KR20210094270A - 이송장비 진동 제어 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 진동 제어 장치는, 이송장비로부터 진동을 감지하여 진동신호를 생성하는 센서와, 진동신호를 상쇄시키는 대응신호를 생성하여 출력하는 제어부와, 대응신호에 대응하여 구동이 이루어지는 액추에이터를 포함하며, 제어부에는 진동신호의 진동 분석 실험을 선행하여 획득한 대응신호가 출력되도록 미리 설계(프로그래밍)된다. 한편, 본 발명에 의한 진동 제어 방법은, 이송장비에서 발생하는 진동신호의 진동 분석 실험을 선행하여 획득한 대응신호가 출력되도록, 회로부(마이크로컨트롤러)에 미리 설계(프로그래밍)된 상태에서, 진동신호의 입력에 대응하여 회로부(마이크로컨트롤러)에서 대응신호를 액추에이터로 출력한다. 본 발명에 따르면, 선행 진동 분석을 수행하므로, 능동 댐핑 키트 내 진동분석기가 불필요하여 부피가 작고 저가인 능동 댐핑 키트를 구성할 수 있을 뿐 아니라, 능동 댐핑 키트 내에서 진동분석을 수행하지 않으므로 진동에 대응한 실시간 대응이 가능하다.

Description

이송장비 진동 제어 장치 및 방법{Apparatus and method for controlling vibrations of the transfer equipment}

본 발명은 이송장비의 진동 제어 기법 및 장치에 관한 것이다. 더 구체적으로는 이송장비의 선행 진동 분석을 통해 진동을 제어할 수 있는 대응신호가 공급될 수 있도록 프로그래밍 하고 센서에서 진동 신호가 감지되면 대응신호를 액추에이터에 공급하여 진동을 제어하는 진동 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

진동 제어는, 설계 단계에서 구조물의 특성을 분석(실험 및 시뮬레이션)하여 공진과 진동의 전달을 억제하는 방법이 가장 효과적이다.

도 1은 구조물/장비 안정화 설계 프로세스와 진동 분석 과정을 나타낸 설명도이다.

도 1을 참고하면, 실험과 시뮬레이션을 통하여 이송장비의 고유진동수와 진동형을 구한 후 두 결과가 일치하고 있음을 확인하는 과정을 거쳐 진동 분석이 완성된다.

진동을 줄이는 장치로는 댐퍼가 가장 널리 사용되고 있으며, 댐퍼는 수동 댐퍼(Passive Damper)와 능동 댐퍼(Active Damper)로 분류된다.

도 2는 수동 댐퍼의 구성도이고, 도 3은 능동 댐퍼의 구성도이다.

도 2 및 도 3을 참고하면, 먼저, 수동 댐퍼는, 스프링이나 진동흡수재를 진동부위에 추가하여 진동하는 물체의 내부 응력, 마찰 에너지를 소산시켜 진동을 흡수하는 장치이다. 그런데, 수동 댐퍼를 설치할 경우 구조물의 강성이 낮아져, 경우에 따라 진동의 전체적인 크기가 더 커질 수도 있으므로, 제품 품질 및 내구성 신뢰도가 저하될 수 있다.

한편, 일반적으로 능동 댐퍼는, 감지된 진동신호를 외부의 제어기(주파수분석기 포함)에 전달하여 진동신호를 분석하고, 이 진동신호를 억제할 수 있는 대응신호를 신호발생기를 통하여 발생시켜 액추에이터로 전달함으로써 진동을 경감시키는 장치이다. 그런데, 주파수분석기를 이용하여 진동신호를 분석하는 과정을 거쳐 진동을 줄이는 방법은 고가의 주파수분석기가(최소 1000만 원 이상) 필수적으로 필요하며, 부피가 큰 외부제어기와 센서 및 액추에이터간의 신호 송수신 과정에 여러 부품(안테나, 배터리, 케이블)이 필요하고, 적당한 신호를 공급하기 위한 신호발생기가 추가되는 단점이 있다.

이 때, 주파수분석기는 진동에 대한 정확한 값을 얻을 수 있는 효과적인 장비이지만, 가격이 고가이며 연산과정이 복잡하여 신호를 분석하는 과정에만 2~4초(시간영역 신호를 주파수영역 신호로 전환하는 시간)의 시간이 소요되어 진동 발생 후 수십 주기(주파수가 10Hz일 경우 20~40주기)가 지난 후에 반응(대응신호의 출력)이 가능해지므로 실시간 진동제어가 불가능하여 제어 효율이 낮은 문제가 있다.

또한, 능동 댐퍼는 능동 댐핑 키트(Kit) 내에서, 진동 분석을 수행하는 경우와 진동 분석을 수행하지 않는 경우로 구분될 수 있다.

