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문제 정의
- 가장 이상적인 배종상태는 결주율이 적고 1립배종률이높은 것이며 실제의 포장에서 작업한다고 가정하면 포장의 경사도에 관계없이 배종상태는 일정해야 한다. 따라서 배종판경사각도에 따른 배종 실험에서는 넓은 경사각도 범위에서 배종상태가 우수한 버킷 및 진동크기를 찾고자 하였다.
- 본 연구에서는 형상이 불균일하고 크기의 차이가 큰 인편의 외형을 분석하여 버킷을 설계하고, 배종에 영향을 주는 주요 요인을 설정하고 시험을 통하여 인편의 배종에 가장 적합한 배종장치를 개발하고자 하였다.
- 종자통에 담겨있는 인편 중에서 한 개만을 배종하기 위한 적정한 요인을 구명하기 위해서 가장 중요한 배종요인을 설정하여 실험하고자 하였다. 따라서 본 배종요인실험은 버킷의 크기별로 3가지, 배종판경사각도 70-100° 사이를 5° 간격으로 7가지, 버킷의 진동은 체인이 회전하면서 발생하는 자체진동과 진동발생막대와 체인롤러와의 접촉 거리를 3단계(1, 1.
가설 설정
- 또한 표본 인편의 무게중심을 구하기 위하여보호엽을 제거한 인편을 3차원으로 모델링하였으며 모델링한 인편내부의 밀도는 일정하다고 가정하고 설계프로그램(Ideas 8.0, SDRC, U.S.A) 상에서쉽게 인편의 무게중심을 구하였다.
제안 방법
- 하였다. 따라서 본 배종요인실험은 버킷의 크기별로 3가지, 배종판경사각도 70-100° 사이를 5° 간격으로 7가지, 버킷의 진동은 체인이 회전하면서 발생하는 자체진동과 진동발생막대와 체인롤러와의 접촉 거리를 3단계(1, 1.5, 2tnm)로 변화시켜 4수준으로 설정하였다. 마늘을 배종하는 버킷의 홈은 체인의 이송 방향과 수평하므로 배종판 경사각도는 종자 통 안에서 버킷이 부착된 체인이 지면과 수직일 때를 90° 로 하였다.
- 배종 장치의 구동은 DC모터(4GN3K, OM, Japan)를사용하였으며 배종장치의 경사각도별 배종 상태를 실험하기 위하여 각도 조절장치로서 각도를 조절할 수 있도록 하였다. 또한 체인이 회전하는 앞부분의 프레임에 막대를 설치하여 버킷이 부착된 체인의 롤러에 막대가 부딪히는 양을 조절할 수 있도록 함으로서 진동의 크기를 조절하여 진동 크기에 따른 인편의 배종상태를 실험할 수 있도록 하였다. 인편은 종자통에 담겨져 있다가 동력원인 모터에 연결된 체인이 일정하게 회전하면서 체인에 부착된 버킷에 의해 배종되도록 하였다.
- 마늘재배에 있어서 가장 노동집약적 작업 중의 하나인 파종작업을 기계화하기 위한 마늘 파종기를 개발함에 있어 선행되어야 할 가장 기본적인 기술인 인편을 한개씩 공급하는 배종장치를 개발하였다. 인편을 배종하는 방법으로 버킷을 사용하였으며 버킷형상을 결정하기 위하여 인편의 형상을 CCD카메라로 화상분석하였다.
- 배종 장치의 구동은 DC모터(4GN3K, OM, Japan)를사용하였으며 배종장치의 경사각도별 배종 상태를 실험하기 위하여 각도 조절장치로서 각도를 조절할 수 있도록 하였다. 또한 체인이 회전하는 앞부분의 프레임에 막대를 설치하여 버킷이 부착된 체인의 롤러에 막대가 부딪히는 양을 조절할 수 있도록 함으로서 진동의 크기를 조절하여 진동 크기에 따른 인편의 배종상태를 실험할 수 있도록 하였다.
- 배종실험장치의 진동발생막대에 의해 발생하는 진동의 크기에 따른 인편의 배종상태를 구명하기 위하여 배종장치의 버킷에 발생하는 진동의 크기를 측정하였다. 진동의 크기는 체인 자체의 진동과 진동발생막대가 체인의 롤러에 1, 1.
