압전 단결정 세라믹 PMN-29PT를 이용한 무인비행체용 작동기 S-LIPCA의 설계/제작/성능 평가

윤광준,윤범수 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.11

압전 다결정 세라믹(CTS 3203HD)에 비해 압전 상수(d31)가 큰 압전 단결정 세라믹((주)세라콤 PMN-29PT)을 이용하여 무인비행체용 작동기를 설계/제작하여 성능 시험을 하였다. 압전 단결정 작동기(S-LIPCA)의 제작을 위해서 압전 단결정의 물성 실험을 수행 하였고, 결과 값을 적용하여 작동기의 성능을 예측하였다. 여러 형태의 적층구조에 대해서 가장 성능이 좋은 적층 구조를 찾아, 압전 단결정 세라믹을 적용하여 작동기를 제작 하였고, 압전 다결정 세라믹 작동기와의 성능을 비교하였다. Piezo-composite curved actuator S-LIPCA with PMN-29PT was designed, fabricated and evaluated. The optimal stacking sequence to maximize the actuation performance of S-LIPCA was designed and fabricated using vacuum-bagging composite manufacturing process. From the performance evaluation test for a curved cantilever beam actuator, It was found that S-LIPCA can produce about 1.6 times more tip deflection than conventional LIPCA with CTS 3203HD poly-crystal ceramic layer

소형 무인 비행체 조종면 작동용 압전 복합재료 작동기 연구

윤범수 ( Bum Soo Yoon ),박기훈 ( Ki Hoon Park ),윤광준 ( Kwang Joon Yoon ) 한국복합재료학회 2014 Composites research Vol.27 No.2

본 논문은 기존의 유/공압 및 전기식 모터를 대체할 수 있는 경량, 고성능 지능소자 구동기를 설계/제작하고 이를 소형 무인비행체의 조종익 시스템에 적용 가능성을 연구한 것이다. 또한 압전 복합재료 작동기에 대한 성능평가를 수행하였으며, 유니모프 및 바이모프 형태의 작동기를 제작하여 각각의 작동 특성을 확인하였다. 이와 같은 성능시험 평과 결과를 통해 바이모프 형태의 작동기가 하중 유무와 무관하게 선형적인 받음각 변화를 가짐을 알 수 있었다. 이러한 지능소자 구동 시스템은 소형 로봇, 유도무기 및 MAV, UAV의 조종익 제어 시스템으로 사용될 수 있는 가능성을 확인하였다. The purpose of the present study is to develop lightweight and simple smart actuators in order to replace conventional hydraulic/pneumatic actuators, and to apply the developed actuators to the actuation systems of a small unmanned air vehicle. This research describes the procedures of design, manufacturing of the piezo-composite actuator, and the performance evaluation. From the test results of the developed devices, we found the possibility of piezo-composite actuator could be used as a control surface of a small UAV system. We have designed and manufactured two kinds of piezo-composite actuators, unimorph actuator and bimorph actuator. The manufactured actuators were evaluated through the performance testes. It was found that the bimorph type actuator showed more linear angle change for the same excitation voltage variation than unimorph type. It is expected that piezo-composite actuator has a possibility to be used not only as a control surface of small unmanned flying vehicle but also as a control surface actuator of a guided missile fin through the miniaturization of power supply and control system.

압전 세라믹의 재료 비선형성을 고려한 LIPCA 작동기의 성능 해석

이상기(Sang Ki Lee),김영성(Young Sung Kim),박훈철(Hoon Cheol Park),윤광준(Kwang Joon Yoon),구남서(Nam Seo Goo),조창민(Chahngmin Cho) 한국항공우주학회 2004 韓國航空宇宙學會誌 Vol.32 No.3

본 논문에서는 압전재의 재료 비선형성을 고려한 경량 압전 복합재 작동기(LIPCA)의 성능 해석을 수행하였다. 성능 해석을 위해 9절점 쉘 요소 정식화에 바탕을 둔 압전 쉘 요소를 이용하였다. LIPCA의 작동 변위를 보다 정확히 예측하기 위하여, 실험을 통해 얻은 압전 변형률 함수와 증분 정식화를 추가하여 기존 선형 유한요소 프로그램을 수정하였다. 이렇게 개발된 재료 비선형 압전 쉘 프로그램을 이용하여 LIPCA의 작동변위를 재 계산하였고, 재료 비선형 해석으로 얻은 작동 변위가 선형 해석으로 계산된 작동 변위 보다 측정 변위에 훨씬 근접함을 확인하였다. This paper deals with the performance analysis of LIPCA(LIght-weight Piezo-Composite actuator) including the material non-linearity of the embedded 3203HD PZT wafer. For this analysis, we used a piezo-shell element code based on a nine-node assumed strain shell element formulation. The material non-linearity was implemented in the formulation due to a large observed discrepancy between the measured displacement and the computed actuation displacement based on the linear analysis. An experimentally extracted piezo-strain function of the PZT wafer and incremental formulation were incorporated into the linear finite element code to improve the accuracy of the estimated actuation displacement of the LIPCA. The non-linear piezo-shell program was used to predict the non-linear performance of the LIPCA. The simulated actuation displacement from the non-linear code showed much better agreement with the measured data.

