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ISSN : 1229-3431(Print)
ISSN : 2287-3341(Online)
Journal of the Korean Society of Marine Environment and Safety Vol.21 No.2 pp.207-214
DOI : https://doi.org/10.7837/kosomes.2015.21.2.207

A Development of Ship Block Leveling System based on the Axiomatic Design

Jackyou Noh*, Nam-Won Lim**, Jung-Keun Oh***
*Department of Naval Architecture & Ocean Engineering, Kunsan National University, Gunsan 573-701, Korea
**Institute of Technology, JY Heavy Industry, Gunsan 573-540, Korea
***Department of Naval Architecture & Ocean Engineering, Kunsan National University, Gunsan 573-701, Korea

* First Author :snucurl@kunsan.ac.kr, 063-469-1855

Corresponding Author : jkoh@kunsan.ac.kr, 063-469-1857
April 3, 2015 April 20, 2015 April 27, 2015

Abstract

In this paper the independence axiom, one of two principal axioms of axiomatic design theory, is applied to the leveling system development as an design criteria. After functional requirements and corresponding design parameters constitute an initial design matrix for the leveling system, sequence, which is compatible with the independence axiom, of the design parameters of the design matrix is determined and independent components of block leveling system are revealed. As a result of axiomatic design, system configuration related to the design sequence is developed. In order to verify and validate the developed block leveling system, test with real hull block leveling work in site by using total station which is used to acquire three dimensional coordinate of target point is performed. Comparison with measured data and output data from the block leveling system shows the system accuracy is under 1 mm so that the developed system is verified and validated to be used in site.


공리적 설계 기반 선체 블록 레벨링 시스템 개발

노 재규*, 임 남원**, 오 정근***
*군산대학교 조선해양공학전공
**제이와이중공업 기술연구소
***군산대학교 조선해양공학전공

초록

본 연구에서는 공리적 설계 방법론에서 중요한 2가지 공리 중 독립공리를 시스템 개발에서 설계 기준으로 적용하였다. 기 능 요구사항과 대응하는 설계 파라메터는 설계행렬을 구성하고 이를 이용하여 독립공리에 부합하는 설계 파라메터의 순서를 정한 후 블록 레벨링 시스템에서의 독립적 구성요소를 판별하였다. 이러한 공리적 설계의 결과로서 설계 순서에 맞는 블록 레벨링 시스템 구성 을 도출하였다. 도출된 블록 레벨링 시스템 구성의 검증과 확인을 위해 블록 조립 현장에서 사용하고 있는 3차원 좌표 측정기인 토털 스테이션을 사용하여 실제 조립이 완료된 블록에 대하여 구현된 블록 레벨링 시스템을 적용하여 데이터를 비교하는 시험을 수행하였 다. 토털 스테이션의 측정 데이터와 블록 레벨링 시스템의 수신 데이터를 비교하여 1 mm 이내의 정밀도로 블록 레벨링 시스템이 동작 함을 검증하고 확인하였다.


    1.서 론

    선박의 선체는 블록으로 분할하고 제작하여 도크에서 탑 재 건조함으로써 완성된다. 도크의 크기는 조선소의 생산능 력에 영향을 미치는 주요한 요인이라고 할 수 있다. 도크는 조선소를 건설할 때 정해진 크기를 가지게 되므로 이 후에 조선소의 생산능력을 향상시키기 위해서는 블록의 탑재가 이루어지는 도크의 회전율이 조선소의 생산성의 주요한 기 준이 된다고 할 수 있다.

    블록제작업체는 조선소에 블록을 최종제품으로서 납품하 는 곳이므로 생산능력은 공장의 크기에 비례한다고 할 수 있다. 하지만 생산능력을 증대시키기 위하여 공장을 증설하 는 것은 많은 비용과 시간이 필요하므로 기존의 설비를 최 대한 이용하면서 생산능력을 향상 시킬 수 있는 방안을 마 련할 필요가 있다.

