KR20120084362A - 진동대 실험 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 진동대 실험 시스템은, 모형 구조물의 동특성, 고유진동수, 모드형상, 및 감쇠비를 실험을 통하여 분석하고 그 결과를 이론에 의한 결과와 비교하는 동역학적 실험 상황을 위한 진동대 실험 시스템에 있어서, 베이스 플레이트 및 스테이지로 구성되는데 상기 베이스 플레이트 및 상기 스테이지 간에 설치된 가이드를 따라 리니어 모터가 이동함에 따라 상기 스테이지의 위치도 변경되는 진동대; 사용자에 의해 설정된 진동 변위, 진동 속도, 및 진동 가속도 기반의 컨트롤 신호를 컨트롤 박스로 전송하고 기설정된 가진 주파수를 이용하여 가진 가속도 신호를 얻는 응용 프로그램이 탑재된 사용자 PC; 및 상기 사용자 PC로부터 상기 컨트롤 신호를 전달받아 상기 리니어 모터를 제어하고 상기 리니어 모터에 부착되는 엔코더의 위치 피드백을 상기 리니어 모터의 제어에 이용하는 컨트롤 박스를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

진동대 실험 시스템{VIBRATION TEST BED USING LINEAR MOTOR}
본 발명은 진동대 실험 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모형 구조물의 동특성, 고유진동수, 모드형상, 및 감쇠비를 실험을 통하여 분석하고 그 결과를 이론에 의한 결과와 비교하는 동역학적 실험 상황을 위한 진동대 실험 시스템에 관한 것으로 리니어 모터를 탑재하고 비교적 소형으로 제작할 수 있어서 동역학적 개념을 보다 경제적으로 소개할 수 있게 하는 진동대 실험 시스템에 관한 것이다.
진동대는 기계, 건축, 토목, 선박, 해양 구조물에 대한 진동 시험 및 전자, 전기 기기, 특히 원자력 발전소에 이용되는 각종 기기의 내진 검증 등 각종 분야에 광범위하게 활용된다.
종래의 진동대 시스템은 예를 들어, 최대 30톤의 시험체를 4m×4m 크기의 진동대에 부착한 후 최대 1.5g까지의 가속도를 받도록 가진할 수 있으며 가진 주파수 범위는 0.01~50Hz이다. 가진과 동시에 56개의 진동 신호를 계측 및 기록할 수 있으며 이 중 32개는 내장된 증폭기를 이용하는 스트레인 게이지형 신호 변환기용이며 24개는 기타 외부의 증폭기를 이용하게 되는 신호 변환기용이다.
이 시스템은 6자유도 제어 능력을 갖춤으로써 공간상에서 움직이는 시험체의 모든 운동을 구현할 수 있다. 보통 일반적인 가진기가 1축 방향의 병진 운동을 구현함에 비해 이 시스템은 동시 2축, 3축의 병진 운동뿐만 아니라 임의의 회전 운동도 구현할 수 있다. 이 동시 가진 능력은 종래의 다른 가진 시스템과는 구별되는 독특한 것으로 모든 가진 현상을 재현할 수 있게 된다.
진동대 시스템은 크게 분류하면 진동대, 가진력 발생을 위한 유압 시스템, 아날로그 제어 시스템, 및 컴퓨터를 이용한 디지털 제어 시스템의 네 부분으로 구성된다. 진동대의 제어는 아날로그 제어 시스템만을 이용할 수도 있다. 이 경우 입력 파형으로 신호 발생기로부터의 정현파, 삼각파 등 각종 함수형 파형을 줄 수 있으며 또한 테이프 레코더 등에 기록된 임의의 파형, 즉 실제 계측된 지진파, 진동 파형 등을 줄 수도 있다.
그러나 진동 파형이 실제 기록되어 있지 않거나 주파수 스펙트럼, 응답 스펙트럼 등 실제 파형 대신 주파수 함수를 이용해야 하는 경우 및 파형이 수치로 기록되어 있는 경우는 컴퓨터에서의 파형 합성 및 재생을 통한 디지털 제어 시스템을 이용한다.
