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工學碩士學位論文

공압 호이스트의 무중력 핸들링 시스템

개발에 관한 연구

2001年 12月

昌原大學校大學院

機械設計工學科

裵相日

工學碩士學位論文

공압 호이스트의 무중력 핸들링 시스템

개발에 관한 연구

A Study on the Development of a Weightless

Material handling System using Pneumatic hoist

指導敎授洪大善

이 論文을 工學碩士學位論文으로 提出함

2001年 12月


機械設計工學科

裵相日

裵相日의 碩士學位論文을 認准함.

審査委員長 정 원 지 (인)

審査委員 염 만 오 (인)

審査委員 홍 대 선 (인)

2001年 12月


- i -

목 차

목 차 ························································································ⅰ

LIST OF FIGURES ························································································ⅲ

LIST OF TABLES ························································································ⅴ

NOMENCLATURES ·························································································ⅵ

제 1장 서 론 ········································································································1

1.1 연구배경 ·····································································································1

1.2 연구 동향 ···································································································3

1.3 연구목적 및 내용 ·····················································································5

1.3.1 무중력 핸들링 시스템 소개 ··························································5

1.3.2 연구 목적 ··························································································6

1.3.3 연구 내용 ··························································································6

제 2장 무중력 핸들링 시스템············································································7

2.1 서론 ·············································································································7

2.2 공압 호이스트 실린더 해석 ···································································8

2.3 무중력 핸들링 시스템 제어회로·························································13

2.3.1 제어회로의 개념 ············································································13

2.3.2 클램프시 무중력 제어회로의 동작 및 공압 흐름도 ··············18

2.3.3 무중력 발란스시 제어회로의 동작 및 공압 흐름도 ··············20

2.3.4 언클램프시 무중력 제어회로의 동작 및 공압 흐름도 ··········23

제 3 장 실험 및 결과 ··························································································25

3.1 개요 ···········································································································25

3.2 실험장치 및 실험방법 ···········································································26

- ii -

3.2.1 실험 장치 ························································································26

3.2.2 실험 방법 ························································································29

3.3 실험결과 ···································································································31

3.3.1 기존의 무중력화 호이스트와의 핸들링 힘 비교 ····················31

3.3.2 하중의 변화에따른 공압-공압 비례밸브의 파일럿 압력의

범위 ····································································································33

3.3.3 무중력 핸들링 시스템의 행정중 회로내의 압력 변화도 ······35

3.3.4 무중력 핸들링 시스템의 행정중 회로내의 핸들링 힘 및

핸들링 속도 변화 ············································································42

3.3.5 무중력 핸들링 시스템의 작업과정 시간선 분석 ····················48

3.4 실험결과의 고찰 ·····················································································50

제 4 장 결론 및 향후과제 ··················································································51

4.1 결 론 ·······································································································51

4.2 향후 연구 과제 ·······················································································52

참고문헌 ···············································································································53

- iii -

LIST OF FIGURES

Fig. 2-1 Schematic diagram of a pneumatic hoist cylinder

Fig. 2-2 Simplified schematic diagram of a pneumatic hoist

Fig. 2-3 One pitch of reel

Fig. 2-2 Simplified schematic diagram of air balance hoist

Fig. 2-3 One pitch of wheel

Fig. 2-4 Weight of material to be handled at each pressure

of a pneumatic hoist cylinder

Fig. 2-5 Flow chart of the weightless handling system

Fig. 2-6 Pneumatic circuit of the weightless handling system

Fig. 2-7 Flow of compressed air at clamp mode

Fig. 2-8 Flow of compressed air at manual lifting

Fig. 2-9 Flow of compressed air at manual lowering

Fig. 2-10 Flow of compressed air at unclamp mode

Fig. 3-1 Weightless handling system

Fig. 3-2 Schematic Weightless handling system

Fig. 3-3 The data acquisition system

Fig. 3-4 Comparison of handling force at each weight in upward

motion

Fig. 3-5 Comparison of handling force at each weight in downward

motion

Fig. 3-6 Pressure range available at each load

Fig. 3-7 Pressure change for 300N weight




- iv -


Fig. 3-12 Handling force and speed for 300N weight





Fig. 3-17 Example time chart

- v -

LIST OF TABLES

Table 2-1 Analysis data of cylinder

Table 3-1 Specification of the data aquisition system

- vi -

NOMENCLATURES

dp : Pitch of a reel

dr : Diameter of a reel

d1 : Diameter of a piston

d2 : Diameter of ball a screw

A : Section area of piston

A1 : Section area of cylinder

A2 : Section area of ball screw

P : Force of cylinder

N : Normal force

λ : Angle of pitch

T1 : Torque of reel for compressed air

T2 : Torque of reel for laod

L : Weight of load

- 1 -

제 1장 서 론

1.1 연구 배경

최근 산업의 발달에 따른 자동화의 관심이 고조되면서 각종 기계적․

전기적인 제어장치가 개발되고 있다. 특히 공기압 혹은 유압시스템은 기계

적인 제어장치로서 그 역할이 점차 증가하고 있다. 공기압은 오래된 것인

동시에 새로운 기술이다. 인간은 오래 전부터 공기를 잘 이용하면서 생활

을 해 왔으나 명확한 기술로서 공기압을 취급하게 된 것은 최근이며, 이것

과 비례하여 공기압 기술, 기기의 진보 및 이러한 것의 이용은 다각적으로

보급도가 현저한 것이다. 일찍이 광산업이나 건설 및 철광소(압축공기 브

레이크)등의 역에서 사용되기는 하 으나 본격적으로 압축공기가 산업

현장에 적용된 것은 1950년경부터이다[1].

공기압 기술은 종래, 공기압 실린더의 응용에서 볼 수 있는 것처럼 온-

오프 적인 동작으로부터 더 유연한 동작을 가능하게 하는 피드백 제어로

발전하고 있다. 나아가서 일렉트로닉 기술, 씰(seal)기술의 기술혁신에 의

해 고 신뢰성, 장 내구성 기기가 출현해 해마다 그 이용 분야도 확대되고

있다. 공압 호이스트는 압축공기가 가지고 있는 에너지를 기계적인 힘으로

변화시켜 그 힘을 이용하여 고하중의 중량 물을 들어올리는 장치를 말한

다[2].

전기 호이스트는 일찍부터 하중 물을 들어올리는 작업에 사용되어온

반면, 공기를 매체로 한 공압 호이스트(Pneumatic Hoist)는 공기가 가지는

압축성(Compressibility)및 낮은 점도(Viscosity)등으로 인해 고압인 경우

실링(Sealing)이 어렵고 저압인 경우 공기의 체적 탄성계수(Bulk

Modules)가 작음으로 인한 출력강성(Output Stiffness)이 낮으며 응답속도

가 늦다[4][7].

- 2 -

그리고 공압 실린더(Pneumatic Cylinder)내의 자체 윤활 작용이 없어서

피스톤과 실린더 벽면 사이에 마찰이 발생하여 운동방정식이 심한 비선형

특성을 가지므로 수학적 모델 링에 의한 이론적 해석이 어렵다[4].

이렇듯 여러 가지 단점을 가지므로 공압 호이스트는 잘 사용되지 않았

으나 공기압 시스템은 공기의 압축성에 의한 에너지의 축적이 용이하고

온도에 따른 공기의 점성과 체적 탄성계수의 변화가 적어서 넓은 온도

역에서의 사용이 가능하다. 출력은 압력을 조정해서 무단계 또는 단계적으

로 자유로이 조정할 수 있고 공기의 압축성 때문에 에너지의 축적이 용이

하다.

