[논문]단거리 이동을 반복하는 위치결정장치를 위한 효율적인 진동저감 방법

홍성욱; 배규현

doi:10.7735/ksmte.2013.22.3.421

단거리 이동을 반복하는 위치결정장치를 위한 효율적인 진동저감 방법
A Method of Effective Vibration Reduction for Positioning Systems Undergoing Frequent Short-distance Movement 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.22 no.3, 2013년, pp.421 - 428

홍성욱 (Department of Mechatronics, Kumoh National Institute of Technology) , 배규현 (Department of Mechatronics, Kumoh National Institute of Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

The current vibration reduction methods for positioning systems lead to either complicated motion or the need for additional hardware when the positioning systems carry out frequent short-distance movements. This paper proposes a simple yet efficient vibration reduction method for positioning systems subjected to frequent short-distance movements. The essence of the proposed method is the trapezoidal or triangular velocity profiles, whose acceleration/deceleration rates are designed to be related to the natural frequency of concern. The combined use of the proposed method and the input shaping method is also proposed for the possible application to multi-mode systems. Experiments are performed to validate the proposed method. The simulation and experiments prove that the proposed method is of great use for residual vibration reduction in positioning systems subjected to frequent short-distance movement.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 가장 일반적으로 채택되고 있는 사다리꼴형태 또는 삼각형태의 속도프로파일을 이용하면서도 잔류진동을 억제할수 있도록 하는 방법을 제안하였다. 즉, 속도프로파일을 형성함에 있어, 가감속시간을 진동이 유발되는 주요 고유진동 주기 또는 그 배수로 일치시키는 방법을 제안하였다.
또한 진동모드수가 많아지면 이를 대응하기 위한 속도프로파일이 매우 복잡한양상을 보이게 된다. 본 연구에서는 기존의 입력성형기법이 갖는 이와 같은 문제점을 개선할 수 있는 속도 프로파일을 제안하고자 한다.
그러나 입력성형기법은 본 연구에서 고려하고 있는 경우와 같이 간헐운동이 반복되는 경우, 잔류진동을 억제하기 위해 한 번의 단거리 이동에 출발정지를 2번 반복하는 등, 간헐운동이 2배가 됨으로서 시스템에 바람직하지 않은 비선형적 특성이나 마모를 가속화하는 등의 실용적인 차원의 문제를 유발시킬 가능성이 있다. 본 연구에서는 단거리를 반복적으로 이동할 때 진동을 최소화할 수 있는 편리한 속도프로파일을 제안하였다.

가설 설정

따라서 사다리꼴 형태의 속도프로파일이 가장 손쉽고 널리 사용되고 있다. 이 때 가감속 시간을 억제하고자 하는 고유진동 주기의 배수로 설정하여 다음과 같다고 가정한다.