    블록제작업체는 조선소에 블록을 최종제품으로서 납품하 는 곳이므로 생산능력은 공장의 크기에 비례한다고 할 수 있다. 하지만 생산능력을 증대시키기 위하여 공장을 증설하 는 것은 많은 비용과 시간이 필요하므로 기존의 설비를 최 대한 이용하면서 생산능력을 향상 시킬 수 있는 방안을 마 련할 필요가 있다.

    블록제작업체의 입장에서는 블록을 제작할 수 있는 Fig. 1 과 같은 형태의 정반의 회전율이 생산성의 중요한 기준이 될 수 있다. 따라서 정반의 회전율을 향상 시킬 수 있도록 정반 위에서 이루어지는 블록조립 작업 공정 중 용접작업이 끝난 후 사상 작업과 정도 검사를 정반이 아닌 옥내 및 옥외 여유 공간에서 수행할 수 있다면 정반의 활용률을 높일 수 있다.

    이를 위해서는 정도 검사 작업을 위해 블록하부 지지부의 수평레벨을 맞추고 검사가 완료될 때 까지 지탱할 수 있는 시스템이 필요하다.

    새로운 시스템을 개발할 때는 경험에 기반하여 설계를 수 행하고 이를 구현하는 가장 기초적인 개발 방법과 다양한 설계 방법론을 기반으로 설계하고 구현하는 방법론들이 있 다. 이러한 다양한 설계 방법론 중 많이 사용되고 있는 방법 론으로 직교배열표 또는 실험계획법에 의한 최적설계 기법 (Kwon and Shin, 2011; Lee and Joo, 2002; Yun and Park, 2014), 특허에서 추출된 해결방법과 문제 유형에 따라서 많은 해결 도구를 제시해서 설계안을 도출할 가능성을 높여주는 트리 즈 방법(Choi et al., 2012; Ko et al., 2010; Lee and Han, 2003) 등을 들 수 있다. 그러나 직교배열표나 실험계획법에 의한 설계 기법은 설계 구성 요소의 특정 성질에 대하여 수치나 실제 실험을 수행하고 나온 결과를 분석하여 설계를 수행하 는 것으로 시스템의 전체적인 설계에서는 적합하지 않으며 트리즈 방법은 주로 문제가 발생했을 때 문제를 창의적으로 해결할 수 있는 아이디어를 제공하는 방법으로 설계를 보완 해 주는 역할을 하는 것으로 본 시스템 개발과 같이 시스템 전체를 개념적으로 설계하고 구현해 나감에 있어서는 적합 하다고 할 수 없다.

    본 연구에서는 상기 블록 레벨링 시스템을 개발함에 있어 상기 설계방법들과 달리 체계적이고 정형화된 형태의 설계 방법을 적용함으로써 시스템을 개발 할 때 개발 위험을 줄 이고 유지보수에 강점을 지닐 수 있는 공리적 설계 방법을 적용하여 시스템을 설계하고 개발하였다.

    이후에는 체계적 설계 방법인 공리적 설계에 대하여 설명 하고, 이를 이용하여 선체 블록 레벨링 시스템의 설계에 적 용한 사례와 개발된 시스템의 현장 적용 가능성에 대하여 검증하고자 한다.

    2.공리적 설계

    공리적 설계는 알려진 여러 설계 원리들의 공통점을 찾아 이를 일반적, 정형적인 설계 이론으로 만든 것이라고 할 수 있다. 공리는 반증이나 예외가 없는 기본적 진리로서 증명 되지는 않지만 반례가 발견될 경우 거짓이 된다는 것을 의 미한다. 공리가 가지는 역할은 설계자가 설계 과정에 체계 적인 기준을 제시하며, 창조가 무작위의 시행착오로 되는 낭비를 줄일 수 있게 하여 주는 것이다(Suh, 2001).

