[논문]이동식 단동 비닐하우스 설치 및 철거 시스템 개발

이기명; 박규식; 최성우

문제 정의

본 연구는 시설재배지의 장기 재배를 위하여 연작장해를 극복하는 데 필요한 벼 재배를 위하여 일손이 부족한 농번기에 생력적인 단동 비닐하우스 골조파이프의 설치 및 철거장치 개발을 위한 연구로 수행하였다. 농업용 로더용의차체와 차륜을 사용하는 전용기로서 단동 비닐 하우스 골조파이프를 적재하고 1본씩 이송 가능한 4스크류 방식의 피딩장치와 타설 위치에서 매설 깊이를 일정하게 관입할 수 있는 롤러 방식의 그리퍼 및 타설 장치로 구성하였다.
1본 피딩부에 의하여 1본씩 공급된 골조파이프는 오차범위 내에서 정확하게 그리퍼가 그리핑 하여야 하고, 타설 시에 그리퍼와 파이프가 미끄러지지 않고 골조파이프를 원하는 깊이 만 큼 타설이 가능해야 한다. 본 연구에서는 3종류의 그리퍼를 개발하여 성능을 비교하였다.
피딩부로부터 1본씩 공급된 골조파이프는 그리퍼가 그리핑 하여 설정한 깊이 만큼 관입타설되어야 한다. 본 연구에서는 집게 방식, 척(chuck) 방식 및 롤러(roller) 방식의 3가지 그리퍼를 개발하여 시험하였다.
이에 본 연구는 시설재배지의 연작장해를 극복하고 장기 재배를 가능하게 하는 벼 재배를 위하여 일손이 부족한 농번기에 생력적인 단동 비닐하우스 골조파이프의 설치 및 철거기술과 장치를 개발하여 생산보급하도록 하는 데 목적이 있다.

