KR100230574B1 - 크레인 이송 운반물의 흔들림각 측정방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 크레인 이송물의 전, 후 및 좌, 우로 흔들리는 각도를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

크레인 작업에서 이송물체는 로프 하단의 훅크 혹은 파지기구에 매달려 목적지 까지 운반되는데 이때 작업자의 크레인의 거더, 트롤리, 호이스트를 동시에 구동시킨다.

거더와 트롤리의 동시운동은 이송물의 흔들림을 공간의 평면상에서 두 운동의 합성방향으로 흔들리게 한다.

본 발명은 위치센서를 활용하여 두 방향의 흔들림각을 삼각법으로 구해내는 방법 및 장치를 제시한다.

로프는 호이스트 드럼과 훅크의 드럼에 감겨져 있는데, 일반적으로 두 드럼의 직경이 서로 다르며 또한 여러 가닥의 로프중 하나는 호이스트 드럼에 감겨있지 않고 트롤리에 고정되어 로프가 지면에 수직하지 않다.

이에 따라, 로프의 상하 운동시에 로프의 흔들림각이 변화하지 않는데도 불구하고 측정된 흔들림각이 변화되는 현상이 나타나는데 본 발명에서는 이를 보상해 주는 방법도 제시한다.

Description

크레인 이송 운반물의 흔들림각 측정방법 및 장치

본 발명은 크레인 이송운반물의 흔들림각 측정방법과 장치에 관한 것이다.

크레인 조업을 자동화하기 위해서는 이송물의 흔들림과 크레인의 정밀위치를 측정하고 제어할 수 있는 기술이 요구된다.

본 발명은 크레인의 거더 및 트롤리가 따로 주행하거나 동시에 주행하는 경우 이송물의 거더방향과 트롤리 방향의 흔들림각을 동시에 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

또한, 본 발명에는 호이스트 드럼과 훅크 드럼의 직경이 서로 다르고 여러가닥의 로프중 하나의 로프만 트롤리에 고정됨으로 인하여 로프의 상하운동시 실제 흔들림각이 변하지 않는데도 측정된 흔들림각이 변화되는 현상을 보상하는 방법을 포함한다.

크레인 주행시 발생하는 이송물의 흔들림을 제어하는데 필수적으로 요구되는 이송물 흔들림 각도측정기에는 여러 가지 방법들이 제시되고 있다.

첫째는 CCD 카메라, 초음파센서, 및 레이저센서 신호들을 이용하는 비접촉식 방법으로 기계적인 구조가 단순하다.

카메라를 이용하는 방법은 이송물의 파지장치에 표적을 붙이거나 특징 점을 표적으로 삼아 이의 변화를 추적하는 방식으로 화상처리에 많은 시간이 소요되기 때문에 실시간 제어를 구현하기 어렵다.

초음파센서나 레이저센서 방식은 반사판이 요구되어 구조 및 측정각도의 최고값에 제한이 따르지만 레이저센서 방식의 경우는 정밀성이 뛰어난 장점이 있다.

또한, 카메라와 레이저센서는 고가인 단점도 있다.

둘째는 기계적인 구조와 센서의 조합을 통한 접촉식 방식으로 일정의 조이스틱 원리와 유사한 구조이다.

여기에는 회전형 위치센서(엔코더, 전위차계), 자기센서등을 사용하고 있으나, 기계적으로 좀더 복잡한 구조를 요구한다.

또한 센서의 성능도 레이저 센서보다 떨어지며, 기계적인 접촉 과정에서 나타나는 백래쉬 등으로 인하여 정밀성이 다소 떨어지는 단점도 있다.

한편, 가장 이상적인 이송물 흔들림 각도측정장치는 기계적인 구조가 단순하고, 성능도 우수하며, 가격도 저렴한 구조이며 이는 최근 개발되고 있는 저렴하고 성능이 우수한 센서들을 활용하면 개발이 가능하다.

산업시설에서는 중량물을 이송하기 위해 일반적으로 크레인을 많이 사용하고 있으며, 이때 크레인의 조작은 숙련된 작업자를 필요로 한다.

만약, 미숙련자가 크레인을 조작하게 되면 운반물이 크게 흔들리게 되어 안전사고를 유발시킬 수 있으며 이를 정지시키는데는 많은 시간이 소요된다.