진동대가 구동될 때 시험체로부터 계측된 진동 신호는 반에일리어싱 필터를 거친 후 A/D변환기에 의해 VAX 스테이션 3200 컴퓨터에 기록, 저장되며 STEX 소프트웨어를 이용하여 각종 기법의 분석이 가능하다.
또한, 테이프 드라이버 및 VAX에 연결된 IBM PC와 매킨토시 컴퓨터 등을 이용하여 자료의 보관 및 타 컴퓨터에서의 응용이 용이하게 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 종래의 진동대 시스템에는 매우 고가의 시설비가 투자되고 유압 계통, 아날로그 제어 시스템 및 컴퓨터 시스템 등 복잡한 장비가 유기적으로 결합된다. 종래의 진동대 시스템은 고압, 대용량의 유압 기계와 정밀한 제어 시스템이 유기적으로 연결되어 있고 복잡한 많은 요소로 구성되어 있다.
한국기계연구원의 6자유도 진동대 사용자 지침서에는 6자유도 진동대의 효율적인 사용 및 관리를 위한 기본적인 절차가 정립되었으며 내진 시험 방법이 확립되었다. 상기 문헌은 진동대의 구조 및 제어 기법의 특성에 대한 이해로부터 실제 운용시의 각종 상황과 주요 구성요소의 점검, 보수, 교정 방법, 및 내진 검증 시험에 이르기까지 진동대 운용시 필요한 대부분의 절차를 수록하고 있으므로 진동대 운용자의 참고 및 교육 자료로 활용될 수 있다.
하지만, 상기 문헌 그 어디에도 리니어 모터를 탑재하고 비교적 소형으로 제작할 수 있어서 저가에 동역학적 개념을 소개할 수 있으며 보다 간단한 구성요소로 구성된다고 해도 2축 방향의 지진을 모사할 수 있는 것은 언급되지 않고 있다.
이에, 교량, 조선 등을 축소한 모형 구조물에 지진력을 가해 모형 구조물의 지진 응답 특성을 파악, 내진 설계 등에 활용하기 위한 소형의 진동대 실험 시스템의 기술 개발이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 모형 구조물의 동특성, 고유진동수, 모드형상, 및 감쇠비를 실험을 통하여 분석하고 그 결과를 이론에 의한 결과와 비교하는 동역학적 실험 상황을 위한 진동대 실험 시스템에 관한 것으로 리니어 모터를 탑재하고 비교적 소형으로 제작할 수 있어서 동역학적 개념을 보다 경제적으로 소개할 수 있게 한 진동대 실험 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 이루고 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 진동대 실험 시스템은, 모형 구조물의 동특성, 고유진동수, 모드형상, 및 감쇠비를 실험을 통하여 분석하고 그 결과를 이론에 의한 결과와 비교하는 동역학적 실험 상황을 위한 진동대 실험 시스템에 있어서, 베이스 플레이트 및 스테이지로 구성되는데 상기 베이스 플레이트 및 상기 스테이지 간에 설치된 가이드를 따라 리니어 모터가 이동함에 따라 상기 스테이지의 위치도 변경되는 진동대; 사용자에 의해 설정된 진동 변위, 진동 속도, 및 진동 가속도 기반의 컨트롤 신호를 컨트롤 박스로 전송하고 기설정된 가진 주파수를 이용하여 가진 가속도 신호를 얻는 응용 프로그램이 탑재된 사용자 PC; 및 상기 사용자 PC로부터 상기 컨트롤 신호를 전달받아 상기 리니어 모터를 제어하고 상기 리니어 모터에 부착되는 엔코더의 위치 피드백을 상기 리니어 모터의 제어에 이용하는 컨트롤 박스를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 진동대 실험 시스템에서 상기 스테이지 위에 가속도계를 부착하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 진동대 실험 시스템에서 상기 응용 프로그램은 상기 가속도계로부터 수신되는 속도 피드백인 가속도 응답 신호를 상기 가진 가속도 신호와 비교 분석하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 진동대 실험 시스템에서 상기 진동대 두 개를 수직 방향으로 쌓아 올려 2축 방향으로 상기 모형 구조물을 진동하게 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 진동대 실험 시스템에 따르면, 모형 구조물의 동특성, 고유진동수, 모드형상, 및 감쇠비를 실험을 통하여 분석하고 그 결과를 이론에 의한 결과와 비교하는 동역학적 실험 상황을 위한 진동대 실험 시스템에 관한 것으로 리니어 모터를 탑재하고 비교적 소형으로 제작할 수 있어서 동역학적 개념을 보다 경제적으로 소개할 수 있게 하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 진동대 실험 시스템에 따르면, 내진 시험을 수행할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 진동대 실험 시스템의 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 응용 프로그램의 화면을 도시한 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 진동대 실험 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 진동대 실험 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 진동대(100), 사용자 PC(200), 및 컨트롤 박스(300)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 진동대(100)는 베이스 플레이트(110) 및 스테이지(120)로 구성된다. 베이스 플레이트(110) 및 스테이지(120) 간에 설치된 가이드(130)를 따라 리니어 모터(140)가 이동함에 따라 스테이지(120)의 위치도 변경된다.
