롤 다이렉트 도킹 AGV의 포크 간격 로드셀은 센서 분해능보다 포크 안내면 마찰이 감지 성능을 결정한다. KR102171461B1「롤 다이렉트 도킹 자동 가이드 운송체」(출원인 (주)코윈테크, 출원·우선일 2020-05-22, 등록 2020-10-29)는 한 쌍의 포크 간격을 설정 간격으로 유지하는 간격유지부에, 포크 이동 시 발생하는 이동 압력을 감지하는 한 쌍의 X축 변위감지용 로드셀을 두는 구성을 청구한다. 포크에는 클램프 파지 압력을 감지하는 로드셀도 있다. 이 글은 포크 강성과 로드셀 신호 대 마찰 잡음의 비를 계산한다.
1. 문제 정의 — 로드셀은 무엇을 재고 있는가
명세서는 X축 로드셀이 “이동 압력 즉, 이동 속도에 따라 발생하는 압력”을 감지한다고 기재한다. 포크를 X축봉으로 밀 때 로드셀에 걸리는 힘에는 포크를 움직이는 데 필요한 마찰력이 항상 포함된다. 포크가 롤 코어에 닿아 생기는 반력은 그 위에 얹히는 작은 신호다. 그렇다면 마찰력이 신호보다 크면 로드셀은 접촉을 구분할 수 있는가.
2. 기구학적 분석 — 청구항 구성요소
| 요소 | 청구항 1 구성 | 기구 해석 |
|---|---|---|
| E1 | 바디 10 상면에서 수평 이동하는 한 쌍의 포크 21, 승강 가능한 롤 이재부 20 | 외팔 포크 2개 |
| E2 | 포크 상단의 클램프 30, 롤 코어 척킹 | 코어 파지부 |
| E3 | 간격유지부 40: 구동수단 41, X축봉 42, X축 변위감지용 로드셀 43 | 피니언-랙 구동 + 힘 감지 |
| E4 | 포크의 동작감지센서 211, 파지 압력 로드셀 212 | 승강 높이별 파지 압력 감지 |
| E5 | 주행부 50 | 수급 터렛으로 이동 |
명세서는 X축봉 일면에 피니언 411과 맞물리는 구성, 클램프바디에 코어 손상 방지용 완충패드 32, 바닥 평탄도에 대응하는 틸팅모듈 53을 기재한다. 롤 중량·치수 수치는 기재되어 있지 않다.
3. 계산 검증 — 포크 처짐과 신호 대 마찰비
설계 가정값(현장 계측 후 재확인 요망): 롤 질량 400 kg(포크 1개당 $P$ = 1,962 N), 포크 돌출 $L$ = 300 mm, 단면 60 × 40 mm, S45C(탄성계수 205,000 MPa, 항복 345 MPa).
$$\delta=\frac{P L^{3}}{3EI}=\frac{1{,}962\times 300^{3}}{3\times 205{,}000\times 320{,}000}=0.269\ \mathrm{mm}$$
$$\sigma=\frac{P L}{b h^{2}/6}=\frac{588{,}600}{16{,}000}=36.8\ \mathrm{MPa},\qquad SF_{1}=\frac{345}{36.8}=9.4$$
클램프 정렬 허용 오차를 0.5 mm로 두면(가정) 처짐 여유는 다음과 같다.
$$SF_{2}=\frac{0.5}{0.269}=1.86$$
포크 강성은 충분하다. 문제는 로드셀 쪽이다.
롤 하중을 실은 포크를 간격 방향으로 움직일 때 안내면 마찰력은 $F_\mu=\mu P$다.
| 안내 방식 | 마찰계수(가정) | 마찰력 | ±30% 변동 |
|---|---|---|---|
| 미끄럼 판(습동) | 0.15 | 294 N | ±88 N |
| LM 가이드(구름) | 0.01 | 19.6 N | ±5.9 N |
코어 접촉 감지 임계값을 50 N으로 두면(가정), 미끄럼 안내에서는 마찰 변동 ±88 N이 임계값보다 커서 접촉과 마찰을 구분할 수 없다. LM 가이드에서는 변동 ±5.9 N 대비 신호가 8.5배다. 로드셀 사양을 올리는 것보다 안내 방식을 바꾸는 것이 감지 성능을 결정한다.
4. Shop-notes
- 로드셀 영점은 적재 상태에서 잡는다. 무부하 영점은 롤 적재 후 마찰 증가분만큼 틀어진다. 적재 후 저속 이동 구간의 평균값을 기준선으로 두고 접촉 반력을 차분으로 판정한다.
- 가공성. 포크 안내면에 LM 가이드를 두 줄 설치하려면 설치면 평행도 0.02 mm가 필요하다. 바디 상판을 한 번의 셋업으로 평면 가공하고 기준측 가이드 턱을 함께 가공한다.
- 대안 기구 — 볼스크류 간격 구동. 피니언-랙 대신 볼스크류를 쓰면 백래시가 줄어 간격 정밀도가 오른다. 미채택 사유: 스크류 효율이 높아 역구동이 쉽고, 접촉 반력이 구동부로 새어 로드셀 경로가 흐려진다. 자체 체결이 필요하면 브레이크를 추가해야 한다.
- 안전. 포크 간격 조정부는 두 포크 사이 협착 구간이다. 간격 이동 중 롤 적재 영역 진입을 금지하는 인터록을 둔다.
5. 설계 반영 체크리스트
- 포크 강도 $SF_1$과 처짐 $SF_2$를 분리 검증했는가
- 적재 상태 안내면 마찰력과 그 변동폭을 산출했는가
- 접촉 감지 임계값이 마찰 변동폭보다 충분히 큰가
- 로드셀 영점 기준을 적재 상태로 설정했는가
- 포크 간격 조정부 협착 방호를 반영했는가
확인 필요 항목
- 롤 질량, 포크 치수, 안내 방식은 명세서 미기재다. 본문 수치는 전부 가정값이다.
- 청구항 1 문언과 명세서 인용 구절은 공보 원문(KIPRIS) 대조 후 재확인 요망.
한줄요약: 포크 간격 로드셀은 미끄럼 안내 마찰 변동 ±88 N에 묻히므로, 감지 성능은 센서가 아니라 LM 가이드 채택으로 확보해야 한다.
출처: KR102171461B1 「롤 다이렉트 도킹 자동 가이드 운송체」 청구항 1 및 명세서(간격유지부·완충패드·틸팅모듈 기재부).