- 버킷의 모양은 인편의 형상분석결과 인편의 둥근 면을 담아 안정되게 배종할 수 있도록 국자 형상의 반구로 하였으며0림 3), 반구의 크기는 인편의 둥근밑면에서부터의 거리별(2, 4, 6, 8mm)로 길이를 분석하여 얻은 걸과로 반구의 직경을 설정하였다. 분석결과 거리 6mm일 때의 평균값을 기준으로 하였으며 버킷은 둥근 반구의 직경과 깊이에 따라 A, B, C의 3가지로 설계하였고, 표 1에 버킷의 종류에 따른 제원을 나타내었다.
- 분석결과 거리 6mm일 때의 평균값을 기준으로 하였으며 버킷은 둥근 반구의 직경과 깊이에 따라 A, B, C의 3가지로 설계하였고, 표 1에 버킷의 종류에 따른 제원을 나타내었다.
- 인편 중에서 평균무게인 4.3g과 일치하는 인편을 표본으로 하여 무게중심을 구하여 도심과 어느 정도의 차이가 있는가를 살펴보고 버킷설계의 기준으로 설정한 인편의 둥근밑면에 대한 분석의 타당성과 인편을 둥근형상의 버킷에 담았을 때 안정적일 수 있는지를 판단하였다.
- 인편을 배종하는 방법으로 버킷을 사용하였으며 버킷형상을 결정하기 위하여 인편의 형상을 CCD카메라로 화상분석하였다. 인편의 둥근 밑면의 형상을 분석한 결과를 버킷설계의 기준으로 하여 3가지를 제작하였고, 배종에 영향을 주는 배종판 경사각도와 진동의 크기별로 실험을 수행하였다.
- 인편을 한 개씩 배종하기 위한 버킷설계의 기초자료를 얻고자 인편의 둥근밑면의 형상특성을 분석하였다. 인편의 둥근 밑면이 바닥면과 닿은 점을 원점으로 하여 좌표를 설정하고 그림 2-b) 와같이 y = 20(2mm), 40(4mm), 60(6mm), 80(8mm)인 x축선이 이미지의 테두리와 접하는 두 교점을 측정하였다.
- 인편을 한 개씩 배종할 수 있는 버킷의 제원을 설정하여 배종장치를 설계하기 위한 기초자료를 얻고자 1998년에 농가에서 생산된 마늘 중 종구용으로 사용하는 마늘 30접을 구입하여 쪽분리를 한 후 무작위로 117개의 인편에 대하여 보호엽(껍질) 이 있는 상태에서 길이(L), 너비(W), 두께(H), 무게를 측정하였다(그림 1).
- 인편의 기하학적 형상을 분석하기 위한 형상 분석 장치 는 CCD 카메라(Fotovix II x-r, Tamron, Japan)와 형상분석 프로그램(Inspector 2.2, Matrox, Canada)으로 각각의 인편의 측면을 투영하여 인편의 외곽선이 나타나도록 영상처리하여 좌표 화하였다. 인편의 자세는 평평한 판 위에 인편을 길이 방향으로 놓아 곡면부분이 바닥과 접촉하여 자세를 잡은 상태로 117개의 인편에 대하여 분석하였다.
- 인편을 배종하는 방법으로 버킷을 사용하였으며 버킷형상을 결정하기 위하여 인편의 형상을 CCD카메라로 화상분석하였다. 인편의 둥근 밑면의 형상을 분석한 결과를 버킷설계의 기준으로 하여 3가지를 제작하였고, 배종에 영향을 주는 배종판 경사각도와 진동의 크기별로 실험을 수행하였다.
- 인편의 둥근 밑면이 바닥면과 닿은 점을 원점으로 하여 좌표를 설정하고 그림 2-b) 와같이 y = 20(2mm), 40(4mm), 60(6mm), 80(8mm)인 x축선이 이미지의 테두리와 접하는 두 교점을 측정하였다.
- 5, 2mm로 접촉하도록 하여 진동크기를 조절하였다. 진동의 측정 위치는 체인에 부착된 버킷이 종자통을 통과하면서 진동발생막대에 체인의 롤러가 접촉하는 위치였으며, 인편의 배종률에 가장 큰 영향을 주는 버킷의 수평방향으로의 진동크기를 레이져진동측정기(OFV 303, Polytec, USA)를 사용하여 측정하였다.
- 측정하였다. 진동의 크기는 체인 자체의 진동과 진동발생막대가 체인의 롤러에 1, 1.5, 2mm로 접촉하도록 하여 진동크기를 조절하였다. 진동의 측정 위치는 체인에 부착된 버킷이 종자통을 통과하면서 진동발생막대에 체인의 롤러가 접촉하는 위치였으며, 인편의 배종률에 가장 큰 영향을 주는 버킷의 수평방향으로의 진동크기를 레이져진동측정기(OFV 303, Polytec, USA)를 사용하여 측정하였다.