제안 방법

1.단동비닐하우스 골조파이프를 기계적으로 설치 철거하는 장치를 개발하였으며, 1동 분량의 골조파이프를 적재하여 1본이송, 피딩, 관입 등이 자동으로 가능하며, 주행하면서 철거가 가능한 장치로 구성하였다.
가이드 프레임에 1본씩 나란히 적재되어 있는 골조파이프는 그림 2와 같이 감속모터와 이송나사에 부착된 푸시 플레이트에 의하여 그리핑 부로 이송 공급되도록 구성하였다. 파이프 압출식은 50본 이상의 골조파이프를 뒤에서 밀어서 이송할 때 골조파이프의 곡률이 불균일하여 정열 상태가 일직선이 되지 않아 정확한 1본 피딩이 어려웠다.
골조파이프 타설은 그림 1과 같이 1본씩 그리핑 하여 관입하는 공정으로 이루어지므로 1본씩 공급되는 피딩부와 작업 공정이 조화를 이루어야 하고, 이송에서 타설까지 공정을 1사이클로 하여 이 1사이클을 시퀀스 제어로 제어장치를 구성하였다. 특히 본 공정제어는 적재 나 타설 및 기체의 이동 등에 많은 동력을 필요로 하여 기체의 진동이 심하고, 포장에서의 작업이 진행되어야 하는 조건 등을 감안하여 작업 공정 1사이클이 1축켐 1회전으로 제어되는 1축 켐식 콘트롤러를 사용하였다.
골조파이프는 지면의 평탄 상태와 기체의 진행에 따른 좌우 균형에 관계없이 일정 깊이로 관입되어야 하고, 또한 그리핑 시골조파이프의 손상이나 관입 시슬립, 설정 깊이의 관입을 할 수 있는 장치개발에 성능 기준을 두고 시험하였다.
골조파이프의 1본 공급을 위하여 3가지 방식을 개발시험하였으며 그 결과는 표 1과 같다. 표에서와 같이 파이프 압출식과 2스크류식은 실패율이 높아 실용성이 떨어지는 것으로 판 단되었다.
골조파이프의 그리핑 부위인 측 부의 정밀 피딩을 위해서 골조파이프의 지지는 상부의 2조의 스크류로 하고, 피딩은 상부 2조와 측면 2조의 스크류를 그림 5, 6과 같이 추가하여 4스크류가 동시에 작동하도록 하였다. 피딩 스크류의 작동은 상부 2개 소 스크류는 1개의 감속 모터를 사용하여 타이밍 벨트로 동기구동하고, 양측 2개소는 각각 동일한 감속모터를 장착하여 동일 전원 스위치로 동기 제어되도록 하였으며 전기 클러치를 부착하여 1회전 후 동력이 끊어지고 다음 신호에 의해서 동력이 연결되어 1회전하면 다시 끊어지는 구조로 하여 1본 피딩이 되도록 하였다.
골조파이프의 적재 및 1본 피딩 장치는 구조의 경량화를 위하여 그림 3, 4와 같이 상부에 2조의 스크류를 설치하여 적재 및 1본 피딩이 가능하도록 하였다. 피딩 스크류의 구동은 1대의 감속모터를 사용하고 타이밍 벨트로 전동하여 동기되도록 하였다.
그리퍼는 내부에 그림 8(a)와 같이 척이 열린 상태에서 골조파이프가 그리퍼의 중심으로 위치하여 그리핑 되도록 하기 위해 척이 약간 유동되도록 구성하였다. 또한 그리퍼는 파이프를 완전히 그리핑 한 후 지중에 타설할 때 과다한 관입 저항으로 인하여 골조파이프가 그리퍼에서 미끄러지지 않도록 4블럭으로 된 테이퍼형의 그리핑 척을 삽입한 구조로 구성하여 골조파이프 타설 시 관입 깊이의 차이가 발생하지 않도록 하였다.
피딩 스크류의 구동은 1대의 감속모터를 사용하고 타이밍 벨트로 전동하여 동기되도록 하였다. 스크류는 좌우나사를 다르게 하고 구동회전 방향은 2조의 스크류가 대향으로 하여 골조파이프가 이송 중에 좌 또는 우로 쏠리지 않도록 하였다. 하우스폭이 5m인 단동하우스골조파이프의 상부 2스크류식 피딩만으로는 골조파이프의 양측 단 정렬부의 마찰 저항으로 그리핑 핸드에 정확한 피딩이 되지 않아 그리핑 실패가 발생하였다.
시스템은 1회 1동 작업량의 골조파이프를 적재하고 1본씩 피딩 하명서 타설하는 장치로서, 본 연구에서는 50본의 골조파이프를 적재하도록 적재부를 설계하였으며, 2스크류식 및 4스크류식의 피딩장치를 개발하여 그리핑 부에 골조파이프를 1본씩 정밀하게 이송 공급되도록 구성하였다.
척 그리퍼 핸드의 작동은 그림 9와 같이 1본 피딩부에 의하여 1본의 골조파이프가 공급되어 그리핑 되면 핸드가 하방으로 작동하여 관입 설치하고, 그리퍼가 열린 상태에서 핸드가 후방으로 이동하여 관입된 골조파이프를 벗어나 기체의 안쪽으로 작동하여 기체가 다음 설치 위치까지 이동하는 동안 다음 골조파이프 공급 위치까지 전진하여 대기하도록 구성하였다.
골조파이프 타설은 그림 1과 같이 1본씩 그리핑 하여 관입하는 공정으로 이루어지므로 1본씩 공급되는 피딩부와 작업 공정이 조화를 이루어야 하고, 이송에서 타설까지 공정을 1사이클로 하여 이 1사이클을 시퀀스 제어로 제어장치를 구성하였다. 특히 본 공정제어는 적재 나 타설 및 기체의 이동 등에 많은 동력을 필요로 하여 기체의 진동이 심하고, 포장에서의 작업이 진행되어야 하는 조건 등을 감안하여 작업 공정 1사이클이 1축켐 1회전으로 제어되는 1축 켐식 콘트롤러를 사용하였다.
골조파이프의 적재 및 1본 피딩 장치는 구조의 경량화를 위하여 그림 3, 4와 같이 상부에 2조의 스크류를 설치하여 적재 및 1본 피딩이 가능하도록 하였다. 피딩 스크류의 구동은 1대의 감속모터를 사용하고 타이밍 벨트로 전동하여 동기되도록 하였다. 스크류는 좌우나사를 다르게 하고 구동회전 방향은 2조의 스크류가 대향으로 하여 골조파이프가 이송 중에 좌 또는 우로 쏠리지 않도록 하였다.
골조파이프의 그리핑 부위인 측 부의 정밀 피딩을 위해서 골조파이프의 지지는 상부의 2조의 스크류로 하고, 피딩은 상부 2조와 측면 2조의 스크류를 그림 5, 6과 같이 추가하여 4스크류가 동시에 작동하도록 하였다. 피딩 스크류의 작동은 상부 2개 소 스크류는 1개의 감속 모터를 사용하여 타이밍 벨트로 동기구동하고, 양측 2개소는 각각 동일한 감속모터를 장착하여 동일 전원 스위치로 동기 제어되도록 하였으며 전기 클러치를 부착하여 1회전 후 동력이 끊어지고 다음 신호에 의해서 동력이 연결되어 1회전하면 다시 끊어지는 구조로 하여 1본 피딩이 되도록 하였다. 또한 스크류의 회전 방향은 기체의 좌우가 각각 대향 방향으로 되도록 하여 골조파이프의 쏠림을 방지하였다.

