[논문]진공예압형 다공질 공기베어링의 압력분포 및 성능해석

김경호; 박천홍

doi:10.7736/kspe.2013.30.12.1327

진공예압형 다공질 공기베어링의 압력분포 및 성능해석
Analysis on the Static Performance of Vacuum-Preloaded Porous Air Bearings 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.30 no.12, 2013년, pp.1327 - 1333

김경호 (한국기계연구원 초정밀시스템연구실) , 박천홍 (한국기계연구원 초정밀시스템연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

Air bearings are widely used in precision stages because of low friction and high motion accuracy, however, they suffer from low stiffness in comparison with rolling bearings or hydrostatic bearings. So, several preloading methods using weight, magnet and vacuum force, and opposing pads have been used to increase the stiffness of the air bearings. In this paper, pressure distributions of the vacuum preloaded porous air bearings are calculated using the proposed method. And then, the load capacity and stiffness are analyzed. For the vacuum preloaded air bearings, the stiffness is increased owing to reduced bearing clearance by vacuum force. The simulation results indicate that variation of vacuum pressure with clearance in the vacuum pocket gives rise to low stiffness, so the vacuum pocket should be designed for pressure to be constantly maintained regardless of the bearing clearance by means of large effective pumping speed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 진공예압형 공기 베어링의 특성을 알아보기 위해서는 부상을 위한 다공질 패드와 흡입력을 위한 진공포켓를 동시에 고려하여 해석해야만 한다. 다공질 패드의 압력분포에 대해서는 이미 많은 연구^3,4가 진행되어 왔으므로, 본 논문에서는 진공 포켓에서의 압력분포 해석 방법을 제안하고, 이를 다공질 공기패드와 결합하여 여러가지 설계변수들에 따른 진공예압형 공기 베어링의 성능특성에 대해 살펴보았다.
본 논문에서는 공기베어링의 강성을 향상시키기 위한 방법으로 진공예압을 적용한 경우, 그 해석방법 및 성능에 대해 분석하였다. 흡인력을 위한 진공포켓의 압력분포를 펌프의 배기속도 등 여러 설계변수들에 의해 계산하였으며, 다공질패드와 결합된 진공예압 공기베어링의 부하용량, 강성 특성에 대해 분석하였다.
본 연구에서는 이 중에서 진공예압방식을 선정 하여, 압력분포 해석을 통해 부하용량 및 강성 특성을 분석하고자 한다. 진공예압은 공기베어링의 어떤 타입에 대해서도 적용 가능하나 본 논문에서는 하나의 예로 다공질 재료(porous media)를 사용한 공기베어링을 대상으로 하였다.

가설 설정

진공예압을 위한 펌프는 고진공이 필요 없으므로 로타리 펌프만으로도 충분하며, 펌프의 배기속도는 사용영역 내에서 일정하다고 가정하였다. 또한 배관의 컨덕턴스를 구할 때, 공기의 점성유동(viscous flow)과 분자유동(molecular flow) 상태를 고려해야 하지만^6-8, 진공예압을 위해서는 고진공 영역이 필요 없으므로 점성유동 상태만을 가정하였다.
진공예압을 위한 펌프는 고진공이 필요 없으므로 로타리 펌프만으로도 충분하며, 펌프의 배기속도는 사용영역 내에서 일정하다고 가정하였다. 또한 배관의 컨덕턴스를 구할 때, 공기의 점성유동(viscous flow)과 분자유동(molecular flow) 상태를 고려해야 하지만^6-8, 진공예압을 위해서는 고진공 영역이 필요 없으므로 점성유동 상태만을 가정하였다.

