KR100489677B1 - 리클레이머의 불출 자세 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 야적 파일의 불출 작업 위치까지 리클레이머를 이동시키기 위한, 리클레이머의 각 부재의 변위를 빠르고 쉽게 산출하여, 리클레이머가 불출 작업 위치까지 안전하게 이동하도록 할 수 있는 리클레이머의 불출 자세 제어 방법에 관한 것으로서, 본 발명은 리클레이머의 주행원점 위에 고정좌표계(X,Y,Z)를 설정하고, 리클레이머 위에 이동좌표계(x,y,z)를 설정하며, 야적 파일의 형상을 검출하면, 상기 검출된 야적 파일의 형상을 고정좌표계로 변환한 후, 각 작업 단에서 리클레이머의 버켓이 만드는 최외각 회전원이 파일과 접촉하는 등고선을 추출하고, 각 각 등고선에서 최초 불출 작업위치(Xp, Yp, Zp)를 결정하고, 이후, 리클레이머의 기구학 모델을 이용하여, 리클레이머가 상기 최초 불출 작업위치에 도달하기 위한, 리클레이머의 각 부재의 변위 ψ(수평회전각), φ(수직회전각), X_l(리클레이머의 주행거리)를 산출한 후, 산출된 변위로 리클레이머의 각부재를 변위시키는 과정으로 이루어진다.

Description

리클레이머의 불출 자세 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING POSITION OF RECLAIMER}

본 발명은 야적장에 쌓여있는 원료 또는 연료를 불출하여 작업소로 이동시키는 리클레이머에 관한 것으로, 보다 상세하게는 야적파일의 불출위치에 따라 리클레이머의 각 부재의 변위를 적절하게 산정하여 설비손상없이 효율적인 불출작업이 이루어지도록 하는 리클레이머의 불출 자세 제어 방법에 관한 것이다.

제철소에서는 입수된 원료나 연료, 즉 철광석 또는 코크스를 야적장(yard)에 쌓아놓고, 일정량씩 필요한 공정(예를 들어, 고로공정)으로 이동시킨다. 이때, 원료 야적장이나 코크스 야적장에서 야적된 원료 또는 코크스를 불출하여 인접 공정으로 이송하는 장치로 인접공정까지 벨트 컨베이어로 연결된 리클레이머(reclaimer)를 이용한다.

상기 리클레이머는 도 1에 도시된 바와 같이, 원통형으로 생긴 회전 삽, 즉, 버켓(bucket)(2)을 이용하여 야적파일(1)의 원료를 퍼서, 벨트컨베이어(5)로 옮기도록 구성된다.

상기 리클레이머(4)는 야적장 전체에 걸쳐 불출 작업을 수행할 수 있도록, 작업자가 불출작업을 지시하는 운전실(41)과, 리클레이머(4)의 본체와 버켓(2)를 연결하며 버켓(2)이 불출한 원료를 벨트컨베어(5)로 이송시키도록 컨베이어가 설치된 붐(42)과, 상기 붐(42)을 수평회전축(A1)을 기준으로 수평으로 회전시키면서 수직회전축(A2)를 기준으로 수직방향으로 각도를 조절하는 회전부재(43)와, 야적장 전체의 작업공간을 커버할 수 있도록 설치된 선로를 주행하도록 되어 상기 리클레이머(4)의 본체를 선로상으로 이동시키는 이동부재(44)로 구성된다.

상기 코크스나 다른 원료 및 연료의 야적파일 형태는 일정 높이를 갖는 형상으로 되어 있으므로, 리클레이머(4)는 상기 야적 파일(1)에 여러 단의 작업 단을 형성하면서 불출 작업을 진행한다.

그리고, 상기 리클레이머(4)의 불출작업은 도 2에 도시한 제어계통에 의해 제어되는데, 3차원 레이저 스캐너로 이루어진 형상검출기(3)에서 야적파일의 형상을 스캔하여, 스캐너제어기(6)로 전송하면, 상기 스캐너제어기(6)가 형상검출기(3)에서 스캔한 야적파일의 형상을 분석하여 불출위치를 산출하고, 상기 산출된 불출위치로 이동하도록 하기 위한 상기 리클레이머 회전/이동부재들의 변위를 계산한다. 상기 분석결과는 모니터링 단말기(8)에 디스플레이함과 동시에, 리클레이머 제어기(7)에 전송되어, 리클레이머(4)를 이동시킨다.

