[논문]굴삭기 상부작업체에서 틈새에 의한 버켓의 거동 편차에 대한 연구

신대영; 강태곤

doi:10.7839/ksfc.2019.16.4.009

굴삭기 상부작업체에서 틈새에 의한 버켓의 거동 편차에 대한 연구
A Study on the Deviation of Bucket Behavior Considering the Effect of Clearance in the Excavator 원문보기

드라이브ㆍ컨트롤 = Journal of drive and control, v.16 no.4, 2019년, pp.9 - 15

신대영 (Korea Institute of Industrial Technology) , 강태곤 (Haneol Solution Co., Ltd.)

Abstract ▼ AI-Helper

Bucket trajectory is crucial regarding precision work with an excavator. In general, the bucket trajectory deviation is determined by the machining deviation of the frame, driving deviation of the driving hydraulic cylinder, clearance in the joints, and deformation of the structure. This paper investigated the relationship between the respective clearance in joints and the trajectory deviation of the bucket at the finishing work of the ditching for a 20-ton excavator. As a result, the larger the clearance, the larger deviation is increased at trajectory. However, it was found that the deviation of the rotation angle and displacement of the bucket was limited and the size of clearance does not affect closely on the contact angle of the pin shaft.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1 Ditching of Excavator(Hitachi)
그림 Fig. 2 Excavator System
그림 Fig. 3 Desired Trajectory
그림 Fig. 4 Joints and Clearances in Excavator
그림 Fig. 5 Motion of Cylinders
그림 Fig. 6 Realized Bucket Motion
표 Table 1 Clearance of Joint
그림 Fig. 7 Pin Shaft Angle in Boom, Arm and Bucket Cylinder
그림 Fig. 8 Difference of Pin Shaft Angle
표 Table 2 Comparison of Pin Shaft Motion with Clearance
그림 Fig. 9 Motion of Bucket Tip with Clearance
그림 Fig. 10 Motion of Bucket edge with Clearance
그림 Fig. 11 Orienation of Bucket and Arm
표 Table 3 Comparison of Bucket Tip Motion with Clearance
표 Table 4 Angle of Bucket edge angle and Difference

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 실제 굴삭기에서는 가공편차, 틈새, 탄성변형, 구동편차 등에 의하여 최종 굴삭기 경로의 편차가 필연적으로 발생된다. 본 논문은 20톤 굴삭기를 대상으로 도랑공사의 마무리 작업의 궤적에서 조인트부의 틈새가 버켓의 궤적 편차에 미치는 영향을 연구하였다.
굴삭기는 다양한 작업이 가능하며 특히 정지 공사,경사지 공사, 파이프 공사, 터파기 공사, 도랑 공사 등이 대표적이다. 본 연구에서는 도랑 공사할 때에 붐, 암, 버켓 실린더의 연결부(회전대우, Revolute joint)에 있는 틈새가 버켓의 거동에 미치는 영향을 연구하였다.

제안 방법

Fig. 3의 계획 경로(Desired trajectory)가 충실히 구현되었는지 검증하기 위하여 상부작업체를 기구해석하였다. Fig.
2와 같이 굴삭기 상부작업체의 구조물로는 붐(Boom), 암(Arm), 버켓(Bucket), 컨트롤로드(Control rod), 컨트롤링크(Control link)로 구성되며 구조물을 구동하는 유압실린더로는 붐을 작동시키는 붐 실린더(Boom cylinder), 암을 작동시키는 암실린더(Arm cylinder), 버켓을 작동시키는 버켓실린더(Bucket cylinder)가 있다. 구조물과 유압실린더는 상대 회전운동을 하므로 연결부는 회전대우(Revolute joint)로 설정하였고 회전 대우에 존재하는 틈새를 구현하기 위해 접촉모델을 생성하여 적용하였다.
굴삭기 작업조건은 도랑공사의 마무리 작업으로 설정하였으며 버켓 끝단의 경로 설계는 Fig. 3과 같이 도랑의 깊이는 1,000 mm, 도랑의 폭은 5,100 mm, 도랑의 경사각은 수직이고 버켓 끝단의 경사각(AngBkt)은 항상 지면과 밀착하도록 하였다.
유압실린더는 병진대우(Sliding joint)와 회전대우(Revolute joint)로 연결되는데 튜브와 로드의 상대운동은 병진대우로 연결하였고 Hole과 Pin Shaft 사이의 회전운동은 회전대우로 연결하였다. 또한 회전대우 내에 틈새(Clearance)를 고려하기 위해 Hole과 Pin Shaft 부분을 모델링하고 접촉 모델로 설정하였다. D_1i은 Tube직경, D_2i는 Rod 직경을 의미하고 d_1i 또는 d_2i는 Hole직경을 Ci은 틈새 αi은 Hole과 Pin Shaft가 이루는 각도를 의미한다.
Table 1 참조. 본 논문에서는 틈새의 영향을 세밀히 보기위하여 틈새가 최대,중간, 최소인 경우 3가지에 대하여 모델링 하였다.
연결부의 끼워맞춤(Fitting)을 H7g6로 정의한 후에 틈새 크기를 최대, 중간, 최소인 경우 3가지로 구분하였다.
유압실린더는 병진대우(Sliding joint)와 회전대우(Revolute joint)로 연결되는데 튜브와 로드의 상대운동은 병진대우로 연결하였고 Hole과 Pin Shaft 사이의 회전운동은 회전대우로 연결하였다. 또한 회전대우 내에 틈새(Clearance)를 고려하기 위해 Hole과 Pin Shaft 부분을 모델링하고 접촉 모델로 설정하였다.
틈새는 연결부(회전대우, Revolute joint)의 끼워맞춤(Fitting)을 H7g6로 정의한 후에 틈새를 최대, 중간, 최소인 경우 3가지로 구분하였다. 해석 방법에서 연결부는 접촉(Contact)모델링을 하였고 붐, 암, 버켓 그리고 링크류는 강체동력학 모델링을 하였다.
틈새를 고려한 상부작업체에 Fig. 5의 유압실린더의 거동을 적용하여 동력학해석을 수행하였다. 단지 무부하 상태에서 자중만을 고려할 때에 회전대우 내에서 핀의 움직임 즉 Pin Shaft의 접촉각도(αi)은 Fig.
틈새를 고려할 때에 버켓 끝단의 움직임(XBKT,YBKT, αBKT)을 살펴보았다.
틈새의 영향을 면밀히 살펴보기 위하여 100초 부분의 틈새의 유무와 크기에 따라 Pin Shaft의 접촉각도의 변화를 확인하였다.
틈새는 연결부(회전대우, Revolute joint)의 끼워맞춤(Fitting)을 H7g6로 정의한 후에 틈새를 최대, 중간, 최소인 경우 3가지로 구분하였다. 해석 방법에서 연결부는 접촉(Contact)모델링을 하였고 붐, 암, 버켓 그리고 링크류는 강체동력학 모델링을 하였다.