제안 방법

본 연구에서는 가감속시간을 조절하는 방식으로 잔류진동을 억제하는 방법을 제안하였으며 시뮬레이션 및 실험을 통해 검증하였다. 대표적인 속도프로파일 중 사다리꼴과 삼각형꼴을 중심으로 그 타당성을 보였다.
실험은 동일한 거리, 이동시간을 기준으로 사다리꼴의 속도 프로파일과 본 논문에서 제안한 삼각형 속도프로파일을 적용하였다.
운동방정식에서 강성은 각각 k1 = 30π, k2 = 70πN/m로 두었고, 질량은 m1 = m2 = 1kg을 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
앞서 얻어진 실험결과로부터 제안된 방법에 의해 단거리 이동에 따른 진동을 크게 억제할 수 있으나 2차모드에 의한 고주파 진동이 남아있음을 볼 수 있다. 이를 제거하기 위해 2차모드에 대해서는 입력성형기를 도입하여 속도프로파일을 수정하였다. Fig.
진동을 억제하고자 하는 특정모드에 맞춰 제안된 방법을 적용하게 된다면 별도의 조작없이 입력을 사다리꼴이나 삼각형태로 설계하여 해당모드 진동을 제거할 수 있게 된다. 제안된 방법은 1개의 모드에 대해서 진동을 억제할 수 있으나 다모드계에 대한 진동억제를 위해 입력성형기법과 결합하는 방식을 제안하였다. 제안된 방법을 검증하기 위해 시뮬레이션과 실험을 수행하였으며 그 우수성을 확인하였다.
제안된 방법은 진동저감이 필요한 특정모드에 대한 저감법으로서 1개의 모드만을 고려할 수 있다. 따라서 다수의 모드에 대한 잔류진동을 저감하는 것은 독립적으로 시행할 수 없다.
본 연구에서는 가장 일반적으로 채택되고 있는 사다리꼴형태 또는 삼각형태의 속도프로파일을 이용하면서도 잔류진동을 억제할수 있도록 하는 방법을 제안하였다. 즉, 속도프로파일을 형성함에 있어, 가감속시간을 진동이 유발되는 주요 고유진동 주기 또는 그 배수로 일치시키는 방법을 제안하였다. 이 방법은 잔류진동을 회피하기 위해 초기 속도프로파일을 직접 설정한다는 측면에서 기존의 입력성형기법과 차별화된다.
앞서 1회 출발-정지를 실시한 경우와 마찬가지로 2차모드에 의한 고주파성분을 제외하면 삼각형프로파일에서 양호하게 입력을 추종하고 있으며 잔류진동도 크게 감소함을볼 수 있다. 한편, 3.1절에서 제시한 바와 같이 사다리꼴 속도프로파일에서도 가감속시간과 주기를 일치시키면 마찬가지로 좋은 진동감소 효과를 얻을 수 있었으나 이동시간이 증가하여 동일조건에서의 비교 의미가 없어지므로 직접 비교는 생략하였다.

대상 데이터

실험장치는 외팔보와 질량으로 구성된 진동계와 진동계를 이동하기 위한 위치결정장치로 구성된다. Fig.

데이터처리

제안된 방법은 1개의 모드에 대해서 진동을 억제할 수 있으나 다모드계에 대한 진동억제를 위해 입력성형기법과 결합하는 방식을 제안하였다. 제안된 방법을 검증하기 위해 시뮬레이션과 실험을 수행하였으며 그 우수성을 확인하였다.

성능/효과

15는 제안한 방법을 적용한 경우와 제안 방법과 2차모드에 대한 입력성형기법을 함께 적용한 결과를 비교한 그림이다. 2개 이상의 모드를 가진 경우 제안한 방법만을 적용하면 동작이 완료된 후 두 번째 모드에 의한 잔류진동이 남아 있는 것을 확인할 수 있다. 그러나 제안된 삼각형프로파일과 2차모드에 대한 입력성형을 함께 적용한 경우 잔류진동이 효과적으로 억제된 것을 볼 수 있다.
2개 이상의 모드를 가진 경우 제안한 방법만을 적용하면 동작이 완료된 후 두 번째 모드에 의한 잔류진동이 남아 있는 것을 확인할 수 있다. 그러나 제안된 삼각형프로파일과 2차모드에 대한 입력성형을 함께 적용한 경우 잔류진동이 효과적으로 억제된 것을 볼 수 있다.
삼각형 프로파일을 적용한 경우에는 잔류진동이 크게 감소하였지만 두 번째 모드에 의한 진동이 남은 것을 볼 수 있다. 이러한 두 번째 모드에 의한 진동은 삼각프로파일에 ZV입력성형을 통해 수정한 속도프로파일을 적용한 경우 크게 억제된 것을 확인할 수 있다.
제안된 삼각형 속도프로파일의 적용을 위해 먼저 진동계의 고유 진동수를 확인하여야 한다. 일반적인 이동을 위한 사다리꼴 입력에 의한 잔류진동을 주파수 처리하여 분석한 결과 1차: 4.23 Hz, 2차:16.9 Hz의 고유진동수를 확인할 수 있었다.
제안된 방법은 입력프로파일을 직접적으로 수정하는 방식으로서입력 변화를 위한 추가적인 작업없이 이루어질 수 있어 매우 효과적이다. 제안된 방법은 감쇠가 적은 시스템에 특히 유용하며 감쇠가 있게 되면 그 성능이 다소 나빠질 수 있으나 전체적으로는 미소한 진동을 보이게 되므로 활용성이 크게 나빠지지는 않는다. 제안된 방법의 활용도를 높이기 위해 입력성형기법과 결합해서 사용하는 것을 제안하였으며 다모드의 잔류진동저감에도 유용하게 활용이 가능함으로 확인하였다.
특히 삼각형꼴에 대한 방법은 출발-정지를 반복하며 단거리를 이동해야 하는 경우에 유용하게 활용할 수 있다. 제안된 방법은 입력프로파일을 직접적으로 수정하는 방식으로서입력 변화를 위한 추가적인 작업없이 이루어질 수 있어 매우 효과적이다. 제안된 방법은 감쇠가 적은 시스템에 특히 유용하며 감쇠가 있게 되면 그 성능이 다소 나빠질 수 있으나 전체적으로는 미소한 진동을 보이게 되므로 활용성이 크게 나빠지지는 않는다.
제안된 방법은 감쇠가 적은 시스템에 특히 유용하며 감쇠가 있게 되면 그 성능이 다소 나빠질 수 있으나 전체적으로는 미소한 진동을 보이게 되므로 활용성이 크게 나빠지지는 않는다. 제안된 방법의 활용도를 높이기 위해 입력성형기법과 결합해서 사용하는 것을 제안하였으며 다모드의 잔류진동저감에도 유용하게 활용이 가능함으로 확인하였다.
19는 이와 같은 조건에서의 진동계 가속도 응답을 보여주고 있다. 제안된 삼각형프로파일을 관측하면 2차 모드에 의해 고주파성분이 관측되고 있으나 1차모드가 크게 줄어 전체적으로 진동이 많이 감소한 것을 볼 수 있다.

