이번 주제는 이송 장비의 “진동 특성”에 대한 것입니다.
이송 장비는 관성력에 의해서 진동이 발생합니다. 주변에서 가장 쉽게 경험할 수 있는 것이 버스를 탔을 때 급출발하거나 급정거하는 상황입니다. 갑작스러운 속도에 변화에 몸이 앞이나 뒤로 휘청거리는 상황을 쉽게 경험하실 수 있습니다.
급격한 속도 변화에 따라 발생하는 진동으로 이송과정에서 제품이 파손될 수 있습니다.
“어느 정도의 속도로 운행해야 하는가??”
“무거운 제품도 잘 이송할 수 있을까??”
여러 가지 조건에 대해서 수치화된 데이터로 확인하는 방법을 함께 보도록 하겠습니다.
속도 변화에 따른 관성력 검토는 왜 필요할까요?
이번 주제인 자동화 이송 장비는 제품 생산 효율성 향상을 위해 반복적으로 이송이 요구되는 곳에 부품 혹은 제품을 자동으로 이송해주는 장비입니다. 반도체 공정에서는 일반적으로 웨이퍼 FOUP(Front Opening Unified Pod)를 이송하는 OHT(Overhead Hoist Transport) 장비 많이 사용하게 되며, 적용된 로직에 의해 이송 장비가 자동으로 운영됩니다.
OHT 이송 장비의 프로세스를 생각해본다면, (정지 - 제품 적재 - 가속 - 등속 주행 - 감속 - 정지 - 제품 하차)의 과정을 반복할 것입니다. 이송 간에 적재 제품이 파손될 수 있으므로 이송과정에서 OHT 이송 장비나 적재된 제품(웨이퍼 FOUP)에는 어떻게 움직이고 있을지 예측해보고 문제점을 확인해보는 것이 중요합니다.
관성력에 의한 진동을 어떻게 정의하고 평가할 수 있을까요?
여러분들이 생활 속에서 경험으로도 이 물리현상을 이해해볼 수 있습니다. 버스가 정차했다가 급출발하거나 운행하다가 예기치 못한 상황으로 급정거하는 상황을 생각해본다면, 버스 내부에 서 있던 우리는 움직이던 관성력에 의해 앞이나 뒤로 쓰러지려고 할 것입니다. 하지만 가/감속의 크기가 줄거나 주변에 무언가 잡을 것이 있다면 훨씬 안정적으로 서 있을 수 있을 것입니다.
이송 장비에서도 가속하거나 감속하는 속도가 급격하게 변화하는 구간에서 관성력에 의해서 최초에 한 방향으로 급격하게 변형이 발생하고 이후에는 진동의 떨림 현상으로 나타나게 됩니다. 이 진동으로 인해 적재된 제품이나 이송 장비가 파손될 수 있으므로 어느 정도의 크기로 발생하고 안정화되는 시간이 어느 정도 소요가 되는지 수치화된 데이터로 확인하는 것이 매우 중요합니다.
그렇다면 이송 장비에서 주행 조건에 따라 어떤 진동 특성과 구조적 안정성이 있는가에 대해서 어떻게 해석 검증을 할 수 있는지 함께 알아보도록 하겠습니다. 예제는 웨이퍼 FOUP를 적재한 OHT 이송 장비로 가정된 주행 조건에 따라 구조물에 어느 정도의 진동과 안정화 시간이 발생하는지, 과연 구조적 안전성이 있는가에 대해 검토한 자료입니다.
해석 프로그램
- midas NFX
해석 종류
- 모드 해석(Mode analysis)
- 과도 응답 해석(Transient response analysis)
해석 목적
- 자동화 이송 장비 운영 시 주행 조건에서 진동 특성 및 구조적 안전성 확인을 위함.
- 이송 시 가/감속 구간에서 발생하는 관성력에 의한 진동량과 안정화 시간을 파악하기 위함.
- 안전율 1.5 조건에 대하여 재료 허용응력(항복강도/1.5)과 비교하여 진동에 의한 구조적 안전성 평가.
주요 해석 결과
- 주행 조건(시간별 속도이력 곡선)에 대해서 초기모델 진동 검토 시 최대 28.39mm의 진폭 및 가/감속 시 1차 진동 안정화 이전에 2차 진동이 발생함에 따라 증폭됨을 확인하였다.
- 최종 보강 안에 대하여 추가 검토 결과, 최대 진동 진폭 0.55mm 및 진동 안정화 시간 0.825초로 충분한 안정화 시간으로 후속 진동에 대한 영향이 없으며, 최대 29.49MPa로 재료 허용응력 이내 구조적 안전성 확인하였다.
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