즉, 리니어 모터(140)가 이동함에 따라 직선 운동을 이웃 부품인 스테이지(120)에 전달한다. 스테이지(120) 위에 모형 구조물이 설치돼 동역학적 실험 상황을 구현할 수 있다. 리니어 모터(140)가 좌우 방향으로 이동함에 따라 스테이지(120)도 좌우 방향으로 이동하게 된다.
리니어 모터(140)는 직선운동을 일으키는 전기 선형 액추에이터이다. 3상 모터의 스테이터에 해당되는 리니어 모터(140) 윗부분은 빗모양의 얇은 인덕터 판과 홈에 내장된 교류 전선으로 되어 있고, 두 개의 인덕터는 서로 반대로 위치한다. 로터는 아마추어가 담당하고 두 개의 인덕터 사이에 있으며 알루미늄 도체로 되어 있다.
리니어 모터(140)란 원운동을 하는 일반 모터와 달리 직선운동을 하는 초소형 모터이다. 리니어 모터(140)에서는 외부의 전자석이 원동형이 아닌 직선형으로 배열되어 있다. 교류가 차례로 전자석을 통과하면 자기장도 선을 따라 지나가면서 회전자를 돌린다.
스테이지(120) 위에 가속도계(150)를 부착할 수 있다. 가속도계(150)는 가속도, 진동, 동요 등을 측정 및 제어하는 센서로서 널리 사용된다. 모형 구조물이 장착되는 위치에 설치한 가속도계(150)에서 얻어지는 출력은 사용자 PC(200)에 탑재된 응용 프로그램(210)에서 비교 분석된다.
가속도계(150)에서 얻어지는 출력은 무선 통신을 통해 사용자 PC(200)로 전송된다. 무선 통신은 블루투스(Bluetooth), 지그비(Zigbee), 적외선 통신(IrDA), 또는 WLAN(IEEE802.11b)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 사용자 PC(200)는 사용자에 의해 설정된 진동 변위, 진동 속도, 및 진동 가속도 기반의 컨트롤 신호를 컨트롤 박스(300)로 전송하고 기설정된 가진 주파수를 이용하여 가진 가속도 신호를 얻는 응용 프로그램(210)이 탑재된다. 응용 프로그램(210)은 가속도계(150)로부터 수신되는 속도 피드백인 가속도 응답 신호를 가진 가속도 신호와 비교 분석한다. 예를 들어, 비교 분석 과정을 통해 가속도 피드백에 대한 전달 함수를 구할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 컨트롤 박스(300)는 사용자 PC(200)로부터 컨트롤 신호를 전달받아 리니어 모터(140)를 제어한다. 또한, 컨트롤 박스(300)는 리니어 모터(140)에 부착되는 엔코더의 위치 피드백을 리니어 모터(140)의 제어에 이용할 수 있다.