노련한 숙련자는 반복작업을 통한 경험을 통해서 운반물의 흔들림을 신속하게 감소시키고 원하는 지점에 운반물을 하역시키는 작업을 수행할 수 있으나, 작업자의 숙련 정도에 따라 크레인의 조종능력이 다르게 나타난다.

특히, 대형 크레인의 경우는 조작자가 크레인 위에 탑재한 운전석에서 장시간 작업을 수행하기 때문에 피로등으로 인해서 안전사고의 위험성이 존재한다.

크레인의 제어는 로프의 상하 운동, 트롤리의 횡행 및 거더의 주행운동 제어로 이루어지며 일반적으로 두 가지의 제어 방식이 있다.

첫째, 작업자가 푸쉬버튼 스위치를 사용하여 크레인을 운반물이 있는 위치까지 이동시키고 훅크에 운반물을 매달아 원하는 위치에 하역한다.

둘째, 운반물의 위치 및 이송하고자 하는 위치등과 같은 작업영역이 좌표화되어 있어 작업자는 크레인 제어 컴퓨터에 이송할 운반물이 있는 위치와 이송 목표지점을 지시하면 크레인은 자동으로 운반물의 하역작업을 수행한다.

현재까지 대부분의 작업장에서 푸쉬버튼 방식을 사용하여 크레인을 운전하고 있으나 최근에는 생산성 향상, 비용절감 및 안전사고 방지차원에서 대형 크레인 작업장(제철소, 항만등)을 중심으로 자동화 개념이 도입되고 있는 추세이다.

특히, 크레인 1대에 최소한 2명의 조작자가 요구되기 때문에 크레인 대수의 2배에 해당하는 인력이 필요하게 되어 크레인 조작자의 인건비 지출 차원에서도 자동화가 검토되고 있다.

그러나, 크레인을 자동화하고자 하는 경우 트롤리 및 거더의 운동시에 발생하는 이송물의 흔들림, 크레인 선하적위치의 벗어남, 이송물의 하적시에 발생하는 지면과의 충격 문제를 해결하는 것이 관건이 되고 있다.

이중 흔들림을 제거하는 방법에는 기계적인 방법과 알고리즘적인 방법이 있다.

기계적인 방법으로는 유압실린더등으로 구성되는 별도의 장치를 만들어 로프의 각도를 조절하는 방법이고, 알고리즘적인 방법으로는 크레인의 운반물 흔들림 주기

(i = 로프길이, g = 중력가속도)가 로프의 길이에 관계되고, 이송물의 흔들림 각도 θ=tan^-1(a/g)(a = 크레인 가속도)는 크레인의 가감속도에 관계된다는 특성을 이용하여 크레인의 속도경로를 설정하여 흔들림을 제거하는 개회로제어(open loop control) 방법과 이송물의 흔들림 각도를 피드백(feedback) 받아 흔들림이 신속하게 제거되도록 하는 폐회로제어(closed loop control) 방법이 있다.

기계적인 방법은 구조적으로 상당히 복잡해지는 단점이 있으며, 개회로적인 방법은 이송물의 흔들림을 제어하는 수단으로 이송물의 흔들림 각도를 측정할 필요가 없다는 장점은 있으나, 이는 운반물의 흔들림을 측정하지 않고 줄의 길이만 측정하면 트롤리 및 거더의 속도를 제어하기 때문에 목적 위치에 정지하게 되면 어느 정도의 흔들림이 남게 된다.

또한, 이송중인 운반물이 다른 물체에 충돌하거나, 바람으로 밀리거나, 또는 이송도중 줄의 길이를 바꾸어야 하는 경우가 발생하게 되면 설정해 놓은 속도경로는 제기능을 발휘할 수 없게 된다.

따라서, 보다 안전하고 정밀한 흔들림 제어가 요구되는 작업장에서는 이와 같은 방법의 사용이 제한되므로, 좀더 개선된 폐회로제어 방법을 사용하여야 한다.

이와 같은 폐회로제어방법을 적용하기 위해서는 이송중인 운반물의 흔들림 각도를 측정하여 흔들림 제어 알고리즘에 실시간으로 입력하여야 하기 때문에 적절한 흔들림각 측정장치가 요구된다.

