAGE HAVING 5-DOF MOTION ERROR COMPENSATION AND MOTION ERROR COMPENSATING METHOD THEREOF}
본 발명은 가공장치를 이송시키기 위한 이송 스테이지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가공장치의 이송시 발생할 수 있는 운동 오차를 보정할 수 있게 구성된 능동 보정형 스테이지에 관한 것이다.
일반적으로, 기계 가공용 이송 스테이지는 가공장치가 직선 이동하면서 가공물을 가공할 수 있도록 가공장치를 이송시키는 장치를 말한다.
이송 스테이지는 가이드 지지체와, 가이드 지지체 상에서 직선 구동되는 테이블을 포함하는 구조를 갖는다. 테이블 상에는 가공장치가 설치되며, 테이블의 직선 이동에 따라 가공장치가 이송되어 기계 가공을 수행한다.
가이드 지지체와 테이블의 사이에는 에어 베어링이 설치되며, 에어 베어링은 가이드 지지체와 테이블 사이에 공기막을 형성하여 테이블이 가이드 지지체에 대해 부상한 상태로 이동하도록 한다.
가이드 지지체의 면가공 오차는 테이블의 이송시 운동 오차를 초래하게 되며, 이는 기계 가공시 가공물의 가공 오차에 직접적인 원인이 된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 테이블과 가이드 지지체 사이에 자기력을 발생시켜 운동 오차를 보정하는 기술이 제안되고 있다.
다만, 테이블의 운동 오차는 5 자유도의 다양한 형태로 발생할 수 있는데, 이와 같이 다양한 형태의 운동 오차를 보정할 수 있는 기술에 대해서는 보다 많은 연구가 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 가공장치의 이송시 발생할 수 있는 5 자유도 운동 오차를 보정할 수 있는 구조의 능동 보정형 스테이지 및 그 운동 오차 보정 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위해 본 발명은 서로 직교하는 제1 및 제2가이드면을 갖는 가이드 지지체와, 상기 제1 및 제2가이드면과 대향하는 제1 및 제2면을 구비하며 상기 제1 및 제2면에 각각 에어 베어링이 구비된 테이블과, 상기 테이블을 x축 방향으로 직선 구동시키는 구동기와, 상기 가이드 지지체와 테이블 사이에 자기 예압을 인가하며 상기 테이블에 발생하는 5 자유도 운동 오차를 보정할 수 있도록 가이드 지지체와 테이블 사이의 자기력을 가변시키는 복수의 자기 액츄에이터를 포함하고, 상기 자기 액츄에이터는 상기 제1면에 x축 방향으로 이격되게 설치된 제1 및 제2액츄에이터와, 상기 제2면에 x축 방향으로 이격되게 설치된 제3 및 제4액츄에이터, 및 상기 제2면에 상기 제3 및 제4액츄에이터로부터 z축 방향으로 이격되게 설치된 제5액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 보정형 스테이지를 개시한다.
상기 5 자유도 운동 오차는 y축 운동 오차, z축 운동 오차, 롤링 운동 오차, 피치 운동 오차, 및 요 운동 오차를 포함한다.
상기 제1 내지 제5액츄에이터는 상기 가이드 지지체와 마주하게 배치된 영구자석과, 상기 영구자석을 지지하는 내부 코어와, 상기 내부 코어의 외곽에 권선되는 코일, 및 상기 코일의 외곽에 설치되는 링 형태의 외부 코어를 포함하는 구조를 가질 수 있다.
상기 능동 보정형 스테이지는 상기 테이블의 이동 거리를 센싱하는 리니어 엔코더와, 상기 리니어 엔코더의 센싱값을 근거로 상기 테이블의 위치에 대응되는 제어 전류값을 산출하여 상기 제1 내지 제5액츄에이터에 해당 전류를 인가하는 제어유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 제어유닛은 미리 산출된 테이블의 이동 위치에 따른 운동 오차값을 근거로 상기 제어 전류값을 산출하도록 구성 가능하다.
상기 제어유닛은 상기 제어 전류값과 관련된 제어 신호를 발생시키는 제어기와, 상기 제어신호에 따라 상기 제1 내지 제5 해당 전류를 인가하는 전력 증폭기를 포함하는 구조를 가질 수 있다.