도 4는 능동 댐퍼 내에서 진동 분석이 이루어지는 기술들의 제어회로블록도이다.

구체적으로, 좌측은 일본등록특허 제5632701호, "アクティブ除振裝置(액티브제진장치)"의 회로도이고, 우측은 미국등록특허 US7,047,109, "MACHINERY FOR IMPROVING PERFORMANCE IRREGULARITIES ARISING FROM VIBRATIONS"의 회로도로서, 진동 분석을 수행하는 기존 능동 댐퍼의 작동 메커니즘을 나타낸 것이다.

도 4를 참고하면, 이들 기술에서는, 능동 댐핑 키트 내의 주파수분석기를 포함하는 컨트롤 박스 혹은 기타 측정 장비를 통해 진동신호를 분석하여 신호발생기로 역위상의 진동파를 송신한다. 이러한 기존 기술에서 사용된 능동 댐핑 키트 내에 주파수분석 과정이 포함된 능동 댐핑 시스템의 메커니즘을 간단히 요약하면, 센서로 부터 측정된 진동신호를 주파수분석기가 분석하여 유한개의 주파수 성분들을 얻고, 그 신호를 신호발생기가 각각 반대의 위상으로 액추에이터로 공급한다. 이에, 측정된 진동신호와 액추에이터에서 발생된 역신호가 만나 상쇄되어 진동을 완화시키는 것이다.

이 방식의 작동 메커니즘은 아래의 도 5에서와 같이 4가지 단계로 요약할 수 있다.

도 5는 기존 능동 댐퍼의 작동 메커니즘을 파형으로 나타낸 설명도로서, 각 단계에서 아래와 같은 작동이 이루어진다.

- 1 단계 : 센서에서 진동을 측정한다.

- 2 단계 : 센서에서 측정된 시간영역의 신호가 능동 댐핑 키트 내의 주파수분석기에 입력되어 이를 주파수영역의 신호로 전환한다. 이 때, 수학적 연산이 필요한 복잡한 과정을 거치므로 약 2~4초 정도의 시간이 소요된다. 한편, 일반적으로 진동은 무한개의 주파수 성분으로 이루어져 있다. 주파수영역의 그래프를 살펴보면, 여러 피크들이 존재하는데, 그 주파수들이 하나의 진동을 구성하는 주파수 성분들이다.

- 3 단계 : 분석된 유한개의 주파수 성분별 진동신호를 신호발생기에서 각각 발생시켜 반대의 극성으로 역신호를 생성하고, 이 역신호를 액추에이터로 공급한다.

- 4 단계 : 공급된 역신호로 액추에이터를 작동시킨다.

그런데, 상기한 바와 같이, 주파수분석 과정이 능동 댐핑 키트 내에서 수행되면, 진동을 분석하여 복수의 주파수 성분의 파형을 정확하게 분석하고 재생하여 신호를 공급하는 전체 과정에서 긴 시간이 소요되어 실시간 제어가 실질적으로 불가능하고, 능동 댐핑 키트에 포함될 주파수분석기의 가격이 고가이어서(표 1 ; 주파수분석기 가격) 능동 댐퍼의 가격이 매우 높아지는 문제가 있다.

또한, 센서에서 신호를 주파수분석기로 전송하면 주파수분석기가 주파수, 진폭 및 주기를 분석한 후, 신호발생기로 역 진동파를 공급하기 위해서는 유선 혹은 무선 송수신이 필요하므로 와이어, 안테나, 베터리 등의 부품들이 추가로 필요하므로, 배터리 및 안테나 설치의 불편함 때문에 능동 댐핑 키트 부피가 커지고, 이로 인해 일체형 능동댐퍼 구성이 어렵게 된다.

도 6은 능동댐퍼 내에서 진동 분석이 이루어지는 않는 기술의 제어회로블록도이다.

구체적으로, 일본공개특허 특개2009-114821호, "建物用制振裝置(건물용제진장치)"의 회로도이다.

도 6을 참고하면, 이 기술에서는, 측정된 진동신호의 위상 전체를 그대로 반전시켜 진동신호에 대응한다. 이러한 기존 기술에서 사용된 능동 댐핑 키트 내에 주파수분석 과정이 포함되지 않은 능동 댐핑 시스템의 메커니즘을 간단히 요약하면, 센서(1)로부터 신호가 제어부(31, 32)를 통과하여 액추에이터(2)를 구동시켜 이송장비(4)의 진동을 제어한다.

그런데, 이 기술은 이송장비의 신호 전체에 대응하기 때문에 대응신호가 이송장비의 진동과 정반대로 움직여야 하므로, 액추에이터를 이송장비에 부착해야만 한다.

