KR20110055213A

KR20110055213A - 통합제진시스템 및 이를 이용한 진동제어방법

Info

Publication number: KR20110055213A
Application number: KR1020090112148A
Authority: KR
Inventors: 이홍기; 이규섭
Original assignee: 알엠에스테크놀러지(주)
Priority date: 2009-11-19
Filing date: 2009-11-19
Publication date: 2011-05-25

Abstract

본 발명은 진동제어 기술에 관한 것으로서, 좀 더 자세하게는 능동진동제어수단과 반능동진동제어수단을 함께 이용하여 정밀하게 진동을 제어하는 기술에 관한 것이다.

본 발명의 통합제진시스템은 장비를 탑재할 수 있는 제진대, 다수 개소에서 제진대를 지지하고 있는 것으로서 방진마운트와 MR댐퍼 그리고 액추에이터로 구성되는 진동제어장치, 상기 제진대에 부착되는 진동감지센서, 그리고 진동감지센서에서 감지한 진동 신호에 따라 진동제어장치의 MR댐퍼와 액추에이터를 제어하는 컨트롤러로 구성된다. 그리고 본 발명의 진동제어방법은 진동감지센서로 제진대의 진동을 감지하는 진동감지단계, 감지된 진동을 주파수 별로 진폭을 분석하는 신호분석단계, 일정 주파수 이하의 저주파수 진동의 진폭이 일정 이상을 초과하면 MR댐퍼에 전기를 공급하여 진동을 강제로 정지시키고 전체 진동의 진폭이 일정 이하이면 MR댐퍼에 전기를 차단하여 MR댐퍼의 기능을 정지시키는 대진동제어단계, 그리고 일정 주파수 이하의 저주파수의 진동에 대하여 진동방향과 반대방향으로 힘을 가하여 저주파수 진동을 제어하는 능동진동제어단계로 구성된다.

진동, 수동진동제어, 능동진동제어, 반능동진동제어, MR댐퍼, 액추에이터.

Description

통합제진시스템 및 이를 이용한 진동제어방법{Integrated Vibration Control System and Vibration Control Method Using the System}

반도체 제조 장비, 정밀 검사 장비 등은 아주 정숙한 진동 환경에서 운용되는데, 이들 장비의 주변에 설치된 모터, 팬, 펌프 등의 진동유발 기계에서 발생한 진동, 심지어 주변 지역으로 사람 보행시 발생하는 진동 등 미세한 진동도, 장비가 설치된 건물의 바닥 구조체를 통하여 장비에 전달되어 이들 정밀 장비의 운용에 나쁜 영향을 미칠 수 있다. 따라서 이러한 정밀 장비들은 주변의 진동 환경으로부터 완벽하게 분리해 주는 방진 장치를 이용하여 설치되어야 한다.

또한 대부분의 장비들은 자체에 모터, 직선운동장치 등의 진동원을 가지고 있으므로, 장비 자체의 진동원에 의한 장비의 진동을 최소한으로 해야한다.

일반적으로 장비를 탄성지지하여 주변의 진동이 장비로 전달되지 못하게 하 거나, 장비에서 발생한 진동이 주변으로 전달되지 못하게 하는 것을 "방진"이라고 하고, 장비의 진동을 일정 수준으로 조절하는 것을 "제진(制振)"이라 하는데, 방진의 목적이 제진인 경우가 대부분이므로, 본 명세서에서는 이들을 통칭하여 "제진"이하 칭한다.

제진 방법으로는 장비를 스프링 상수가 낮은 방진마운트를 사용하여 지지하여, 즉 고유진동수가 낮은 진동시스템으로 구성하여 장비를 주변 진동환경으로부터 분리하는 방법인 수동제진(Passive Vibration Control) 방법이 있다. 이 수동제진 방법은 진동시스템의 고유진동수를 낮게 할수록 방진 효과가 커지게 되는데, 진동시스템의 고유진동수를 무한정으로 낮게 하는 것이 불가능하다. 따라서 수동제진 방법은 주파수가 높은 진동인 고주파 진동의 제어에는 아주 효과가 좋으나, 주파수가 낮은 진동인 저주파 진동에 대해서는 효과가 제한적인 문제점이 있다.

