Many products and packages undergo vibration in real world environments. They have to survive vibration in their daily working life regardless of any environments. Vibration testing, in brief, is the shaking or shocking of a component or assembly to see how it will stand up to real conditions. Its ability to survive in real world can be determined through vibration testing. The procedure for vibration testing is used in applications ranging from circuit boards and aircrafts to vehicle and household appliances.
This paper describes the kinematics, dynamics and control simulation of 6-DOF shaking table with a bell crank structure, which converts the direction of reciprocating movements. In this shaking table, a bell crank mechanism is used to reduce the amount of space needed to install shaking table and create horizontal displacement of the platform. In kinematics, joint design is performed using Grubler's formula. The derivation of the Jacobian matrix is presented to evaluate singularity conditions. Considering the maximum stroke of the hydraulic actuator, collision between links and singularity, workspace is computed. In dynamics, computations are based on the Newton-Euler formalism. To derive parallel algorithms, each of the contact forces is decomposed into a force acting in the direction of the leg and the other acting in the plane orthogonal to the direction of the leg. Applying the Newton-Euler approach, the solution of inverse dynamics is almost completely parallel. To cope with nonlinear problems, time-delay control(TDC) is considered, which has been noted for its exceptional robustness to parameter uncertainties and disturbance, in addition to steady-state accuracy and computational efficiency. Applying adaptive law to TDC scheme, user-friendly vibration test procedure is proposed. Finally, the tracking performances of TDC and TDC with RPC(Remote Parameter Control) are compared.
신뢰성 평가시험은 진동시험, 충격시험, 낙하시험, 인장시험, 항온‧항습시험, 복합환경시험 등 그 종류가 매우 다양하다. 이들 중 생활 환경의 발전으로 말미암아 인간과 제품이 모두 심각한 진동환경에 노출되는 경우가 허다해져 진동시험의 중요성이 더욱 높아지고 있다. 실제 진동시험이 적용되는 제품은 거의 한계가 없다고 할 수 있다. 작게는 반도체 소자에서부터 휴대폰, 컴퓨터, 자동차 그리고 크게는 인공위성까지도 그 시험범위에 들어간다. 예를 들어 자동차의 경우, 노면 요철 등의 외부로부터 강제력을 받는 한편, 자동차 자체가 E/G, 회전체 등의 많은 진동 강제원을 가짐과 동시에 많은 진동 요소로 구성되어 넓은 주파수 영역에 걸쳐서 공진 현상을 발생시키게 된다. 이러한 진동 현상은 작게는 탑승자의 승차감을 저감시키는 한편, 크게는 부품의 손상을 가져올 수 있다. 이러한 진동 현상들을 제품의 제작 초기단계부터 고려함으로써 제품의 성능을 미리 예상하고 이를 개선시키기 위해 다양한 진동시험이 행해지고 있다. 다시 말해, 진동시험이란 실제 제품에 발생하는 진동현상을 진동 시험기를 이용해서 재현함으로써 제품이 얼마나 잘 견디는지를 점검하고 확인하는 시험이다. 다양한 진동시험을 행하기 위해서는 사용 목적에 맞는 진동 시험기가 필요하다. 본 연구에서는 벨 크랭크(bell crank) 구조를 가지는 진동 시험기의 기구학 및 동역학 해석을 실시하고 추적 제어(tracking control)를 위한 새로운 진동 시험 과정을 제안하였다. 제 2 장에서는 진동 시험기의 기구학 해석에 대해 논의하였다. 먼저 본 진동 시험기의 벨 크랭크 메커니즘(bell crank mechanism)의 특징에 대해 언급하고, 조인트(joint) 설계에 대해 설명하였다. 또한 역기구학(inverse kinematics) 해석을 실시하고 속도 영역에서 자코비안 행렬(Jacobian matrix)을 유도하였으며, 유도된 자코비안 행렬을 이용하여 특이치(singularity) 해석을 수행하였다. 그리고 수치 해석방법을 이용하여 순기구학을 해석하였다. 마지막으로 유압 엑추에이터의 최대 스트로크(maximum stroke), 링크들 간의 충돌 및 특이치를 고려하여 진동 시험기의 최대 작업 영역(maximum workspace)을 구하였다. 제 3 장에서는 동역학 해석을 실시하였다. 동역학 해석을 위해 각 링크들에 고정된 좌표계를 설정하고 질량 중심에서의 속도 및 가속도를 구했다. 운동 방정식 유도를 위해서는 병렬 처리(parallel processing) 구조가 용이한 뉴튼-오일러(Newton-Euler) 방법을 사용하였다. 유도된 운동 방정식을 통해 벨 크랭크 구조의 동적 특성을 확인할 수 있고, 각 주파수에서 진동 시험기가 움직일 수 있는 최대 변위를 구할 수 있다. 제 4장에서는 2장 및 3장에서 구해진 기구학 및 동역학 해석 결과들을 이용하여 추적 제어를 수행하였다. 엑추에이터에 대한 정보를 이용하는 조인트 좌표 기반의 제어(joint coordinate-based control)를 위해 시간 지연을 이용한 제어 기법(time delay control)을 사용하였다. 시간 지연을 이용한 제어는 구조가 간단하며 플랜트에 대한 적은 정보만으로도 제어가 가능하다는 장점을 갖고 있는 반면에, 제어기를 설계하는데 필요한 상수 행렬 값을 시행착오를 통해 튜닝하여 설계해야 하는 번거로움이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 기존의 시간 지연 제어 기법에 적응 법칙(adaptive law)을 적용함으로써, 사용자 위주의 진동 시험 과정(user-friendly vibration test procedure)을 제안하였다. 제 5장에서는 본 연구 결과에 대한 요약 및 향후 과제에 대해 논의하였다.