    공리적 설계에서는 설계가 달성하고자 하는 목적과 목적 을 달성하기 위하여 수행하는 방법사이의 상호작용으로 정 의 된다(Suh, 1990). 설계의 대상을 기능과 물리 영역으로 나 누어 각 각 기능 요구사항(Functional Requirements, FRs)과 설 계 파라미터(Design Parameters, DPs)로 구체화시켜 설계를 수 행한다.

    따라서 공리적 설계는 정형적으로 기능 요구사항을 만족 시키는 설계 파라미터를 적절히 선택하여 기능 요구사항과 설계 파라미터 들 간의 사상에 의해 인지된 요구사항을 만 족시키는 제품, 과정 및 시스템의 형태로 종합된 해를 창조 하는 것이라고 정의 할 수 있다(Noh, 2009).

    이러한 공리적 설계의 적용분야는 기구 장치와 같이 설계 를 위한 사상이 공학적, 수학적 관계식이 존재하는 경우의 정량적 설계공리의 적용과 시스템 설계와 같이 수학적, 공 학적 관계식으로 정식화 할 수 없는 경우의 정성적 설계공 리의 적용으로 나눌 수 있다. 본 연구에서는 시스템의 개발 에 있어 수학적, 공학적 정식화로 관계를 표현할 수 없으므 로 정성적 설계 공리의 적용 문제로 적용하였다.

    공리적 설계에서 사용하는 설계공리는 2가지가 있다. 첫 째, 기능 요구사항의 독립을 유지하는 독립공리와 둘째, 설 계의 정보량을 최소화하는 정보공리가 있다. 독립공리는 설 계 목적 달성을 위한 최소 기능 요구사항을 정의하고, 각 기 능 요구사항 간의 독립을 유지하며, 기능 요구사항에 대한 설계 파라미터의 사상에 따른 영향이 유일하게 표현될 수 있도록 독립을 유지하라는 것이다. 정보공리는 기능 요구사 항을 만족하는 설계 대안 중 최소의 정보량을 갖는 것이 좋 은 것이라는 의미이다. 본 연구에서는 정보공리의 적용은 물리적 구성요소의 개수 최소화에 적용하였다.

    독립된 기능 요구사항과 설계 파라미터 간의 사상 과정을 수학적으로 표현한 것이 설계방정식이다. 이러한 설계방정 식은 다음 식(1)과 같이 나타낼 수 있다.

    FR = A DP
    (1)

    여기서 {FR}{DP}는 기능 요구사항 벡터와 설계 파라 미터 벡터를 각각 나타내고, [A]는 설계행렬을 나타낸다. 설계행렬은 기능 요구사항과 설계 파라미터의 관계를 나타 내는 행렬로 정방행렬로 표현된다. 이러한 설계행렬은 3가 지의 형태로 나타나는데 대각행렬, 삼각행렬, 대각행렬 및 삼각행렬 이외 형태 행렬로 구분한다. 3가지 설계행렬의 형 태는 Fig. 2에 도시하였다.

    설계행렬이 대각행렬을 이루면 비연성설계로 각 설계 파 라미터가 대응하는 기능 요구사항을 독립적으로 만족시킬 수 있어 독립공리를 만족하게 된다. 삼각행렬인 경우에는 비연성화설계로 설계 파라미터를 결정하는 순서에 따라 기 능 요구사항을 독립적으로 만족시킬 수 있다. 비대각항이 영이 아닌 그 외의 형태에서는 연성설계로 독립공리를 위배 하게 된다. 따라서 설계 지향점은 설계행렬을 대각행렬로 만드는 것이며, 대각행렬로 만드는 것이 불가능하다면 삼각 행렬로 만들어 설계 파라미터 결정 순서에 따라 독립공리를 만족시킬 수 있도록 구성을 하여야 한다.

    3.선체블록 레벨링 시스템 설계

    3.1.개발 시스템 요구사항 정의

    시스템을 설계하기 위해서는 먼저 시스템의 이해당사자 정의 및 요구, 목적, 운용 등을 고려하여 시스템 요구사항이 결정되어야 한다(Noh, 2009). 선체블록 레벨링 시스템의 경우 이해당사자는 경영진, 설계자, 사용자를 고려할 수 있다. 본 연구에서는 이해당사자 중 경영진 및 설계자의 입장보다는 사용자의 입장을 고려하여야 현장에 적용가능하다고 판단 하여 사용자를 주 이해당사자로 정의하였다. 사용자는 혼자 사용할 수 있는 규모와 편의성을 요구하였다.