또 다른 제진 방법으로 방진 대상인 장비에 액추에이터와 진동감지센서를 부착하여, 장비의 진동을 감지하고 진동운동의 방향과 반대방향으로 힘을 가하도록 액추에이터를 제어하여 장비의 진동을 억제하는 능동제진(Active Vibration Control) 방법이 있다. 이러한 능동제진 방법은 방진성능을 유지하기 위하여 비접촉 방식의 액추에이터를 사용하여야 하나 비접촉 방식은 접촉방식에 비하여 고주파 영역으로 갈수록 제어력이 급격히 감소하는 단점이 있다. 따라서 능동제어 방식은 주파수가 낮은 진동인 저주파 진동의 제어에는 아주 효과가 좋으나, 주파수가 높은 진동인 고주파 진동에 대해서는 효과가 제한적인 문제점이 있다.

국내 등록특허 10-0811828호의 "MR댐퍼를 이용한 고정밀장비 방진용 모션 컨 트롤러 및 이를 이용한 운동제어시스템"은 방진 대상 장비에 진동감지센서와 MR댐퍼를 구비한 방진마운트인 모션컨트롤러를 부착한 반능동제진(Semi-Active Vibration Control) 방법을 제시하고 있다.

MR댐퍼는 자기유체(Magneto-Rheological Fluid, 이하 MR유체라 칭함)가 충진되어 있는 실린더에 오리피스가 형성된 피스톤을 구비하고, 실린더의 주변에 자기장을 형성할 수 있는 코일을 구비하여, 코일에 전기가 흐를 때는 MR유체의 점성이 높아져서 운동 저항력이 커지고, 코일에 전기가 흐르지 않을 때는 MR유체의 점성이 낮아져서 운동 저항력이 작은 가변 댐퍼이다. 제진 장치에 이와 같은 MR댐퍼를 사용할 경우, 장비가 정상적으로 장비가 운용될 때는 댐퍼의 코일뭉치에 전기가 공급되지 않아 장비가 스프링만으로 지지되는 수동방진 시스템이 되고, 장비의 진동이 일정 수준 이상으로 클 경우 MR댐퍼를 작동하여 진동운동을 강제로 정지시키는 방법으로 장비의 진동을 제어한다. MR댐퍼는 소형 구조로 높은 제어 감쇠력을 발생시킬 수 있어 천이 진동(Transient Vibration, "과도 진동"이라고도 함.)과 같은 큰 진폭의 제어에 효과적이다.

그러나 상기와 같은 반능동제진 방법은 큰 진폭의 진동을 제어하는 데는 아주 효과적이나, 작은 진폭의 진동을 제어하는 데는 한계가 있다. 따라서 반능동제진 방법은 아주 낮은 진폭의 미진동을 제어하는 데는 일정한 한계가 있다.

통상적으로 장비에서 발생하는 진동, 특히 충격성 외력에 의하여 발생하는 진동은 여러 가지 주파수 성분이 모두 포함되어 있는 복합진동인데, 장비의 진동을 제어하기 위하여 지금까지 고안된 수동제진방법, 능동제진방법, 그리고 반능동제진 방법 등은 모두 정밀한 진동제어를 하는 데는 한계가 있다.

