초정밀 유정압 이송테이블의 5자유도 운동오차 특성평가 및 정밀도 향상 = Improvement of motion accuracy and characteristic estimation of 5 DOF motion errors in an ultra-precision hydrostatic feed table

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Improvement of motion accuracy and characteristic estimation of 5 DOF motion errors in an ultra-precision hydrostatic feed table

Yoon-Jin Oh

Department of Mechanical and Precision Engineering,
Graduate School, Pusan National University

ABSTRACT

Axial directional motion error in a feed table strongly influences the form accuracy of work-pieces. Accordingly, as greater precision is demanded in machining, improvement of each axial directional motion error is required. The aim of the present work is to improve the motion accuracy in an ultra-precision hydrostatic feed table.
In order to improve the five DOF motion errors in the hydrostatic feed table, active controlled variable capillaries, named ACC, are employed and a five DOF motion errors compensation system is employed. The compensation system uses two active controlled capillaries simultaneously in compensation for horizontal linear motion and yaw errors and three active controlled capillaries simultaneously in compensation for vertical linear motion, pitch and roll errors. By the compensation, five DOF motion errors of the hydrostatic feed table were improved to the limit of the measuring accuracies. From these results, it is found that the motion errors compensation method utilizing active controlled capillaries effectively decreases the five DOF motion errors of the hydrostatic feed tables.
In the ultra-precision five DOF motion errors measurement, a combination of measuring methods are used. The yaw and pitch errors are measured with a laser interferometer, and the roll error is measured by the reversal method. The linear motion errors in the vertical and horizontal directions are measured by applying the sequential two point method, where the influence of angular motion errors on the linear measurement is compensated by utilizing the measured angular motion errors.
In order to improve the positioning accuracy of the hydrostatic feed table, a coreless linear DC motor, which compensates the shortcomings of the servomotor and ballscrew, and a laser scale are used in the feeding system. The influence on the thermal characteristics of temperature variation of the supplied oil and the atmosphere in terms of the positioning accuracy of the hydrostatic feed table are assessed. Their influence on positioning error is also analyzed experimentally. From the experimental results, it is confirmed that positioning error and repeatability are minimized when the temperature of the supplied oil is set equally to the atmospheric temperature. It is also found that thermal deformation of the scale and supporter, which results from temperature variation of the atmosphere and supplied oil, limits the positioning error and repeatability.

목차 (Table of Contents)

• List of Figures ……………………………………………… Ⅴ
• List of Tables ……………………………………………… Ⅷ
• Nomenclature ……………………………………………… Ⅸ
• 제 1 장 서 론 ……………………………………………… 1
• 1.1 연구 배경 ……………………………………………… 1
• 1.2 연구 동향 ……………………………………………… 4
• 1.2.1 안내요소의 고정밀화 ……………………………… 4
• 1.2.2 구동요소의 고정밀화 ……………………………… 6
• 1.3 연구 목적 및 내용 ……………………………………… 9
• 제 2 장 리니어모터를 이용한 초정밀 유정압 이송테이블의 5자유도 운동오차 측정 ………… 11
• 2.1 서언 ……………………………………………………… 11
• 2.2 유정압 이송테이블의 설계 …………………………… 13
• 2.2.1 레이아웃 설계 ………………………………………… 13
• 2.2.2 성능설계 ……………………………………………… 15
• 2.3 유정압 이송테이블의 기본특성 실험 및 고찰 …… 17
• 2.3.1 실험방법 ……………………………………………… 17
• 2.3.2 정강성 ………………………………………………… 17
• 2.3.3 운동정밀도 …………………………………………… 20
• 2.3.4 미소분해능 및 위치결정정밀도 …………………… 20
• 2.3.5 속도특성 ……………………………………………… 23
• 2.4 5자유도 운동오차의 혼합측정 ………………………… 24
• 2.4.1 축차2점법 ……………………………………………… 25
• 2.4.2 반전법 ………………………………………………… 28
• 2.5 실험장치 및 예비실험 ………………………………… 29
• 2.5.1 실험장치의 구성 ……………………………………… 29
• 2.5.2 환경오차의 영향 ……………………………………… 30
• 2.5.3 정전용량형 센서의 게인특성 ……………………… 31
• 2.6 5자유도 운동오차의 측정 및 고찰 …………………… 33
• 2.6.1 레이저간섭계에 의한 직선운동오차 ……………… 33
• 2.6.2 수평방향 운동오차의 측정 ………………………… 34
• 2.6.3 수직방향 운동오차의 측정 ………………………… 36
• 2.7 결언 ……………………………………………………… 38
• 제 3 장 능동제어모세관을 이용한 초정밀 유정압 이송테이블의 5자유도 운동오차 보정 …………… 40
• 3.1 서언 ……………………………………………………… 40
• 3.2 능동제어모세관 ………………………………………… 41
• 3.2.1 능동제어모세관의 구조 ……………………………… 41
• 3.2.2 운동오차 보정원리 …………………………………… 42
• 3.2.3 능동제어모세관의 설계 ……………………………… 43
• 3.3 실험장치의 구성 및 기본특성 실험 …………………… 45
• 3.3.1 실험장치 및 실험방법 ………………………………… 45
• 3.3.2 능동제어모세관의 기본특성 실험 …………………… 49
• 3.3.3 능동제어모세관의 게인설정 ………………………… 51
• 3.3.4 보정변수의 영향 ……………………………………… 53
• 3.4 유정압 이송테이블의 5자유도 운동오차 보정 ……… 57
• 3.4.1 수평방향 운동오차의 동시보정 …………………… 57
• 3.4.2 5자유도 운동오차의 동시보정 ……………………… 57
• 3.5 결언 ……………………………………………………… 61
• 제 4 장 초정밀 유정압 이송테이블의 위치결정오차 …… 62
• 4.1 서언 ……………………………………………………… 62
• 4.2 실험장치 및 예비실험 ………………………………… 63
• 4.2.1 실험장치의 구성 ……………………………………… 63
• 4.2.2 온도측정용 열전대의 보정 …………………………… 64
• 4.2.3 열변위측정용 전기마이크로미터 및 정전용량형 센서의 보정 …… 64
• 4.2.4 레이저간섭계의 온도특성 보정 ……………………… 66
• 4.3 윤활유온도 설정에 따른 특성 분석 …………………… 67
• 4.3.1 냉각장치 기준센서 설정에 따른 특성 ……………… 67
• 4.3.2 냉각온도 설정에 따른 특성 ………………………… 70
• 4.4 유정압 이송테이블의 위치결정오차 ………………… 71
• 4.5 열변형 위치결정오차 요인 …………………………… 73
• 4.6 결언 ……………………………………………………… 77
• 제 5 장 결 론 ……………………………………………… 79
• 참 고 문 헌 ………………………………………………… 81
• 부 록 ……………………………………………………… 88
• Abstract …………………………………………………… 113