철도차량 대차프레임 자동 평면 포지셔닝 기술 김정현 기자 입력 2024-03-14 (목) 09:53  작업시간 120분 → 20분으로 대폭 향상 자동화를 통한 정밀도·운행안전성 확보 높이를 자동으로 조절하여 오차를 0.5㎜ 이내로 평면 정밀도를 높인 철도차량 대차프레임 자동 포지셔닝 기술이 나왔다. 신기술은 4개의 자동 높이 조절장치에 대차프레임을 설치하고 4개의 기준점에서 레이저 센서를 이용하여 높이를 측정한다. 또한 서보모터와 제어시스템을 활용하여 높이를 자동으로 조절하고 오차 0.5㎜ 이내의 평면을 검사하여 그 결과를 통신시스템 모니터에 현시하는 철도차량 대차프레임 자동 포지셔닝 기술이다. 구체적으로 살펴보면 신기술은 정밀 정반, 자동 높이 조절 장치, 정밀 높이 측정 장치, 제어시스템, 통신모듈 및 모니터링시스템 등으로 구성되며 정반 위에 자동 높이 조절장치를 설치하고 레이저 센서를 이용하여 높이를 측정한다. 서보모터와 제어시스템을 활용하여 높이를 자동으로 조절하며 통신시스템을 이용하여 높이 조절 결과 및 평면 정밀도를 모니터링 할 수 있다. 신기술은 ▲기존 수동 높이 조절장치 대비 대차프레임 평면 정밀도를 기존 2㎜에서 0.5㎜로 향상시켰으며 ▲평면 정밀도 확보에 따른 대차프레임 가공, 조립 불량, 치수 오류 방지 ▲작업시간을 기존 120분에서 20분으로 대폭 단축하여 생산성 향상 ▲수동 작업 과정을 자동화하여 작업자의 안전사고 방지 및 피로도 저하 ▲대차 성능 및 수명 연장, 운행 안전성 향상 ▲기존 기술 대비 평면 포지셔닝 작업 원가 1/10로 감소 ▲기존 기술 대비 유지관리 비용 1/24로 감소를 통한 경제성을 확보했다. 한국철도기술연구원과 형제금속산업㈜가 개발한 철도차량 대차프레임 자동 평면 포지셔닝 기술은 이러한 기술력을 인정받아 교통신기술 제61호로 지정됐다. 보호기간은 2032년 1월 18일까지 8년이다. ■ 기술개발자 · 한국철도기술연구원 경기도 의왕시 철도박물관로 176 www.krri.re.kr · 형제금속산업㈜ 대구광역시 서구 문화로14길 6 www.hjiron.co.kr ■ 교통신기술 제61호 보호 기간 : 2024. 1. 19. ～ 2032. 01. 18.(8년)  철도차량 진동·소음·안전 결정하는 대차 및 대차프레임 철도차량의 대차는 차체를 지지하는 역할을 하며 차량의 주행과 추진, 제동의 기능을 담당한다. 또한 대차프레임에 부착된 현가장치는 차륜에서 발생하는 진동과 소음을 감소시키는 역할을 한다. 객실의 안락함과 승차감을 결정하는데 중요한 요소다. 아울러 대차는 궤도의 마모나 손상을 방지하는 역할도 담당한다. 때문에 철도인프라의 수명을 연장시키고 유지보수 주기를 증가시키는 효과가 있다. 이러한 대차가 제대로 역할을 하지 못할 경우에는 탈선과 충돌 등 치명적인 사고로 직결될 수 있다. 때문에 대차의 품질과 성능, 안전성 확보는 철도차량 제작의 핵심 목표라 할 수 있다. 대차프레임은 대차의 외형과 골조를 이루는 구조체다. 대차의 성능 및 안전성과 직결되는 구성품이라 할 수 있다. 대차프레임은 차체와 차축, 차륜과 연결되고 센터피봇, 현가장치, 제동장치 및 각종 배관 장치의 연결 모체가 되는 기본 구조체다. 수동 높이 조절 기존기술 120분 → 20분 대폭 향상 기존 기술은 대차프레임의 평면도를 유지하기 위해 수동 높이 조절 장치를 주로 사용했다. 수동 높이 조절 장치는 지그의 헤드를 수동 레버를 이용하여 회전시켜 나사의 이동만큼 높낮이를 조절하는 구조다. 때문에 대차프레임의 4점의 기준점에서 평면을 이루기 위해서는 수작업으로 높이 계측과 높낮이 조절을 반복적으로 시행착오를 거쳐 작업하게 된다. 이때 높이 조절 장치의 높이는 줄자에 의해 측정된다. 이처럼 기존기술은 수동으로 높이를 조절함에 따라 용량의 한계가 있고 작업자의 피로도를 높이며 시행착오에 따른 작업시간이 많이 소요되어 작업 효율이 저하되는 단점이 존재했다. 또한 기준점 4점에서 줄자에 의한 수동 높이 계측과 수동 높이 조절 작업으로 대차프레임 평면 정밀도가 저하될 수 밖에 없었다. 