[논문]유압 디바이스 성능 검사 장비 자동화 공정 개발

김홍록; 정원지; 설상석; 박상혁; 이경태

doi:10.14775/ksmpe.2020.19.10.074

문제 정의

. 따라서 공정의 생산원가를 줄여 효율성을 높이기 위해 3개의 고정핀을 사용하는 것에 대한 적합성을 확인하였다.
본 논문에서는 기존에 생산공정이 끝난 유압 디바이스가 성능시험이 이루어지기까지 인력 및 시간 소비가 큰 부분을 차지하였는데 자동화 공정에 대한 연구를 진행하여 시간 및 비용적 측면의 효율성을 증대시키고자 하였다 . 첫 번째로 기존 생산공정이 끝난 유압 디바이스를 직접 크레인에 연결하여 성능시험 공정으로 이동시키던 문제점을 생산라인 공정 컨베이어와 호환이 되도록 설계한 컨베이어를 도입하여 자 동화하였다 .
또한 각 공정별 진행 상황을 작업자가 지속적으로 관리해야 하며 안전사고 등 공정 문제 발생에 대한 즉각적인 대응이 힘들다 . 이러한 기존 공정의 문제점 분석을 토대로 본 논문에서는 기존의 수작업이 필요한 성능평가 공정을 유압 디바이스 공급부 볼트 체결 및 틸팅부 , 유압 연결부 총 3 가지의 공정으로 나누어 각 공정에 대한 자동화 개발을 진행할 것이다. .

가설 설정

11에 해석에 사용된 경계 조건들을 나타내었다 . 결합 시 작용하는 모멘트에 관한 고정핀의 해석에 중점을 두어 성능평가 장치는 단단히 고정되어있다고 가정을 하여 Fixed 조건으로 주었고 고정핀과 접촉하는 면판부분에 Table 2에 명시된 모멘트 값을 부여하여 해석을 진행하였다 . Fig.

