콘크리트 자동고르기 기계 연구

콘크리트 자동고르기 기계에 대한 연구

요소실험과 시험모델 제작의 성능 확인

I. 콘크리트 표면고르기, 레벨조정 작업의 현황

현 작업의 문제점을 명확히 파악하기 위해 마무리작업 업체의 작업인부, 현장관리자 등으로부터 작업환경에서부터 작업자의 숙련도, 콘크리트의 물성 등에 관해 조사한 결과 
주요 문제점으로 다음과 같은 것들이 열거되었다.

① 표면고르기, 레벨조정 작업은 중노동 작업이다.

② 신규참여가 거의 없다.

③ 레벨 정밀도는 숙련공의 육감에 의지하는 수가 많다.

④ 정밀도 관리에 많은 인력이 소모된다.

⑤ 타설공과 막장공의 협조작업이므로 작업범위가 불분명하다.

II. 개발의 목표 및 요구성능

1. 개발 목표

① 작업환경의 개선

② 레벨 정밀도 등의 품질확보

③ 숙련공 부족에 대한 대책

④ 타설작업의 시스템화

2. 요구 성능

위의 개발목표를 달성하기 위한 기본요구 성능은 다음과 같이 설정하였다.

① 대상콘크리트의 슬럼프치는 12~22cm

② 여분의 콘크리트를 고르기 작업을 하지 않는 곳으로 이동운송

③ 고르기면은 평탄하고 매끄러워야 한다.

④ 고르기 정밀도는 ±3mm 이내

⑤ 자주식

⑥ 거푸집, 철근, 굳지 않는 콘크리트 위를 이동

⑦ 처리능력은 200m2/hr

III. 요소기술의 개발

요구하는 성능을 만족하기 위한 콘크리트 자동표면 고르기의 필요 불가결한 기본성능은 고르기 기능과 이동기능이다. 이들 기본기능 고르기 기능과 이동기능이다. 
이들 기본기능을 만족시키는 기술의 종래의 작업원에 의한 방법의 연장으로는 찾을 수가 없어 새로운 요소기술을 개발하게 되었다.

1. 마무리 기능

고르기에 있어

① 슬럼프는 12~22cm,

② 평탄하고 매끄러운 고르기,

③ 레벨정밀도는 ±3mm 이내

등의 요구하는 성능을 만족하는 방법으로서 Screw 방식, 긁음판 회전방식, Screw방삭의 3가지 안에 대해서 
레일주행식 고르기 장치 <그림1>를 사용하여 날개형상, 반송능력, 레벨정도, 기계부하 등에 대해 검토하였다.

 

(1) 날개형상에 의한 고르기 현황

(가)중앙집합형 Screw

중앙의 날개부분에서 콘크리트가 후방으로 튀어올라 고르기면에 띠상의 凸부를 남긴다.

(나)원호날개

콘크리트를 누르는 만큼 반송능력이 떨어지고 대체로 평탄한 레벨 정도가 불안정하다.

(다)경사날개

반송능력이 원호날개에 비해 크지만 Screw에 비하여 고르기면이 좋지 않다.

(라) 편송 screw

다른 형상에 비하여 운송능력, 고르기 상황도 양호하고 레벨 정밀도도 안정적이어서 콘크리트 고르기에 적절한 것으로 판명되었다.

(2) 편송 Screw의 레벨 정밀도

(가) 직경 100mm Screw는 콘크리트의 반송능력이 부족하고 평균 3회의 고르기가 필요하게 된다.

(나) 직경 200mm Screw는 축회전수 120rpm 이상, 고르기 속도 0.1m/sec 이하로 시공하면 1회의 고르기로 ±3mm 이내의 레벨 정밀도가 확보된다. 
또한 저슬럼프에서는 고르기 후의 콘크리트의 유동성이 적고 비교적 안정적이다 <표 2>

(3) 편송 Screw의 기계부하

(가) 고르기시의 축 코크는 Screw 지경과 여성 콘크리트 두께의 영향이 크고, 회전수와 고르기 속도에서는 그 영향이 작다.

(나) 직경 200mm Screw의 경우, 최대 토크는 2.4 kg.m 정도로 된다. <그림 2>

(다) 주행력은 직경 200mm Screw 쪽이 작고 여성 두께가 두꺼울수록 크다.