후속연구

10에 보여주고 있다. 결과에서 볼 수 있는 바와 같이 제안된 방법을 감쇠가 있는 시스템에 적용하게 되면 약간의 잔류진동을 남기게 된다.
특히 기준 주기의 배수에서 1차모드에 의한 진동이 소멸하여 2차모드에 의한 매우 작은 진동이 남게 되며, 삼각형 프로파일과 입력성형을 함께 적용한다면 잔류진동 전체를 효과적으로 제거하는 것이 가능함을 알 수 있다. 전체적으로, 고유진동수 오차에 대한 잔류진동발생이 완만한 변화를 보이고 있어 고유진동수 오차가 예상되는 실제 조건에서 강건성을 보일 수 있을 것으로 기대된다.
12에서 볼 수 있는 바와 같이 주파수비가 배수가 되는 조건에서 모두 잔류진동이 나타나지 않게 됨을 알 수 있다. 특히 해당 영역에서 사다리꼴과는 달리 U자형의 변화가 발생하므로 약간의 주파수비 변화에 둔감한 특성을 보이고 있어 실용적으로 고유진동수 정보가 다소 부정확한 경우에도 활용이 가능할 것으로 예상된다. 가감속시간의 역수인 ω_m이 감소하면 주파수비가 커지고 이에 따라 추세적으로 잔류진동이 감소하게 되므로 잔류진동을 줄이기 위해 가능하면 가감속 시간을 증가시키는 것이 바람직함을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	위치결정장치의 고속화는 어떤 문제를 야기하는가?	공작기계를 비롯하여 반도체나 LCD 생산장비 등 대부분의 산업 설비들이 생산성 향상을 위해 고속, 경량화 추세에 있다. 이를 위해 위치결정장치의 고속화가 필수적이지만 급격한 속도변화가 수반되면 장비 전체에 진동을 발생시키는 문제가 있다[1-3]. 특히 IT 관련 생산장비의 경우 단거리를 빠르게 반복적으로 움직이는 경우[4,5]가 많은데 이와 같은 운동으로 인해 발생되는 진동은 회피하기 쉽지 않아 구조물을 경량화 하는데 한계를 보이게 된다.
	위치결정장치의 진동을 줄이기 위한 입력성형기법의 문제점은 무엇인가?	입력성형기법은 입력성형기(Input shaper)를 이용하여 자체적으로 발생시키는 진동을 상쇄하여 잔류 진동을 억제하는 기법으로서 위치결정장치 잔류진동 저감에 대한 탁월한 성능이 입증된 바 있다[10-13]. 그러나 입력성형기법은 본 연구에서 고려하고 있는 경우와 같이 간헐운동이 반복되는 경우, 잔류진동을 억제하기 위해 한 번의 단거리 이동에 출발정지를 2번 반복하는 등, 간헐운동이 2배가 됨으로서 시스템에 바람직하지 않은 비선형적 특성이나 마모를 가속화하는 등의 실용적인 차원의 문제를 유발시킬 가능성이 있다. 본 연구에서는 단거리를 반복적으로 이동할 때 진동을 최소화할 수 있는 편리한 속도프로파일을 제안하였다.
	입력성형기법이란 무엇인가?	위치결정장치의 진동을 줄이기 위해 입력성형(Input shaping)기법[6-13]이 널리 채용되고 있다. 입력성형기법은 입력성형기(Input shaper)를 이용하여 자체적으로 발생시키는 진동을 상쇄하여 잔류 진동을 억제하는 기법으로서 위치결정장치 잔류진동 저감에 대한 탁월한 성능이 입증된 바 있다[10-13]. 그러나 입력성형기법은 본 연구에서 고려하고 있는 경우와 같이 간헐운동이 반복되는 경우, 잔류진동을 억제하기 위해 한 번의 단거리 이동에 출발정지를 2번 반복하는 등, 간헐운동이 2배가 됨으로서 시스템에 바람직하지 않은 비선형적 특성이나 마모를 가속화하는 등의 실용적인 차원의 문제를 유발시킬 가능성이 있다.

