[논문]4축 구동 유압실린더-클램핑 부하 시스템의 힘 동기제어

조승호

doi:10.7839/ksfc.2014.11.2.009

4축 구동 유압실린더-클램핑 부하 시스템의 힘 동기제어
Force Synchronizing Control for 4 Axes Driven Hydraulic Cylinder-Clamping Load Systems 원문보기

유공압건설기계학회지 = Journal of the Korean Society for Fluid Power and Construction Equipments, v.11 no.2, 2014년, pp.9 - 15

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

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with the issue of force synchronizing control for the clamping servomechanism of injection molding machines. Prior to the controller design, a virtual design model has been developed for the clamping mechanism with hydraulic systems. Then, a synchronizing controller is designed and combined with an adaptive feedforward control in order to accommodate the mismatches between the real plant and the linear model plant used. As a disturbance, the leakage due to the ring gap with relative motion in the cylinder has been introduced. From the robust force tracking simulations, it is shown that a significant reduction in the force synchronizing error is achieved through the use of a proposed control scheme.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

^1-3) 힘 또는 압력의 추적제어는 방진과 차량 능동현가장치와 같은 용도에서 매우 중요하다. 본 연구에서는 직압식 사출성형기의 클램핑 공정을 대상으로 4축 구동 실린더 시스템의 힘 동기제어를 다룬다. 다수의 구동축을 갖는 생산시스템에서, 제품 정밀도 혹은 생산효율을 향상시키기 위해서는 정상상태와 과도상태에서 구동축간의 동기화를 도모할 필요가 있다.

가설 설정

4에 나타나 있다. 제 1축부터 제 4축의 액추에이터-부하계는 각각 파라미터가 다르고 지연이 없는 2차 모델로 가정하였다. 각각의 축에는 다른 축과의 동기화를 도모하여 추종오차를 감소시켜 응답특성의 개선을 도모하기 위하여 AFC를 설계한다.

