[논문]산업용 드론을 이용한 잣수확용 해머링 시스템의 구조해석

김기홍; 배대원; 최원식

doi:10.21289/ksic.2023.26.2.285

산업용 드론을 이용한 잣수확용 해머링 시스템의 구조해석
Structural Analysis of Hammering System for Pine Cone Harvest using Industrial Drone 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.26 no.2/1, 2023년, pp.285 - 291

김기홍 (부산대학교 바이오산업기계공학과) , 배대원 (비바알앤디) , 최원식 (부산대학교 바이오산업기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, in order to secure the safety and productivity of pine cone harvest, modeling and structural analysis of the hammering system for pine cone harvest drone that can easily access pine cone of Pinus koraiensis and collide with them to harvest them was performed. It calculate the equivalent stress for the structure of the hammering system and the yield strength of the applied material by applying the shear force of the stalk at which the pine cone is separated from the branch, and it is to verify the safety of the structure and propose an optimal design through appropriate factor of safety and design change. The shear force of the stalk at which the pine cone was separated from the branch was 468 N, and was applied to both ends of the hammering system. The yield strength of SS400 steel used in the hammering system is 245 ㎫, and the design change and structural analysis were performed so that the Von Mises stress could be less than 122.5 ㎫ by applying the factor of safety of 2.0 or more. As a result of the structural analysis of the frist modeling, the Von Mises stress was 220.3 ㎫, the factor of safety was 1.12, and the stress was concentrated in the screw fastening holes. As a result of the design change of the screw fastening holes, the Von Mises stress was 169.4 ㎫, the factor of safety was 1.45, and the stress was concentrated on the side part. As a result of the design change by changing screw fastening holes and adding ribs, the Von Mises stress was 121.6 ㎫, and the factor of safety was 2.02. The safety of the hammering system was secured with an optimal design with little change in mass. There was no deformation or damage as a result of experimenting on pine cone harvest by manufacturing the hammering system with an optimal design.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1 Assembly Modeling of hexacopter and hammering system
그림 Fig. 2 Drawing and modeling of hammering system
그림 Fig. 3 Angular range of hammering system
그림 Fig. 4 Pine cone harvest method by hammering system
그림 Fig. 5 Mesh shape of hammering system
표 Table 1. Mechanical properties of materials
그림 Fig. 6 Von Mises stress of hammering system
그림 Fig. 7 Drawing with changed screw holes
그림 Fig. 8 Von Mises stress of hammering system with changed screws and screw holes
그림 Fig. 9 Drawing with changed ribs
그림 Fig. 10 Von Mises stress of hammering system with changed ribs
그림 Fig. 11 Scene of pine cone harvest using hexacopter and hammering system
표 Table 2. Change according to design change of hammering system

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 잣수확의 안전성과 생산성을 확 보하기 위해서 잣나무의 잣송이에 접근이 용이하 고, 잣송이를 충돌시켜 수확할 수 있는 드론용 잣 수확 해머링 시스템의 모델링과 구조해석을 진행하 였다. 따라서, 잣송이가 가지에서 분리되는 줄기의 전단력을 적용하여 해머링 시스템의 구조와 적용한 소재의 항복강도에 대한 등가응력을 산출하고, 적 정한 안전계수와 설계변경을 통해 구조물의 안전성 을 검증하고, 최적의 설계를 제안하는 것이다.
본 연구에서는 잣수확의 안전성과 생산성을 확 보하기 위해서 잣나무의 잣송이에 접근이 용이하 고, 잣송이를 충돌시켜 수확할 수 있는 드론용 잣 수확 해머링 시스템의 모델링과 구조해석을 진행하 였다. 따라서, 잣송이가 가지에서 분리되는 줄기의 전단력을 적용하여 해머링 시스템의 구조와 적용한 소재의 항복강도에 대한 등가응력을 산출하고, 적 정한 안전계수와 설계변경을 통해 구조물의 안전성 을 검증하고, 최적의 설계를 제안하는 것이다.

제안 방법

드론 기술의 발전은 인간의 생명과 신체에 위 협이 되는 위험한 작업과 인간 능력의 한계로 접 근하기 어려운 곳 등에 활용이 가능하다. 위험한 작업환경과 극한직업의 잣수확을 하기 위해서 잣송 이에 접근이 쉬운 드론을 활용하고, 잣송이에 충돌시켜 수확할 수 있는 해머링 시스템 (Hammering system)을 활용하여 작업자의 안전성과 생산성을 확보할 수 있다. 구조물의 변형과 손상을 알기 위 해 실물 크기로 제작하여 실험과 평가하는 것은 현실적으로 쉽지 않다.
본 연구에서는 25㎏f 급 산업용 드론에 장착하 는 잣수확용 해머링 시스템의 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 잣송이가 가지에서 분리되는 줄기의 전단력인 468 N 을 해머링 시스 템의 양쪽 끝단부에 적용하였다. 해머링 시스템에 사용한 SS400강 소재의 항복강도는 245 ㎫ 이며, 안전계수 2.
잣송이가 가지에서 분리되는 줄기의 전단력인 468 N 을 해머링 시스 템의 양쪽 끝단부에 적용하였다. 해머링 시스템에 사용한 SS400강 소재의 항복강도는 245 ㎫ 이며, 안전계수 2.0 이상을 적용하여 폰 미제스 응력이 122.5 ㎫ 이하가 될 수 있도록 설계변경과 구조해 석을 진행하여 최적의 설계를 제안하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 Fig. 1과 같이 25㎏f 헥사콥터 (Hexacopter)와 해머링 시스템을 모델링하였다. 잣 나무의 가지는 상부방향으로 경사지게 뻣으며 자라 고, 해머링 시스템은 수평방향으로 설치된다.
Fig. 2와 같이 해머링 시스템의 총 길 이는 610 ㎜, 폭은 120 ㎜, 높이는 82 ㎜ 로 설계 하였다. 양 끝에는 잣송이를 쳐서 수확할 수 있도록 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) 소재의 Ø120 × 70 ㎜ 로 설계를 하였다.
양 끝에는 잣송이를 쳐서 수확할 수 있도록 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) 소재의 Ø120 × 70 ㎜ 로 설계를 하였다. 해머링 시스템 의 프래임부는 SS400강의 두께 2 ㎜ 판재를 이용 하여 설계하였으며, 잣송이와 충돌할 때의 충격을 완화하기 위해 Bush 를 설치하였다.

