KR20160095093A

KR20160095093A - 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치

Info

Publication number: KR20160095093A
Application number: KR1020167018043A
Authority: KR
Inventors: 닥터. 게오르그 올레아
Original assignee: 후버 디프락시온스테크닉 게엠베하 운트 코. 카게
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2016-08-10
Also published as: GB2520983A; CN106029310A; EP3077162A1; WO2015082713A1; KR102332087B1; GB201321539D0; US20160288317A1; JP6613432B2; EP3077162B1; JP2017501898A; DE202014011139U1; ES2669243T3; DE202014011139U8; CN106029310B; DK3077162T3; US10384341B2

Abstract

본 발명은 리던던트 병렬 위치결정 테이블(redundant parallel positioning table device) 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 싱크로트론 시설용 회절계 기계 측면에서, 무거운 하중의 샘플, 기구 및/또는 장치의 정밀한 위치결정을 위한 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치에 관한 것이다.

Description

리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치{Redundant Parallel Positioning Table Device}

본 발명은 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치(redundant parallel positioning table device)에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 예를 들면, 싱크로트론 시설(synchrotron facilities) 용 회절계(diffractometer) 기계 분야 및 사용에 있어서, 무거운 하중의 샘플, 기기 및/또는 장치의 정확한 위치결정을 위한 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치에 관한 것이다.

다양한 목적을 위한 샘플의 위치결정 시스템 및 장치가 오래 전부터 종래 관련 기술 분야에 알려져 있다.

새로운 또는 존재하는 물질에 대한 몇몇 연구자들은 그 물리적 및/또는 화학적 특성을 조사하기 위해 X-선 도구 및 회절계(Dm) 기계에 관여하고 있다. 고유한 분자 및/또는 원자 구조와 다양한 환경조건 하에서의 거동 특성을 발견하기 위해, 이들 거대한 (현미경) 기계에서의 계측은 회절(diffraction) 기술에 기초하고 있다. 샘플에 대해 실제의 또는 가상의 조건(예, 압력, 온도 등)을 시뮬레이션하기 위해, 때로는 추가적인 기기 및/또는 장치가 필요하다. 이들은 상당한 크기의 수십 또는 수백 킬로그램의 무게일 수 있고, 그 집합체(샘플 및 기기/장치)는 들어오는 X-선 빔을 향해 올바른 위치에서 조작되어야 한다. 표준 실험 프로세스는 신속한 설정, 정렬, 칼리브레이션, 정확하게 요구되는 위치로 이동, 상대적으로 오랜 시간(예, 시간(hours) 또는 일(days))동안 자세를 유지, 그 다음 또 다른 조사를 위해 전체 사이클을 다시 시작하는 것과 같이, 여러 작업 (및/또는 단계)를 포함한다. 이에 따라, 요구되는 위치결정 장치는 간단 및 복잡한 움직임 모두를, 동일한 시간에 상대적으로 높은 하중을 수행하기 위한 동력으로, 충분한 정확도와 속도로 수행하고 상대적으로 긴 시간 동안 그것을 유지할 수 있어야 한다. 특히, 상기 장치는 기기 베이스로부터 거리(dc)에 위치된, 샘플 중심에 대해 회전 중심(C) (또는 피봇 포인트(P))으로 불리는, 고정된 임의의 선택 포인트를 중심으로 구면 운동을 할 수 있어야 한다.

최근에는 병렬 운동(Parallel kinematic )(PK) 구조(principle)가 일반적인 직렬(serial)(누적(stacked)) 구조에 대해 몇몇 이점에 기초한 위치결정 개념으로 더욱 많이 연구되고 있다. 헥사포드(hexapod)라고 하는, 가장 일반적인 6자유도 토폴로지(6dof topology)가 GOUGH[V.E . Gough , Contribution to discussion of papers on research in automobile stability , control and tyre performance Proc . Auto Div . Inst . Mech. Eng , 1956- 1957]와 STEWART[D. Stewart , A platform with six degrees of freedom , Proc . Institution of Mechanical Eng .( UK ), 1965-1966] 연구로부터 유래되었다. 상기 GOUGH-STEWART 플랫폼 메커니즘은 모션 시뮬레이터로 처음 적용되었고, 이후에 머신 툴 산업[P.C . Sheldon , Six - axis machine tool, US4988244, Jan . 29, 1991]에서 툴 위치결정(tool positioning)으로 적용되었다. 위치결정을 위한 실제 헥사포드 구조(예, 6-SPS)는, 두 개의 대략 육각형 (또는 디스크) 모양 - 베이스와 이동 플랫폼 부 - 사이에 배치된 스트럿(struts)이라고 불리는, 6개의 가변길이 액츄에이터를 갖는 대칭적 구조로 구성된, 완전히 병렬 운동학적 메커니즘(parallel kinematic mechanisms)(PKM)이다. 상기 플랫폼의 위치 (및 방향)은 선형 구동 텔리스코픽 바(linear actuated telescopic bars)의 강한 결합 운동의 조합으로서 생성된다. 그 이점은 그들의 고유의 엄격한 피라미드 구조로 인해, 증가된 페이-로드(pay-load), 정확도 및 역학과 관련되어 있다. 정확한 위치결정을 위해 설계된 구별적인 종류(distinctive class)를 정밀 헥사포드(precision hexapods)라고 불린다.

제안된 몇몇 해결책이 있고, 그들 중 일부는 제품으로 입수 가능하다. 그러나 회절계(예, Dm5021/ I07 / DLS, HUBER GmbH Co&KG, DLS-다이아몬드 광원, 107-빔 라인)의 내부에 사용되려고 할 때, 그것들은 필요한 조작(예, 하중: >50 kg, d_c=170mm,반복도(repeatability): ± 2 μm, 속도: 3 mm/s ) 및 사용 가능한 Dm 작업 공간(DxA=400x420 mm, D-직경, A-높이) 파라미터와 관련하여 몇 가지 결점을 나타낸다: a) (DxA 또는 dc를 만족시키는 것들에 대해) 최대 조작 하중(load)이 충분하지 않고, b) (모든 관심 있는 큰 하중에 대해) 회전 중심점 거리(dc)가 DxA의 내부에 있지 않고, c) (위 양쪽 경우에 대해) 작업 공간이 상대적으로 작다. 즉, 헥사포드 체적, 특히 높이는 할당된 Dm 공간에 대해 그들이 제공하는 성능에 비해 너무 크다(또는 너무 작다). 또한, 대형 기기를 위한 장착 표면이 항상 잘 마련되어 있는 것은 아니다(예를 들면, 케이블 관리를 위한 큰 개구).

이는 설계자가 다음에 직면해 있기 때문이다: a) 작동 스트럿(struts)(텔리스코픽 바)의 ‘내부’를 상당한 수의 구성요소(예, 모터, 기어헤드/하모닉 드라이브(harmonic drive), 가이드, 센서 등)로 채워야 할 필요성, b) 액츄에이터의 교차 수와 사이즈 때문에, 작업공간의 형상이 복잡해짐, c) 때로는 최대 속도에 영향을 미치는, 전동식(motorized) 다리를 움직이기 위한 바람직하지 않은 동적 효과. 그리고, 발생된 특이점 (및, 충돌)이 정밀 작업을 위해 검출 및 회피되어야 하지만, 조인트(joints)와 요소(components)의 수와 직접 연관되어 있기 때문에, 그와 같이 행해지기 곤란하다. 마지막으로, 실험실에서 간단하고 신속한 정렬 조작이 행해져야 할 때, 단순한 운동: 병진운동-X, Y, Z (및/또는 회전운동- Rx, Ry, Rz)이 비-병렬 운동(non-parallel kinematic) 전문가에 의해 예측되기 어렵다.

정밀 6자유도(6dof) 위치결정 과제를 위해 다른 아키텍쳐가 조사되었다.

미국 특허 US 5,301,566호는 세 개의 비-동일선 상의 유니버설 조인트(non-collinear universal joints)와 2자유도 병렬 드라이버를 통해 부착된 플랫폼을 조작하기 위한 세 개의 비확장성 다리(inextensible limbs)를 가진 6자유도 병렬-(미니)조작기에 관한 것이다. 최소 수의 구동 및 지지 포인트, 및 양방향 평면 모터(bidirectional planar motors)를 사용함으로써, 다른 장점(예, 순방향 운동(direct kinematics), 적은 수의 구성요소 등) 이외에도, Stewart/Gough 메커니즘과 비교하여 증가된 작업공간, 강성 및 정확도가 청구되었다. 그러나 정적 및 동적 특성은 하나의 축에만 대칭적으로 배열된 구성요소의 수(세 개)에 매우 의존적이다.