2. 이동기능

이동에 있어서는

① 현재의 거푸집 철근 및 굳지 않은 콘크리트 위를 이동

② 철근을 손상하지 않을 것.

③ 자주식 등의 요구 성능을 만족하는 이동방식으로서 주행방식, 보행방식, 활주방식의 3안에 대한기계중량, 이동 속도 등에 대해 검토하였다.

그 결과 차륜에 의한 주행방식을 채택하여 4륜 주행장치를 이용하여 배근 및 콘크리트에 대한 영향, 기계 부하, 주행성 등을 검토하였다. 
특히 차륜에 대해서는 차륜형상, 측하중, 주행속도 등에 대해 검토하였다.

(1) 배근의 영향

콘크리트 위를 주행하면 주행부분 근처는 일단 가라 앉았다가 통과 후에 원상회복 된다. 
철근위(D10-@200)에는 통과시에 약 40mm의 철근 침하가 나타자미나 통과 후에는 거의 회복된다. 
<그림 3> 그래서 표면의 상단근의 상태를 조사한 결과 부분적으로 철근의 5~10mm 침하한 것으로 나타났으나 배근상태는 흩어짐이 없이 양호하였다.

차륜의 종류에 있어서는 폭이 넓은 타이어가 안정하지만 고르기면을 손상시키고 폭이 좁은 차륜은 철근에의 영향이 크다. 
폭이 넓은 특수 Frame 차륜은 철근과 고르기면 모두 영향이 적은 것으로 나타났다.

(2) 기계부하

주행속도 0.25m/sec인 경우의 축 토크는 철근 위에서 75kg.m/축, 콘크리트 위에서 30~50kg.m/축 정도이다.

3. 고르기 및 주행조건

요소 기술의 검토 결과, 고르기에 있어서는 
날개 형태를 직경 200m의 편송(일방향) 스크류로 하고, 회전 수 120~150rmp, 고르기 속도 0.1m/sec, 여분의 콘크리트 두께 20mm 이하의 조건이면, 요구하는 
레벨 정밀도를 확보하는 것이 가능하였다. 
이동에 대해서는 폭이 넓은 특수 Frame 차륜이 거푸집, 철근, 콘크리트 위에서도 적당하며 배근에 악영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다.

<표 3> 차륜치수 (외경X폭)
 

single Tire	480 ×135(㎜)
Double Tire	480 × 270
Frame 차륜	530 × 400
Spoke 차륜	650 ×  50

IV. 시험제작 1호기의 개요

콘크리트 자동 고르기의 기본구상은 고르기부가 주행부의 외측에 위치하는 A안과 내측에 위치하는 B안이 있었다.

A안은 고르기부가 차륜의 외측에 있는 것으로 고르기면을 형성하면서 그대로 이동하지만 고르기부의 장치가 복잡하고 장치중량이 무거워진다. 
B안은 고르기면 위를 후륜이 주행하기 때문에 차륜의 흔적이 남게 되지만 기계적으로 안정되고 
수평. 레벨 제어가 용이하며 A안의 비해 중량이 가볍다.

<표 4> 구상안의 비교
 

	A안	B안
기    구	복잡	간단
안 정 도	불량	양호
제    어	약간곤란	용이
중    앙	무거움	가벼움
차륜흔적	없음	있음

A, B안에 대하여 시험설계로 조사한 결과, 본 개발에서는 차륜 흔적을 제거하는 장치를 추가하는 것으로하여 B안을 채택하였다.

1. 장치개요

2호기는 본체, 제어반, 조작반으로 되어 있으며, <그림 5>에 개요를 <표 5>에 제원을 나타내었다.

