두산인프라코어(주) - LabVIEW기반의 굴삭 로봇용 전자유압시스템 개발

Author(s):
최진구 선임, 김기용 주임 연구원 - 두산인프라코어(주)

Industry:
Machines/Mechanics

Products:
Real-Time Module, LabVIEW, PXI/CompactPCI

The Challenge:
무인화 굴삭 작업에서 중요한 부분인 전자화에 있어 메인 요소 부품인 MCV(Main Control Valve) 내부의 스풀(Spool)의 움직임을 전자적인 신호로 제어할 수 있도록 EPPR(Electronic Proportional Pressure Reduce) 밸브에 인가된 전압에 비례하여 스풀의 위치를 제어하는 시스템과 벤치 테스트에서 실제 굴삭기의 현재 움직임을 보여주는 가시화 프로그램을 개발하였다.

The Solution:
짧은 개발 기간과 정확한 성능을 위하여 NI 장비를 선정하여, 전자유압시스템 개발에 필요한 벤치 테스트 장비에 NI 장비 및 제어프로그램을 적용하였다. 벤치 테스트(Bench Test)시험에서는 실제 굴삭기의 실제 움직이는 모습을 직관적으로 상상하기 힘들기 때문에 굴삭기 실제 모습을 가시적으로 보여 줄 수 있도록 별도의 프로그램을 LabVIEW로 개발하였다.

어플리케이션 요약:
유인화 굴삭 작업에서 무인화 굴삭 작업을 가능케 하려면 ‘지능형 자동 굴삭시스템’의 개발 및 적용이 요구된다. 지능형 굴삭시스템 개발을 위해서는 중요 부품인 붐(Boom), 암(Arm), 버킷(Bucket), 실린더(Cylinder) 및 MCV(Main Control Valve) 등의 특성을 파악하고 개별적으로 제어하는 로직이 필요하다. 그런데 이 유압 시스템은 비선형성이 강한 시스템이므로 적절한 제어기 설계가 뒷받침되어야 하며, 무인화 자동 굴삭이 가능하도록 선행 기술 연구도 필요했다. 다행히 NI 장비를 통해 이 굴삭기 개발에 있어서 필수적인 유압 시뮬레이션, 유압 테스트 벤치 구성 및 각 요소부품의 성능파악 테스트 시스템을 쉽고 빠르게 개발하였다.

개발 배경:
1. 굴삭 작업의 무인화의 필요성에 의한 ‘지능형 자동 굴삭 시스템 개발’의 필요성 대두
2. 중요부품인 붐(Boom), 암(Arm), 버킷(Bucket), 실린더(Cylinder) 및 MCV(Main Control Valve) 등의 특성을 파악하고 개별적으로 제어 로직 설계.
3. 굴삭기 실제 모습을 가시적으로 보여 줄 수 있도록 별도의 벤치 테스트 프로그램 필요.
4. 정확하고 안정성 있는 제어시스템을 빠르고 편리한 개발할 수 있는 환경 필요.

본론:
<지능형 굴삭 시스템의 구성>

1. MCV 구성
지능화 굴삭의 기본 개념은 무인화 굴삭이 가능한 시스템이다. 즉 기존의 기계식 NFC 방식의 시스템을 전자화 시스템으로 변경해야 한다. 이때, 굴삭기의 전자화에 가장 중요한 부분은 MCV이며, MCV 내부의 스풀(Spool)의 움직임을 전자적인 신호로 제어할 수 있도록 변경하는 장치가 필요하다. 일반적으로 굴삭기와 같은 중장비들은 MCV 내부의 스풀이 움직여서 유로를 제어함으로써 굴삭기 엑츄에이터인 붐, 암, 버킷의 위치를 제어할 수 있다.
기존 기계식 NFC 방식에서는 MCV 내부의 스풀을 움직이기 위해서 조이스틱(Joystick)에서 발생된 압력을 사용하며, 조이스틱에 의해 발생된 압력은 유압 호스를 통해서 MCV 내부의 스풀로 전달되어 스풀을 움직인다. 그러므로 스풀의 움직임을 전자화로 변경하기 위해서 기존 MCV와 유압 호스 라인을 제거하고 스풀을 전기신호에 의해 동작시킬 수 있는 EPPR(Electronic Proportional Pressure Reduce) 밸브를 설치하였다. EPPR 밸브로 인가되는 전압에 비례하여 압력을 생성해주는 장치이며, EPPR 밸브에 인가되는 전압의 크기에 따라 스풀의 위치를 제어할 수 있다. 이번 개발을 위하여 적합한 EPPR 밸브는 Thomas Magnete에서 생산되는 제품을 선정하였다. 또한, EPPR 밸브를 구동하기 위한 컨트롤 드라이버는 검증된 상용 EPPR 밸브 전용 컨트롤 드라이버를 사용하였다.
EPPR 밸브가 설치된 MCV 내부의 스풀이 움직이는 거리를 측정하기 위하여 LVDT(Linear Variable Displacement Transducer)를 사용하였다. LVDT는 시판되고 있는 In-Cylinder 타입을 채택하였다. MCV에 EPPR 밸브 및 LVDT가 장착 될 수 있도록 별도의 블록을 설계, 제작하여 MCV 전후에 설치하였다. 그림 1은 EPPR 밸브 및 LVDT가 새로 제작된 블록에 장착되어 MCV에 설치된 모습이다. 또한 각 엑츄에이터가 작동할 때 압력을 측정하기 위하여 각 엑츄에이터 입출력 단에 압력계를 설치하였으며, 각 엑츄에이터로 흘러 들어가는 유량을 측정하기 위해 유량계를 설치하였다.