- 파종에 사용하는 마늘은 인편으로 분리하여 사용하기 때문에 배종장치를 설계하기 위해서는 종자용 인편의 형상특성을 구명하여야 하므로 각각의 인편을 영상처리하여 특성을 분석하였다.
대상 데이터
- 배종실험은 각 실험인자(버킷크기, 배종 판 경사각도, 버킷진동)의 수준별(3X7X4) 84조합에 대하여 3반복 실험하였고 1회에 사용한 마늘의 개수는 100개였다. 배종상태는 3반복 실험한 배종률의 평균치를 취하였다.
- 본 연구에서는 우리나라의 대표적 재래종 인의 성종을 사용하였다.
- 2, Matrox, Canada)으로 각각의 인편의 측면을 투영하여 인편의 외곽선이 나타나도록 영상처리하여 좌표 화하였다. 인편의 자세는 평평한 판 위에 인편을 길이 방향으로 놓아 곡면부분이 바닥과 접촉하여 자세를 잡은 상태로 117개의 인편에 대하여 분석하였다.
성능/효과
- 1) 인편을 측정한 결과 길이는 28.0-52.0mm, 너비는 9.0~27.0mm, 두께는 11.0〜24.0mm이며 무게는 2.4〜6.5g으로 같은 구(bulb)에서 분리되었더라도 차이가 크며, 넓은 범위로 분포하였다.
- 2) 인편의 도심과 무게중심을 측정한 결과 도심은 수평면에 접촉한 위치를 기준으로 x=3.58, y=9.02mm에 위치하였고 무게중심은 x=0, y=8.50 mm에 위치하여 도심과는 y축으로 0.52mm의 오차가 있었다. 따라서 인편의 형상으로 볼 때 배종 장치로 각각의 인편을 버킷에 한 개씩 담을 수 있는 부위는 둥근 밑면으로 판단된다.
- 3) 인편의 둥근밑면올 y축으로 2mm 간격으로 2〜 8mm 를 측정하여 분석한 결과 평균길이는 2mm 일 때 20.0mm, 4mm 일 때 259mm, 6mm 일 때 29.6mm, 8mm일 때 32.4mm로 나타났으며 버킷 설계의 기준으로 삼았으며 인편의 둥근밑면을 담을 수 있는 버킷을 3종류 설계하여 실험에 사용하였다.
- 4) 진동발생막대와 체인의 롤러와의 접촉길이가 1, 1.5, 2mm 로 커질수록 진동의 크기는 0.870, 1.085 및 L186m/sec2으로 점차 증가했으며 이에 따라서 넓은 주파수 범위에서 피크점이 발생하는 것을 알 수 있다.
- 5) A, B, C의 버킷으로 진동과 배종판 경사 각도를 조절하여 인편의 배종상태를 실험한 결과 B형 버킷을 사용할 때 배종상태가 가장 양호하였으며 최적 운전조건은 진동 2수준(1.085m/sec2) 및 배종판 경사각도 80-85° 범위에서였다. 이때 결주율 0.
- 3% 이하로 낮았다. C형 버킷의 실험에서도 A형이나 B형 버킷과 마찬가지로 체인 자체진동에 의한 배종실험에서는 결주는 거의 없었고 1립배종률과 2립배종률이 배종관 경사각도에 따라 크게 반비례하는 것을 알 수 있었다. 즉, 미소한 진동으로 버킷에 두 개이상의 인편이 담겨있다가 두 개가 모두 배종되는 비율이 높았다가 배종판 경사각도가 증가할수록 2립중 1립만이 남아 배종되는 비율이 높아지는 것을 알 수 있었 다.
- 3% 이하로 낮았다. C형 버킷의 실험에서도 A형이나 B형 버킷과 마찬가지로 체인 자체진동에 의한 배종실험에서는 결주는 거의 없었고 1립배종률과 2립배종률이 배종판 경사각도에 따라 크게 반비례하는 것을 알 수 있었다. 즉, 미소한 진동으로 버킷에 두 개이상의 인편이 담겨있다가 두 개가 모두 배종되는 비율이 높았다
- 배종률은 배종판경사각도에 의하여 영향을 받지 않았고 버킷과 진동의 크기에 의하여 영향을 받았다. 가장 이상적인 배종 장치는 배종 판 경사각 도의 변화에도 배종률이 일정해야 하는데 B형 버킷으로 진동 2수준은 이러한 요건에 만족하는 가장 적당한 배종요인인 것으로 판단하였다.
