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Stacker Crane 고찰 | ||
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1. 개요 제작중인 Stacker Crane 조립작업을 참관하면서 현장 작업자들과 생산기술팀의 의견도 들을 수 있는 시간을 가졌다. 조립공정 전반을 살펴보기에는 어려웠으나 완성품에 대해 접하게 된 첫 느낌은 장비가 웅장해보였고 부분 구성품의 부품 하나하나를 직접 보고 만지면서 많은 부분이 OVER_SIZING 된 듯한 인상을 받았다. 짧은 시간으로 모든 것을 파악하기는 어렵겠지만 전체적인 장비형상을 이루는 부분적인 구성요소의 구조를 살펴가며 원가절감, 공정단축, 품질향상의 방향을 제시해보고자 한다. 2. 개략적인 구조 - 2열 X-Rail 레일 : 안정된 주행동작, Forking을 위해 2열 Rail 형식으로 적용된 듯 하다. 이 주행레일은 S/C 의 수직정하중과 수평동하중의 반복재하와 Forking을 통해 부가되는 수직동하중의 재하가 고려된 교번하중을 흡수할 수 있는 구조여야 한다. 또 Rail 의 수직 및 직진도를 위해 Rail 하단에는 일정간격으로 버팀부재가 설치되었고 버팀부재의 하단마다 Adjust Bolt 가 부착되어 전체적인 수평 Level 작업도 가능하다. 또한 버팀부재는 실제로 주행 중인 S/C 의 모든 축하중을 나눠받는 구조이므로 별도의 내력 철골구조물이 시공되어야 한다. 또 내력철골부재와 주행레일의 양극 합성진동은 달리 방출되지 못하여 S/C 본체와 내력철골부재가 흡수를 하게 되는데 이를 어느 정도 완화시키기 위해 버팀부재와 내력철골부재사이에는 방진패드의 삽입이 불가피 하다 - X-Body : 최하단에는 주행회전단을 지지하는 하우징고정을 위한 Attach 가 설치되어 있고 S/C Work 의 Forking에서 발생되는 Over hang을 고려하여 X-rail 경사부를 구름하는 Guide Wheel 이 장착되어 있다. X-Body의 상부에는 3축 Carriage Unit의 z축 주행을 위한 Mast가 양단에 설치될 수 있도록 별도의 Base Attach 가 마련되어있다. X-Body 는 주행저항에서 오는 진동과 Carriage 의 승하강을 통해 전달되는 합성진동을 흡수할 수 있도록 강도와 경도가 강한 취성부재보다는 탄성 및 연성재의 SS400 계열의 강재구성이 바람직해 보이고 또 상부의 Carriage 에 의해 전달되는 횡방향 비틀림하중이 수직으로 전달되어 마스트접합부에 피로하중이 누적되고 이로 인해 접합부가 쉽게 부식마모로 인해 승강안정성이 떨어 질 우려가 있으므로 접합부에는 고주파열처리등의 표면처리기법이 필요하다. 이런 면에서 볼 때 X-Body 의 외관골조상의 설계는 양호해 보였다. - Carriage : Carriage는 S/C 의 Forking 과 회전동작을 위한 Arm Base 가 설치되어 있고 Work 의 진출입 시 횡방향으로 비틀림력을 받아 이를 승하강 레일로 전달해주는 역활을 한다. 따라서 구조적인 면에서 생각해볼때 승하강레일의 구름을 받는 부재와 Arm Base를 탑재하고 있는 부재에 대해 별도의 치수기법이 필요해 보인다 우선 승하강레일을 지지하는 부재에 대해서는 치수를 키운 부재의 사용보다는 횡방향 비틀림에 대해 발생되는 피로하중을 염두하여 작은 치수의 인장, 압축부재를 격자형식으로 취부하여 피로하중을 분산시켜주는 설계기법이 필요하고 Arm Base가 탑재되는 Carriage 의 Saddle 부재는 처짐 및 휨모멘트에 대한 강성을 유지하기 위해 높이방향으로의 관성모우멘트를 고려한 부재의 Sizing 이 필요하다. 이런 면에서 당사의 Carriage 구조물은 상당히 양호한 형식을 취하고 있는 듯 했다. - 주행축 : 주행회전축과 수직으로 설치된 중공감속기로 직결되어 있고 회전축의 양단에 주행 Wheel 이 장착되어 있는 전,후 사륜구동방식이다. 