KR20020080601A - 스태커 크레인의 동특성 해석용 모델링 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스태커 크레인의 동특성 해석용 모델링 방법에 관한 것으로, 그 목적은 자동 보관 창고에 스태커 크레인(Stacker Crane)을 이용한 화물 입. 출고시 신속하고, 고속 운전에 따른 자동 창고의 가동율을 증가시키기 위하여, 스태커 크레인(Stacker Crane)의 수직 높이를 결정하는 마스트(Mast)구조의 단면 형상을 최적에 가까운 상태로 설계하여, 규정된 운전조건에서 발생되는 상부 프레임 흔들림을 정량적으로 예측할 수 있는 모델링 기법을 제공하는데 있다. 본 발명의 구성은 스태커 크레인의 상부 프레임(Frame) 흔들림량을 계량화하는 모델링 방법에 있어서, 마스트(3)를 제외한 나머지 구성요소들을 질량을 가지고 있는 강체로 3차원 모델링 하는 단계와, 마스트를 다수개의 유한요소로 모델링하는 단계와, 상기 유한요소들을 구속조건을 가지고 연결하는 단계와, 스태커 크레인의 운전조건을 시간에 대한 속도의 곡선으로 지정 입력하는 단계를 거쳐 시뮬레이션함으로서 스태커 크레인의 정지상태에서 운전상태에 이르는 전과정에 걸친 상부 프레임(4)의 흔들림량을 예측하도록 한 방법을 발명의 요지로 한다.
Description
본 발명은 스태커 크레인의 동특성 해석용 모델링 방법에 관한 것으로, 자세하게는 스태커 크레인의 설계 및 개발 기간을 단축할 수 있으며, 제작된 스태커 크레인의 운전조건 변경에 따른 위험요소를 사전에 파악할 수 있도록 한 스태커크레인의 설계표준화 모델링방법에 관한 것이다.
일반적으로 스태커 크레인(Stacker Crane)이 운전되는 자동창고는 한정된 공장면적 내부에 많은 화물을 적치하기 위해 다수개의 횡방향 및 종방향 랙(Rack)구조로 형성되어 있으며, 그 규모가 점차 증가하는 경향이 있으므로, 스태커 크레인(Stacker Crane)의 수직 높이를 결정하는 마스트(Mast)가 하부프레임(Frame)의 길이에 비해 대단히 길어지는 경향이 있다.
또한, 높은 자동창고 가동율을 확보하기 위해 점차 스태커 크레인(Stacker Crane)의 고속운전이 요구되고 있으며, 이에 수반되는 매우 빠른 가감속 속도 적용이 불가피한 조건에서 스태커 크레인(Stacker Crane)의 상부 프레임(Frame) 흔들림이 일정한 범위내에 안정화되는 시간까지는 스태커 크레인(Stacker Crane)에 부속된 포크기구의 화물 입. 출고 동작이 진행될 수 없다.
종래에 적용되던 기술은 일종의 보처럼 움직이는 스태커 크레인(Stacker Crane)의 마스트(Mast)단면계수를 크게 설계하여, 상부 프레임(Frame)의 흔들림을 최소화할 수 있는 높은 강성을 적용하거나, 운전조건을 초기의 설계기준보다 낮게 유지하는 제어적인 방식을 이용 하였다.
그러나 상기와 같이 규정(설정)된 규칙 또는 정량적으로 예측된 설계 인자간의 상관관계 없이 마스트(Mast)의 단면계수를 증가시키거나 운전속도를 낮추는 방식은 스태커 크레인(Stacker Crane)의 전체 중량을 증가시키고, 이를 위한 구동 모터의 용량을 높게 설정하여야 하므로 제작비용이 많이 소요되며, 화물 보관 자동창고의 입. 출고 가동율이 저하되는 등의 단점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 자동 보관 창고에 스태커 크레인(Stacker Crane)을 이용한 화물 입. 출고시 신속하고, 고속 운전에 따른 자동 창고의 가동율을 증가시키기 위하여, 스태커 크레인(Stacker Crane)의 수직 높이를 결정하는 마스트(Mast)구조의 단면 형상을 최적에 가까운 상태로 설계하여, 규정된 운전조건에서 발생되는 상부 프레임 흔들림을 정량적으로 예측할 수 있는 모델링 기법을 제공하여 컴퓨터에서 운용되는 동특성 해석 소프트웨어에 적용할 수 있는 모델링 방법을 제공하는데 있다.