- 6 %이상으로 급격히 증가하였다. 따라서 배종판 경사각 도가 90° 이상에서는 1립배종률이 감소되는비율만큼 결주율이 증가하므로 배종판 경사 각도를 증가시키지 않는 것이 유리한 것으로 판단하였다. 진동 2수준(L085m/sec2)에서의 실험결과는 배종 판 경사각이 80° 일 때 1립배종률은 83.
- 인편의 형상은 인편끼리 접하는 편편한 두 개의 면과 구를 형성하는 둥근면으로 구성된다. 따라서 인편의 형상을 모형으로 한 배종 장치를 개발하여 각각의 인편을 한 개씩 분리하여 배종하기에는 인편의 도심 위치로 볼 때 둥근 밑면이 유리하며 둥근밑면이 무게중심을 기준으로 대칭을 이루지는 않지만 반구형의 형상이 인편 분리에 적합한 배종방법으로 판단하였다.
- 52mm의 차이가 있었다. 이러한 결과는 두께, 너비 및 길이를 가진 인편의 원래형상과 측면의 형상만을 가지고 측정한 도심과의 차이이나 실제인 편의 도심과 무게중심과는 큰 차이가 없음을 알 수 있었다. 인편의 형상은 인편끼리 접하는 편편한 두 개의 면과 구를 형성하는 둥근면으로 구성된다.
- 일정하고 낮은 가속도의 진동일 때 불안전한 자세로 버킷에 담겨있던 인편은 인편의 무게중심이 위치하는 둥근밑면이 버킷의 둥근반구쪽으로 이동하면서 안정된 자세를 유지할 것으로 예상되었다. 그러나 피크점의 가속도에서는 버킷에 두 개 이상 담겨있던 인편중에서 한개만이 버킷의 반구에 자세를 잡거나, 두개 모두 옆으로 떨어져 결주가 발생하는 요인으로 판단하였다.
- C형 버킷의 실험에서도 A형이나 B형 버킷과 마찬가지로 체인 자체진동에 의한 배종실험에서는 결주는 거의 없었고 1립배종률과 2립배종률이 배종판 경사각도에 따라 크게 반비례하는 것을 알 수 있었다. 즉, 미소한 진동으로 버킷에 두 개이상의 인편이 담겨있다가 두 개가 모두 배종되는 비율이 높았다
- C형 버킷의 실험에서도 A형이나 B형 버킷과 마찬가지로 체인 자체진동에 의한 배종실험에서는 결주는 거의 없었고 1립배종률과 2립배종률이 배종관 경사각도에 따라 크게 반비례하는 것을 알 수 있었다. 즉, 미소한 진동으로 버킷에 두 개이상의 인편이 담겨있다가 두 개가 모두 배종되는 비율이 높았다가 배종판 경사각도가 증가할수록 2립중 1립만이 남아 배종되는 비율이 높아지는 것을 알 수 있었 다.
- 진동 1수준(0.870m/sec2)으로 실험한 결과는 다른 조건의 실험과는 다르게 나타났는데 1립배종률이배종판경사각도 70° 에서 96%로 높다가 경사각 도가 증가함에 따라 85° 에서 83%까지 낮아 지다가 다시 서서히 높아지는 경향으로 나타났다.
- 진동 1수준(O.87Om/sec2)에서의 배종상태는 배종 판경 사각도 전범위에서 2립배종률은 1.3% 이하 로 일정하였으며 배종판 경사각도에 따른 변화가 없었으며 버킷에 담긴 인편은 한 개만이 남거나 결주가 되는 것으로 나타났다.
- 진동 2수준(1.085m/sec2)일 때 배종상태는 결주율 이 10.7% 이상으로 비교적 높은 편이며 배종판 경사각도가 증가함에 따라 1립배종률이 87.3%이 하로 서서히 낮아지는 것을 알 수 있었다. 특히 배종판 경사각도 90- 에서는 결주율이 크게 증가 하였는데 이러한 원인은 반구의 깊이가 낮은 버킷 과 상대적으로 크게 작용하는 진동과 배종판 경사 각도가 증가하여 인편이 버킷안에서 자세를 잡지 못하고 낙하되어 결주율이 높아지는 결과로 나타 났다.