이러한 리클레이머에 의한 불출 작업을 자동으로 수행함에 있어서, 이미 정해진 작업 위치까지 사람의 도움없이 이동하기 위해서는, 리클레이머에서 각 부재의 자세를 일정한 변위만큼 자동 제어하는 것이 필요하다. 이러한 자세 제어에 있어서 꼭 충족 시켜야 할 요소는 1) 불출 작업을 하기위한 자세 변위를 정확히 계산하여 사람의 도움이 없이도 안전한 운전을 수행해야 하는 것과, 2) 그 계산이 신속하여 불출공정의 시간 지연을 최소화 해야 하는 것을 들 수 있다.

상기 리클레이머의 자세 제어를 위한 각 구성 부재의 변위를 산출하기 위해서는 리클레이머 운동에 대한 기구학 문제를 정의하고 이것에 대한 역기구학 문제를 푸는 것이 필연적이다. 이러한 역기구학 문제를 정의함에 있어서 종래에는 리클레이머의 자유도를 4자유도, 경계 조건이 3개인 여유 자유도 문제로 정의하여 각 부재의 변위를 구하였다.

그러나, 이러한 종래의 방법은 계산 과정이 매우 복잡하고, 각 부재의 변위를 구하는데 시간이 많이 걸릴 뿐 아니라 정확도도 떨어진다는 문제점이 있다.

다른 방식으로, 접근 하고자 하는 야적 파일 위의 지점 주위의 여러 점의 정보를 이용한 평면 방정식으로부터 수치적인 계산을 수행하여, 제4의 경계 조건을 얻어내는 방식도 있으나, 이 방법도 복잡성만 해결되었을 뿐, 결과의 정확도는 보장하기 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 야적 파일의 불출 작업 위치까지 리클레이머를 이동시키기 위한, 리클레이머의 각 부재의 변위를 빠르고 쉽게 산출하여, 리클레이머가 불출 작업 위치까지 안전하게 이동하도록 할 수 있는 리클레이머의 불출 자세 제어 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 야적 파일의 경사 각을 제4의 경계조건으로 도입하여 리클레이머의 자유도를 4자유도, 경계 조건을 4개로 정의하여 각 부재의 변위를 구함으로써, 쉽고 정확한 불출 자세 제어가 가능한 리클레이머의 불출 자세 제어 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서,

야적파일의 형상을 검출하고, 검출된 야적파일의 형상에서 최초 불출위치를 설정하고, 설정된 최초 불출 위치에 버켓이 접촉되도록 리클레이머의 각 부재를 제어하는 리클레이머의 불출 자세 제어 방법에 있어서,

a) 리클레이머의 주행원점을 기준 점으로 하는 고정좌표계(X,Y,Z)를 설정하는 단계;

b) 리클레이머 본체를 기준으로 하는 이동좌표계(x,y,z)(여기서, x+X_l=X, y=Y, z=Z이고, 상기 X_l은 리클레이머 본체의 주행거리이다)를 설정하는 단계;

c) 야적 파일의 형상을 검출하는 단계,

d) 상기 검출된 야적 파일의 형상을 고정좌표계로 나타내는 단계;

e) 상기 고정좌표계로 표현된 야적 파일의 형상에 계단형태로 나타나는 각 작업단에서 b(1-sinα)(여기서, b는 버켓의 날이 형성하는 회전원의 반지름이고, α는 접촉점에서의 야적파일 경사각이다.)만큼 높은 리클레이머의 버켓과 야적파일이 접촉하는 위치를 나타내는 등고선을 추출하는 단계;

f) 상기 추출된 각 등고선별로 최초 불출 작업위치(Xp, Yp, Zp)를 결정하는 단계;

g) 리클레이머의 기구학 모델을 이용하여, 리클레이머가 상기 최초 불출 작업위치에 도달하기 위한, 리클레이머의 각 부재의 변위 ψ(수평회전각), φ(수직회전각), X_l(리클레이머의 주행거리)를 산출하는 단계; 및,

h) 상기 산출된 변위로 리클레이머를 변위시키는 단계;

로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명에 의한 리클레이머의 불출 자세 제어 방법은 상기 최초 불출 작업위치(Xp, Yp, Zp)로부터

,

,

,

(여기서, a는 리클레이머 버켓의 편축 거리, R은 붐의 길이, b는 버켓의 날이 형성하는 회전원의 반지름, α는 야적파일의 경사각이다)

에 의하여 리클레이머의 각 부재 변위를 산출하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 리클레이머의 불출 자세 제어 방법에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 의한 불출 자세 제어 방법이 적용되는 리클레이머의 구조도 및 제어계통도로서, 본 발명에 의한 불출 자세 제어 과정을 상기 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.