이 방식을 사용하면 대응신호가 진동신호에 대한 정반대의 신호이므로 액추에이터의 작동속도는 이송장비의 고유진동수와 같게 된다. 따라서 액추에이터와 이송장비간 공진이 발생한다. 또한, 신호전체에 대응하기 위하여 무한개의 주파수 성분을 갖는 복잡한 신호의 진동에 대응하는 신호를 발생하는 과정에서 노이즈와 에러의 발생 가능성이 매우 크다. 일반적으로 신호처리는 입력된 신호에 대한 연산인데, 신호가 복잡할수록 신호 처리에 소요되는 시간이 증가한다. 따라서 진동신호가 복잡한 경우에는 딜레이(Delay) 타임이 길어져 실시간으로 정확한 제어가 어려워진다.

도 7은 진동신호 전체에 대하여 역신호를 발생시키는 능동 댐핑 방식에서 딜레이 타임에 의해 발생할 수 있는 문제점을 설명하기 위해 제시한 파형도이다.

도 7을 참고하면, 능동 댐핑 시스템의 액추에이터가 이송장비에 역신호를 가하는 과정에서 발생하는 딜레이 타임이 낮은 주파수와 높은 주파수에 미치는 영향을 살펴보면, 도 7의 (a)는 주파수 성분(10Hz + 100Hz)을 더한 진동신호로서, 도 7의 (a)를 역위상으로 만들어 0.005초의 딜레이 타임을 발생시켜 나타내면 도 7의 (b)와 같이 된다. 0.005초는 100Hz 주파수 기준으로 1/2주기이기 때문에 0.005초 후에는 100Hz 주파수는 같은 위상이 되고, 10Hz의 진동신호는 매우 짧은 딜레이 타임(1/20 주기)이므로 10Hz 주파수는 역신호와 거의 일치하는 신호가 공급된다. 두 신호를 합한 결과에서 낮은 주파수(10Hz) 성분은 역상이 되어 소멸하지만, 높은 주파수 성분(100Hz)은 동상이 되어 두 신호가 합쳐지면서 도 7의 (c)와 같이 진동이 소멸하지 않는다.

한편, 진동신호 전체에 대응하는 또 다른 문제점에 대해 설명한다.

도 8은 원래의 진동신호와 PCB(Printed Circuit Board) 혹은 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)를 통과한 신호를 나타낸 파형도이다.

도 8의 (a)는 진동신호의 파형도이고, 도 8의 (b)는 PCB 통과 후 노이즈 발생 신호의 파형도이다.

도 8을 참고하면, 진동신호(임펄스 진동)가 PCB 통과 후 센서, PCB, 액추에이터 간의 인터페이스(Interface) 문제로 신호에 노이즈가 발생한 것을 확인할 수 있다. 이는 신호의 주파수 성분이 많을수록 발생 가능성이 높아지게 된다. 이러한 노이즈 때문에 작은 신호에도 액추에이터가 반응하여 대응신호 발생 과정에 오류가 많아지게 되고 효율이 낮아지게 된다.

이러한 노이즈를 줄이기 위하여 LPF(Low Pass Filter)를 사용하게 되면 도 9와 같은 현상이 발생한다.

도 9의 (a)는 PCB 신호와 LPF 통과신호를 나타낸 파형도이다. 도 9의 (a)의 위 신호는 PCB를 통과한 신호이고 아래 신호는 노이즈를 제거하기 위해 LPF(Low Pass Filter)를 통과시킨 신호이다. 도 9의 (b)는 LPF 통과신호의 확대도이다.

도 9를 참고하면, 층간소음, 코골이 등에서 발생하는 진동의 주파수는 대부분 10Hz 미만의 저주파이므로, LPF가 낮은 주파수만 통과시켜야 고주파인 노이즈를 제거할 수 있다.

그런데, 신호를 확대해서 살펴보면, PCB 신호의 노이즈 성분은 일부 제거되었으나, LPF 통과로 Delay time(약 50ms, 10Hz 신호의 경우 반주기)이 발생하게 되고, 이후 대응신호가 공급되면 원래 진동신호와 같은 방향으로 공급될 가능성이 있으므로 공진이 발생할 수 있다.

이에, 가격 문제, 실시간 제어 불가능 문제, 부피가 커지는 문제(액추에이터를 이송장비에 일체로 부착), 진동신호 전체에 대응하는 문제(에러 발생, 딜레이 타임) 등을 극복하기 위한 방안이 필요하다할 것이다.