또한, 유압시스템에 비해 그다지 큰 힘이 필요하지 않고 작동유체의 유

출로 인한 오염 및 고온에서의 화재 위험이 없으며 공기압은 배기를 대기

에 내놓지만 유압은 순환방식이 되어 각 기기간 향도 크므로 각 장치마

다 유압 원이 설치되지만 공기압은 하나의 공기 원에 집중할 수 있다. 또

한 전기 호이스트는 진동, 분진 등의 발생으로 인한 작업환경의 오염이 발

생하지만 공기를 사용한 공압 호이스트(Pneumatic Hoist)는 전기 호이스

트와는 달리 분진 및 진동의 발생이 없어 쾌적한 작업환경을 보장한다[3].

- 3 -

1.2 연구 동향

압축공기를 매개체로 하는 공압 호이스트는 청결한 작업환경을 유지

하며 작동소음이 거의 없고 취성이 강한 재료를 핸들링 하는데 유리한

장점이 있어 산업현장의 중량물 핸들링 작업에 많이 쓰이고 있다.

(주)Zimmerman사와 (주)동성산기[5] 에서는 압축공기를 이용한 공압

호이스트를 개발하여 산업현장의 중량 물을 핸들링 하는데 사용되고 있

고 S. D. Park[6] 은 그의 연구에서 산업용로봇의 제어장치에 압축공기를

이용하여 기존의 각종 로봇이 자체 무게에 대한 가반하중(work ratio)이

10:1 ∼ 20:1인데 비해 공기압 실린더를 사용하여 자체 무게에 대한 가

반하중이 거의 1:1인 시스템을 개발하 다. 일본에서는 압축공기를 이용

하여 공압 호이스트 및 산업용로봇 제어회로인 발라만(BALAMAN)을

개발하여 로봇 및 공압 호이스트의 정 위치제어에 사용되어지고 있다

[8]. 또 K. H. Lee

[3]는 압축공기를 이용한 무중력화 호이스트를 연구하

다. 그는 그의 연구에서 에어발란스 시스템에 무중력 회로를 사용하여

무중력화 호이스트를 개발하 다. 에어발란스 시스템의 단점을 개선하여

정 위치제어가 가능하 으나 사용자의 핸들링 힘(Handling Force)이

많이 드는 단점이 있다. 그리고 T. J. Eum[16]은 누기 보상기능을 보유한

공압 제어 회로의 개발에 관한 연구에서 공압 호이스트의 누기보상회로

를 설계하 다.

그간 국내외에서 개발되어온 공기압을 사용한 중량 물을 핸들링 하는

시스템을 소개하면 다음과 같다.

1) 에어발란스 시스템[5]

현재 산업현장에서 많이 쓰이고 있는 모델로서 저하중 중량물부터 고

하중물까지 사용범위가 넓으며 에어실린더와 하중물의 호이스트를 위한

조작스위치를 겸한 방향전환밸브로 구성되어 있다. 구조가 간단하고 다

- 4 -

양한 하중의 무게에 대응할 수 있다. 그러나 정 위치제어에는 단점을

가진다.

2) BALAMAN 제어시스템[8]

발라만(Balaman)시스템은 이미 여러 산업현장에서 손동작에 의해 사

용되고 있다. 공압 실린더를 사용하여 자동화 또는 로봇화되어 중량물을

취급하는 산업현장 및 조악한 작업환경에서 이미 사용 중에 있다. 이 시

스템은 광역의 무게에 대응할 수 있으며 정 위치제어 또한 가능하다.

3) 압축공기를 이용한 무중력화 호이스트 시스템[3]

압축공기를 이용한 무중력화 호이스트 시스템은 산업현장에서 사용되

고 있는 저하중급 에어발란스 시스템에 무중력화 제어회로를 적용하여

정 위치제어를 위해 개발되었다. 정 위치제어가 가능하나 사용자의

핸들링 힘이 많이 드는 단점이 있다.

에어발란스 시스템은 스위치를 사용하여 조작하고 정 위치제어가

힘들고 발라만 시스템은 정 위치제어가 가능하나 조작이 어렵다. 본

연구는 이러한 단점을 보완하여 무중력 핸들링 시스템을 개발하고자 한

다. 본 연구에서는 여타 시스템과는 달리 하중 물을 조작하기 위한 스위

치로 하중 물을 제어하는 것이 아니고 하중 물을 클램프 한 후 그 하중

물을 무중력화하여 사용자의 손동작에 의해 하중물이 제어된다. 즉, 사용

자의 미세한 작동 힘에 의해 사용자가 원하는 위치에 하중물을 정 제

어할 수 있고, 넒은 범위의 하중물의 무게를 제어할 수 있다.

- 5 -

1.3 연구 목적 및 내용

1.3.1 무중력 핸들링 시스템의 소개

산업현장에서 이루어지는 여러 작업 중에서 특히 중량물 핸들링

(Handling)은 기중기, 전기 호이스트 등이 사용되고 있으나 소음, 분진

등이 발생하고 작동시 부하의 속도조절이 어렵고 덜컹거림의 충격이 핸

들링 대상의 하중 물에 그대로 전달되어 심각한 문제를 야기한다.

최근 중량물을 핸들링 하는 산업현장에서는 쾌적한 작업환경을 유지

할 수 있는 공압 호이스트 시스템을 많이 사용하고 있다. 공압 호이스트

는 안전하고 깨끗한 작업을 할 수 있으나, 정 위치제어가 어렵고 사용

자는 상․하 조작스위치에 의해 하중을 핸들링 하므로 중량물 작업의 어

려움이 있다.

이렇듯 중량물 핸들링작업의 효율화를 위해 국내의 여러 업체에서 발

란스 시스템(Balance System)을 생산하고 있으나 현재의 시스템은 조작

스위치를 이용하여 중량물을 상하로 움직여야하는 불편한 점을 안고 있

어 정 위치제어가 어렵다. 위와 같은 단점을 보완하고자 본 논문에서

는 공압을 이용한 무중력 핸들링 시스템을 개발한다. 무중력 핸들링 시

스템 산업현장에서 사용중인 공압 호이스트에 무중력 제어회로를 설계

적용하 다. 하중물을 조작 스위치를 통해 상․하 조작하는 것이 아니라

사람의 손으로 직접 하중물을 핸들링 하는 시스템이다. 이때 제어회로는

하중물의 무게를 공기압의 압력으로 기억하고 있는 상태가 되고, 제어회

로가 하중물의 무게의 대부분을 인식하고 있으므로 사용자는 적은 힘으

로 하중물을 정확한 위치까지 호이스트 할 수 있는 정 위치제어용 에

어 호이스트 시스템이다.

- 6 -

1.3.2 연구 목적

하중물의 상․하 위치 제어시 별도의 스위치 조작이 필요 없이 클램프

(Clamp)동작을 통해 하중물의 무게를 제어회로에서 인식한 후 사용자의

적은 힘을 직접 하중에 전달하고 시스템에서 이를 감지하여 정 위치제어

가 가능한 무중력 핸들링 제어회로를 개발하는데 연구의 주요 목적이 있

다. 공압 호이스트의 무중력 핸들링 시스템에서 작업자의 핸들링 작업 시

에 필요한 힘을 측정한다. 또한, 무중력 제어 시스템에 사용되는 공압-공

압 비례밸브의 파일럿 압이 핸들링 가능한 무게와 핸들링 하는 힘에 미치

는 향을 살펴본다.

위와 같은 연구로부터 본 연구의 목적은 고하중물 취급용 공압 호이스

트의 무중력화 시스템을 개발하여 응답성이 좋으면서 별도의 조작스위치

없이 사용자의 의도를 제어회로가 파악하여 사용자의 적은 힘으로도 고하

중물을 핸들링 할 수 있는 무중력 핸들링 시스템을 개발하는데 있다.

1.3.3 연구내용

현재 사용중인 공압 호이스트 실린더에 엔코더(Encoder) 및 솔레노이

드 밸브 등 각종 공압 밸브를 사용하여 정 위치제어 및 사용자의 핸들링

힘을 감소시키는 무중력 제어회로를 설계하여 각 하중의 무게별 사용자의

핸들링 힘을 구하고 시스템의 성능을 평가한다. 또 무중력 핸들링 시스템

의 공압회로 내에 압력의 변동을 관찰하여 시스템의 안정성을 판별한다.