<표 5> 시험제작 1호기의 제원
 

형식		CFR - 200 TS
본체	치수 L×W×H	2,700 × 2,060 ×1,500(㎜)
	전중량	약 450㎏
	전원	5KVA(3Ph 200V 25A)
고르기부	방식	2조 편송 스크류 방식
	고르기속도	~ 0.25m/초
	고르기 면적	약 1.6㎡
주행부	방식	전륜구동ㆍ전륜조타
	주행속도	~0.4m/초
	차륜형식	특수 Frame 차륜
제   어		고르기부 수평 ㆍ레벨제어   자동 고르기 제어   자동 주행제어

본체는 약 1m의 스크류를 회전시켜 횡방향으로 콘크리트 표면을 평탄하게 하는 고르기부, 강제의 특수 Frame 차륜으로 도어있는 전륜구동, 전륜조정의 주행부, 고르기부 
횡방향 Rail의 수평 및 높이를 제어하는 수평, 레베 제어부로 구성된다. 
제어반은 고르기조건의 설정과 각종 기능의 자동제어를 행하며, 조작반은 광다중 전송방식으로 제어반에 접속되어 타설상황을 보면서 원격으로 조작된다.

운전 Mode는 「자동운전」,「레벨자동운전」,「수동운전」이 있다.

고르기의 기본동작은

① 고르기의 수평, 레벨 setting

② 스크류를 회전하여 횡방향으로 고르기

③ 고르기부를 들어 올려 원위치

④ 본체의 전진

등으로, ①에서 ④까지 순서대로 타설면을 batch식으로 고르기 한다. ①은 ②가 완료될 때까지 계속하고 ③,④는 동시에 작동한다.

자동제어 기능으로는 다음 3가지 항목이 있다.

(1) 고르기부 수평, 레벨 setting 제어

고르기부를 장치한 Frame에 경사제를 설치하여 XY방향의 기울기를 계측하는 것으로 3개의 실린더로 수평을 제어한다. 높이는 외부에서 발생하는 레이저광선을 수광기로 
검출하여 수평제어된 Frame을 1개의 실린더로 상하이동 시키면서 높이를 제어한다.

(2) 자동고르기 제어

수평, 높이의 setting이 이루어진 고르기부를 가이드레일을 따라서 후방에서 전방으로 이동시키면서 콘크리트를 고른다. 
스크류의 회전수, 고르기회수, 고르기부의 level 등을 조정한다. 한편, 고르기 제어 중에 수평, 레벨제어도 동시에 이루어 진다.

(3) 자동주행제어

고르기 제어가 완료되면 자동적으로 설정량까지 전진하여 다음 마무리 위치로 이동한다.

2. 성능확인

자동제어 시스템을 탑재한 실험기를 이용하여 성능 확인을 하였다. 
실험은 철근배근 (D10@200)위에 굳지 않은 콘크리트 (슬럼프 18cm)를 타설하고, 그 직후에 시험기로 고르기 작업을 하여 고르기면의 레벨 정밀도, 
사이클 타임 등에 대하여 검토하였다.

(1) 고르기면의 레벨정도

고르기면의 Lap을 약 30cm로 설정하고 연속하여 고르기를 했을 때 시작점에서 횡방향 끝단부근으로 갈수록 설정 레벨보다 높게 나타났다. <그림6>
이것은 전륜부근으로 반송된 여분의 콘크리트가 서서히 쌓여서 그것이 고르기 후에 남아서 고르기면으로 이동하기 때문이다.

(2) 고르기부의 레벨 setting의 제어성능

고르기부가 횡방향으로 이동할 때 휨과 진동에 의해 스크류의 레벨이 변동한다. 그래서 스크류의 축의 레벨변화를 측정하여 횡이동에 다른 레벨변화를 약 ±3mm 이내로 
제어 가능하였다.

(3) 고르기 작업의 사이클 타임

시스템 작동시의 최초 수평. 레벨 setting 시간은 27.5±4.2초이고, 2회 이후의 setting 시간은 7.2±2.0초로 단축된다. 한편 고르기 시간, 고르기부의 돌아오는 시간 및 이동시간은
대략 설정치에 가깝고 변동은 거의 없는 것으로 나타났다.

(4) 주행성

굳지 않은 콘크리트 위에서의 실제이동 거리는 Slip등의 영향을 받아 설정량의 약 85%(주행효율)되었다. Dry한 콘크리트 위에서는 약 95%가 된다. 
2륜 구동 2륜 조타에 의한 주행조작은 고르기의 방향과 진로변경 등의 미세한 조작이 어렵고 조정에 숙련을 필요로 한다.