    시스템의 목적은 정반환경이 아닌 공장 환경에서 데크판 (deck plate)을 가지는 블록의 수평 레벨링을 맞춰주는 시스 템으로 정의하였다.

    운용환경은 옥내외를 구분하지 않고 한명의 작업자가 모 든 시스템 구성 장치 들을 이동 및 설치하고 블록 레벨링 작 업을 수행하는 환경으로 정의하였다.

    상기 정보를 이용하여 개발 시스템의 요구사항을 Table 1 과 같이 정의하였다. 요구사항은 크게 기계부와 제어부로 2 부분으로 나누었다. 기계부의 요구사항은 첫째, 소형화로 한 명의 작업자가 이동과 설치가 가능한 크기와 무게를 가지 고 있어야 함을 의미하며, 지지부는 적어도 4개 이상이 지지 점을 가지고 있어야 하며, 각 지지부는 적어도 100톤 이상의 무게를 버틸 수 있어야 하고, 레벨의 단차를 작업자가 확인 할 수 있도록 표시되어야 한다는 것이다. 제어부의 요구사 항은 레벨의 단차를 확인하면 시스템이 자동으로 레벨을 맞 추어 줄 수 있어야 함을 의미한다.

    3.2.개발 시스템 요구사항 분석

    개발 시스템에 필요한 기능을 도출하기 위하여 정의된 시 스템 요구사항을 관련 기술, 특허, 유사 연구에 관한 조사를 수행하였다. 또한 제약조건은 요구사항 중에서 비기능 요구 사항이나 변경이 발생하지 않는 요구사항 및 반드시 준수해 야할 사항인데 소형화를 제약조건으로 선정하였다. 그리고 요구사항 분석을 통하여 시스템 거동 시나리오는 다음과 같 이 정의하였다.

    먼저 한 명의 작업자는 정반이 아닌 블록 적치 공간으로 이동되어 있는 대상 블록의 하부로 4개의 지지부를 이동 시 킨다. 레벨값을 측정 할 수 있는 센서를 대상 블록의 데크판 하부에 설치한다. 수평이 맞는 레이저 조사 장치를 각 각의 레벨값 측정 센서에 조사한다. 측정 센서에서 검출한 값을 작업자에게 보여준다. 제어부는 센서 검출값을 이용하여 4 개의 지지부 중 레벨링에 필요한 지지부의 높이를 조절하여 대상 블록의 레벨을 맞춘다. 레벨링 완성되면 제어부는 높 이가 일정하게 유지되고 있는지 센서를 이용하여 피드백으 로 확인한다. 레벨링의 변동이 일정한 값 이상이 되면 작업 자에게 이상 상황을 알린다. 작업이 완료되면 지지부를 모 두 초기 높이로 낮추고 현장을 정리한다.

    이상의 요구사항 분석을 통하여 시스템 수준에서 필요한 기능을 정리하면 기계적지지 기능, 이동 및 고정 기능, 레벨 값 측정 기능, 자동높이조절 기능, 레벨유지 모니터링 기능 으로 정의할 수 있다.

    3.3.설계조합

    설계조합 단계에서는 시스템 수준의 필요 기능들을 이용 하여 기능 요구사항과 설계 파라미터의 사상관계를 독립공 리를 적용하여 도출함으로써 비연성화 설계행렬을 구하고 설계 파라미터의 결정 순서를 정하여 최종 시스템의 설계를 수행하였다.