또, 기존의 무중력 시스템의 핸들링 힘을 측정하여 본 연구에서 개발

된 제어회로와 핸들링 힘 등의 성능을 비교 분석한다.

- 7 -

제 2장 무중력 핸들링 시스템

2.1 서론

무중력 핸들링 시스템은 기존의 공압 호이스트에 무중력 제어 회로

를 설계하여 적용한 시스템이다. 기존의 공압 호이스트 시스템은 하중물

을 조작 스위치를 통해 상․하 핸들링 한다. 상승 작업 시에는 호이스트

실린더 내로 압축공기를 공급하고 하강 시에는 하중의 자중에 의해 하강

되며 공기를 대기 중으로 배기 한다. 무중력 핸들링 시스템의 제어회로

는 공압-공압 비례밸브 및 각종 공압밸브를 사용하여 하중물의 핸들링

작업 시 조작스위치를 통해 하중물을 핸들링 하는 것이 아니라 사용자의

손으로 직접 하중물을 상․하 핸들링 하는 시스템이다. 이때 하중물의

무게의 대부분은 제어회로가 인식하여 담당하므로 사용자는 하중물의 전

체무게를 인식하지 못하고 적은 힘으로 조작이 가능하다. 본 논문에서는

사용자가 직접 손으로 핸들링 하는 작업에서 하중의 무게를 완전히 느끼

지 못하므로 이를 하중물이 무중력화 되었다고 본다.

현재 사용중인 공압 호이스트 시스템은 호이스트 실린더(Hoist

Cylinder), 하중물을 장착하는 클램프 부(Clamp Part)로 이루어진다. 이

중 호이스트 실린더(Hoist Cylinder)는 공압이 갖는 에너지를 기계적인

에너지로 변환시켜주는 역할을 수행하는 핵심적인 부분이다.

이 장에서는 본 연구의 대상인 호이스트의 무중력 핸들링시스템의 제

어회로를 해석하고 각 행정시의 회로내의 압축공기(Compressed Air)의

흐름을 살펴본다. 또 가반하중이 1600N인 호이스트 실린더의 입력 공압

에 대한 핸들링 가능한 하중의 무게에 대해서도 알아본다.

- 8 -

2.2 공압 호이스트 실린더의 해석

공압 호이스트 시스템(Pneumatic Hoist)의 압축공기가 가지고 있는

에너지를 기계적인 힘으로 변환시키는 장치를 말한다. 여기서 공압을 하

중을 핸들링 할 수 있는 힘으로 바꾸어주는 것이 호이스트 실린더(Hoist

Cylinder)이다. 호이스트 실린더(Hoist Cylinder)는 Fig.2-1과 같이 하우

징(Housing), 피스톤(Piston), 릴(Reel), 볼스크류(Ball Screw)로 구성된

다. 여기서 피스톤과 연결된 릴은 동력나사의 일종으로 공급되는 공압에

의해 피스톤의 직선운동을 회전운동으로 변환하는데 사용되며 동력을 전

달한다.

호이스트 실린더의 기하학적 해석을 통해 시스템의 성능을 예측하기

위해 시스템을 수학적으로 모델링(Modeling)한다. 그리고 호이스트의 해

석을 위해 Fig.2-2 와 같이 구조를 단순화 시켰다.[3]

Housing

Piston

Reel

Ball Screw

Fig. 2-1 Schematic diagram of a pneumatic hoist cylinder

- 9 -

피스톤(Piston)의 면적(A)은 다음과 같다.

A=π4(d21-d

22) (2.1)

압축된 공기에 의해 실린더가 힘(P)은 피스톤의 면적과 압축공기를

Pf에 의해 다음과 같다.

P=π4×P f×( d

21-d

22) (2.2)

이때 공압을 기계적인 힘으로 바꾸는 볼 스크류(Ball Screw)의 나

사산을 Fig. 2-3과 같이 펼쳐진 상태로 고려하면 직각 삼각형의 빗변

은 나사 산에 해당되고 밑변과 높이는 각각 나사의 유효 지름의 원주

및 리드에 해당된다.

볼 스크류와 릴은 고정되어 있는 상태이고 볼 스크류와 볼 스크류

가이드 사이의 마찰은 무시할 수 있으므로 Fig. 2-3의 마찰계수 μ 는

무시한다.

dp

d2 d1dr

Fig. 2-2 Simplified schematic diagram of a pneumatic hoist

- 10 -

Fig. 2-3의 나사산 특정 점에서의 힘의 평형상태를 보면 다음과 같다.

∑Fx=F-Nsinλ=0 (2.3)

∑Fy=-P+Ncosλ=0 (2.4)

식(2.4)에서 N=Pcosλ

를 식(2.3)에 대입하면 다음과 같다.

F=sin λcos λ

×P= tan λ×P (2.5)

Fig. 2-3 에서 tan λ=d pd r×π

임을 알 수 있다. 이를 식 (2.5)에 대

입하면 다음과 같다.

F =dpd r⋅π

×[ π4 ⋅Pf⋅(d21-d

22)]

=14⋅dpd r⋅Pf⋅(d

21-d

22)

(2.6)

y

dp

P

F

dr× π

Nλ

μN

x

Fig. 2-3 One pitch of reel

- 11 -

따라서 호이스트 실린더에 임의의 압축공기가 공급되었을 때 릴이 회

전하는 토크(Torque) T1은 다음과 같다.

T1 =F×dr2

=18⋅dp⋅Pf⋅(d

21-d

22)

(2.7)

또한, 공압 호이스트의 하중( L)이 릴에 요구되는 토크(Torque) T2

는 다음과 같다.

T2= L×d r2

(2.8)

토크1( T1)과 토크2( T2)이 같을 때 즉, T1=T2일 때 호이스트 실

린더내에 공급되는 압력에 대한 핸들링 가능한 최대 하중물의 무게

( L max )가 되며 이는 다음과 같다.

L max =14⋅dpdr⋅Pf(d

21-d

22) (2.9)

본 논문의 연구에 사용된 호이스트의 실린더 해석에 필요한 기본자료

는 다음 Table 2-1 과 같으며, 공압 호이스트 실린더에 공급되는 각각의

압력 대에 대하여 호이스트 가능한 하중의 무게를 그래프로 나타내면

Fig. 2-4와 같다.

- 12 -

Table 2-1 Analysis data of cylinder

Parameters Values

Reel Pitch (dp) 2.4 cm

Effective Diameter of Reel

(dr)15 cm

Inside Diameter of Cylinder

(dr)25.5 cm

Outside Diameter of

Ball Screw(d2)3.6 cm

Pressure in Hoist Cylinder(bar)0 1 2 3 4 5 6 7 8

Wei

ght o

f Mat

eria

l(N)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Fig. 2-4 Weight of material to be handled at each pressure

of a pneumatic hoist cylinder

- 13 -

2.3 무중력 핸들링 시스템의 제어회로

2.3.1 제어회로의 개념

기존의 공압 호이스트 시스템은 하중물의 핸들링을 상․하조작 버튼

을 조작하여 사용하 다. 이때 사용자는 에어발란스 실린더 내에 유입되

는 압축공기의 유량을 상․하 조작 버튼의 밸브의 열고 닫히는 시간 간

격을 통해 조절하므로 하중물의 정 한 위치제어가 어렵게 되고 불편한

느낌을 가지게 된다.