도 1 은 본 발명에 적용되는 스태커 크레인(Stacker Crane)의 일반적인 구성을 나타낸 전체 구성도,
도 2 는 스태커 크레인이 자동창고에서 운전되는 구동조건의 대표적 패턴을 나타낸 그래프,
도 3 은 모델링 기법을 적용하여 예측된 상부프레임의 정량적 그래프,
도 4 는 본 발명의 동특성 해석을 위한 모델링 기법의 일부를 입체적으로 나타낸 예시도,
도 5는 본 발명의 모델링 방법이 채용된 전체 동특성 해석 소프트웨어의 흐름도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(1) : 하부 프레임(Lower Frame)
(2) : 케리지(Carrige)
(3) : 마스트(Mast)
(4) : 상부 프레임(Upper Frame)
(5) : 승강용 모터 유닛(Motor Unit)
(6) : 유지보수용 사다리(Ladder)
(7) : 제어 패널(Control Panel)
(8) : 가속(Accelerated Velocity) 모멘트
(9) : 등속( Uniform Velocity)
(10) : 감속(Retarded Velocity)
(11) : 정지(Stop)
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 하부 프레임(1), 케리지(2), 마스트(3), 상부 프레임(4), 승강용 모터 유닛(5), 마스트(3)에 부착된 유지보수용 사다리(6) 및 제어패널(7)등의 구성요소로 구성된 스태커 크레인을 컴퓨터 설계시 운용되는 동특성 해석 소프트웨어에 적용하기 위하여 설정(규정)된 운전조건에서 발생되는 상부 프레임(Frame) 흔들림량을 계량화하는 모델링 방법에 있어서,
상기 스태커 크레인을 이루는 구성 요소 중 마스트(3)를 제외한 나머지 구성요소들을 질량을 가지고 있는 강체로 3차원 모델링 하는 단계와,
마스트를 다수개의 유한요소로 모델링하는 단계와,
상기 유한요소들을 구속조건을 가지고 연결하는 단계와,
스태커 크레인의 운전조건을 시간에 대한 속도의 곡선으로 지정 입력하는 단계를 거쳐 시뮬레이션함으로서 스태커 크레인의 정지상태에서 운전상태에 이르는 전과정에 걸친 상부 프레임(4)의 흔들림량을 예측하도록 한 방법을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 적용되는 스태커 크레인의 일반적인 구성을 개략적으로 나타낸 것으로써, 지면에서의 주행을 담당하는 모터가 부착되어 있으며, 전체 구조물을 지지할 수 있는 하부 프레임(1)과 화물을 운반하는 케리지(2)를 승하강 방향으로 안내하는 한 쌍의 수직방향 구조물인 마스트(3)와, 상부 프레임(4)과, 승강용 모터 유닛(5)과, 마스트(3)에 부착된 유지보수용 사다리(6)와 전계장 제어를 위한 제어패널(7)등으로 구성되어 있다.
도 2는 스태커 크레인이 자동창고에서 운전되는 구동조건의 대표적인 패턴을 나타낸 것으로써, 스태커 크레인의 정지위치에서 화물을 입고 또는 출고해야할 랙의 위치가 결정되어 주행거리가 계산되면,
제어 패널(7)내부의 계산 루틴에 의해서 가속(8), 등속(9), 감속(10), 정지(11)의 속도변화 지령이 하부 프레임(1)에 부착된 주행모터에 신호가 입력된다.
이때, 속도가 변화하는 부분에서 가속도 성분이 발생하며, 주행중인 스태커 크레인은 각각의 구성요소가 모두 질량을 갖고 있기 때문에 추가적인 외력이 작용하여 변형이 발생하게 된다.
특히, 화물을 포함한 케리지(2)가 마스트(3)의 최상단부인 상부 프레임(4)의 위치 가까이 있는 경우에는 가속도 성분에 따른 외력이 하부 프레임(1)을 중심으로한 모멘트 성분으로 작용되어, 도 3에서 보는 바와 같이 매우 긴 길이를 가진 마스트(3)의 흔들림을 발생시킨다.
특히, 스태커 크레인이 정해진 위치에 정지하는 경우 마스트(3)상단에 위치한 상부 프레임(4)의 흔들림량은 최대로 발생하며, 그 흔들림이 마스트(3) 자체의 재질과 단면형상에 의해 결정된 강성(Stiffness)과 감쇄(Damping)에 의해서 일정수준 이하로 줄어들어 정지될 때까지 시간이 소요된다.
도 4는 마스트의 동특성 해석을 위한 모델링 기법의 일부를 입체적으로 나타낸 것으로서, 마스트(3)를 제외한 나머지 스태커 크레인의 구성요소들은 질량을 가지고 있는 강체로 모델링 하며, 적절한 구속 조건을 부여하여 각 구속요소간의 이탈, 분리, 변형 등이 없도록 한다.
마스트(3)는 도 3에서 보는 바와 같이 상부 흔들림을 발생하는 가장 중요한 구성요소이므로 실제 설계된 마스트(3)와 동일한 단면계수, 재질의 탄성값 및 감쇄값을 부여한 유한요소로 모델링한다.
