[논문]유압실린더-토글 서보 메카니즘의 모델링 및 운동제어

조승호

doi:10.7839/ksfc.2013.10.3.021

유압실린더-토글 서보 메카니즘의 모델링 및 운동제어
Modeling and Motion Control for Hydraulic Cylinder-Toggle Servomechanism 원문보기

유공압건설기계학회지 = Journal of the Korean Society for Fluid Power and Construction Equipments, v.10 no.3, 2013년, pp.21 - 26

조승호 (Department of Mechanical and System Design Engineering, Hongik University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a robust motion tracking control of a cylinder-toggle servomechanism for injection molding machines. Virtual design model has been developed for a five-point type toggle mechanism. A sliding function is defined and combined with PID control to accommodate mismatches between the real plant and the linear model used. From tracking control simulations, it is shown that significant reduction in position tracking error is achieved with clamping force build-up through the use of proposed control scheme.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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가설 설정

4를 기초로 AC서보모터의 입력전압과 피스톤 속도 사이의 개회로 전달함수를 구하면 식(1)과 같다. AC서보모터의 동특성이 실린더-토글 메카니즘부하에 비하여 매우 빠르다는 가정하에 비례요소로 모델링 하였다.
단순화된 선형모델을 유도하기 위한 이상 조건으로서 공급압력은 일정하고, 압력과 위치에 따른 캐비테이션은 무시하였다. 임의의 작동점에서 마찰계수가 일정하다고 가정 하였다. 피스톤변위에 따라 변하는 토글의 질량부하를 나타내기 위하여 등가질량(reduced mass; m_red)을 도입하였다.

제안 방법

이때 가동 형판의 속도와 위치도 아울러 고찰하였다. AC서보모터에 주파수 1Hz의 구형파(square wave)를 진폭에 변화를 주어 가하였다. 진폭이 2배정도 차이가 나도록 가하여 과도상태와 정상상태를 비교하기 용이하게 하였다.
Fig. 7에서 AC서보모터에의 입력진폭이 200rpm일 때의 개회로 응답파형을 분석하여, 고유진동수(ωn)=5Hz, 감쇠비(ζ)=0.3, 그리고 개회로 게인(Kv)=0.1218(m/s)/ Volt의 2차 시스템으로 근사화 하였다.
시뮬레이션은 크게 나누어 개회로와 폐회로를 대상으로 하여 수행하였다. 개회로 시뮬레이션은 AC 서보모터에 입력을 가하여 Fig. 2의 C점, 즉 크로스 헤드의 속도와 위치를 고찰하는 과정이다. 이때 가동 형판의 속도와 위치도 아울러 고찰하였다.
사출성형 공정에서 클램프 실린더는 다양한 작동 조건하에서 작업이 수행되도록 요구된다. 따라서 강인한 추적 제어 성능이 요구되므로 PID제어와 슬라이딩 모드를 결합하는 방식을 도입하였다. 토글 메카니즘의 크로스헤드와 가동형판의 속도, 변위응답 특성을 고찰하기 위하여, 개회로 시뮬레이션을 수행하였다.
사출성형 공정 동안에 클램프 실린더는 다양한 조건하에 작업이 수행되도록 요구된다. 따라서 강인한 추적제어 성능을 위하여, PID제어와 슬라이딩모드를 결합하는 방식을 도입한다. 아울러 멀티도메인(multi-domain) 시뮬레이션을 통하여 버츄얼 디자인(virtual design) 모델을 구축한다.
제어시스템에 가해지는 기준(reference) 입력신호가 시변(time varying)일 때 피드백 제어기만으로는 원하는 제어성능을 보장할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 5에 제시되어 있는 것과 같이 이산시간 슬라이딩 함수를 설정하여 추적제어기를 설계하였다. 앞장에서 구한 식(1)로 표현되는 개회로 전달함수를 Z-변환하여 이산시간 전달함수를 구한다.
본 연구에서는 토글 메카니즘을 MBS기법으로 3D CAD모델링 한 후, AC서보모터-정용량형 기어펌프를 사용하는 유압실린더와 인터페이스 시켜 버추얼 디자인 모델을 구축하였다.
9초가 되도록 설정하였다. 서로 다른 운동모드 하에서 추적 성능을 조사하기 위해서 가속 모드, 등속모드, 감속모드, 그리고 정지모드를 결합하여 구성되었다. Fig.
따라서 강인한 추적제어 성능을 위하여, PID제어와 슬라이딩모드를 결합하는 방식을 도입한다. 아울러 멀티도메인(multi-domain) 시뮬레이션을 통하여 버츄얼 디자인(virtual design) 모델을 구축한다.
토글 메카니즘의 크로스헤드와 가동형판의 속도, 변위응답 특성을 고찰하기 위하여, 개회로 시뮬레이션을 수행하였다. 이로부터 전달함수의 설계 파라미터 값을 추출하여 제어기 설계에 이용하였다.
따라서 강인한 추적 제어 성능이 요구되므로 PID제어와 슬라이딩 모드를 결합하는 방식을 도입하였다. 토글 메카니즘의 크로스헤드와 가동형판의 속도, 변위응답 특성을 고찰하기 위하여, 개회로 시뮬레이션을 수행하였다. 이로부터 전달함수의 설계 파라미터 값을 추출하여 제어기 설계에 이용하였다.
96를 추정하였다. 폐회로 응답특성을 고찰하는 시뮬레이션은 PID제어와 PID-Sliding Mode제어로 나누어 실행되었다. 시뮬레이션에 사용된 파라미터 값들이 Table 2에 나타나있다.
임의의 작동점에서 마찰계수가 일정하다고 가정 하였다. 피스톤변위에 따라 변하는 토글의 질량부하를 나타내기 위하여 등가질량(reduced mass; m_red)을 도입하였다. 주요 파라미터들이 Table 1에 나타나 있다.