그림 1. MCV 외관 모습

2. 벤치 테스트 장비 구성
전기 신호를 바탕으로 구동되는 MCV를 실제 굴삭기에 장착하여 시험하기에 앞서, 장비의 안정성 및 신뢰성을 확보하기 위하여 별도의 벤치 테스트(Bench Test) 장치를 구성 하여, 기본 특성 시험 및 제어로직 검증 시험을 통하여 신뢰성을 확보하는 시험을 수행한다. 기본 특성 시험으로 각 스풀이 움직임에 따라 MCV 및 각 엑츄에이터에서 발생하는 상태량(압력, 유량)을 측정하며, 스풀 단독 동작 혹은 스풀의 복합 동작 시 발생하는 특성을 파악한다. 이후 장비의 안정성 및 신뢰성이 확보된 후 실제 굴삭기에 적용하여 시험을 진행할 예정이다.
벤치 테스트 장비는 크게 동력 부(모터, 펌프), MCV부 그리고 엑츄에이터 부(붐, 암, 버킷)로 구성되어 있다. 그러나 벤치 테스트 장비에서는 각 엑츄에이터에 해당하는 붐, 암, 버킷 및 각각의 실린더를 설치할 수 없으므로 이에 상응할 수 있도록 릴리프(Relief) 밸브를 설치하여 부하를 대신하였다.
벤치 테스트로 시험을 진행할 때 실제의 굴삭기 움직임을 알 수 없다. 굴삭기의 움직임을 모사하기 위해서 릴리프 밸브에 흐르는 유량을 측정하는 것이 필요함으로 릴리프 전단에 유량계를 설치하였다. 즉 릴리프 밸브로 흐르는 유량을 적분하여 실린더 단면적으로 나누면 실린더 길이를 계산할 수 있다. 또한 실린더 변위를 바탕으로, 굴삭기 Kinematics를 계산하면 버킷 끝단의 궤적을 알 수 있다. 이를 통하여 벤치 테스트 장비로도 굴삭기 버킷 끝단의 궤적 제어로직을 미리 검증 할 수 있다. 그림 2는 벤치 테스트 장비 셋팅 장면을 나타낸다. MCV는 그림의 우측 편에 위치하고 있으며, 좌측의 릴리프 밸브와 유압 호스로 연결되어 있다.

그림 2. 유압 벤치 테스트 장비

3. 컨트롤러 구성
전자 유압 장치를 구동하기 위하여 벤치 테스트 장비를 구성하였으며, 특히 핵심 요소인 MCV 내부의 스풀 제어를 위하여 소프트웨어 장치를 구성하였다. MCV 내부의 스풀 제어를 위하여 NI 의 PXI 장비를 사용하여 Real-Time으로 각 액츄에이터를 구동하고 센서 값들을 측정할 수 있으며 LabVIEW로 컨트롤 프로그램을 제작하여 액츄에이터 구동 지령을 생성하고 각 센서로부터 측정된 값을 저장할 수 있다.
LabVIEW 프로그램 구성은 붐, 암, 버킷 개별 제어가 가능하도록 각각의 스풀을 제어 할 수 있게 구성되어 있으며, 특히 전자 유압 펌프의 용량을 제어 가능하게 하였다. 그리고 각 센서로부터 입력되는 값이 그래프로 표시되며, 입출력 모든 값을 저장할 수 있게 제작하였다.
그림 3-1은 지능화 굴삭 시스템 소프트웨어 구성을 나타내고 있다. 먼저 호스트 PC에서 스풀에 지령을 내리면 PXI 장비는 지령을 전기적인 신호로 바꿔 EPPR 밸브에 지령을 내린다. 스풀이 움직이면서 발생되는 상태 값들은 각 센서로부터 측정되며, PXI 장비에서 신호를 처리하여 호스트 PC에서 볼 수 있다. 안전을 위하여 In/Out 신호별로 Isolator를 설치하였다.