따라서 본 발명에서는 이송물의 흔들림각 측정방법과 장치를 통해서 크레인 폐회로제어시에 요구되는 이송물의 흔들림각도를 측정할 수 있게 하여 크레인 자동화에 기여하고자 한다.

본 발명은 크레인 이송물의 전, 후 및 좌, 우로 흔들리는 각도를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

크레인 작업에서 이송물체는 로프 하단의 훅크 혹은 파지기구에 매달려 목적지까지 운반되는데 이때 작업자는 크레인의 거더, 트롤리, 및 호이스트를 동시에 구동시킨다.

거더와 트롤리의 동시운동은 이송물의 흔들림을 공간의 평면상에서 두 운동의 합성방향으로 흔들리게 한다.

따라서, 각도측정장치는 공간상에서 두 방향(x, y)의 흔들림각을 동시에 측정할 수 있어야 한다.

본 발명에서는 이를 위해 두 방향의 흔들림각을 삼각법으로 구하는 방법을 발명하였다.

로프는 호이스트 드럼과 훅크의 드럼에 감겨져 있는데, 일반적으로 두 드럼의 크기가 다르며 또한 로프중 하나는 호이스트 드럼에 감겨있지 않고 트롤리에 고정되어 로프가 지면에 수직 상태가 될 수 없다.

따라서, 로프의 상하 운동시에 로프의 흔들림각이 변하지 않는데도 로프의 상하 위치에 따라 측정된 흔들림각이 변하는 현상이 발생하는데 본 발명에서는 이를 보상해 주는 방법도 발명하였다.

도1은 크레인 트롤리 하단에 설치된 이송물 흔들림각 측정장치 개략도

도2는 이송물 흔들림각 측정장치 정면도(a) 및 평면도(b)

도3은 회전위치센서로 구성된 각도측정장치의 위치센서 구조

도3a는 도3의 다른 실시예도

도4는 직선위치센서로 구성된 각도 측정장치의 위치센서 구조

도5는 이송물 흔들림각 계산구조

도6은 로프길이 변화에 따른 이송물 흔들림각 보상 구조

도7은 본 발명의 변형에 의한 유사구조

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 각도 측정장치 2 : 거더

3 : 트롤리 4 : 호이스트 드럼

5 : 모터 6 : 로프

7 : 훅크 8 : 드럼

9 : 트롤리 측면 10 : 회전위치센서

11 : 직선위치센서 12 : 와이어

13 : 스파이럴 스프링 14 : 인장 스프링

15 : 회전축 16 : 드럼

17 : 레버 18 : 위치센서

19 : 평판 20 : 호프

21 : 위치센서 와이어

본 발명은 이송물 흔들림 각도 측정장치(1)는 도1 및 도2에 도시한 바와 같이 거더(2) 위에 있는 트롤리(3) 하단에 장착된다.

트롤리에는 호이스트 구동장치가 있는데 이는 호이스트 드럼(4) 및 모터(5)로 구성되고 드럼에는 로프(6)가 감겨진다.

로프의 하단에는 훅크(7)와 드럼(8)이 있고 호이스트 드럼(4)으로부터 감겨져 내려온 로프가 훅크의 드럼(8)에 감겨져 다시 호이스트 드럼에 감겨진다.

이때 로프중 한 개는 호이스트 드럼에 감기지 않고 트롤리 측면(9)에 고정된다.

본 발명의 구조 및 설치사양을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

여기서 치수는 한정된 것이 아니며 설치 조건에 따라 변경이 가능하다.

도3, 3a와 도4에서 보는 바와 같이 각도 측정장치는 회전위치센서 또는 직선위치센서로 구성할 수 있으며 이들의 핵심구성요소는 회전위치센서(10)(로터리 엔코더, 로터리 전위차계 등) 혹은 직선위치센서(11)(전후진 전위차계 등), 와이어(12)와 가이드/웨이트(13a) 스파이럴 스프링(13) 혹은 인장 스프링(14)으로 구성되는 부분이다.

회전위치센서로 구성하는 경우에는 회전위치센서의 한쪽 회전축(15)에 2㎜정도 두께의 와이어가 두번 정도 감길 수 있도록 홈이 파진 외경이 30㎜ 정도의 드럼(16)을 삽입하고 여기에 와이어를 감으며 반대편 축에는 스파이럴 스프링을 부착한다.