본 논문에서는 기존 공압 호이스트의 실린더에 연결하여 무중력 핸들

링을 할 수 있는 무중력 핸들링 시스템 제어회로를 개발하여 적용하

다. 무중력 핸들링 시스템은 공압 호이스트 시스템의 단점인 정 위치

제어 및 조작의 편이성이 개선되었다. 이 시스템은 핸들링 하는 사용자

의 방향을 인식하여 시스템이 하중의 무게를 대부분 처리하므로 사용자

는 약간의 힘을 하중 물에 가하기만 하면 제어회로는 엔코더(Encoder)

와 솔레노이드 밸브에 의해 공압 호이스트의 실린더 압력을 보상하여 하

중물의 핸들링이 이루어진다.

무중력핸들링 시스템의 동작을 순서도로 나타내면 Fig. 2-5와 같다.

본 논문에서는 하중물을 장착하여 클램프 스위치 동작을 통해 상승하는

과정을 클램프 구간, 하중물을 원하는 위치까지 조작하는 과정을 무중력

발란스 구간, 마지막으로 작업을 마치고 하중물을 제거하는 구간을 언클

램프 구간이라고 한다. 하중 물을 클램프 부에 부착하여 클램프 동작이

이루어지는 순간 제어회로는 압축공기를 호이스트 실린더 내에 공급하게

된다. 이때 제어회로는 하중물이 지면에서 상승하는 순간에 그 무게를

회로 내에 기억하게 되며 이 순간부터 하중물은 무중력화 되어 핸들링이

이루어진다. 이때 사용자는 이때부터 무중력화된 하중물을 사용의 손으

로 직접 원하는 위치까지 정 하게 이송할 수 있고, 작업이 완전히 끝난

- 14 -

후 언클램프 동작을 수행한 후 하중물을 클램프 부에서 제거한다. 작업

시에 사용자가 필요한 핸들링 힘을 최소화하기 위해 엔코더(Encoder)와

솔레노이드 밸브를 사용하 다. 사용자는 최초에 클램프된 후 무중력화

되어 정지된 하중물을 원하는 방향으로 힘을 가하면 이때 엔코더

(Encoder)에 의해 작업방향을 인식하여 마이크로프로세서 보드

(Microprocessor Board)로 보낸 신호에 의해 솔레노이드 밸브에 전기적

인 신호를 보내게된다. 하중물의 상승, 하강, 정지의 세 가지 작업신호만

주어지면 무중력회로와 솔레노이드 밸브에 의해 무중력 핸들링 시스템이

이루어진다. 상승 작업 시에는 호이스트 실린더 내로 압축공기를 공급하

고 하강 작업 시는 솔레노이드 밸브를 통해 대기 중으로 배기한다.

만일 핸들링 과정중 사용자의 실수로 언클램프(Unclamp) 조작을 수

행한다면 하중물이 추락하여 손상되고 하중물의 무게를 아직 기억하고

있는 시스템은 무게를 잃어 수직방향으로 빠른 속도로 튀게된다. 이를

방지하기 위해 호이스트 실린더 내에 잔압이 있는 상태에서 언클램프를

수행한다면 시스템은 실린더내의 잔압을 감지 언클램프 동작이 이루어지

지 않게 한다.

- 15 -

Start

Clamp

Upward move

Adjustment of handling pressure

Handling

( Operator solenoid valve)

Downward move

Safety examination

Unclamp

Y

N

Y

N

Fig. 2-5 Flow chart of the weightless handling system

- 16 -

이러한 무중력 핸들링 시스템의 제어회로도는 Fig. 2-6에 나타나 있다.

호이스트 실린더( Hoist cylinder )는 하중의 무게를 지탱하고 클램프

(Clamp)실린더는 하중물의 핸들링 작업 시 시스템으로부터의 이탈 및 추

락을 방지한다.

핸들링 대상물의 클램프를 위하여 클램프 부분이 따로 있어 하중물을

클램프 하는 순간 하중물의 무게에 대한 압력이 공압-공압 비례밸브(P-P

Proportional valve)의 파일럿(Pilot)압력으로 기억이 된다. 이 압력이 공압

-공압 비례밸브에 기억되는 순간부터 하중물은 마치 무중력 상태에 있는

것처럼 사용자에 의해 핸들링이 가능하다.

이때 엔코더(Encoder)를 통해 사용자의 작업방향을 인식하여 전기적인

신호로 변환하여 솔레노이드 밸브를 동작시킨다. 이는 무중력화된 하중물

을 핸들링 할 때 작업방향으로 최소의 힘을 가하면 다음 동작을 행할 때

까지 자동적으로 압축공기를 공급 및 배기 하게된다. 이렇게 함으로서 사

용자는 적은 핸들링 힘으로 정 한 위치까지 제어하여 작업을 수행할 수

있다.

- 17 -

No. Component

① Air Balance Hoist

② Check Valve

③ Pilot Valve

④ Solenoid Valve

⑤ Solenoid Valve

⑥ Pilot Valve

⑦ Check Valve

⑧ Pilot Valve

⑨ Proportional Valve

⑩ Pilot Valve

⑪ Regulator

⑫ Mechanical Valve

⑬ Mechanical Valve

⑭ Clamp Cylinder

⑮ Pilot Valve

⑤

①

③④

⑥

⑧

⑩

⑨

⑪

⑫ ⑬

⑦

⑭

⑮

②

⑥

⑧

Fig. 2-6 Pneumatic circuit of the weightless handling system

- 18 -

2.3.2 클램프(Clamp)시 무중력 제어회로의 동작 및 공압 흐름도

사용자가 무중력 핸들링 시스템의 클램프부분에 하중물을 장착하고 클

램프 조작을 하면 압축공기는 클램프 실린더를 작동 하게되고 각종 방향

제어밸브를 작동하고, 또 공압-공압 비례밸브의 파일럿 압으로 입력되게

된다. 클램프 동작을 하는동안 공급원으로부터 실린더로 공급되는 라인

의 입력압은 공압-공압 비례밸브의 특성으로 인해 비례밸브의 파일럿

압과 같은 압력만 공급하게 된다. 하중물이 상승 할때까지 클램프 동작

을 하게된다. 클램프 동작을 마쳤을 때 하중물의 무게에 대한 압력은 공

압-공압 비레밸브의 파일럿 압ⓐ로 기억하게 된다. 이 기억된 압력으로

인해 하중물의 무중력 핸들링이 이루어진다. 이때ⓐ의 압력은 언클램프

(Unclamp)시 안전여부의 확인 압력으로 이 제어 시스템은 인식하게 된

다.

무중력 제어회로에서의 공압 흐름도를 나타내면 Fig. 2-7과 같다.

- 19 -

Fig. 2-7 Flow of compressed air at clamp mode

ⓐ

P-P Valve

- 20 -

2.3.3 무중력 발란스(Balance)시 제어회로내의 동작 및 공압 흐름도

사용자가 무중력 핸들링 시스템에 하중물을 장착하고 클램프(Clamp)

동작을 수행하여 하중물의 무게에 해당하는 압력을 공압-공압 비례밸브

에 기억시키면 하중물은 무중력화된 상태가 된다. 이때 하중물을 핸들링

하기 위해 상승, 하강시킬 때 무중력 제어회로내의 공압흐름도를 나타내

면 Fig. 2-8, Fig. 2-9와 같다.

Fig. 2-8은 하중물을 상승시킬 때 공압 흐름도로서 사용자가 하중물

을 상승시키고자 할 때 무중력화된 하중물을 사용자의 손으로 상승시킬

때 호이스트 실린더에 장착된 엔코더(Encoder)를 통해 신호를 받아들여

솔레노이드 밸브(UP)를 작동하여 실린더 내로 공기를 공급한다. 그리고

원하는 위치에서 하중물을 정지시켰을 때 솔레노이드 밸브를 작동하여

공압은 더 이상 공급되지 않고 무중력 발란스가 이루어진다.

