KR20030023122A - Vibration test bed using linear motor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 선형모터를 이용한 진동시험용 진동대에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 선형모터를 이용하여 종래 유압작동기를 사용할 때 필요한 부대시설, 유압발생장치 및 냉각장치 외 배관 등이 필요하지 않아 상대적으로 구조가 단순하고 볼스큐류 형태의 운동변환기를 사용하는 회전 모터에서 생기는 이동플레이트와 작동기 사이의 기계적 결합에 의한 악영향을 제거하였으며 이를 통하여 제어시스템의 성능 및 안정성 측면에서 접촉부위에 발생하는 온도, 마찰 등에 기인하는 비선형 특성을 고려할 필요가 없으며 회전운동을 직선운동으로 변환할 때 발생하는 에너지 손실을 감소할 수 있고 선형모터에 인가되는 전류에 비례한 힘을 발생하므로 제어가 용이한 선형모터를 이용한 진동시험용 진동대에 관한 것이다.The present invention relates to a shaking table for vibration test using a linear motor, and more specifically, the structure is relatively unnecessary because additional facilities, hydraulic generators and cooling equipment, etc. required when using a conventional hydraulic actuator using a linear motor are not required. The negative effects of the mechanical coupling between the moving plate and the actuator generated by the rotating motor using the simple and ball skew type motion transducer are eliminated. This is due to the temperature and friction generated in the contact area in terms of performance and stability of the control system. It is not necessary to consider the nonlinear characteristics, and it is possible to reduce the energy loss generated when converting the rotational motion into linear motion and generate a force proportional to the current applied to the linear motor, so it is easy to control the vibration test table using the linear motor. It is about.
주지된 바와 같이, 전세계적으로 매일 수천 번의 지진들이 발생하고 있고, 상기 지진에 의한 피해가 속출하고 있다. 특히, 규모가 큰 지진이 인구가 조밀하고 건물이 밀집되어 있는 대도시 등의 지역에서 발생될 경우 그 피해가 엄청나다.As is well known, thousands of earthquakes are occurring every day around the world, and the damage caused by these earthquakes continues one after another. In particular, when a large earthquake occurs in an area such as a large city where the population is dense and the buildings are concentrated, the damage is enormous.
이에, 지진 발생시 구조물에 대한 진동영향에 관한 연구 등 지진이 구조물에어떠한 영향을 미치는 가에 관한 연구들이 활발하게 진행되고 있다.Therefore, studies on how the earthquake affects the structure, such as a study on the vibration effect on the structure during the earthquake, are actively being conducted.
상기 구조물에 대한 진동영향에 관한 연구는 크게 진동발생시 구조물에 발생되는 변화를 운동방정식 등의 수식에 의해 해석 및 분석하는 이론연구와 별도의 진동발생장치와 제어장치를 이용하여 인위적으로 모형구조물에 진동을 발생시킨 후 실제 구조물에 발생되는 변화를 예측하는 실험연구로 나뉘어진다.The study on the vibration effect on the structure is largely based on the theoretical study that analyzes and analyzes the change generated in the structure when the vibration occurs by the equations such as the equation of motion and the vibration of the model structure artificially by using a separate vibration generator and control device. After generating, it is divided into experimental studies to predict the change occurring in the actual structure.
즉, 상기 실험연구는 지진하중에 의하여 발생되는 구조물의 진동을 평가하기 위하여 실구조물의 축소 모형을 제작하여 진동실험을 수행하는 것으로서, 상사법칙에 의하여 측정되는 진동값은 실구조물의 진동값으로 환산되어지며 이를 통하여 구조물의 안정도, 사용성 등을 평가할 수 있다.That is, the experimental study is to perform a vibration test by making a reduced model of the real structure to evaluate the vibration of the structure caused by the earthquake load, the vibration value measured by the law of similarity is converted into the vibration value of the real structure Through this, the stability and usability of the structure can be evaluated.