참고문헌 (13)

Chung, W. J., Song, T. J., Hong, D. S., Kim, H. J., Bang, D. J., 2006, Acceleration Optimization of a High-speed LCD Transfer Crane Using Finite Jerk, Journal of KSPE, 23:3 110-117.
Kim, S. H, Yoon, K. S., Lee, M. H., 2002, The Optimization of Feed System by the Dynamics of Structure and Responsibility, Proceedings of 2002 KSMTE Fall Conference, 365-369.
Lee, C. H., Kim, B. S., 2011, Dynamic Behavior of a Flexible Machine Tools Structure during Acceleration and Deceleration, Proceedings of 2011 KSPE Fall Conference, 61-62.
Kim, K. H., Lee, J. H., Suh, J., 2010, Laser Scanner-stage on the Fly Technique for High Precision/Ultra Fast/Wide Area Fabrication, Proceedings of 2010 KSME spring Conference, 31-32.
Bae, Y. G., Lee, C. W., Song, J. Y., Park S. S., Jung, Y. S., 2008, Lightweight Picking System of High Speed Inspection System for Semiconductor Package, Proceedings of 2008 KSMTE Spring Conference, 92-97.
Jones, S., Ulsoy, A.G., 1999, An Approach to Control Input Shaping with Application to Coordinate Measuring Machines, ASME J. of Dynamic Systems, Measurement and Control, 121:2 242-247.

상세보기
Park, S. W., Hong, S. W., 2008, Dynamic Modeling and Input Shaping Control of a Positioning Stage, Journal of KSMTE, 17:2 83-89.
Jang, J. W., Park, S. W., Hong, S. W., 2008, Command Generation Method for High-speed and Precise Positioning of XY Stage, Journal of KSPE, 25:10 122-129.
Seo, Y. G., Jang, J.W., 2009, Residual Vibration Reduction of Precise Positioning Stage Using Virtual-Mode Based Input Shapers, Journal of KSMTE, 18:3 255-260.
Kim, H.K, Kwon, O.Y., Bae, G. H., Hong, S. W., 2008, Application of Input Shaping Method for Positioning Stage in Consideration of Base Structure Vibration, Proceedings of 2008 KSMTE Fall Conference, 375-380.
Singhose, W., Seering, W., 2007, Command Generation for Dynamic System, Lulu.com.
Park, S. W., Hong, S. W., 2008, A New Design Method for Multi-mode Input Shapers to Eliminate Residual Vibration in Dynamic Systems, Journal of KSPE, 26:4 100-106.
Seo, Y. G., Bae, G. H., Hong, S. W., 2010, A Study on Residual Vibration Reduction for LCD Manufacturing Machine, Proceedings of 2010 KSMTE Spring Conference, 102-102.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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