울산대학교 - 공압굴삭기 구축

Author(s):
이영주 대학원생 - 울산대학교

Industry:
University/Education

Products:
PXI/CompactPCI, LabVIEW

The Challenge:
본 연구는Lab에서 다양하고 연속적인 실험이 가능한 공압 굴삭기 시스템을 구축하여 유압굴삭기에 대한 최적 접근 방법을 제시하려고 한다.

The Solution:
Frame, Boom, Arm, Bucket, Cylinder등의 작업장치는 LEGO로 제작되었고, 각 관절에는 Potentiometer를 장착하여 각도값을 수집할 수 있도록 하였다.

요약 :
Frame, Boom, Arm, Bucket, Cylinder등의 작업장치는 LEGO로 제작되었고, 각 관절에는 Potentiometer를 장착하여 각도값을 수집할 수 있도록 하였다. 공압실린더의 방향과 속도의 제어를 위해 Potentiometer Type인 전기식 조이스틱과 공압전자비례감압밸브를 사용하여 조이스틱 조작 각도에 따른 작동유체(공기)의 방향과 유량을 결정할 수 있게 하였고, 선회는 스텝모터를 이용하였다. 작동유체는 소형 에어컴프레셔를 이용하였고, 3bar를 유지하도록 하였다.
Potentiometer Type인 전기식 조이스틱 값과 관절각도 값을 AD변환하기 위해 내쇼날인스트루먼트의 PCI-6036E를 이용하였고, 공압 전자 비례 밸브와 스텝모터드라이버의 구동을 위해 동사의 PCI-7344 series를 이용하여 DA변환을 수행하였다.
밸브와 스텝모터드라이버에 필요한 24V전원은 외부전원을 사용하였고, 모든 Potentiometer와 전기식 조이스틱에 들어가는 10V의 전압은 PCI-6036E을 이용하였다.

그림 1. 시스템 개략도

개발 배경 :
굴삭기의 경우 실차 실험 시 많은 리스크가 존재하는데 굴삭기 자체가 상당한 고가에 대형 장비이다 보니 실험시스템 구축도 힘들뿐더러 실험 시 안전면에서 위험요소를 상당히 내포하고 있다. 특히 학교 내에서 실험 시 상당한 소음을 동반하여 연속적인 실험을 하기에 어려움을 가지고 있어 실험기간의 최소화가 요구되는 실정이다. 본 연구는Lab에서 다양하고 연속적인 실험이 가능한 공압 굴삭기 시스템을 구축하여 유압굴삭기에 대한 최적 접근 방법을 제시하려고 한다. 나아가 암 끝단의 자동 수평/수직 이동을 구현해 자동굴삭기 선행연구로 발전시키고자 한다.

본론 :

하드웨어 구성

그림 2. 전체 시스템


그림 3. Connecting Box

기본적으로 Boom, Arm, Bucket용 공압 전자 비례 밸브에 각각 AO 하나씩 해서 총 3개와 10V인가 AO 하나가 필요하나 6036E에는 AO가 2개뿐이어서 공압 밸브에는 모션보드인 7344를 이용해 전압을 인가하였다. 스텝모터드라이버와 공압 밸브의 동작전압인 24V는 외부전압으로 인가하였고, 굴삭기 모델의 각 축에 설치되어있는 포텐셔미터와 포텐셔타입 조이스틱에는 6036E의 AO 단자를 이용해 10V를 인가하였다.
• PCI-6036E
- AO에서 10V 출력 : 포텐셔미터에 인가
- 각 축에 설치된 포텐셔에서 전압 센싱
- 조이스틱에서 전압 센싱

• PCI-7344
- 세 개의 공압 밸브 제어 전압 출력
- 선회축 스텝모터 제어

블록다이어그램

그림 4. 블록다이어그램

Arm 끝단의 수평 전/후진, 수직 상승/하강 모드 중 조이스틱 입력에 따라 해당하는 알고리즘을 실행시킨다. 첫 번째 While문은 Boom과 Arm 축의 전압을 받아유도된 관계식을 통해 각도값으로 변환되고, 그 값은 Kinematics를 통해 X축과 Y축의 위치로 표현되어 Arm 끝단의 위치는 XY 그래프(②)로 뿌려진다.
두 번째 While문에서 모든 입출력 데이터를 처리하고, ①부분이 Inverse Kinematic 및 밸브에 입력되는 전압을 조절한다.

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점 :
- 제어알고리즘 작성 기간 단축에 따른 전체적인 제작 기간의 단축
- Dynamic 적용 후 실제 굴삭기에 상당히 근접한 동작 및 실험결과 예상
- 실제 굴삭기의 실내실험에 대한 실험시스템으로의 확장 가능성 확인

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이영주 대학원생
울산대학교

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