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문제 정의
- 본 논문에서는 헬리콥터 시뮬레이터의 요구 운동 조건에 부합하는 6자유도 운동구현장치의 개발을 위한 설계/제작 및 이의 시험 평가를 통한타당성을 검토하고 안정적인 운용 및 내구성을확보하기 위한 신뢰성 시험결과 둥 전반적인 연구개발 내용에 대해 서술하기로 한다.
- 것을 알 수 있었다. 이와 같이 전기식 서보엑추에이터의 잠재적 고장형태인 볼 스크류 및 너트의 마모 및 피로 파괴, 상부 힌지 조립체의 파괴, 내, 외측 실린더의 마모 및 변형, 커플링의 마모 및 파손, 서보 모터의 고장 등을 파악하기 위하여 이에 적합한 시험을 실시하였다. 이 외에도 사용조건(고온, 저온, 습도) 하에서도 시험을 실시하였다.
제안 방법
- 0-5,000 kgf의 더미하중을 상판에 순차적으로 적재해 가면서 각 단축방향에 대한 운동을 발생 시켜 엑츄에이터 길이에 대한 입력값과 출력값을 비교하였다. 이때 각각에 대해서 주파수를 0.
- 1) 6자유도 스튜어트 플랫폼의 기구학 해석 모듈을 프로그래밍하여 모의비행장치 2종 운동 구현 장치의 형상 및 크기를 설계하였다.
- 2) 6자유도 스튜어트 플랫폼 동역학 해석 모듈을 프로그래밍하여 하중조건에 부합하는 전기식액츄에어터 사양을 결정하였으며 구조해석을 수행하여 액츄에이터를 설계하였다.
- 3) 설계된 액츄에이터 및 시험장치를 제작하여신뢰성 시험을 수행하였다.
- 6개각 절점의 운동을 발생시키기 위해 6개의 전기식액츄에이 터가 상조식 육면 체 형식 (Synergistic Hexapod)로 연결되어 있으며 이에 사용되는 전기식 액츄에이터는 소음 및 진동을 최소화하기위하여 축과 일자 형태 (Shaft In-Plane)로서 모터의 직결 구동 방식 (Direct Coupling Drive)으로설계 제작 한다. 여기서는 이러한 각 절점의 변위를 목표점 (End Effect)의 기구학적인 운동으로변환하기 위해 역기구학(Inverse Kinematics)을이용한다.
- 구조해석에 있어서 각 구성 유닛들과 액츄에이터가 조립된 모션 시스템을 대상으로 구조적인 안정성을 평가하는 것이 가장 이상적인 방법이나 시간과 모델링 측면에서 비효율적인 방식으로 간주되어 국부적인 모델링 방식을 채택하여 구조적 강성을 평가하였으며, 설계 데이터를 기반으로 모델링한 모션시스템의 설계사양이 적용된 핵심 구성유닛인 힌지부와 주요 운동부인 액츄에이터를 대상으로 하여 해석적인 방법을 통해 정적 변형 모드와 응력 집중 현상 등을 평가하고 고찰하여 설계안에 대한 검증을 수행하였다. 이 경우 전체 정적 운용하중(10 ton)에 대해서 축당 약 2ton 정도로 설계하중은 동적하중을 감안하고 강도 안전여유를 포함해서 약 3.
- 기계연구원과 공동으로 신뢰성 시험을 수행하였는바, 고장 원인의 정확한 분석을 위하여, 고장 모드 메커니즘 분석(FMMA; Fault Mode Mechanism Analysis), 고장 모드 효과와 치명도 분석(FMECA; Fault Mode Effect and Critical Analysis), 2단계 품질 기능 전개 (2-Stage QFD; Quality Function Development), 고장 계통 분석 (FTA; Fault Tree Analysis) 등의 고장 분석을 실시하였다[1 이.
- 설계하였다. 또한 설계된 스튜어트플랫폼에 대하여 구조해석을 실시하여 구조적 안정성을 확인하였다. 또한 개발될 운동구현장치의성능평가를 위한 다양한 시험방안을 수립하였으며 단축 시험용 액츄에이터를 제작하여 신뢰성평가를 수행함으로써 향후 인증시험에 필요한 시험에 대비하였다.
- 실린더 길이 변화를 감지하여 상판 프레임의 운동을 제어하기 위해 고정밀의 엔코더를 부착시켰다. 미약한 제어신호를 증폭하고 이를 모터의 교류 상제어로 만들어 주거나 모터의 안정성을 배가하기위한 서보 모터 드라이버를 장착하였으며 리밋센서와 전기적 브레이크를 구성하여 이상 작동시 안전을 확보하도록 설계하였다.