또한, 위치결정 테이블 장치로 작용하는 PK 메커니즘에 대한 몇 가지 제안이 있다. 국제특허출원 WO07/055339A1는 주로 두 개의 분리된 위치결정 장치의 결합된 동작의 결과로, 고정밀도의 동작을 수행할 수 있는 3차원 위치결정 테이블(직사각형 모양)을 기술한다. 승강(elevating)(Z) 및 테이블 플레이트(XYRz/PKM) 장치 모두는 평면 베어링 지지 플레이트(planar bearing support plate) 및 세 개의 수직한 선형 가이드를 통해 연결되어 있다. 상기 승강 장치는 고정된 지지체에 대한 두 개의 가이드 웨지(guided wedges)의 상대적인 움직임이 플랫폼의 상승/하강의 결과로 되는, 두 개의 가이드 웨지의 스테이지 시스템을 포함하고 있다. 그러나 이들 결합된 하이브리드 병렬-직렬 구조는 전체 운동 능력 스펙트럼(motion capabilities spectrum)(6자유도)을 제공할 수 없다. 일본 특허출원 JP20102051054 A호는 각각, 하나에는 모터가 부착되고, 다른 하나에는 구면 베어링이 부착된, 3개의 선형 가이드 부품의 결합을 통해 상승/하강 운동을 제공하는, 3개의 모바일 지지체를 사용하는 위치결정 테이블을 기술한다. 공간(3dof)에서 하중은 일반적인 강성에 영향을 미치는 것으로 추정되는 여러 개의 이동 부품(moving parts) 및 가이드 수단을 통해 삼각대(tripod) 아키텍쳐로 위치된다.

리던던시(redundancy)는 병렬 운동 메커니즘(parallel kinematic mechanisms)에 적용된 비교적 새로운 개념이다. 이것은 공간 및 평면 구조 모두에 대해, 강성(stiffness), 작업 공간(working space), 정확도 및 속도에 대한 메커니즘 능력을 증가시킨다. 지금까지 연구되어 온 두 가지 개념은 운동학적 리던던시(kinematic redundancy)(체인/다리를 부가)와 구동 리던던시(actuation redundancy)(능동 조인트 부가)이다. 또한, 리던던시는 특이점(singularities)을 회피할 수 있고, 하나 이상의 액츄에이터가 빠지는 경우와 같이 어려운 조건에서 작업할 수 있는 이점을 가진다. 그러나 지금까지 출시된 조작(manipulation) 및/또는 위치결정(positioning) 제품은 그다지 없다.

일본 특허출원 JP2010264526 A호는 각각 1 자유도(one dof)를 가지는 2개의 액츄에이터 4쌍을 이용하는 리던던트 공간 병렬 메커니즘(redundant spatial parallel mechanism)에 관한 것이다. 그 아키텍쳐는 스트럿(strut) 액츄에이터에 기반한 헥사포드(hexapod)의 것과 유사하지만, 상단에 특별히 설계되어 연결된 조인트를 가진다. 요구되는 운동 과제를 수행하기 위해, 제어 기능은 6개의 적절한 선택된 능동 스트럿(active struts) 만을 고려하여야 한다. 액츄에이터 길이에 관련한 장치의 결과적인 높이는 헥사포드 경우에서와 유사하다.

프랑스 특허출원 FR2965207A1는 6자유도를 가지는 리던던트 병렬 로봇을 기술하고 있다. 상기 메커니즘은, 각각 베이스로부터 2자유도 구동 유닛을 가지는, 4개의 관절형 폐쇄형 연쇄(articulated kinematic closed chains)를 구비하는 것으로 보여질 수 있다. 주요 직렬 체인(serial chain)은 회전형 조인트를 통해 다른 체인으로부터 지지되고, 그 다음 피봇형을 포함하는 분리된 회전형 조인트를 통해 플랫폼에 연결된다. 상기 액츄에이터 쌍들은 사각형 모양에 접하여 배치되어 플랫폼을 이동시키고 코너 둘레로 작용한다. 병렬 타입 특이점은 회피된다. 그리고, 회전 모터와 아암(바), 높은 작업영역 및 능숙한 조작을 사용하여 과제가 수행될 수 있지만, 강성(stiffness)이 좋은 상태가 아니기 때문에 정확도는 떨어진다. 개선된 가치는 아마도 수직 선형 액츄에이터를 사용하는 실시형태(FR2964337 A1)에서 얻어지나, 플랫폼 크기는 여전히 베이스보다 훨씬 더 작은 것으로 생각된다.

중국 특허출원 CN1730235호는, 머신 툴(machine tool)의 축 방향 강성(rigidity) 및 작업공간을 증가시키기 위해, 머신 툴에 대한 구조로 사용되는 6자유도를 가진 리던던트 병렬 메커니즘에 관한 것으로, 그 슬라이딩 블록의 부분으로서 회전하는 쌍들을 통해, 각각 고리형 베이스 둘레로 이동하는 4개의 텔리스코픽(telescopic) 다리를 사용한다. 원형 가이드(circular guides)는 큰 범위의 회전 이동을 실현시키고 자세공간(attitude space)을 증가시키지만, 능동 조인트가 수동 조인트 사이에 개재되어 최대 강성(maximum stiffness)을 감소시킨다.

위에서 설명된 모든 장치들은 넌-리던던트(non-redundant)(예, 병렬 또는 하이브리드) 또는 리던던트(예, 병렬) 구조를 사용하여, 물체를 공간 상에 부분적으로(6자유도 미만) 또는 완전히(6자유도) 자세를 취하도록 하는 기능을 가진다. 그러나, 상기 장치 중 어느 것도 특정 싱크로트론 관련 회절계 어플리케이션에 완벽하게 적합하지는 않다.

따라서, 본 발명의 목적은 실제 기존의 결과 및 성과와 비교하여 상기 분야에 더욱 적응됨으로써, 우수한 성능과 기능을 가진 6자유도(6dof) 위치결정 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 제1 목적은 특정한 회절계 하중을 지탱하기 위한, (개구를 포함하여) 증가된 크기와 적절한 형상(평면)의 지지 및 고정 표면을 구비한 위치결정 테이블을 제공하는 것이다. 본 발명의 제2 목적은 더욱 컴팩트(예, 더 낮은 프로파일 (lower profile))하여, 가장 요구되는 협소한 공간 요건을 가진 피팅(fitting)에 적합한 테이블을 제공하는 것이다. 본 발명의 제3 목적은 (안정성을 포함하여) 증가된 정확도를 위한 위치결정 테이블을 제공하는 것이다. 본 발명의 제4 목적은 속도를 증가시키기 위한 개념을 제공하는 것이다. 본 발명의 제5 목적은 자동으로 (또는 수동으로) 설정된 간단한 데카르트 운동(Cartesian motions)(예를 들면, 병진운동 및/또는 회전운동)을 직각적으로(intuitively) 수행하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 발명자는 놀랍게도 본 발명의 다음 측면에 따른 장치가 위에 설명된 본 발명의 목적에 대한 해결책을 제공하고, 부가적으로 종래 기술 관점에서 예측하지 못한 놀라운 효과 및 이점을 제공하는 것을 발견하였다. 이들 설명될 기술적 효과 및 이점들은 본 명세서에 수반되는 실시예로부터 명백하다.

제1 측면에서, 고정형 베이스(B)와 이동형 테이블(T)을 포함하는 병렬 위치결정 테이블 장치(parallel positioning table device)(Rd-PPT)가 제공된다. 상기 병렬 위치결정 테이블 장치는 리던던트(redundant) 병렬 위치결정 장치 테이블일 수 있다. 상기 이동형 테이블은 상기 고정형 베이스에 대해 모두 6자유도(6dof)로 이동될 수 있다. 상기 이동형 테이블은 고정면(fixing surface)(Σ_T)을 가질 수 있다. 고정 서비스(fixing service)는 조사 대상인 샘플(Sp) 또는 관련 몸체(Bo)가 그 위에 장착될 수 있는 고정면일 수 있다. 적어도 한 세트의 4개 지지 다리가, 일단은 고정형 베이스에 연결되고 타단은 이동형 테이블에 연결된 채, 베이스의 중심 둘레에, 쌍으로 그리고 대칭적으로 배열될 수 있다. 지지 다리 중 하나는 여분(redundant)일 수 있다. 지지 다리 모두는 2 13 운동 연쇄(kinematics chains) (K)일 수 있다. 본 명세서의 문맥에서, 리던던트(redundant)는 적어도 한 세트의 4개의 지지 다리를 가지되, 여기서 적어도 하나의 지지 다리는 나머지 다리에 대해 여분인, 임의의 위치결정 테이블 장치를 말한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 병렬 위치결정 테이블 장치는 모듈식일 수 있다. 본 명세서의 문맥에서, 모듈식(modular)은 테이블 장치가 고정형 베이스, 이동형 테이블 및 지지 다리를 모듈식으로 포함하는 것을 의미한다. 상기 지지 다리는 위치결정 모듈(positioning modules)(Pm)로 제공될 수 있다. 상기 위치결정 모듈은 하나의 대칭 축(Z)에 대해 수직 방향으로 평행하게 그리고 제2의 대칭 축(X/Y)에 대해 직교하도록, 바람직하게는 능동적인 2자유도 기둥으로(as active 2dof pillars) 배열될 수 있다.

