Experimental Review on Dynamic Characteristics of the Commercial Mounts for Vibration Reduction

상업용 방진마운트의 동적 특성에 관한 실험적 고찰

Abstract

The mount suppliers are providing limited information on the dynamic characteristics of the mounts to some designers and some manufacturers of the high-precision machines. In this technical study, the experimental review was carried out about dynamic characteristics of five kinds of commercial passive mounts sold in the market. The dynamic characteristics, natural frequency and damping ratio, extracted from experimental tests were compared to the materials supplied by mount makers. In order to predict the performance of the high-precision machines with mounts, exact values of the dynamic characteristics of mounts should be used in the stage of numerical analysis.

1. 서 론

나노기계 산업, 반도체 산업을 비롯하여 정밀 가공 및 검사와 관련된 산업이 급속도로 발전하면서 관련 장비의 정밀도 향상에 대한 요구가 증가하고 있다. 이와 더불어 설계단계에서부터 장비의 가공 정밀도 등을 정확히 예측하는 연구들이 진행되고 있다. 정밀장비의 작업 성능을 정확하게 예측하기 위해서는 장비를 구성하고 있는 모든 부품의 특성을 정확하게 파악해야 한다. 또한 장비의 대형화 및 경량화로 인하여 진동문제에 더욱 취약하지고 있는 반면 고정밀화 추세로 인하여 요구되는 진동기준은 더욱 엄격해지고 있다(1).

위에서 기술한 이유로 대부분의 정밀장비는 하부에 마운트 등 방진요소를 설치하여 내/외부 진동으로부터 장비의 작업성을 확보하고 있다. 외부진동은 주변 장비의 가동, 사람의 이동 등 주위환경으로부터 영향을 받는 진동이며, 장비 상부에 설치된 다양한 작업용 스테이지 운동 및 작업에 의해 발생하는 진동은 내부진동이라고 할 수 있다. 과거에는 방진 요소를 공진회피의 관점에서만 선정해 왔지만, 현재에는 진동허용치가 강화되고 있기 때문에 공진회피뿐만 아니라 진동응답의 저감을 목적으로 채용하고 있다. Fig. 1은 정밀장비에 적용되고 있는 진동허용치를 주파수별로 보여주고 있다(2). 따라서 장비의 설계·제작사 입장에서는 제작할 장비의 정확한 진동 응답 레벨수준을 예측하는 것은 매우 중요하다.

Fig. 1Generic vibration criteria for vibration sensitive equipment(2)

Fig. 1을 비롯한 여러 요구 진동허용치를 만족하기 위한 다양한 마운트 개발에 대한 연구들이 수행되고 있다(1,3,4,5). 새로운 마운트 개발에 대한 연구들은 활발하게 진행되고 있지만, 정밀장비의 설계·제작사의 관점에서는 상품화된 방진요소의 정확한 동특성을 확보하는 것이 더 중요하다. 이로부터 제작할 정밀장비의 성능뿐만 아니라 작업 허용오차 등을 예측할 수 있기 때문이다. 최근에는 능동형 마운트를 채용하는 시도가 있지만, 아직까지 널리 사용되는 마운트의 대부분은 수동형이다. 수동형은 가격측면에서 큰 장점이 있고, 설치 및 운용측면에서도 용이하다.

이 연구에서는 장비의 설계·제작사 입장에서 시장에서 판매되고 실제 적용되고 있는 상업용 수동형 마운트 5종에 대해 동특성을 실험적으로 고찰해 보았다. 실험으로부터 산정된 동특성과 마운트 제작사가 고객에게 제공하는 자료와의 차이점등을 확인하 였다. 이를 통해 마운트가 설치되는 장비의 성능예측 정확도를 검토하였다.

 

2. 대상 마운트

상업용 방진마운트의 동적특성을 파악하기 위하여 국내의 정밀 가공/검사 장비에서 사용되고 있는 5종의 방진마운트를 선정하였으며, 국내 장비의 설계·제작사 입장에서 구입하였다. 구입한 방진마운트 5종은 Fig. 2와 같으며, 상단의 2종은 국내 제작사 제품(이하 각각 마운트 A, 마운트 B로 칭함), 나머지 3종은 외국 제작사 제품(이하 각각 마운트 C, 마운트 D, 마운트 E로 칭함)이다.

Fig. 2Selected mounts for testing

마운트의 형태별로 분류하면, 공기를 주입하는 고무마운트 제품 2종(마운트 A, 마운트 D), 전형적인 고무마운트 1종(마운트 B), 공기마운트 1종(마운트 C) 및 고무패드 1종(마운트 E)이다. 마운트 C는 레벨링(leveling) 기능이 있어서 공기압을 자율적으로 조절할 수 있는 제품이다. 선정한 모든 마운트는 4개로 1 set를 구성하였다. 5종 마운트의 세부모델은 실험 가능한 환경조건 등을 고려하여 정격하중 기준으로 선정하였다.