    기능 요구사항과 설계 파리미터의 사상관계는 기능 요구 사항의 정의 후 대응 설계 파라미터를 정의하고 대응 설계 파라미터를 구현하기 위해 필요한 기능 요구사항을 하부 수 준에서 정의하는 지그재그 방식을 적용하여 수행하였다. 이 러한 지그재그 방식을 적용한 결과는 Fig. 3에 도시하였다. Fig. 3에서는 기능 요구사항과 설계 파라미터를 각각 FR과 DP로만 표시하였다.

    FR과 DP에 해당하는 상세한 기능 요구사항과 설계 파라 미터는 Fig. 4에 도시하였다. 최상위 FR은 블록 레벨링 기능 이며 FR1은 기계적지지 기능, FR2는 이동 및 고정 기능, FR3 는 레벨값 측정기능, FR4는 자동높이조절 기능, FR5는 레벨 유지 모니터링 기능으로 구성되어 있다. FR1은 다시 FR11과 FR12로 구성되는데 이는 각 각 높이조절기능과 지지기능으 로 이루어진다. FR3은 FR31, FR32, FR33으로 구성되는데 이 는 각 각 레벨 신호 송신 기능, 레벨 신호 수신 기능, 레벨값 표시기능으로 이루어진다. FR5는 FR51과 FR52로 구성되며 유지 거리 입력 및 해제 기능, 유지 거리 이탈 알람 기능으 로 이루어진다.

    가장 하단부 기능요구사항으로는 FR111, FR112, FR511, FR512로 구성되는데 작동멈춤 기능, 유압이송 기능, 유지 거 리 측정 기능, 측정 거리 처리 기능으로 각 각 이루어져 있다.

    이에 대응하는 DP로는 최상위 블록 레벨링 시스템을 시 작으로 하여 DP1부터 DP512까지 FR1부터 FR512에 해당하는 설계파라미터를 나타낸다. Fig. 4의 DP부분에 대한 예를 들 면 FR111의 작동멈춤 기능은 DP111의 스위치로 설계파라미 터가 대응되게 된다.

    블록 레벨링 기능을 최상위 기능 요구사항으로 두고 대응 하는 설계 파라미터로서 블록 레벨링 시스템을 정의하고, 블록 레벨링 시스템을 구성하기 위한 기능 요구사항으로서 기계적지지 기능, 이동 및 고정 기능, 레벨값 측정 기능, 자 동높이조절 기능, 레벨유지 모니터링 기능이 필요하다.

    하위 1단계 기능에 대응하는 설계 파라미터로서 하중지지 장치, 캐스터, 레벨값 측정시스템, 높이조절 제어기, 레벨유 지 모니터링 장치를 정의하였다. 하중지지 장치의 경우 높 이조절기능과 지지기능이 필요하며 대응하는 설계 파리미 터는 유압펌프시스템과 유압자켓으로 설계하였다. 유압펌프 시스템은 필요한 하부 기능으로 작동 및 멈춤기능과 유압이 송기능으로 정의하였고, 대응하는 설계 파라미터로는 스위 치와 유압펌프를 설계하였다.

    기능 요구사항과 설계 파라미터를 이용한 지그재그 사상 관계를 이용하여 설계행렬을 구하면 Fig. 5와 같이 나타낼 수 있다. Fig. 5의 (a)에서 보면 전체적으로 대각행렬에 가까 운 삼각행렬에 유사하지만 FR512인 측정 거리 처리 기능과 FR52인 유지 거리 이탈 알람 기능 및 해당하는 DP512 측정 값 처리 장치와 DP52인 알람장치의 관계에 의해서 삼각행렬 을 구성하지 못하고 있음을 알 수 있다. 이는 측정 거리 처 리 기능에서 레벨링 된 높이가 유지되지 못할 경우에 알람 장치에 신호를 보내어 알람을 작동시켜야 하므로 알람장치 의 사양이 정해져야 측정 거리 처리 기능에서 알람에 알맞 은 신호를 보낼 수 있기 때문이다.