대상 데이터

시뮬레이션은 크게 나누어 개회로와 폐회로를 대상으로 하여 수행하였다. 개회로 시뮬레이션은 AC 서보모터에 입력을 가하여 Fig.
1에 나타나있다. 클램프 액추에이터, 즉 유압실린더와 토글 메카니즘이 주요 고찰 대상이다. 토글 메카니즘에 대한 도식적 표현과 MBS에 의하여 구현된 3D CAD모델이 Fig.

이론/모형

동특성을 해석하기 위한 수식들에는 강한 비선형성들이 커플링되어 나타나므로 산업 응용에는 한계가 따랐다. 본 연구에서는 토글 메카니즘의 기하학적 정보를 상용소프트웨어 SimulationX에 내장된 다-물체 시스템(이하 MBS; multi-body system)기법을 활용하여 3D CAD 모델링 한다. 한편 원유가격의 영향과 이산화탄소 규제 등으로 인하여, 에너지 절약형 사출성형 구동장치에 많은 관심이 집중되고 있다^3～4).

성능/효과

이는 토글 메카니즘에 내재된 증폭특성에 기인하는 것으로 고속사출성형을 구현하는데 필수불가결한 요소이다. PID-Sliding Mode제어가 PID제어에 비해 응답이 빠르고, 추적성능이 우수함을 보여주고 있다. 크로스헤드가 감속운동을 할 때 진동 현상을 보이는 것은 토글 메카니즘과 유압시스템에 내재된 비선형특성에 기인하는 것으로 사료되며, 향후 계속적인 연구가 필요하다.
슬라이딩모드를 결합에 의하여 응답속도를 빠르게 하는 효과가 현저하여, 그 결과 가동형판의 응답성이 향상되고 아울러 형체력이 빠르게 형성되므로 DCT의 단축도 가능하였다.
10에는 크로스헤드의 위치 추적성능과 추력이 함께 도시되어 있다. 폐회로 구성이 기본적으로 속도 피드백 방식으로 구성되었음에도, 위치추적성능도 비교적 우수함을 보여주고 있다. PID-Sliding Mode제어가 PID제어에 비해 응답이 빠르고, 추적성능이 우수하다.

후속연구

PID-Sliding Mode제어가 PID제어에 비해 응답이 빠르고, 추적성능이 우수함을 보여주고 있다. 크로스헤드가 감속운동을 할 때 진동 현상을 보이는 것은 토글 메카니즘과 유압시스템에 내재된 비선형특성에 기인하는 것으로 사료되며, 향후 계속적인 연구가 필요하다. 그러나 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	클램핑 유닛은 어떻게 구성되는가?	클램핑 유닛은 세 개의 부 시스템, 즉, 전기시스템, 유압시스템, 기계적인 토글 메카니즘으로 구성된다. 이를 나타내는 버추얼 디자인 모델이 Fig.
	토글 메카니즘은 어떤 곳에 응용되는가?	토글 메카니즘은 다양한 형태의 기계 메카니즘에 광범위하게 사용된다. 작은 구동력으로 큰 부하를 극복 할 필요가 있는 곳, 즉 펀칭머신, 단조기계, 바위분쇄기, 트럭 테일 게이트(tail gate), 공압식 리벳기, 클러치 등에 많이 응용된다. 토글 메카니즘의 또 다른 중요한 특징은 비교적 낮은 토크 입력으로 슬라이더에서 높은 힘을 발생시키는 능력이다.
	토글 메카니즘은 어떤 특징을 가지고 있는가?	작은 구동력으로 큰 부하를 극복 할 필요가 있는 곳, 즉 펀칭머신, 단조기계, 바위분쇄기, 트럭 테일 게이트(tail gate), 공압식 리벳기, 클러치 등에 많이 응용된다. 토글 메카니즘의 또 다른 중요한 특징은 비교적 낮은 토크 입력으로 슬라이더에서 높은 힘을 발생시키는 능력이다. 토글 메카니즘을 사용한 몰드(mold)-클램핑(clamping) 공정에서 요구되는 추력(thrust)에 대한 연구가 Lin1) 등에 의하여 수행되었다.

참고문헌 (5)

W.Y. Lin, K.M. Hsiao, "Study on improvements of the five-point double-toggle mold clamping mechanism", Proc. Inst. Mech. Engrs., Part C, J. Mech. , 218, pp. 761-753, 2004.

상세보기
R.F. Fung, C.C. Hwang, C.S. Hwang and W.P. Chen, "Inverse dynamics of a toggle mechanism", Computer and Structures, 63, pp. 91-99, 1997.

상세보기
S. Helduser, "Development trends in Electrohydraulic drives and controls", 6th International Fluid Power Conference (IFK), Dresden, Germany, 2, pp. 29-64, 2008.
S. Helduser, "Electric-hydrostatic drive - An innovative energy-saving power and motion control system", Proc. Inst. Mech. Engrs., Part I, Journal of Systems and Control Engineering, 213, pp. 427-437, 1999.

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EUROMAP 6, "Determination of duration of the dry cycle," Version 2.0, pp. 1-5, 2007.

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