상기한 축소모형 진동실험을 하기 위해 사용되는 진동대는 각종 작동기에 의해 발생하는 힘을 이용하여 이동플레이트를 움직임으로 실구조물을 상사하는 축소모형에 진동을 가하는 장치로서, 산업체, 학계 등에서 사용되고 있으며 종래 그 구동장치로 유압실린더를 사용하거나 스텝모터 혹은 서보모터와 볼스크루를 이용하고 있다.The shaking table used for the reduced model vibration experiment is a device for applying vibration to the reduced model similar to the actual structure by moving the moving plate by using the force generated by various actuators. Hydraulic cylinders are used as driving devices, or step motors or servomotors and ball screws are used.
그러나, 상기 구동장치로서의 유압실린더는 그 작동원리가 유압펌프를 이용하여 실린더에 유압을 공급해 주는 것으로 큰 힘을 발생시킬수는 있으나, 유압 펌프 및 각종 부대 시설이 필요하며, 작동 주파수가 낮고, 특히 오일의 압축성, 지속적 구동에 따른 온도상승 등의 비선형(non-linear)성에 의하여 제어시스템 설계를 어렵게 하고, 안전성 및 성능을 저하시키는 원인이 되는 문제점이 있었다.However, the hydraulic cylinder as the driving device can generate a large force by supplying hydraulic pressure to the cylinder by using a hydraulic pump, but requires a hydraulic pump and various auxiliary facilities, the operating frequency is low, in particular oil Non-linearity such as compressibility and temperature increase due to continuous operation makes it difficult to design the control system and causes a problem of deteriorating safety and performance.
또한, 상기 서보모터 혹은 스텝모터는 모터에서 발생하는 회전운동을 볼스쿠류를 이용하여 직선 왕복 운동으로 변환시켜 이동 테이블을 움직이는 장치로 유압실린더를 이용하는 경우보다 부대시설이 적어 경제적이고 제어시스템을 구성하기는 용이한 장점이 있으나, 모터의 회전력을 이동질량의 직선운동으로 전달하는 불스크류의 마찰저항, 열팽창 등이 발생하는 문제점이 있었다.In addition, the servomotor or step motor converts the rotational motion generated from the motor into linear reciprocating motion by using the ball screw to move the moving table. Although there is an easy advantage, there is a problem that the frictional resistance, thermal expansion, etc. of the bullscrew to transfer the rotational force of the motor in a linear motion of the moving mass.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 선형모터를 이용하여 종래 유압작동기를 사용할 때 필요한 부대시설, 유압발생장치 및 냉각장치 외 배관 등이 필요하지 않아 상대적으로 구조가 단순하고 볼스큐류 형태의 운동변환기를 사용하는 회전 모터에서 생기는 이동플레이트와 작동기 사이의 기계적 결합에 의한 악영향을 제거하였으며 이를 통하여 제어시스템의 성능 및 안정성 측면에서 접촉부위에 발생하는 온도, 마찰 등에 기인하는 비선형 특성을 고려할 필요가 없으며 회전운동을 직선운동으로 변환할 때 발생하는 에너지 손실을 감소할 수 있고 선형모터에 인가되는 전류에 비례한 힘을 발생하므로 제어가 용이한 선형모터를 이용한 진동시험용 진동대를 제공하는 데에 있다.The present invention has been made in order to solve the above problems, the object of the present invention is a relatively structure that does not require additional facilities, hydraulic generators and cooling equipment piping when using a conventional hydraulic actuator using a linear motor. Has eliminated the adverse effects caused by mechanical coupling between the moving plate and the actuator in the rotary motor using a ball skew type motion transducer. It is not necessary to consider the non-linear characteristics due to vibration, and it is possible to reduce the energy loss generated when converting rotational motion into linear motion and to generate a force proportional to the current applied to the linear motor. It is to provide a shaking table.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 지지수단, 상기 지지수단에 의해 기초부와 평행하게 고정되고 이동방향을 안내하는 선형가이드레일이 부착결합된 베이스플레이트, 상기 선형가이드레일에 의해 안내되는 선형가이드가 하부에 부착결합되어 수평직선운동을 하는 이동플레이트, 진동모터를 포함하여 이루어지는 모형구조물의 진동실험을 위한 진동대에 있어서,In order to achieve the above object, the present invention provides a support means, a base plate fixed to the base by the support means and the linear guide rail attached to the guide guides the direction of movement, the linear guide guided by the linear guide rail In the vibration table for the vibration test of the model structure comprising a moving plate, a vibration motor is attached to the lower portion to perform a horizontal linear motion,
상기 진동모터는 상기 베이스플레이트에 부착되어 고정되는 고정단과 상기 이동플레이트에 부착된 이동단을 포함하여 이루어지는 동기화된 두 개 이상의 선형모터를 하나의 묶음(1조)으로 함을 특징으로 한다.The vibration motor is characterized in that a bundle (one set) of two or more synchronized linear motor consisting of a fixed end attached to the base plate and a moving end attached to the moving plate.