각각의 위치결정 모듈은 하나의 평면 구동된 능동 Ac, 및 두 개의 비능동의, 경사 승강(inclined elevation) EI 및 구형 가이드(spherical guiding) Gu 위치결정 유닛(Pu)의 적층된 조합일 수 있다. 여기서 상기 첫 번째 두 개(Ac, EI)는 동일한 베이스 형상 및 크기를 가지는 컴팩트한 평행 육면체 블록일 수 있다.

또한, 능동 위치결정 유닛(Ac)은 2자유도 병렬 구동( A ) 유닛일 수 있다. 구동 (A) 유닛은 4개의 직교 운동 축을 포함할 수 있고, 이중 인접한 두 개는 한 세트의 두 개의 선형 구동 메인 부분( A 11, A 12)으로 작용하고, 다른 부분( A’ 11, A’ 12)은 여분(redundant)이며, 평면 가이드 표면(Σ₁)을 가지는 공통 무버(mover)(M)의 측면 상에 수직하게 있다.

바람직한 실시예에서, 병렬 위치결정 테이블 장치의 승강 위치결정 유닛(EI)은 V형 조절가능한 경사 가이드 표면(Σ_21,Σ₂₂)이 구비된 한 쌍의 병렬 웨지(W)를 포함할 수 있다. 상기 가이드 표면(Σ_21,Σ₂₂)의 하부(W1)는 구동 (A) 유닛 상에 고정될 수 있고, 상부(W2)는 구면(S) 위치결정 유닛을 지지할 수 있으며, (EI) 위치결정 유닛의 대향하는 다리로 V형 모양을 형성한다.

가이드 위치결정 유닛(Gu)은 소형의 구면 조인트(S)일 수 있다. 상기 소형 구면 조인트(S)는 조절가능한 표면(Σ_31,Σ₃₂)과 접촉된 볼록-오목 구면 형상을 가질 수 있다. 제 1 부분은 일 단에 정밀 칼리브레이션 구(precision calibration sphere)(S)를 가지는 원뿔대형 기둥(p)일 수 있다. 승강 (Pu) 하우징의 상부면에 수직하게 장착된 다른 부분은, 테이블의 하부면에 내장되는(integrated) 연결부(H1, H2)이다.

바람직한 실시형태에서, 네 개의 평면 2 P 조인트 모두는, 서로 직교 축을 가지는 (P1P3/ P2P4 ) 고정형 베이스 상에 쌍으로(2x2 P ) 장착될 수 있고, 6-4-(2 P )PS 병렬 운동 메커니즘의 일부로서, 공면 구동 모듈(coplanar actuation module)( A m)을 형성하면서 상기 고정형 베이스 표면(Σ_B)에 실질적으로 평행할 수 있다. 이들은 각각 선형 및 구면 조인트만을 가지고, 수동 조인트(P)는 모두 동일한 각(α)으로 경사져 있다.

위치결정 모듈(Pm)은 중간 측에 위치되거나, 중심 개구(D) 측면에서 고정형 베이스 스퀘어 및/또는 이동형 테이블의 코너에 위치될 수 있다.

발명의 또 다른 측면에서, 단순한 데카르트 공간의: 병진 운동 TX 또는 TY 또는 TZ, 및 회전 운동 RX 또는 RY 또는 RZ, 및 직선 변위 X 또는 Y 또는 Z, 각 변위 αX 또는 αY 또는 αZ를, 생성하기 위한 본 발명의 제1 측면에 따른 리던던트 병렬 위치결정 테이블의 용도가 제공된다. 동일 또는 등가의 변위를 갖는 운동에 대한 직접적인 관련으로서, 상응하는 능동 축(active axes) 선형 운동 (tx,ty) 및 변위 (X, Y)의 모두 또는 일부만을 사용함으로써 제공된다.

제3 측면에서, 본 발명은 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치에 관한 것이다. 상기 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치는 고정형 베이스와 이동형 테이블을 포함할 수 있다. 상기 이동형 테이블은 상기 고정형 베이스에 대해 전체 6자유도로 움직일 수 있다. 상기 이동형 테이블은 조사하고자 하는 샘플 또는 관련 기기가 그 위에 장착되는 고정표면을 구비할 수 있다. 바람직하게는, 적어도 한 세트의 네 개의 지지다리가 상기 베이스의 중심 둘레에 대칭적으로 배열되고, 각 다리의 일단은 상기 베이스에 연결되고, 타단은 상기 이동형 테이블에 연결된다.

이상적으로는, 상기 테이블 위치결정 장치는 모듈식으로 구성될 수 있으며, 하나의 대칭축에 대해 수직으로 평행하게 배열되고 그들의 다른 대칭축에 대해 직교하는 쌍으로(orthogonal in-pairs) 배열된 위치결정 모듈로서, 지지 다리를 구비한다.

상기 각각의 위치결정 모듈은 하나의 능동(active) 및 두 개의 비능동(non-active) 위치결정 유닛의 조합으로 미리 결정될 수 있다.

상기 테이블 위치결정 장치는, 각각 적어도 두 개의 직교하는 운동 축과, 평면 가이드 표면을 가지는 2자유도 병렬 구동 구성요소를 더 포함할 수 있다.

바람직한 실시형태에서, 상기 테이블 위치결정 장치는 경사진 가이드 표면에 기반한 승강 구성요소를 더 포함하고, 상기 요소에서 하부의 제1 부분은 상기 구동 유닛에 고정되고, 상부의 제2 부분은 가이드 유닛을 지지하고, 한 쌍의 대향 구성요소로 V-형 형상을 형성한다.

상기 테이블 위치결정 장치는 추가적으로, 상기 승강 구성요소의 상부 측을 테이블의 하부 측과 연결하는, 볼록-오목 표면을 가진 가이드 구성요소를 포함한다.

모든 능동 위치결정 유닛은 상기 평면 베이스에 쌍으로, 서로 직교하고 모두 상기 베이스 표면에 실질적으로 평행하게, 장착될 수 있다.

각각의 승강 유닛 상에는, 가이드 위치결정 유닛이 수직하게 장착될 수 있다. 상기 가이드 위치결정 유닛은 위치결정 모듈에 대해 방향 운동(orientation motions) 및 변위를 허용할 수 있고, 그들의 결합된 작동에 의해 테이블 장치 전체가 병진운동 및/또는 방향 운동될 수 있다.

구동 축의 일부만을 선택함으로써, 6보다 적은 자유도를 갖는 위치결정 장치가 만들어질 수도 있다.

본 발명의 제4 측면에서, 본 발명의 제3 측면에 따른 테이블 위치결정 장치에 의해 생성되는 능동 병진 운동 및/또는 변위의 전부 또는 일부의 조합 시퀀스로서, 공간 운동 및 변위를 생성하기 위한 기본적인 방법론이 제공된다.

본 발명에 의하면, 자동으로 (또는 수동으로) 하나의 몸체 또는 여러 개의 무거운 몸체들을 요구되는 정밀도, 속도 및 안정성을 가지고 공간에 위치시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

또한, 싱크로트론 응용에서 무거운 하중을 조작하기 위해서, 종래 기술에 비해 증가된 강성, 정밀도 및 속도의 위치결정 능력을 제공하면서, 컴팩트한 크기, 낮은 프로파일 및 단순한 구조의 장치를 제공할 수 있게 된다.

도 1은 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치(redundant parallel positioning table device)의 6-4- 2 13 위상 개념(topological concept)을 나타낸다,
도 2는 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치에 대한 6-4-( Pl ) ₂XS 일반 운동학 모델을 나타낸다,
도 3은 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치에 대한 6-4-(2 P )PS 메커니즘의 운동학 모델을 나타낸다,
도 4는 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치 설계 개념에 대한 3D 도면이다,
도 5는 위치결정 모듈(Pm)의 실시예 및 두 개의 어셈블리 실시형태이다,
도 6은 위치결정 테이블 장치에 대한 기본 동작 원리를 설명한다.

이제 발명이 실시예를 통해 더 설명될 것이다. 이들 실시예는 설명을 위한 목적에서만 제시되는 것이고 본 발명의 보호 범위를 제한하지 않을 것이라는 점이 이해되어야 한다.

발명의 실제 맥락에서, 정밀도(precision)는 적은 수치의 (10 미만의) 마이크로미터 (또는, 아크-초(arc-seconds))와 관련 있고, (수 마이크로미터 또는 아크-초/시(arc-seconds / hour)의) 정확성, 반복성, 해상도 및 안정성을 나타낸다.