또한 직선위치센서로 구성하는 경우는 직선형 위치센서의 레버(17)에 와이어를 부착하고 레버뒤에 인장스프링을 부착한다.

스프링의 필요한 장력은 최소한 10rad/s 정도의 속도로 와이어가 자유롭게 움직일 수 있도록 하면 된다.

본 발명에서는 위에서 설명한 센서, 스프링 및 와이어 구조를 갖추어야 하지만 이와 유사한 구조를 가진 케이블 신장형 위치센서가 현재 판매되고 있어 이를 사용할 수도 있다.

각도측정장치는 도1과 도2에서 보는 바와 같이 전술한 구조를 가진 회전형 위치센서(18) 3개 또는 직선 위치 센서 3개로 구성되며 위치센서들은 한변을 도려낸 평판(19)의 세모서리 부분에 부착된다.

위치센서는 트롤리에 고정되어 있는 로프(20)의 450㎜ 정도 아래의 높이에 위치센서 헤드가 일치하도록 부착하고 이때 로프들은 한변을 도려 낸 평판(19) 속에 삽입되도록 한다.

3개의 위치센서 헤드에서 뻗어나온 길이 300㎜ 정도의 와이어(21 또는 12)를 한데 모아 모든 와이어가 지면에 평행하게 유지될 수 있도록 한쪽끝이 트롤리 드럼에 고정된 로프에 부착한다.

본 발명은 도5로부터 이송물의 흔들림각을 다음과 같이 구한다.

크레인의 고정된 로프(20) 주위의 2차원 평면상에서 위치센서(18)가 도5와 같이 설치되었을 때 각각의 위치센서헤드를 이어주는 두 직선의 교차점으로 부터 x, y 좌표로 설정한다.

이때 위치센서 와이어(21)의 길이를 d_1n, d_2n, d_3n이라 하고 이송물이 흔들리지 않은 상태의 좌표를 x_o, y_o라 하고, 이송물이 임의의 위치로 흔들렸을 때의 좌표를 x_n, y_n이라 하면 도5로부터 x_n, y_n의 좌표는 다음식 (1), (2), (3)과 (4)와 같이 구할 수 있다.

(1)

(2)

(3)

(4)

여기서 P₁과 P₂는 3개의 위치 센서 중 근접한 2개의 위치센서 헤드사이의 거리를 나타낸다.

식 (1)과 (2)로부터 다음과 같이 이송물이 흔들렸을때의 x 좌표인 x_n(식 7)을 얻는다.

(5)

(6)

(7)

마찬가지로, 식 (3)과 (4)로부터 y_n(식 10)을 얻는다.

(8)

(9)

(10)

이의 결과로부터 로프가 2차원 공간상에서 초기 위치로부터 변화된 변위는 식(11), (12)와 같이 된다.

(11)

(12)

따라서, 도5의 (b)에서 보는 바와 같이 위치센서(18)가 트롤리(4)로부터 h만큼 떨어진 거리에 설치될 때 이송물의 2차원 공간상 흔들림각은 식 (13), (14)와 같이 구할 수 있다.

(13)

(14)

식 (13)과 (14)는 로프의 상하운동이 없는 경우의 흔들림각을 산출하는 방법이다.

그러나, 실제 크레인 작업에서는 로프의 상하운동이 일어나기 때문에 위의 식에서 y_o가 변하게 된다.

도6은 이의 개략도를 나타낸다.

여기서 y_o가 변하게 되는 이유는 다음과 같다.

크레인의 로프(6)는 호이스트 드럼(4)에 감기지만 그중 하나는 반드시 트롤리에 고정되어 있다.

또한, 훅크의 드럼(8)과 호이스트의 드럼의 크기가 일반적으로 다르기 때문에 도6에서 보는 바와 같이 호이스트 드럼에서 내려온 로프와 고정된 지점에서 내려온 로프(20)는 평행하지가 않다.

따라서, 로프가 상하로 변하면 y방향 와이어의 초기치(y_o)가 변하게 된다.