즉 수동제진 방법은 저주파수의 진동 제어에 한계가 있을 뿐만 아니라 장비 자체의 진동원에 의한 진동은 제어가 불가능하여, 향후 더욱 정밀한 진동제어를 요구하는 방진 또는 제진시스템을 구성하기 위해서는 능동제진 혹은 반능동제진 방법의 적용이 대안으로 제시되고 있다. 능동제진 방법에 사용되는 액추에이터는 기본적으로 방진성능의 저하를 막기 위하여 비접촉 구조를 가져야 하나 이러한 액추에이터들은 크기에 비하여 제어력이 작아 미세한 진동제어 성능은 우수하나 천이 진동과 같은 큰 진동을 제어하기 위해서는 작동기의 크기가 커지고 제품의 가격이 매우 높은 단점이 있다. 반면에 반능동제어형인 MR 댐퍼는 소형 구조로 큰 제어 감쇠력을 얻을 수 있는 장점이 있다.

따라서 아주 민감한 정밀장비의 진동을 제어하기 위하여, 저주파수 진동과 고주파수 진동, 그리고 비정상적으로 큰 진폭의 진동을 모두 제어할 수 있는 방법과 이러한 방법을 구현할 수 있는 통합제진시스템이 필요하다.

본 발명의 통합제진시스템은 장비를 탑재할 수 있는 제진대, 다수 개소에서 제진대를 지지하고 있는 것으로서 방진마운트와 MR댐퍼 그리고 액추에이터로 구성되는 진동제어장치, 상기 제진대에 부착되는 진동감지센서, 그리고 진동감지센서에서 감지한 진동 신호에 따라 진동제어장치의 MR댐퍼와 액추에이터를 제어하는 컨트롤러로 구성된다.

그리고 본 발명의 진동제어방법은 진동감지센서로 제진대의 진동을 감지하는 진동감지단계, 감지된 진동을 주파수 별로 진폭을 분석하는 신호분석단계, 일정 주파수 이하의 저주파수 진동의 진폭이 일정 이상을 초과하면 MR댐퍼에 전기를 공급하여 진동을 강제로 정지시키고 전체 진동의 진폭이 일정 이하이면 MR댐퍼에 전기를 차단하여 MR댐퍼의 기능을 정지시키는 대진동제어단계, 일정 주파수 이하의 저주파수의 진동에 대하여 진동방향과 반대방향으로 힘을 가하여 저주파수 진동을 제어하는 능동진동제어단계로 구성된다.

본 발명의 통합제진 시스템은 진폭이 큰 저주파수의 진동은 MR댐퍼를 작동시켜 반능동제진 방법으로 진동운동을 강제로 구속하고, 그리고 진폭이 작은 저주파수의 진동은 액추에이터를 작동시켜 능동진동제어 방법으로 진동을 제어하고, 고주파수의 진동은 방진마운트에 의하여 수동제진 방법으로 진동을 차단한다.

따라서 본 발명의 통합제진 시스템은 주변에서 전달되는 고주파수의 진동은 차단되고, 주변에서 전달되는 저주파수의 진동과 장비 자체의 진동원에 의하여 발 생한 장비의 저주파수의 진동은 능동적으로 제어하여 모든 주파수의 진동을 효과적으로 제어할 수 있다.

특히 MR댐퍼를 사용한 반능동제진 방법을 병행함으로써, 큰 진폭의 저주파수 진동을 MR댐퍼로 강제로 구속하고 액추에이터는 작은 진폭의 저주파수 진동만을 제어할 수 있게 한다. 이와 같이 액추에이터가 작은 진폭의 진동만을 제어하게 할 경우, 액추에이터의 구동력이 작아도 되므로 소형의 액추에이터를 사용할 수 있고 제어가 용이하다.

본 발명의 통합제진시스템은 도 1에 도시한 바와 같이, 장비를 탑재할 수 있는 제진대(1), 다수 개소에서 제진대를 지지하고 있는 것으로서 방진마운트(21)와 MR댐퍼(22) 그리고 액추에이터(23)로 구성되는 진동제어장치(2), 상기 제진대에 부착되는 진동감지센서(3), 그리고 진동감지센서에서 감지한 진동 신호에 따라 진동제어장치의 MR댐퍼와 액추에이터를 제어하는 컨트롤러(4)로 구성된다.