다음의 기호가 사용되었다:

타입	운동학/기하학 (Kinematics/Geometry)	타입	설계/도면 (Design/Drawings)
A_i, A	가이드, 센터 플랫폼 포인트 (Guiding,Center platform points)	Ac (A)	액츄에이터(Actuators)
B_i, B_i0	구동, 고정 베이스 포인트 (Actuation Fixed base points)	B, (Bo)	베이스, 몸체(예, 기구) (Base, Body(e.g.instrument))
C_i, C,	슬라이딩 포인드, 회전 중심 (Sliding points, Rotation center)	El	승강 유닛 (Elevation unit)
a_i, b_i	가이드, 구동 포인트 거리 (Guiding, actuation points distance)	F	고정수단(예, 스크류) (Fixing means(e.g. screw)
q_i	일반화된 (구동) 좌표 (Generalized (actuated) coordinates)	Gu, g	가이드 유닛, 수단 (Guiding unit, means)
J	조인트(Joint)	H	하우징(Housing)
Dof, (f)	자유도 (조인트) (Degree-of-freedom (joints))	L, l	길이(Lengths)
K	운동 연쇄(Kinematic chain)	M (m)	무버(모터) (Mover(motor))
P, (Pl)₂ , S	각기둥, 평면(2자유도), 구면 조인트 (Prismatic, Planar(2dof), Spherical Joints)	Pm (Pu)	위치결정 모듈(유닛) (Positioning module(unit))
R(Rx,Ry,Rz)	회전운동(Rotational Motion)	p	기둥(Pillar)
T(XYZ)	병진운동(변위) (Translational Motion(Displacement))	r, D	반경, 직경 (Radius, Diameter)
(Σ), (C)	표면, 커브 (Surface, Curve)	S, s	구면(조인트), 구 (Spherical (Joint), Sphere)
d	거리(Distance)	Sp	샘플(Sample)
l	링크(Links)	T	테이블(Table)
I,...,IV	운동학상의 레벨 (Kinematic Levels)	W	웨지(Wedge)
1,2,3,4	구동 조인트 운동 (Actuated joints motion)	α,β,γ, Ψ,φ,θ	각도/각 운동 (변위)
i,j=1,..,4	인덱스(포인트, 체인 등의 수)	┴,∥	수직, 평행(축)

위치결정 장치의 아키텍처는 그 기능과 관련하여 중요한 요소이다. 선택된 구조, 운동학, 기하학 및 최적 설계는 요구되는 최종의 정적, 운동학적 및 동적 파라미터에 영향을 미친다.

위치결정 테이블 장치로서 동작하는 구조의 도면 표현이 도 1에 제안되어 있다. 위상 운동학적 개념은 기본적으로 두 개의 강체(또는 요소) - 통상 그라운드에 고정된, 베이스(B)로 언급되는 제1 요소(1)와, 플랫폼 또는 테이블(T)로 언급되는 이동하도록 되어 있는 제2 요소(2) - 에 기반한다. 이들 모두는 네 개의 동일한 운동 연쇄(kinematic chains) 또는 다리(K_i, i=1,..,4)로 연결되어 있다. 일련의, 링크(l_i.1, l_i _. ₂)와 트리플릿 조인트(J_i _.j)의 이동형 강체 쌍이, 주요 요소(1)부터 시작하여, 조인트의 자유도(f_ij=213)에 대해, 동일한 연쇄에서(in the same succession) 세 개 레벨(j=I,...,III)로 배열된다. 베이스 상에 위치한 첫 번째 레벨( I )의 모든 조인트들은 구동 (능동) 조인트( J _iI )(밑줄 및 진하게 표시)라고 불리고, 한편 레벨 2(I) 및 레벨 3(III)에 위치한 나머지 조인트들은 비-구동(non-actuated)되며 수동 조인트(J_iII, J_iIII)라고 언급된다. 이와 같은 대칭적인 구조적 배열에 의해, Kuzbach-Grubler 공식에 의해 계산된 전체의 자유도 또는 이동도(M)는, 공간 메커니즘(spatial mechanisms)에 대해 M=6n-

에서, 움직이는 부분 n=9, 조인트의 수 j=12 및 그들의 자유도 f_i=2,1 및 3, (j=1...4, 5...8, 9...12)이므로, 결과는 6 (M=6)이다. 그 결과는 전체 공간 이동성을 가지는 운동 메커니즘(6-4- 2 13)으로 적합하지만, 리던던시(redundancy) 값으로 얻어질 수 있다. 리던던시의 정도(degree of redundancy)는 하나 체인의 부가(Rd_K=1) 및 액츄에이터 수(Rd_A=2)에서 온다. 사실상, 상기 도면은 메커니즘 위상에 대한 일 타입을 나타낼 뿐 아니라, 전체 QUATTROPOD(QP)의 6자유도 리던던트 PM 패밀리를 나타낸다. 각각의 멤버는, 예를 들면, 1-P (Prismatic), 2-PR (R-Rotation), 3-S(Spherical) 등, 구체적인 조인트 선택에 의존적이다. 이들 특정한 매우 대칭적이고, 완전히 구동되고(over actuated), 완전히 구속된(over-constrained) 멤버들은, 세 개짜리(트리포드(tripod))에 비해, 추가 접촉/동작점 및 동력 때문에, 무거운 하중의 안정적인 운동을 증가된 정적 및 동적 능력으로 수행하는 경향이 있고, 동시에 6 포인트(헥사포트(hexapod)) 구조보다 더욱 다기능적이다. .

일반적인 운동학적 모델은 실제의 존재하는 (또는 진보된) 운동 조인트의 포트폴리오와 그들의 일반적인 상호간 배열(reciprocal arrangements)에 기반하여 특정한 메커니즘을 정의하는 것을 도모한다. 또한, 입력/출력(폐쇄) 방정식을 구축하는 방법론을 형성하는 것도 유용하다. 상기 6-4- 2 13 도면은 조인트의 타입을 다음의 구동(actuated) 및 비-구동(non-actuated) 타입으로 자유롭게 선택하는 것을 허용한다: 1자유도-선형(P), 회전(R), 나선면으로(H), 2자유도-(PP), (PR), (RR) 및 3자유도-구면(S), (UR), (RRR) 형. 표면/무버(mover) 구조에 기반한 한 쌍의 능동 2자유도 조인트는, 2P, 2R_S, PR 및 2R_T를 구동 조인트로 나타내고 있는 도 2에 도시된 바와 같이, 그 위에 슬라이더의 선형 또는 곡선으로 이루어진 경로 운동( 1 ,..., 8 )이 그에 따라 움직이고 있는, 평면(Σ_P), 구면(Σ_S), 원통형(Σ_C) 또는 환상면체(toroid)(Σ_T) 고정된 표면을 가지는데 사용될 수 있을 것이다. 그들의 동시적인 또는 독립적인 결합된 동작을 통해, 메커니즘의 곡선으로 이루어진 일반화된 좌표 ( q _i, q _i ₊₁, i=1,..,4)의 쌍들에 의해 정의되는, 각각의 동작 포인트(B_i)(X_Bi,Y_Bi,Z_Bi, i=1,...,4) 또는 표면 무버(m ₁,,m ₄)는, 구면 조인트(S) 중심 A_i (X_i,Y_i,Z_i, i=1,...,4) 위치를 변경시키고 있다. 이는, 차례로, 부착된 샘플(Sp)과 기기 몸체(Bo)를 통상 3개의 공간적인 병진 및/또는 회전 방향(3T/3R)으로 이동시킨다. 다른 말로 하면, 이것은 A_i 포인트가 각각 2자유도(l_i _-곡선 좌표 변수, 도 3도 참조)를 가지는 커브(C_i,i=1,...,4) 상에서 움직이고 있다고 말하는 것이다. 이 후, 조작된 물체에 대한, 결과적인 자세-위치(XYZ) 및 방향(Ψ,φ,θ) 값은 각각, 다음에 의존한다: a) 구동 변위( q ₁, i=1,...,8), 및 b) 6-4-( Pl )₂XS 메커니즘(X-정의되지 않은 1자유도, ( Pl )₂-일반화된 곡선 평면의 2자유도 조인트)의 일반적인 경우에 대한 기하학적 파라미터 값(a_i, b_i, li, d_i, L, l, R, r). 소형의 구면(S) 조인트는 운동(위치) 방정식을 만들고 풀기위해 단순화될 수 있다. 이런 맥락에서, (C_i) 및 A_i는 각각 가이드하는(guiding) 커브 및 가이드된(guided) 포인트라고 불린다. 폐쇄 방정식은 그들의 좌표를 고정(B-XYZ) 및 이동(A-xyz)의 양 데카르트 시스템(Cartesian systems)으로 표현함으로써 용이하게 유도될 수 있다; 입력(또는 출력) 파라미터(X,Y,Z,Ψφ,θ,ø 및 q_i)는 내포되어 있다.