또 회전축과 중공감속기의 조립정비의 편의를 위해 회전축이 분리되도록 양단에 커플링조인트를 사용하였는데 커플링조인트는 미세회전각에 대해서 안쪽과 바깥쪽 선속도의 차이로 속비가 일정치 않다. 이를 위해 안쪽, 바깥쪽에 커플링조인트를 대칭으로 설치하여 선속도차이로 인한 속비를 어느 정도 상쇄시킬 수 있는 구조로 되어 있어야 한다. 또 고속주행 시에는 커플링 제작사의 클리어런스(간극공차) 시방이 당사의 S/C 시방과 용도가 적절치 않을 경우 주행 Wheel 의 편마모현상이 발생되거나 육안상 X-Rail 의 직진도가 의심될 수 있는 현상들이 발생될 수 있다. 주행휠의 편마모현상은 면압의 증대로 Wheel 의 타이어면에 일차적 손실을 가할 뿐 아니라 부수적으로 편진동을 S/C 전체에 전달하여 설치향후 접합부위의 이탈, 부식, 입계공식등의 유지보수공수를 부가할 수 있다. 잔진동이 교량을 파괴시킨 실례들이 비일비재했음은 두말할 나위도 없기 때문이다.. 또 Forking 시 전도안정성을 확보하기 위해 Forking 정지선 끝단에서 발생되는 Over_Hang에 대해 전후륜이 가지는 무게중심의 비는 S/C 중량의 대략 15% 이상 배분되는 저중심의 설계도 필요해 보였다. - Mast : 2대의 서버모터에 의해 Arm Base 가 장착된 Carriage의 양단을 로울러 체인으로 걸어 올리는 동기제어방식을 취하고 있다 Mast의 전면에는 Carriage의 승하강 가이드를 위한 레일이 장착되고 후면에는 Count Weight의 승하강을 위한 가이드레일구조가 인발되어 이곳을 경사 가이드레일이 주행을 하게 된다. Count Weight 는 S/C 가 부하주행 시 Carriage의 탑재 안정성을 제공하고 승하강중의 동력절감과 고속직진성향을 유지할 수 있는 구조로 되어 있다 . 승하강모터는 X-base의 상판에 주행모터와 나란히 설치되어 있으며 각 Mast 의 하단부에 위치한 Chain Sprocket Shaft 와 직결되어 있다. 특히 Carriage 가 최상부측에서 Forking 시 발생되는 Mast의 굽힘력을 보완하기 위해 Mast 간 압축부재(Cross Beam)를 사용하였는데 강재의 인장_압축력은 일반적으로 굽힘력의 1.5배이상의 강도를 가지므로 이 압축부재로 인해 Mast 의 부재력을 다소 낮추는 시도도 가능하리라 본다. 단지 Mast의 부재치수가 작아지는 데에 따르는 승하강 유니트의 메카니즘도 병행하여 개선한다면 Mast 의 축소로 인한 X-Body 의 Sizing 도 상당부분 가능할 것으로 생각된다. - Arm Base : 다소 복잡해 보이는 구조의 Arm Base는 언뜻 스칼라로봇을 보는 듯 했다. 양단 두개의 Trust Pin은 Cross Bearing에 의해 지지되고 그 위에 각절 Link가 2단으로 짜여져 있으며 2번째 단의 Link 끝에는 회전비 1:2의 두쌍의 Spur Gear의 안내를 받아 직선운동을 하는 Bed 가 구속되어 있는 구조이다 동력전달과정은 양단 Trust Pin은 Dual 서보모터에 의해 회전력을 각절운동으로 변환시키는 Chain Sprocket Unit로 전달한다 그리고 각절운동은 2단 자유, 2단 구속의 링크에 의해 직선운동으로 변환되고 그 직선운동의 직각방향에 대한 직진 구속력을 주기 위해 사용된 두쌍의 감속 Spur Gear 로 전달되는 과정을 거친다. 이 동력전달메카니즘을 장착한 Base 는 다시 Base 하단에 장착된 회전서보모터에 의해 180도 회전이 가능한데 회전축은 Axial Load를 받으므로 별도의 Ring Bearing의 지지를 받고 있다. 3. 외형치수의 OVER_SPEC'에 대한 생각 - 부재의 실용치수에 대한 문제점인식 원부자재, 부품의 실용치수, 접합방식에서 오는 연결부재, 하중부재 등 전반적인 외형치수의 OVER_SIZING 으로 구성된 Arm Unit, Z_Rail(Mast), X_Body 는 상시적관점으로 지켜볼 때 보다 거시적관점으로 지켜볼 때 더욱 두두러지는 듯 했다. 