[논문]통합제진마운트용 MR 댐퍼의 실험적 성능 평가

성민상; 최승복; 김철호; 이홍기; 백재호; 한현희; 우제관

doi:10.5050/ksnve.2010.20.12.1161

통합제진마운트용 MR 댐퍼의 실험적 성능 평가
Experimental Performance Evaluation of MR Damper for Integrated Isolation Mount 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.20 no.12 = no.165, 2010년, pp.1161 - 1167

성민상 (인하대학교 대학원 기계공학과) , 최승복 (인하대학교 기계공학부) , 김철호 (한국생산기술연구원) , 이홍기 , 백재호 , 한현희 , 우제관 (한국폴리텍II대학 메카트로닉스과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents experimental performance evaluation of a magnetorheological(MR) damper for integrated isolation mount for ultra-precision manufacturing system. The vibration sources of the ultra-precision manufacturing system can be classified as follows: the one is the environmental vibration from the floor and the other is the transient vibration occurred from stage moving. The transient vibration occurred from the stage moving has serious adverse effect to the process because the vibration scale is quite larger than other vibrations. Therefore in this research, a semi-active MR damper, which can control the transient vibration, is adopted. Also the stage needs to be isolated from tiny vibrations from the floor. For this purpose, a dry-frictionless MR damper is required. In order to achieve this goal, a novel type of MR damper is originally designed and manufactured in this work. Subsequently, the damping force characteristics of MR damper are evaluated by simulation and experiment. In addition, the vibration control performance of the MR damper associated with the stage mass is evaluated.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

MR 댐퍼의 경우 진동 허용치를 만족시키기 위해서 바닥 진동은 장비와 진동 절연이 이루어져야 하는데, 기존의 일반적인 MR 댐퍼는 고체 마찰이 있어 진동 절연을 만족할 수 없다. 따라서 이 연구에서는 바닥에서의 진동 절연을 만족시킬 수 있는 통합제진마운트 시스템용 MR 댐퍼를 새로이 개발한다.
따라서 이 연구에서는 실링을 없애 고체 마찰을 제거한 새로운 형태의 MR 댐퍼를 제안한다.
이 연구에서는 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 수동형 공기 스프링, 능동형 전자기 작동기, 반능동형 MR 댐퍼를 통합적으로 연동하여 진동을 방진/제진하는 통합제진마운트를 제안하고, 이 중 반능동형 작동기인 MR 댐퍼를 제작하고 실험을 통해 MR 댐퍼의 성능을 검증한다. 이를 위하여 통합제진마운트 시스템의 구조 및 특이성을 확인하고 이로부터 통합제진마운트에 적합한 형태의 MR 댐퍼를 설계, 제작한다.
이 연구에서는 통합제진마운트를 위한 새로운 형태의 MR 댐퍼를 제안하고 이의 성능을 실험을 통해 검증하였다. 이를 위해 먼저 통합제진마운트의 구성을 확인하였으며, 이에 적합한 고체 마찰을 제거한 새로운 형태의 MR 댐퍼를 설계, 모델을 수립하고 시뮬레이션을 통해 댐핑력 특성을 파악, 성능을 검증하였다.

가설 설정

9와 같이 단순한 1자유도 초정밀 생산 장비의 모델을 수립하였다. 장비의 마운트는 스프링 상수 k로 가정한 공기 스프링과 MR 댐퍼로 구성하였으며, 과도응답 진동을 위해 스테이지의 상단에서 임펄스 힘이 인가되는 시스템으로 가정하였다. 이와 같은 모델은 다음과 같은 상태 공간 방정식으로 표현될 수 있다.