하중물을 하강시킬 때도 Fig. 2-9에서 보이듯이 사용자의 동작신호를

엔코더(Encoder)가 인식하여 솔레노이드 밸브를 작동하여 호이스트내의

공압을 대기로 방출시킨다. 무중력 발란스 구간에서 엔코더는 사용자으

작업방향을 정방향, 역방향으로 인식하여 솔레노이드 밸브를 동작하게

된다. 상승, 하강 작업을 마친 후 호이스트 실린더내의 압력과 공압-공

압 비례밸브의 파일럿압력은 공압-공압 비례밸브에 의해 압력의 평형을

맞춘다.

- 21 -

Fig. 2-8 Flow of compressed air at manual lifting

Encoder

- 22 -

Fig. 2-9 Flow of compressed air at manual lowering

- 23 -

2.3.4 언클램프(Unclamp)시 제어회로내의 동작 및 공압 흐름도

사용자가 하중물을 핸들링 작업을 마치고 또는 어떤 목표까지의 정

위치이동을 마치고 나서 작업을 마치고자 할 때 무중력 제어회로내의 공

압의 흐름을 나타낸 그림이 Fig. 2-10이다.

사용자가 무중력 핸들링 작업을 마치기 위해 언클램프를 작동하게 되

면 ⓑ밸브에 의해 공압 호이스트내의 공기가 대기 중으로 방출되고 하중

물의 무게를 기억하고 있는 공압-공압 비례밸브의 파일럿압력이 해제된

다. 그리고 공압 호이스트내의 잔압이 없게되면 시스템은 이를 인식하여

클램프 실린더의 언클램프 동작이 이루어진다. 또한 하중물이 완전히 이

탈되고 난 후에도 공압-공압 비례밸브의 파일럿 회로에는 클램프 부

(Clamp Part)와 와이어(Wire)의 무게에 대한 압력이 입력되어 이 부분의

무게에 대해서는 무중력이 이루어 지게된다.

- 24 -

Fig. 2-10 Flow of compressed air at unclamp mode

- 25 -

제 3 장 실험 및 결과

3.1 개요

2장에서 무중력 핸들링 시스템의 구조와 호이스트 실린더의 해석, 제

어회로 및 무중력 핸들링 작업시 공압의 흐름도를 알아보았다.

공압 호이스트의 무중력 핸들링 시스템 및 유압, 전기 호이스트 등

각종 호이스트는 하중물을 이송하는 속도, 원하는 위치까지의 정확한 위

치제어 및 시간은 작업능력을 결정짓는 중요한 요소이다.

본 논문에서 연구한 무중력 핸들링 시스템의 제어회로를 공압호이스트

에 적용하여 다음 실험의 실험결과를 구함으로 무중력 핸들링 시스템의

성능을 측정한다.

1) 무중력 핸들링 작업 시 사용자가 필요한 핸들링 힘의 측정

2) 무중력 핸들링 시스템이 하중물의 무게에 대한 핸들링 가능한 공압

-공압 비례밸브의 각 무게에 대한 파일럿 압력의 범위

3) 무중력 핸들링 작업 시에 필요한 핸들링 힘(Handling Force) 및 핸

들링 속도(Handling Speed)의 범위

- 26 -

3.2 실험 장치 및 실험 방법

3.2.1 실험 장치

1) 무중력 핸들링 시스템

공압 호이스트에 각종 공압밸브를 결합하여 무중력 핸들링 시스템 실

험장치를 꾸몄다. 하중이 핸들링 되는 동안 각종 센서(Sensor)와 데이터

획득을 위한 마이크로프로세서 보드(Microprocessor board) 및 데이터

획득장치를 통해 시스템의 압력 변화, 속도, 핸들링 힘(Handling force)

등이 기록된다. Fig. 3-1은 무중력 핸들링 시스템의 전체적인 모습이다.

Fig. 3-1 Weightless handling system

- 27 -

Fig. 3-2는 전체적인 실험 장치의 구성도를 나타낸다. 실린더는 산업현장

에서 사용중인 가반중량이 1600N인 공압 호이스트 실린더이다. 무중력 제

어회로에서는 각종 방향제어밸브 및 공압-공압 비례밸브(P-P Proportional

Valve)를 사용하 으며 이를 통해 무중력 핸들링 시스템의 작업이 이루어

진다. 공압-공압 비례밸브는 설정된 입력압에 따라 밸브의 개도를 그 개도

에 비례하는 유량을 유입 및 배기 시킨다. 또 방향제어 밸브기능을 가지 에

어 파일럿 밸브(Air pilot valve)를 사용하 으며 본 연구에서는 에어 파일

럿 밸브의 동작 속도에 비해 밸브자체의 시간지연이 미소하므로 에어 파일

럿 밸브의 동역학적 특성을 무시하 다.

엔코더는 호이스트 실린더에 부착되어 무중력 밸란스 작업시에 사용자

의 작업 방향을 인식하여 정방향, 역방향 각각에 대한 전기적인 신호를 솔

레노이드 밸브에 공급하여 솔레노이드 밸브를 작동한다. 그리고, 핸들링 작

업 시 핸들링 속도를 측정하기 위해 사용된다.

또, 무중력 제어회로내의 압력의 흐름도를 측정하여 시스템의 안정성을

측정하기 위하여 측정범위가 0∼10 bar인 공압센서를 사용하여 제어회로내

의 압력을 측정한다.

실험에 의해 측정된 모든 Data는 데이터 획득장치를 거쳐 컴퓨터로 입

력되게 된다.

- 28 -

Data AcquisitionSystem

Force Sensor

Pressure SensorA,B

Encoder

A

B

Data AcquisitionSystem

Force Sensor

Pressure SensorA,B

Encoder

A

B

Fig. 3-2 Schematic of weightless handling system

- 29 -

3.2.2 실험 방법

설계된 무중력 제어회로를 공압 호이스트 실린더에 적용한 무중력 핸

들링 시스템의 성능 및 안정성을 위한 실험은 핸들링 작업 시 사용자가

필요한 핸들링 힘 및 핸들링 속도, 그리고 이때의 호이스트 실린더 및

각 하중의 무게에 해당하는 공압-공압 비례밸브의 파일럿 압력을 조사

하 다.

하중을 호이스트 클램프 부(Clamp Part)에 장착하여 클램프 스위치

를 통해 하중물을 상승시킨다. 이때 하중물이 완전히 상승되었을 때 하

중물의 무게는 공압-공압 비례밸브의 파일럿압으로 기억하게 된다. 이때

부터 사용자는 조작스위치 없이 사용자의 손으로 직접 하중물을 상․하

조작하고 작업이 끝나면 언클램프 스위치를 동작함으로서 작업을 끝내게

된다. 회로의 안정성을 측정하기 위한 작업 과정중 회로의 압력측정은

공압 센서를 공압-공압 비례밸브의 파일럿 압력라인 그리고, 호이스트

실린더 내로 공급 및 배기 되는 압력을 측정하기 위해 호이스트 실린더

의 입력 라인에 설치하 다. 공압 센서를 통한 값들은 데이터획득장치를

통해 저장되게 된다. 또 무중력 핸들링 작업시 사용자의 핸들링 힘을 감

소시키기 위하여 엔코더를 사용하 다. 사용자의 상․하 작업방향에 따

라 엔코더는 정방향, 역방향의 방향을 인식하게 되고 이를 통해 전기적

인 신호를 솔레노이드 밸브로 보내게 된다. 엔코더의 동작을 마이크로

프로세서 보드가 잃어들이고 다시 솔레노이드 밸브에 보내게된다. 또 엔

코더는 핸들링시 사용자의 핸들링 속도도 측정하게 된다. 사용자가 핸들

링 작업시 핸들링 힘을 측정하기 위해 로드셀(Load Cell)을 사용하 다.

상․하 조작시 사용자의 핸들링 힘은 로드셀에 전달되어 이 때의 값을

측정 저장하게 된다.

- 30 -

Fig. 3-3은 무중력 핸들링 작업시 나타나는 각종 데이터를 획득의 시

스템 구성을 나타낸다.