제진대(1)는 상부에 진동제어의 대상이 되는 장비가 탑재되는 블록으로서, 충분한 크기의 질량(장비 질량의 3배 이상이 바람직하다.)을 가지도록 제작된다. 제진대의 질량이 클수록 장비 자체의 진동원에 의한 진동응답의 크기를 줄일 수 있다. 이 제진대(1)는 그 위에 탑재된 장비의 질량과 더불어 진동시스템의 질량으로 작용한다.

진동제어장치(2)는 장비가 설치되는 구조체의 진동이 장비로 전달되는 것을 차단하는 방진마운트(21), 비정상적으로 큰 제진대(1)의 진동을 강제로 구속하여 진동을 정지시키는 MR댐퍼(22), 그리고 제진대의 저주파수 진동을 제어하는 액추에이터(23)로 구성된다. 이 진동제어장치(2)의 각 구성품인 방진마운트(21)와 MR댐퍼(22) 그리고 액추에이터(23)는 각각 일단은 상기 제진대(1)의 하부에 고정되고, 타단은 장비가 설치되는 건물 구조체에 고정되어 제진대(1)를 지지하는데, 제진대(1)의 중량과 크기에 따라 4개소 이상 다수 개소에 설치된다.

방진마운트(21)는 금속스프링 또는 에어스프링과 같은 탄성체의 상부와 하부에 진동제어대상인 장비와 장비가 설치되는 건물의 바닥에 고정할 수 있는 브래킷을 구비한 것으로서, 장비를 탄성적으로 지지하는 역할을 한다. 방진마운트의 탄성체의 스프링상수가 낮을수록 진동시스템의 고유진동수가 낮아지고, 진동시스템의 고유진동수가 낮을수록 방진효과가 크다. 따라서 충분한 정도로 방진을 하려면 스프링상수가 낮은 탄성체를 사용하는 것이 좋다.

통상적인 방진마운트에는 금속코일스프링 또는 에어스프링이 사용되는데, 금속코일스프링의 경우 외부에서 전달되는 진동 성분 중 스프링 자체의 고유진동수와 일치하는 진동성분이 공진에 의하여 진동이 크게 증폭되는 서징(Surging) 현상이 발생하는 경우가 있다. 이와 같은 서징 현상은 비교적 높은 주파수에서 발생하여 고주파수의 진동은 잘 차단되지 않거나 오히려 증폭시키는 문제가 있으므로 정밀한 진동의 제어에는 적당하지 못하다.

에어스프링은 탄성이 있는 고무막에 일정한 압력으로 공기를 충진한 것인데, 서징 현상이 발생하지 않을 뿐만 아니라 충진되는 공기의 압력을 낮게 하여 스프랑 상수를 아주 낮게 할 수 있으므로 방진효과를 크게 할 수 있어 정밀 진동제어에 적당하다.

MR댐퍼(22)는 도 2에 도시한 바와 같이, 실린더, 오리피스가 있는 피스톤, 피스톤에 결합된 로드, 그리고 피스톤에 감긴 코일로 구성되고, 실린더의 내부에는 자기유변유체(Magneto-Rheological Fluid, MR유체, 이하 본 명세서에서도 "MR유체"라 칭한다.)가 충진된다. 이와 같은 MR댐퍼는 상용품(미국 LOAD사, 모델번호 : RD-1005-3 등)으로 시판되고 있으므로 적당한 규격의 것을 선택하여 사용할 수 있다.

MR댐퍼(22)의 내부에 충진되는 자기유변유체는 주변 자기장의 세기에 따라 유체의 점성이 변하는 유체인데, 코일에 전기가 흘러 자기장이 형성되면 유체의 점성이 증가하여 오리피스를 통과할 때 큰 저항력을 유발하여 댐핑계수가 큰 댐퍼가 되고, 전기가 흐르지 않으면 유체의 점성이 낮아 댐핑계수가 작은 댐퍼가 된다. 즉 MR댐퍼는 코일에 흐르는 전류의 세기에 따라 댐핑계수를 조절할 수 있는 가변댐퍼이다.