- 설계/제작된 6축 운동재현장치의 각 액츄에이터에 대한 응답성 성능시험을 수행하였다. 그림 7은 제작된 조립 전 액츄에이터의 구성품을 보인 것이다.
- 현재와 같은 헬리콥터 시뮬레이터용 운동장치의 주된 요구기능은 최대 적재하중에서 안정적으로 요구하는 속도 및 변위를 충족하는 운동감과 운용시의 최대하중에 대한 안전운용이 절대적이므로 이를 감안하여 여기서는 속도모드를 선택하였다. 엔코더를 통한 모타드라이버의내부 제어궤환 신호 (Inner Loop) 에 부가하여 DSP(Digital Signal Processor )를 장착한 모션 콘트롤러(Outer Loop)에서 고속으로 각 절점의 위치를 연산하고 PI 제어방식의 제어로직 운용프로그램을 통해 액츄에이터의 위치 제어동작을 수행한다.
- 시동.역전 등의 동작에따른 방열효과를 개선하고, 역전 등의 급격한 운동에 대비하여 회생 에너지 방줄회로를 구성하였다. 실린더 길이 변화를 감지하여 상판 프레임의 운동을 제어하기 위해 고정밀의 엔코더를 부착시켰다.
- 결정된다[8]. 운동구현장치의 힘 평형식과 모멘트 평형식으로부터 각 액츄에이터에 작용하는 힘을 계산하였고, 목표성능에 해당하는 가속도를 도출한 후 적재하중 입력을 통하여 최대 힘을 구하였으며 이는 모터 선정에 있어 모터의 최대 발생 축력을 넘지 않도록 기준자료로 활용한다. 이 결과 설계된 운동구현장치는 가속도 성능은 다음 표 5 와 같다.
- 응답성 시험을 거친 액츄에이터의 신뢰성 검증 및 내구성 향상을 위하여 시험용 액츄에이터를 제작하였다. 전기식 액츄에이터에 부하를 적용하기 위하여 유압 서보 액츄에이터를 사용하였으며, 변위계 측을 위하여 액츄에이터 외부에 LVDT(Linear Variable Differential Transformer) 를 장착하여 그림 13과 같은 시험장치를 구성하여 제작하였다.
- 이와 같이 전기식 서보엑추에이터의 잠재적 고장형태인 볼 스크류 및 너트의 마모 및 피로 파괴, 상부 힌지 조립체의 파괴, 내, 외측 실린더의 마모 및 변형, 커플링의 마모 및 파손, 서보 모터의 고장 등을 파악하기 위하여 이에 적합한 시험을 실시하였다. 이 외에도 사용조건(고온, 저온, 습도) 하에서도 시험을 실시하였다. 이러한 시험결과를 정리하면 표 7과 같다.
- 이때 각각에 대해서 주파수를 0.5 Hz, 0.7 Hz, 1.0 Hz로 높여가며 변위 및 속도의 추종 능력에 대한 동일한 시험을 반복 수행하였다 [9]-
- 전기식 액츄에이터에 부하를 적용하기 위하여 유압 서보 액츄에이터를 사용하였으며, 변위계 측을 위하여 액츄에이터 외부에 LVDT(Linear Variable Differential Transformer) 를 장착하여 그림 13과 같은 시험장치를 구성하여 제작하였다.
- 항공안전본부의 관련규정 '모의 비행 훈련 장치지정기준 및 검사요령 에 제시된 2종의 성능 중우 선적으로 변위성능을 만족시키도록, 그림 2와 같이 자체적으로 개발된 사용자 대화형 (GUI) 프로그램을 이용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 기구학적인 형상을 그림 3과 같이 선정하였다. 이는 3/6축의 형상 선택에 대해서 역/순기구학으로부터 절점(목표점)의 변위입력에 대한 목표점 (절점)의 변위를 도식적으로 표현하여 간섭 여부를 점검할 수 있고, 모타의 요구출력 및 운용속도에 대한 볼스크류의 리드, 각 구동축의 작용 하중 및 속도/가속도, 운용조건에 대한 동작 상황의 애니메이션 등을 도시함으로서 설계 및 설계 결과의 시뮬레이션을 가능하게 하는 운동구현장치의 설계/검증을 위한 종합적이고 효과적인 기능을 포함하고 있다.