문헌 1. 일본등록특허 제5632701호, "アクティブ除振裝置(액티브제진장치)" 문헌 2. 미국등록특허 US7,047,109, "MACHINERY FOR IMPROVING PERFORMANCE IRREGULARITIES ARISING FROM VIBRATIONS" 문헌 3. 일본공개특허 특개2009-114821호, "建物用制振裝置(건물용제진장치)"

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 이송장비의 선행분석을 통해 최적(?) 대응신호가 공급될 수 있도록 회로를 제작하고 센서에서 신호가 감지되면 대응신호를 액추에이터에 공급하여 진동을 제어할 수 있도록 하는 진동 제어 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 진동 제어 장치는, 바람직하게는 이송장비로부터 진동을 감지하여 진동신호를 생성하는 센서; 상기 진동신호를 상쇄시키는 대응신호를 출력하는 제어부(PCB 혹은 FPCB); 및 상기 대응신호에 대응하여 구동이 이루어지는 액추에이터를 포함하며, 상기 제어부는 진동신호의 진동 분석 실험을 선행하여 획득한 상기 대응신호가 출력되도록 미리 구성되는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 제어부는, 진동신호를 입력받는 입력부; 상기 진동신호를 상쇄시키는 대응신호를 생성하는 회로부(마이크로컨트롤러); 상기 대응신호를 액추에이터로 출력하는 출력부를 포함할 수 있다. 즉, 상기 회로부(마이크로컨트롤러)에는, 진동의 양상별 대응방법, 주파수 성분별 대응신호 생성개수, 대응신호 크기, 대응신호 주기, 대응신호 공급시간, 진폭의 감쇠정도, 필터링 여부 등이 선행 진동분석의 결과를 이용하여 결정된다.

여기에, 상기 액추에이터의 구동 전류량을 조절하는 전류 출력 조절 장치를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 대응신호는 상기 진동신호의 전체에 대응하여 출력될 수 있다. 이 때, 상기 액추에이터는 일체형 능동 댐핑 키트(Kit)에 포함되며, 상기 일체형 능동 댐핑 키트에 포함된 판재와 상기 액추에이터 사이에 진동의 차단을 위하여 수동 댐퍼가 설치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 회로부(마이크로컨트롤러)는, 무한개의 주파수 성분별 진동신호 중에서 가장 큰 진폭순으로 설정개수의 주파수 성분 진동신호에만 대응신호를 생성하는 것이 바람직하다. 상기 설정개수의 주파수 성분은 1 내지 3 범위에서 설정될 수 있다. (1 내지 4혹은 5로 회피특허 가능성은 없나요?)

또한, 상기 회로부(마이크로컨트롤러)는, 상기 진동신호의 (+) 부호 신호 또는 (-) 부호 신호에 대해서만 대응신호를 생성할 수 있다.

그리고, 상기 회로부(마이크로컨트롤러)는, 상기 진동신호의 일부 주기에 대해서만 대응신호를 생성할 수 있다. 여기서, 상기 일부 주기는 1/N 주기이며, N은 양의 정수이다.

상기 액추에이터는 이송장비의 진동방향의 개수에 대응하도록 다수개 설치될 수 있다. 즉 회전축과 같이 여러 방향으로 진동하는 이송장비의 경우에는 복수개의 액추에이터를 이용하여 진동을 제어할 수 있다. 이 때, 상기 액추에이터와 이송장비는 분리되어 설치되는 것이 바람직하다. 상기 액추에이터는 이송장비 이외의 영역에 고정된 고정용 지그에 결합되는 것이 더욱 바람직하다.

한편, 본 발명의 진동 제어 방법은, 바람직하게는 이송장비에서 발생하는 진동신호의 진동 분석 실험을 선행하여 획득한 대응신호가 출력되도록, 회로부(마이크로컨트롤러)에 미리 설계(프로그래밍)된 상태에서, 진동신호의 입력에 대응하여 상기 회로부(마이크로컨트롤러)에서 상기 대응신호를 액추에이터로 출력하는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 설계(프로그래밍)되는 요소는, 진동의 양상별 대응방법, 주파수 성분별 대응신호 생성개수, 대응신호 크기, 대응신호 주기, 대응신호 공급시간, 진폭의 감쇠정도, 필터링 여부 중 적어도 어느 하나 이상일 수 있다.

한편, 상기 대응신호는 상기 진동신호의 전체에 대응하여 출력될 수 있다.

또한, 상기 회로부(마이크로컨트롤러)는, 무한개의 주파수 성분별 진동신호 중에서 가장 큰 진폭순으로 설정개수의 주파수 성분 진동신호에만 대응신호를 생성할 수 있다. 이 때, 상기 설정개수의 주파수 성분은 1 내지 3 범위에서 설정될 수 있다.

또한, 상기 회로부(마이크로컨트롤러)는, 상기 진동신호의 (+) 방향 신호 또는 (-) 방향 신호에 대해서만 대응신호를 생성할 수 있다.

그리고, 상기 회로부(마이크로컨트롤러)는, 상기 진동신호의 일부 주기에 대해서만 대응신호를 생성할 수 있다. 이 때, 상기 일부 주기는 1/N 주기이며, N은 양의 정수이다.

