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문제 정의
- 본 논문에서는 시나리오의 연출 장면에 따라 고하중의 물체를 원하는 궤적에 따라서 개별적으로 혹은 동기로 들어 올리거나 내릴 수 있는 다축의 멀티 호이스트 서버 시스템을 제안한다. 실시간 통신으로 여러 대의 체인 호이스트를 동시에 연동 제어할 수 있다.
제안 방법
- 그리고 체인 기어 모듈에서 오일이 흘러나오는 것을 막기 위해서 오일 누수 방지 마개와 범용 호이스트 연결부 설계하였다.
- 4대의 체인 호이스트를 동기 구동 성능 테스트를 수행하였다. 호이스트와 호이스트 사이의 거리는 초대 100m까지 가능하나 6m로 하였다.
- 호이스트와 호이스트 사이의 거리는 초대 100m까지 가능하나 6m로 하였다. 6m*6m 정사각형 부하 기구부의 중심에 대하여 목표 궤적을 구하고 기구부의 회전범위 피칭과 롤링을 -60도에서부터 60도로 하였고 실시간 통신 기반의 동기 제어 주기는 1ms로 하였다.
- 체인 호이스트 서버 시스템의 성능을 검증하기 위해서 체인 호이스트, 체인, 후크, 트러스, 그리고 부하로 구성된 독립 호이스트 서버 시스템을 제작하였다. 6대의 체인 호이스트를 개별적으로 움직이도록 제어 테스트를 수행하였다. [그림 8]은 6대의 체인호이스를 개별적으로 바닥에서부터 높이 3m까지 움직이는 장면이다.
- H빔에 체인호이스트를 연결하고서 정상적으로 아래에 부하를 연결하는 경우와 H빔에 체인호이스트를 연결하는 것이 아니라 체인 호이스트를 뒤집어서 부하에 체인 호이스트를 연결하고서 비정상적으로 체인 연결하는 경우를 모두 고려하여 이탈하지 않도록 체인 입출력의 허용 각도 범위를 90도 되도록 구조 설계하였다.
- 고하중의 물체 이송 시 발생할 수 있는 안전사고를 에 미리 예측하고 방지할 수 있도록 시스템의 상태를 진단하고 차단하는 4단계의 안전 진단 알고리즘을 제안한다.
- 고하중의 이송 특성을 고려하여 PTP (Point to point) 로 궤적 생성하는 방법을 적용하였다[7].
- 공연이나 전시 등에 사용되는 트러스 시스템, 조명시스템, 음향시스템, 그리고 무대 자동화 장치 등을 들어 올리거나 내릴 수 있는 멀티 체인 호이스트 서버 시스템을 제안하였다.
- 체인호이스트의 각 파트는 모터 및 모터드라이버, 체인 기어, 체인받이, 통신전자제어시스템, 케이스 등으로 구성되며 각각 분리 및 조립이 용이하도록 모듈별로 설계되었다. 그리고 빗물이 체인을 따라서 흘러 나갈 수 있도록 방수 설계를 하였고 방진이나 방열을 고려하여 환풍구를 체인 호이스트의 아래 부분에 설계하였다.
- 두 번째는 기구부의 두 변에 400kg의 부하 두 개를 매달고서 비대칭 부하에 대한 테스트를 수행하였다.
- 또한 작동 시 발생할 수 있는 안전사고를 미리 방지할 수 있도록 시스템의 상태를 진단하고 차단하는 단계별 안전 진단 알고리즘을 적용하였다.
- 여러 대의 체인 호이스트를 동시에 움직이는 연동 제어는 [그림 5]에서 보이듯이 2대, 4대, 8대를 묶어서 기구학과 동역학적인 수식의 유도하고 각 체인호이스트에 요구되는 궤적 및 허용 하중을 계산함으로써 이루어진다. 먼저 다축 동기 체인 호이스트를 기구학적으로 분석한다. [그림 6]은 체인호이스트의 기구학적인 모델을 보인다.
- [그림 9]는 1톤의 부하를 매달고서 상하 이동 테스트를 수행하는 것을 보인다. 실시간 허용 하중에 대한 모니터링을 통해서 성능을 검증하였다.
- 오작동이나 고장에 대한 진단 및 조치 가능하도록 브레이크를 설치하였고 전원선이나 통신선은 방수 및 방진이 되면서 연결 및 분리가 용이하도록 설계하였다.
- 첫 번째는 기구부의 모든 모서리에 400kg의 부하를 매달고서 대칭 부하에 대한 테스트를 수행하였다.
- 체인 호이스트 서버 시스템의 성능을 검증하기 위해서 체인 호이스트, 체인, 후크, 트러스, 그리고 부하로 구성된 독립 호이스트 서버 시스템을 제작하였다. 6대의 체인 호이스트를 개별적으로 움직이도록 제어 테스트를 수행하였다.
- 체인호이스트의 각 파트는 모터 및 모터드라이버, 체인 기어, 체인받이, 통신전자제어시스템, 케이스 등으로 구성되며 각각 분리 및 조립이 용이하도록 모듈별로 설계되었다.
이론/모형
- 본 연구에선 EtherCAT 실시간 통신 제어 기법을 사용하였다[8].
성능/효과
- 세 번째는 멀티 체인 호이스트 서버 시스템의 성능 검증을 위해서 [그림 13]에서 보이듯이 K-POP의 공연 무대에 실제 적용하였으며, 정격 하중 (체인 호이스트당 1 ton)이하의 작동 환경에서 2시간 정도의 공연 시간 동안 다양한 연출이 안정적으로 구현 가능함을 확인하였다.
- 또한, 개별적으로 여러 대의 체인 호이스트를 제어 하거나 2대, 4대, 8대의 체인 호이스트를 묶어서 동기로 허용 하중을 벗어나지 않는 범위 내에서 롤링 및 피칭, 그리고 상하 이동을 제어 할 수 있다. 시스템의 성능 테스트를 위해서 실제 K-POP 공연 적용하여 다양 공연 시나리오에 따라서 연출 가능성을 확인하였다.
- [그림 10]는 대칭적인 부하를 가지고서 롤링과 피칭 동작을 구현하는 것을 보인다. 엔코더 피드백 정보를 통하여 1mm이하의 오차 범위 내에서 상하 6m의 이동 변위와 가속도에 따라서 움직이고, 허용 하중 범위 내로 운용되는 것을 확인하였다.
후속연구
- 향후 100축 이상의 체인 호이스트 운용 시뮬레이션 기술과 실시간 통신 제어 기술의 연구를 통해서 멀티 체인 호이스트 서버 시스템은 K-POP 공연과 전시 분야에서 공연 콘텐츠의 다양화를 유도하고 아울러 CT, IT 및 RT의 융합을 통하여 영화, 엔터테인먼트, 문화예술 공연분야에도 적용할 예정이다.
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