운동학 체계(kinematics scheme)는 메커니즘의 동작 거동을 이해하고 운동 방정식을 세우는 것을 도모한다. 그 다음 위치결정과 관련된 문제(직접(direct)/역(invers))는 입력/출력 변위 및 기하학적 파라미터에 기초하여 풀릴 수 있다. 상기 6-4-(Pl)₂XS 모델에 기반한 위치결정 테이블에 대한 병렬 메커니즘 운동학은 도 3에 도시된다. 그것은 네 개의 동일한 (Pl)₂XS (i=1,..,4), 개방 운동 연쇄(open kinematic chains)의 대칭 배열 쌍으로 이루어진다. 상기 개방 운동 연쇄는 각각 하나의 평면형 구동 조인트(2P), 및 테이블(T)과 같은 4변형의 플랫폼을 동일한 형상의 베이스(B)에 연결하는, 두 개의 각기둥형(P) 및 구면(S) 비-구동 조인트를 각각 포함한다. (2P) 조인트는 실질적으로 평면형 베이스 표면(Σ_B) 상에 위치되는 평면에서 2자유도를 제공하고 있다. 대칭적으로 배열된 대향하는 구동 조인트( 2P ₁, 2P ₃/ 2P ₂, 2P ₄)의 각각은, 모두 서로 직교하고(예, P ₁₁ ┴ P ₁₂ , 등), 그 결과 다른 조인트 축( P ₁₁ ┴ P ₂₂ ┴ P ₃₃ ┴ P ₄₄ )과 직교하는 선형 운동 축을 가진다. 구동 축에 대한 상기 대칭적인 결합은, 테이블을 각각의 수평방향 데카르트 평면 축(horizontal Cartesian planar axes) - X ( X ₁ , X ₂, X ₃, X ₄) 및 Y( Y ₁ , Y ₂, Y ₃, Y ₄) - 각각을 따라 이동시키기 위한 단순하고 직접적인 방법을 제공하면서, 일반적인 4x2P 평면형 구동 모듈( A _m )을 형성하고 있다. 비-구동의 대향하는 각기둥형 조인트 쌍(P₁₃P₃₃/P₂₃P₄₃)은 모두, 구동 축 중 하나에 대해 동일한 경사 각(α_i, i=1,..,4)을 가진다. 동시 및 동시에 발생하는 변위를 통한 두 세트의 쌍으로 된 액츄에이터 운동에 의해, V형 운동 구조(V type kinematics principle)에 기반하여, 플랫폼은 이전의 것(X 및 Y)에 대해 직교방향(Z)으로 이동하고 있다. 상기 경사 각은 0 내지 π까지의 범위(π /2 제외)에서 가질 수 있다; 도면에서 α<π/2. 동시적이고, 회전 축과 관련되지 않은 방향으로, 또는 다른 말로 회전 축 위치에 대해 직각으로의, 구동 조인트 쌍의 운동에 의해, 그 결과는 평면 직교 축(planar orthogonal axis)(예- X ₁, X ₃/Ry) 중 하나를 중심으로 한 회전이다; 동일한 절차가 Rx(- Y ₂, Y ₄)에 대해 적용된다. 동일한 회전 방향으로 (및, 동일한 시간에) 네 개 (2 P ) 조인트 모두의 동작에 의해, 제3의 회전 운동(Rz)이 얻어진다.-예, Rz/(- X ₁ , Y ₁/- X ₂, Y ₂/ X ₃,- Y ₃/( X ₄,- Y ₄). 상기 특정한 배열 6-4-(2 Pl )PS (또는, 6-4-( PP )PS)을 통해, 장치는 삼-직교(tri-orthogonal) 방향 주위로 또는 그 방향을 따라서 몇몇 단순한 병진 또는 회전 운동을 분리된 모터 운동을 통해서 매우 용이하고 직각적(intuitively)으로 수행할 수 있고, 이는 그 제어를 매우 단순화시킨다. 어디에나 기본적으로 설명되어 있는 바와 같이, 물체를 공간에 배치하기 위한 최소 포인트의 수는 3개면 충분하다. 그렇지만, 상기 완전히 구속되고(over constrained), 그러나 완전히 구동되는(over-actuated) 병렬 메커니즘에서는, 명백한 기초적인 정적 안정성 외에, 제4 액츄에이터(4)가 운동학(속도/가속도) 및/또는 동적(관성) 능력을 향상시키기 위한 수단으로 작용하고 있다. 더욱이, 운동 축에 어떤 손상이 발생하면, 적어도 하나 (또는 둘)의 전동(motorized) 축(또는, 하나의 다리)이 수리될 때까지, 나머지 축들이 작업을 뒷받침할 수 있을 것이다. 참고: 메커니즘의 전체 운동학은 선형 및 구면 조인트의 두 타입을 사용하여 구축된다. 이와 같이 적은 수의 다양성은 총 제조비용을 감소시킬 수 있다.

운동학적 구조를 구현하는 양호한 방법은 요구되는 정적, 운동학적 및/또는 동적 성능을 충족하기 위한 핵심 요소이다. 도 4에, 6-4-(2 P )PS 메커니즘 운동학적 모델에 기반한 일반적인 설계 개념이 제안되어 있다. 리던던트 병렬 위치결정 테이블(Redundant Parallel Positioning Table: Rd-PPT) 설계는 실질적으로 평면형 베이스 표면(Σ_B)에 배치되고 다각형(사각형) 모양의 플랫폼 같은 테이블(T)을 지지하는, 네 개의 능동 위치결정 모듈(Pm_i _,i=1,..,4) 한 세트로 이루어진다. 각각의 (Pm)은 일반적인 운동에서 그들의 관여와 관련하여 두 타입의 위치결정 유닛(Pu_i, i=1,2)을 포함하고, 그 첫 번째 것은 구동(actuated)으로 지칭되고, 두 번째 것은 비-구동(non-actuated(수동))이라고 지칭된다. 구동( Ac _i, i=1,..,4) Pu는, 실제의 또는 더 진보된 선형 양방향 전동 드라이버(linear bidirectional motorized drivers)에 의해 활성화된 2자유도 평면 운동을 제공하는 구동 수단이다. 이는, 직접 구동되는(direct driven) (DD) 것으로, 예를 들면 스테핑(stepping), 서보(servo), 자기적(magnetically) 또는 피에조(piezo) 효과의 각각 또는 이들의 조합에서 나오거나, 또는 병렬 또는 직렬 또는 하이브리드(병렬-직렬/직렬-병렬) 전기기계의 구동 원리, 또는 표준(모터-기어헤드-운동 스크류-가이드) 솔루션을 포함하는, 평면 모터(planar motors) 등이다. 마지막 것은, XY 스테이지의 경우에서 작동 시간에 걸쳐 높은 운동 안정성을 제공한다. 그러나 케이블 관리의 어려움 및 초래되는 상호 오류(reciprocal errors)(예, 직각(perpendicularity) 등)가 정확도에 직접 영향을 미침으로 인하여 그다지 바람직하지는 않다. (참고: DD 는 하중(load)을 풀리, 타이밍 벨트, 볼 스크류 및 기어와 같은, 어떤 전달 메커니즘없이 직접 구동하는 것을 의미하고, 고정밀도 및 고속 위치결정을 가능하게 한다. 긴 스트로크(strokes)에 대해, 높은 안정성을 보장하기 위해 그것은 고급 서보(servo) 기술에 의존해야 한다.)

Pu의 두 번째 타입은 승강(EI) 및 가이드(Gu) 수단을 각각 포함한다.

상기 (El_i) 유닛은 두 개의 부분, (Ac_i) 상에 고정된 하부와 (Gu_i)를 지지하는 상부로 이루어지고, 운동을 위한 상호 경사진 평면형 표면과 보조 가이드 수단(g_i)을 가지는, 평면형 웨지 운동 구조(wedge motion principle)에 기반하고 있다. 그들의 상대적인 운동에 의해, 그리고 결합된 구동(actuated) 유닛 운동의 결과에 따라, 상기 상부는 두 개의 마주보는 (Pm_i)의 거리에 의해 제한되면서 상하로 이동할 것이다. 무거운 하중과 정밀 운동을 위해, 그들을 실현할 수 있는 간단한 방법은 편평한 슬라이딩 표면을 갖는 것이다. 그러나, 최종 요구되는 성능에 적합하다면, 롤링(rolling)/롤드(rolled) (레일) 또는 유체(공기, 액체) 기반 구조와 같은 다른 접촉 표면도 고려될 수 있다.

가이드(Gui) Pu는 구면 운동 구조에 기반하고 있고, (El_i)의 상부에 고정된 하부와 테이블(T)을 지지하고 테이블이 3D에서 방향이 맞춰지도록 하는 상부의, 적어도 두 개의 부분으로 구성된다. 상기 부분들의 상대적인 운동은 테이블(T)이 요구되는 회전 운동을 수행할 수 있도록 구면 가이드 표면(spherical guiding surface)을 포함한다. 그 타입은 소형의-롤링, 슬라이딩 구면 조인트(S) 구조 또는 분리된-단순 회전 조인트(RRR) 및 그들의 조합 (UR/RU) 설계 중 임의의 것일 수 있다. 공기 또는 어떤 유체와 같은, 다른 기능적 구조도 그 응용에 따라 고려될 수 있다.

구성요소의 사이즈와 타입을 포함하는 최적 설계는 최종 성능뿐 아니라 장치의 전체적인 특성 및 수명에도 영향을 미친다. 도 5에서, 위치결정 모듈(Pm) 실시형태 및 전체 장치에 대한 두 개의 구체적인 배열이 도시되어 있다. 상기 (Pm)은 세 개의 기본적인 위치결정 유닛(Pu_i, i=1,2,3)의 적층 조합에 기반한다: a) 첫 번째 것(Pu₁) - 능동/구동 (A), b) 두 번째(Pu₂) 및 세 번째(Pu₃) 비능동(수동) 각각 웨지(W) 및 구면 조인트(S) 타입.