본 발명의 MR댐퍼(22)는 필요시에 MR댐퍼의 코일에 아주 강한 전기를 흐르게 하여 MR유체의 점도를 아주 높힘으로써, 제진대(1)가 일정 이상으로 크게 진동할 때 진동을 강제로 구속하는 역할을 한다.

액추에이터(23)는 임의의 방향으로 힘을 가할 수 있는 구성품으로서, 전기를 이용하는 전기액추에이터, 압축공기를 이용하는 공압액추에이터, 압축유를 이용하는 유압액추에이터 등을 사용할 수 있는데, 힘의 크기와 방향을 자유롭게 제어할 수 있는 전기액추에이터가 적당하다.

국내 등록특허 10-0811828호의 "MR댐퍼를 이용한 고정밀장비 방진용 모션컨트롤러 및 이를 이용한 운동제어시스템"에는 상기 방진마운트(21)와 MR댐퍼(22)가 하나로 통합된 모션컨트롤러(24)가 기재되어 있다. 이 모션컨트롤러는 도 3에 도시한 바와 같이, 에어스프링을 이용한 방진마운트(21)의 내부에 MR댐퍼(22)가 장착되어 있는 형태인데, 이와 같은 모션컨트롤러(24)를 사용할 경우, 설치가 용이하고 설치장소를 적게 차지하여 편리하다.

진동감지센서(3)는 상기 제진대(1)에 다수 개가 부착되어 제진대의 진동을 감지한다. 진동감지센서는 여러 가지가 있으나, 피에조소자를 이용한 진동가속도계를 사용하는 것이 편리하다.

컨트롤러(4)는 진동감지센서(3)에서 감지한 제진대(1)의 진동 상태에 따라 상기 MR댐퍼(22)와 액추에이터(23)를 구동하는 역할을 한다. 컨트롤러(4)는 각 진동감지센서(3)가 감지한 진동신호를 받아서 이를 주파수 분석을 하여 진동의 주파수별 진폭을 분석하고, 이와 같이 주파수 분석이 된 진동의 상태에 따라 MR댐퍼(22)와 액추에이터(23)를 구동하는 신호를 생성하여 MR댐퍼(22)와 액추에이터(23)로 송출한다. 현재 이와 같은 기능을 하는 컨트롤러는 진동제어분야에 통상의 지식을 보유한 자가 용이하게 구성할 수 있다.

상기와 같이 구성된 통합제진시스템을 이용하여 다음의 단계를 순차적으로 실행하여 제진대(1)의 진동을 제어하고, 궁극적으로는 제진대 위에 장착된 장비의 진동을 제어한다.

제1단계는 진동감지단계로서, 진동감지센서(3)으로 제진대의 진동을 측정하 는 단계이다. 제진대(1)의 다수 개소에 부착된 각 진동감지센서(3)는 감지된 진동신호를 실시간으로 컨트롤러(4)로 송출한다.

제2단계는 신호분석단계로서, 상기 진동감지단계에서 감지된 진동신호를 주파수 별로 진폭을 실시간으로 분석하여, 진동신호를 제어에 필요한 신호로 가공하는 단계이다. 주파수 분석은 FFT(Fast Fourier Transformation) 분석을 하는 것인데, 이와 같은 주파수분석을 하는 FFT모듈이 시판되고 있다.

제3단계는 대진동제어단계로서, 상기 신호분석단계에서 분석한 진동의 진폭이 일정 이상을 초과하면 MR댐퍼(22)에 전기를 공급하여 진동을 강제로 정지시키고, 진동의 진폭이 일정 이하이면 MR댐퍼에 전기를 차단하여 MR댐퍼의 기능을 정지시키는 단계이다.