Table 3-1은 데이터 획득을 위한 데이터 획득장치의 규격을 나타낸다.

Table 3-1 Specification of the data acquisition system

Item Specification

Input - Analog voltage signal (mV)

Output - ±10V analog output

Balancing - ±5mV

Dimension(W×H×D)(mm) - 412×215×238

Pneumatic Sensor

VelocitySensor

ForceSensor Terminal

BoardA/D Board Computer

Amplifier

MicroprocessorBoard

Fig. 3-3 The data acquisition system

- 31 -

3.3 실험 결과

3.3.1 기존의 무중력화 호이스트와의 핸들링 힘 비교

가반하중이 700N인 저하중급 공압 호이스트에 200N, 300N, 400N,

500N의 각각의 하중물을 무중력 제어회로를 통해 핸들링 힘의 측정을

통해 기존에 개발된 무중력화 호이스트와 본 논문에서 개발된 무중력 제

어회로의 성능을 비교해 본다.

Fig. 3-4는 각각의 하중물에 대한 핸들링 작업중 상승행정에 필요한

핸들링 힘을 나타내는 그래프로서 하중의 중량이 적을 때는 차이가 많이

나지 않으나 하중의 무게가 무거워질수록 핸들링 힘이 많이 드는 것을

볼 수 있다. 또 Fig. 3-5는 하강 행정시에 사용자가 필요한 핸들링 힘을

나타내는 그래프로서 하강시 에는 상승시보다 핸들링 하는 힘이 적게 드

는 것을 볼 수 있다. 본 연구에서는 상승 및 하강 시에 사용자의 작업방

향을 인식하여 공압 호이스트 실린더 내로 공압을 공급 및 배기 할 수

있으므로 사용자의 핸들링 힘이 적게드는 것을 볼 수 있다.

- 32 -

Weight of Material(N)200 300 400 500

Han

dlin

g Fo

rce(

N)

20

30

40

50

60

70

80

90

100

K.H.LeeWeightless Handling System

Weight of Metial(N)200 300 400 500

Han

dlin

g Fo

rce(

N)

0

20

40

60

80

100

120

140

160 K.H.LeeWeightless Handling System

Fig. 3-4 Comparison of handling force at each weight

in upward motion

Fig. 3-5 Comparison of handling force at each weight

in downward motion

- 33 -

3.3.2 하중의 변화에 따른 공압-공압 비례밸브의 파일럿 압력의 범위

무중력 핸들링 시스템에서 각각의 하중별 핸들링하기 위한 공압-공

압 비례밸브(P-P Proportional Valve)의 Pilot 압력을 나타내면 Fig. 3-6

과 같다.

가반하중이 1600N의 호이스트에 하중물이 300N일 때 무중력핸들링

시스템의 공압-공압 비례밸브의 파일럿압력은 최소 1.24bar∼ 1.27bar 범

위 내에 있어야 300N의 하중을 핸들링 할 수 있다. 그래프를 통해 하중

물의 무게가 무거워질수록 무중력 핸들링 시스템의 공압-공압 비례밸브

(P-P Proportional)의 압력범위가 증가하고, 핸들링 가능한 공압-공압 비

례밸브의 파일럿압력은 하중물의 무게가 무거워질수록 최소∼최대의 압

력차이가 많이 나는 것을 알 수 있다.

본 연구에서 사용된 공압 호이스트는 가반하중이 1600N인 호이스트

실린더이나 무중력 핸들링 실험에서는 1100N 까지 하중의 무게를 측정

하 다. 또한 Fig. 2-4에서 본 호이스트 실린더내의 각 압력별 핸들링

가능한 하중의 무게이고 Fig. 3-6은 무중력 핸들링 시스템에서 각각의

하중에 대한 핸들링이 가능한 파일럿 압력의 범위이다. 여기서 공압-공

압 밸브의 파일럿 압력이 곧 실린더내의 압력을 의미한다. 따라서 Fig.

3-6의 파일럿 압력의 범위가 Fig. 2-4에서의 호이스트 가능한 무게와 비

슷하게 나타났다.

- 34 -

Load(N)

200 400 600 800 1000 1200

Pres

sure

(bar

)

10

15

20

25

30

35

40

45

50Minimum PressureMaximum Pressure

Fig. 3-6 Pressure range available at each load

- 35 -

3.3.3 무중력 핸들링 시스템의 행정중 회로내의 압력 변화도

무중력 핸들링 시스템의 행정중 회로 내에 발생하는 압력의 변화를

Data 획득 실험장치를 이용하여 공압-공압 비레밸브의 파일럿압과 그에

따른 공압 호이스트내의 압력변화를 관찰해 본다. Fig. 3-13 ∼Fig. 3-17

에 하중의 각 무게별의 그에 따른 압력의 변화를 나타내었다.

각 그래프에서는 공압-공압 비례밸브의 파일럿 압력과 공압 호이스트

의 입력라인의 압력을 나타낸다. 그래프에서 보는 바와 같이 전체 행정

을 크게 세구간으로 나누었다. 하중물을 장착하여 클램프 스위치 동작을

통해 상승하는 과정을 클램프 구간, 하중물을 원하는 위치까지 조작하는

과정을 무중력 발란스 구간, 마지막으로 작업을 마치고 하중물을 제거하

는 구간을 언클램프 구간이라고 한다. 각 구간의 특징은 다음과 같다.

1) Clamp 구간

이 구간에서는 핸들링 하고자 하는 하중물의 무게가 무중력 제어회로

안에 기억이 된다. 사용자가 핸들링 동작을 위해 클램프 조작을 하면 그

순간에 자동적으로 하중의 무게가 회로내의 공압-공압 비례밸브의 파일

럿압으로 기억이 되어 하중을 핸들링 하는 동안에는 그 기억된 압력의

변화는 없다. 그러나 언클램프(Unclamp)했을 경우에는 자동적으로 하중

물의 무게에 대한 기억은 지워지고 하중을 제외한 클램프부분(Wire,

Hook)의 무게에 대한압력이 기억되어 나머지 부분에 대한 발란스가 이

루어진다. 또한 하중물의 무게가 무거워질수록 그래프에서 알 수 있듯이

클램프 구간이 길어진다. 이는 하중물이 무거울수록 그에 대한 압력 값

이 높아지기 때문에 하중물을 무중력 핸들링 하기 위한 일정압력까지 도

달하는데 걸리는 시간을 의미하기도 한다.

- 36 -

2) 무중력 핸들링 구간

이 구간에는 하중물의 무게가 이미 회로 내에 기억되어 있는 상태이

므로 하중의 무게 대부분을 시스템이 담당하고 사용자는 약간의 힘을 하

중에 가하여 하중을 핸들링 할 수 있다.

또한 본 연구에서는 사용자가 핸들링 하는 힘을 최소로 하기 위해

사용자의 작업 방향을 인식하기 위한 엔코더(Encoder)를 사용하 다. 마

이크로프로세서 보드를 통해 사용자의 방향을 인식하여 전기적인 신호를

전기 솔레노이드 밸브로 보내 공압을 실린더에 공급, 배기 하게된다. 이

때 무중력 제어회로는 닫혀 있는 상태이므로 이미 기억된 하중의 무게에

대한 압력은 변함이 없다. 이 구간에서의 특징적인 것은 공압-공압 비례

밸브의 파일럿압력은 변화가 없으나 공압 호이스트 실린더의 압력은

상․하 핸들링 작업을 수행할 때 변하는 것을 볼 수 있다.

3) Unclamp 구간

이 구간에서는 사용자가 하중물의 핸들링이 끝나고 언클램프하는 구

간으로서 사용자가 하중물의 핸들링이 끝난 후 언클램프 조작시 바로 작

동하지 않고 호이스트 실린더내의 잔여 압력이 완전히 배기된 후에 동작

한다. 이는 안전에 대한 고려로써 사용자가 갑자기 언클램프 하 을 경

우 호이스트 실린더내의 압력에 의해 하중물이 추락하는 것을 방지하기

위함이다.

