[논문]제조공정용 Fast Back 이송장치 진동·소음 저감에 관한 연구

한두희; 이승훈; 손영득

doi:10.5762/kais.2019.20.8.642

제조공정용 Fast Back 이송장치 진동·소음 저감에 관한 연구
A Study on Vibration & Noise Reduction of Fast Back Feeding Device for Manufacturing Process 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.8, 2019년, pp.642 - 648

한두희 (한국기술교육대학교 기계설비제어공학과) , 이승훈 (한국기술교육대학교 메카트로닉스공학과) , 손영득 (한국기술교육대학교 기계설비제어공학과)

초록
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본 논문은 스낵식품 가공 공정라인에서 사용하는 설비 중 하나로 이송물의 관성을 이용한 제조공정용 Fast Back 이송장치이다. 기존의 이송 장치는 벨트 컨베이어와 기계식 크랭크를 적용한 구동 장치로써 소음과 진동이 크고 환경 공해 발생하며 주기적인 유지보수가 필요하다. 이로 인해 본 논문에서는 제안하는 Fast Back 이송 장치는 크랭크식 구동장치 부분을 리니어 서보모터로 대체하고 가속에 따른 힘의 평형을 맞추기 위한 평형추 장치를 적용하여 안정된 동작을 확보하였다. 평형추 장치는 주기적으로 발생하는 충격형태의 가진력을 상쇄 시키는 것으로 진동해석을 통해 진동의 주요 원인을 파악하고 저감대책을 수립하였다. 시제품 제작을 통한 진동시험에서 약 10배 정도의 진동 저감에 대한 유효성을 검증하였다. 또한, PLC제어를 통한 전진과 후진에서의 속도, 가속도 조정을 가능하게 설계함으로써 직선형 구동력을 직접 발생시켜 별도의 기계적 변환장치가 필요하지 않아 에너지 손실이나 소음 및 진동을 발생시키지 않고 운전 속도에도 제한을 받지 않음을 증명하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a fast back-type transfer device for snack food processing that uses the inertia of transferred material. A conventional conveying system is a drive system that uses a belt conveyor and mechanical crank, which generate noise and vibration and cause environmental pollution. Vibration and noise are reduced in the proposed fast back feeding device by using a counterweight. The crank drive unit was replaced with a linear servomotor, and an equilibrium device was designed to balance the force due to acceleration. This makes it is possible to adjust the forward and backward speed and acceleration through PLC control. A vibration damper device offsets the vibration force of the periodic shock form. The main cause of the vibration was identified through vibration analysis, and reduction measures were established. We verified the effectiveness of the vibration by making a prototype and performing about 10 vibration tests. Because no mechanical transducer is needed, energy loss, noise, and vibration do not occur, and the operating speed is not limited.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Sequence of fast back feeder device for food
그림 Fig. 2. 3D modeling of fast back feeding device
그림 Fig. 3. Dynamic analysis model of linear motor
그림 Fig. 4. Vibratory force in the horizontal direction
그림 Fig. 5. Model of approximated vibratory force
그림 Fig. 6. Speed and acceleration of actuator
그림 Fig. 7. Fourier coefficient an, bn of actuator acceleration
그림 Fig. 8. Fourier coefficient of the reconstructed acceleration
그림 Fig. 9. Vibration and force transmitted to the floor
그림 Fig. 10. Fast back Feeding Device using linear motor
그림 Fig. 11. Vibration damper system using air
그림 Fig. 12. Movement speed of the hopper during 1-cycle
그림 Fig. 13. Upper acceleration of fast back feeding device
그림 Fig. 14. Support frame acceleration of fast back feeding device

AI 본문요약
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문제 정의

Fast back 이송장치는 수평이동 방향으로 주기적인 충격형태의 가진력(Vibratory force)이 주어지는 시스템으로 지지계가 이를 받치는 형태로 되어 있으며, 기존의 리니어모터 제어시스템을 이용하여 이송속도를 빠르게 하면 소음ㆍ진동이 커져서 정상적인 운전이 불가능하다. 따라서 본 논문에서는 구조ㆍ진동 해석을 통해 진동 발생 형태의 예측과 진동발생을 주요원인을 파악하고 이에 대한 진동저감 대책을 수립하고자 한다.
본 논문에서 제안하는 이송장치는 과자류 등 스낵식품 가공 공정라인에 사용되는 이송장치로 기존의 이송장치는 대부분이 벨트 컨베이어 방식임에 비해 관성력 원리를 이용한 이송장치이다. 제안하는 장치는 리니어모터로 작동되는 Fast back system으로 호퍼과 평형추가 서로 연동되어 반대방향으로 움직임으로 자동으로 전진과 후진 시 발생되는 진동으로 인한 문제을 해결하고자 개발되었다.

가설 설정

실제로 패드의 강성계수는 와이어 댐퍼의 스프링 상수보다 훨씬 크므로 더미는 바닥에 고정되어 있다고 가정하고 근사화하면 동력학적 모델링 Fig. 5와 같다.

제안 방법

Fast back 이송 장치의 메커니즘의 특성과 내부 거동을 잘 나타낼 수 있는 Fast back 이송장치 3D 모델에 대해 SolidWorks를 이용하여 모델링 하였으며, 진동 해석을 위해서 3D 모델의 동역학적 특성을 잘 나타낼 수 있는 간략화 이상화된 동적 모델을 생성 하여 동역학적 운동 방정식을 유도하고 이를 통해서 가진력에 대한 모델의 전달 계수를 산출하였으며 이를 최소화할 수 있는 평형 추(Vibration damper, Tuned mass damper)를추가적으로 적용하는 방안을 도출 하였다. 또한, 시험용 Fast Back 이송장치를 제작하여 실제 동작환경에서 진동저감 장치의 효과를 측정하였다.
본 논문에서 제안하는 이송장치는 과자류 등 스낵식품 가공 공정라인에 사용되는 이송장치로 기존의 이송장치는 대부분이 벨트 컨베이어 방식임에 비해 관성력 원리를 이용한 이송장치이다. 제안하는 장치는 리니어모터로 작동되는 Fast back system으로 호퍼과 평형추가 서로 연동되어 반대방향으로 움직임으로 자동으로 전진과 후진 시 발생되는 진동으로 인한 문제을 해결하고자 개발되었다.

대상 데이터

진동저감을 위해 개발한 평형추를 장착한 리니어 모터 구동 Fast back 이송장치의 3D 모델링은 Fig. 2와 같다. 본 장치는 기존 로터리식 수평이동 장치를 리니어 모터 방식을 채택한 것으로 바닥 기초에다 본 구조물의 하부에 더미 질량을 두고 그 밑에 고무패드를 적용하였고, 더미 질량 위에 와이어 댐퍼를 두고 리니어 모터와 이동하는 컨베이어를 위치시켰다.

성능/효과

이송장치는 수평이동 방향으로 주기적인 충격형태의 가진력이 주어지는 시스템으로 지지계가 이를 받치는 형태로 되어 있으며 생산성 향상을 위해 리니어모터 시스템의 이송속도를 빠르게 하면 진동이 커져서 정상적인 운전이 불가능하다. 따라서 진동 해석을 통해 진동발생 형태의 예측과 진동발생을 주요원인을 파악하고 이에 대한 진동저감 대책을 수립하고 시제품을 제작하여 실험하고 평행추 적용 유ㆍ무에 따라 진동 저감효과가 약 10배 정도임을 검증하였다.

후속연구

향후 연구에서는 공압 및 서보모터로 구동되는 Fastback 장치에 대해 평형추 시스템의 적용방법에 대해 검토할 예정이다.

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