상기 테이블에는 상기 테이블의 진동신호를 검출하는 가속도계가 추가로 설치되고, 상기 제어유닛은 진동신호를 근거로 상기 테이블의 5 자유도 진동 오차를 감쇠하기 위한 댐핑 제어 전류값을 산출하도록 구성 가능하다. 여기서, 상기 진동신호는 5 자유도의 진동 모드에 각각 대응되는 고유 진동수 대역 신호를 통과시키는 제1 내지 제5밴드패스필터를 통과하며, 상기 제어유닛은 필터링된 신호를 근거로 피드백 제어 방식을 통해 상기 자기 액츄에이터를 제어하도록 구성 가능하다.
한편, 본 발명은 미리 측정된 상기 테이블의 이동 위치에 따른 5 자유도 방향 운동 오차값을 근거로 보정 정보를 산출하는 단계와, 상기 테이블이 직선 이동함에 따라 상기 리니어 엔코더로부터 인가되는 센싱값과 상기 보정 정보를 근거로 상기 테이블의 위치에 대응되는 제어 전류값을 산출하는 단계, 및 상기 테이블과 가이드 지지체 사이에 제어력이 인가되도록 상기 제어 전류값에 해당하는 전류를 상기 제1 내지 제5액츄에이터에 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 보정형 스테이지의 운동 오차 보정 방법을 개시한다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 5 자유도 운동 오차를 보정할 수 있는 능동 보정형 스테이지의 구조를 제공한다.
또한, 가속도계를 이용한 진동 감쇠 제어를 추가로 구비함으로써 능동 보정형 스테이지의 이송 정밀도를 보다 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 5 자유도 운동 오차 보정이 가능한 이송 스테이지를 간단한 구조로서 구현하여 가공에 소요되는 코스트를 절약할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 보정형 스테이지의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 능동 보정형 스테이지의 정면도.
도 3은 도 1 및 2에 도시된 테이블을 배면에서 바라본 사시도.
도 4는 도 3에 도시된 제1액츄에이터의 사시도.
도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ 방향을 따르는 제1액츄에이터의 단면도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 보정형 스테이지의 운동 오차 보정 방법을 나타내는 블록 다이어그램.
도 7은 도 6에 도시된 제어유닛의 제어 알고리즘을 나타내는 도면.
도 8은 테이블의 이동 거리에 따른 운동 오차를 나타내는 그래프.
도 9는 테이블의 진동수에 따른 진동 오차의 크기를 나타내는 그래프.
이하, 본 발명과 관련된 능동 보정형 스테이지 및 그 운동 오차 보정 방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 보정형 스테이지의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 능동 보정형 스테이지의 정면도이다. 그리고, 도 3은 도 1 및 2에 도시된 테이블을 배면에서 바라본 사시도이다.
본 발명에 따른 능동 보정형 스테이지는 가이드 지지체(110), 테이블(120), 구동기(180), 자기 액츄에이터(130 내지 170)를 포함한다.
가이드 지지체(110)는 설치면에 고정 설치되는 구조로서, 서로 직교하는 제1 및 제2가이드면(G1,G2)을 구비한다. 본 실시예의 경우, 제1가이드면(G1)이 수평면, 제2가이드면(G2)이 수직면인 경우를 예시하고 있으나 그 반대의 경우도 가능하다.
테이블(120)은 가공장치를 지지한 상태로 가이드 지지체(110) 상을 직선 이동하는 구조로서, 제1 및 제2가이드면(G1,G2)에 대향하는 제1 및 제2면(S1,S2)을 구비한다. 즉, 제1 및 제2면(S1,S2) 또한 서로 직교하는 구조를 갖는다. 본 실시예에 따르면, 테이블(120)은 제1플레이트(121)와, 제1플레이트(121)의 측면에 수직으로 결합된 제2플레이트(122)를 포함하는 구조를 갖는다. 여기서, 제1 및 제2플레이트(121,122)는 각각 제1 및 제2면(S1,S2)을 갖는다.
테이블(120)의 제1 및 제2면(S1,S2)에는 에어 베어링(125)이 구비되며, 에어 베어링(125)은 가이드 지지체(110)와 테이블(120) 사이에 공기막을 형성하여 테이블(120)이 가이드 지지체(110)에 대해 일정 간격 이격된 상태로 이동하도록 한다. 에어 베어링(125)은 공지의 구조를 갖는바 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 하며, 에어 베어링(125)은 제1 및 제2면(S1,S2)의 복수의 개소에 위치하여 제1 및 제2면의 전체면에 균일한 압력이 작용하도록 한다.