상기 액추에이터는 이송장비의 진동방향에 따라 다수 방향에서 진동을 상쇄시키는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 진동 제어 장치 및 방법에 따르면, 선행 진동 분석을 수행하므로, 능동 댐핑 키트 내 주파수분석기가 불필요하여 부피가 작고 저가인 능동 댐핑 키트를 구성할 수 있을 뿐 아니라, 능동 댐핑 키트 내에서 주파수분석을 수행하지 않으므로 진동에 대한 실시간 대응이 가능하다.

또한, 선행 진동 분석을 수행하므로, 댐퍼 설치 위치, 대응신호 크기, 주파수, 공급시간(1/2 혹은 1/4주기), 공급횟수 등을 포함한 능동댐퍼의 대응신호를 이송장비에 맞게 설정할 수 있으므로, 다양한 모든 환경에 최적화시켜 적용할 수 있다.

그리고, 선행 진동 분석을 수행하여 가장 큰 진동을 갖는 유한개의 주파수 성분에만 대응하도록 함으로써, 회로/액추에이터 구성 및 동작 단순화를 이룰 수 있으며, 제어정확성 및 효율 향상과 에러/딜레이 타임 억제를 달성할 수 있다. 즉, 처리할 신호가 간단하여 처리과정 중 에러/딜레이 타임을 줄여 실시간으로 정확한 대응이 가능하다.

한편, 액추에이터를 이송장비에서 분리하고 액추에이터 구동부와 능동 댐핑 키트 사이에 진동을 절연(Isolation)하도록 설계함으로써, 공진 발생 가능성을 미리 차단하여 정확한 진동 제어가 이루어질 수 있다.

도 1은 구조물/장비 안정화 설계 프로세스와 진동 분석 과정을 나타낸 설명도이다.
도 2는 수동 댐퍼의 구성도이다.
도 3은 능동 댐퍼의 구성도이다.
도 4는 능동 댐퍼 내에서 진동 분석이 이루어지는 기술들의 제어회로블록도이다.
도 5는 기존 능동 댐퍼의 작동 메커니즘을 파형으로 나타낸 설명도이다.
도 6은 능동 댐퍼 내에서 진동 분석이 이루어지는 않는 기술의 제어회로블록도이다.
도 7은 진동신호 전체에 대하여 역신호를 발생시키는 능동 댐핑 방식에서 딜레이 타임에 의해 발생할 수 있는 문제점을 설명하기 위해 제시한 파형도이다.
도 8은 원래의 진동신호와 PCB를 통과한 신호를 나타낸 파형도이다.
도 9는 PCB 신호와 LPF 통과신호를 나타낸 파형도 및 확대도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 진동 제어 장치의 구성도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 진동 제어 장치의 작동 메카니즘 개념도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 PCB 사진이다.
도 13은 주파수 성분별 진동 및 유한개의 대응신호 차감효과를 나타낸 개념도이다.
도 14는 임펄스 진동형을 나타낸 파형도이다.
도 15는 진동신호 전체에 대응하는 경우의 파형도이다.
도 16은 진동신호의 (+) 방향의 신호에만 대응하는 경우의 파형도이다.
도 17 및 도 18은 1/2 주기, 1/4 주기의 신호에만 대응하는 경우의 파형도이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 첨부하는 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하되, 도면의 동일한 참고부호는 동일한 구성요소를 지칭함을 전제하여 설명하기로 한다.

발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소들을 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에서 “~수단”, “~부”, “~모듈”, “~블록”으로 명명된 구성요소들은 적어도 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이들 각각은 소프트웨어 또는 하드웨어, 또는 이들의 결합에 의하여 구현될 수 있다.

본 발명에서는, 진동 제어 장치(능동 댐퍼)를 설계하기 전에 진동 제어 대상(이송장비)의 진동 분석 실험을 선행하여 진동의 특성(주파수, 진동크기, 주기, 진동소멸경향 등)을 파악한 후, 해당 진동 제어에 최적인 대응신호가 공급되도록 미리 설계(프로그래밍)한다. 진동 분석이 선행되므로 능동 댐핑 키트에 고가의 주파수분석기를 설치할 필요가 없으며, 또한 부피가 작고 저가인 능동 댐핑 키트의 구성이 가능하게 된다. 즉, 이는 능동 댐핑 키트 내에 신호 분석 과정이 필요 없음을 의미한다.

한편, 진동을 억제하는 방법으로는 센서에서 감지된 신호를 이용하여 액추에이터에 직접 전달하는 방식과 구조물의 진동 특성에 맞게 한 방향((+) 방향 또는 (-) 방향)의 신호에만 대응하거나 1/2주기 혹은 1/4주기의 신호에만 대응하여 진동을 제어하는 방법을 이용할 수 있다. 이들 방법 모두 진동 분석을 선행하므로 실시간(Real Time)으로 진동제어가 가능하다.