상기 ( A ) Pu는 병렬 동작 구조(in-parallel actuation principle)에 기반하고, 스퀘어형 베이스(b) 구조를 포함한다. 상기 베이스 위에는 서로 직교하는 운동 축( t ₁, t ₂)을 가지는 두 개의 유사한 선형 구동 유닛( A ₁₁, A ₁₂) 한 쌍이, (b)와 이론상 동일한 형상이고 몇 개의(적어도 4개의) 고정 (f₁) 및 심원이 있는(centered) (예, 핀, 적어도 하나) 수단을 통해 고정된 테이블(t)과 연대하고 있는 직사각형 무버(M) 구조로, 움직이고 있다. 또한, 상기 (t)는 구조상 다음의 Pu(W)를 지지하는 편평한 표면을 가진다. 하나의 구동 유닛 ( A ₁₁ )과 ( A ₁₂) 각각은, 바람직하게는 상기 베이스에 일부가 고정되고, 다른 부분(푸셔)은 자유롭게 움직이는, 선형 구동 모터 (m₁₁)와 (m₁₂)를 포함하고, (M)에 고정된 일 부분(바람직하게는, 레일)과 수직한 그리고 동일 평면상(coplanar)의 가이드 어셈블리(g₁,g₂)를 일 단에서 가진다. ( A ₁₁ ) 또는 ( A ₁₂)를 밀거나 (또는 당기거나) 함으로써, (M)은 각각의 직교하는 방향( t ₁₁ 또는 t ₁₂)에서 및 방향을 따라 이동하도록 되지만, 보다 구체적으로는 그들의 결합된 동작을 통해 (일반적인) 평면형 모션 ( t ₁)으로 움직이도록 된다. 상기 직교 구동 유닛(A)은, 바람직하게는 또 다른 직교 구동 유닛( A '( A '₁₁, A '₁₂))을 추가하여 그 동력을 보강함으로써, 더 발전될 수 있을 것이다. 이렇게 함으로써, 각각의 단순한 메인 구동 유닛은 추가된 것들( A _11, A ' ₁₁ / A _12, A ' ₁₂)과 협력하여, 4개 액츄에이터의 완전한 작동에 의해, 또는 예를 들어 3 개만 작동하는 경우에는 부분적으로 작업을 도모함으로써, 무거운 듀티 모션 사이클(heavy duty motions cycles)을 수행할 수 있다. 상기 완전한 새로운 구동 유닛(A,A')은 스퀘어형 베이스(b) 및 테이블(t) 형상과 더욱 잘 맞으며, 강하고 컴팩트한 균형이 잘 맞는 전동 유닛(powered unit)을 형성한다. 예를 들어 세 개, 다섯 개 등, 사용되는 여러 다른 병렬 선형 액츄에이터의 수 및 그에 따라 대응하는 베이스/테이블의 다각형 모양에 대한 특별한 제한은 없다. 그러나 두 개가 최소이다. 원칙상, 가이드 수단(g₁₁,g₁₂)은 바람직하게는 슬라이딩 구조이지만, 롤링(rolling), 마그네틱(magnetic) 등과 같이 다른 형태도 가능하다. 이와 같이 베이스에서 병렬 구동 솔루션(in-parallel actuation solution)은, 증가된 정밀도에 직접적인 영향을 가지는, 움직이는 케이블이 없는 해결책을 제공할 수 있는 이점 외에, 예를 들면 2자유도 평면 베어링(Σ₁)과 같이 무버(M)에 대해 특정한 무거운 로드 가이드 수단을 사용할 수 있다. 그리고, 두 개보다 많은 액츄에이터의 경우에, 두 개 유닛과 동일한 동력 파라미터 내에 더욱 컴팩트한 낮은 프로파일의 구동 모듈을 위해, 더 작은 사이즈의 모터와 구성요소를 선택해야 하는 길이 열린다. 모든 경우에 있어서, 센서는 더 나은 정확한 모션을 위해 적용될 수 있다.

Pu₂ 유닛은 웨지(W) 어셈블리로 구성되고, 이는 고정된 하부(W₂₁) 및 구조상 A 유닛의 테이블(t)의 것과 유사하게 동일한 지지 형상 표면을 가지고 있는 이동 가능한 상부(W₂₂)로 이루어진다.

상기 쌍의 상대적인 운동에 의해, 구체적인 V 홈 프로파일 표면(Σ₂₁, Σ₂₂)을 가진 가이드 수단(g₂₁,g₂₂)을 통해, 상기 상부는, 슬라이딩 가이드(g₂₁,g₂₂) 중 하나를 따라 슬라이스된(sliced) 플렉시블 너뷰어(nervure)(n)을 통해 하부에 대하여, 매끄럽고 정확한 운동을 위해 정확하게 조절될 수 있고, 이후 여러 개(적어도 두 개)의 예컨대, 스크류 등 고정 수단(f’₂)으로 고정된다. (g₂₁,g₂₂) 가이드는, 볼, 크로스-롤러 레일(cross-roller rails) 및 캐리지(carriage) 등 롤링 구조에 기반하여, 예를 들면, 결과적으로 병진 운동( t ₂)을 수행하기 위한 각이 진(angular) 또는 다른 수단과 같이, 기기(Scope)를 장착하는 다른 임의의 형태를 가질 수 있고, 또는 더욱 정확한 운동 조건을 위해서는, 에어(air) 가이드 형태일 수 있다.

Pu3는 바람직하게는 구체(s)를 포함하는 구면 조인트(S) 위치결정 유닛이고, 상기 구체(s)는, 예를 들면 상호 오목한 표면(Σ₃₁, Σ₃₂)을 가진 두 개의 하우징(H₁, H₂)에 캡슐화된(그러나, 움직이는) 작은 둥글기(roundness) 오차를 가진 도량형(metrological) 목적에서 제조되고, 원뿔대 기둥(p)에 의해 지지되는, 칼리브레이션 볼(calibration ball)이다. (H₁)은 (H₂)를 유지하고 있고, 여러 개 (적어도 네 개) 스크류 고정 수단(f₃)을 사용하여 테이블(T)과의 정확하고 매끄러운 어셈블리를 위한 외부 가이드 표면(g)을 가진다. (H₁)과 (H₂)는 중심이 실질적으로 동축인 볼록-오목형 구(spheres)의 매끄러운 회전을 허용하기 위해 조절가능하다. 상기 원뿔형 기둥 지지 축은 상부 웨지(W₂₂)의 평면형 지지 표면 상에 구조상 수직하게 장착된다. 상기 세 개 표면의 상대적인 운동 간에, 슬라이딩 접촉 구조가 존재하는 것이 바람직하다.

도 5b에 전체의 병렬 테이블 위치결정 장치 어셈블리의 부분으로서 상기 (Pm_i)를 사용하는 두 개의 바람직한 실시형태가 구현되어 있다. 상기 실시형태들은 바람직하게는, 상기 모듈(Pm)로부터 동일한 네 개를 사용하여 구성되고, 이들은 쌍으로 결합되어(Pm₁,Pm₃/Pm₂,Pm₄) 동일한 스퀘어형 크기(a=b)를 가진 베이스 및 테이블 모두에 대한, 공통의 수직한 대칭 축 주위에 원주 및 등거리 방식으로 배치된다. 대칭의 구동/지지 다리 축은 구동(b)/지지(a) 스퀘어의, a) 중간 지점 (도 5b1), 및 b) 코너 (도 5b2), 각각을 교차하고 있다: 두 경우에서 강체(rigid) 베이스(B)는, 장치 기본 구조(회절계)의 더욱 일반적으로 편평한 표면에 직접 부착된, 또는 추가 장치(예, 고니오 스테이지(gonio stages))를 통해 부착된, 편평한 표면(플레이트)일 것이 요구된다. 베이스와 편평한 테이블은 스퀘어형 외에도, 예를 들면 팔각형과 같은, 다양한 평면 다각형 형상일 수도 있을 것이다. 상기 실시형태 모두에 있어서, 바람직하게는 상기 구면 조인트는 부분적으로 하부 테이블 표면에 가공된 관통 홀(h_i)을 통해서 테이블에 고정되고, 정밀 제조 가이드 표면(precision manufactured guiding surfaces)(g₃)은 스크류를 통해 고정된다. X 및 Y 병진과 같은, 단순한 운동을 얻는 동작 다이어그램은 양 형태에 있어서 동일하다. 그러나 나머지에 대해서는, 다음과 같다: 1) Z 모션은 a) 4개 및 b) 8개 축이 함께 동작, 2) Rx 및 Ry는 a) 2개 및 b) 8개 축이 함께 동작(도 5b1)함으로써 나온다. 이는 위치결정 파라미터에 직접적인 영향을 미치고, 곧 성능에 영향을 주게 된다. 또한, 모듈 간의 거리(d)는, 각각, a) d_a 및 b) d_b (d_a<d_b)로, 서로 다르다. 이는 b) 경우에 장치가 더 작은 풋프린트(컴팩트한)로, 또는 회절계 환경에서 매우 자주 필요한 바와 같이, 보다 용이한 케이블 관리를 위하여 동일한 풋프린트에 대해 더 큰 중심 개구(D)로 설계될 수 있다는 것을 의미한다. (Pm) 구성요소 및 전체 어셈블리 모두를 상기 설계에 의함으로써, 병렬 위치결정 테이블은 고도의 모듈화 및 재구성 가능성을 나타낼 수 있고, 상대적으로 적은 수의 단순한 부품이 관여되기 때문에 수용 가능한 비용 효율적인 제품을 제공할 수 있다.

