KR970000175B1 - 크레인 무진동 조업용 진동각 측정장치 - Google Patents

Abstract

내용 없슴.

Description

크레인 무진동 조업용 진동각 측정장치

제1도는 본 발명의 측정실시예도.

제2도는 본 발명중 레이저 센서와 반사판설치 실시예도.

제3도는 본 발명의 상세도.

제4도는 본 발명의 다른 실시예의 상세도.

제5도는 스프링과 레디얼볼베어링을 결합하는 경우의 상세도.

본 발명은 건설 및 산업중장비인 크레인의 무진동 조업용 진동각 측정장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 크레인의 로프에 매달려 있는 운반물의 이송중 흔들림을 2차원(주행, 횡행)적으로 측정하는 장치에 관한 것이다.

크레인의 이송작업에서는 운반물의 흔들림(진동)이 발생하게 되는데, 이로 인해서 작업의 안전 및 효율이 떨어지게 된다.

따라서, 이러한 흔들림을 제거하기 위한 무진동 크레인의 연구가 이루어지고 있는데, 정밀한 흔들림 제어를 위해서는 실시간으로 운반물의 흔들림 각도를 측정할 수 있어야 한다.

따라서, 본 발명에서는 크레인이 주행하는 방향과 횡행하는 방향으로 운반물의 흔들림 각도를 동시에 측정할 수 있는 장치를 창출한 것이다. 크레인 작업에서 발생되는 운반물의 흔들림을 제거하는 방법으로 기계적인 방법과 알고리즘(Algorithm)적인 방법이 있다. 기계적인 방법으로는 유압실린더 등으로 구성되는 별도의 장치를 만들어 로프의 각도를 조절하는 방법이고, 알고리즘적인 방법으로는 크레인의 운반물 흔들림 주기 T=2π√(ι/g) (ι=로프길이, g=9.81m/sec²)가 로프의 길이에 관계되고, 운반물이 흔들림 각도 θ=arctan(a/g)(a=크레인가속도)는 크레인의 가감속도에 관계된다는 특성을 이용하여 크레인의 속도경로를 설정하여 보상하는 개회로제어(open loop control)방법과 운반물의 흔들림 각도를 피이드백(feedback)받아 흔들림이 신속하게 0도에 수렴하도록 하는 폐회로제어(closed loop control)방법이다. 기계적인 방법은 구조적으로 상당히 복잡해지는 문제가 있으며, 개회로적인 방법은 운반물의 흔들림을 제어하는 수단으로 운반물의 흔들림 각도를 측정할 필요가 없다는 장점은 있으나, 이는 전적으로 줄의 길이에 따른 트롤리의 속도경로 제어이기 때문에 목적 위치에 정지하게 되며 어느정도의 흔들림이 남게 된다. 또한 이송중인 운반물이 다른 물체 혹은 작업자와 충돌한다거나, 이송도중에 줄의 길이를 바꾸어야 하는 경우가 발행하게 되면, 설정해 놓은 속도경로는 제기능을 발휘할 수 없게 된다. 따라서, 보다 안전하고 정밀한 흔들림 제어가 요구되는 자동화 공장, 자동창고, 원자력시설등에서는 이와 같은 방법의 사용이 제한되므로, 좀더 개선된 폐회로제어방법을 사용하여야 한다.

이와같은 폐회로제어방법을 적용하기 위해서는 이송중인 운반물의 흔들림 각도를 측정하여 흔들림 제어 알고리즘에 실시간으로 입력하여야 하기 때문에 적절한 흔들림 각조 측정장치가 요구된다. 산업시설에서는 중량의 물체를 한 지점에서 다른 한 지점으로 이송하고자 할 경우 대부분 크레인을 사용한다. 크레인 조작은 일반적으로 단속버튼(push button)을 사용하여 크레인의 구동모터를 작동시키게 되는데, 이때 모터에 가해지는 가감속 때문에 로프의 하단에 매달린 운반물에는 흔들림이 발생하게 된다.