    따라서 이를 해결하기 위하여 FR512와 FR52의 위치를 바 꾸고, DP512와 DP52의 위치를 교환하면 전체 설계행렬이 삼 각행렬을 이루게 되어 비연성화 설계행렬을 구성하여 설계 파라미터의 결정 순서만 지킨다면 독립공리를 만족하는 설 계를 수행할 수 있게 된다.

    이와 유사하게 FR12 지지기능과 FR112 유압이송기능 및 이에 대응하는 DP12 유압자켓과 DP112 유압펌프도 같은 이 유로 서로 위치를 교환함으로써 삼각행렬을 만들 수 있다.

    3.4.시스템 설계

    설계조합의 결과에 따라 블록 레벨링 시스템의 설계 파라 미터 결정 순서가 정해졌으므로 이에 따라 설계 파라미터에 해당하는 시스템 구성요소 개개에 대한 사양결정 및 설계도 면을 작성하였다.

    설계행렬에 따라 전혀 다른 기능이나 구성요소에 독립적 으로 구현할 수 있는 레벨 신호 송신기는 다른 구성요소의 개발에 전혀 무관하게 개발할 수 있음을 할 수 있다. 본 연 구에서는 레벨 신호 송신기는 자체 개발하지 않고 기성품 (COTS)을 도입하는 것으로 설계하였다. 사용한 레벨신호 송 신기는 자체 틸팅기능을 가지고 있어 삼각대위에 일정 수준 의 레벨만 맞으면 자체적으로 수평을 맞추고 수평레벨 레이 저를 송신한다.

    스위치는 자동높이 조절 장치에 앞서 정의 되어 자동 높 이 조절 장치에서 스위치를 사용할 수 있도록 하였다. 다만, 본 연구에서는 자동 높이 조절 장치 부분은 작업자가 수동 으로 판단하여 조작하는 방식으로 설계를 하였다. 하지만 이는 시스템의 기본적인 설계에는 영향을 끼치지 않는다.

    설계행렬에 따른 설계를 위하여 먼저 유압펌프, 유압자켓, 캐스터와 관련 부속품에 대한 설계를 먼저하였다. 이를 위 하여 오토캐드를 사용하여 Fig. 6과 같이 2차원 설계를 수행 한 다음 설계 검증 및 제작의 이해를 돕기 위하여 CATIA V5 를 이용한 3차원 모델링작업을 Fig. 7과 같이 수행하였다.

    블록 레벨링 시스템의 주요한 시스템 중의 하나인 높이 유지 모니터링 장치는 높이 측정 센서를 선정 후 이에 맞는 측정 거리 처리 및 알람 장치를 Fig. 8과 같이 설계하였다. 사용의 편의를 위하여 자석을 이용하여 탈부착이 가능하도 록 하였으며, 센서로부터의 전압 신호를 이용하여 거리를 모니터링 하도록 하였다. 세팅 버튼과 리셋 버튼으로 거리 를 확정 및 해제하고 전원, 세팅 상태, 리셋 상태를 LED로서 작업자가 확인할 수 있도록 하였다. 또한 알람용 경광등에 릴레이 출력으로 전원을 공급하여 레벨의 높이에 변화가 5 % 이상 생기면 알람과 경광등이 작동하도록 설계하였다. 이러 한 기능들은 주처리장치(MCU, Main Control Unit)에서 주변기 능들을 통합하여 관리하고 처리하도록 설계되어 있다.

    4.선체블록 레벨링 시스템 제작 및 시험

    공리적 설계 방법에 따라 완성된 설계에 기초하여 블록 레벨링 시스템을 실제로 제작하였다. 특히 설계순서에 있어 서 비연성화 행렬을 구성하게 되는 2개의 부분인 오일이송 기능과 지지 기능 부분 및 알람 기능과 측정 데이터 처리 기 능 부분의 설계 순서의 변화를 고려하여 실제 설계작업에서 바뀐 순서에 따라 설계를 수행하였다. 이는 오일이송 기능 을 담당하는 유압펌프와 지지 기능을 담당하는 유압자켓을 설계할 때 최대 지지 가능 유압자켓의 크기와 필요 용량 등 을 먼저 설계하고 이에 맞춰 유압펌프를 설계하였다. 최종 설계된 유압자켓, 유압펌프, 스위치 및 캐스터로 구성된 기 계부 대차는 Fig. 9와 나타나 것과 같이 제작을 하였으며 이 러한 설계 기법으로 인하여 부품의 선정 및 외주 제작 시에 오작없이 제작이 이루어 졌다.