아울러 대차프레임을 지지하는 기준점 4점에서 수동 높이 조절을 할 때 한 점에서 높이가 급격하게 상승하거나 하강하게 되면 대차프레임이 균형을 잃게 되어 작업자가 낙상할 수 있어 작업자의 안전을 해칠 위험이 존재했다.  대차프레임 자동 포지셔닝 기술의 특징 이에 한국철도기술연구원과 형제금속산업㈜은 철도차량 대차프레임 자동 평면 포지셔닝 기술을 개발했다. 신기술의 장치별 핵심 기술은 크게 ▲자동 높이 조절 장치 ▲높이 조절을 위한 제어시스템 ▲대차프레임 자동 포지셔닝 기술 ▲3차원 레이저 트래커를 이용한 평면 확인 기술로 구분할 수 있다. 먼저 자동 높이 조절 장치는 레이저 센서를 이용한 높이 측정, 볼스크류를 이용한 지지 헤드 높낮이 조절, 서버모터를 이용한 볼스크류 정밀 회전을 통해 자동 높이를 조절한다. 높이 조절을 위한 제어시스템은 PLC를 이용한 지지헤드 높이 제어 알고리즘이 적용된다. 또한 MCU에서 서보모터 제어 및 파워, 입출력 통신 제어를 할 수 있으며 변위 측정 결과를 기초로 지지헤드의 이동량을 연산할 수 있다. 대차프레임 자동 포지셔닝 기술은 4개의 기준점에서 자동 높이 조절 장치 일괄 제어 및 인터페이스를 담당한다. 3차원 측정기를 이용하여 원점 좌표를 설정하고 레이저 센서를 이용하여 변위를 측정한다. 아울러 기준점 평면 확보 및 유지를 할 수 있으며 모니터에 의한 데이터 입력 및 결과를 현시한다. 이와 함께 자동 높이 조절 장치 헤드면의 초기 높이를 3차원 레이저 트래커를 이용하여 측정하고 기준점의 수평을 확인할 수 있다.  3D 레이저 트래커 이용…0.5㎜ 정밀 공차 가능 자동 평면 포지셔닝 시스템은 ▲3D 레이저 트래커 ▲서보모터를 이용한 높이 조절 장치 ▲레이저 센서를 이용한 높이 측정 장치 ▲PLC제어시스템 및 통신모듈 ▲모니터링 시스템 ▲정밀 정반으로 구성된다. 대차프레임 자동 평면 포지셔닝 시행 절차를 살펴보면 목표 평면도 입력, 기준점 높이 측정, 원점 기준점 설정, 원점과의 높이 차 계산, 높이 조절값 설정, 헤드의 높이 조절, 기준점 평면도 확인의 절차로 진행된다. 신기술을 활용하면 자동화 및 고정밀화 실현이 가능하다. 평면도의 대차프레임 품질을 향상시켜 공차를 기존 기술 2㎜에서 0.5㎜로 정밀 공차가 가능하다. 또한 작업과정을 자동화하여 생산성을 6배 향상시킬 수 있으며 작업 안정성을 강화할 수 있다. 작업효율 또한 증가하여 작업자의 피로도를 감소시키고 저숙련 초보자도 작업 활용이 가능하다. 아울러 공장 자동화와 정밀 조립에 의한 주행 안전성을 강화하여 철도차량 주행추진장치의 적용 효과를 강화할 수 있다. 신기술을 활용하면 기준점 4점에서 높이 측정 후 자동으로 평면도를 확보하기 때문에 단회 작업으로 평면도를 확보할 수 있어 기준점 4점 평면도 확보 소요시간을 기존기술 120분에서 신기술 20분으로 작업시간을 1/6으로 단축할 수 있다. 또한 신기술은 헤드의 수직도 검사, 바닥 고정 검사 등 유지보수가 불필요하여 기존기술 대비 유지관리비를 대폭 절감할 수 있다. 철도차량 언더프레임, 항공우주 발사체 조립 정밀도 적용 기대 국내 철도차량은 현대로템, 우진산전, 다원시스템 등 3사에 의해 제작되고 있다. 대차는 보통 차량당 2대가 소요된다. 국내에서 운행하고 있는 철도차량의 대차 수는 약 5만대며 연간 1만 7,000여대의 대차가 중수선을 실시하고 있다. 자동 평면 포지셔닝 기술은 철도차량 대차프레임 이외에 철도차량 언더프레임, 자동차의 차체 프레임, 에너지발전기 다이어프램, 공작기계 베드, 반도체 프레임, 항공우주 발사체 조립 등에 보급되어 조립 정밀도 향상 및 안전성 향상에 활용될 수 있다. 이러한 기술력을 바탕으로 철도기술연구원과 형제금속산업㈜이 개발한 철도차량 대차프레임 자동 평면 포지셔닝 기술은 앞으로 국내외 철도산업 현장에서 활발히 적용될 것으로 기대된다. 김정현 기자 |
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