경량 압전 복합재료 작동기를 이용한 끝단 질량이 부착된 보의 진동 제어

란동 마투아(Landong Martua),구남서(Nam Seo Goo),박훈철(Hoon Cheol Park) 한국항공우주학회 2007 韓國航空宇宙學會誌 Vol.35 No.3

PZT와 같은 압전 재료는 능동 진동 억제 분야에서 널리 사용되고 있지만 단일 PZT의 경우 장착 과정에서의 손상, 전기 누전, 낮은 피로 성능과 같은 문제가 지적되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 개발된 LIPCA 작동기는 여러 층의 복합재료와 PZT 층으로 구성되어 있다, 본 연구에서는 LIPCA 작동기를 끝단 질량이 부착된 알루미늄 외팔보의 진동을 억제하는데 적용하였다. 양변위 되먹임 제어 알고리듬을 사용하였으며, 필터 주파수를 대상 모드의 첫 번째 고유진동수에 맞추었다. 실험적으로 구한 알루미늄 보의 고유 진동수는 유한요소 해석의 결과와 잘 일치하였다. LIPCA 작동기를 능동 진동제어에 적용할 때 효율성을 시간과 주파수 영역에서 확인하고자 하였는데, 실험 결과 PPF제어를 사용한 LIPCA 작동기가 자유 진동의 안정화 시간과 강제 진동의 진폭을 효과적으로 제어할 수 있었다. 사례 연구로 다른 두께를 가지는 보의 강제 진동 제어를 수행하였다. Although piezoelectric materials such as PZT have been widely used as actuators in the field of active vibration suppression, the use of bare PZT as an actuator may cause some drawbacks such as critical breaks in the installation process, short circuits in the host material and low fatigue performance. The LIPCA-C2 (lightweight piezocomposite actuator) was developed to alleviate these problems. We implemented the LIPCA as an actuator to suppress the vibration of an aluminum cantilever beam with a tip mass. In our test, we used positive position feedback control algorithm. The filter frequency for this type of feedback should be tuned to the natural frequency of the target mode. The first three experimental natural frequencies of the aluminum cantilever beam agree well with the results of finite element analysis. The effectiveness of using the LIPCA as an actuator in active vibration suppression was investigated with respect to the time and frequency domains, and the experimental results show that LIPCAs with PPF control can significantly reduce the amplitude of forced vibrations and the settling time of free vibrations. For a case study, the forced vibration control of several beams with different thicknesses were performed.

압전 복합재료 작동기 LIPCA와 단일 PZT의 보 진동 제어 성능 비교

아리프 수하리요노(Arief Suhariyono),구남서(Nam Seo Goo),이영재(Young Jae Lee),박훈철(Hoon Cheol Park),윤광준(Kwang Joon Yoon) 한국항공우주학회 2006 韓國航空宇宙學會誌 Vol.34 No.3

본 논문에서는 기존에 개발한 압전 복합재료 작동기인 LIPCA가 동적 구조물의 작동기로 적용 가능한지를 평가하였다. 압전 세라믹 층, 탄소/에폭시 충 및 유리/에폭시 층으로 이루어진 LIPCA 작동기는 단일 PZT에 비하여 성능 및 내구성이 크다는 장점이 있다. 성능 평가를 위하여 정적 작동력 실험과 진동 제어 실험을 수행하였다. 알루미늄 보의 한쪽 면에 LlPCA와 단일 PZT를 각각 보에 부착하고 반대쪽 면에는 변형률 게이지를 부착하였다. 먼저 정적 작동력 실험에서는 작동 전압에 따른 변형률 신호를 등가 작동 모멘트로 환산하여 크기를 비교함으로써 성능을 평가하였다. 진동 제어 실험에서는 스트레인 게이지의 변형률 신호를 PID 제어 알고리듬을 사용하여 보의 자유 진동을 억제하도록 제어 신호를 생성하였다. 진동 신호가 감쇠하는 정도를 나타내는 안정화 시간을 비교함으로써 성능을 평가하였다. 실험 결과 LIPCA가 정적 작동 뿐 아니라 자유 진동 제어에서도 단일 PZT보다 성능이 우수함을 확인하였다. The purpose of this paper is to evaluate potential application of Lightweight Piezo-composite Actuator (LIPCA) to suppress vibrations of structures. The LIPCA, consisting of a piezoelectric layer, a carbon/epoxy layer and glass/epoxy layers, has advantages in terms of high performance, durability and reliability, compared to the bare piezoelectric ceramic (PZT) actuator. We performed two kinds of experiments on static actuation and active vibration suppression to investigate the actuation performances of the LIPCA and the bare PZT. We attached the actuator on one side and a strain gage on the other side of an aluminum beam. In the static actuation test, we evaluated the performance by comparing equivalent actuation moments of the LIPCA and the bare PZT due to the applied voltage. In the active vibration control test, control signals were generated to suppress the vibration of the beam by the PID control algorithm based on the measured strain signals. The performances were estimated based on settling times of the strain responses. It can be concluded that the LIPCA has better actuation performances than the bare PZT in active control of free vibration as well as static actuation.