이때, 유한요소의 개수는 전체 마스트(3)의 길이를 20 등분한 내외의 수량이 되도록 설정하며, 유한요소간의 구속 조건은 스태커 크레인의 주행과 승강 및 포킹의 세 방향으로의 변위 및 회전에 대한 자유도를 부여한 스프링으로 연결되도록 한다.
스태커 크레인의 운전조건은 도 2에서 나타난 구동조건을 하부 프레임(1)에만 부여하여 주행방향으로만 한정된 직선운동이 가능토록한 동특성 해석 모델을 작성한다.
작성된 동특성 해석 모델은 기구 및 동력학 해석 소프트웨어가 갖고 있는 적절한 설계식과 도구를 활용하여, 동특성 해석이 가능한 모델로 작성되어 스태커 크레인의 운전상태에서 발생하는 상부 프레임(4)의 흔들림을 정량적으로 예측할 수 있다.
도 5는 본 발명의 모델링 방법이 채용된 전체 동특성 해석 소프트웨어의 흐름도를 도시하고 있는데 그 단계별 과정은,
스태커 크레인의 운전조건에 따른 기본 사양을 결정하는 단계와,
동특성 요소를 포함한 기구학적 모델링(하중/경계 조건 설정)단계와,
기구/동력학 소프트웨어 동특성 해석을 수행하는 단계와,
스태커 크레인의 설계요구조건 충족여부 확인 단계와,
상기 스태커 크레인의 설계요구조건 충족여부 확인 단계에서 설계요구조건을 충족하지 못하면 모델링 요소를 변경하여 다시 실행하는 단계와,
상기 스태커 크레인의 설계요구조건 충족여부 확인 단계에서 설계요구조건을만족하면 프로그램을 종료하는 단계로 이루어진다.
상기에서 동특성 요소를 포함한 기구학적 모델링(하중/경계 조건 설정)단계는 강체요소 구성 단계와, 유한요소 구성단계와, 구속조건 부여 단계와, 운전패턴의 속도선도 부여 단계로 이루어진다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
상기와 같은 본 발명은 스태커 크레인(Stacker Crane)의 운전시 설정(규정)된 운전조건에서 발생되는 상부 프레임(Frame) 흔들림량의 계량화를 통하여 측정된, 상기의 흔들림량을 정량적으로 예측할 수 있는 모델링방법을 제공함으로써, 스태커 크레인(Stacker Crane)의 제작 후 발생가능한 현상을 사전에 파악하여 설계변경에 관련된 정보를 제공하여 최적의 설계를 통한 비용절감과 우수한 성능을 확보한 스태커 크레인을 제작할 수 있다는 장점이 있다.
Claims (4)
- 하부 프레임(1), 케리지(2), 마스트(3), 상부 프레임(4), 승강용 모터 유닛(5), 마스트(3)에 부착된 유지보수용 사다리(6) 및 제어패널(7)등의 구성요소로 구성된 스태커 크레인을 컴퓨터 설계시 운용되는 동특성 해석 소프트웨어에 적용하기 위하여 설정(규정)된 운전조건에서 발생되는 상부 프레임(Frame) 흔들림량을 계량화하는 모델링 방법을 구성함에 있어서,상기 스태커 크레인을 이루는 구성 요소 중 마스트(3)를 제외한 나머지 구성요소들을 질량을 가지고 있는 강체로 3차원 모델링 하는 단계와,마스트를 다수개의 유한요소로 모델링하는 단계와,상기 유한요소들을 구속조건을 가지고 연결하는 단계와,스태커 크레인의 운전조건을 시간에 대한 속도의 곡선으로 지정 입력하는 단계를 거쳐 시뮬레이션함으로서 스태커 크레인의 정지상태에서 운전상태에 이르는 전과정에 걸친 상부 프레임(4)의 흔들림량을 예측하도록 한 방법을 특징으로 하는 스태커 크레인의 동특성 해석용 모델링 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 유한요소는 실제 설계된 마스트(3)와 동일한 단면계수와 재질의 탄성값 및 감쇄값을 부여하고 그 개수를 20개 정도로 한 것을 특징으로 하는 스태커 크레인의 동특성 해석용 모델링 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 연결시의 구속조건은 스태커 크레인의 주행, 승강, 포킹과 같은 세방향으로의 변위 및 회전에 대한 자유도를 가지는 등가의 유연한 스프링으로 연결하여 상부프레임의 흔들림양을 예측하도록 한 것을 특징으로 하는 스태커 크레인의 동특성 해석용 모델링 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 스태커 크레인(12)의 운전조건을 하부 프레임(1)에만 속도선도를 부여하여, 속도변화시 발생되는 가속도로 인한 외력이 작용될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 스태커 크레인의 동특성 해석용 모델링 방법.
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|---|---|---|---|---|
| KR100648589B1 (ko) * | 2005-05-19 | 2006-11-23 | 전북대학교산학협력단 | 유한요소법을 이용한 고소작업차의 안정성해석방법 |
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