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Design and control of a six degree of freedom active vibration isolator using voice coil motor = 보이스 코일 모터 이용한 6자유도 능동 제진대의 설계 및 제어에 관한 연구
서명 / 저자 Design and control of a six degree of freedom active vibration isolator using voice coil motor = 보이스 코일 모터 이용한 6자유도 능동 제진대의 설계 및 제어에 관한 연구 / Rahul Banik.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2008].
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Nanomanufacturing technology largely depends on precise and accurate measurement in the nanometer level. Precision measuring instruments with nanometer resolution are almost always susceptible to disturbance transmitted mainly from ground vibration as well as other sources such as acoustic noise and direct mechanical vibrations due to the moving parts of the measuring instrument itself. The amplitude of such vibration typically in the sub-micrometer region and of low frequency is well enough to distract both precision and accuracy of the measuring instruments. Even though the instrument itself is designed to handle such disturbances, researchers in this field are still in need of a smart way to properly eliminate this problem so that they can make their measurement results more trustworthy. Many researches have so far been carried out in the field of isolation of instruments from such disturbance sources. Main principle is to provide stiffness and damping in the path of vibration from ground to instrument such that the isolator works like a low-pass filter which attenuates relatively high frequency disturbances. Commercial isolation systems use different approaches such as passive, active or semi- passive. In this paper the proposed solution is to use a hybrid active-passive vibration isolation system between the instrument and ground to eliminate vibration transmitted from ground as well as direct disturbances transmitted from the moving parts of the instrument to the support plate of the payload in all six degrees of freedom. The reason behind this hybrid solution is to take advantage of both the passive as well as active stage. Both the natural frequency as well as high frequency response is first improved through the dynamics of the passive system which provides high attenuation rate. Then the active stage works on the system to reduce the corner frequency so that low frequency attenuation is achievable and also the resonance amplitude is controllable. The active system also helps to decouple the corner frequency requirement from the passive system stiffness that provides support against the static gravity sag for the mounted instrument and thus can actively improve the dynamic vibration attenuation especially in the low frequency region. This research thus proposes to realize such a six axis hybrid active passive system which can work as a bench top micro vibration isolator for precision measuring instruments such as Scanning Probe Microscopes as well as for some linear motor stages of small dimension. The combined active-passive isolation principle is used for both vertical and horizontal vibration isolation by mounting the instrument on a passively damped isolation system made of Elastomers along with the active stage in parallel that consists of actuation system of very low stiffness, the Voice Coil Motor. The active stage works in combination with the passive stage as a very low frequency vibration attenuator in all six rigid body modes. The complete system model was designed using the selected passive mounts, the Elastomers that along with vibration isolation in all six rigid body modes also support the mounted instrument from gravity. And the active isolation system was designed using selected sensors and optimally designed actuators. The complete system dynamics was derived for the control system implementation. The six degree of freedom control system was realized and implemented accordingly.

