In many cases, the quality in areas such as semiconductor manufacture, precision optics alignment, and microbiological cell manipulation depends on the positioning capability of ultraprecision positioning systems. These applications frequently require a positioning system that can deliver nanometer level resolution while maintaining other positioning characteristics such as large motion range, high force capacity, high speed, quick response, high stiffness, compactness, and wide dynamic range, as well as low power consumption. In this thesis, a novel flexure jointed precision parallel manipulator in combination with piezoelectric stepping motor was developed to apply a precision optics alignment. The important performance criteria of the positioning stage for the precision optics alignment are the position accuracy, the motion range of a few millimeters and a few degrees, the stability for measurements and processing, and the compactness. The position stability could be improved by designing the system to have high stiffness, power-off hold, and high thermal noise susceptibility and the position accuracy could be improved by removing friction during motion. According to above requirements, a parallel configuration which guarantees a higher structural stiffness was chosen. Because a fully-parallel hexapod is most preferable to obtain higher stiffness, however, its structure and kinematics are so complex, the hybrid parallel configuration was selected. Considering the stiffness, 3-PPSR parallel configuration was used. Basic analyses of 3-PPSR manipulator such as inverse kinematics, forward kinematics, and workspace were performed. There exist at most the sixteen forward kinematics solutions and eight inverse kinematics solutions. The effect of active joint stroke limitation and passive joint angle limitation on the workspace is simulated. Actuators are important parts of the system because the motion characteristics of system are determined depending on them. They must be designed to have the characteristics of nanometer level resolution, large motion range, high force capacity, high speed, quick response, high stiffness, compactness, and wide dynamic range, as well as low power consumption. A novel piezoelectric stepping positioner was developed to be used as the actuator of six-DOF nano-positioning system. It has a simple operation principle taking the concept of clamping from the Inchworm and the concept of using shear piezo stack from the walker. Two positioners of 1-DOF and 2-DOF were developed, fabricated and evaluated. The high resolution less than 10 nm and large travel range over than tens of millimeters were satisfied while maintaining the adequate stiffness and output force. The parallel manipulator has so many passive joints and they are the main factors causing an imprecise motion because their friction and clearance are not controllable. To avoid this problem, all passive joints are composed of flexures based on elastic deformation at the connection between two rigid bodies. However, flexure joints have a small motion range due to elastic limit and relatively low off-axis stiffness, their geometry and parameters should be determined carefully. Several flexure joints were surveyed, modeled, and compared quantitatively at the following five points of view: 1) large motion range 2) pivot axis shift 3) high ratio of off-axis stiffness to motion-axis stiffness 4) compactness 5) manufacturability. Through the comparison results, a novel multi-DOF flexure joint structure was proposed. For the following optimal design procedure, the six-axis spring rates of these flexures were modeled and verified via FEM. Total system was designed via optimization process because there are so many design variables related to manipulator configuration and flexure joints and it is a difficult work to determine design variables properly while satisfying requirements of high resolution, large work volume, high bandwidth, high stiffness, and compact size simultaneously. The objective of this optimal design is to maximize the six lower modes resonant frequencies of the nano-positioning system to increase the position stability while achieving the desired workspace and limiting the system size and the actuator force. For this work, the dynamic model of system was presented. The first resonant frequency is designed to be 439.5 Hz. The designed system was fabricated and evaluated experimentally. It was controlled in open-loop via the inverse kinematics. Each positioner was controlled via the mode switch control and the tracking control result of 5mm and 0.3mm/s is presented. Position was measured by laser interferometer (10706B, Hp and RLD10, Renishaw) and the control algorithm is implemented via DSP controller (dSPACE, dSPACE Inc.). The measured resolution of total system 15 nm and 0.14 arcsec is verified. The maximum motion range of 5 mm and 5 degree and the coupled motion range of 2 mm and 2 degree were satisfied. The long-term position stability during 10 minutes of 100 nm was also measured. The results of above performance tests confirm that the developed nano-positioning system can be successfully applied to the precision alignment of optical elements.
