Linear motion stage systems with air bearings have been applied successfully to precision machine tools and measurement systems because the air bearings have no friction and the area averaging effect on the guide error provides a high positioning accuracy and low traveling motion error. Since the carriage load and moving range of stages have increased recently, largely due to manufacturing demands for flat panel display (FPD) products, fast stage systems with long strokes and high levels of precision are necessary. A light and simple structure is required to build large and accurate stages with air bearings.
Air bearings require a preload to obtain the desired stiffness with clearance. Several methods for preloading air bearings are currently used, such as the conventional wrap-around or boxed preloading design, and weight, vacuum, or magnetic preloading. For magnetic preloading, the attraction force between permanent magnets and a steel rail is used to provide the preloads. This design is advantageous for simplifying the configuration and reducing the weight of the stage. Since only one side of the guide surface is used in the preloaded direction, which is usually vertical, this system is easy to fabricate and maintain. Hence, magnetic preloading is usually applied to low profile air bearing stages and large-stroke stage systems found in machine tools and manufacturing systems.
The positioning accuracy and motion error is a big concern when using air bearings in a linear stage system. The positioning accuracy of some air bearing stages has reached nanometer or sub-nanometer levels in recent developments of precision components and technologies for measurement, actuation, and control systems. However, for motion errors such as straightness, pitch, roll, and yaw, even though air bearing stages have smaller errors than systems that use guides with rolling elements, certain levels of errors exist and are very difficult to reduce. Hence, one motivation of this paper is to compensate actively for the traveling motion errors by introducing controllable magnetic preloads to directly adjust the clearance of the air bearing.
In this paper, I proposed a linear air bearing stage with an active magnetic preload to achieve a simple aerostatic bearing linear stage system with ultraprecise straight motion. By introducing a magnetic preload with a permanent magnet, it was possible to build a system with a simpler configuration than the conventional wrap-around design. The magnetic preload force could be controlled with additional coils to adjust the motion of the stage table actively. A single-axis linear stage was designed with four magnetic actuators attached at the corners of the table in the vertical direction. The load capacity and stiffness of an air bearing with porous pads were calculated using a numerical method, and a magnetic circuit model was derived for the magnetic actuators. By using an analysis model of 3-DOF motion error caused by waviness of the guide rails, motion errors and compensating currents were evaluated and verified.
The 1-axis stage was built, and the basic characteristics of the air bearings and magnetic preloads, such as load capacity, stiffness, and controllability of the vertical displacement, pitch, and rolling, were examined and calibrated as linear. The combined method using laser interferometer, two-probe method and electronic level meter was applied for measuring three motion errors. By using the motion errors modeled as functions of table position, active compensation of the three motion errors were performed. As the results, the motion errors were reduced from 1.09 $\mu$ to 0.104 $\mu$ for the vertical straightness error, from 9.42 sec to 0.18 sec for the pith motion and from 2.42 sec to 0.18 sec for the roll motion as level of measurement repeatability.
본 연구에서는 초정밀의 직선 이송을 위한 공기베어링 스테이지에 있어서, 자기예압을 적용하여 단순화 및 경량화된 구조를 추구하며, 적용되는 자기예압을 제어 가능하도록 구성하여 발생되는 운동오차를 능동적으로 보정하는 것을 목표로 한다. 특히 운동오차의 보정은 폐루프 제어를 적용하지 않고 운동오차 측정을 통하여 반복정밀도 내에서 보정하는 방식을 적용하도록 하여 운동오차를 최소화 하는 것을 목표로 하였다. 이를 위하여 능동 자기예압을 갖는 공기베어링의 설계를 위하여 공기베어링 및 자기 액튜에이터의 수학적 모델을 유도하였다. 다공질 공기베어링에 유한차분법을 이용하여 다공질 베어링을 설계 및 해석하고, 예압력을 제공하는 영구자석과 이를 제어하기 위한 전자석을 포함한 자기회로 모델을 통한 예압장치의 모델을 유도하였다. 이러한 모델을 이용하여 1축 실험스테이지를 설계하고 테이블의 모서리 4곳에 액튜에이터를 적용하여 수직 및 피치, 롤의 3 자유도에 대한 자세 제어가 가능하도록 설계하였다. 또한, 공기베어링 스테이지의 운동오차 발생모델을 구성하고, 설계된 시스템에 대하여 안내면의 형상오차에 의한 3자유도의 운동오차 발생 해석과 이를 보상하기 위한 제어 전류의 해석을 수행하였다. 특히, 하중과 압력의 변화에 따른 공기베어링 패드의 특성을 고려하여 이에 대한 영향을 계산할 수 있도록 계산 코드를 구현하였다.
제작된 1축 실험장치를 통하여 자기예압 공기베어링의 하중특성 및 부상특성을 실험하여 해석결과와 비교하였으며, 해석결과와의 10% 오차 이내에서 잘 일치하고 있는 것을 확인하여 해석 모델의 유효성을 확인하였고, 3자유도의 자세제어 실험 및 각 자유도의 비연성화를 통하여 작동범위 내에서 선형성 및 독립성이 우수한 제어특성을 얻을 수 있어, 개루프 제어방식 보정이 유효할 것을 예측할 수 있었다. 운동오차의 보정을 위하여, 수직방향 진직도, 피치 및 롤의 3자유도 운동오차를 레이저간섭계와 복합 2점법, 전자수준계를 적용한 측정법을 적용하였으며, 측정된 수직방향 진직도 및 피치 각운동 오차를 이송위치에 대한 함수로 근사화하여 능동보정을 수행하였다. 운동오차는 수직방향 진직도의 경우 보정전 1.34 ㎛에서 0.125 ㎛로, 피치오차의 경우 10.85 sec 에서 0.26 sec, 롤오차는 2.65 sec에서 0.23 sec로 측정의 반복정밀도와 유사한 정도의 보상결과를 확인하였다. 또한 제안된 시스템의 능동제어 특성을 이용하여, 공기베어링이 가지고 있는 낮은 감쇠비를 보상할 수 있는 방법을 제시하였다. 1개의 가속도계를 이용하여 테이블의 강체 진동을 능동적으로 제어하는 실험을 수행하였다. 제안된 시스템은 공기베어링 스테이지의 구조 단순화 및 능동적인 운동오차 보정을 통한 직선 운동 특성의 향상, 동적 특성의 개선에 기여할 것으로 기대된다.