구동기(180)는 테이블(120)을 x축 방향으로 직선 구동시키는 기능을 한다. 본 실시예는 구동기(180)로서 리니어 모터가 사용된 것을 예시하고 있다. 구동기(180)는 가이드 지지체(110)에 설치되며, 제1플레이트(121)에 고정된 연결 브라켓(185)과 연결된다.
자기 액츄에이터(130 내지 170)는 테이블(120)에 복수로 설치되며, 가이드 지지체(110)와 테이블(120) 사이에 자기 예압을 인가하는 기능을 한다. 에어 베어링(125)의 강성(stiffness)은 가이드 지지체(110)와 테이블(120) 사이의 간극(G)에 반비례하는바, 자기 예압의 인가에 따라 상기 간극(G)을 일정 이하로 유지시켜 에어 베어링(125)의 강성을 증대시킬 수 있다.
자기 액츄에이터(130 내지 170)는 상기와 같이 자기 예압을 발생시키는 한편, 가이드 지지체(110)와 테이블(120) 사이의 자기력을 가변시켜 테이블(120)의 5 자유도 운동 오차가 보정되도록 한다.
여기서, 5 자유도 운동 오차는 테이블(120)의 이송 방향(x축 방향)에 수직한 두 방향(y축 및 z축 방향), x축을 중심으로 회전하는 방향(θx 방향), y축을 중심으로 회전하는 방향(θy 방향), 및 z축을 중심으로 회전하는 방향(θz 방향)을 따라 발생할 수 있으며, 이들 5가지 방향을 따르는 운동 오차들을 각각 y축 운동 오차, z축 운동 오차, 롤링(rolling) 운동 오차, 피치(pitch) 운동 오차, 및 요(yaw) 운동 오차로 지칭할 수 있다.
이와 같은 5 자유도 운동 오차를 보정하기 위하여, 자기 액츄에이터는 5개의 액츄에이터를 포함하는 구조를 갖는다.
제1 및 제2액츄에이터(130,140)는 테이블(120)의 제1면(S1)에 x축 방향을 따라 서로 이격되게 설치된다. 그리고, 제3 및 제4액츄에이터(150,160)는 테이블(120)의 제2면(S2)에 x축 방향을 따라 서로 이격되게 설치된다. 제5액츄에이터(170)는 제3 및 제4액츄에이터(150,160)로부터 z축 방향으로 이격된 위치에 설치된다. 제5액츄에이터(170)의 경우 제3 및 제4액츄에이터(150,160) 사이의 중간 위치에서 z축 방향으로 연장된 위치에 위치시키는 것이 바람직하다.
이와 같이 구조에 따라, 제1 내지 제5액츄에이터(130 내지 170)는 5 자유도의 제어력을 인가할 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2액츄에이터(130,140)에서 동일한 자기력이 발생하면 z축 방향 제어력이 발생하며, 제1 및 제2액츄에이터(130,140)에서 서로 다른 자기력이 발생하면 피치 방향 제어력이 발생하는 것이다. 나머지 방향 제어 방식도 이와 유사하게 이루어진다.
도 4는 도 3에 도시된 제1액츄에이터의 사시도이며, 도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ 방향을 따르는 제1액츄에이터의 단면도이다. 이하의 설명에서는 제1액츄에이터(130)의 구조를 예로 들어 설명하나, 제2 내지 제5액츄에이터(140 내지 170)도 제1액츄에이터(130)와 동일한 구성을 갖는다.
제1액츄에이터(130)는 영구자석(131), 내부 코어(132), 코일(133), 및 외부 코어(134)를 포함하는 구조를 갖는다.
영구자석(131)은 가이드 지지체(110)와 마주하게 배치되며, 자기 예압을 발생시키는 기능을 한다. 내부 코어(132)는 철 등의 자성 물질로 형성되며, 영구자석(131)을 지지하는 구조를 갖는다. 내부 코어(132)는 실린더(원기둥)의 형태를 가지며, 내부 코어(132)의 외주면에는 코일(133)이 권선된다. 외부 코어(134)는 코일(133)의 외곽에 설치되며, 링 형태의 자성 물질로 형성된다.