컨트롤 박스(300)와 진동대(100)는 케이블로 연결되어 있다. 컨트롤 박스(300)는 엔코더 커넥터(310), 랜 커넥터(320), 리니어 모터 커넥터(330), 쿨링팬(340), 전원 커넥터(350), 전원 스위치(350), 케이블 보관함(360) 등을 탑재한 함체로 구현될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 진동대(100) 두 개를 수직 방향으로 쌓아 올려 2축 방향으로 모형 구조물을 진동하게 할 수 있다. 이렇게 하여 가로 세로 방향의 지진을 모사할 수 있다. 즉, 진동대(100) 두 개를 수직 방향으로 쌓아 올려 수직력, 수평력의 동시 측정이 가능한 2자유도를 갖도록 할 수도 있다. 예를 들어, 아래에 놓인 리니어 모터(140)는 좌우 방향으로 이동하고 바로 위에 놓인 리니어 모터(140)는 상하 방향으로 이동할 수 있다. 이렇게 하여 진동대(100)를 하나만 이용하는 경우의 1자유도를 2자유도로 용이하게 확장할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 응용 프로그램의 화면을 도시한 도면이다.
사용자는 진동 변위, 진동 속도, 및 진동 가속도 등을 설정할 수 있다. 응용 프로그램(210)은 사용자에 의해 설정된 가진 주파수를 이용하여 가진 가속도 신호를 얻을 수 있다. 사용자는 가진 가속도 신호의 파형을 통해 진파 설정 결과값을 확인할 수 있다. 테스트 버튼을 눌러 실험을 시작한다. 응용 프로그램(210)은 가속도계(150)로부터 속도 피드백인 가속도 응답 신호를 수신하고 이를 가진 가속도 신호와 비교 분석한다. 즉, 실험을 통해 생성된 진파 결과값을 진파 설정 결과값과 비교하는 과정을 거침으로써 모형 구조물의 동특성, 고유진동수, 모드형상, 및 감쇠비를 산출해 낼 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 모형 구조물의 동특성, 고유진동수, 모드형상, 및 감쇠비를 실험을 통하여 분석하고 그 결과를 이론에 의한 결과와 비교하는 동역학적 실험 상황을 위한 진동대 실험 시스템에 관한 것으로 리니어 모터를 탑재하고 비교적 소형으로 제작할 수 있어서 동역학적 개념을 보다 경제적으로 소개할 수 있게 하는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명은 내진 시험을 수행할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 진동대
110: 베이스 플레이트
120: 스테이지
130: 가이드
140: 리니어 모터
200: 사용자 PC
300: 컨트롤 박스

Claims (4)

  1. 모형 구조물의 동특성, 고유진동수, 모드형상, 및 감쇠비를 실험을 통하여 분석하고 그 결과를 이론에 의한 결과와 비교하는 동역학적 실험 상황을 위한 진동대 실험 시스템에 있어서,
    베이스 플레이트(110) 및 스테이지(120)로 구성되는데 상기 베이스 플레이트(110) 및 상기 스테이지(120) 간에 설치된 가이드(130)를 따라 리니어 모터(140)가 이동함에 따라 상기 스테이지(120)의 위치도 변경되는 진동대(100);
    사용자에 의해 설정된 진동 변위, 진동 속도, 및 진동 가속도 기반의 컨트롤 신호를 컨트롤 박스(300)로 전송하고 기설정된 가진 주파수를 이용하여 가진 가속도 신호를 얻는 응용 프로그램(210)이 탑재된 사용자 PC(200); 및
    상기 사용자 PC(200)로부터 상기 컨트롤 신호를 전달받아 상기 리니어 모터(140)를 제어하고 상기 리니어 모터(140)에 부착되는 엔코더의 위치 피드백을 상기 리니어 모터(140)의 제어에 이용하는 컨트롤 박스(300)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동대 실험 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스테이지(120) 위에 가속도계(150)를 부착하는 것을 특징으로 하는 진동대 실험 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 응용 프로그램(210)은 상기 가속도계(150)로부터 수신되는 속도 피드백인 가속도 응답 신호를 상기 가진 가속도 신호와 비교 분석하는 것을 특징으로 하는 진동대 실험 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 진동대(100) 두 개를 수직 방향으로 쌓아 올려 2축 방향으로 상기 모형 구조물을 진동하게 하는 것을 특징으로 하는 진동대 실험 시스템.
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