고부하 모션 제어 응용 분야를 위해 설계하는 경우 빠른 속도, 높은 하중 처리 및 회복성 때문에 전통적으로 유압 실린더를 선택해 왔지만 지지대 인프라가 수반되어야 한다는 점이나 유체 처리 과정에서 발생하는 지저분함, 그리고 제한된 디지털 기능은 필요악으로 받아들여졌습니다. 그러나 최근의 기술 발전으로, 전기 선형 구동기 내부에 유압 기술을 집어넣을 경우 유압식 기계의 단점은 없애고 장점만 이용할 수 있게 되었습니다.
이러한 변화를 활용하는 대표적인 응용 분야는 농업용 다열 파종기의 파종 깊이를 최적화한 사례입니다. 콜로라도의 농업 기술 혁신 기업인 Graham Electric Planter는 Thomson의 전기-유압 구동기를 사용하는 솔루션을 개발했습니다. 그 결과 유압 실린더의 지저분함, 거슬림 또는 높은 관리 부담은 없으면서도 기존의 파종기에 실시간으로 상호작용하는 파종 깊이 제어 기능을 탑재할 수 있었습니다.
단순함을 유지하기
옥수수, 콩 및 기타 줄뿌림 작물을 재배하는 농부는 일반적으로 최대 수확량을 위해 씨앗을 얼마나 깊이 심어야 하는지 알고 있습니다. 하지만 밭, 줄마다 그리고 심지어 같은 줄 내에서도 토양 조건이 매일 바뀌기 때문에 일관된 파종 깊이를 유지하는 것은 어려운 일입니다. 예를 들어 씨앗을 너무 얕게 심으면 표면에 너무 가깝게 뿌리 내릴 수 있고, 너무 깊게 심으면 작물이 모습을 늦게 드러낼 수 있습니다.
오늘날 사용되는 대부분의 트랙터 견인식 파종 장비에는 고랑을 적절한 깊이로 유지하기 위해 종자 살포기에 아래로 힘을 가하는 기계식 스프링이 장착되어 있지만 변화하는 토양 조건에 적응할 수는 없습니다.
Graham의 관리 파트너인 Marty Graham은 "우리가 만난 많은 농부들은 새 파종기를 살 준비가 되어 있지는 않았지만, 그들이 사용하고 있는 스프링 장치보다 토양 변화에 더 잘 적응할 수 있는 무언가를 원했습니다."라고 말했습니다.
Graham은 기계식 스프링을 주변 환경에 실시간으로 적응하는 구동기로 대체하기 위한 작업에 착수했습니다. Graham은 단순함을 유지한다는 철학에 따라 구동기 솔루션에 최소한 다음과 같은 요소가 필요하다고 판단했습니다.
- 전체 요소를 탑재할 능력
- 충격 하중에 대한 저항력
- 최소한의 외부 인프라 요구 사항
- 깨끗한 작동과 낮은 관리 부담
- 무선 통합
전통적 유압 실린더는 처음 두 요구 사항을 충족했지만 Graham은 이를 선택지에서 제외했습니다.
Graham은 "유압 실린더는 지저분하고 곳곳에 이음새, 호스, 배선이 많기 때문에 피하고 싶었습니다."라고 말합니다. 그는 실린더 지지대 시스템을 사용할 경우 다른 기능을 처리하느라 이미 과부하가 걸려버린 유압 시스템에 더욱 부담을 지운다고 덧붙였습니다. 실린더 지지대 시스템은 또한 정교한 유체 전달용 인프라 장비를 필요로 하는데, 여기서 누출이 발생하여 환경이 오염될 가능성이 있습니다.
유압 실린더를 제외하자 전기 구동기가 눈에 들어왔지만 전기 구동기는 Graham이 필요로 하는 저항력을 갖고 있지 않았습니다.
Graham은 "밭을 지나가면서 흙이나 바위와 부딪히더라도 구동기가 약간의 여유를 가질 수 있어야 합니다. 일반적인 볼 스크류 기반 구동기를 사용하면 구동기가 휘어서 매번 교체해야 합니다."라고 말했습니다.