    또한 필요한 알람장치의 필요전압, 작동방식 등의 사양을 먼 저 정하여 컨트롤 보드의 측정 거리 처리 시에 알람에 알맞은 신호를 보낼 수 있도록 컨트롤 보드 설계 및 펌웨어 코딩 파트 에 사전에 전달함으로써 구현에 있어 어려움이 전혀 없어 시스 템 구현을 통하여 공리적 설계를 통한 설계 순서의 결정과 이 에 따른 시스템 구현이 잘 작동하고 있음을 검증할 수 있었다.

    레벨 신호 송신기는 레이저 레벨기를 사용하기로 결정하 였으며 360도로 레벨 신호를 송신하기 위하여 회전하는 기 능을 갖춘 레이저 레벨기를 선정하였다. 레벨신호 수신기는 레이저 레벨기에서 송신하는 파장의 레이저를 수광할 수 있 는 장치이며 이 장치는 블록의 레벨링 정도가 1 mm 단위 이 내이어야 하므로 분해능이 1 mm 이내인 수신기로 결정하였 으며, 이 또한 기성품(COTS)을 사용하였다. 수신기는 측정범 위가 300 mm까지 측정가능한 영역을 가지고 있다. 구현된 레이저 레벨기와 수신기는 Fig. 11에 도시하였다.

    레벨 거리 유지 모니터링 장치는 설계된 구성도(Fig. 8)에 따라 Fig. 11의 가장 왼쪽 그림과 같이 회로를 설계하고, 설 계된 회로를 PCB 위에 그리는 artwork 작업을 수행하여 컨트 롤 보드용 PCB를 제작하고 컨트롤 보드용 PCB에 전자부품 을 실장 한 다음 케이스를 가공하여 조립하고 최종 작동 테 스트를 거쳐 완성하였다. 콘트롤 보드는 주제어장치(MCU) 로 ATmega128을 이용하여 시스템을 제어 하도록 하였으며 관련된 펌웨어를 C언어로 구현하여 동작하도록 하였다. 그 리고 고정된 레벨 높이를 모니터링하기 위한 센서는 블록 하부에 마그네틱으로 된 고정 장치에 와이어를 연결하여 변 위를 측정하는 celesco사의 PT101 센서를 사용하였다. 이 센 서는 75인치까지의 변위를 0~5V의 전압으로 변환하여 출력 을 내는 센서이다. 또한 변위가 5 % 이상 변하였을 때 알람 을 주면서 경고를 주는 경광등은 220V에서 동작하는 알람경 광등을 사용하였으며 Fig. 10에 나타난 바와 같이 센서와 알 람경광등 모두 사용의 편의를 위하여 마그네틱 베이스로 구 현하였다.

    개발된 블록 레벨링 시스템의 검증을 위하여 Fig. 12와 같이 현장에서 블록 하부에 개발 시스템을 설치하고 레벨링을 실제 로 맞추는 작업을 수행하였다. 레벨이 잘 맞는지는 판단하기 위하여 SOKKIA NET05-X 토탈스테이션 장비를 사용하여 블 록 지지점 근처에서의 3차원 좌표값을 측정하여 비교 하였다. 토탈스테이션 장비는 조선소에서 블록의 생산 정도를 관리할 때 사용하는 3차원 좌표 측정장비로서 SOKKIA NET05-X 모델 은 0.00001 m 측정 단위를 가지는 매우 정밀한 레이저 거리 측정 장비이다.