도 1 및 도 2에 있어서, 야적 파일의 형상 검출은 3차원 레이저로 야적 파일의 형상을 스캔하는 형상검출기(3)와, 형상검출기(3)에서 검출된 신호를 신호처리하여 야적 파일의 형상을 분석하고 불출위치 및 검출된 불출위치에 버켓(2)이 위치하기 위한 리클레이머 각 부재(43,44)의 변위를 연산하는 스캐닝 제어기(6)에 의해 이루어진다. 상기 형상검출기(3)는 예를 들어, 3차원 레이저 스캐너로서 야적 파일(1)의 표면에 레이저를 발사하고, 반사되어온 레이저신호를 수신하여 야적파일(1) 표면 위에 있는 여러 지점의 3차원 좌표를 얻는 역할을 한다.

상기에서, 야적파일(1)의 3차원 좌표를 얻는 과정은 스캐닝 제어기(6)에 의해 제어되며, 추출된 3차원 좌표들, 즉 야적파일(1)의 3차원 형상 정보는 스캐닝 제어기(6)의 임시 기억 장소에 저장된다.

또한, 상기 스캐닝 제어기(6)는 추출된 3차원 형상을 이용하여 높이가 다른 각 작업 단에서 리클레이머 버켓(2)과 접촉하는 점들의 등고선을 추출하고, 이 점들 중에서 최초 불출 작업 위치를 결정하여, 리클레이머(4)가 이 점에 이르기 위한 각 부재의 변위를 계산한다.

상기에서 추출된 리클레이머(4) 각 부재의 변위 양은 리클레이머(4)의 운동을 제어하는 리클레이머 제어기(7)로 전송되어 리클레이머(4)의 변위를 유발 시키는데, 상기 리클레이머 제어기(7)와 스캐닝 제어기(6)간에는 이더넷 통신라인으로 연결되어 있다.

그리고, 모니터링 단말기(8)는 상기 스캐닝 제어기(6)로부터 야적 파일의 각종 형상 정보들을 전달받아, 디스플레이시키면 소정의 기억장치에 영구 보관하는 기능을 수행한다.

리클레이머(4)의 자세 제어는, 야적파일의 형상을 검출하고, 검출된 야적파일의 형상에서 최초 불출위치를 설정하고, 설정된 최초 불출 위치에 버켓(2)이 접촉되도록 리클레이머(4)의 각 부재(43,44)를 변위시키는 과정으로 이루어진다. 이때, 본 발명은 상기 최초 불출 위치 설정후, 최초 불출 위치에 버켓(2) 접촉되도록 변위시키는 과정과 관련된다.

도 3은 본 발명에 의한 리클레이머의 불출 자세 제어 방법을 나타낸 플로우챠트로서, 상기 도 1,2의 구성을 참조하여 불출 자세 과정을 자세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 리클레이머(4)의 주행 원점을 기준으로 고정 좌표계 X, Y, Z를 설정한다(S301).

또한, 리클레이머(4) 본체의 위치를 기준으로 이동 좌표계 x, y, z를 설정한다(S302).

야적 파일(1) 위의 한 점의 좌표를 상기 설정된 고정 좌표계와 이동 좌표계에 대하여 정의하면 각각 (Xp, Yp, Zp)와, (xp, yp, zp)라고 할 때, 상기 고정좌표계와 이동좌표계간에는 Yp=yp, Zp=zp이며, Xp=X_l+xp로 정의될 수 있다. 여기서, X_l은 고정 좌표계의 원점에서, 이동 좌표계의 원점까지의 거리이며, 동시에, 리클레이머(4)의 주행거리가 된다.

상기와 같이, 고정좌표계와 이동좌표계가 설정되면, 형상 검출기(3)를 이용하여, 야적 파일(1)의 형상을 검출하고, 그 형상을 고정 좌표계를 기준으로 나타낸다(S303, S304).

그리고, 상기 검출된 야적 파일(1)의 형상에 나타난 각 작업단에서 리클레이머의 버켓(2)이 야적파일과 접촉하는 등고선을 찾는다. 상기 등고선은 작업단의 높이보다 만큼 높은 위치에 있다. 여기서, b는 버켓(2)의 날이 형성하는 회전원의 반지름이며, α는 야적파일(1)의 경사각이다.