이와같은 흔들림으로 인해서, 이송중인 물체는 주변의 다른 물체 혹은 작업자와 충돌하여 안전사고를 일으킬 수 있으며, 또한 목표지점에서는 운반물의 흔들림이 감쇠될때까지 상당한 시간이 지연되어, 운반물 하역작업의 효율이 저하된다. 특히, 크레인 작업중에는 운반물을 정확한 지점에 하역하여야 할 경우가 있는데, 출발지점이나 목표지점에서의 운반물의 흔들림은 이와같은 작업을 어렵게 한다.

한편, 단속버트조작을 하는 경우에는 필연적으로 트롤리가 급가속 또는 감속되는데, 이 경우 트롤리에는 큰 가감속 힘이 발생하게 되고, 이 힘은 건물 구조물에 전달되어 크레인 자체는 물론 건물의 내구수명을 단축시키는 결과를 초래할 수도 있다. 따라서, 본 발명에서는 운반물의 흔들림 각도를 실시간으로 측정할 수 있는 장치를 고안하여 이를 운반물 흔들림 제어에 사용함으로써 크레인 작업의 성능과 안정성을 증진시키는 무진동 크레인의 구현에 기여하는 것이 목적이다. 본 발명의 요점은 두개의 소형 레이저 거리센서를 이용하여, 공간상에서의 운반물이 흔들림 각도를 2차원(주행, 횡행 방향)적으로 정밀하게 실시간 측정할 수 있게 한 장치이다.

이하 본 발명의 요지를 실시예 및 도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명장치는 크레인의 포토 끝에 매달려 있는 중량물의 흔들림 각도를 2차원으로 측정하는 방식에 관한 것이다.

운반물의 흔들림을 2차원적으로 측정하기 위해서는 다음과 같은 방법이 있을수 있다.

첫째, 접촉 센서(회전형 전위차계, 엔코더 등)를 이용하는 방법이다. 이 방법은 조이스틱 구조와 같은 원리를 이용하는데, 로프의 흔들림이 회전형 전위차계(rotary potentiometer)를 회전시키도록 함으로써, 그에 따른 각도를 얻는다.

둘째, 비접촉 센서(레이저 센서, 초음파 센서 등)를 이용하는 방법이다. 이 방법은 로프에 센서를 부착하고 맞은편에 반사판을 설치하여 흔들림 각도를 얻는다.

셋째, CCD 카메라를 이용하는 방법이다. 이 방법은 운반물쪽에 마크(mark)를 하여 이 표적을 프로세싱함으로서 흔들림 각도를 얻는다.

한편, 운반물 흔들림 제어 알고리즘의 성능은 측정된 각도의 정밀성에 크게 좌우된다. 따라서, 본 발명에서는 거리측정의 정밀성이 우수한 소형의 레이저 센서를 이용하는 방법을 사용하였다. 이 방법으로 2차원의 흔들림을 측정하기 위해서는 다음과 같은 조건이 요구된다.

첫째는 로프의 상하운동에 대하여 센서부위는 움직이지 않아야 한다.

둘째는 로프이 비틀림에 대하여 센서부위는 비틀리지 않아야 한다. 따라서, 이상과 같은 조건을 만족하는 구조를 갖도록 로프쪽에 레이저 반사판을 설치하고, 반사판과 마주보는 쪽에 일정한 거리를 두고 레이저 센서를 설치한다. 다른 한편으로는 로프쪽에 레이저 센서를 부착하고 맞은편에 레이저 반사판을 설치한다.

제1도에서 보은 바와같이 2차원 운반물 흔들림 각도 측정장치는 크게 기존의 고정부위의 로프(1), 두개의 레이저 센서(2)(2'), 레이저 반사판(laser reflection plate)(3)(3')으로 구성된다.

이 장치의 구조를 보면, 고정된 로프(1)의 상단아래에 일정한 크기의 레이저 반사판(스틸구조)(3)(3')을 부착하고, 맞은편에 레이저 센서(2)(2') 2개를 서로 직각방향으로 장착한다.

이때 센서 앞부분과 반사판사이의 거리는 레이저 센서의 반사판으로부터 영점거리로서 결정한다. 로프쪽에 레이저 센서의 부착이 필요한 경우는 레이저 센서 2개를 로프에 서로 직각으로 부착하고 맞은편에 레이저 반사판을 설치하며(제4도)혹은 로프의 인장코일스프링(4)를 사용하고 로프(1)와 접촉하는 부위에 레이얼볼베어링(5)을 설치한 장치이다.(제5도)

미설명부호(6) 상하 이동부위의 로프이다.