그림 3-1. 벤치 테스트 장비 구동 컨트롤러 랙

또한 벤치 테스트(Bench Test) 시험에서는 실제 굴삭기의 실제 움직이는 모습을 직관적으로 상상하기 힘들기 때문에 굴삭기 실제 모습을 가시적으로 보여줄 수 있게 별도의 프로그램을 제작하였다. 그림 3-2는 벤치 테스트 장비를 제어하기 위한 프로그램 중 호스트 PC에 해당하는 메인 화면을 나타내는데 여기서 점선 박스 내부는 실제 굴삭기의 움직임을 알 수 있는 굴삭기 가시화 프로그램 화면을 표시한 것이다. 또한 메인 화면에서는 각종 제어 상수 및 컨트롤 지령 등 여러 가지 상태 값을 입력할 수 있도록 하였다.

그림 3-2. 컨트롤러 신호 흐름도

그림 3-3. 유압벤치 테스트 장비

4. 벤치 테스트 시험

그림 4-1. HOST Computer의 메인화면

밴치 테스트(Bench Test) 시험에서는 ①Set Point Command Setting, ②Profile Command Setting을 선택한 후 시험을 진행할 수 있다. 일정 전압값을 보내어 각 스풀을 동작시키며, Profile 시험에서는 아래의 표에 표시된 것과 같은 조건의 지령을 보내어 각각의 스풀을 동작시키게 된다. ③파일저장 선택 버튼을 누르면 색상이 변하면서 각 스풀의 값과 압력값 등 전체 아나로그 인값들을 저장하게 된다. ①Set Point 와 ②Profile 이 정해지면 ④Control 선택 버튼을 동작시키게 되는데 선택과 동시에 각 각의 스풀에 동작지령이 출력되도록 구성되어 있다. ⑤Relief Valve Control 선택은 벤치 테스트 장비에서는 각 엑츄에이터에 해당하는 붐, 암, 버킷 및 각각의 실린더를 설치할 수 없으므로 이에 상응할 수 있도록 릴리프(Relief) 밸브를 통하여 전압값을 부여하여 부하를 대신하였다. ⑥굴삭기 가시화 화면은 ④Control 선택버튼이 동작되면 굴삭기 가시화 화면을 통해 실제 굴삭기의 움직임을 알 수 있도록 표시하였다. ⑦Spool 변위 상태확인 창에서는 선택된 Set Point나 Profile Command 값이 실행되면 변위값이 Chart 창에서 실행되도록 하였다. ⑧Aout 신호 상태(Set Point, Profile Command)의 출력상태를 표시하도록 하였다. ⑨Joystick Command선택을 통해 밴치 테스트에서 굴삭기와 같이 제어 할 수 있도록 구성하였다. ⑩시험모드 화면 선택은 각 EPPR 밸브의 Setting을 할 수 있도록 화면선택을 배치하였다.

그림 4-2. HOST Computer 메인 화면의 LabVIEW 블록다이어그램

먼저 프로그램이 실행되면 초기값 Set부분에서 RT 시스템의 초기화를 수행하게 되고, RT와 Host Data 송수신을 통해 연결이 이루어진다. Set Point 및 Profile Set이 선택되면 Data 및 명령어 송신부분에서 Data가 RT System에 전송이 1msec 마다 진행된다. 같은 내용으로 ⑤Relief Valve Control 도 선택되면 상기와 같은 내용으로 Data 전송이 이루어진다.

그림 4-3. RT Program LabVIEW 블록다이어그램

RT Program은 Host Computer에서 보내준 Data를 RT와 Host의 송수신 작업을 통해 Data를 받고 Daq. 측정부에서 측정한 각 부분의 Data를 다시 Host에 송수신하게 된다. ③Data 저장부에서는 RT System에서 측정한 Data를 Host에 속도 지연이 발생할 것을 우려하여 바로 저장되도록 프로그램 하였다. 저장속도는 5msec 간격마다 저장된다. Set Point 및 Profile 생성은 RT System에서 실시간으로 1msec 간격마다 발생한다. Profile 선택에서는 sine파, ramp, 삼각파, 사각파, DC값, Lookup Table Data 값 등을 출력하도록 하였다. ⑥굴삭기 가시화 화면에서 표시되는 물리량 및 계산값 등은 RT System에서 계산 후 Host Program으로 송수신되고 Host 화면에서 굴삭기 가시화 화면에서 굴삭기의 동작상태을 확인해 볼 수 있다.

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점:

1. 두산인프라코어㈜ 자체 기술로 모든 시스템을 개발
2. NI PXI RT 및 SCXI 시스템과 LabVIEW를 통하여 지능형 무인 굴삭기의 핵심제어 기술인 MCV(Main Control Valve)의 성능측정 및 전자제어 시스템을 빠르고 편리하게 개발
3. 다양한 항목들과 실제 굴삭기의 움직이는 모습을 가시적으로 보여줄 수 있는 인터페이스 추가로 효과적인 모니터링

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최진구 선임, 김기용 주임 연구원
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