식 (15)와 식 (16)은 로프가 상하로 변할 때 y방향 와이어의 길이 변화량(Δc_n)을 나타낸다.

(15)

(16)

여기서, h는 로프 고정점부터 위치센서 와이어까지 수직거리, b는 훅크 드럼의 접선으로부터 로프 고정점까지의 수직거리, l_o는 훅크 드럼이 상승할 수 있는 최상단의 지점에서 훅크 드럼 중심점과 로프 고정점까지 수직거리, l_n은 로프 고정점부터 현재의 훅크 드럼 중심점까지 거리, y_o는 훅크 드럼이 최대한 상승했을 때 위치센서 와이어의 y방향 초기길이, y_no는 로프길이 변화에 따른 위치센서 와이어의 y방향 초기길이다.

따라서, 로프의 상하운동에 따른 y방향의 거리(d_y)의 변화를 식 (17)과 같이 구하여 식 (14)에 대입하면 식 (18)과 같이 y방향의 흔들림각(θ_y)을 구할 수 있다.

(17)

(18)

식 (14)와 식 (18)를 활용하여 구체적으로 각도를 측정하는 방법을 설명하면 다음과 같다.

여기서 위치센서는 위치의 변화에 따라 전압을 발생시키며, 위치센서 간의 거리(P₁, P₂)와 고정된 로프에 부착된 와이어의 초기 거리와 이때의 위치센서 출력전압을 아는 것으로 한다.

또한, 와이어의 이송변위대 위치 센서의 출력전압을 아는 것으로 한다.

이 경우 이송물이 흔들리게 되면 와이어의 길이가 변하게 되며 이에 따라 위치센서의 출력전압이 변하게 된다.

따라서, 출력전압을 컴퓨터에 장착된 A/D 변환보드를 활용하여 디지털 정보로 받아들인 후 와이어 길이 변화대 출력전압 관계식을 이용하여 와이어 길이 변화를 얻어 위치센서 헤드로부터 고정된 로프까지의 와이어 길이(d_1n, d_2n, d_3n)를 얻으면 식 (14)와 (15)을 이용하여 이송물의 x, y방향 흔들림각을 측정할 수 있다.

흔들림 각 측정도중 로프의 길이가 변화하는 경우에는 호이스트에 부착한 엔코더를 이용하여 로프의 현재 길이를 측정한 후 식 (15), (16), (17)과 (18)를 통해서 보상된 y방향의 흔들림각을 얻을 수 있다.

[본 발명의 다른 실시예]

도7은 도5의 (a)를 변형할 수 있는 경우의 개략도이다.

도7의 (a)는 두 개의 위치센서(18)의 헤드를 지나는 직선이 서로 직교상에 배치시킨 경우이며, (b)는 두 개의 위치센서(18)를 일직선상에 배치시킨 경우이다.

이의 경우에 대해서도 이송물의 흔들림각을 얻는 방법은 식 (1)부터 식(18)까지의 과정과 유사하다.

아래에 이의 과정을 정리한다.

먼저 (가)의 경우이다.

여기서 α₁+ α₂는 로프가 x_n, y_n지점에 있는 경우 x축과 x축상에 있는 센서로부터 뻗어나온 와이어와의 각도이다.

위의 과정을 통해서 이송물이 흔들렸을 때의 x좌표인 x_n(식 30)을 얻는다.

(30)

y_n도 이와 유사하게 다음과 같이 구한다.

(31)

여기서 β₁+ β₂는 로프가 x_n, y_n지점에 있는 경우 y축과 y축상에 있는 센서로부터 뻗어나온 와이어와의 각도이다.

위의 과정을 통해서 이송물이 흔들렸을때의 y 좌표인 y_n(식 40)을 얻는다.

(40)

따라서, 식 (11)과 식 (12)를 적용하면 이송물의 두방향 흔들림각을 다음과 같이 얻는다(식 (41), (42))

(11)

(12)

다음은 (나)의 경우이다.

위의 과정을 통해서 x_n, y_n을 구하면 다음과 같이 이송물의 두방향 흔들림각을 얻는다(식 (51), (52)).

여기서 로프길이 변화에 대해 위치센서 y방향 와이어의 초기길이 변화에 대한 보상식도 도6에서 구한 방법과 동일하며 식 (52)에서 y_o대신 y_no을 적용한다.