나노 크기의 제품을 제작에 있어 정확도와 정밀도는 매우 중요하다. 나노 분해능을 갖는 측정 장비로 사용되는 스테이지는 주로 공기 베어링을 가이드로 하여 움직이는데, 이때 지반 진동 또는 음향 노이즈, 다른 장비에서 발생되는 기계적 진동에 의해서 영향을 받는다. 이런 마이크로미터 이하의 낮은 진동은 측정 장비의 정밀도와 정확도를 떨어뜨린다. 비록 측정 장비가 이런 외란을 없애도록 설계되었지만, 실제 이 분야에 관계된 전문가들은 외란에 문제를 보다 신뢰성을 갖는 해결책을 필요로 하고 있다. 이런 해결책 중에 장비가 외란에 대해 영향을 받지 않게끔 하는 제진 기술이 처음으로 고려된다. 제진의 주요 원리는 지반에서 장비로 진동이 전달 되는 위치에 stiffness와 damping을 주어 일종의 저역 필터를 설계하여 높은 주파수의 외란을 제거하는 것이다. 상용되는 제진 시스템은 수동형, 능동형 또는 두 개를 동시에 쓰는 혼합형이 동시에 사용된다. 본 논문에서 pay load의 움직임에 의해 발생하는 진동을 제거하기 위해 6 자유도로 수동과 능동을 혼합하여 사용하는 제진기(hybrid vibration isolation)를 이용하여 진동을 절연하는 제진 시스템을 제안하였다. hybrid isolation의 장점은 수동 제진 시스템의 장점과 능동 제진 시스템의 장점을 모두 갖고 있는데 있다. 수동 제진 시스템은 정밀 측정 시스템의 고유 진동수에 의한 진동과 외부로부터 전달되는 고주파의 외란을 높은 감쇠비로 감쇠시키는 성능을 갖고 있다. 그리고 능동 제진 시스템은 공진 주파수의 amplitude을 감소 시키면서, 저 주파수 영역에서 외란을 감쇠시키기 위해 전체 측정 시스템의 cutoff frequency을 낮춘다. 또한 능동 제진 시스템은 시스템의 중력 보상을 위한 지지부의 stiffness으로 인한 영향을 cutoff frequency에서 분리시켜서 저 주파수 영역에서 진동의 감쇠 성능을 향상 시킨다. 따라서, 본 연구는 6 자유도의 하이브리드 능동-수동 제진 시스템을 구현하여 SPM(Scanning Probe Microscope) 또는 나노 정밀도의 선형 모터 스테이지와 같은 정밀 측정 시스템의 베이스에 장착하여 높은 정밀도를 갖도록 하였다. 수동 제진 시스템과 능동 제진 시스템의 결합은 Elastomer로 만들어진 수동 제진부와 낮은 stiffness을 갖는 Voice coil motor을 이용한 능동 제진부가 병렬로 조립하여 수평 방향의 진동과 수직 방향의 진동을 동시에 제거하는 성능을 갖게끔 하였다. 능동 제진 시스템은 수동 제진 시스템의 결합에서 낮은 주파수 영역에서 6 자유도로 진동을 저감시키는 제진기로서 작동한다. 전제 제진 시스템의 모델에서 수동 제진 시스템은 Elastomer을 이용하여 설계되었고, Elastomer는 6 자유도로 진동을 저감시키고 중력 보상을 하는 수동 지지부의 역할을 한다. 그리고 능동 제진 시스템은 선택된 센서와 최적 설계된 actuator를 이용하여 설계되었다. 전체 시스템의 동적 특성은 전체 시스템의 제어성능의 향상되도록 설계되었다. 그에 따라 6 자유도의 제어 시스템도 구현 되었다. 전체 시스템은 6 자유도로 진동을 저감시키기 위해서 decouple된 제어기에 가속도 피드백을 이용하여 설계되고, 최적화되고, 시뮬레이션 되었다. 그리고 시스템은 제조되고, 조립된 다음에 제어기에 세팅하여 실험 하였다. 실험 결과는 ISO 표준 제진 기준인 VC-E와 비교 결과 능동 제진기의 저 주파수 영역에서의 진동 저감 성능을 만족하였고, 또한 수동 제진기의 고 주파수 영역에 진동 저감 성능을 만족 시켰다. 따라서 지반 진동은 효과적으로 절연됨을 알 수 있었다. 그리고 제안된 시스템은 로터리 모터를 이용하여 direct disturbance을 만들어 settling time을 이용하여 성능 평가를 하였다. 여기서, 성능 평가의 항목으로 위치 오차를 이용하였고, 실험 결과 장행정의 경우와 단행정의 경우에 대해서 모두 settling time이 향상됨을 확인하였다. 결론적으로 본 논문에서는 6 자유도의 하이브리드 능동-수동 제진기를 설계하고 구현하였다. 제안된 시스템은 다양한 지반 진동의 조건에 대해서 그리고 direct disturbance의 상황에서 실험되었다. 실험을 통해 6 자유도의 외란이 효과적으로 감소됨을 통해서 제안된 제진 시스템의 성능을 검증하였다.

서지기타정보

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청구기호 {DME 08013
형태사항 ix, 109p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 라훌 바닉
지도교수의 영문표기 : Dae-Gab Gweon
지도교수의 한글표기 : 권대갑
수록잡지정보 : "Design and Optimization of Voice Coil Motor for Application in Active Vibration Isolation". Sensors and Actuators: A, Physical, A137/2, 236-243
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 Includes References
주제 Six Degree of Freedom ;Active;Vibration;Isolator;Voice Coil Motor
6자유도;능동;진동;제진대;보이스 코일 모터
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