도 1은 본 발명인 선형모터를 이용한 진동시험용 진동대를 포함한 전체 작동관계를 대략적으로 나타낸 시스템 구성도,1 is a system configuration diagram schematically showing the overall operating relationship including the vibration table for testing vibration using the linear motor of the present invention,
도 2는 본 발명에서의 공지된 선형모터를 예시하는 사시도,2 is a perspective view illustrating a known linear motor in the present invention;
도 3은 본 발명의 일실시예로서 일방향 진동대의 사시도,3 is a perspective view of a one-way vibration table as an embodiment of the present invention;
도 4는 상기 도 3의 일방향 진동대의 측면도,4 is a side view of the one-way shaking table of FIG. 3;
도 5는 본 발명의 다른 실시예로서 양방향 진동대의 사시도,5 is a perspective view of a bidirectional shaking table as another embodiment of the present invention;
도 6은 상기 도 5의 양방향 진동대의 측면도이다.6 is a side view of the bidirectional shaking table of FIG.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※※ Explanation of code about main part of drawing ※
1 : 지지수단 2 : 기초부(바닥, 지면 등)1: support means 2: foundation (bottom, ground, etc.)
3 : 선형가이드 4 : 선형가이드레일3: linear guide 4: linear guide rail
5 : 베이스플레이트 6 : 이동플레이트5: Base Plate 6: Moving Plate
6a : 중간 이동플레이트 6b : 상부 이동플레이트6a: middle moving plate 6b: upper moving plate
7 : 선형모터 7a : 고정단7: linear motor 7a: fixed end
7b : 이동단 10 : 진동대7b: mobile stage 10: shaking table
11 : 신호발생기 12 : 모터컨트롤러11: signal generator 12: motor controller
13 : 파워 앰프 14 : 댐퍼13: power amplifier 14: damper
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in more detail the configuration and operation of the present invention.
도 1은 본 발명인 선형모터를 이용한 진동시험용 진동대를 포함한 전체 작동관계를 대략적으로 나타낸 시스템 구성도이다.1 is a system configuration diagram schematically showing the overall operating relationship including the vibration test shake table using the linear motor of the present invention.
도시된 바와 같이, 본 발명의 장치를 이용하는 시스템은 먼저 이동플레이트가 움직일 변위, 속도 혹은 가속도 파형이 결정되면 신호발생기(Signal Generator, 11 )에 의해 신호가 발생되고 이 신호는 제어기(Motion Controller, 12)를 통해 파워앰프(Power Amp., 13)로 전달되며 상기 파워앰프에서 증폭된 신호가 진동대(Vibration Table, 10)의 작동기인 선형모터(Linear Motor, 7)로 인가되고, 상기 선형모터(7)로 인가된 전압 혹은 전류에 비례하는 힘이 발생되고 이 힘에 의해 이동플레이트가 움직이게 되는 시스템이다.As shown, the system using the apparatus of the present invention first generates a signal by a signal generator 11 when the displacement, velocity, or acceleration waveform to which the moving plate will move is determined, and the signal is generated by a motion controller 12. Is transmitted to the power amplifier 13 and the signal amplified by the power amplifier is applied to the linear motor 7, which is an actuator of the vibration table 10, and the linear motor 7 A force is generated in proportion to the applied voltage or current and the moving plate moves by this force.