이하에서는 본 발명의 진동 제어 장치 및 방법이 구현된 일 예를 특정한 실시 예를 통해 설명하기로 한다.

도 10은 본 발명의 일 실시 예에 의한 진동 제어 장치의 구성도이다.

도 10을 참고하면, 본 발명의 진동 제어 장치는, 이송장비로부터 진동을 감지하여 진동신호를 생성하는 센서(100)와, 진동신호를 상쇄시키는 대응신호를 생성하여 출력하는 제어부(200)와, 대응신호에 대응하여 구동이 이루어지는 액추에이터(300)를 포함한다.

이 때, 제어부(200)에는 진동신호의 진동 분석 실험을 선행하여 획득한 대응신호가 출력되도록 미리 설계(프로그래밍)되어 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 진동 제어 장치의 작동 메카니즘 개념도이다.

도 11을 참고하면, 본 발명의 진동 제어 장치의 작동 메카니즘은 아래의 3단계로 대별될 수 있다.

- 1단계 : 이송장비에 대한 진동 분석을 선행한다. 진동 분석 선행을 통하여 진동의 크기, 주기, 진폭의 감쇠정도, 무한개의 주파수 성분 진동 중 가장 큰 진폭을 갖는 유한(1~3)개의 주파수 성분 파악 혹은, 시그널 필터링(PCB 회로(제어부(200))의 컴퓨터 프로그래밍으로 낮은 주파수 성분을 필터링)을 통하여 유한(1~3)개의 주파수 성분(1~3)을 선택한다. (1 내지 4 혹은 5로 회피특허가 가능하지 않나요?)

이를 통해 제어부는 주파수분석기능이 필요치 않아 저가 제작이 가능하며, 제어부(200)가 유한개(1~3)의 주파수 성분에만 대응하도록 단순화시킴으로써 회로 제작이 용이함은 물론 실시간 대응이 가능하다. 또한, 미리 액추에이터(300)가 반응할 시간을 설계하여 제한할 수 있으므로 전체 신호에 대응하는 신호를 공급하지 않으므로 공진 가능성을 배제할 수 있다. 그리고, 제어부에서 단순한 신호를 처리하므로 노이즈(Noise) 발생, 신호처리 시간, 액추에이터 반응시간 등의 최소화를 이룰 수 있다.

- 2단계 : 이송장비에서 발생한 진동을 센서(100)에서 감지하여 제어부에 입력한다.

- 3단계 : 진동신호가 제어부(200)에 입력되면, 미리 설정된 대응신호를 출력하여 액추에이터(300)를 구동한다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 제어부(PCB) 사진이다.

도 12를 참고하면, 본 발명의 제어부(200)는, 진동신호를 입력받는 입력부(1)와, 대응신호방법, 대응신호 공급횟수, 대응신호 크기, 대응신호 주기, 반응시간 조절, 딜레이 타임 등을 설계(프로그래밍)하여, 대응신호를 액추에이터(300)로 출력하는 출력부(3)를 포함한다.

여기에, 액추에이터 구동 전류량을 조절하는 전류 출력 조절 장치(4)를 더 포함할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 제어부(200)는, 진동 제어 장치(능동 댐퍼) 내부에서 신호를 입/출력하며, 센서(100)와 액추에이터(300)간의 인터페이스 역할을 수행한다. 즉, 센서(100)에서 진동신호가 감지되면 회로부(마이크로컨트롤러)(2)에서 대응신호를 발생시켜 액추에이터(300)로 공급한다.

한편, 도 11의 2단계에서 발생되는 진동은 무한개의 주파수 성분들로 이루어져 있다. 그 중 약 1~3개 정도의 주파수들이 진동의 80~90%의 에너지를 갖고 있어 1~3개의 주요한 주파수 성분들을 제거하는 것이 가장 효율적이다. (1~5 회피특허 가능하지 않나요?) 본 발명에서는 선행 주파수분석을 통해 주파수 성분별 진동을 구분하여 유한개의 주파수 성분만을 제거함으로써 효율적으로 진동을 소멸시킬 수 있다.

도 13은 주파수 성분별 진동 및 유한개의 대응신호 차감효과를 나타낸 개념도이다.

