공기베어링 안내 위치 결정 시스템을 위한 와전류 감쇠기 설계
Design of Eddy Current Damper for Air Bearing Guided Linear Motion System
- 주제(키워드) eddy current damper , air bearing , motion system
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 전용호
- 발행년도 2018
- 학위수여년월 2018. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000027429
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
현대 생산 기술의 발달 지표로는 반도체, display panel 등의 소형화/고집적화를 필요로 하는 전자부품들이 있다. 정밀한 전자부품의 성능향상을 위해서는 제조장비의 생산성 고정밀화에 대한 요구가 높아지고 있다. 전자부품 제조장비의 성능은 위치 결정 시스템의 성능에 따라 결정된다. 공기베어링(Air Bearing)을 이용한 안내시스템은 마찰이 적고 가이드 표면조도 불규칙성을 완화시키는 장점이 있어 정밀한 위치 제어에 이용된다. 고정자와 이동자로 구성되어 고정자 방향의 직선적인 구동력을 발생시켜 정밀한 구동이 가능한 선형모터는 장거리 정밀 구동이 가능하고 접촉이 없이 작동한다. 선형 모터와 공기베어링을 가이드로 사용하는 초정밀 시스템은 마찰이 최소화 되는 장점이 있지만, 감쇠력이 낮아 진동 및 외란에 취약하여 위치안정성이 낮은 단점이 있어 진동에 대한 절연이 필수적으로 필요하다. 본 논문에서는 공기베어링과 선형모터를 이용하여 위치 결정 시스템을 설계하고 낮은 시스템 강성을 보완하기 위해, 와전류 감쇠기를 제안한다. 설계 목표를 만족할 수 있는 위치 결정 시스템을 설계하고, 구동부에서 발생하는 진동과 외부로부터 유입되는 진동에 대해 절연할 수 있는 와전류 감쇠기를 설계한다. 와전류 감쇠기의 효과를 최대화하기 위해 도체 방향으로 자속이 집중된 할바흐 자석 배열(Halbach Magnet Array: HMA)을 사용한다. HMA의 FEM 해석으로 검증한 이론 모델을 통해 와전류 감쇠기의 최적 설계를 한다. 설계한 위치 결정 시스템을 제작하여 실험을 통해 이론 및 성능을 검증한다. 스텝 입력 응답, 위치 안정성과 분해능 실험을 통해 설계한 위치 결정 시스템에서 와전류 감쇠기의 효과 및 한계를 확인한다.
more초록/요약
As a development index of manufacturing technology, there are electronic parts that require miniaturization / high integration of semiconductor, display panel. High end electronic devices require a high degree of accuracy in the manufacturing equipment. The performance of electronic component manufacturing equipment depends on the performance of the motion system. The air bearing guided motion system is used for precise position control because it has low friction and relieves irregularity in guide surface roughness. The linear motors, which consist of a stator and a mover, generate linear driving force in the direction of the stator, and precise control is possible. Precision systems using linear motors and air bearings are advantageous in minimizing friction, but they are vulnerable to vibration and disturbance due to their low damping and their low in-position stability. In this paper, we design an air bearing guided linear motion system and propose a eddy current damper(ECD) to overcome for low system stiffness. Design a linear motion system that can satisfy the design requirement and design an ECD module that can decrease the vibration generated from the motor and the disturbance. In order to maximize the effect of ECD, a Halbach Magnet Array (HMA) with magnetic flux in the direction of the conductor is used. The optimal design of the ECD is performed through the theoretical modeling verified by the FEM analysis of HMA. We verify the performance of the designed linear motion system through experiments. The effect and limitation of the designed ECD module are verified in a linear motion system through step response, in-position stability and resolution test.
more목차
1. 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.1.1 공기베어링 안내 위치 결정 시스템 연구 동향 1
1.1.2 와전류 감쇠기의 선행 연구 현황 3
1.2 연구 목적 및 개요 6
2. 공기베어링 안내 위치 결정 시스템 설계 7
2.1 공기베어링 안내 위치 결정 시스템 7
2.1.1 부품 선정 및 설계 타당성 검토 7
2.1.2 위치 결정 시스템 모델링 14
3. 와전류 감쇠기 설계 17
3.1 와전류 감쇠기 이론 17
3.1.1 와전류 감쇠 이론 17
3.1.2 할바흐 배열 자석 모델 21
3.2 와전류 감쇠기 모델링 22
3.2.1 와전류 감쇠기 이론 모델 22
3.2.2 유한요소해석을 통한 설계 결과 검증 25
3.3 최적화 설계 27
3.3.1 설계 요구조건 27
3.3.2 설계변수 및 고정변수 설정 28
3.3.3 최적화 설계 결과 32
4. 와전류 감쇠기를 포함하는 공기베어링 안내 위치 결정 시스템 제작 및 실험 37
4.1 위치 결정 시스템 제작 및 실험환경 구현 37
4.1.1 시스템 구성 37
4.1.2 제어 알고리즘 구성 40
4.2 성능실험 결과 41
4.2.1 스텝 입력에 대한 반응(Step response) 실험 41
4.2.2 위치안정성(In-position stability) 실험 43
4.2.3 분해능(Resolution) 실험 45
4.2.4 감쇠계수 검증(Verification of damping coefficient) 47
5. 결론 및 향후 과제 50
5.1 결론 50
5.2 향후 과제 52
REFERENCES 53
ABSTRACT 55