도 2는 본 발명에서의 공지된 선형모터를 예시하는 사시도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에서의 상기 선형모터(7)는 영구자석(71)이 부착된 이동단(7b)인 철 코아(Iron Core, 72)와 고정단(7a)으로 이루어진다. 또는 반대로 영구자석이 부착되어 있는 고정단과 코일이 감겨져 있는 이동단으로도 이루어져 있을 수 있다.2 is a perspective view illustrating a known linear motor in the present invention. As shown, the linear motor 7 in the present invention is composed of an iron core (Iron Core, 72) and a fixed end (7a) that is a moving end (7b) to which the permanent magnet (71) is attached. Alternatively, it may be composed of a fixed end to which the permanent magnet is attached and a moving end to which the coil is wound.
즉, 공지된 바와 같이 코일(73)에 전류, 혹은 전압이 인가됨에 따라 플레밍의 법칙에 의한 힘을 발생시켜 이동단(7b)이 직선운동을 하도록 하는 원리를 이용하고 있다.That is, as is well known, a current or voltage is applied to the coil 73 to generate a force according to Fleming's law so that the mobile terminal 7b performs a linear motion.
또한, 본 발명에서는 두 개의 선형 모터(7)를 동기화하여 이동플레이트의 회전운동이 발생하지 않도록 한다. 이동플레이트의 변위, 속도 혹은 가속도 신호를 궤환시켜 입력 파형과 비교한 후, 제어기 출력을 변환시켜 이동플레이트가 입력파형을 묘사할 수 있도록 한다.In addition, in the present invention, the two linear motors 7 are synchronized to prevent rotational movement of the moving plate. The displacement, velocity or acceleration signal of the moving plate is fed back and compared with the input waveform, and then the controller output is converted so that the moving plate can describe the input waveform.
도 3은 본 발명의 일실시예로서 일방향 진동대의 사시도이고, 도 4는 상기 도 3의 일방향 진동대의 측면도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예로서 양방향 진동대의 사시도이고, 도 6은 상기 도 5의 양방향 진동대의 측면도이다.Figure 3 is a perspective view of one-way shaking table as an embodiment of the present invention, Figure 4 is a side view of the one-way shaking table of Figure 3, Figure 5 is a perspective view of a two-way shaking table as another embodiment of the present invention, Figure 6 5 is a side view of the two-way shaking table.
도시된 바와 같이, 본 발명은 지지수단(1), 상기 지지수단(1)에 의해 기초부(2)와 평행하게 고정되고 이동방향을 안내하는 선형가이드레일(4)이 부착결합된 베이스플레이트(5), 상기 선형가이드레일(4)에 의해 안내되는 선형가이드(3)가 하부에 부착결합되어 수평직선운동을 하는 이동플레이트(6), 진동모터(7)를 포함하여 이루어지는 모형구조물의 진동실험을 위한 진동대(10)에 있어서,As shown, the present invention is a base plate attached to the support means (1), a linear guide rail (4) fixed in parallel with the base portion 2 by the support means (1) to guide the direction of movement ( 5), the vibration test of the model structure consisting of a linear guide (3) guided by the linear guide rail (4) attached to the lower portion and a moving plate (6) and a vibration motor (7) for horizontal linear motion In the shaking table 10 for,
상기 진동모터(7)는 상기 베이스플레이트(5)에 부착되어 고정되는 고정단(7a)과 상기 이동플레이트(6)에 부착된 이동단(7b)을 포함하여 이루어지는 동기화된 두 개 이상의 선형모터를 하나의 묶음(1조)으로 하는 것으로 이루어진다.The vibrating motor 7 includes two or more linear motors synchronized with a fixed end 7a attached to the base plate 5 and fixed with a moving end 7b attached to the movable plate 6. It consists of one bundle (one set).