도 13을 참고하면, 주파수분석을 선행하여 진동 성분(①~⑤)을 미리 얻어낼 수 있으며, 일례로서 주요한 진동 성분(①, ②)을 제거하여 효율적인 진동 소멸을 달성할 수 있다. 즉, 좌측 진동신호는 ①~⑤의 다섯 개의 주파수 성분을 포함한 진동으로 구성된 신호의 그림이며, 이 중 진폭이 가장 큰 두 개(①, ②)의 신호를 제거하면 전체 진동의 80%가 소멸됨을 확인할 수 있다. 이 경우 현재 다섯 개(일반적으로 무한개)의 신호에 대응하는 것보다 딜레이 타임과 오류를 크게 줄일 수 있음을 알 수 있다. 이는 기본 설계가 설계되어 있는 제어부의 회로부(마이크로컨트롤러)(2)에 주요한 진동신호를 제어하기 위한 최적의 대응신호를 발생시키는 설계(프로그래밍)을 통해 달성할 수 있다. 이와 같이, 미리 파악된 1~3개의 주파수 성분에 대한 대응신호를 이용함으로써, 노이즈(Noise) 발생 확률을 낮출 수 있고(매우 단순한 신호 처리이므로), 제어부(200)에서의 실시간 대응이 가능해지는 것이다. 또한, 액추에이터(300)가 구현하기에 단순한 형태의 신호이므로, 반응시간이 짧고, 기계적 오작동을 최소화할 수 있다.

한편, 진동의 양상은 일반적으로 충격에 의한 진동, 조화적인 힘에 의한 진동(모터 축 등 회전체의 원심력으로부터 발생한 진동), 랜덤 진동(지진)으로 구분할 수 있다. 이하, 각 진동의 양상에 대응한 진동 억제 방법에 대해 설명한다.

도 14는 임펄스(충격에 의한 진동) 진동형을 나타낸 파형도이다.

도 14를 참고하면, 임펄스 진동은 짧고 큰 충격에 의한 진동을 의미한다. 여기서, 일례로서, 임펄스 진동을 억제하기 위한 방법을 설명한다.

도 15는 진동신호 전체에 대응하는 경우의 파형도이다.

도 15를 참고하면, 진동신호 전체에 대응하는 방법의 일례로서, 센서(100)에서 감지된 신호를 이용하여 반대신호를 액추에이터(300)에 직접 전달한다. 이 방법은 진동신호의 반대신호 전체를 공급해야 하므로, 본 발명의 진동 제어 장치(능동 댐퍼)가 이송장비와 결합되어야 한다. 능동 댐퍼와 이송장비간의 결합상태에서 역진동을 공급하기 위한 능동 댐퍼의 진동수는 이송장비의 진동수와 같으므로, 상기한 종래 기술에서 언급한 바와 같이, 이 방법은 공진 발생 가능성이 매우 높다. 이에, 본 발명에서는, 기존 기술의 문제점인 공진 발생 가능성을 미리 방지하기 위해, 액추에이터 구동부와 능동 댐퍼 결합부에 수동 댐퍼를 설치하여 진동을 차단(isolation)하는 것이 바람직하다.

한편, 다른 진동 제어 방법으로서, 구조물의 진동 특성에 맞게 한 방향((+) 부호 신호, (-) 부호 신호)의 신호에만 대응하는 방법이 있을 수 있다.

도 16은 진동신호의 (+) 부호의 신호에만 대응하는 경우의 파형도이다.

도 16을 참고하면, 진동의 크기를 감지하여 액추에이터(300)의 작동을 일정횟수만 대응하도록 한다. 이는 임펄스 진동에서는 초기 진동 대응 이후에는 진동이 미미하여 대응할 필요가 없기 때문이다.

이 때, 상기한 도 15의 진동 제어 방법에서 있을 수 있는 공진 가능성을 미리 차단하기 위해 이송장비와 액추에이터(300) 사이를 분리시키는 것이 바람직하다.

또한, 또 다른 진동 제어 방법으로서, 진동신호의 일부 주기에서만 대응할 수도 있다.

도 17 및 도 18은 1/2 주기, 1/4 주기의 신호에만 대응하는 경우의 파형도이다.

도 17 및 도 18을 참고하면, 1/2주기 동안 1회 대응신호를 발생시키거나, 1/4주기 동안 1회 대응신호를 발생시키고 있다.

이와 같이, 1/2주기 혹은 1/4주기의 신호에만 대응하고 일정시간(혹은 횟수) 동안만 신호를 공급하게 하여 공진의 가능성 없이 진동을 제어할 수 있다. 상기한 4가지 방법 모두 진동 분석을 선행하므로 실시간으로 최적 대응신호를 공급하여 효과적인 진동제어가 가능하다. 테스트용 능동 댐핑 키트를 제작하여 실험한 결과 1/4 주기 1회 신호대응만으로도 이송장비의 진동이 80% 이상 소멸됨을 확인하였다. 한편, 본 실시 예에서는 1/2주기 혹은 1/4주기의 신호에만 대응하는 경우에 대해 설명하고 있으나, 1/N(여기서, N은 양의 정수)주기에 대응할 수 있다.