구심성의 입력 운동(afferent input motions)(또는 변위)에 기초한 출력 운동을 생성하는 방식은 새로운 장치의 동작 거동을 이해하고 능력을 평가하기 위해 필요한 단계이다. 기본적인 동작 원리의 방법이 도 6에 설명된다. Rd-PPT 장치는 공칭 위치(nominal position)(Pn)에서 다이렉트 드라이브(direct drive)(평면 모터)가 구비된다. 이는 구동 유닛 Ac _i (B_i; X ₁ = Y ₁ =0; X ₂ = Y ₂ =0; X ₃ = Y ₃ =0, X ₄ = Y ₄ =0)에서 널(null) 변위에 해당하는 테이블 센터(A; X=Y=0, Z=h)에 대한 변위 및 널(null) 방향(Rx=Ry=Rz=0)을 의미한다. 테이블에 부가된 기본적인 운동 시퀀스: a) X, Y, 또는 Rz, 및 b) Rx, Ry 및 Z, 가 구동 모듈( Ac _i) 변화와 관련하여 보여진다. 최종 위치(Pf)는 대시-도트(dash-dot) 선으로 표시된다.

X축을 따른 전후 병진 운동(Tx)은, 특정 축을 따라 동일한 방향( t _i1 _,i=1,..,4)으로, 모든 액츄에이터의 동기화된 운동에 의해 실현된다; Y축을 따르는( t _i2 _,i=1,..,4), 나머지 운동은 비활성화 (또는 자유로움(free)). 도 6의a1. 포인트(A)의 초기 위치에서 최종 위치(A')까지 양의 변위를 가정하면, 동일한 축과 관련된 모든 모터들은, 활성화되고 동일한 방향으로 동일한 값(X= X ₁ = X ₂ = X ₃ = X ₄ )으로 이동하여야 한다; 또는 적어도 그들 중 세 개(네 번째 것은 이 방향에 대해 비활성화 될 수 있다)는 그래야 한다. 예를 들면, Ac ₁( X ₁), Ac₂( X ₂) 및 Ac₃( X ₃)가 이동하면, Ac₄ (X₄)는 완전히 자유로울(free) 수 있다. X= X ₁ = X ₂ = X ₃ (= X ₄); Y ₁= Y ₂= Y ₃= Y ₄=0의 관계가 존재한다.

동일한 과정이 두 번째 직교 및 동일 평면 축(coplanar axis)(Y)에 적용된다. 도 6의 a2. Y축을 따른 전후 병진 운동(Ty)은 특정한 축( t _i2 _,i= 1,..,4)을 따라 동일 방향으로, 모든 액츄에이터들의 동기화된 병진 운동에 의해 실현된다. 포인트 A(Y)의 Y 축을 따른 선형 변위를 가정하면, Y축과 관련된 모든 구동 유닛(Ac_i _,i=1,..,4)의 동기화된 운동은 활성화되고 동일한 방향(Y= Y ₁ = Y ₂ = Y ₃ = Y ₄)으로 이동하여야 한다; 또는 적어도 그들 중 세 개는 그러해야 한다. 이는, 예를 들면, Ac₁ (Y₁), Ac₂(Y₂) 및 Ac₃(Y₃)가 활성화되어 움직이면, Ac₄(Y₄)는 비활성화될 수 있다는 것을 의미한다.

테이블의 수직한 전후 병진 운동(Tz)은 모든 구동 유닛(Ac_i,i=1,..,4)의 일제히 동시에 발생하는 운동에 의해 수행될 수 있다. 도 6의 b3. Z축(Z)을 따른 A 포인트 변위를 가정하면, 모든 구동 유닛(Ac)은 활성화되고 쌍들이 함께 동시 발생적으로 대향 방향으로 Z축 Z=tgα X ₁=tgα Y ₂=tgα X ₃ (=tgα Y ₄) 또는 베이스 센터인 포인트 (B)를 향해 이동한다; 또는 그들 중 적어도 세 개는 그러하다(네 번째에 해당하는 것은 비활성화). 이는, 예를 들면, Ac₁(- X ₁), Ac₂(- Y ₂) 및 Ac₃( X ₃)는 활성화되어 이동하고, A₄( Y ₄)는 그러하지 않은 것을 의미한다.

X 또는 Y축(Rx 또는 Ry) 주위로 대칭적인 회전은 한 쌍의 두 개 액츄에이터 Ac_i (i=1,2)의 결합된 전후 선형 운동( t _i1 ₍₂₎, i=1,2)에 의해 달성된다. 또는 그 회전축과 적어도 하나의 동일 선상이 아닌(non-collinear) 운동으로 이루어진다. 도 6의b1 및 b2. 양의 각 변위 α(β)를 동시에 얻기 위해서는, 대응하는 직교 축을 따른 대향하는 방향으로의 선형 변위 동작이 수행되어야 한다. 예를 들면, Rx(α)로는 A₂(- Y ₂) 및/또는 A₄(- Y ₄)를, Ry(β)로는 A₁( X ₁) 및 A₃( X ₃)를, α(β)=arctg(Z _i/a_i)로 작동시키고, 여기서 Z_i= X _i( Y _i)arctg(α_i) 이다.

Z축(Rz) 주위로 대칭적인 회전은 네 개 액츄에이터 Ac _i (i=1,..,4) 전체 세트 또는 그들 중 적어도 세 개의 결합된 전후 선형 운동( t _i12, i=1,..,4)으로 달성된다. 도 6의 b3. 양의 각 변위 γ를 얻기 위해서는, Z 축 중심으로 동일한 방향으로 동시에 선형의 변위 동작이 수행되어야 한다. 예를 들면, Rz(γ)로는 A ₁(- X ₁ , Y ₂ ), A ₂(- X ₂ ,- Y ₂ ) 및 A ₃( X ₃,- Y ₃)를 γ = arctg ( Y _i/ X _i)로 작동시킨다.

위의 결과로, 최소 안정성을 위해 필요한 3 포인트와 완전한 운동 능력을 위해 부과된 최대 6의 중간 수인, 4개 다리의 동작 및 지지 포인트의 수를 선택함으로써, 그리고 컴팩트한 양방향 선형 액츄에이터를 사용함으로써, 상기 병렬 위치결정 테이블은 고출력, 고 에너지 효율적인 3D 위치결정 궤적을 제공할 수 있게 되면서, 증가된 정확도, 속도 및 안정성 및 숙련도 사이에 균형점을 제공하고 있다.

상기 리던던트 병렬 위치결정 테이블(Rd-PPT) 개념은 정확한, 고속의, 테이블 형 자동 또는 수동 구동 응용장치에 적용될 수 있다. 예를 들면, 정렬, 시뮬레이션, 가공, 조립, 측정, 제어 또는 테스트, 또는 기계, 광학, 반도체(리소그라피, LCD, 웨이퍼, 인쇄, 등) 제조 프로세스, 항공, 의료 또는 바이오 기술 분야의 기타 작업에 적용될 수 있다. 또한, 극한 환경(진공, 극저온, 자기(magnetic), 등)에서의 사용도 포함된다.

위에 설명된 실시예들은 자동으로 (또는 수동으로) 하나의 몸체 또는 여러 개의 무거운 몸체들을 요구되는 정밀도, 속도 및 안정성을 가지고 공간에 위치시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공한다. 상기 위치결정 테이블 장치는 대칭적인 리던던트 6자유도 공간 병렬 운동 메커니즘, 쿼드로포드(Quadropods) 패밀리의 멤버,에 기초한다. 각각의 포드(다리)는, 베이스에 모터가 위치된 병렬 2자유도 전동 유닛에 의해 구동되는 수직한 지지 위치결정 모듈로서 구축되고, 두 개의 무동력 승강 유닛 및 가이드 위치결정 유닛을 각각 지지하고 있다. 상기 승강 유닛은 구면 베어링 타입으로부터 가이드 위치결정 유닛을 따라 쌍으로 배열된 두 개의 대향하는 웨지(wedge) 시스템으로 구성된다. 그들의 결합된 동작을 통해, 플랫폼 같은 테이블은 용이하게 그리고 직각적으로 선형 및 회전 데카르트 방향(in linear and rotational Cartesian directions)으로 움직여질 수 있다. 싱크로트론 응용에서 흔히 그러하듯이 무거운 하중을 조작하기 위해서, 본원 장치는 종래 기술에 비해 증가된 강성, 정밀도 및 속도의 위치결정 능력을 제공하면서, 컴팩트한 크기, 낮은 프로파일 및 단순한 구조의 특성을 가진다.