도7의 (a) 구조로부터 유도된 식 (41)과 (42)는 도5로부터 구한 식 (13), (14)과 비교해 볼 때 계산식이 다소 복잡함을 알 수 있으며, 또한 계산 과정에 제곱근이 많이 들어있기 때문에 정밀성도 떨어짐을 알 수 있다.

또한 (나)의 구조로부터 유도된 식 (51)과 (52)는 (가)의 구조로부터 유도된 식(41)와 (42)에 비해 조금더 단순해진 것을 알 수 있으며, 제곱근이 줄어짐으로 인해서 정밀성도 개선된 것을 알 수 있다.

이의 결과로 볼 때 최적의 구조는 도5의 구조이다.

본 발명에서 제시한 이송물의 흔들림각 계산식(식 (13)(14))과 로프길이 변화에 따른 보상식 식 (18)을 사용하면 공간상에서 흔들리는 이송물의 2차원 흔들림각을 계산할 수 있다.

특히, 로프의 길이 변화에 따른 보상식을 활용하면 이송물의 2차원 흔들림각을 매우 정밀하게 계산할 수 있다.

또한, 본 발명에서 제시한 형태로 와이어, 스파이럴 스프링 혹은 인장스프링, 위치센서를 조합하던지 혹은 상업용 위치센서를 사용하여 본 발명의 구조를 갖추면 비교적 가격이 저렴하고 기계적인 구조와 계산식이 단순하면서, 정밀성이 뛰어난 이송물의 흔들림 각도 측정장치를 제작할 수 있다.

Claims (3)

1. 크레인에 있어서, 위치센서(18)(회전위치센서 혹은 직선위치센서), 와이어(12), 가이드/웨이트(13a), 스파이럴 스프링(13) 혹은 인장스프링(14)으로 구성된 위치센서 3개를 크레인 로프가 걸리지 않도록 한변을 도려낸 평판(19)의 세모서리의 직교축상에 설치하고 위치센서의 와이어를 한데 모아 고정된 로프(19)에 지면과 평행하게 부착한후 평판을 크레인 트롤리(3)에 부착한 것을 특징으로 하는 크레인 이송 운반물의 흔들림각 측정 장치.
2. 크레인에 있어서, 위치센서(18)(회전위치센서 혹은 직선위치센서), 와이어(12), 가이드/웨이트(13a), 스파이럴 스프링(13) 혹은 인장 스프링(14)으로 구성된 위치센서 2개를 크레인 로프가 걸리지 않도록 한변을 도려낸 평판(19)의 1변의 일직선상에 설치하고 위치센서의 와이어를 한데 모아 고정된 로프(19)에 지면과 평행하게 부착한후 평판을 크레인 트롤리(3)에 부착한 것을 특징으로 하는 크레인 이송 운반물의 흔들림각 측정장치.
3. 크레인에 있어서, 위치센서(18)(회전위치센서 혹은 직선위치센서), 와이어(12), 가이드/웨이트(13a), 스파이럴 스프링(13) 혹은 인장스프링(14)으로 구성된 위치센서 3개를 크레인 로프가 걸리지 않도록 한변을 도려낸 평판(19)의 세모서리의 직교축상에 설치하고 위치센서의 와이어를 한데 모아 고정된 로프(19)에 지면과 평행하게 부착한 후 평판을 크레인 트롤리(3)에 부착한 이송물 흔들림각도 측정장치를 통해서

   

   의 수식을 적용하여 이송물의 흔들림각을 얻는 방법 또는 위치센서(18)(회전 위센서 혹은 직선위치센서), 와이어(12), 스파이럴 스프링(13) 혹은 인장스프링(14)으로 구성된 위치센서 2개를 크레인 로프가 걸리지 않도록 한변을 도려낸 평판(19)의 1변의 일직선상에 설치하고 위치센서의 와이어를 한데 모아 고정된 로프(19)에 지면과 평행하게 부착한 후 평판을 크레인 트롤리(3)에 부착한 이송물 흔들림각도 측정장치를 통해서,

   

   의 수식을 적용하여 이송물의 흔들림각을 얻는 것을 특징으로 하는 크레인이송 운반물의 흔들림각 측정방법.

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