대상 데이터

골조파이프 설치 및 철거 시스템 개발은 하우스폭 3.5~6.0m에 적응하도록 하였으며, 시험을 위하여 선정한 단동하우스의 모델은 국내에 가장 많이 보급되고 있는 폭이 5m, 높이는 3m로 골조파이프는 길이 9m, 양 측면에 1.6m 직선부로 밴딩한Φ25.4 파이프를 사용하였다.
본 연구는 시설재배지의 장기 재배를 위하여 연작장해를 극복하는 데 필요한 벼 재배를 위하여 일손이 부족한 농번기에 생력적인 단동 비닐하우스 골조파이프의 설치 및 철거장치 개발을 위한 연구로 수행하였다. 농업용 로더용의차체와 차륜을 사용하는 전용기로서 단동 비닐 하우스 골조파이프를 적재하고 1본씩 이송 가능한 4스크류 방식의 피딩장치와 타설 위치에서 매설 깊이를 일정하게 관입할 수 있는 롤러 방식의 그리퍼 및 타설 장치로 구성하였다. 이상의 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

성능/효과

2.수작업의 골조파이프 타설 작업 시간 대비 10배 정도의 노동력 절감 효과가 있으며, 농번기와 중노동의 회피, 연작장해 스트레스 경감 등 시설재배 농가의 현장 애로 해결에 많은 도움이 예상된다.
1본 공급된 골조파이프는 그리퍼에 의하여 그리핑 되어 타설위치에서 좌우 일정한 깊이로 타설되어야 한다. 3가지 방식의 그리퍼에서의 그리핑 성공은 파이프의 변형에 대해서 대응성이 낮은 유압핑거와 척 그리퍼는 각각 55, 65%로 낮았으며, 롤러 방식에서의 파이프의 변형에 관계없이 그리핑에 실패하지 않았다. 골조파이프 1본의 그리핑 및 타설을 15초 설계하였으며, 20본의 타설 깊이의 평균은 각각 25, 27, 30cm로 설계 깊이인 30cm에 비교적 접근하였으나 유압핑거와 척 그리퍼의 좌우 타설 깊이 차가 각각 21, 19cm로 나타나 온실의 시공에 적절하지 않을 정도로 심각한 문제점을 나타냈으며, 롤러 방식에서는 깊이 차는 무시할 수 있는 정도로 정확하였다.
3가지 방식의 그리퍼에서의 그리핑 성공은 파이프의 변형에 대해서 대응성이 낮은 유압핑거와 척 그리퍼는 각각 55, 65%로 낮았으며, 롤러 방식에서의 파이프의 변형에 관계없이 그리핑에 실패하지 않았다. 골조파이프 1본의 그리핑 및 타설을 15초 설계하였으며, 20본의 타설 깊이의 평균은 각각 25, 27, 30cm로 설계 깊이인 30cm에 비교적 접근하였으나 유압핑거와 척 그리퍼의 좌우 타설 깊이 차가 각각 21, 19cm로 나타나 온실의 시공에 적절하지 않을 정도로 심각한 문제점을 나타냈으며, 롤러 방식에서는 깊이 차는 무시할 수 있는 정도로 정확하였다.
골조파이프의 1본 공급을 위하여 3가지 방식을 개발시험하였으며 그 결과는 표 1과 같다. 표에서와 같이 파이프 압출식과 2스크류식은 실패율이 높아 실용성이 떨어지는 것으로 판 단되었다.

후속연구

3.단동비닐하우스 골조파이프의 설치 및 철거 장치를 활용함으로서 연작장해 회피를 위한 수도 작의 재배 등 시설재배 농가의 안정적인 장기 재배가 가능하여 생산성 향상과 고품질 농산물의 안정적인 공급에도 기여할 것으로 판단된다.

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