이론/모형

도랑작업의 경로를 구현하기 위하여 역기구(Inverse kinematic)설계를 이용하였다. Fig.

성능/효과

도랑작업 즉 버켓이 정지작업→하향 경사작업→정지작업→상향 경사작업이 진행하는 동안에 틈새크기가 클수록 버켓의 변위와 각도 그리고 Pin Shaft의 회전각이 증가하는 경향을 확인하였으며, Table 2를 보면 Pin Shaft 각도의 최대편차는 0.02°(=max{Δαi,i=1,2,3}) 정도이고, Table 3을 보면 버켓 변위의 최대편차는 0.63mm(=max{ΔYBKT}) 이고, Table 4를 보면버켓 날의 회전각의 최대편차는 0.02°(=max{ΔαBKT})으로 확인되었다.
일반적으로 접촉과 강체동력학을 이용하여 틈새를 해석하면 시간과 비용이 과도하게 소요될 수 있다. 본 연구에서 틈새크기가 Pin Shaft의 접촉각도에 미치는 영향은 무시할 수 있다고 확인되었으므로 임의 작업경로에서 임의 틈새에서 Pin Shaft의 접촉각도를 해석하면, 다른 틈새에서는 Pin Shaft의 접촉각도를 그대로 이용하더라도 기구해석으로 손쉽게 정밀하게 상부작업체의 움직임을 해석할 수 있다.
연구 결과 틈새의 크기가 클수록 버켓의 변위와 각도 그리고 Pin Shaft의 회전각이 증가하지만 버켓의 회전각과 버켓의 변위에 미치는 영향이 제한적이라는 사실이 확인되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	굴삭기는 무엇인가?	굴삭기는 도랑(Ditch) 공사, 트랜치(Trench) 공사, 파이프(Pipe) 공사, 터파기 공사, 경사지(Slope cutting) 공사, 정지(Grading) 공사, 암반 파괴 등 다양한 작업이 가능한 건설기계이다. 건설 또는 건축시공 현장은 작업 생산성 향상과 정밀시공 그리고 비숙련자 또는 교통약자의 조작편의성을 요구하고 있다.
	유압구동방식의 굴삭기 상부작업체의 연결방식은 무엇인가?	일반적으로 유압구동방식의 굴삭기에서 상부작업체는 구조물과 구조물을 구동하는 유압실린더로 나뉘며 이들 유압실린더와 구조물은 서로 핀으로 연결된다. 유압실린더와 구조물은 서로 상대 회전운동을 하게 되는데 원할한 상대 회전운동을 위하여 각각의 연결부에는 틈새(Clearance)를 적절하게 부여한다.
	틈새가 버켓의 거동에 미치는 영향은 무시할 수 있다고 확인되었는데, 이로 인한 장점은?	일반적으로 접촉과 강체동력학을 이용하여 틈새를 해석하면 시간과 비용이 과도하게 소요될 수 있다. 본 연구에서 틈새크기가 Pin Shaft의 접촉각도에 미치는 영향은 무시할 수 있다고 확인되었으므로 임의 작업경로에서 임의 틈새에서 Pin Shaft의 접촉각도를 해석하면, 다른 틈새에서는 Pin Shaft의 접촉각도를 그대로 이용하더라도 기구해석으로 손쉽게 정밀하게 상부작업체의 움직임을 해석할 수 있다.

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