It is well known that precision equipments are very sensitive to environmental vibrations, especially ground and operational vibrations. To isolate the equipments from ground vibrations, passive pneumatic isolation tables have widely been employed. However, passive isolation tables have some limitations. It has resonance at low frequencies (under 7Hz) which magnifies the vibrations from ground, and long settling time due to movements of some parts in precision equipments on the table. As a solution of these limitations, a 3-degree of freedom(DOF) active pneumatic table with time delay control was previously developed for control of heaving, pitching and rolling motions. The achieved isolation performances were very good for both ground and table excitations in vertical directions. The limitation of the 3-DOF active pneumatic table, however, is that it is vulnerable to excitations of the floor and table in horizontal directions. Hence, a 6-DOF active pneumatic table is required in order to tackle ground and table excitations in horizontal as well as vertical directions.
In this research, a 6-DOF active pneumatic isolation table with time delay controller is developed and manufactured to isolate vertical/horizontal ground vibration. In addition, to shorten the settling time, a compensation (named Inertial Force Compensation) for cancellation of inertial force caused by moving masses on the table is suggested. Finally, the isolation performance of 6-DOF active pneumatic isolation table against ground vibration and moving masses on it is shown by numerical simulations and experiments.
In detail, air-springs for not only vertical but also horizontal actuation were manufactured to control 6-DOF motions of an isolation table. Then, a 6-DOF active pneumatic isolation table was fabricated with the four vertical/horizontal air-springs.
Time delay control technique was applied to control 6-DOF rigid body motions of the table and its isolation performance against ground vibrations has been evaluated via maximum singular value of its transmissibility matrix. 6-DOF isolation tables are multi-input/multi-output(MIMO) system. Its isolation performance cannot be evaluated using transmissibility concept for 1-DOF system and the performance appears as a transmissibility matrix which is too complicated to be a performance index for a system. Therefore, the maximum singular value of the transmissibility matrix has been introduced as an isolation performance index and its physical meaning was explained. A singular value represents transmissibility of a mode for the table and its input and output directions appear as corresponding singular vectors. The 6-DOF active pneumatic isolation table shows excellent isolation performance, on the other hand, 3-DOF active isolation table cannot control modes related to horizontal motion. The largest maximum singular value for passive, 3-DOF active and 6-DOF active are 42.8, 15.7 and 2.9 respectively.
Inertial force compensation is suggested in this thesis to shorten settling time of transient responses due to movement of a stage on the table. The movements (acceleration, velocity and displacement) of stage are normally given by its users. Therefore, its relative movements to isolation table are already known and absolute movements of isolation table can be measured. Subsequently, absolute acceleration of stage can be calculated using the relative movement of stage and the absolute movement of the table, and the inertial force exerted on the table can be obtained by product of its mass. By giving control forces of which magnitude is same as the inertial force in the opposite direction to the table, resultant force on the table becomes zero, so there will be no transient responses ideally. The performance of the compensation was evaluated through experiments. It does not perfectly prevent transient responses in practice, however, greatly reduce the magnitude of the response and shorten the settling time. The settling times of transient response by passive and active type with only TDC are 2.0 and 0.3sec. However, active type with TDC and inertial force compensation gives 0.0sec settling time except a few cases where it shows less than 0.1sec settling time.
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.