또한, 본 발명은 상기 진동대(10)가 2방향 이상으로 진동되도록 하기 위하여 상기 하부에 선형가이드(3)가 부착된 이동플레이트(6)는 상부에도선형가이드레일(4)이 부착되어 있는 1이상의 중간 이동플레이트(6a)와 상부에 선형가이드레일(4)이 부착되어 있지 않은 상부 이동플레이트(6b)가 적층되어 이루어지고, 상기 2이상이 1조로 묶이는 진동모터(7)의 묶음수는 그 고정단(7a)과 이동단(7b)이 각각 상기 적층된 베이스플레이트(5), 중간 이동플레이트(6a), 상부 이동플레이트(6b) 사이에 부착되어 있는 2이상인 것으로 이루어진다.In addition, in the present invention, the movable plate 6 having the linear guide 3 attached to the lower portion in order to allow the shake table 10 to vibrate in two or more directions may have one or more linear guide rails 4 attached to the upper portion thereof. The intermediate moving plate 6a and the upper moving plate 6b having no linear guide rails 4 attached thereto are stacked on top of each other, and the bundle number of the vibration motor 7 in which the two or more are bundled in one set is fixed. The end 7a and the moving end 7b each consist of two or more attached between the stacked base plate 5, the intermediate moving plate 6a, and the upper moving plate 6b.
상기 진동대(10)는 이동플레이트(6)와 이를 구동하는 작동기인 선형모터(7), 축소모형을 지지하고 직진성을 나타내기 위한 선형가이드(3), 충격완충기로서 스톱퍼 혹은 댐퍼(14)가 부착되어 있으며 기초부(2)인 지면, 바닥 혹은 부가질량체와 체결할 수 있는 베이스플레이트(5)와 체결을 쉽게 하고 높이를 조절할 수 있는 지지수단(1)으로 이루어져 있다.The shaking table 10 has a moving plate 6 and a linear motor 7 which is an actuator for driving the same, a linear guide 3 for supporting a reduction model and indicating straightness, and a stopper or damper 14 as an impact buffer. It consists of a base plate (5) that can be fastened to the ground, the bottom or the additional mass, which is the base (2) and consists of a support means (1) for easy fastening and adjusting the height.
상기 지지수단(1)은 베이스플레이트(5)를 수평되게 지지할 수 있는 어떠한 구조라도 가능하며 볼트 등의 고정부재를 매개로 베이스플레이트(5)와 체결된다.The support means 1 may have any structure capable of horizontally supporting the base plate 5 and are fastened to the base plate 5 via a fixing member such as a bolt.
또한, 본 발명은 이동플레이트(6)가 원활히 움직이고 축소 모형의 하중을 견딜수 있도록 선형가이드(3)와 선형가이드레일(4)을 이용하고, 또한 스톱퍼 혹은 댐퍼(14)를 이용하여 과도한 변위 발생시 이동 플레이트를 구속할 수 있도록 되어 있다.In addition, the present invention uses the linear guide (3) and the linear guide rail (4) so that the moving plate 6 can move smoothly and withstand the load of the reduced model, and also when the displacement is generated by using a stopper or damper (14) The plate can be restrained.
축소구조물은 선형가이드(3) 및 선형가이드레일(4)에 의해 지지되고 있으며, 상기 선형가이드(3) 및 선형가이드레일(4)은 마찰이 거의 없는 특성을 나타내기 때문에 작은 힘에도 축소구조물을 움직일 수 있도록 되어 있다.The reduced structure is supported by the linear guide 3 and the linear guide rail 4, and since the linear guide 3 and the linear guide rail 4 exhibit almost no friction, the reduced structure can be applied even at a small force. It is designed to move.
상기 선형모터(7)의 고정단(7a)은 베이스플레이트(5)에 고정되고 이동단(7b)은 이동플레이트(6)에 부착되어 파워 앰프(13)에 의해 인가되는 신호에 따른 진동을 발생시킨다. 발생된 진동은 이동 플레이트의 움직임으로 나타나며 축소모형에 진동을 유발하는 작용을 한다.The fixed end 7a of the linear motor 7 is fixed to the base plate 5 and the moving end 7b is attached to the moving plate 6 to generate vibrations according to the signal applied by the power amplifier 13. Let's do it. The generated vibration appears as the movement of the moving plate and acts to induce vibration in the reduction model.