제안 방법

단, 공급압력에 비해 진공압은 최대 −1 X 10⁵ N/m²이므로 진공압을 무한정 낮추는 것은 불가능하다. 진공압을 결정한 후 흡인력을 맞추기 위해 진공포켓의 면적을 늘리거나, 공간상의 제약에 의해 면적 증가가 불가능하면 다공질패드에 들어가는 공급압력을 낮추어 재설계한다.
6과 같다. 진공포켓 내의 압력에 영향을 미치는 인자로는 펌프의 배기속도, 배관의 직경 및 길이가 있는데, 여기서는 이들을 대신하여 유효배기속도를 도입하였다. 유효배기속도는 배관의 컨덕턴스 및 펌프의 배기속도를 고려하여 진공포켓에 배관없이 직접 펌프가 연결되어 있다고 가정한 배기속도이다.
진공포켓의 압력은 이와 같이 여러변수들의 영향을 받지만, 여기서는 이들 개별 변수 대신 앞서 정의한 유효배기속도를 도입하여 해석을 수행하였다. Fig.
본 논문에서는 공기베어링의 강성을 향상시키기 위한 방법으로 진공예압을 적용한 경우, 그 해석방법 및 성능에 대해 분석하였다. 흡인력을 위한 진공포켓의 압력분포를 펌프의 배기속도 등 여러 설계변수들에 의해 계산하였으며, 다공질패드와 결합된 진공예압 공기베어링의 부하용량, 강성 특성에 대해 분석하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 사용자 설계 타입을 대상으로 하였으며, 해석에 사용된 다공질패드와 진공포켓의 구조를 Fig. 4에서 보여주고 있다. 압축공기가 다공질 재료를 거쳐 10 µm 정도의 작은 간극을 통해 발생한 압력에 의해 테이블이 부상하게 되고, 이들 사이에 위치한 진공포켓 내부에서 진공압을 발생시켜 예압을 가하게 된다.
본 연구에서는 이 중에서 진공예압방식을 선정 하여, 압력분포 해석을 통해 부하용량 및 강성 특성을 분석하고자 한다. 진공예압은 공기베어링의 어떤 타입에 대해서도 적용 가능하나 본 논문에서는 하나의 예로 다공질 재료(porous media)를 사용한 공기베어링을 대상으로 하였다. 진공예압형 공기베어링은 Fig.

이론/모형

진공포켓을 둘러싸고 있는 랜드부의 압력분포는 다공질 패드에서와 마찬가지로 Reynolds 방정식을 적용하여 해석하였다. 최종 계산된 진공예압형 공기베어링의 압력분포는 Fig.

성능/효과

1) 진공예압형 공기베어링에서는 진공포켓에서 형성된 진공압에 의해 흡인력이 발생하므로 평형 간극이 작아짐에 의해 강성은 증가한다.
2) 간극에 대한 진공포켓의 압력 변화는 강성의 저하로 이어지므로, 진공압을 위한 배기 시스템은 유효배기속도를 높이는 방향으로 설계하여 진공포켓 내의 압력을 간극에 관계없이 일정하게 유지해야 한다.
3) 진공예압형 공기베어링은 양면패드 예압 방식에 비해 강성은 낮지만 기존의 단면패드에 진공포켓을 이용하여 예압을 가한 구조이기에 저중심형 평면 스테이지에 적합하다.
10은 유효배기속도에 따라 해석된 진공포켓의 압력 및 이때 발생한 흡인력을 나타낸다. 유효배기속도가 클수록, 또 베어링 간극이 작을수록 진공패드의 압력은 작아지며, 따라서 보다 큰 흡인력이 작용하는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공기베어링 중 진공예압 방식은 무엇인가?	자기예압 방식은 가이드 레일의 자성체와 테이블의 자석 사이에서 발생하는 자력에 의해 예압을 가하는 방법으로, 레일에 자성체를 덧붙여야 하며, 고속으로 구동시와전류에 의한 저항이 발생하는 단점이 있다. 진공예압 방식은 진공압을 이용하여 예압을 가하는 방법으로 저중심 설계가 필요한 평면 스테이지에 적합하다. 그러나 낮은 진공압에 의한 흡인력의 한계 및 진공을 위한 추가 장비가 필요하다는 단점이 있다.
	공기베어링이 초정밀 스테이지에 널리 사용되는 이유는 무엇인가?	초정밀 스테이지에 요구되는 운동정밀도가 높아짐에 따라 안내면의 베어링으로는 공기베어링이 널리 사용되고 있다. 공기베어링은 압축공기에 의해 부상하는 방식으로 공기의 점성이 낮아 마찰과열 발생이 거의 없고 평균화 효과에 인해 레일형상오차 이상의 정밀도를 달성할 수 있기 때문이다.1 그러나 공기막에 의해 부하를 지지하기 때문에 구름베어링이나 유정압 베어링에 비해 강성이 상대적으로 떨어지는 단점이 존재한다.
	공기베어링의 단점은 무엇인가?	공기베어링은 압축공기에 의해 부상하는 방식으로 공기의 점성이 낮아 마찰과열 발생이 거의 없고 평균화 효과에 인해 레일형상오차 이상의 정밀도를 달성할 수 있기 때문이다.1 그러나 공기막에 의해 부하를 지지하기 때문에 구름베어링이나 유정압 베어링에 비해 강성이 상대적으로 떨어지는 단점이 존재한다. 따라서 공기베어링에서는 일반적으로 예압을 가하여 강성을 향상시키고 있다.

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