마운트 제작사에서는 마운트의 동특성 자료를 제한적으로 제공하고 있다. Fig. 3은 마운트 제작사에서 제공하고 있는 특성자료 중 대표적인 형태를 보여주고 있다. 국내 제작사인 경우, 정격하중과 고유 진동수 정보를 제공하고 있으며(Fig. 3(a) 참조), 외국 제작사인 경우, 하중에 따른 고유진동수 곡선(또는 도표)을 제공하고 있다(Fig. 3(b), (c) 참조). Fig. 3에서 보듯이 수직방향뿐만 아니라 수평방향 정보도 제공하는 제작사도 있음을 알 수 있다. 다만 응답을 예측하기 위해서는 감쇠비 정보가 필요하나, 감쇠비 정보를 제공하는 제작사는 극히 드물다.

Fig. 3Technical information of mounts from suppliers

 

3. 동특성 파악 실험

3.1 진동대 실험

상업용 마운트를 구입하여 장비에 설치하는 대부분의 관련자들은 진동 또는 마운트에 대한 전문적인 지식을 보유하고 있지 않다. 따라서 마운트 제작사에서 기대하는 기술적인 접근은 불가능하다. 장비의 설계·제작사 입장에서 마운트 제작사에서 제공하고 있는 자료의 정확성을 살펴보기 위해 실험을 수행하였다.

1차 실험에서는 수직/수평 진동대를 이용하여 마운트의 고유진동수를 확인해 보았다. 먼저 마운트 단품의 고유진동수를 확인하는 것이 바람직하지만, 단품 마운트의 상부에 하중을 부가할 경우 안정성을 확보하기 용이하지 않다. 또한 실제 장비에는 4개 이상 마운트가 1 set로 설치되므로, 이 실험에서는 4개 마운트의 1 set인 마운트 시스템에 대해 수행하였다. 대상 마운트는 제공된 자료가 비교적 충실한 마운트 D와 마운트 E를 선정하였으며, 상부 하중의 변화에 따른 고유진동수의 변화를 살펴보았다. Fig. 4는 수직방향 진동대 상부에 마운트 D 4개가 설치되어 있는 모습을 보여주고 있다. 상부 하중은 변경할 수 있도록 동일한 프레임(중량 80 kg)이 5개 적 층된 것을 볼 수 있다. 적층 프레임의 수를 조정하여 하중을 변화(80 kg~300 kg)시켰으며, 고유진동수를 확인하기 위해 마운트 상부 및 하부에 가속도계를 설치하고, 신호를 계측하였다. 진동대를 이용하여 랜덤신호(Fig. 5 참조)로 가진 하면서 수직방향 및 수평방향에서 각각 5회 반복 수행하였으며, Fig. 6과 Fig. 7에 결과를 정리하였다.

Fig. 4Set-up using vertical shaking system

Fig. 5Random excitation signal

Fig. 6Test results of mount D

Fig. 7Test results of mount E

Fig. 6은 마운트 D에 대한 고유진동수 결과이며, 제공된 자료와 실험결과를 비교하였다. X축은 마운트 1개당 작용하는 하중을 나타내고 있다. 수직방향 결과를 보면, 하중에 따라 약 0.5 Hz~1.0 Hz의 차이를 보이고 있고, 실험결과가 더 큰 것을 확인할 수 있다. 수평방향 자료는 제공하고 있지 않아서 비교하지 못하였다. Fig. 7은 마운트 E에 대한 결과이며, X축은 마운트 1개당 작용하는 단위면적 당 하중을 나타내고 있다. 하중에 따라 약 8Hz~15Hz의 차이를 보이고 있음을 확인할 수 있다. 수직방향에서는 실험결과가 제공된 자료보다 더 작은 반면, 수평방향에서는 실험결과가 제공된 자료보다 더 큰 것을 확인할 수 있다. 실험 오차를 고려해도 마운트 제작사의 정보와 실험결과의 차이는 무시할 수 없을 정도인 것으로 판단된다.

