경제적인 on/off 밸브와 2축 각도센서를 이용한 유압구동 Platform 수평제어 장치 개발

1. 연구 배경

중량물을 실은 플랫폼을 하중의 편심이나 외란에도 불구하고 일정한 각도를 유지하기 위한 장치개발 연구들은 대부분 서보시스템 및 실린더의 오일량 제어를 위한 비례제어 유압실린더 밸브를 사용하며, 이들 시스템은 대부분 수입산인 고가의 하드웨어 부품을 사용한다. 본 연구에서는 비교적 저가의 on/off 밸브와 산업용 PLC controller를 사용하여 platform에 하중을 가했을 때, 유압실린더와 연결된 2축 기울기 센서로 부터 얻은 각도로 각각의 on/off 밸브를 제어하는 연구를 수행하였다. PLC제어에 의한 on/off 밸브로 유압실린더의 stroke을 제어하고, platform의 수평유지를 위하여 목표 기울기에 도달하는 시간(balancing/response time)을 확인하여 본 시스템의 실제 현장에서의 사용 가능성을 확인하고자 한다.

Fig. 1과 같이 선박이나 항공 등 하중이 큰 물체들을 제작하여 수송을 할 때, platform의 수평을 맞추어 수송을 해야만 안전한 수송이 가능하다. 기존의 경우 수평제어장치는 콤바인 트랙터에 가장 많이 사용되고 있으며, 앞차축 센서 신호를 이용하는 방식을 주로 사용하고 있다. 그 외에도 진자를 연직 상태로 유지하여 수평을 제어하는 장치도 있으며, 기울기 센서를 사용하거나 레이저 센서를 사용하여 수평을 제어하는 장지 또한 존재한다. 본 연구에서는 목표로 하는 대형물의 수송 장치의 목적으로 기울기 센서를 사용한다. 수평을 제어하는 것은 다양한 분야에서 사용되며, 특히 안전한 수송을 목적으로 하는 경우, 대단히 중요한 사항으로 간주된다.

Fig. 1

Transportation of heavy loading ship module that is keeping strictly horizontal and balancing position

이러한 중량물의 이송에는 하중이 증가할수록 수평 제어 시간(response time) 및 허용 가능 각도가 중요하며, 일반적으로 정밀 제어를 위하여 서보 유압실린더와 비례제어밸브(proportional control valve) 장치가 수평 제어를 위하여 사용된다.

유압실린더에 사용되는 오일은 유체에 비하여 압축되는 정도가 작고 버티는 힘이 강하기 때문에 보다 효과적으로 작용이 가능하다. 기존의 수평제어 연구는, 루프형성 시간지연 제어를 이용한 수평제어가 있다. 해당 연구는 외관관측기 포함 2자유도 제어를 유도하여 시간지연측정을 가능하게 하였다. 또한, 외관관측기 루프와 선형제어기 루프를 독립적으로 설계하였으며, 공칭안정성을 보장하였다^[1]. 유압실린더를 이용하여 전륜과 후륜의 높이 조절을 통한 트랙터의 수평을 제어하는 장치에 관한 연구가 있다. 해당 연구는 전륜의 프론트 액슬 하우징 양측에 고정되는 제1구동케이싱과 상기 제1구동케이싱에 대하여 직선왕복운동이 가능하도록 지지되는 제2구동케이싱 등을 이용하는 연구이다^[2]. 또한, 기울기 센서를 이용한 과수원 작업차량의 항수평제어에 관한 연구가 있다. 해당 연구에서는 자체 설계한 농작업용 수평작업대와 경사센서를 이용하여 A, B, C 플레이트가 상호적으로 수평을 이루도록 하였다^[3]. 이 외에도 구조물의 풍하중에 의한 수평진동 제어나^[4] 고속 이앙기의 유압수평제어 장치 개발에 관한 연구 등이 이루어지고 있다^[5].

2. 작동 및 제어 알고리즘

Fig. 2는 본 연구에서 사용된 시험장치의 제어 시스템의 구성도이다. 여기서 T는 각 축의 목표 각도이고 GX, GY는 x와 y축 각 방향의 기울기 측정값이라 하자. 유압펌프를 작동시켜 platform을 상승시키면서 1개의 기울기 센서를 통해 platform의 x, y 방향의 각도(기울기)를 측정한다. 각도가 기울어진 x, y 방향에 대해 수평제어 목표 각도에서 벗어날 경우, 해당 실린더의 유압밸브를 on/off 하여 수평을 맞춘다. 처음 PLC에 목표 각도를 입력하고 pump를 작동시키면 기울기 센서가 기울기를 감지하고 수평을 맞추기 위해 on/off 밸브를 작동한다. 이후, 유압 실린더의 길이를 조절하여 수평을 맞춘다.