즉, 레이저 센서의 영점특성이 물체로부터 100mm라고 하면 레이저 센서의 앞부분을 물체로부터 100mm되는 지점에 위치시키면 된다. 또한 두개의 레이저 센서의 길이방향(상하)의 부착위치는 측정하고자 하는 운반물의 흔들림 각도와 레이저 센서의 측정거리에 의해서 결정되는데, 예를들어 측정하고자 하는 흔들림의 범위가 10도이고 센서이 측정범위가 40mm라면 x=40mm/sin 10과 같은 관계식을 이용하여 레이저 센서가 부착될 위치는 로프가 힌지되는 지점에서 23cm 하단이 된다. 한편, 인장코일스프링은 상하 압축은 되지 않지만 일정한 힘 이상에서는 길이방향으로 늘어나는 특성을 가지고 있다. 따라서, 본 발명에서는 인장코일스프링 하단에 부착되는 레이저 센서 및 센서부착대의 무게를 고려하여 적절한 인장강도를 갖는 스프링을 선택하였다. 또한 인장코일스프링은 비틀림 특성을 가지고 있어서, 만약 스프링속에 관통된 로프가 바로 접촉하게 되면 로프자체의 회전이 스프링을 비틀리게 하여 정밀한 각도를 측정할 수 없게 된다. 따라서, 본 발명에서는 스프링과 로프가 접촉하는 부위에 레디얼볼베어링을 삽입한 것이다.

운반물의 흔들림이 측정되는 원리를 보면, 로프의 흔들림에 따라 인장코일스프링 하단에 부착되어 있는 레이저 센서와 반사판으로부터 거리는 비례적으로 변하게 되는데, 이때 두 레이저 센서에서는 이에 해당하는 아날로그 값을 출력한다.

이 값을 삼각함수법으로 환산하면 주행과 횡행방향의 흔들림 각도를 얻을수 있다.

전자 및 제어기술의 급속한 발전에 각종 산업시설에서는 자동화가 이루어지고 있는 실정이다. 크레인 작업은 일반적으로 단속버튼스프링을 조작함으로써 이루어지는데, 이와같은 운반물의 흔들림으로 인해서 숙련된 작업자를 요구하며 따라서 작업자의 숙련도에 따라 작업능률에 차이가 있게 된다.

본 발명에서 제시된 장치를 통해서 얻는 운반물의 흔들림 각도를 무진동(anti-swing)제어 알고리즘을 적용하면 숙련된 작업자에 의존하지 않는 크레인 작업의 자동화를 이룰수 있다.

Claims (3)

1. 크레인의 무진동 조업용 진동각 측정장치를 구성함에 있어서, 2차원 운반물 흔들림 각도측정장치는 크게 기존의 고정부위의 로프(1), 두개의 레이저 센서(2)(2'), 레이저 반사판(3)(3')으로 구성되며, 이 장치의 구조를 보면, 고정부위의 로프(1)이 측면에서 사각형구조를 갖는 레이저 반사판(스틸구조)(3)(3')을 서로 직각방향으로 장착하고, 장착된 레이저 반사판(3)(3')과 마주 보는 쪽에 일정한 거리를 두고 레이저 센서(2)(2')2개를 서로 직각방향으로 부착하며, 이때 반사판의 장착위치는 로프가 정지했을 때 레이저 센서의 신호가 0인 지점에 부착하며, 로프의 흔들림 각도가 레이저 센서와 반사판 사이의 거리에 의하여 결정하는 것을 특징으로 하는 크레인 무진동 조업용 진동각 측정장치.
2. 제1항에 있어서, 레이저 반사판과 레이저 센서의 위치를 서로 바꾼것을 특징으로 하는 크레인 무진동 조업용 진동각 측정장치.
3. 제2항에 있어서 인장코일스프링(4)과 로프(1)가 접촉하는 부위에 레디얼볼베이링(5)을 설치하고 그 아래로 인장코일스프링(4)을 설치함을 특징으로 하는 크레인 무진동 조업용 진동각 측정장치.