특히 Over_Sizing에서 직접 발생되는 가공부품의 가공공수 증가와 임계가반하중의 증가로 추가적으로 고려되어 정의되는 소요동력의 Over_Spec' 은 더욱더 그러했다. S/C 에는 이러한 OVER_SEPC 으로 인해 발생된 하중증가에 대한 문제를 인식하여 두꺼운 치수의 Plate 류에 별도의 2차 Cutting 가공이 된 흔적들이 역력하다. 하지만 이는 Notch 부의 증가로 공칭치수에 비해 응력집중이 심화되고 이로 인해 응력이 확산되고 급기야 내적균열을 야기 시킴으로써 결과적으로 두께가 얇고 2차 cutting 가공이 되지 않은 단판부재의 부재력보다도 훨씬 불리한 부재력을 내재하게 된다. 또 이러한 현상을 방지하기 위해 3차적으로 알루미늄부재에는 양극산화법(아노다이징)을 SS400 계열의 강재에는 고주파열처리 또는 응력제거풀림을 별도로 실시하는 가공공정의 증가로 이어지고 있는 것이다. - 작동메카니즘의 비효율구조에 대한 의문 2열 X_RAIL 레일구조, Dual 동작형 Up/Down 구조, Dual Forking 구조, Dual 주행방식등 의 이중구조이다. 이중구조가 안정성면이나 장비의 신뢰성을 배가시킴은 말할 바도 없겠지만 이중구조가 제공하는 장비의 고가화 와 제어적 복잡성은 막을 수 없는 부분이거니와 차후 유지보수의 측면까지 보자면 무시할 수 없는 부분이기도 하다. 그렇다면 이중구조가 제공하는 장비의 안정성과 신뢰성의 영역을 장비 설계자가 보증할 수 있다면 이 부분에 대해 막대한 원가절감과 공정단축이라는 2마리의 토끼를 잡을 수 있게 되는데 이 부분은 부재의 실용치수에 대한 문제인식에서부터 기인된다고 본다. S/C 에 부가되는 각종 하중을 분석하고 그 하중에 대응할 수 있는 신뢰성 데이터를 득하고 그로인해 기구적으로도 정확한 동작만을 유도할 수 있다면 이러한 2중 구조의 고비용은 어느 정도 차단할 수 있을 것으로 본다. 기계가 단순하면서도 고차원적이지 않아도 되는 이유는 기계는 사람과 달리 감정의 지배를 받지 않기 때문이고 감정에 의해 복잡한 움직임이 필요한 동물과는 분명 대별되어야 한다는게 나의 생각이기도 하다. 4 결론 당사의 Stacker Crane 을 짧은 시간에 한사람의 무지한 경험과 시간만으로 모든 것을 설명한다는 것은 불가능하다. 하지만 S/C 의 동역학적인 작동메커니즘을 고찰해 볼 때 확실해 보이는 것은 있다. ① 장기하중에 대해 S/C 의 내구성을 증가시키되 내구성증가를 목적으로 재료의 치수확대를 억제할 것 ② 동역학적으로 발생되는 단기하중에 대해서 Wheel을 통해 효과적으로 바닥 구조물로 전달시킬 것 ③ 동역학적으로 발생되는 미세진동과 편진에 대해 발생되는 누적피로하중을 흡수할 수 있는 Saddle 구조와 흡수소재의 균형있는 사용 ④ S/C 전체에서 발생되는 주행저항, 가속저항억제를 위해 주행 Weel 의 접지압의 고려 ⑤ 국부적으로 발생되는 단기하중에 대해 사용재료의 역학적 배치 ⑥ 작은 치수부재를 선정하더라도 Notch, 돌출, 긁힘, 파형, 입계침식, 거칠기 등급을 자재 선별단계에서부터 통제하고 이에 맞는 표면처리의 도입(화학 물리적표면처리, 금속확산침투법, 열처리, 특수피막 도금, Blasting) ⑦ 사용동력의 인가 시 임계하중의 폭을 적게 하는 저중심설계 ⑧ 체결볼트의 남용억제 ⑨ 실효토오크전달을 위한 부재력의 강화 및 마찰구름요소의 실효예압 부가. ⑩ 구조재의 조합 및 배치로 over_sizing 억제 S/C 은 임시방편적인 설계대응이나 부수적인 공정삽입을 통해 문제를 대응하게 되면 표면에 보이는 외관상의 문제들은 제한적으로 가려질 수 있으나 S/C의 내적인 결함으로 감춰진 문제는 언젠가 복합적인 문제들로 반복 발생될 소지가 높다. 이에 대해 서두와 본론부분에 전개한 방편을 염두하고 보다 다각적인 장기대책과 연구과제를 수행하여 향후 S/C 성능향상에 대응하는 적극적인 기법이 필요하다. 
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| Toal 65 |
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