코일(133)에 전류가 인가됨에 따라 도 4의 도시와 같이 폐루프 형태의 자기장(B)이 형성되게 되며, 인가되는 전류의 크기, 방향을 조절함에 따라 자기력의 크기를 조절할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 보정형 스테이지의 운동 오차 보정 방법을 나타내는 블록 다이어그램이고, 도 7은 제어유닛의 제어 알고리즘을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 가이드 지지체(110)와 테이블(120)의 사이에는 테이블(120)의 이동 거리를 센싱하는 리니어 엔코더(191)가 설치된다. 그리고, 리니어 엔코더(191)에는 제1 내지 제5액츄에이터(130 내지 170)의 동작을 제어하는 제어유닛(200)이 연결된다. 제어유닛(200)은 제어 전류값과 관련된 제어 신호를 발생시키는 제어기(210)와, 제어 신호에 따라 제1 내지 제5 액츄에이터(130 내지 170)에 해당 전류를 인가하는 전력 증폭기(220)를 포함한다.
테이블(120)의 이동 위치에 따른 운동 오차값은 반복적인 실험을 통해 미리 구할 수 있다. 운동 오차값 측정은 레이저 간섭계(laser interferometer), 갭 센서 등을 이용하여 측정할 수 있다.
도 8은 테이블의 이동 거리에 따른 운동 오차를 나타내는 그래프이다. 운동 오차값의 측정 결과 도 8과 같은 그래프(보정 전)를 얻을 수 있다. 도 8에서 가로축은 테이블(120)의 이동거리, 세로축은 운동 오차값을 나타낸다. 이러한 그래프는 5 자유도 운동 각각에 대해 얻을 수 있다. 참고로, 도 8은 보정 후 운동 오차가 제거된 결과를 함께 나타내고 있다.
이와 같은 운동 오차값을 근거로 하여 제어 전류값에 관한 보정 정보를 산출할 수 있으며, 이는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
im(x) = Km * εm(x)
여기서, im(x)는 테이블(120)의 이동 위치에 따른 제어 전류값, εm(x)는 테이블(120)의 이동 위치에 따른 운동 오차, Km은 제어 게인을 나타낸다. 제어유닛(200)의 오차 계산기(194)는 측정 결과를 근거로 한 오차 계산을 수행하여 εm(x)를 산출한다. 여기서, im(x), Km, εm(x)는 매트릭스로 구성되며, 이와 같은 보정 정보는 제어유닛(200)에 구비된 메모리 등의 저장 공간에 저장된다.
기계 가공을 위해 구동기(180)를 구동시켜 테이블(120)을 이동시키면, 리니어 엔코더(191)는 테이블(120)의 이동 거리를 제어유닛(200)에 인가한다. 제어유닛(200)은 리니어 엔코더(191)의 센싱값과 이상과 같은 보정 정보를 근거로 테이블(120)의 위치에 대응되는 제어 전류값을 산출한다. 제어유닛(200)은 산출된 제어 전류값에 해당하는 전류를 제1 내지 제5액츄에이터(130 내지 170)에 인가하여 테이블(120)과 가이드 지지체(110) 사이에 제어력이 인가되도록 한다. 여기서, 제어유닛(200)은 피드 포워드 제어 방식을 통해 자기 액츄에이터(130 내지 170)를 제어하게 된다.
한편, 테이블(120)의 이동시 테이블(120)에 진동이 발생할 수 있으며, 이러한 진동 또한 5 자유도의 형태로로 발생할 수 있다. 본 발명의 능동 보정형 스테이지는 이와 같은 5 자유도 진동에 의해 발생하는 진동 오차를 감쇠하기 위한 구성을 추가로 구비할 수 있다.
진동 오차의 감쇠 제어를 위해 테이블(120)에 가속도계(192,193)가 추가로 설치된다. 가속도계(192,193)는 테이블(120)의 진동신호를 검출하기 위한 것으로서, 가속도계(192,193)는 제1면(S1)의 반대면과 제2면(S2)의 반대면에 설치된다.
제어유닛(200)은 가속도계(192,193)로부터 진동 신호를 인가받으며, 이를 근거로 테이블(120)의 진동 오차를 감쇠하기 위한 댐핑 제어 전류값을 산출한다.