제안 방법

이를 위해 먼저 통합제진마운트의 구성을 확인하였으며, 이에 적합한 고체 마찰을 제거한 새로운 형태의 MR 댐퍼를 설계, 모델을 수립하고 시뮬레이션을 통해 댐핑력 특성을 파악, 성능을 검증하였다. 검증된 설계 변수를 바탕으로 MR 댐퍼를 제작하고 댐핑력 특성을 시험하기 위한 장치를 구성하였으며 이를 이용하여 제작된 MR 댐퍼의 댐핑력 특성을 실험을 통해 검증하였다. 또한 스카이훅 제어기를 이용한 진동제어 성능 평가를 통해 제안된 MR 댐퍼의 성능을 입증하였다.
이러한 과도응답을 능동형 작동기로 제어하기 위해서는 작동기의 크기가 매우 커져야 하며, 많은 동력을 필요로 한다. 따라서 이 연구에서는 비교적 작은 크기와 적은 동력으로 효과적인 진동 제어가 가능한 반능동형 MR 댐퍼를 이용하여 과도응답을 제어한다. 한편, 두 번째 진동원은 작업자의 이동, 다른 장비에서 발생하는 진동, 건물 자체의 진동 등으로 인해 발생하는 미세 바닥 진동이다.
또한 통합제진마운트용 MR 댐퍼는 고정밀 스테이지에 장착되므로 좌우 진동으로 인한 충격이 발생할 여지가 매우 적다. 따라서 피스톤 헤드와 실린더 사이의 실링을 제거할 수 있으며, 이때 발생되는 피스톤 헤드와 실린더 사이의 공간을 유체가 흐르는 간극으로 직접 활용하였다.
검증된 설계 변수를 바탕으로 MR 댐퍼를 제작하고 댐핑력 특성을 시험하기 위한 장치를 구성하였으며 이를 이용하여 제작된 MR 댐퍼의 댐핑력 특성을 실험을 통해 검증하였다. 또한 스카이훅 제어기를 이용한 진동제어 성능 평가를 통해 제안된 MR 댐퍼의 성능을 입증하였다. 향후 최적설계 기법을 활용하여 MR 댐퍼의 불규칙한 댐핑력 특성을 개선하고 기본 점성 및 고무의 탄성에 의한 영향을 더욱 줄인 MR 댐퍼를 설계, 제작하고 히스테리시스 현상을 고려한 MR 댐퍼 모델을 구축할 예정이다.
제작된 MR 댐퍼의 댐핑력 특성을 실험을 통해 평가한다. 또한 이를 기반으로 진동 제어성능을 시뮬레이션을 통해 평가한다.
(B)는 자기장에 따른 항복 응력이다. 이 연구에서는 RMS Technology사의 MR 유체를 적용하였으며, 이의 항복응력은 다음과 같이 표현될 수 있다.
이 연구에서는 단순하지만 매우 효과적이고 실제 환경에 쉽게 이용 가능한 스카이훅(skyhook) 제어기 를 적용하였다. 스카이훅 제어기의 제어 입력은 다음과 같이 표현될 수 있다.
이때 작동 주파수는 3 Hz로, 과도응답 진동의 주요 진동 주파수이며, 제안된 MR 댐퍼의 최대 작동 변위는 ±5 mm이므로 안전계수를 고려하여 ±4 mm의 가진 변위를 결정하였다.
제안된 MR 댐퍼의 성능을 평가하기 위하여 진동 제어를 수행하였다. 이를 위하여 Fig. 9와 같이 단순한 1자유도 초정밀 생산 장비의 모델을 수립하였다. 장비의 마운트는 스프링 상수 k로 가정한 공기 스프링과 MR 댐퍼로 구성하였으며, 과도응답 진동을 위해 스테이지의 상단에서 임펄스 힘이 인가되는 시스템으로 가정하였다.
이 연구에서는 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 수동형 공기 스프링, 능동형 전자기 작동기, 반능동형 MR 댐퍼를 통합적으로 연동하여 진동을 방진/제진하는 통합제진마운트를 제안하고, 이 중 반능동형 작동기인 MR 댐퍼를 제작하고 실험을 통해 MR 댐퍼의 성능을 검증한다. 이를 위하여 통합제진마운트 시스템의 구조 및 특이성을 확인하고 이로부터 통합제진마운트에 적합한 형태의 MR 댐퍼를 설계, 제작한다. 제작된 MR 댐퍼의 댐핑력 특성을 실험을 통해 평가한다.
이 연구에서는 통합제진마운트를 위한 새로운 형태의 MR 댐퍼를 제안하고 이의 성능을 실험을 통해 검증하였다. 이를 위해 먼저 통합제진마운트의 구성을 확인하였으며, 이에 적합한 고체 마찰을 제거한 새로운 형태의 MR 댐퍼를 설계, 모델을 수립하고 시뮬레이션을 통해 댐핑력 특성을 파악, 성능을 검증하였다. 검증된 설계 변수를 바탕으로 MR 댐퍼를 제작하고 댐핑력 특성을 시험하기 위한 장치를 구성하였으며 이를 이용하여 제작된 MR 댐퍼의 댐핑력 특성을 실험을 통해 검증하였다.
이와 같은 MR 댐퍼의 모델로부터 최적의 설계변수를 도출, Fig. 4와 같이 MR 댐퍼를 설계하였다. 앞서 설명한 바와 같이 고무판이 피스톤 축과 실린더 양쪽에 체결되어 있으며, 피스톤 헤드와 실린더 사이에 MR 효과를 얻기 위한 간극이 위치해 있다.
5. 진동 제어