제안 방법

개발한 자동화 성능평가 공정 중에서 유압 디바이스와 성능시험 장비의 자동화 연결에 중요한 역할을 하는 고정핀의 적합성을 검증하기 위해 고정핀의 형상 및 사용 개수에 대한 구조해석을 진행하였다 . Fig.
15 는 고정핀 사용 개수별에 따른 성능평가 장치 연결부 모습이다 . 고정핀 사용 개수에 따른 구조해석을 진행하기 위한 적용 변수 및 경계 조건들은 고정핀 형상해석과 동일 하게 적용하여 진행하였다 . Fig.
두 번째 자동화 방안으로 컨베이어를 통해 이송된 유압 디바이스에 면판 및 볼트 체결 그리고 90 도 틸팅에 대한 자동화 연구를 진행하였다 . 기존에 Jig 에 안착된 유압 디바이스를 작업자가 직접 볼트를 체결해 Jig 와 고정시키던 문제점을 해결하기 위해 면판과 볼트체결장치를 도입하였다. 또한 작업자가 직접 90 도 틸팅을 하여 성능평가 장치와 연결을 하던 문제점을 해결하기 위해 틸팅 장치를 도입하였다 .
첫 번째 자동화 방안으로 유압 디바이스 공급공정에 대한 연구를 진행하였다 . 기존에 생산공정이 끝난 유압 디바이스를 성능시험 장비 Jig 에 안착시키기 위해 작업자가 직접 유압 디바이스를 크레인에 연결하여 이동시키던 문제점을 해결하기 위해 컨베이어를 도입하였다 . 현재 자동화 생산공정에 쓰이고 있는 컨베이어와 호환이 되는 컨베이어를 설계하여 크레인 작업을 하지 않고 성능시험 장비 Jig 에 안착하도록 자동화하였다 .
연구를 진행하였다 . 기존에 작업자가 직접 유압 디바이스에 유압 공급배관을 연결하고 성능평가 후 해체하던 문제점을 해결하기 위해 Port Block 과 자동 결합장치를 도입하였다 . Port Block은 유압 공급배관과 연결되어 유압 탱크로부터 공급받은 유압을 장착된 유압 디바이스에 공급할 수 있도록 제작하여 자동 결합장치에 부착하였다.
3-2는 이송된 유압 디바이스가 다음 자동화 작업을 하기 위한 이동경로를 나타내었다. 두 번째 자동화 방안으로 컨베이어를 통해 이송된 유압 디바이스에 면판 및 볼트 체결 그리고 90 도 틸팅에 대한 자동화 연구를 진행하였다 . 기존에 Jig 에 안착된 유압 디바이스를 작업자가 직접 볼트를 체결해 Jig 와 고정시키던 문제점을 해결하기 위해 면판과 볼트체결장치를 도입하였다.
첫 번째로 기존 생산공정이 끝난 유압 디바이스를 직접 크레인에 연결하여 성능시험 공정으로 이동시키던 문제점을 생산라인 공정 컨베이어와 호환이 되도록 설계한 컨베이어를 도입하여 자 동화하였다 . 두 번째로 면판 이송 장치 , 볼트 체결장치 , 비전시스템 , 틸팅 장치를 사용하여 유압 디바이스를 성능 평가 장치에 연결하는 공정을 자동화하였다 . 세 번째로 Port Block 이 부착된 자동체결장치를 사용하여 성능평가에 필요한 유압공급을 자동화하였다 .
이때 고정핀에 큰 모멘트가 작용하게 되므로 적절한 형상의 고정핀이 필요하다 . 따라서 두 가지 형상의 고정핀에 대해 구조해석을 진행하여 비교하였다 . Fig.
이러한 유압 디바이스의 성능평가 공정의 효율을 높이기 위해선 각 공정별 작업자의 수작업을 필요로 하는 부분에 대한 개선이 필요하다 . 따라서 앞서 확인한 세 가지 수작업 공정에 대해 유압 디바이스 공급 공정과 볼트 체결 및 틸팅 공정 그리고 유압 배관 연결 공정으로 나누어 자동화 방안을 연구하였다. 첫 번째 자동화 방안으로 유압 디바이스 공급공정에 대한 연구를 진행하였다 .
기존에 Jig 에 안착된 유압 디바이스를 작업자가 직접 볼트를 체결해 Jig 와 고정시키던 문제점을 해결하기 위해 면판과 볼트체결장치를 도입하였다. 또한 작업자가 직접 90 도 틸팅을 하여 성능평가 장치와 연결을 하던 문제점을 해결하기 위해 틸팅 장치를 도입하였다 . Fig.
