As environmental vibration requirements on precision equipment become more stringent, use of pneumatic isolators controlled with both mechanical and electronic valves has become more popular. Mechanical valves are used for high amplitudes up to a few mm and low frequencies including static movement while electronic valves are for low amplitudes down to a few micro meter excluding static movement.
Unstable vibrations in pneumatic isolation tables caused by feedback control with the mechanical valves are typical instability problem in systems with feedback control. The unstable vibrations, once they occur, would make big troubles to performance of precision equipments operating on the pneumatic tables. Although it can be suspected that unstable vibrations of pneumatic tables are due to coupling of feed-forward component, i.e., pneumatic springs and feed-back component, i.e., mechanical valves, few literatures exist which shows actual measurements or deal with governing principles.
This study starts with actual measurements of unstable vibrations in the pneumatic table feed-back controlled with mechanical valves. Dynamic characteristics of the unstable vibrations at different control parameters are discussed in comparison with those of stable vibrations of the pneumatic table without the feed-back loop. In order to understand physics underlying the unstable vibrations, dynamic properties of a mechanical valve connected to an air chamber were measured in terms of dynamic pressure /displacement. Governing equations of the mechanical valve are induced to reflect the dynamic properties of valve observed from the experiments.
By using the dynamic model of the mechanical valve, reasoning of unstable vibrations of the pneumatic table is presented based on simulation studies on one and three degree of freedom systems. This study is believed to be useful in improving design of mechanical valves or preventing pneumatic tables from vibrating unstably possibly due to high impulsive operations in the equipments on the tables.
반도체 및 광학 관련 산업의 성장과 함께 정밀 장비의 성능 구현에 있어서 진동 환경에 대한 요구가 엄격해지고 있으며, 지반 진동 절연 방법으로 공압 절연체가 각광받고 있다. 이 공압 제진대의 구동기로는 기계식 그리고 전자식 밸브가 사용되고 있다. 기계식 밸브는 mm단위의 진동 및 정적 외란을 포함하는 저주파 영역의 진동 절연에 사용되고, 전자식 밸브로는 DC성분을 포함하지 않는 저주파 영역에서 마이크로 미터 단위의 진동을 절연한다.
그런데 전형적인 되먹임이 이루어지는 계에서 생길 수 있는 불안정 문제로서, 기계식 밸브의 되먹임 작용에 의하여 공압 제진대의 불안정 진동이 생길 수 있다. 이 불안정 진동은 한 번 발생하기 시작하면, 제진대위에서 작동하는 정밀 장비의 성능 구현에 커다란 문제점을 가져온다. 기존 문헌에서 불안정 진동 현상은 공압 제진대를 구성하는 공기 스프링과 기계식 밸브의 연성에 의해 생기는 것으로 알려져 있지만, 실험을 통한 증명과 불안정 진동에 대한 지배 방정식을 연구한 논문은 없다.
본 연구는 기계식 밸브의 되먹임 작용에 의하여 공압 제진대가 불안정 진동이 생김을 실측하는 것으로부터 출발한다. 실험에서 기계식 밸브의 매개 변수에 따라 제진대가 불안정해짐을 측정하고, 이를 밸브에 의한 되먹임 작용이 없는 제진대와 비교한다. 그리고 불안정 진동의 이해를 위해 동 압력/ 변위로 표현되는, 기계식 밸브의 동 특성을 측정한다. 측정된 기계식 밸브의 동 특성을 반영하는 밸브 모형을 수립하여 지배 방정식을 유도한다.
마지막으로 수립한 밸브 모형을 바탕으로, 1자유도, 3자유도 공압 제진대에 대하여 불안정 진동을 모사 실험을 통하여 보인다. 실험으로부터 구한 제진대가 불안정해지게 되는 밸브의 매개 변수를 모사 실험과 비교함으로써, 밸브 모형의 타당성에 대해 논한다. 본 논문을 바탕으로 기계식 밸브의 성능 개선안을 제안할 수 있다. 또한, 밸브 모형을 이용하여, 제진대위에서 작동하는 장비에 의해 발생하는 큰 충격으로부터 공압 제진대를 안정하게 사용할 수 있도록 하는 실험 조건을 설계 할 수 있다.