그리고, 상기 등고선에서 최초 불출 위치 (Xp, Yp, Zp)를 결정한다(S306).

도 5는 형상검출기(3)로부터 검출된 야적파일의 형상에 대한 일실시예를 보인 것으로서, 야적파일에 검출된 등고선과, 각 등고선에서 불출 시작 위치를 표시한다.

도 4의 (a)는 리클레이머(4)와 야적파일(1)과의 거리 L과, 고정좌표계 및 이동좌표계의 높이 Z, z 를 나타낸 것이고, 도 4의 (b)는 이동좌표계의 x,y평면과 야적파일과의 관계를 나타낸 것이다.

야적 파일의 임의의 한점(Xp, Yp, Zp)을 최초 불출 위치로 결정할 때, 상기 좌표(Xp, Yp, Zp)에 버켓(2)이 접촉하기 위한 리클레이머(4)의 각 부재의 변위들, 즉, 수평회전각 ψ과, 수직회전각 φ과, 리클레이머(1)의 주행거리 X_l 는 도 4의 (a), (b)와 같이 나타난다.

즉, 수직회전각 φ은 버켓(2)이 상기 최초 불출위치에 접촉될때, 수직회전축 A2(r₀,z₀)로부터 붐(42)의 각도이다. 상기 도 4의 (a)에서 R은 붐의 길이이고, b는 버켓의 날이 형성하는 회전원의 반지름이며, α는 설정된 최초 불출 위치에서의 야적파일의 경사각이다.

그리고, 도 4의 (b)에서 a는 버켓(2)의 편축 거리이다.

따라서, 상기 도 4의 (a),(b)로부터 각 변수와, 리클레이머 부재의 변위 ψ(수평회전각), φ(수직회전각), X_l(리클레이머의 주행거리)간에는 다음의 수학식 1과 같은 관계가 성립된다.

,

상기에서, Xp,Yp,Zp는 상기 결정된 최초 불출 작업위치에 대한 고정좌표계의 좌표값이고, xp,yp,zp는 상기 결정된 최초 불출 작업위치에 대한 이동좌표계의 좌표값이고, ro,zo는 zL평면(z는 이동좌표계의 높이이고, L은 리클레이머와 야적파일과의 거리이다)상에서의 리클레이머의 수직회전축의 기준점이고, R은 붐의 길이이고, a는 버켓의 편축거리이고, b는 버켓 날이 형성하는 회전원의 반지름이고, α는 최초 불출 작업위치에서의 야적파일 경사각이다. 이때, 상기 이동좌표계의 최초 불출 작업 위치 좌표값 x_p,y_p,z_p 는 버켓(2)의 최외각 원과 불출 대상 파일위에 있는 등고선이 접하는 최초 점으로서, 이동좌표계 xyz의 원점으로부터 이점까지의 기하학적인 거리로서 다음 수학식 2와 같이 구할 수 있다.

,

그리고, 리클레이머의 회전부재(43)의 자세가 수평방향으로 수평회전각 ψ만큼 회전한 상태에서 수평회전축과 일치하도록 설정한 이동좌표 L위에 투영된 상기 접촉점까지의 거리는 이다. 이것은 도 4의 (a)에 도시된 도면으로부터 쉽게 확인할 수 있다. 또한, 상기의 거리를 xy평면상에서 각각 x와 y성분으로 분리하고 버켓의 편축된 성분을 고려하면 상기 수학식 2의 x_p 및 y_p를 구할 수 있다. 더하여, z_p 는 도 4의 (a)에 보인 zL 평면상에서 원점으로부터 접촉점까지의 수직거리로부터 상기 수학식2와 같이 나타난다.

그리고, 앞서 설명한 이동좌표계와 고정좌표계의 관계에 의하여, Yp=yp, Zp=zp, Xp=X_l+xp 이므로, 상기 수학식 1과 같은 관계식이 나타난다.

따라서, 다음으로 상기 최초 불출 위치 (Xp, Yp, Zp)로부터 상기 수학식 1에 의해 리클레이머 부재의 변위 ψ(수평회전각), φ(수직회전각), X_l(리클레이머의 주행거리)를 계산한다(S307).

그 다음 상기 계산된 변위를 리클레이머 제어기(7)로 전송하여, 리클레이머(2)를 변위시킨다(S308).