    시험 결과 개발된 블록 레벨링에서 읽혀진 값과 토탈스테이 션을 이용하여 측정한 값이 Table 2에 나타난 바와 같이 1 mm 단위까지 일치함을 확인하였다. 토털스테이션의 값은 소수 점 4자리 수에서 반올림을 한 값이다.

    본 연구로 개발된 블록 레벨링 시스템은 시스템 개발 시 사용자의 요구사항을 파악하여 이를 시스템 설계에 반영하 고 구현하기 위하여 공리적 설계 방법론을 적용하였다. 따 라서 사용자의 요구사항을 반영하는 것을 일관되게 적용할 수 있으나 사용자의 요구사항이 잘못된 내용일 경우에는 이 를 파악하기가 쉽지가 않다. 본 연구에서도 블록 레벨링 시 스템 구성을 4개 이상의 지지부로 구성하는 것이 요구사항 이나 현실적 제약사항으로 인해 4개로 시스템을 구성하다보 니 구현된 측정값이 4개의 지지부에서는 레벨이 맞으나 중 간 부분에 약간의 처짐 현상이 발행하였다. 추후에는 이러 한 처짐 현상을 고려하여 최소한 몇 개의 지지부가 필요한 지에 대한 연구가 진행되어야 하며 이에 영향을 미칠 수 있 는 인자에 대한 분석도 수행하여 개발된 시스템의 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있는 방안에 대해서도 후속연구가 필요하 다고 판단된다.

    5.결 론

    본 논문에서는 블록제작업체의 정반회전율 향상을 통하 여 생산성 향상을 도모할 수 있는 선체블록 레벨링 시스템 을 개발하였으며, 단순한 경험에 기인한 시스템 개발이 아 닌 공리적 설계 방법을 적용함으로써 체계적이고 정형적인 설계 원리를 적용하여 시스템을 개발 할 수 있음을 보여주 었다. 이로부터 다음의 결론을 얻을 수 있다.

    1. 선체블록 레벨링 시스템 개발함에 있어 공리적 설계 방법을 통하여 시스템의 요구사항을 정의하고 이를 기반으 로 하여 체계적인 시스템 설계가 이루어질 수 있음을 알 수 있다.

    2. 공리적 설계 방법을 수학적, 공학적 관계식이 존재하 지 않는 블록 레벨링 시스템 개발에 적용함으로써 시스템 구성요소의 설계에 있어 선후를 포함한 기능 및 설계 파라 미터의 결정 순서를 정할 수 있었다.

    3. 정형화된 설계 원리에 기반하여 결정된 설계순서에 따 른 설계와 이를 시스템으로 구현하는 과정에서 설계공리에 의해 결정된 설계순서에 따른 개발이 시스템 구현 시에 적 절하게 적용되어 문제없이 구현될 수 있음을 검증할 수 있 었다.

    4. 개발된 선체 블록 레벨링 시스템은 실제 현장에 적용 하여 사용할 수 있는 수준의 성능을 지니고 있음을 조선소 현장에서 사용하고 있는 정밀 측정 장비를 이용한 시험을 통하여 검증할 수 있었다.

    5. 향후 중앙부 처짐 현상을 고려한 시스템 성능 향상 방 안에 대한 분석을 수행하여 개발된 시스템의 신뢰성을 더욱 높일 수 있는 후속연구를 수행할 필요가 있다.

    Figure

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    Block Assembly on the jigs.

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    Three types of design matrix in the design equation.

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    Mapping relationship between FRs and DPs by using zigzag method.

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    Functional requirements and design parameters of the block leveling system.

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    Design matrix of the block leveling system.

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    Mechanical part design including hydraulic pump, jacket, switch and caster.

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    3D modeling of mechanical part for design verification using CATIA.

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    Configuration of level height monitoring device.

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    Carriage of hydraulic jacket, pump, switch and caster.

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    Rotating level laser emitter and laser receiver.

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    PCB, control board and case of level height monitoring device.

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    leveling validation test of developed block levlelig system using total station.

    Table

    System requirements definition

    Measured Level Data of Total Station and Block Leveling System(mm)

    Reference

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