As environmental vibration requirements on precision equipment become more stringent, use of pneumatic vibration isolator has become more popular. To isolate the equipment from vibrations, passive air-spring was employed at first. However it has limitation, such as resonance at low frequencies which magnifies the vibrations of precision equipment on the air-spring. In order to overcome this limitation, active pneumatic air-spring so called pneumatic actuator has been employed. The pneumatic actuator consists of three major parts, which are proportional valve, tube and air-spring. Proportional valve adjust the pressure in the air-spring to reduce the vibration at resonance.
In practice, pneumatic actuator also has limitations like slow response and nonlinearity caused by compressibility of air. And performance of pneumatic actuator is related to various design parameters in a complicated manner. So a methodology for giving optimal performance is required.
In this thesis, a design method of air-spring and air-tube for optimal performance is suggested according to the given proportional valve. And output blocked force for each frequency is defined as the performance.
To accomplish this purpose, dynamic model is derived for the pneumatic actuator. Based on the dynamic model, important parameters are determined that affect the actuator’s performance. As a result, piston area, height of chamber and static pressure in chamber is selected for important parameters. Then, the influences of parameters are explained by both simulation and experimental results. Finally, design method of three important parameters is suggested under two constraints. In addition, the dual-chamber model is proposed to enhance the performance in high frequency range.
정밀 장비의 성능 구현을 위한 진동 환경 조건이 엄격해짐에 따라, 공압제진대의 사용이 보편화되어왔다. 처음에는 단순 공기스프링을 이용한 수동형 공압제진대가 널리 사용되었으나, 공진 주파수 부근에서의 절연성능 강화를 위하여, 공압구동기를 적용한 능동형 공압제진대에 관한 연구가 수행되었다. 공압구동기는 비례밸브와 공기스프링 그리고 둘을 연결하는 공압선으로 구성되며, 비례밸브로 챔버 내 압력을 제어하여 힘을 발생시킨다.
공압구동기는 큰 유료하중을 지지할 수 있고 넓은 작동 범위를 가져 산업현장에서도 많이 사용되고 있다. 그러나 공압구동기는 공기의 압축성에 의한 비선형 및 응답속도가 느리다는 한계점을 갖는다. 그리고 여러 설계 매개변수들에 의해 구동기의 성능이 복잡하게 결정되므로, 매개변수들을 결정하는 방법론이 요구된다. 본 연구에서는 공압구동기의 성능을 주파수 별 출력 힘으로 정의하고, 주파수 별 출력 힘을 최대화하는 설계 방법을 제시할 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위해 비례밸브와 공압선, 챔버로 구성된 공압구동기의 수학적 모형화를 수행하고, 여러 매개변수의 영향력을 모사실험과 동 특성 측정실험을 통해 알아본다. 그 결과 중요 매개변수는 피스톤 면적, 챔버 높이, 정 압력임을 밝힌다. 최종적으로는 밸브의 입력전압-출력유량 특성, 다이어프램의 강성과 감쇠, 유료하중, 고유진동수가 주어졌을 때, 세 중요 매개변수들을 결정하는 방법을 제시한다. 추가적으로 공기스프링을 이중 챔버 구조로 변경했을 때, 고주파 영역에서 출력 힘 성능이 강화됨을 모사실험을 통해 보일 것이다.