Fig. 2

Schematic diagram of on/off valve and PLC controller connected to four hydraulic cylinders, a two axes tilt sensor and a hydraulic pump to control the platform horizontally

만약, 하중의 편심 또는 외란에 의해 수평이 맞지 않는다면 기울기가 목표 각도보다 작을 때에는 on/off 밸브가 작동하여 목표 각도에 도달할 때까지 유압 실린더가 올라가고 기울기가 목표 각도보다 클 때에는 목표 각도에 도달할 때까지 유압실린더가 내려간다. 이러한 과정을 통해 platform은 목표 각도에 도달하도록 수평제어가 가능하다.

Platform에 하중이 가해지면서 편중에 의해 기울어지면 GX가 목표 각도 내에 들어가는지 판단하고 목표 각도에 들어가지 못 할 경우, x축 유압실린더의 짝(pair) HA-HC, HB-HD가 각각 짝을 이루어 길이를 조절하여 목표 각도에 도달할 수 있게 한다. 같은 방법으로 기울기 GY가 목표 각도 내에 들어가는지 판단하고 목표 각도에 들어가지 못 할 경우, y축 유압실린더 짝 HA-HB, HC-HD가 각각 짝을 이루어 유압실린더의 stroke을 조절하여 목표 각도에 도달할 수 있게 한다.

초기 유압실린더와 기울기 센서 GX, GY 값을 전부 0이라 가정하고 목표 각도를 0.2°라 가정할 때, tangent를 이용하여 각축의 유압실린더 목표 제어 높이를 각 실린더 사이의 간격을 통해 계산할 수 있다. 본 시험에서 사용된 platform의 실린더 사이의 간격은 Fig. 2에서 표기한 바와 같이 x = 600 mm, y = 1,000 mm이므로 각 축의 목표 제어 높이는 각각 tan0.2°를 곱한 2 mm와 3.5 mm이다. Fig. 2(a)와 (b)는 플랫폼과 수평제어를 위한 4개의 유압 실린더와 on/off 밸브, 기울기 센서, 유압 펌프 및 PLC의 사시도와 평면도이며, Fig. 3은 on/off 밸브를 이용한 실린더의 수평 제어 알고리즘이다.

Fig. 3

Flow chart to determine the control slope for absolute value of the target, in the case that target slope is finished, the process of adjusting stroke of the hydraulic cylinder to reach the target angle is completed

3. 실험장치 설계 및 제작

본 시험에 앞서 사용된 platform의 수평제어 장치가 버틸 수 있는 허용하중을 계산하고 이를 통해 적재하중을 설정하였다. 본 수평제어 장치에는 총 4개의 유압실린더를 연결할 것인데 본 연구에서는 4개의 유압실린더를 이용, 허용하중을 10 ton 가량으로 설정하고자 하였다. 따라서 유압실린더 하나당 2,500 kg이 되어야 한다. 본 연구에 사용된 유압실린더는 2.25 cm의 반지름이다. 이를 계산하면 본 장치서 요구되는 유압은 157,2 kg/cm²이 된다. 따라서 본 시험에서는 적절한 유압실린더의 유압을 150 kg/cm²으로 설정하고, 150 kg/cm²의 유압 설정 시 본 장치의 platform은 4개의 실린더로 구성되므로 허용 하중은 (4 × 150 kg/cm² × 15.9 cm²) 9,540 kg이며, 정하중일 경우의 안전율 n(=2)을 고려하였을 때, 최대허용하중은 19.080 kg이다.

Platform의 크기는 Fig. 4와 같이 하중이 가능한 편중되지 않도록 큰 사이즈인 900 mm × 1,200 mm 로 제작하였으며, 높이는 744 mm로 제작하였다. 실린더 사이의 거리는 각각 Fig. 2에서와 같이 600 mm, 1,000 mm이다. 기울기 센서는 platform의 중심 부근에 설치하였고 on/off 밸브는 각각의 유압실린더와 연결되어 있다.

Fig. 4

Design of the platform with four hydraulic cylinders and tilt sensor for balancing test in this study

기울기 센서는 X축, Y축 각각 데이터를 처리하며 0.001°까지의 분해능으로 충분한 실험이 가능하다. 제어용 PLC는 국내제품인 LS산전 XG5,000 ver.4.27을 사용하였다. Fig. 4와 Fig. 5는 시험 장치 설계와 실제 제작된 platform 유압 수평제어 시험 장치이다. Fig. 6은 본 시험에 사용된 2축 기울기 센서 (국내제품)의 사양이다.