(5) 차륜흔적의 처리

Frame 차륜의 주행흔적은 Slit형상으로 된다. 이 주행흔적은 진동판으로 표면을 가진시켜 깨끗하게 제거하는 동시에 평탄하게 고르기 한다. 
다만 굳지 않는 콘크리트의 경화상태에 따라 진동판의 가진력, 가진수를 변화시킬 수 있어야 한다.

3. 개선항목

성능확인 실험에 의해 제시된 개선항목

① 고르기부의 수평제어 정밀도의 향상

② 고르기 면적의 확대와 시공능률의 향상

③ 진동판의 구조와 제어방법 등이 있다.

V. 시험제작 2호기의 개요

1. 1호기에 대한 개선항목 및 대책

1호기의 성능확인 결과 몇 개의 개선항목이 밝혀졌다. 따라서 다음과 같은 대책을 강구하여 2호기를 제작하였다.

(1) 고르기부

수평제어 정밀도의 향상을 목적으로 실린더의 설치간격을 크게 하는 동시에 속도제어의 개선을 하였다. 또한 고르기면의 확대를 위해서는 
잉여콘크리트의 반송방향을 Open Space 측으로 변경하여 마무리면의 레벨 정밀도의 향상을 도모하였다. <그림 7>

(2) 주행부

작업조건을 고려하여 협소한 장소에서도 방향변환이 되고, 또한 병행으로 본체를 이동시킬 수 있도록 4륜구동, 4륜조타를 채택하여 조작성의 향상을 도모하였다.

(3) 주행흔적처리

진동판의 형상변경과 상하이동 기구를 추가하였다.

2. 장치개요

주요제원은 <표 6>, 개요는 <그림 8>과 같다. 1호에 비해 길이가 1,100mm 길고, 폭이 260mm 짧으며, 중량은 약 270kg 더 무겁고, 마무리 면적은 1.6배 증가하였다.

<표 6> 시험제작 2호기의 제원
 

형식		CFR - 200 TS
본체	치수 L×W×H	3,800 ×1,800 ×2,100(㎜)
	전중량	약 720㎏
	전원	5KVA(3Ph 200V 25A)
고르기부	방식	2조 편송 스크류 방식
	고르기속도	~ 0.25m/초
	고르기 면적	약 2.5㎡
주행부	방식	4륜구동ㆍ4륜조타
	주행모드	4WS/전방향(全方向)
	주행속도	~0.4m/초
	차륜형식	특수 Frame 차륜
	회전반경	2.75m
제   어		고르기부 수평 ㆍ레벨제어   자동 고르기 제어   자동 주행제어

자동주행제어로는 주행모드에 추가하여 4ws와 전방향 주행제어를 추가하였다. 
<그림9> 또한 주행 흔적 제거를 위해 진동판의 가진 및 상하운동을 주행상태에 맞추어서 자동제어시키기 위해 진동판 제어를 추가하였다.

3. 성능확인

슬럼프 18cm 콘크리트를 사용하여 10×15m의 범위로 고르기 실험을 하였다. 실험에서는 고르기부의 수평. 레벨제어 정밀도, 고르기 성능, 진동판에 의한 주행흔적 제거효과, 주행성, 사이클타임, 고르기 능률 등에 대해 검토하였다. 고르기면의 레벨 측정 개소는 10cm×20cm의 격자점(중앙점)으로 하였다.

시험제작기의 고르기 설정조건은 <표7> 과 같다.

<표 7> 고르기 조건

 

스크류 회전수	150rpm(50㎐)
주행속도	0.2m/초
고르기부Lap량	0.2m(주행거리1.4m)
고르기속도	0.1m/초
고르기 회수	2회

(1) 고르기부의 수평제어 정밀도

고르기부가 횡방향 이동중에 어느 정도 수평, 레벨변화를 하고 있는지를 측정하였다. 고르기부의 횡이동 바퀴자국을 살펴보면 
고르기 개시 위치에 비하여 종료위치가 약 2mm 높고 그 사이는 거의 직선으로 변화하고 있어 만족할 만한 것으로 되었다.