- 따라서 배종판 경사각 도가 90° 이상에서는 1립배종률이 감소되는비율만큼 결주율이 증가하므로 배종판 경사 각도를 증가시키지 않는 것이 유리한 것으로 판단하였다. 진동 2수준(L085m/sec2)에서의 실험결과는 배종 판 경사각이 80° 일 때 1립배종률은 83.3%로 가장 높았으나 배종판경사각도의 변화에 따라서 결주율의 증가폭이 커서 경사각도가 큰 우리나라의 포장으로 볼 때 아주 불량한 배종요인이라고 판단하였다.
- 진동 2수준(L085m/sec2)일 때의 실험결과는 배종 판 경사각도 전구간에 걸쳐 안정된 1립배종률을 보였으며 특히 80-85- 일 때 결주율 0.0〜1.3%, 1 립배종률 95.4〜96.7%로서 아주 양호한 배종상태임을 알 수 있다. 배종률은 배종판경사각도에 의하여 영향을 받지 않았고 버킷과 진동의 크기에 의하여 영향을 받았다.
- 따라서 배종판 경사각 도가 90° 이상에서는 1립배종률이 감소되는비율만큼 결주율이 증가하므로 배종판 경사 각도를 증가시키지 않는 것이 유리한 것으로 판단하였다. 진동 2수준(LtNm/sec')에서의 실험결과는 배종 판 경사각이 80° 일 때 1립배종률은 83.3%로 가장 높았으나 배종판경사각도의 변화에 따라서 결주 을의 증가폭이 커서 경사각도가 큰 우리나라의 포장으로 볼 때 아주 불량한 배종요인이라고 판단하였다.
- 진동발생막대에 의해 발생하는 진동 1수준 (OSyOm/sec2)에서의 1립배종률은 배종판경사각이 80° 〜85° 범위에서 87%로 높았으나 서서히 감소하였고 배종판경사각이 90- 부터 결주율이 14.6 %이상으로 급격히 증가하였다. 따라서 배종판 경사각 도가 90° 이상에서는 1립배종률이 감소되는비율만큼 결주율이 증가하므로 배종판 경사 각도를 증가시키지 않는 것이 유리한 것으로 판단하였다.
- 진동발생막대에 의해 발생하는 진동 1수준 (OgZOm/sec”에서의 1림배종률은 배종판경사각이 80- 〜85° 범위에서 87%로 높았으나 서서히 감소하였고 배종판경사각이 90° 부터 결주율이 14.6 %이상으로 급격히 증가하였다. 따라서 배종판 경사각 도가 90° 이상에서는 1립배종률이 감소되는비율만큼 결주율이 증가하므로 배종판 경사 각도를 증가시키지 않는 것이 유리한 것으로 판단하였다.
- 진동크기를 나타내었다. 진동발생막대와 체인의 롤러와의 접촉길이가 1, 1.5, 2mm로 커질수록 진동의 크기는 0.870, 1.085 및 1.186m/sec2으로 점차 증가했으며 이에 따라서 넓은 주파수 범위에서 피크점이 발생하는 것을 알 수 있다.
- 진동의 크기는 0.584m/sec, 으로서 전주파 수 대에 걸쳐 피크가 거의 없이 가속도가 낮은 수준으로 일정하게 나타났다.
- 사각도별로 배종실험 한 결과이 다. 체 인 자체 진동(0.584m/sec:)으로 실험한 결과 전체 배종 판 경사 각도에서 1립배종률이 64% 이하로 낮게 나타났다.
- 사각도별로 배종실험 한 결과이 다. 체 인 자체 진동(0.584m/sec:)으로 실험한 결과 전체 배종 판 경사 각도에서 1립배종률이 64% 이하로 낮게 나타났다.
- 체인 자체 진동만으로 실험한 결과 인편의 배종상태는 대체로 1립배종률이 65.3% 이하로 낮았다. C형 버킷의 실험에서도 A형이나 B형 버킷과 마찬가지로 체인 자체진동에 의한 배종실험에서는 결주는 거의 없었고 1립배종률과 2립배종률이 배종판 경사각도에 따라 크게 반비례하는 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 6) 본 연구를 통하여 마늘파종기의 가장 기 본적인 배종장치를 개발함으로서 마늘파종작업의 기계화를 이룩할 수 있는 기틀을 마련하였으며 차후에 마늘을 세워서 심을 수 있는 마늘직립파종기 개발의 기초연구가 될 것으로 기대된다.
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