테이블(120)에 댐핑을 주기 위해서는 속도에 비례하는 제어를 수행해야 하므로, 가속도계(192,193)에서 나오는 가속도 신호를 적분기(196)로 적분하여 속도 신호를 얻는다.
도 9는 테이블의 진동수에 따른 진동 오차의 크기를 나타내는 그래프이다. 도 9와 같은 그래프는 충격 시험을 통해 얻을 수 있으며, 가로축과 세로축은 진동수와 진동 오차를 각각 나타낸다. 이에 따르면 5 자유도 운동 각각 특정한 고유 진동수 대역을 갖는다. 도 9는 롤링 모드에서 고유 진동수가 f1, 피치 모드에서 고유 진동수가 f2인 것을 예시하고 있으며, 보정 전후의 결과를 함께 나타내고 있다.
이와 같은 사항을 이용하여, 가속도계(192,193)에서 검출된 가속도 신호는 적분 후 제1 내지 제5밴드패스필터(195)를 통과하도록 구성된다. 여기서, 제1 내지 제5밴드패스필터(195)는 5 자유도 진동 모드에 각각 대응되는 고유 진동수 대역 신호를 통과시키도록 구성된다.
테이블(120)의 진동 감쇠 제어를 위한 보정 정보는 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.
id = Kd * εd
여기서, id는 테이블(120)의 제어 전류값, εd는 가속도계(192,193)에서 검출된 가속도 신호(ε)를 적분하여 계산된 속도진동신호를 밴드패스필터(195)로 필터링한 값, Kd는 제어 게인을 나타낸다. 이와 같이, 속도진동신호에 밴드 패스와 제어 게인(Kd)을 곱하여 제어 전류값을 얻게 된다. 여기서, id, Kd, εd는 매트릭스로 구성되며, 제어유닛(200)은 밴드패스필터(195)에서 필터링된 신호를 근거로 피드백 제어 방식을 통해 자기 액츄에이터(130 내지 170)를 제어한다.
요약하면, 제어유닛(200)은 리니어 엔코더(191)에서 검출된 테이블(120)의 위치 정보(x)를 근거로 피드 포워드 제어 방식을 통해 제어 신호를 발생시키고, 가속도계(192,193)에서 검출된 진동 신호(ε)를 근거로 피드백 제어 방식을 통해 제어 신호를 발생시키며, 이들 제어 신호가 합산되어 자기 액츄에이터(130 내지 170)로 인가되게 된다.
이에 따르면, 운동 오차뿐만 아니라 진동 오차까지 모두 고려하여 오차를 보상하므로 능동 보정형 스테이지의 이송 정밀도를 보다 향상시킬 수 있게 된다. 다만, 본 발명은 운동 오차 및 진동 오차를 모두 고려한 구성에 한정되는 것은 아니며, 운동 오차만을 고려한 구성으로 구현되는 것도 가능하다 할 것이다.
이상에서는 본 발명에 따른 능동 보정형 스테이지 및 그 운동 오차 보정 방법을 첨부한 도면들을 참조로 하여 설명하였으나, 본 발명은 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

Claims (10)

  1. 서로 직교하는 제1 및 제2가이드면을 갖는 가이드 지지체;
    상기 제1 및 제2가이드면과 대향하는 제1 및 제2면을 구비하며, 상기 제1 및 제2면에 각각 에어 베어링이 구비된 테이블;
    상기 테이블을 x축 방향으로 직선 구동시키는 구동기; 및
    상기 가이드 지지체와 테이블 사이에 자기 예압을 인가하며, 상기 테이블에 발생하는 5 자유도 운동 오차를 보정할 수 있도록 가이드 지지체와 테이블 사이의 자기력을 가변시키는 복수의 자기 액츄에이터를 포함하고,
    상기 자기 액츄에이터는,
    상기 제1면에 x축 방향으로 이격되게 설치된 제1 및 제2액츄에이터;
    상기 제2면에 x축 방향으로 이격되게 설치된 제3 및 제4액츄에이터; 및
    상기 제2면에 상기 제3 및 제4액츄에이터로부터 z축 방향으로 이격되게 설치된 제5액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 보정형 스테이지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 테이블은,
    상기 제1면을 갖는 제1플레이트; 및
    상기 제1플레이트의 측면에 수직으로 결합되며, 상기 제2면을 갖는 제2플레이트를 포함하고,
    상기 에어 베어링은 상기 제1 및 제2면의 복수의 개소에 위치하는 것을 특징으로 하는 능동 보정형 스테이지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 5 자유도 운동 오차는,
    y축 운동 오차, z축 운동 오차, 롤링 운동 오차, 피치 운동 오차, 및 요 운동 오차를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 보정형 스테이지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 내지 제5액츄에이터는,
    상기 가이드 지지체와 마주하게 배치된 영구자석;
    상기 영구자석을 지지하는 내부 코어;
    상기 내부 코어의 외곽에 권선되는 코일; 및
    상기 코일의 외곽에 설치되는 링 형태의 외부 코어를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 보정형 스테이지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 테이블의 이동 거리를 센싱하는 리니어 엔코더; 및
    상기 리니어 엔코더의 센싱값을 근거로 상기 테이블의 위치에 대응되는 제어 전류값을 산출하여 상기 제1 내지 제5액츄에이터에 해당 전류를 인가하는 제어유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 보정형 스테이지.