유압 시스템을 탑재한 전기 구동기
다른 선택지를 알아보던 Graham은 Thomson에서 복잡하고 부담스러운 유지 관리용 외부 인프라 없이도 해당 응용 분야에 필요한 내구성과 통신 기능을 보유한 내장형 유압유 챔버가 있는 전기 구동기를 제공한다는 사실을 알게 되었습니다.
Thomson H-Track 전기-유압 구동기의 장착 엔벨로프는 동급에서 크기가 가장 작고 구동기는 해당 공간 내에서 특허 받은 밸브 및 저장소 설계를 사용합니다. 부착된 모터는 구동기 내부 유체 흐름의 방향을 제어하고 셔틀 밸브로 연결된 분할 탱크는 배압 조절 기능을 갖춰 시스템에 저항력을 줍니다.
H-Track 구동기는 유압 실린더보다 적은 공간을 차지하며, 각 농작물 줄에 유체 공급선이 흐르도록 하기 위해 외부 유체 저장소를 사용할 필요가 없습니다.
H-Track 구동기의 하우징은 완전 밀봉되어 있고 어떤 날씨에도 사용 가능합니다. 또한 방진, 부식 방지 기능이 있고 순간 침수 대비 IP67 정적 등급 및 IP69K 고압 세척 테스트를 받았습니다. 구동기는 또한 최대 화씨 180°(섭씨 82°)까지의 유압유를 견딜 수 있습니다. 조립 과정에서 장치를 윤활 처리하므로 출고 후 조정이나 유지 보수가 필요하지 않으며 구동기의 수명 주기 동안 일관된 성능을 보장합니다.
Graham은 "H-Track을 대체할 제품은 찾을 수가 없었습니다. 핵심은 자급자족식 유압 챔버인데요. 다른 공급업체에서도 유압 챔버의 압력 조절 밸브의 기능을 수행하려고 노력하지만, Thomson이 제공하는 기능에 비하면 크게 떨어집니다."라고 말했습니다.
Graham Electric은 Thomson H-Track 전기-유압 선형 구동기로 소형 무선 전기 파종 깊이 관리 시스템을 구현하여, 운용 첫 해에 투자 금액을 회수할 수 있었습니다.
전자 깊이 제어 시스템의 작동
Graham의 깊이 제어 시스템은 토양에 씨를 심는 진공 구동 파종 디스크와 짝을 이룹니다. 일반적인 파종기는 하나의 깊이 제어 장치를 사용하여 한 움직임당 최소 24개 열을 파종하므로 각 열에 하나의 구동기가 필요합니다.
Graham은 농부가 사용할 응용 분야에 따라 깊이 제어 장치를 커스터마이징합니다. 일반적인 구성의 경우 게이지 휠이 파종 디스크 뒤의 파종 도랑에서 나아갑니다. 로드셀 센서가 게이지 휠의 깊이를 모니터링하여 그 값을 제어 소프트웨어에 무선으로 전송합니다. 알고리즘은 게이지 휠이 너무 높거나 낮게 가고 있는지 판단하고, 그에 따라 아래로 가하는 힘을 늘리거나 줄이도록 구동기에 신호를 보냅니다. Graham은 이렇게 말합니다. "압력이 너무 높다는 신호가 들어오면 H-Track 전기-유압 구동기가 바로 압력을 낮추고 전자 장치에 구동기를 재설정하라는 신호를 보내어 구동기가 결국 원래 위치로 돌아갑니다."
각 농부의 요구 사항에 따라 커스터마이징된 Graham Electric의 깊이 제어 시스템은 파종기의 제어 상태를 유지하기 위해 Thomson H-Track 구동기에 크게 의존합니다.
각 구동기는 두 개의 와이어만으로 구동기 뒤에 장착된 무선 회로 기판에 연결됩니다. 이 회로 기판 덕분에, 구동기가 깊이를 모니터링하는 위치 센서로부터 데이터를 수신할 수 있습니다. 또한 회로 기판을 이용하여 실시간 상태 업데이트를 제어 대시보드와 공유할 수 있으며, 이를 파종 작업의 전반적인 과정에 통합할 수 있습니다.