도 15 내지 도 18에 있어, 임펄스 진동에 대응한 진동 제어 방법으로 제시한 그래프의 형태에 따른 액추에이터(300)의 작동은, (+) 방향 신호 및 (-) 방향 신호에 대응하여 액추에이터(300)의 앞, 뒤 이동이 이루어진다. 액추에이터(300)와 이송장비는 마주보고 있기 때문에, 이송장비가 (+) 방향 신호로 앞으로 움직이면 액추에이터(300)는 동일한 에너지 크기를 갖는 (-) 방향 신호로 앞으로 움직여 서로 부딪혀 서로 에너지가 상쇄되어 진동이 소멸하게 되는 것이다.

본 발명에 따르면, 첫째, 선행된 진동 분석을 바탕으로 최대진동을 갖는 유한개의 모드에만 대응하도록 댐퍼를 설계하여 단순 동작으로 진동을 소멸시키므로 복잡한 신호에 대응하는 과정에서 생기는 딜레이 타임과 노이즈 및 에러를 줄일 수 있으며, 둘째, 복잡한 모드에 대응하기 위하여 액추에이터(300)를 여러 곳에 설치할 필요가 없으며, 셋째, 액추에이터(300)를 이송장비에서 분리하고 액추에이터 구동부와 능동 댐핑 키트 사이에 진동을 절연(Isolation)하도록 설계하여 공진의 가능성을 차단할 수 있다.

이상 몇 가지의 실시 예를 통해 본 발명의 기술적 사상을 살펴보았다.

본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기재사항으로부터 상기 살펴본 실시 예를 다양하게 변형하거나 변경할 수 있음은 자명하다. 또한, 비록 명시적으로 도시되거나 설명되지 아니하였다 하여도 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기재사항으로부터 본 발명에 의한 기술적 사상을 포함하는 다양한 형태의 변형을 할 수 있음은 자명하며, 이는 여전히 본 발명의 권리범위에 속한다. 첨부하는 도면을 참고하여 설명된 상기의 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 목적으로 기술된 것이며 본 발명의 권리범위는 이러한 실시예에 국한되지 아니한다.

1 : 입력부
2 : 회로부(마이크로컨트롤러)
3 : 출력부
4 : 전류 출력 조절 장치

Claims (9)

1. 이송장비로부터 진동을 감지하여 진동신호를 생성하는 센서;
   상기 진동신호를 상쇄시키는 대응신호를 생성하여 출력하는 제어부; 및
   상기 대응신호에 대응하여 구동이 이루어지는 액추에이터를 포함하며,
   상기 제어부에는 진동신호의 진동 분석 실험을 선행하여 획득한 상기 대응신호가 출력되도록 미리 설계(프로그래밍)되는 진동 제어 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   진동신호를 입력받는 입력부;
   상기 진동신호를 상쇄시키는 대응신호를 생성하는 회로부(마이크로컨트롤러); 및
   상기 회로의 출력신호에 대응하여 대응신호를 이송장비에 공급하는 액추에이터를 포함하는 진동 제어 장치.
   
3. 진동신호를 입력받는 입력부;
   상기 진동신호를 상쇄시키는 대응신호를 생성하는 회로부(마이크로컨트롤러); 및
   상기 대응신호를 액추에이터로 출력하는 출력부를 포함하며,
   상기 회로부(마이크로컨트롤러)에는 진동신호의 진동 분석 실험을 선행하여 획득한 상기 대응신호가 출력되도록 미리 설계(프로그래밍)되는 진동 제어 장치.
   
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 액추에이터의 구동 전류량을 조절하는 전류 출력 조절 장치를 더 포함하는 진동 제어 장치.
   
5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 회로부(마이크로컨트롤러)에는, 진동의 양상별 대응방법, 주파수 성분별 대응신호 생성개수, 대응신호 크기, 대응신호 주기, 대응신호 공급시간, 진폭의 감쇠정도, 필터링 여부 중 적어도 어느 하나 이상이 설계(프로그래밍)되는 진동 제어 장치.
   
6. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 대응신호는 상기 진동신호의 전체에 대응하여 출력되는 진동 제어 장치.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 액추에이터는 일체형 능동 댐핑 키트(Kit)에 포함되며, 상기 일체형 능동 댐핑 키트에 포함된 판재와 상기 액추에이터 사이에 수동 댐퍼가 설치되는 진동 제어 장치.
   
8. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 회로부(마이크로컨트롤러)는, 무한개의 주파수 성분별 진동신호 중에서 가장 큰 진폭순으로 설정개수의 주파수 성분 진동신호에만 대응신호를 생성하는 진동 제어 장치.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 설정개수의 주파수 성분은 1 내지 3 범위에서 설정되는 진동 제어 장치.

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