제안 방법

제 1축부터 제 4축의 액추에이터-부하계는 각각 파라미터가 다르고 지연이 없는 2차 모델로 가정하였다. 각각의 축에는 다른 축과의 동기화를 도모하여 추종오차를 감소시켜 응답특성의 개선을 도모하기 위하여 AFC를 설계한다. 또 축 사이에는 각축의 추종오차로부터 동기상태를 판단하고, 동기오차를 출력하는 동기제어기를 설계한다.
4에 도시되어 있는 블록선도에서 선형 플랜트 모델이 버추얼 디자인 모델로 대체되어 시뮬레이션이 수행된다. 관련 누설정보 입력창의 파라미터 가운데 편심량 (Eccentricity)을 4개의 실린더에서 서로 다르게 설정하였다. 즉, 실린더1 ⟶ 실린더2 ⟶ 실린더3 ⟶ 실린더4에서의 편심량을 0.
본 연구에서는 클램핑 메카니즘의 기하학적 정보를 상용소프트웨어 SimulationX에 내장된 다-물체 시스템(이하 MBS ; Multi-Body System)기법을 활용하여 3D CAD모델링 한다. 그리고 멀티-도메인(Multi-Domain) 시뮬레이션을 통하여 버추얼 디자인(Virtual Design) 모델을 구축한다.
주요 외란 인자로서 4축 구동 실린더에서 발생하는 누설을 서로 다르게 설정하여 동기제어의 필요성을 부각시켰다. 기준 입력신호로서 비례방향 제어 밸브에 진폭 2.08MN, 주파수 1.0Hz의 구형파를 가하였다. 유압실린더의 누설 파라미터 입력창이 Fig.
이를 기초로 동기제어기를 구성한 후, 누설에 대한 동기화 특성 및 힘 추적제어성능을 고찰하였다. 동기제어기 안에서 모든 축사이의 동기오차를 고려하는 크로스 방식을 사용하여 강한 동기화 특성을 구현할 수 있었다. 아울러 적응 피드포워드 제어(AFC)의 결합에 의하여 형체력의 추적제어성능이 현저히 향상되고, 아울러 힘 동기제어 효과도 더욱 증진되었다.
각각의 축에는 다른 축과의 동기화를 도모하여 추종오차를 감소시켜 응답특성의 개선을 도모하기 위하여 AFC를 설계한다. 또 축 사이에는 각축의 추종오차로부터 동기상태를 판단하고, 동기오차를 출력하는 동기제어기를 설계한다. 각축이 동기상태에 있다면 동기오차는 영으로 된다.
다음 단계는 제어기 설계를 위하여 유압실린더-클램핑 부하시스템의 개회로 전달함수를 구하는 일이다. 버추얼 디자인 모델의 비례방향제어밸브에 스텝(Step) 입력을 가하고, 유압 실린더 출력 힘의 파형을 조사하였다. 그 결과가 Fig.
본 연구에서는 단순비례제어에 의하여 클램핑 실린더의 힘 추적제어 성능을 우선 고찰한 후, 여기에 동기제어와 AFC를 차례로 결합하는 방식을 채택하였다. 주요 외란 인자로서 4축 구동 실린더에서 발생하는 누설을 서로 다르게 설정하여 동기제어의 필요성을 부각시켰다.
본 연구에서는 직압식 사출성형기의 4축 구동 클램핑 메카니즘을 MBS기법으로 3D CAD모델링 한 후, 유압시스템과 인터페이스시켜 버추얼 디자인 모델을 구축하였다. 타이바의 인장력을 형체력 형성의 지배적인 부하로 설정한 다음, 시뮬레이션을 통하여 비례 방향제어밸브에의 입력신호와 유압실린더의 출력 힘 사이의 개회로 전달함수를 유도하였다.
6에 나타나 있다. 이들을 이용하여 버추얼 디자인 모델의 성능을 시뮬레이션 하였다. Fig.
타이바의 인장력을 형체력 형성의 지배적인 부하로 설정한 다음, 시뮬레이션을 통하여 비례 방향제어밸브에의 입력신호와 유압실린더의 출력 힘 사이의 개회로 전달함수를 유도하였다. 이를 기초로 동기제어기를 구성한 후, 누설에 대한 동기화 특성 및 힘 추적제어성능을 고찰하였다. 동기제어기 안에서 모든 축사이의 동기오차를 고려하는 크로스 방식을 사용하여 강한 동기화 특성을 구현할 수 있었다.
고정게인(Gain) 제어기는 동특성의 변동에 대처할 수 없으므로 적응 기능을 갖는 제어기가 필요하다. 이를 위하여 응답성의 개선과 외란보상에 유효한 적응 피드포워드 제어기(이하 AFC; Adaptive Feedforward Control)를 4축 구동 시스템에 적용하는 문제를 고찰한다. AFC를 이용한 시스템에 동기오차를 도입하여, 추적오차 뿐만 아니라 동기오차도 영에 수렴시킴으로서 과도상태와 정상상태에서의 동기화를 도모한다.
본 연구에서는 단순비례제어에 의하여 클램핑 실린더의 힘 추적제어 성능을 우선 고찰한 후, 여기에 동기제어와 AFC를 차례로 결합하는 방식을 채택하였다. 주요 외란 인자로서 4축 구동 실린더에서 발생하는 누설을 서로 다르게 설정하여 동기제어의 필요성을 부각시켰다. 기준 입력신호로서 비례방향 제어 밸브에 진폭 2.
관련 누설정보 입력창의 파라미터 가운데 편심량 (Eccentricity)을 4개의 실린더에서 서로 다르게 설정하였다. 즉, 실린더1 ⟶ 실린더2 ⟶ 실린더3 ⟶ 실린더4에서의 편심량을 0.0 ⟶ 0.015 ⟶ 0.030⟶ 0.045로서 변화를 주어 입력하였다. 시뮬레이션에 사용된 제어기 파라미터 값들이 Table 2에 나타나 있다.
본 연구에서는 직압식 사출성형기의 4축 구동 클램핑 메카니즘을 MBS기법으로 3D CAD모델링 한 후, 유압시스템과 인터페이스시켜 버추얼 디자인 모델을 구축하였다. 타이바의 인장력을 형체력 형성의 지배적인 부하로 설정한 다음, 시뮬레이션을 통하여 비례 방향제어밸브에의 입력신호와 유압실린더의 출력 힘 사이의 개회로 전달함수를 유도하였다. 이를 기초로 동기제어기를 구성한 후, 누설에 대한 동기화 특성 및 힘 추적제어성능을 고찰하였다.