Fig. 5

Manufactured actual test platform with a tilt sensor and four hydraulic cylinders

Fig. 6

Two axes Tilt sensor with the specification used in this test

4. 수평제어 시험 및 분석

실험장치의 설계에서 각각의 유압 실린더는 150 kg/cm²의 유압을 가하도록 설정되었다. 이는 4개의 유압 실린더가 더해져 9,540 kg 가량의 하중을 버틸 수 있게 설계된 것이며, 이론적으로 유압실린더 허용하중 미만의 하중에서는 수평 balancing 성능에 큰 차이를 보이지 않을 것으로 기대된다. 실제로 Fig. 8(a)와 (b)는 이를 증명하는 시험 결과이다. Fig. 7, 8은 2축(X, Y) 기울기 센서의 수신신호를 분석한 것이며, 목표 각도(target angle)에 도달하는 수평제어 시간(balancing time)을 측정한 것이다.

Fig. 7

Compared balancing time for different loads for the same target control angle, 0.2°

Fig. 8

Balancing times for different target angles

실험 결과는 제어 모드 시작에서부터 2장의 제어 알고리즘에 의거한 목표 각도에 도달하는 시간을 본 것이며, GX, GY가 일정한 값으로 수렴되는 것을 볼 수 있다. 제어 종료시점은 GX, GY 모두 목표 각도에 도달하는 시간으로 하였으며, 측정된 각도의 절대값이 목표 각도 미만으로 떨어지는 시간으로 설정하였다. Fig. 7(a)는 platform 위에 추가하중을 가하지 않은 채로 balancing 시험을 진행한 결과이고, Fig. 7(b)는 약 1,000 kg의 하중을 추가로 가한 뒤의 시험 결과이다. 두 실험의 제어 시간은 모두 약 170포인트로 포인트 당 0.2초의 시간으로 (각도 센서 sampling rate), 34초가량의 시간이 경과된 것을 알 수 있다. 동일한 목표 각도(0.2°)에서의 시험 결과에서 보면, 하중추가에 따른 제어시간은 두 시험의 경우 동일한 것으로 보이며, 이는 가해진 하중이 허용하중에 훨씬 못 미친 결과로 보인다.

다음으로 수평제어장치의 목표 각도가 달라짐에 따라 balancing time이 어떻게 변하는지를 보기 위한 실험을 수행하였다. Fig. 8(a)는 목표 각도를 0.2°로 설정한 실험 결과이다. 목표 각도를 0.2°로 설정했다는 것은 platform x-축은 1 mm, y-축은 1.75 mm의 목표 높이를 가지는 것을 의미하며 이는 실린더 간의 매우 작은 차이로 되어야 한다. 따라서 목표치에 걸리는 시간은 (balancing time) 길어지며, 실험으로 나온 결과는 약 170포인트로 34초가량이다. 또한, Fig. 8(b)는 목표 각도를 0.3°으로 설정했으며 x-축은 2 mm, y-축은 3.5 mm의 목표 높이이다. 이는 목표 각도를 0.2°로 설정한 실험에 비해 각도는 0.1° 차이지만 balancing time은 150포인트로 32초가량이다. Fig. 8(c)는 목표 각도를 0.5°로 설정한 실험이고 목표 각도 0.5°는 platform x-축은 5 mm, y-축은 8.75 mm의 목표 높이이다. 목표 각도가 크게 되면서 당연하게 balancing time은 더욱 짧게 나타난다. 실험으로 나온 balancing time 결과는 약 90포인트로 14초가량이다.

결과적으로 유압실린더 platform의 설계하중을 넘지 않는 조건에서의 제어시간은 하중조건에 상관없이 목표 각도에만 반비례함을 알 수 있다.

5. 결 론

본 연구에서는 기존의 비례제어밸브를 사용하는 서보 유압제어시스템에 비하여 비교적 가격이 낮은 on/off 유압실린더 유량제어 밸브와 산업용 PLC를 사용하여 사각형 platform 유압제어시스템의 목표 각도에 따른 제어소요시간을 실험하였다.

기울기 센서와 on/off 밸브를 이용한 수평제어장치 실험결과, 설계된 platform의 허용하중에 도달하지 않는 하중의 경우, balancing time의 차이가 없음을 보였다. 또한 목표 각도 실험에서, 목표 각도가 작을수록 balancing time이 길어지는 것을 확인하였다. 실제 사용에서 허용하중을 넘지 않는 조건에서의 제어시간은 하중조건에 상관없이 목표 각도에만 반비례함을 알 수 있다.

on/off 밸브만을 이용한 본 연구의 시험 방법은 사용조건에 따라 목표 각도를 선택적으로 하여 최적의 제어시간을 결정하는 방법으로 사용 가능할 것으로 보인다.

References

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