  6. 제6항에 있어서, 상기 제어유닛은,
    미리 산출된 테이블의 이동 위치에 따른 운동 오차값을 근거로 상기 제어 전류값을 산출하는 것을 특징으로 하는 능동 보정형 스테이지.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제어유닛은,
    상기 제어 전류값과 관련된 제어 신호를 발생시키는 제어기; 및
    상기 제어신호에 따라 상기 제1 내지 제5 해당 전류를 인가하는 전력 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 보정형 스테이지.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 테이블에 설치되며, 상기 테이블의 진동신호를 검출하는 가속도계를 더 포함하고,
    상기 제어유닛은 진동신호를 근거로 상기 테이블의 5 자유도 진동 오차를 감쇠하기 위한 댐핑 제어 전류값을 산출하는 것을 특징으로 하는 능동 보정형 스테이지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 진동신호는 5 자유도의 진동 모드에 각각 대응되는 고유 진동수 대역 신호를 통과시키는 제1 내지 제5밴드패스필터를 통과하며,
    상기 제어유닛은 필터링된 신호를 근거로 피드백 제어 방식을 통해 상기 자기 액츄에이터를 제어하는 것을 특징으로 하는 능동 보정형 스테이지.
  10. 제1항을 따르는 능동 보정형 스테이지의 운동 오차 보정 방법에 있어서,
    미리 측정된 상기 테이블의 이동 위치에 따른 5 자유도 방향 운동 오차값을 근거로 보정 정보를 산출하는 단계;
    상기 테이블이 직선 이동함에 따라 상기 리니어 엔코더로부터 인가되는 센싱값과 상기 보정 정보를 근거로 상기 테이블의 위치에 대응되는 제어 전류값을 산출하는 단계; 및
    상기 테이블과 가이드 지지체 사이에 제어력이 인가되도록 상기 제어 전류값에 해당하는 전류를 상기 제1 내지 제5액츄에이터에 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 보정형 스테이지의 운동 오차 보정 방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230028833A (ko) * 2021-08-23 2023-03-03 (주)코아시스템즈 초정밀 에어베어링 선형 스테이지 장치

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10393707B2 (en) * 2017-05-03 2019-08-27 Hiwin Technologies Corp. Method for estimating a variation in preload applied to linear guideway
NL2019812B1 (en) * 2017-10-26 2019-05-06 Vdl Enabling Tech Group B V A magnetic bearing assembly as well as a linear guideway assembly implementing one or more such magnetic bearing assemblies.
CN108443323A (zh) * 2018-05-11 2018-08-24 天津航天机电设备研究所 一种倒吸式气浮轴承结构
NL2022986B1 (en) 2019-04-19 2020-10-27 Vdl Enabling Tech Group B V A linear guideway assembly for contactless linear displacement of a rigid body relative to another rigid body along a linear displacement path.