본 발명에 의한 리클레이머 이동 부재의 변위를 결정하면, 부정확한 위치 결정에 의한 불출 상의 위험 요소를 제거할 수 있고 변위 계산 과정을 단순화 하여 보다 신속한 작업을 수행 할 수 있는 효과가 있다. 또한, 정확한 변위를 계산함으로써, 변위 양이 부정확하게 계산됨에 따라 리클레이머에 과도한 부하를 주게 되어 설비 손상으로 이어질 가능성이 감소시키는 우수한 효과가 있다.

도 1은 일반적인 리클레이머의 측면구성도이다.

도 2는 리클레이머에서의 제어계통을 보인 구성도이다.

도 3은 본 발명에 의한 리클레이머의 불출 자세 제어 방법을 도시한 플로우챠트이다.

도 4의 (a),(b)는 본 발명에 있어서 리클레이머의 변위 결정을 위한 좌표계 설정도이다.

도 5는 야적파일에서 불출위치의 일실시예를 보인 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 설명 *

1 : 야적 파일

2 : 버켓(bucket)

3 : 형상검출기

4 : 리클레이머

Claims (3)

1. 야적파일의 형상을 검출하고, 검출된 야적파일의 형상에서 최초 불출위치를 설정하고, 설정된 최초 불출 위치에 버켓이 접촉되도록 리클레이머의 각 부재를 제어하는 리클레이머의 불출 자세 제어 방법에 있어서,

   a) 리클레이머의 주행원점을 기준 점으로 하는 고정좌표계(X,Y,Z)를 설정하는 단계;

   b) 리클레이머 본체를 기준으로 하는 이동좌표계(x,y,z)(여기서, x+X_l=X, y=Y, z=Z이고, 상기 X_l은 리클레이머 본체의 주행거리이다)를 설정하는 단계;

   c) 야적 파일의 형상을 검출하는 단계;

   d) 상기 검출된 야적 파일의 형상을 고정좌표계로 나타내는 단계;

   e) 상기 고정좌표계로 표현된 야적 파일의 형상에 계단형태로 나타나는 각 작업단에서 b(1-sinα)(여기서, b는 버켓의 날이 형성하는 회전원의 반지름이고, α는 접촉점에서의 야적파일 경사각이다.)만큼 높은 리클레이머의 버켓과 야적파일이 접촉하는 위치를 나타내는 등고선을 추출하는 단계;

   f) 상기 추출된 각 등고선별로 최초 불출 작업위치(Xp, Yp, Zp)를 결정하는 단계;

   g) 리클레이머의 기구학 모델에 상기 이동좌표계와 고정좌표계의 관계, 상기 결정된 최초 불출 작업위치의 좌표값(Xp,Yp,Zp), 최초 불출 작업위치에서의 파일의 경사각을 대입하여, 리클레이머의 버켓이 접촉하기 위한 리클레이머의 각 부재의 변위 ψ(수평회전각), φ(수직회전각), X_l(리클레이머의 주행거리)를 산출하는 단계; 및,

   h) 상기 산출된 변위로 리클레이머를 변위시키는 단계;

   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리클레이머의 불출 자세 제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 g)각 부재의 변위 ψ(수평회전각), φ(수직회전각), X_l(리클레이머의 주행거리)를 산출하는 단계는,

   ,

   (여기서, Xp,Yp,Zp 결정된 최초 불출 작업위치에 대한 고정좌표계의 좌표값이고, xp,yp,zp는 상기 결정된 최초 불출 작업위치에 대한 이동좌표계의 좌표값이고, ro,zo는 zL평면(z는 이동좌표계의 높이이고, L은 리클레이머의 수평회전축과 평행한 것으로 리클레이머와 야적파일의 거리를 표시한다)상에서의 리클레이머의 수직회전축의 좌표이고, R은 붐의 길이이고, a는 버켓의 편축거리이고, b는 버켓 날이 형성하는 회전원의 반지름이고, α는 최초 불출 작업위치에서의 야적파일 경사각이다.)

   에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 리클레이머의 불출 자세 제어 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 리클레이머의 불출 자세 제어 방법은

   상기 최초 불출 위치에 리클레이머의 버켓이 위치하도록 자세 제어된 상태에서 수평회전각을 변화시켜, 리클레이머에 의한 불출이 행해지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 리클레이머의 불출 자세 제어 방법.