대상 데이터

클램핑 메카니즘을 표현하는 3D CAD 모델(Fig. 1)과 이를 구동하기 위한 유압시스템(Fig. 2)이 결합되어, 동기제어를 구현하기 위한 버추얼 디자인 모델이 구성되었다. 시스템 구성에 사용된 주요 부품들의 사양이 Table 1에 나타나 있다.

이론/모형

AFC를 이용한 시스템에 동기오차를 도입하여, 추적오차 뿐만 아니라 동기오차도 영에 수렴시킴으로서 과도상태와 정상상태에서의 동기화를 도모한다. 본 연구에서는 클램핑 메카니즘의 기하학적 정보를 상용소프트웨어 SimulationX에 내장된 다-물체 시스템(이하 MBS ; Multi-Body System)기법을 활용하여 3D CAD모델링 한다. 그리고 멀티-도메인(Multi-Domain) 시뮬레이션을 통하여 버추얼 디자인(Virtual Design) 모델을 구축한다.

성능/효과

따라서 입력파형의 하단부에서의 힘 추적성능을 주목할 필요가 있다. 본 연구에서는 동기제어에 만족하지 않고, AFC의 도입으로 인하여 실린더 누설 하에서 형체력을 향상시킬 수 있음을 보여주었다.
동기제어기 안에서 모든 축사이의 동기오차를 고려하는 크로스 방식을 사용하여 강한 동기화 특성을 구현할 수 있었다. 아울러 적응 피드포워드 제어(AFC)의 결합에 의하여 형체력의 추적제어성능이 현저히 향상되고, 아울러 힘 동기제어 효과도 더욱 증진되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유압시스템이 현대 산업에서 중요한 액추에이터인 이유는?	유압시스템은 단위 중량당 동력비가 높고, 고응답성과 고강성으로 인하여 현대 산업에서 중요한 액추에이터이다. 최근 유압액추에이터의 위치 또는 힘의 제어에 대한 연구는 많은 관심을 끌고 있다.
	방진과 차량 능동현가장치와 같은 용도에서 중요한 것은?	최근 유압액추에이터의 위치 또는 힘의 제어에 대한 연구는 많은 관심을 끌고 있다.1-3) 힘 또는 압력의 추적제어는 방진과 차량 능동현가장치와 같은 용도에서 매우 중요하다. 본 연구에서는 직압식 사출성형기의 클램핑 공정을 대상으로 4축 구동 실린더 시스템의 힘 동기제어를 다룬다.
	직압식 클램핑 유니트의 구조는?	1에 나타나 있다. 가동형판(Moving Platen)이 볼 스크루(Ball-Screw)에 의하여 일정한 위치에 다다르면, 고정형판(Stationary Platen)에 위치한 4개의 유압실린더가 타이바를 인장시켜 850ton의 형체력을 발생시키는 구조이다. 이 형체력을 이용하여 금형이 충분히 조여지면 비로소 용융된 수지가 주입되는 사출공정이 시작된다.

참고문헌 (7)

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D. N. C. Nam, J. I. Yoon, K. K. Ahn, "Position control of Electro hydrostatic actuator (EHA) using a modified back stepping controller," Journal of The Korean Society for Fluid Power & Construction Equipments Vol. 9, No. 3, pp. 16-22, 2012.

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J. S. Kam, D. H. Oh, I. Y. Lee, J. W. Kim, and H. C. Lee, "Synchronization Control of Two Hydraulic Cylinders Using Feedback Linearization Compensator and Disturbance Observer," Journal of The Korean Society for Fluid Power & Construction Equipments, Vol. 10, No. 3, pp. 14-20, 2013.

원문보기 상세보기
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M. Uchiyama and Y. Nakamura, "Symmetric Hybrid Position/Force Control of Two Cooperating Robot Manipulators, Proceedings of 1988 IEEE International Workshop on Intelligent Robots and Systems," pp. 515-520, 1988.
S. H. Park, J. M . Lee, and J. S. Kim, "Robust control of pressure in a control-cylinder with direct drive valve for the variable displacement axial piston pump," Proc. IMechE, Vol. 223, Part I: J. Systems and Control Engineering, pp. 455-465, 2009.

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H. E. Merritt, "Hydraulic Control Systems," John Wiley & Sons, pp. 145-150, 1966.

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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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