경량압전 복합재료 작동기의 작동범위를 이용한 총유효 모멘트 (M^E)의 예측

윤광준,김철웅,Yoon Kwang-Joon,Kim Cheol-Woong 대한기계학회 2006 大韓機械學會論文集A Vol.30 No.2

The fatigue behavior of LIPCA was so sensitive to the manufacturing condition, the environmental factors and the change of the test apparatus. Therefore, we could be considering not only the relationship between the stroke range $({\Delta}h)$ and actuating frequency but also the relationship between the stroke range $({\Delta}h)$ and the total effective moment $(M^E)$. Thus, this study proposed the calculation method of the applying $M^E$ when the $({\Delta}h)$ of LIPCA was increased from 1.mm to 20mm. To estimate the relationship between the total effective moment $(M^E)$ and the Bernoulli-Euler bending moment (M) was reviewed. And the residual stress distribution of LIPCA and THUNDER using the CLT was evaluated. In conclusions, converting the $({\Delta}h)$ of LIPCA to the radius of curvature (p) and calculating the $(M^E)$, it was found that the p by the $M^E$ changed similarly as the $({\Delta}h)$. It was found that the $M^E$ was 2.2 times as the M. While CFRP and PZT of LIPCA, which had the superior compressive characteristic, had the compressive residual stress, GFRP was subject to the tensile residual stress. Since this reversed configuration between the compressive residuals stress and the tensile one was made, the requirement of the stroke range $({\Delta}h)$ increase was satisfied.

경량압전 복합재료 작동기의 작동변위와 총유효모멘트의 관계

김철웅(Cheol-Woong Kim),남인창(In-Chang Nam),윤광준(Kwang-Joon Yoon) 대한기계학회 2005 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2005 No.5

The LIghtweight Piezoelectric Ceramic Composite Actuator (LIPCA) is subject to the cyclic maximum deflection due to the resonant frequencies. Unfortunately, it could make LIPCA damageable by the cyclic large deformation. If the progressive microvoid coalescence of LIPCA interlaminar took place, the decrease of the stiffness and the weakness of stress transmission and fiber bridging effect would make the fatigue characteristics worse suddenly. Therefore, it is required to study the variation of fatigue behavior and interlaminar condition in LIPCA under resonant frequencies. These studies such as the changeable fatigue phase and interlaminar behavior of LIPCA affected by the resonant frequencies should be carried out due to the strong anisotropy of carbon/epoxy layer. Hence, these studies are as follows. Firstly, propose a method that relationship between total effective moment (ME) and performance displacement. Secondly, comparative analysis of total effective moment vs. bending theory of the Bernoulli-Euler laminate beam applicable LIPCA. Finally, Residual stresses distribution of interlaminar in LIPCA using the CLT.

압전 복합재료 작동기를 이용한 소형 비행체 조종익 구동시스템 성능 시험 평가

박지원(Ji Won Park),윤범수(Bum Soo Yoon),윤광준(Kwang Joon Yoon),최현영(Hyun Young Choi) 한국항공우주학회 2016 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2016 No.11

압전 복합재료 작동기 LIPCA에 대한 성능 비교실험 및 분석

김균열 ( Kyun Youl Kim ),박기훈 ( Ki Hoon Park ),윤광준 ( Kwang Joon Yoon ),박훈철 ( Hoon Cheol Park ) 한국복합재료학회 2003 Composites research Vol.16 No.2

끝단 질량을 가진 복합재료 박판 보의 퍼지기법과 압전 감지기/작동기를 이용한 진동제어

이윤규 ( Yoon Kyu Lee ),강호식 ( Ho Shik Kang ),송오섭 ( Oh Seop Song ) 한국복합재료학회 2004 Composites research Vol.17 No.5