세가지 공정에 대한 자동화를 통해 성능평가 공정을 개발한 결과 기존 대비 로딩/ 언로딩 소요시간이 3 분의 1로 줄어들어 인건비 및 소요시간 절감을 통한 경제성 및 생산성 증가 효과가 있음을 검증하였다. 마지막으로 개발한 자동화 성능평가 공정 중 유압 디바이스와 성능평가장비 연결에 필요한 고정핀의 적합성을 검증하기 위해 구조해석 소프트웨어 Tool 인 ANSYS Ⓡ 를 이용한 변형 , 응력 및 Safety factor 에 대한 해석을 진행하였다 . 고정핀 형상에 따른 해석 결과 FP2의 형상을 지닌 고정핀에서 더 우수한 결괏값을 얻을 수 있었다 .
컨베이어를 통해 이송된 유압 디바이스 위로 면판이송장치가 이동을 하여 비전 시스템을 통해 결합할 위치에 면판을 놓는다. 비전 시스템은 비전 카메라로 유압 디바이스의 특징점을 확인하여 정위치에 벗어난 각도를 계산해 그 차이만큼 유압 디바이스를 회전시켜 정위치에 있도록 해주어 면판과 유압 디바이스의 체결부위 를 정확하게 맞춰주도록 설계하였다 . Fig.
세 번째 자동화 방안으로 유압 디바이스에 성능평가를 위한 유압 배관 연결 공정 자동화에 대한 연구를 진행하였다 . 기존에 작업자가 직접 유압 디바이스에 유압 공급배관을 연결하고 성능평가 후 해체하던 문제점을 해결하기 위해 Port Block 과 자동 결합장치를 도입하였다 .
두 번째로 면판 이송 장치 , 볼트 체결장치 , 비전시스템 , 틸팅 장치를 사용하여 유압 디바이스를 성능 평가 장치에 연결하는 공정을 자동화하였다 . 세 번째로 Port Block 이 부착된 자동체결장치를 사용하여 성능평가에 필요한 유압공급을 자동화하였다 . 세가지 공정에 대한 자동화를 통해 성능평가 공정을 개발한 결과 기존 대비 로딩/ 언로딩 소요시간이 3 분의 1로 줄어들어 인건비 및 소요시간 절감을 통한 경제성 및 생산성 증가 효과가 있음을 검증하였다.
6-1은 Port Block 이 장착된 자동 체결 장치의 모습을 나타내었다 . 자동체결장치는 Port Block 과 유압 디바이스를 결합시켜 유압탱크로부터 성능평가에 필요한 유압을 공급받을 수 있도록 하여 자동화하였다 . Fig.
자동화 공정의 생산원가를 줄여 효율성을 높이기 위해 시험평가 장치 연결부에 사용되는 FP2 형상의 고정핀의 사용 개수에 대한 구조해석을 진행하였다 . Fig.
따라서 앞서 확인한 세 가지 수작업 공정에 대해 유압 디바이스 공급 공정과 볼트 체결 및 틸팅 공정 그리고 유압 배관 연결 공정으로 나누어 자동화 방안을 연구하였다. 첫 번째 자동화 방안으로 유압 디바이스 공급공정에 대한 연구를 진행하였다 . 기존에 생산공정이 끝난 유압 디바이스를 성능시험 장비 Jig 에 안착시키기 위해 작업자가 직접 유압 디바이스를 크레인에 연결하여 이동시키던 문제점을 해결하기 위해 컨베이어를 도입하였다 .
증대시키고자 하였다 . 첫 번째로 기존 생산공정이 끝난 유압 디바이스를 직접 크레인에 연결하여 성능시험 공정으로 이동시키던 문제점을 생산라인 공정 컨베이어와 호환이 되도록 설계한 컨베이어를 도입하여 자 동화하였다 . 두 번째로 면판 이송 장치 , 볼트 체결장치 , 비전시스템 , 틸팅 장치를 사용하여 유압 디바이스를 성능 평가 장치에 연결하는 공정을 자동화하였다 .
. 축방향으로 회전하며 이동한 유압 디바이스는 성능평가장치 연결부에 있는 고정핀에 맞물려 자동으로 결합이 되도록 하였다.
5-1의 틸팅 장치의 홈부분과 결합하게 되어 틸팅장치에 고정된다 . 틸팅장치는 감속기 , 베어링 블록 등으로 이루어져 회전시 발생하는 흔들림 방지 및 정확한 각도를 유지하도록 하는 역할을 하도록 설계하였다.
기존에 생산공정이 끝난 유압 디바이스를 성능시험 장비 Jig 에 안착시키기 위해 작업자가 직접 유압 디바이스를 크레인에 연결하여 이동시키던 문제점을 해결하기 위해 컨베이어를 도입하였다 . 현재 자동화 생산공정에 쓰이고 있는 컨베이어와 호환이 되는 컨베이어를 설계하여 크레인 작업을 하지 않고 성능시험 장비 Jig 에 안착하도록 자동화하였다 . Fig.