양방향 진동대는 베이스플레이트(5)와 중간 이동플레이트(X방향, Y-방향)(6a) 및 상부 이동플레이트(6b)로 이루어져 있으며, 상기 베이스 플레이트(5)와 중간 이동플레이트(6a) 및 상부 이동플레이트(6b) 사이에는 상기 일방향과 마찬가지로 선형 가이드(3)와 선형모터(7)으로 구성된 구동 시스템으로 연결된다. 따라서 시험될 축소 모형에 양방향(X,Y)진동을 유발하는 작용을 한다. 즉, 선형 모터를 이용한 진동대는 확장이 용이하므로 손쉽게 양방향 진동대를 구성할 수 있다. 중간 이동플레이트(6a)를 적층함으로서 양방향외에도 3방향이상으로도 구성할 수 있다.The bidirectional shaking table consists of a base plate 5, an intermediate moving plate (X direction, Y-direction) 6a, and an upper moving plate 6b, and the base plate 5 and the intermediate moving plate 6a and the upper movement. The plates 6b are connected to the drive system composed of the linear guide 3 and the linear motor 7 in the same way as the one direction. Therefore, it acts to induce bidirectional (X, Y) vibration in the scale model to be tested. That is, since the shaking table using the linear motor is easy to expand, it is easy to configure a two-way shaking table. By stacking the intermediate moving plates 6a, the intermediate plate 6a can be configured in three or more directions as well as in both directions.
상기한 바와 같이, 본 발명은 선형모터를 이용하여 종래 유압작동기를 사용할 때 필요한 부대시설, 유압발생장치 및 냉각장치 외 배관 등이 필요하지 않아 상대적으로 구조가 단순하고 볼스큐류 형태의 운동변환기를 사용하는 회전 모터에서 생기는 이동플레이트와 작동기 사이의 기계적 결합에 의한 악영향을 제거하였으며 이를 통하여 제어시스템의 성능 및 안정성 측면에서 접촉부위에 발생하는 온도, 마찰 등에 기인하는 비선형 특성을 고려할 필요가 없으며 회전운동을 직선운동으로 변환할 때 발생하는 에너지 손실을 감소할 수 있고 선형모터에 인가되는 전류에 비례한 힘을 발생하므로 제어가 용이한 효과를 갖는다.As described above, the present invention does not require additional facilities, such as a hydraulic generator and a cooling device, when using a conventional hydraulic actuator using a linear motor, so the structure is relatively simple and a ball skew type motion transducer is required. The negative effects of mechanical coupling between the moving plate and the actuator generated in the rotating motor are eliminated, so that it is not necessary to consider the nonlinear characteristics due to temperature and friction generated in the contact area in terms of performance and stability of the control system. It can reduce the energy loss generated when converting to linear motion and generates a force proportional to the current applied to the linear motor, so it is easy to control.
나아가, 본 발명은 구조가 단순하므로 두 개의 진동대를 직렬로 결합하여 쉽게 양방향(X, Y)진동대를 구성할 수 있고, 고층빌딩과 같은 대형 구조물을 묘사하는 축소 구조물의 진동시험을 수행할 수 있으며 그 결과로 구조물의 안전성과 사람의 거주시 사용성 평가할 수 있고 각종 정밀장비, 가전제품의 내진성능시험, 동특성 시험, 진동 피로 시험 등 다양한 분야에 적용할 수 있어 잠재적 시장 가치가 큰 경제적 효과를 갖는다.Furthermore, the present invention is simple in structure, so that the two shaking tables can be combined in series to easily constitute a bidirectional (X, Y) shaking table, and the vibration test of a reduced structure depicting a large structure such as a high-rise building can be performed. As a result, it is possible to evaluate the safety of the structure and the usability of people's residence, and can apply to various fields such as seismic performance test, dynamic characteristics test, vibration fatigue test of various precision equipment, home appliances, etc.
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