최근 들어 반도체 가공 및 측정, 정밀 광학 장치 정렬, 바이오 셀의 미세 조작 등의 많은 분야들에서 초정밀 이송 장치들은 중요한 비중을 차지하고 있다. 그리고 이러한 장치들은 나노미터 단위의 고분해능, 수 밀리미터 이상의 큰 구동 영역, 높은 출력힘, 빠른 속력 및 응답 속도, 높은 강성, 넓은 대역폭, 작은 크기 및 낮은 입력 전력 등의 특성들을 가지고 있어야 한다. 본 논문에서는 위와 같은 특성을 만족할 수 있는 새로운 개념의 6자유도 초정밀 이송 장치를 개발하고자 한다. 본 논문의 장치 개발은 위의 영역들 중 정밀 광학 장치의 정렬에 초점을 맞추고 있으며, 이를 위해서 고정밀도나 큰 구동범위 외에 광학 장치의 정렬 이후 측정이나 여러 다른 작업이 수행되는 동안 정렬된 위치를 안정적으로 유지할 수 있는 위치 안정성이 매우 중요해진다. 위치 안정성을 높이기 위해서 이송 장치는 높은 강성, 입력 전원 차단 시 위치 유지(power-off hold), 온도 변화에 대한 위치 유지 등의 특성을 가지도록 설계되어야 한다. 전체 구조는 높은 강성을 얻을 수 있도록 병렬 구조(parallel configuration)를 택하되, 구조나 정기구학을 단순화하기 위해 완전 병렬 구조(fully parallel configuration) 대신 병렬 구조에 직렬 구조(serial configuration)를 혼합한 혼성 병렬 구조(hybrid parallel configuration)를 사용하고, 이 경우에 강성이 약해질 가능성이 높기 때문에 이를 고려해서 3-PPSR 병렬 구조가 채택된다. 3-PPSR 구조의 역기구학, 정기구학 및 작업 영역 해석이 수행된다. 최대 16개의 정기구학 해가 존재하며, 역기구학의 경우 8개의 해가 존재한다. 능동 조인트의 최대 변위와 수동 조인트의 최대 변위가 작업 영역에 미치는 영향을 모의 실험한다. 전체 시스템의 운동 특성은 능동 조인트인 구동기에 의해 크게 영향 받기 때문에 이들의 설계는 매우 중요한 부분이다. 나노미터 단위의 고분해능, 수 밀리미터 이상의 큰 구동 영역, 높은 출력힘, 빠른 속력 및 응답 속도, 높은 강성, 넓은 대역폭, 작은 크기 및 낮은 입력 전력 등의 특성을 갖는 구동기가 필요하고, 인치웜의 죔(clamping)과 워커(walker)의 전단(shear) 변형 개념을 이용해 단순한 구동원리를 갖는 피에조모터가 제안된다. 이에 따라 1-DOF와 2-DOF의 두 가지 구동기들이 개발된다. 모두 10 nm 이하의 분해능과 수 mm 이상의 구동영역을 가지며 강성과 출력힘 또한 원하는 사양을 만족시키는 것이 확인된다. 병렬 구조의 경우에 많은 수의 수동 조인트들이 존재하고 이들의 마찰과 유극은 제어가 불가능하기 때문에 정밀도를 낮추는 가장 큰 요인이 된다. 이를 해결하기 위해서 수동 조인트들은 탄성 변형을 이용하는 유연기구들로서 구성된다. 하지만, 유연기구들은 탄성 한계로 인한 작은 운동 영역, 상대적으로 작은 운동 외 축 강성을 갖기 때문에 주의 깊게 설계되어야 한다. 여러 유연기구 조인트들이 조사, 분석되고, 이들의 정량적인 비교가 수행된다. 비교 기준은 다음과 같다. 1) 큰 운동 영역 2) 회전축 이동 3) 큰 운동 외 축 강성 4) 간단한 구조 5) 가공성. 이와 같은 비교를 통해서 새로운 형태의 다자유도 유연기구 조인트 구조가 제안된다. 이후의 최적설계 과정을 위해서 이 유연기구 조이트들의 6축 강성 계수들이 모델링되고, 유한요소법(FEM, Finite element method)를 통해서 검증된다. 전체 시스템은 많은 수의 설계 변수들을 포함하고 있을 뿐 아니라 이들 사이의 관계가 복잡해서 앞서 설명한 여러 조건들을 동시에 만족시키는 일은 상당히 어려운 일이기 때문에, 최적 설계 방법을 이용해 설계된다. 최적 설계의 목적은 위치 안정성을 향상시키기 위해 원하는 작업 영역과 전체 크기 및 최대 구동력를 유지하면서 가장 낮은 6개 모드들의 고유 진동수를 최대화하는 것으로 설정된다. 이를 위해 동역학 모델이 제시된다. 설계 결과, 439.5 Hz의 1차 고유 진동수가 얻어졌다. 설계된 시스템이 제작되었고 실험적으로 평가된다. 이를 위해 역기구학을 이용한 개루프 제어가 사용된다. 각 구동기들의 제어를 위해 모드 스위치 제어가 사용되고 5mm, 0.3mm/s의 궤적 제어 결과가 제시된다. 위치 측정을 위해 인터페로미터 센서들이 사용되고 제어 알고리즘은 DSP 제어기를 이용해 구현된다. 전체 시스템의 분해능은 15 nm와 0.14 arcsec 이하로 측정되었고, 5 mm와 5°의 최대 변위와 2 mm와 2°의 동시 변위가 검증되었다. 10분 동안 100 nm 이하의 위치 안정성이 확인되었다. 이를 통해 본 장치가 정밀 광학 장치의 정렬에 적합함을 확인할 수 있다.