Claims

리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치(Redundant Parallel Positioning Table device)(Rd-PPT)로서,
고정형 베이스(B);
상기 고정형 베이스에 대해 6자유도 전체로 이동할 수 있는 이동형 테이블(T)로서, 조사하기 위한 샘플(Sp) 또는 관련 몸체(Bo)가 그 위에 장착될 수 있는 고정 표면(Σ_T)을 가지는 이동형 테이블(T);
적어도 한 세트의 네 개의 지지 다리로서, 하나는 2 13 운동 연쇄(kinematics chains)(K)로서 여분(redundant)이고, 상기 베이스의 중심 주위로 대칭적으로 및 쌍으로 배열되고, 일단은 상기 고정형 베이스에 연결되고 타단은 상기 이동형 테이블에 연결된 다리,
를 포함하는 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치는 모듈식이고,
능동 2자유도 기둥(active 2dof pillars)으로서, 하나의 대칭 축(Z)에 대해 병렬로 수직하게 배치되고, 제2의 대칭 축 (X/Y)에 대해 직교하도록 배치된, 위치결정 모듈(Pm)로서 상기 지지 다리를 구비하는 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 각각의 위치결정 모듈은,
하나의 평면 구동형 능동(active) 액츄에이터(Ac)와, 두 개의 경사 승강형(inclined elevation) 비능동(non-active) 승강 유닛(EI), 및 구면 가이드 위치결정 유닛(Pu)인 가이드 유닛(Gu), 의 적층된 조합이고,
상기 액츄에이터(Ac)와, 승강 유닛(EI)은 동일한 베이스 형상 및 크기를 가진 컴팩트한 평행육면체 블록인 것을 특징으로 하는 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치.
청구항 1 내지 3 중 어느 하나에 있어서,
능동 위치결정 유닛(Ac)은 부가적으로 2자유도 병렬 구동( A ) 유닛일 수 있고,
평면 가이드 표면(Σ₁)을 가진 공통 무버(M)의 측부 상에 수직한, 네 개의 직교 운동 축을 포함하되, 그들 중 인접한 두 개는 한 세트의 두 개의 선형 구동 메인 부( A 11, A 12)로 동작하고, 다른 부분( A' 11, A' 12)은 여분(redundant)인 것을 특징으로 하는 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치.
청구항 1 내지 4 중 어느 하나에 있어서,
상기 병렬 위치결정 테이블 장치의 승강 위치결정 유닛(EI)은,
V형 조절가능한 경사 가이드 표면(Σ₂₁ _,Σ₂₂)을 구비하고, 하부(W1)는 구동 유닛(A)에 고정되고 상부(W2)는 구면 위치결정 유닛(S)을 지지하여, EI 위치결정 유닛의 대향하는 다리로 V 형 형상을 형성하는, 한 쌍의 병렬 웨지(W)를 포함하는 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치.
청구항 1 내지 5 중 어느 하나에 있어서,
가이드 위치결정 유닛(Gu)은 조절가능한 표면(Σ₃₁ _,Σ₃₂)과 접촉하는 볼록-오목 구면 형상을 가지는 컴팩트한 구면 조인트(S)이고, 여기서 제1 부분은 일단에 정밀 칼리브레이션 구(S)를 가지는 원뿔대형 기둥(p)이고, 승강 유닛의 상부 측에 수직하게 장착된 다른 부분은 테이블의 바닥면에 내장되는(integrated) 서로 연결된 하우징 부분(H1, H2)인 것을 특징으로 하는 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치.
청구항 1 내지 6 중 어느 하나에 있어서,
네 개의 평면 조인트(2 P ) 모두는, 서로 직교 축을 가지는 (P1P3/ P2P4 ) 고정형 베이스 상에 쌍으로(2x2 P ) 장착될 수 있고, 6-4-(2 P )PS 병렬 운동 메커니즘의 일부로서, 공면 구동 모듈(coplanar actuation module)( A m)을 형성하면서 상기 고정형 베이스 표면(Σ_B)에 실질적으로 평행하게 장착되고, 각각 선형 및 구면 조인트만을 가지고, 수동 조인트(P)는 모두 동일한 각(α)으로 경사진 것을 특징으로 하는 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치.
청구항 1 내지 7 중 어느 하나에 있어서,
상기 위치결정 모듈(Pm)은 중심 개구(D) 측면에서 고정형 베이스 스퀘어 및/또는 이동형 테이블의 코너에 배치되거나 중간 측에 배치되는 것을 특징으로 하는 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치.
청구항 1 내지 8 중 어느 하나에 따른 리던던트 병렬 위치결정 테이블의 용도로서, 단순한 데카르트 공간의(Cartesian spatial) 병진 운동 TX 또는 TY 또는 TZ, 및 회전 운동 RX 또는 RY 또는 RZ, 및 직선 변위 X 또는 Y 또는 Z, 각 변위 αX 또는 αY 또는 αZ를, 생성하기 위한 용도이고, 동일 또는 등가의 변위를 갖는 운동에 대한 직접적인 관련(direct involvement)으로서, 대응하는 능동 축(active axes) 직선 운동 (t11,t12,.., t41,t42) 및 변위 (X1,Y1,..,X4,Y4)의 모두 또는 일부만을 사용함으로써 생성하는 것을 특징으로 하는 용도.
청구항 1에 있어서,
상기 각각의 ( 2 )13 다리는, 무버(m)와, 하나의 구형(Σ_S) 또는 환상면체(Σ_T) 또는 원통형(Σ_C)의 곡선 고정 표면부 쌍으로, 일반화된 2자유도 평면 구동 조인트 ( Pl )₂를 포함하고, 상기 무버(m)는 두 직교 방향(q1,q2)으로 슬라이드할 수 있고, 일반적인 6-4-( Pl )₂XS 병렬 메커니즘의 부분으로서, 항상 마지막 레벨 상에 구면 조인트(S)를 가지고, X는 특정되지 않은 1자유도 조인트(P, R, H)인 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치.
리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치로서,
고정형 베이스;
상기 고정형 베이스에 대해 6자유도 전체로 움직일 수 있는 이동형 테이블로서, 조사하기 위한 샘플 또는 관련 기기가 그 위에 장착될 수 있는 고정 표면을 가지는 이동형 테이블;
적어도 한 세트의 네 개의 지지 다리로서, 상기 베이스의 중심 주위로 대칭적으로 배열되고, 일단은 상기 베이스에 연결되고 타단은 상기 이동형 테이블에 연결된 다리,
를 포함하는 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치.
청구항 11에 있어서,
상기 테이블 위치결정 장치는 모듈식이고, 하나의 대칭 축에 대해 병렬로 수직하게 배치되고, 다른 대칭 축들에 대해 직교하도록 쌍으로 배치된 위치결정 모듈로서 지지 다리를 구비하는 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치.
청구항 11 또는 12에 있어서,
각각의 위치결정 모듈은 하나의 능동(active) 및 두 개의 비능동(non-active) 위치결정 유닛의 미리 결정된 조합인 것을 특징으로 하는 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치.
청구항 11 내지 13 중 어느 하나에 있어서,
적어도 두 개의 직교 운동 축과 평면 가이드 표면을 가진, 2자유도 병렬 구동 구성요소를 추가로 포함하는 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치.
청구항 11 내지 14 중 어느 하나에 있어서,
경사 가이드 표면에 기반한 승강 구성요소로서, 하부의 제1 부분은 구동 유닛에 고정되고, 상부의 제2 부분은 가이드 유닛을 지지하여, 한 쌍의 대향 구성요소로 V형 형상을 형성하는, 승강 구성요소를 추가로 포함하는 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치.
청구항 11 내지 15 중 어느 하나에 있어서,
상기 승강 구성요소의 상부 측을 테이블의 하부 측과 연결하는 볼록-오목 표면을 가지는 가이드 구성요소를 더 포함하는 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치.
청구항 11 내지 16 중 어느 하나에 있어서,
모든 능동 위치결정 유닛은 평면 베이스 상에 쌍으로, 서로에 대해 직교하고 상기 베이스 표면에 실질적으로 평행하게, 장착되는 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치.
청구항 11 내지 17 중 어느 하나에 있어서,
각각의 승강 유닛 상에는, 위치결정 모듈에 대해 방향 운동(orientation motions) 및 변위를 허용할 수 있고, 그들의 결합된 작동에 의해 테이블 장치 전체가 병진운동 및/또는 방향 운동되도록 하는, 가이드 위치결정 유닛이 수직하게 장착되는 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치.
청구항 11 내지 18 중 어느 하나에 있어서,
구동 축의 일부만을 선택함으로써, 6보다 작은 자유도를 가지는 위치결정 장치를 만들 수 있는 리던던트 병렬 위치결정 테이블 장치.
청구항 11 내지 19 중 어느 하나에 따른 테이블 위치결정 장치에 의해 생성된 능동(active) 병진 운동 및/또는 변위의 전부 또는 일부의 시퀀스를 조합하여, 공간 운동 및 변위를 생성하는 기본 방법론.