제안된 MR 댐퍼의 성능을 평가하기 위하여 진동 제어를 수행하였다. 이를 위하여 Fig.
이를 위하여 통합제진마운트 시스템의 구조 및 특이성을 확인하고 이로부터 통합제진마운트에 적합한 형태의 MR 댐퍼를 설계, 제작한다. 제작된 MR 댐퍼의 댐핑력 특성을 실험을 통해 평가한다. 또한 이를 기반으로 진동 제어성능을 시뮬레이션을 통해 평가한다.

대상 데이터

앞서 설명한 바와 같이 고무판이 피스톤 축과 실린더 양쪽에 체결되어 있으며, 피스톤 헤드와 실린더 사이에 MR 효과를 얻기 위한 간극이 위치해 있다. 또 한 댐퍼 내부는 RMS Technology사의 MR 유체로 충 제안된 MR 댐퍼의 주요 설계 변수는 총 길이 133 mm, 직경 150 mm이며 간극은 3 mm로 설계하였다.
이 연구에서 제안한 초정밀 생산 장비용 통합제진마운트는 수동형인 공기 스프링, 능동형인 전자기 작동기, 반능동형인 MR 댐퍼로 구성된다⁽⁹⁾. Fig.
통합제진마운트용 MR 댐퍼의 최대 작동 변위는 ±5 mm로, 일반적인 댐퍼에 비해 작동 변위가 매우 짧은 점을 이용하여 실린더 캡과 실링을 제거하고 고무판을 적용하였다.

성능/효과

Fig. 8(a)에 도시된 바와 같이 전류(자기장)이 인가됨에 따라 댐핑력이 증가되는 것을 확인할 수 있으며, 최대 1.2A의 자기장 인가 시 최대 댐핑력은 415.81 N, 최소 댐핑력은 -161.71 N으로 댐핑력 범위는 최대 최소 댐핑력 범위는 577.51 N으로 나타났다. 이는 시뮬레이션 결과와 매우 유사함을 확인할 수 있다.
10(a)는 시간에 따른 변위를 도시한 것이다. 그래프에 나타난 바와 같이 MR 댐퍼에 제어 입력을 인가하였을 경우 제어를 하지 않은 경우에 비해 진동이 빠르게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한 이때의 제어 입력 값을 Fig.
4 N으로 계산되었다. 또한 피스톤 축의 단면적과 피스톤의 단면적의 크기차가 작아 jounce 시에 점성의 영향이 매우 적게 나타나는 것을 확인할 수 있다. Fig.
10(b)에 나타내었다. 이와 같은 결과로부터 제안된 MR 댐퍼의 댐핑력은 초정밀 생산 장비의 진동을 제어하기에 충분한 것을 확인할 수 있다.