성능/효과

14에 유압 디바이스와 성능평가 장비 연결부 결합 시 작용 하는 모멘트에 대한 Safety factor 를 나타내었다 . FP1은 대부분 15 이상의 Safety factor 값을 가지나 최대 응력이 발생한 부분에서 7.96 의 Safety factor 값이 발생하였고 FP2는 모든 부분에서 15 이상의 Safety factor 값을 가져 균일한 분포를 보임을 확인하였다. 두 가지 형상의 고정핀에 대해 구조해석을 진행한 결과 FP2 형상이 FP1 형상의 고정핀보다 변형 , 응력 및 Safety factor 면에서 우수한 값을 가지므로 성능평가 장치 연결부에 쓰이는 고정핀으로 FP2 형상의 더 적합함을 의미한다.
17 에 고정핀 사용 개수에 따른 응력 결과를 나타내었다 . 각 사용 고정핀별 최대 응력 값은 3 개일 때 20.9 MPa, 6 개일 때 19.6MPa, 10 개일 때 18.1 MPa 로 3 개일 때가 가장 높았지만 차이가 크지 않으며 고정 핀의 항복강도에 비해 미소 값임을 확인하였다 . Fig.
18 에 고정핀사용 개수에 따른 Safety factor 를 나타내었다 . 고정핀 사용 개수에 상관없이 모두 15 이상의 균일한 Safety factor 값이 분포되어 있음을 확인하였다.
마지막으로 개발한 자동화 성능평가 공정 중 유압 디바이스와 성능평가장비 연결에 필요한 고정핀의 적합성을 검증하기 위해 구조해석 소프트웨어 Tool 인 ANSYS Ⓡ 를 이용한 변형 , 응력 및 Safety factor 에 대한 해석을 진행하였다 . 고정핀 형상에 따른 해석 결과 FP2의 형상을 지닌 고정핀에서 더 우수한 결괏값을 얻을 수 있었다 . 또한 FP2 형상 고정핀 사용 개수에 따른 해석 결과 각 3, 6, 10 개를 사용했을 때 결괏값들의 차이가 아주 미미함을 확인하였다 .
고정핀의 사용 개수에 따른 구조해석을 진행한 결과 변형 , 응력 및 Safety factor 에 대한 결과 값들의 차이가 있으나 그 양이 미소 양임을 확인하였다 . 따라서 공정의 생산원가를 줄여 효율성을 높이기 위해 3개의 고정핀을 사용하는 것에 대한 적합성을 확인하였다.
96 의 Safety factor 값이 발생하였고 FP2는 모든 부분에서 15 이상의 Safety factor 값을 가져 균일한 분포를 보임을 확인하였다. 두 가지 형상의 고정핀에 대해 구조해석을 진행한 결과 FP2 형상이 FP1 형상의 고정핀보다 변형 , 응력 및 Safety factor 면에서 우수한 값을 가지므로 성능평가 장치 연결부에 쓰이는 고정핀으로 FP2 형상의 더 적합함을 의미한다. .
고정핀 형상에 따른 해석 결과 FP2의 형상을 지닌 고정핀에서 더 우수한 결괏값을 얻을 수 있었다 . 또한 FP2 형상 고정핀 사용 개수에 따른 해석 결과 각 3, 6, 10 개를 사용했을 때 결괏값들의 차이가 아주 미미함을 확인하였다 . 이는 FP2 형상을 지닌 3 개의 고정핀을 사용하는 것이 장비의 효율을 높일 수 있음을 의미한다.
세 번째로 Port Block 이 부착된 자동체결장치를 사용하여 성능평가에 필요한 유압공급을 자동화하였다 . 세가지 공정에 대한 자동화를 통해 성능평가 공정을 개발한 결과 기존 대비 로딩/ 언로딩 소요시간이 3 분의 1로 줄어들어 인건비 및 소요시간 절감을 통한 경제성 및 생산성 증가 효과가 있음을 검증하였다. 마지막으로 개발한 자동화 성능평가 공정 중 유압 디바이스와 성능평가장비 연결에 필요한 고정핀의 적합성을 검증하기 위해 구조해석 소프트웨어 Tool 인 ANSYS Ⓡ 를 이용한 변형 , 응력 및 Safety factor 에 대한 해석을 진행하였다 .
0024mm 사이의 변형값을 가짐에 따라 FP2 형상의 고정핀이 변형이 덜 발생함을 확인하였다 . 유압 디바이스와 접촉이 되는 고정핀의 머리 부분에서 최대 변형량이 발생하지만 FP1은 0.0073mm, FP2는 0.0024mm 로 미소 값임을 확인하였다 . Fig.
6MPa 사이의 응력 값을 가짐에 따라 FP2 형상의 고정핀이 응력을 덜 받음을 확인하였다 . 최대 응력 값으로는 FP1은 106.2MPa, FP2는 25.6MPa 로 고정핀의 재료 SCM440 의 인장강도인 846MPa 에 비해 미소 값임을 확인하였다 . Fig.

후속연구

. 그리고 자동화 성능평가 공정 중 중요한 역할을 하는 고정핀에 대해 SolidWorksⓇ 를 이용한 3D 모델링과 ANSYS® 를 이용한 구조해석을 진행하여 구조적 적합성을 검증할 것이다.

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