지반 가진 및 상부 수평질량이동 기인 관성력 가진에 대한 제진대의 6-자유도 능동 공압 진동제어

Abstract

정밀장비들의 성능이 환경진동, 특히 지반진동에 민감하다는 것은 이미 널리 알려진 사실이다. 이러한 지반진동을 절연하기 위해서 수동형 공압제진대가 널리 이용되고 있다. 그러나, 수동형 제진대는 몇 가지 단점이 있다. 그 첫 번째는 저주파에서 지반진동을 증폭시키는 공진현상이 있다는 점이며, 다른 한 가지는 정밀장비 내부 질량 이동에 의해서 발생하는 과도응답의 정착시간이 길다는 점이다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 시간지연 제어기법을 이용한 3-자유도 능동형 공압제진대가 개발이 되었으며, 수직 방향 자유도에 대해서 좋은 성능을 나타내었다. 그러나, 3-자유도 능동형 제진대는 수평 지반진동 또는 수평 상부 가진에 취약하다는 단점을 가진다. 따라서, 본 연구에서는 수직 방향 뿐만 아니라 수평 방향 지반진동 및 상부 가진을 절연하기 위한 6-자유도 능동형 공압제진대를 개발하였다. 본 연구에서는 수직/수평 지반진동을 절여하고자 시간지연 제어기법을 이용한 6-자유도 능동형 공압제진대를 개발하였다. 또한, 상부 이동질량에 의해 발생하는 관성력을 절연하기 위한 관성력 보상법을 제안하였으며, 마지막으로 그 성능을 모사실험 및 실험을 통해서 검증하였다. 자세하게 기술하면, 제진대의 6-자유도 제어를 위해 수직/수평 구동이 가능한 공기 스프링을 제작하였으며, 4개의 공기스프링을 이용해 시스템을 구성하였다. 시간지연 제어기법을 이용하여 제진대 정반의 6-자유도 강체 운동을 제어하였으며, 지반진동에 대한 절연성능을 전달율 행렬의 특이치를 이용하여 평가하였다. 6-자유도 제진대는 다입력/다출력 계이며, 그 절연성능은 1-자유도 계에 적용되는 전달율로 평가를 할 수가 없다. 그 성능은 전달율 행렬로 표현이 되나, 이는 한 계의 성능지표로는 너무 복잡하다. 따라서, 전달율 행렬의 최대 특이치를 절연 성능 지표로 제안하였으며, 그 물리적 의미를 설명하였다. 특이치는 제진대 한 모드의 전달율을 나타내며, 이 때 왼쪽 특이 벡터는 출력 형상을 나타내고 오른쪽 특이 벡터는 입력 형상을 나타낸다. 3-자유도 능동형 제진대는 수평방향과 관련된 모드는 제어할 수 없는 반면에, 6-자유도 능동형 제진대는 수직/수평 방향 모두 뛰어난 지반 진동 절연성능을 나타내었다. 수동형, 3-자유도 능동형, 6-자유도 능동형의 최대 특이치는 각각 42.8, 15.7, 2.9이다. 상부 이동질량에 의해 발생하는 과도응답을 줄이고자 본 연구에서는 관성력 보상법을 제안하였다. 이송부의 움직임은 일반적으로 사용자기 지정해주기 때문에, 제진대에 대한 이송부의 상대 운동은 알고 있다고 할 수 있으며, 제진대의 절대 운동은 측정이 가능하다. 이 두 정보를 이용하면 이송부의 절대 가속도를 알 수 있고, 여기에 이송부의 질량을 곱하여 제진대에 가해지는 관성력을 계산할 수 있다. 이 관성력을 반대로 제진대에 가해주면, 이상적인 경우 제진대에 과도응답이 발생조차 하지 않게 된다. 보상법의 성능을 실험을 통해 검증하였다. 이상적인 경우처럼 완벽히 과도응답을 제거하지는 못하나, 과도응답의 크기를 크게 줄일 수 있었으며, 정착시간 역시 크게 감소하였다. 수동형과 시간지연 제어기법만을 적용한 경우의 정착시간은 각각 2.0초와 0.3초인 반면에 관성력 보상법이 추가로 적용된 경우의 정착시간은 몇 가지 경우를 제외하고는 0.0초였다. 예외의 경우도 정착시간은 0.1초 이하로 나타났다.