3.2 충격 실험(Impact Test)

충격 실험을 위한 구성은 Fig. 8과 같으며, 충격망치(impact hammer)와 가속도계를 이용하여 주파수 응답함수(inertance)를 측정하였다. 계측장비는 B&K Pulse Analyzer를 이용하였으며, 설정된 분해능은 0.125 Hz, 샘플링 주파수는 400 Hz이며, 앙상블 평균횟수는 5회로 설정하였다. 실험결과의 신뢰성 확보를 위한 입력 힘의 power spectrum density(PSD)와 입·출력 사이의 상관도(coherence)를 Fig. 9에 수록하였다. 이를 통해 측정한 주파수 응답합수의 유효성을 확보하였다.

Fig. 8Set-up for impact test

Fig. 9PSD of input force(left) and coherence(right)

Fig. 10은 5종의 마운트 중 마운트 D의 실험 결과를 한 예로 보여주고 있다. 수직방향과 수평방향의 결과를 각각 보여 주고 있으며, 하중이 80 kg, 160 kg, 240 kg일 때의 결과를 함께 도시하였다. 하중에 따라 고유진동수 및 피크의 크기가 변화하는 것을 확인할 수 있었다. 주파수 응답함수로부터 고유진동수와 감쇠비를 추출하고, 이를 바탕으로 마운트의 동특성인 강성 및 감쇠 계수를 하중 조건별로 추정하였다.

Fig. 10Impact test results of mount D

충격 실험(impact test)의 결과를 바탕으로 고유진동수(wn) 위치를 파악하고, 방진요소 상부에 설치된 질량(m)과 아래의 식을 이용하여 방진요소의 동적강성(k)을 산출하였다.

감쇠비(ζ)가 0.1 이상인 경우에 대해서는 아래의 식과 측정결과를 곡선 맞춤(curve fitting)하여 고유진동수를 결정하였다.

감쇠계수의 산정은 감쇠비가 0.1 이하인 경우에 대해서는 1/2 파워 대역폭(half-power bandwidth) 방법을 이용하여 계산하였으며, 0.1 이상인 경우에는 위의 식과 측정결과를 곡선 맞춤(curve fitting)하여 계산하였다. 1/2 파워 대역폭 방법에 의한 감쇠비 및 감쇠계수(c) 산정 식은 아래와 같다.

충격 실험에 의해 추출한 5종의 상업용 마운트의 동특성 결과를 Table 1~Table 5에 방향별로 각각 정리하였다.

Table 1Estimated dynamic characteristics of mount A

Table 2Estimated dynamic characteristics of mount B

Table 3Estimated dynamic characteristics of mount C

Table 4Estimated dynamic characteristics of mount D

Table 5Estimated dynamic characteristics of mount E

마운트 A~마운트 D에 대해서는 160 kg, 240 kg, 320 kg의 하중조건에 대한 결과를 정리하였으며, 마운트 E에 대해서는 600 kg의 하중조건에 대한 결과만을 수록하였다. 낮은 하중조건에서는 고유진동수 등의 특성이 잘 추출되지 않았다. 표들을 살펴보면, 하중조건이 증가할수록 고유진동수는 낮아지는 경향을 살펴볼 수 있다. 단, 공기압이 자율 조정되는 마운트 D는 고유진동수가 거의 일정함을 알 수 있다. 하지만 하중증가에 따른 감쇠비의 변동은 심하지 않음을 알 수 있다. 각 마운트의 수직방향 특성과 수평방향 특성은 확연히 구별됨을 알 수 있다.

고유진동수와 감쇠비로부터 동적강성 및 감쇠계수를 계산한 결과를 보면, 하중에 따라 차이가 있음을 알 수 있다. 따라서 장비의 정확한 응답을 예측하기 위해서는 장비하중에 따른 특성계수를 정확히 확보하는 일이 선행되어야 될 것이다.

실험결과를 바탕으로 마운트 제작사가 제공하는 자료와의 차이를 비교해 보았다. Fig. 11은 마운트 A에 대해 상부질량이 150 kg인 조건에서 진동 전달율을 비교하여 도시해 보았다. 보는 바와 같이 마운트 제작사가 제시하고 있는 최대값과 최소값 구간을 벗어난 구역에 있는 것을 확인할 수 있으며, 상한치 기준으로 약 40 % (수직방향)과 약 20 % (수평방향) 이상의 차이를 보이고 있다. 제공되는 감쇠비 자료는 없기 때문에 피크 크기를 비교하는 것은 의미가 없을 것으로 판단한다. 마운트 B에 대해서는 Fig. 12에 정리되어 있다. 수직방향 고유진동수가 약 50 % 이상 차이나는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 11Vibration transmissibility of mount A

Fig. 12Vibration transmissibility of mount B

마운트 C, D, E에 대해서는 Figs. 13, 14, 15에 각각 비교하였다. 대부분의 실험결과가 마운트 제작사의 제공 자료보다는 높은 영역에 존재하고 있음을 알 수 있다. 단, 마운트 E의 수평방향은 반대로 낮은 영역에 존재하고 있다. 실험으로부터 얻은 고유진동수는 마운트 4개를 1 set로 실험해서 얻은 결과임을 무시할 수는 없을 것으로 판단된다.