각 하중에 대한 압력 변화는 Fig. 3-7 ∼Fig. 3-11 까지 나타내었다.

- 37 -

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86

Time(sec)

Pres

sure

(bar

)

Pilot PressureHoist Pressure

Clamp UnclampWeightless Balancing


- 38 -

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81

Time(sec)

Pres

sure

(bar

)




- 39 -

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89

Time(sec)

Pres

sure

(bar

)




- 40 -

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 97 103

Time(sec)

Pres

sure

(bar

)




- 41 -

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86

Time(sec)

Pres

sure

(bar

)



Fig.3-11 Pressure change for 1100N weight

- 42 -

3.3.4 무중력 핸들링 시스템의 행정중 핸들링 힘(Handling Force)변화

및 핸들링 속도(Handling Speed) 변화

무중력 핸들링 시스템에서 제어회로의 성능을 평가하는 요소 중에서

클램프(Clamp)동작을 통해 무중력 화된 하중물의 핸들링작업 시 필요한

핸들링 힘(Handling force)의 최소화 및 핸들링 속도(Handling speed),정

확한 위치제어가 중요하다. 본 연구에서는 사용자가 하중물을 핸들링 할

때의 힘을 최소화하기 위해 작업방향을 인식하여 솔레노이드 밸브를 통

해 사용자의 작업방향으로 압축공기를 공급 및 배기 하게된다. Fig.

3-12에서 Fig. 3-16에서는 무중력 핸들링 작업에 나타나는 핸들링 힘 및

핸들링 속도를 나타낸다. 이때 각 하중별 상승, 하강, 발란스 시간을 각

각 다르게 하여 실험하 다. 그림에서 보듯이 하중의 무게가 무거워질수

록 핸들링 힘이 많이 드는 것을 볼 수 있다. 이때 공압-공압 비례밸브의

파일럿압이 저하중물일 때 보다 커지기 때문에 핸들링 힘이 저하중일 때

보다 많이 든다. 사용자의 핸들링 힘을 감소시키기 위해 방향인식 엔코

더 및 솔레노이드 밸브를 사용함으로서 순간적인 힘으로 작업방향을 정

해줌으로서 작업방향인식을 위한 최초의 힘만으로도 핸들링이 가능하다.

그리고 핸들링 속도는 사용자의 작업 과정에 따라 달라 질 수 있고 핸

들링 작업시 공급 및 배기의 양을 조절함으로서도 달라질 수 있다.

- 43 -

Fig. 3-12는 300N의 하중을 무중력 핸들링 할 때 나타나는 핸들링

힘 및 핸들링 속도이다. 300N의 저하중물이기 대문에 핸들링동작에 필

요한 핸들링 힘은 적게 나타난다.

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86

Time(sec)

Han

dlin

g Fo

rce(

N)

-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86

Time(sec)

Han

dlin

g sp

eed(

mm

/sec

)


- 44 -

Fig. 3-13은 500N의 하중을 무중력 핸들링동작에 나타나는 핸들링

힘 및 핸들링 속도이다.

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81

Time(sec)

Han

dlin

g Fo

rce(

N)

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81

Time(sec)

Han

dlin

g sp

eed(

mm

/sec

)


- 45 -

Fig. 3-14는 700N의 하중을 무중력 핸들링동작에 나타나는 핸들링


-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86

Time(sec)

Han

dlin

g Fo

rce(

N)

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86

Time(sec)

Han

dlin

g sp

eed(

mm

/sec

)


- 46 -

Fig. 3-15는 900N의 하중을 무중력 핸들링동작에 나타나는 핸들링


-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 97 103

Time(sec)

Han

dlin

g Fo

rce(

N)

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 97 103

Time(sec)

Han

dlin

g sp

eed(

mm

/sec

)


- 47 -

Fig. 3-16은 1100N의 하중을 무중력 핸들링동작에 나타나는 핸들링


-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86

Time(sec)

Han

dlin

g Fo

rce(

N)

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86

Time(sec)

Han

dlin

g sp

eed(

mm

/sec

)


- 48 -

3.3.5 무중력 핸들링 시스템의 작업과정 시간선 분석

무중력 핸들링 시스템의 작업동작은 클램프(Clamp), 무중력 발란스,

언클램프(Unclamp)로 나뉘다. Fig. 3-17은 700N의 하중을 무중력 핸들

링 작업시 핸들링 과정전체를 시간선(Time chart)으로 분석해보았다. 핸

들링과정 순서를 보면 그림에서 보이듯이 작업을 위한 대기 시간, 그리

고 클램프 과정의 수행 시간, 상․하 발란스 시간, 언클램프 시간 등을

순서대로 볼 수 있다. 여기서 엔코더의 시간은 엔코더가 상․하 방향을

인식, 응답하는 시간으로 본 실험에서의 응답시간은 1초를 넘기지 않았

다. Fig. 3-17은 700N하중의 무게에 대해서만 나타내었고 다른 하중의

시간선은 호이스트 내의 압력 변화 그래프를 보면 알 수 있다. 시간선

분석 그래프도 무중력 회로내의 압력변화 그래프와 마찬가지로 하중의

무게가 무거워질수록 클램프 시간이 오래 걸린다.

- 49 -

Fig. 3-17 Example of time chart

- 50 -

3.4 실험결과의 고찰

이상의 실험결과로부터 솔레노이드 밸브 및 공압-공압 비례밸브(P-P

Proportional Valve)를 사용한 무중력 에어발란스 시스템은 사용자의 핸들

링 힘을 감소시키기 위해 엔코더를 사용하여 핸들링 힘은 기존의 시스템

보다 감소하 으나, 무중력 제어회로는 공압-공압 비례밸브의 파일럿 압

이 시스템의 성능을 좌우한다는 것을 알 수 있다. 우선 공압-공압 비례밸

브의 파일럿압은 무엇보다 하중물을 핸들링 할 때 사용자의 하중물 핸들

링 힘(Handling Force)에 향을 미친다.

시스템은 하중물의 무게에 해당하는 압력을 파일럿 압으로 입력하게

되는데 이때 하중물의 무게에 해당하는 압력보다 큰 압력이 입력되게 되

면 상승행정은 보다 수월하게 이루어지지만 하강행정은 많은 힘이 필요하

게 된다. 또한 하중물의 무게에 해당하는 압력보다 작은 압력이 입력되게

되면 하강행정은 보다 수월하게 이루어지지만 상승행정은 보다 많은 힘이

필요하게 된다. 엔코더 및 솔레노이드 밸브를 사용함에 있어서도 공압-공

압 비례밸브의 파일럿 압이 높을수록 하강의 방향을 인식하는데 힘이 많

이 든다.

각 무게에 대한 가장 최적의 공압-공압 비례밸브의 파일럿 압을 설정

하게 되면 상승행정, 하강행정 모두 어느 한쪽에 치우치지 않고 수월하게

하중물을 무중력화 하여 핸들링이 가능하며 사용자가 원하는 지점에 정

위치제어가 가능하게 된다.

이상의 실험 결과로서 무중력 에어발란스 실린더의 하중물을 핸들링

하는 속도 및 핸들링 힘은 여러 가지 요소에 의해 지배를 받는다. 사용자

의 핸들링 힘, 하중물의 무게, 공압-공압 비례밸브의 파일럿 압의 변화, 핸

들링 작업시의 솔레노이드 밸브를 통한 공압의 공급 양 등에 많은 향을

받는다. 핸들링 하중물의 무게가 증가할수록 시스템의 파일럿 압, 핸들링

힘등 각종지수는 상승하는 경향을 나타낸다.