Graham의 깊이 제어 시스템을 사용하여 파종기 작업자는 왼쪽에 노란색 막대로 표시된 각 구동기의 압력 상태를 모니터하고 조정할 수 있습니다.
Graham은 "우리는 1.24인치에서 3.25인치 사이에서 변동하는 구동기 스트로크를 기준점으로 하며, 보통 플러스 또는 마이너스 1인치 움직입니다. 계단식 밭에 파종하거나 토양이 매우 무른 경우 0스트로크까지 끌어올릴 수 있습니다. 정말 단단한 땅이라면 끝까지 밀어야 할 수도 있지만, 구동기의 스트로크 전체를 사용해야 하는 경우는 정말 드뭅니다."라고 말했습니다.
구동기에서 발생시켜야 하는 가장 높은 압력은 일반적으로 파종 장비 자체의 무게인 250파운드보다 50~100파운드 더 높습니다. 이는 H-Track의 처리 가능 하중인 4,800파운드보다 훨씬 낮은 것입니다.
Graham은 기존 시스템을 최대한 유지하면서 새로운 시스템을 설치합니다. 배터리 역시 시스템에 이미 있는 12볼트 배터리를 사용하며, 추가적인 유체 처리 시스템이나 와이어도 필요하지 않습니다. 기계식 부품이 적기 때문에 깨지거나 새는 일이 적고 유지 보수가 까다롭지 않습니다. 전기 제어 장치를 통해 유압 배관 또는 기타 고가의 부품 없이도 깨끗하고 부드러운 선형 모션을 구현할 수 있습니다. H-Track의 구동기는 움직일 때에만 전력을 사용하기 때문에, H-Track은 완전한 유압 시스템보다 훨씬 적은 전력을 소모합니다.
Graham은 "무선 통신 기능 덕분에 하네스, 케이블 및 와이어가 필요하지 않습니다. 이로 인해 단순함에 대한 우리의 약속을 더욱 잘 지킬 수 있습니다."라고 말했습니다.
이익 받기
Graham은 스프링 장치에서 전자 파종 깊이 제어 시스템으로 변경하면 수확량이 최소 5% 향상될 것으로 추정했습니다. 그는 에이커당 옥수수 200부셀을 수확할 경우 생산량이 5~6부셀 증가할 것으로 예상합니다. 계산에 따르면 에이커당 18달러 즉 1,000에이커당 18,000달러의 이익이 생기며, 이는 시스템 운용 첫 해에 시스템 전환 비용보다 더 많은 이익을 얻을 수 있다는 뜻입니다. 이러한 이익은 매년 누적됩니다. 또한 Thomson H-Track의 무선 기능을 통한 비용 절감 효과와 단순함이 주는 이점, 그리고 더 높은 전매 가격도 따라옵니다.
Graham은 이렇게 덧붙입니다. "자급자족식 유압 챔버가 있는 H-Track은 우리의 모든 제품군의 근간이 되었습니다. H-Track을 도입하고 나서야 자체 설계를 마칠 수 있었으며, 현재까지 2년 동안 우리가 판매하고 있는 상용 제품으로 발전시킬 수 있었습니다. 전기-유압 구동기의 이점을 이용할 수 없었다면 우리의 제품군은 지금과 매우 달랐을 것입니다."
Graham의 팀은 현재 다른 파종 자동화 관련 문제를 해결하고 있습니다. 그 중 일부는 전기-유압 구동기와 관련된 문제이고, 일부는 기존의 전기 구동기에 무선 연결을 지원하는 일입니다.
농부들은 Graham의 깊이 제어 시스템 및 Thomson의 전기-유압 구동기(우측)를 통합한 다열 파종기(좌측)를 운영하여, 1년도 안 되는 기간에 향상된 수확량과 보상을 경험하고 있습니다.