이론/모형

대상체인 해머링 시스템의 부재를 안전계수 계산 에 항복이론으로 이용하였다.
유한요소법의 모델 생성과 구조해석에 사용한 프로그램은 CATIA V5R20을 이용하였다.

성능/효과

1) 최초의 모델링을 구조해석 한 결과로는 폰 미제 스 응력이 220.3 ㎫ 로 나타났으며, 안전계수는 1.12 가 되었다. 폰 미제스 응력이 발생한 부품 은 Upper center of hammer 이었고, 발생한 부위는 나사가 체결되는 구멍이었다.
2) 해머링 시스템의 부품간 체결하는 나사를 M4에서 M6 으로, M3 에서 M4 로 변경하였고, 나사를 체결하는 부품 구멍의 크기는 Ø4 에서 Ø6 으로, Ø3 에서 Ø4 로 변경하였다
3) Bush 에 부딪치는 측면부위를 보강하기 위해 Folding arm of hammer 는 폭 2 ㎜, 높이 1 ㎜ 의 리브를 설계하였다. Upper center of hammer 는 중앙부 측면에 길이 25 ㎜, 폭 5 ㎜, 높이 2 ㎜, 모서리 부분에는 라운드 3 ㎜ 의 리브를 설계하였다.
4) 선정한 안전계수를 만족하기 위해서 부품의 구멍과 리브를 설계 변경하였고, 질량의 변 화가 거의 없이 폰 미제스 응력을 감소시킬 수 있었다. 최적의 설계로 해머링 시스템을 제작하여 잣수확을 실험한 결과에서는 변형 이나 파손이 없는 것으로 확인하였다.
5) 구조물의 형태와 사용한 소재에 대하여 적정한 안전계수의 선정과 구조해석에 의한 검증을 통 하여 최적의 설계를 진행하였고, 구조물의 구 조적인 문제점 해결과 수명을 향상시킬 수 있 는 것으로 사료된다.
2) 해머링 시스템의 부품간 체결하는 나사를 M4에서 M6 으로, M3 에서 M4 로 변경하였고, 나사를 체결하는 부품 구멍의 크기는 Ø4 에서 Ø6 으로, Ø3 에서 Ø4 로 변경하였다. 설계변 경을 토대로 구조해석 한 결과로는 폰 미제스 응력이 169.4 ㎫ 로 나타났으며, 안전계수는 1.45 가 되었다. 폰 미제스 응력이 발생한 부품 은 Folding arm of hammer 이었고, 발생한 부위는 Bush 에 부딪치는 측면이었다.
Upper center of hammer 는 중앙부 측면에 길이 25 ㎜, 폭 5 ㎜, 높이 2 ㎜, 모서리 부분에는 라운드 3 ㎜ 의 리브를 설계하였다. 설계변경을 토대로 구조 해석 한 결과, 폰 미제스 응력은 121.6 ㎫ 로 나타났으며, 안전계수는 2.02 가 되었다.
4) 선정한 안전계수를 만족하기 위해서 부품의 구멍과 리브를 설계 변경하였고, 질량의 변 화가 거의 없이 폰 미제스 응력을 감소시킬 수 있었다. 최적의 설계로 해머링 시스템을 제작하여 잣수확을 실험한 결과에서는 변형 이나 파손이 없는 것으로 확인하였다.
폰 미제스 응력이 발생한 부품 은 Folding arm of hammer 이었고, 발생한 부위는 Bush 에 부딪치는 측면이었다. 폰 미제 스 응력이 두 번째로 발생한 부품은 Upper center of hammer 이었고, Bush 에 부딪치는 부위의 중간부에서 나타났다.
45 가 되었다. 폰 미제스 응력이 발생한 부품 은 Folding arm of hammer 이었고, 발생한 부위는 Bush 에 부딪치는 측면이었다. 폰 미제 스 응력이 두 번째로 발생한 부품은 Upper center of hammer 이었고, Bush 에 부딪치는 부위의 중간부에서 나타났다.
12 가 되었다. 폰 미제스 응력이 발생한 부품 은 Upper center of hammer 이었고, 발생한 부위는 나사가 체결되는 구멍이었다.

참고문헌 (10)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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