후속연구

8(c)에서 속도에 대한 큰 히스테리시스 현상이 발생함을 확인할 수 있다. 이와 같은 히스테리시스 현상은 Bouc-Wen 모델, polynomial 모델, biviscous 모델 등 다양한 모델로 표현될 수 있으며, 향후 이와 같은 히스테리시스 현상을 고려한 정밀한 모델을 수립할 계획이다.
향후 최적설계 기법을 활용하여 MR 댐퍼의 불규칙한 댐핑력 특성을 개선하고 기본 점성 및 고무의 탄성에 의한 영향을 더욱 줄인 MR 댐퍼를 설계, 제작하고 히스테리시스 현상을 고려한 MR 댐퍼 모델을 구축할 예정이다. 이후 강건제어알고리즘을 구축하여 제작된 MR 댐퍼의 제어 성능을 실험을 통해 평가하고 최종적으로 전자기작동기와 공기스프링과 결합한 통합제진마운트 시스템을 구축할 예정이다.
또한 스카이훅 제어기를 이용한 진동제어 성능 평가를 통해 제안된 MR 댐퍼의 성능을 입증하였다. 향후 최적설계 기법을 활용하여 MR 댐퍼의 불규칙한 댐핑력 특성을 개선하고 기본 점성 및 고무의 탄성에 의한 영향을 더욱 줄인 MR 댐퍼를 설계, 제작하고 히스테리시스 현상을 고려한 MR 댐퍼 모델을 구축할 예정이다. 이후 강건제어알고리즘을 구축하여 제작된 MR 댐퍼의 제어 성능을 실험을 통해 평가하고 최종적으로 전자기작동기와 공기스프링과 결합한 통합제진마운트 시스템을 구축할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초정밀 생산 장비용 통합제진마운트는 어떻게 구성되는가?	이 연구에서 제안한 초정밀 생산 장비용 통합제진마운트는 수동형인 공기 스프링, 능동형인 전자기 작동기, 반능동형인 MR 댐퍼로 구성된다(9). Fig.
	첨단 초정밀 가공/생산/검사장비에서 높은 정밀도가 요구되며 중요한 문제로 부각되고 있는 것은?	디스플레이 및 반도체 분야와 같이 세계 기술을 선도하는 국내 성장 동력분야에 있어서 발전 방향의 큰 줄기는 장비의 대형화, 집적화, 다기능화 등으로 요약될 수 있다. 이를 구현하기 위하여 첨단 초정밀 가공/생산/검사장비에서 요구되는 정밀도가 점차 높아지고 있으며, 이에 따라 정밀도를 저해시키는 주변 미세진동 및 장비 자체에서 발생하는 진동의 제어가 중요한 문제로 부각되고 있다(1,3). 이와 같은 문제점을 극복하기 위하여 일반적으로 공기스프링과 같은 유연한 탄성 받침을 방진재로 사용하고 있다.
	초정밀 생산 장비의 진동원 중 미세바닥 진동은 어떻게 발생하는가?	따라서 이 연구에서는 비교적 작은 크기와 적은 동력으로 효과적인 진동 제어가 가능한 반능동형 MR 댐퍼를 이용하여 과도응답을 제어한다. 한편, 두 번째 진동원은 작업자의 이동, 다른 장비에서 발생하는 진동, 건물 자체의 진동 등으로 인해 발생하는 미세 바닥 진동이다. 이러한 바닥 진동은 진동의 크기가 상대적으로 작고 진동 대역이 넓어 반능동 MR 댐퍼로 제어하기에 한계가 있어 능동 전자기 작동기를 이용하여 제어를 수행한다.

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