(2) 고르기 성능

가. 스크류에서의 고르기 정밀도

고르기 직후에 이동하기 전의 고르기면 레벨정밀도는 거의 설정치에 가까운 것으로 나타났다. <그림 10>

나. 본체의 기울기에 의한 영향

한쪽 차륜 밑에 나무토막을 설치하여 본체를 좌우로 약 3도 경사진 상태에서의 고르기 면의 레벨 정밀도는 고르기부의 수평, 레벨제어가 유효하게 작동하고 있어 거의 
설정치에 가까운 것으로 확인되었다. <그림 11>

다. 주행흔적 제거효과

차륜이 통과한 후의 흐트러진 면에 대하여 진동판으로 수정을 해서 원래 마무리면과 동등한 상태로 되었다. <그림 12>

라. 미장공과의 비교

미장공에 의한 고르기면 레벨을 4현장 약 240점(1m×1m)에 대해 측정한 결과와 비교하였다. 설정 레벨에 대하여 미장공의 경우 평균 +0.82mm, 
표준 편차 5.8mm 인 것에 비하여 자동 고르기기에서는 평균 -1.5mm 로서 약간 적었지만 표준편차는 2.8mm 로서 분산은 적었다. <그림 13>

(3) 주행성

주행속도 0.2m/sec 로 콘크리트 위를 주행하면 실제의 주행거리는 slip 등에 의해 설정치의 91~97%의 범위로서 평균은 95% 가 되었으며, 1호기의 88%에 비해 주행효율의 
향상되었다.

조작성에 대해서는 선회반경이 작고 본체의 평행이동이 가능하므로 주행성이 향상되어 주행조작도 용이하게 되었다.

(4) 사이클 타임

사이클 타임은 길이 L의 열을 마무리 하는데 초기 레벨 setting 에서부터 고르기 종료까지 걸리는 시간을 T로 표시한다. 
사이클 타임을 구성하는 시간으로는 레벨 setting, 고르기, 주행, 제자리 돌아오기 등의 각 동작시간으로 그 소요시간을 <표8>에 표시하였다.

초기의 레벨 setting 시간(T0) 은 시스템의 설치시에 고르기부의 높이에 따라 변동하지만 
그 이후의 고르기 개시까지의 레벨 setting 시간(T1)은 거의 일정하다. 고르기시간 (T2)은 횡이동 종료 후에 되돌아오는 시간도 포함한다. 
주행시간(T3)의 개시는 고르기부가 되돌아오는 동시에 이루어져 통상 사이클 타임에 영향이 없다. 
되돌아오는 시간 (T4)은 다음 열로의 이동시의 1m당의 시간으로서 조작방법에 따라 약간의 차이가 생긴다.

사이클 타임은 다음 식(1)에 의해 구한다.

T=T0+(2n-1)T1+2n·T2+T4·L ................... (1)

n: L(m)를 고르기 할 때의 이동 횟수 예를 들어 고르기 길이 10m의 경우 사이클 타임은 9분 34초가 된다.

 <표 8> 각 동작시간

기호	동작	소요시간
T0	초기레벨	33.3초
T1	레벨조정	7.5초
T2	고르기	21.6초
T3	주행	8.4초
T4	되돌아옴	8.3초

(5) 작업능률

작업능률은 고르기열의 길이 L에 따라 다르다. 작업조건을 <표 7>과 동일하게 하여 실험을 통해 얻은 사이클 타임 T(초)로부터 작업능률 A(m2/hr)를 식 (2)에서 구해 
<그림 14>에 표시하였다.

A = L×(1.6-r)×3,600/T(m2/hr) ...............(2)

r : 고르기 Lap 량

예를 들어 고르기 길이 10m의 경우 작업능률은 약 90m2/h 가 된다.

VI. 결론

콘크리트 고르기, 레벨조정 작업의 개선을 목적으로 자주식의 자동고르기의 개발을 시도하였다. 
본 개발에서는 고르기, 이동에 관한 요소 개발을 하고 그 성과를 취합한 시험제작기를 제작하여 현장 실험에 의해 성능 확인을 해서 실용화에 이르도록 하였다.

차후에는 현장시행을 통해 콘크리트 고르기, 레벨조정작업의 개선에 공헌하는 자동 고르기의 개발을 추진해야 한다.