Fig. 13Vibration transmissibility of mount C

Fig. 14Vibration transmissibility of mount D

Fig. 15Vibration transmissibility of mount E

 

4. 진동 전달률 예측

설계·제작하는 장비의 진동응답을 정확하게 예측하기 위해서는 마운트의 동특성에 대한 정보를 확보해야 하며, 마운트 제작사의 제공정보만으로는 부족한 면이 있음을 위의 실험을 통해 확인하였다. 위의 실험과 같이 충격 실험(impact test)로부터 동특성 정보를 확보하는 것이 현실적인 대안이 될 수 있다. 하지만 충격 실험으로부터 추출한 정보는 1차 고유진동수와 감쇠비 뿐이므로 환경진동에 대한 응답 정확도를 확인할 필요가 있다.

Fig. 16과 같이 대형 진동대 위에 마운트가 설치된 장비(약 160 kg)를 설치한 후 약 80 Hz까지의 진동 전달률을 실험과 해석결과를 비교해 보았다. 실험은 각 방향별로 실효치 기준 0.1 grms로 가진 하면서 진행되었으며, 5종의 마운트에 대해서 수행되었다. 대표적으로 Fig. 17은 마운트 A에 대한 결과이며, 마운트의 동특성을 실험으로 산정하였음에도 불구하고 해석과 실험결과에는 차이가 있음을 알 수 있다. 5종에 대해 평균전달력 차이를 Table 6에 정리하였다. 최소 약 6 %에서 최대 약 43 % 오차를 보이는 것을 확인할 수 있다. 대부분의 마운트는 고무요소 등 비선형성이 강한 재료로 제작되고 있으며, 이로 인한 오차의 기여도가 작지 않을 것으로 판단하고 있다.

Fig. 16Set-up for vibration transmissibility

Fig. 17Vibration transmissibility of mount A: vertical direction(left), horizontal direction(right)

Table 6Difference of vibration transmissibility

 

5. 결 론

이 연구에서는 장비의 설계·제작사 입장에서 실제 적용되고 있는 상업용 수동형 마운트 5종에 대해 동특성을 실험적으로 고찰해 보았다. 실험결과를 마운트 제작사에서 제공하는 자료와 비교·검토해 보았으며, 이 연구과정에서 얻은 결과를 정리하면 다음과 같다.

• 마운트 제작사들은 정격하중과 고유진동수 정보를 제공하고 있거나, 하중에 따른 고유진동수 곡선(또는 도표)을 제공하고 있다. 수직방향과 수평방향 정보를 각각 제공하는 제작사도 있으나, 진동응답 예측에 필요한 감쇠비 정보를 제공하는 제작사는 극히 드물다. • 마운트 제작사의 정보 중 고유진동수는 실험결과와 약 20 % ~ 50 %의 차이를 보이고 있으며, 대부분 제공한 정보보다 큰 값이 추출되었다. 단, 실험으로부터 얻은 고유진동수는 마운트 4개를 1 set로 실험해서 얻은 결과임을 고려해야 한다. 감쇠비 정보를 제공한 제작사가 없어서 비교를 하지 못하였다. • 각 마운트의 수직방향 특성과 수평방향 특성은 확연히 구별됨을 알 수 있다. 마운트의 동적강성 및 감쇠계수는 하중에 따라 차이가 있음을 알 수 있다. • 설계·제작하는 장비의 진동응답을 정확하게 예측하기 위해서는 마운트의 동특성에 대한 정보를 확보해야 하며, 마운트 제작사의 제공정보만으로는 부족한 면이 있다. 실험을 통해 동특성 정보를 확보하는 것이 현실적인 대안이 될 수 있다. • 실험으로 추출한 1차 고유진동수와 감쇠비만으로는 환경진동에 대한 정확성 높은 응답을 예측하는데에는 한계가 있음을 실험을 통해 확인하였다. • 마운트 제작사는 사용자인 장비 설계·제작사의 입장에서 신뢰성 높은 마운트의 방향별 고유진동수 및 감쇠비 자료를 제공하는 정책이 필요하다.

참고로, 이 논문은 연구 성격보다는 기술논문 성격이 강하며, 2013년 한국소음진동공학회 추계학술대회에서 발표한 논문(6)과 2011년 한국정밀공학회 춘계학술대회에서 발표한 논문(7)을 바탕으로 기술되었음을 밝힌다.