CN116972075B (zh) * 2023-09-20 2023-12-19 无锡星微科技有限公司杭州分公司 一种磁预载结构及具有该结构的直线平台

Family Cites Families (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61290231A (ja) 1985-06-19 1986-12-20 Nippon Seiko Kk 静圧案内軸受
US4798478A (en) * 1988-02-16 1989-01-17 Nicolet Instrument Corporation Self-aligning fluid bearing
JP2573390B2 (ja) 1989-06-05 1997-01-22 松下電工株式会社 6軸姿勢制御装置
US5228358A (en) * 1990-02-21 1993-07-20 Canon Kabushiki Kaisha Motion guiding device
JP2865369B2 (ja) * 1990-04-24 1999-03-08 住友重機械工業株式会社 磁気吸引ガス浮上型パッド
JPH05215133A (ja) 1992-02-03 1993-08-24 Canon Inc 静圧流体軸受およびその位置決め制御装置
JPH0619550A (ja) 1992-07-02 1994-01-28 Nec Corp 位置調整装置とその固定方法
JP3282302B2 (ja) 1992-09-30 2002-05-13 株式会社島津製作所 加振装置または振動除去装置
JPH06318115A (ja) 1993-05-07 1994-11-15 Hitachi Ltd 位置決め制御方法
TW272976B (ko) 1993-08-06 1996-03-21 Ciba Geigy Ag
CH686619A5 (de) 1994-09-28 1996-05-15 Kunz Maschinengeometrie Luftgelagerter Verfahrschlitten
JP3456307B2 (ja) 1995-06-30 2003-10-14 株式会社ニコン 磁気浮上型ステージ
JP3815750B2 (ja) 1995-10-09 2006-08-30 キヤノン株式会社 ステージ装置、ならびに前記ステージ装置を用いた露光装置およびデバイス製造方法
US5821981A (en) * 1996-07-02 1998-10-13 Gerber Systems Corporation Magnetically preloaded air bearing motion system for an imaging device
JP3472435B2 (ja) 1997-05-07 2003-12-02 株式会社ミツトヨ 測定子の移動機構
KR100321781B1 (ko) 1998-01-23 2002-03-08 박종섭 와이어본더장비의엑스와이제트축구동장치및그의위치제어방법
JP3483452B2 (ja) 1998-02-04 2004-01-06 キヤノン株式会社 ステージ装置および露光装置、ならびにデバイス製造方法
US6144118A (en) 1998-09-18 2000-11-07 General Scanning, Inc. High-speed precision positioning apparatus
JP2000170767A (ja) 1998-12-08 2000-06-20 Nsk Ltd 静圧直線案内装置
JP2000263357A (ja) 1999-03-11 2000-09-26 Ntn Corp リニアモータ駆動エアスライド
JP2001069746A (ja) 1999-09-01 2001-03-16 Nsk Ltd 非接触型テーブル
JP2002120120A (ja) 2000-10-17 2002-04-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd 磁気軸受リニアステージのテーブルの移動状態補正方法、これを用いた磁気軸受リニアステージおよび加工機
JP3673169B2 (ja) * 2000-12-22 2005-07-20 住友重機械工業株式会社 X−yステージ装置
JP2004036680A (ja) * 2002-07-01 2004-02-05 Sigma Technos Kk ステージ装置
KR100428052B1 (ko) 2002-07-09 2004-04-28 한국과학기술원 I형 빔으로 구성된 이중 h구조를 이용한 장행정스테이지
KR100437263B1 (ko) 2002-08-02 2004-06-23 한국과학기술원 이중 h구조를 이용한 장행정 6축 운동 스테이지
KR100572008B1 (ko) 2004-02-24 2006-04-17 한국기계연구원 자기예압 및 운동오차 보정 기능을 갖는 정압베어링이송장치
JP2005268608A (ja) * 2004-03-19 2005-09-29 Sumitomo Heavy Ind Ltd ステージ装置
KR100664493B1 (ko) 2004-10-20 2007-01-03 (주)세다 리니어모터 스테이지의 진직도 오차 보상장치 및 그를위한 슬라이딩모드 제어방법
KR20070007692A (ko) 2005-07-26 2007-01-16 유은영 다용도 믹서기
JP2008546965A (ja) 2005-08-23 2008-12-25 コリア インスティチュート オブ マシナリー アンド マテリアルズ 磁気予圧及び運動誤差補正機能を有する定圧ベアリング移送装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230028833A (ko) * 2021-08-23 2023-03-03 (주)코아시스템즈 초정밀 에어베어링 선형 스테이지 장치

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EP2714325B1 (en) 2016-04-27
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