- 항공안전본부의 관련규정 '모의비행훈련장치지정기준 및 검사요령' 에 제시된 2종의 헬리콥터 시뮬레이터 운동구현장치 개발을 위하여 기구학 및 동역학 분석을 통하여 6자유도의 운동을갖는 전기식 스튜어트 플랫폼의 설계 변수를 구하고, 설계 요구 사항을 충족시키기 위한 전기식액츄에이터를 설계하였다. 또한 설계된 스튜어트플랫폼에 대하여 구조해석을 실시하여 구조적 안정성을 확인하였다.
- 사용하고 있다. 현재와 같은 헬리콥터 시뮬레이터용 운동장치의 주된 요구기능은 최대 적재하중에서 안정적으로 요구하는 속도 및 변위를 충족하는 운동감과 운용시의 최대하중에 대한 안전운용이 절대적이므로 이를 감안하여 여기서는 속도모드를 선택하였다. 엔코더를 통한 모타드라이버의내부 제어궤환 신호 (Inner Loop) 에 부가하여 DSP(Digital Signal Processor )를 장착한 모션 콘트롤러(Outer Loop)에서 고속으로 각 절점의 위치를 연산하고 PI 제어방식의 제어로직 운용프로그램을 통해 액츄에이터의 위치 제어동작을 수행한다.
이론/모형
- 6개각 절점의 운동을 발생시키기 위해 6개의 전기식액츄에이 터가 상조식 육면 체 형식 (Synergistic Hexapod)로 연결되어 있으며 이에 사용되는 전기식 액츄에이터는 소음 및 진동을 최소화하기위하여 축과 일자 형태 (Shaft In-Plane)로서 모터의 직결 구동 방식 (Direct Coupling Drive)으로설계 제작 한다. 여기서는 이러한 각 절점의 변위를 목표점 (End Effect)의 기구학적인 운동으로변환하기 위해 역기구학(Inverse Kinematics)을이용한다. 단, 목표점이 힘이나 토크 둥 역학적인요소를 필요로 할 경우는 순기구학 (Forward Kinematics) 이 요구 된 다[5, 6, 7].
성능/효과
- CASA 2종의 모의비행장치 허용기준을검토한 결과 표 4에 보인바와 같이 병진운동 속도는 충분한 여유를 갖고 만족되며 회전운동 속도의경우 Yaw 운동도 충분한 여유가 있으며 RoU 및 Htch 운동은 비교적 다소의 여유가 있는 상태로모두 요구성능을 만족함을 확인하였다.
- 고장 분석 자료에 대한 검토결과, 전기식 액츄에이터의 주고장 부위는 볼 스크류, 베어링, 커플링등인 것을 알 수 있었다. 이와 같이 전기식 서보엑추에이터의 잠재적 고장형태인 볼 스크류 및 너트의 마모 및 피로 파괴, 상부 힌지 조립체의 파괴, 내, 외측 실린더의 마모 및 변형, 커플링의 마모 및 파손, 서보 모터의 고장 등을 파악하기 위하여 이에 적합한 시험을 실시하였다.
- 비교적 높은 응력이 발생하였다. 그러나 액츄에이터의 주요 구성 재료인 일반 구조용 압연강재 (SSW0) 의 항복 강도(235 MPa) 와 기계 구조용 탄소 강재(SM45C)의 항복 강도(340 MPa) 범위 내에 응력(약10 ~ 100 MPa)과 최대 응력(126 MPa) 이 분포하고, 최대 전단응력 (5-50 MPa)은 비교적 낮은 분포량을 보였다. 그리고 이에 따른 변위량(약 0.
- 이러한 시험결과를 정리하면 표 7과 같다. 이로부터 모든 시험항목에 대해서 모두 만족스런결과를 보임으로서 개발된 운동구현장치용 액츄에이터의 신뢰성을 입증하였다.
후속연구
- 이러한 연구의 결과는 항공안전본부에서 규정한 모의비행장치 2종 헬리콥터 시뮬레이터의 운동구현장치에 적용할 계획으로 표 1과 같은 주요운동사양을 만족하도록 한다[1, 2, 3, 4]. 여기서, 6자유도 운동좌표와 기구부 형상은 그림 1과 같다.
- 향후, 헬리콥터 시뮬레이터에 적용하여 조종 훈련 상황과 관련되는 워시아웃 등 (Washout) 등 운동감재현 알고리듬과 과속 진동효과 (Buffet Motion)를 구현함으로써 모의비행장치 (FFS; Full Flight Simulator)를 위한 더욱 개선된 운동 구현 장치를 개발해 나가고자 한다.
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