제4단계는 능동진동제어단계로서, 상기 대진동제어단계를 거쳐 제진대(1)의 진동 진폭이 일정 수준 이하로 낮아진 상태에서 액추에이터(23)를 구동하여 진동방향과 반대방향으로 힘을 가하여 능동적으로 진동을 제어하는 단계이다. 능동진동제어 방법으로는 주파수가 높은 고주파 진동은 제어가 잘 되지 않으므로, 주로 저주파수의 진동이 제어된다.

제진대(1)의 질량이 충분히 크고, 에어스프링을 이용한 방진마운트(21)의 내부 공기압력이 적절할 경우, 고주파수 진동성분은 방진마운트(21)에 의하여 차단되어 거의 나타나지 않고 능동진동제어방법으로 제어가 가능한 저주파수 진동성분만 남게 되므로, 상기 제4단계의 능동진동제어단계를 거치면 제진대(1)와 그 위에 탑재된 장비의 진동이 완벽하게 제어된다.

본 발명의 통합제진시스템 및 이를 이용한 진동제어방법은 아주 정숙한 진동환경에서 사용되는 정밀장비의 진동제어에 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명인 통합제진시스템의 구성도이다.

도 2는 MR댐퍼의 구성도이다.

도 3은 MR댐퍼가 내장된 방진마운트의 구성도이다.

<중요 구성품 번호>

1 : 제진대, 2 : 진동제어장치, 3 : 진동감지센서, 4 : 컨트롤러,

21 : 방진마운트, 22 : MR댐퍼, 23 : 액추에이터, 24 : 모션컨트롤러

Claims

장비를 탑재할 수 있는 제진대(1);

상기 제진대(1)의 하부에 부착되고 장비가 설치되는 건물 구조체에 고정되어 제진대를 지지하고 있는 것으로서, 탄성체의 상부와 하부에 장비 및 건물의 바닥에 고정할 수 있는 브래킷을 구비한 방진마운트(21), 실린더와 오리피스가 있는 피스톤과 피스톤에 결합된 로드 그리고 피스톤에 감긴 코일로 구성되고 실린더의 내부에는 MR유체가 충진된 MR댐퍼(22), 그리고 상기 제진대(1)에 임의의 방향으로 힘을 가할 수 있는 액추에이터(23)로 구성되는 진동제어장치(2);

제진대(1)의 진동을 감지하는 진동감지센서(3);

그리고 진동감지센서에서 감지한 진동 신호에 따라 진동제어장치의 MR댐퍼(22)와 액추에이터(23)를 제어하는 컨트롤러(4);

를 포함하는, 통합제진시스템.
제1항에 있어서,

상기 방진마운트(21)의 탄성체는 에어스프링인 것을 특징으로 하는, 통합제진시스템.
제1항에 있어서,

상기 액추에이터(23)는 전기액추에이터인 것을 특징으로 하는, 통합제진시스 템.
제1항의 통합제진시스템에 있어서, 다음의 단계를 순차적으로 실행하여 진동을 제어하는 방법

제1단계 : 진동감지센서(3)로 제진대(1)의 진동을 측정하여 감지된 진동신호를 실시간으로 컨트롤러(4)로 송출하는, 진동감지단계;

제2단계 : 진동감지단계에서 감지된 진동신호를 실시간으로 주파수분석을 하여, 진동신호를 제어에 필요한 신호로 가공하는, 신호분석단계,

제3단계 : 상기 신호분석단계에서 분석한 진동의 진폭이 일정 이상을 초과하면 MR댐퍼(22)에 전기를 공급하여 진동을 강제로 정지시키고, 진동의 진폭이 일정 이하이면 MR댐퍼에 전기를 차단하여 MR댐퍼의 기능을 정지시키는, 대진동제어단계;

제4단계 : 상기 대진동제어단계를 거쳐 제진대(1)의 진동 진폭이 일정 수준 이하로 낮아진 상태에서 액추에이터(23)를 구동하여 진동방향과 반대방향으로 제진대(1)에 힘을 가하여 능동적으로 진동을 제어하는, 능동진동제어단계;