- 51 -

제 4 장 결론 및 향후과제

4.1 결론

최근에 무중력 발란스 시스템이 연구되었으나 하중을 무중력 핸들링

하는데 사용자의 힘이 많이 들었다. 이를 보완하기 위해 본 연구에서 사

용하기 간편하고 하중물의 정 위치 제어가 가능하며 사용자의 최소의

힘으로 핸들링 할 수 잇는 무중력 핸들링 시스템을 설계하고 연구하 으

며 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 본 연구에서 개발된 공압 호이스트 무중력 핸들링 시스템 제어회

로를 공압 호이스트에 적용함으로 기존 무중력 회로에 비해 핸들링 힘이

감소되었다. 200N의 하중물을 상승 작업할 때 기존의 희로는 40N의 힘

이 필요하 으나 본 논문에서는 34N의 핸들링 힘이 들어 많이 차이가

나지 않았으나 하강 작업시는 기존의 95N인데 비해 본 실험을 통해

20N의 힘이 들어 핸들링 힘의 감소를 많이 향상시킨 것을 보 다.

(2) 본 연구에서 개발된 엔코더 및 솔레노이드 밸브를 사용한 무중력

제어회로를 사용함으로서 하중물을 핸들링 할 때 사용자의 방향인식을

위한 적은 힘만으로도 무중력 핸들링이 가능하므로 조작 스위치를 사용

하는 공압 호이스트의 단점인 정 위치제어 및 조작을 간편하게 하므로

작업의 능률을 향상시킬 수 있는 장점을 가진다는 것을 본 연구에서 보

다.

(3) 무중력 제어회로의 공압-공압 비례밸브의 파일럿 압력의 조정으로

다양한 무게의 하중을 핸들링 할 수 있기 때문에 하중물을 핸들링 하는

산업현장의 여러 분야에서 사용 가능하다.

- 52 -

4.2 향후 연구 과제

본 논문에서는 무중력 핸들링 시스템의 완벽한 무중력의 구현 및 상

승, 하강 시에 필요한 핸들링 힘(Handling Force)을 최소화하는 회로의

설계에 중점을 두었다. 그러나 이를 효과적으로 실용화하기 위해서는 다

음과 같은 추가 연구가 이루어져야 한다.

(1) 무중력 핸들링 시스템을 구현하기 위해 밸브의 사용이 많았다. 적

은 수의 밸브 및 전기적신호 없이 순수 공압 자체만으로 핸들링 힘이 적

게드는 무중력회로의 개발에 관한 연구가 필요하다.

(3) 하중물의 무게를 기억하기 위하여 클램프(clamp)스위치를 이용하

으나, 좀더 효과적인 시스템이 되기 위해서는 클램프(Clamp)스위치 없

이 사용자의 동작을 통해 회로자체에서 하중의 무게를 기억, 제어하는

연구가 필요하다.

- 53 -

참 고 문 헌

1. “유공압 제어”, FESTO Inc., 1997

2. "공기압 회로도 입문“, 기전연구사, 1992

3. 이강호, “압축공기를 이용한 무중력화 호이스트 개발에 관한 연구”,

창원대학교 석사학위 논문, 1999

4. 염 일, “자동 발란싱 매니퓰레이터에 관한 연구”, 한국과학기술연구

소,1988

5. "Air Balance & air Lifter", 동성산기 Inc., 1999

6. 박상덕, “산업용 로봇의 위치제어를 위한 비례제어 및 단속제어를 혼

합한 공기압 서보시스템의 개발”, 포항공과대학 석사학위 논문, 1990

7. C.R.Burrows, "Effect of position On the Stability of Pneumatic

Servomechanism", J. of mech Engg, Sci., Vol.11, No.6, 1969, p615-

p616

8. C.B.Sung and L.B.Taplin, "Aerospace Pneumatic Control System",

J.of Engg. for Ind., May 1963, p135-p150

9. “알고 싶은 에어트로닉스”, 기전연구사, 1995

10. J.L.Shearer, "Study of Pneumatic Process in the Continuous

Control of Motion with Compressed Air - I", Trans. of ASME, Feb.

1956, p233-p242

- 54 -

11. J.L.Shearer, "Study of Pneumatic Process in the Continuous

Control of Motion with Compressed Air - II", Trans. of ASME, Feb.

1956, p243 -p249

12. “공기압 시스템”, 성안당, 2000

13. “전기유압 제어기술”, 한국훼스토

14. “80C196KC를 이용한 마이크로프로세서”, 사이텍미디어, 2000

15. “http://www.smckorea.co.kr",(주)SMC 코리아 홈페이지

16. 엄태진, "누기 보상기능을 보유한 공압 제어 회로의 개발에 관한 연

구", 창원대학교 석사학위 논문, 2000

- 55 -

Abstract

A Study on the Development of a Weightless

Material handling System using Pneumatic hoist

by Sang Il, Bae

Dept. of Mechanical Design and Manufacturing

Graduate School, Changwon National University

Changwon, Korea

Recently the air-hoist system is applied to lift heavy cargo instead

of the electronic & hydraulic equipments for the merit of keeping low

noise, clean working environment and etc. while, it is difficult for the

operator to control it and reach to a wanted position because of the

control switch. A new weightless air-hoist lifting system is developed

in this research to compensate this disadvantage. Under the help of

the weightless control circuit one can lift the heavy cargo by hands

and the control switch can be eliminated.

In this circuit the proportional valve can auto record the pilot

pressure caused by the cargo weight so that the cargo can be lifted

by the operator very easily. For decreasing lifting force the encoder

- 56 -

& solenoid valve are applied to remember the working direction.

Further, the supplying and ventilation of the compressed air can also

help for this approach. The experimental result states that the lifting

force assisted by the developed air-hoist system is much small than

that of conventional system. And it also presents the pressure safety

of the control circuit. The developed system shows its accuracy and

high working efficiency in this study.

- 57 -

감사의

걸음마부터 시작한 본 논문이 결실을 맺을 수 있기까지 많은 질책과

격려를 해주시고, 그리고 새로운 안목을 가르쳐 주신 홍대선 교수님께

충심으로 감사 드립니다. 또한 미흡한 저의 논문을 심사해주시고 많은

부분의 조언을 해주신 정원지 교수님, 염만오 교수님께 감사드리며, 학부

과정 및 대학원 과정동안 보다 나은 삶의 길을 가르쳐 주신 신중호 교수

님, 이춘만 교수님, 최 휴 교수님, 조치룡 교수님, 유근종 교수님께 진심

으로 감사드립니다.

본 논문이 있기까지 항상 주위에서 지원과 격려를 아끼지 않고 도와

주신 박사과정 장세원 선배님, 윤호업 선배님, 전원대 선배님, 그리고 같

이 대학원생활을 한 김태형, 권병두, 배병태, 류미라, 기쁨과 어려움을 항

상 같이나눈 구병국, 박선균에게도 감사드립니다. 또한 김동욱, 송인성

및 석사 1년차 후배들께도 감사드리며, 특히 실험실에서 맡은 일을 열심

히 하며, 많은 도움을 준 석사 1년차 후배 박제민군과 학부장학생 장상

주군 에게 감사를 드립니다. 멀리 타향에서 이곳 이국까지 와서 함께 공

부하는 장유화, 황호님께 감사드리며 인생에 대해 많은 조언과 도움을

주신 박사과정 김부호 차장님과 김순철 선생님께도 진심으로 감사드립니

다. 멀리서 공부하고 돌아와 함께 생활한 예 수군과 힘들 때 함께 해준

B&D 가족 여러분께 감사드립니다.

오늘이 있기까지 묵묵하게 지켜 봐주시고 갖은 불평에도 저를 믿고

기다려주신 부모님께 감사드립니다. 나에게 변함없는 사랑으로 곁에 있

어주며, 지칠 때마다 위로해주던 박찬희양에게 이 결실을 나누고자 합니

다.

끝으로 학업의 길을 걷고 있는 기계설계공학과 후배들의 앞날에 축복

이 있기를 기원합니다.

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