2D 굴삭기 레벨 시스템은 어떻게 작동할까?

굴삭기 레벨기를 처음 접하는 분들과 이야기를 하다 보면 의외로 많이 받는 질문이 있습니다.

“굴삭기가 계속 움직이는데 어떻게 버킷 끝의 높이를 알 수 있나요?”

생각해보면 당연한 궁금증입니다.

굴삭기는 가만히 서 있는 장비가 아닙니다. 작업을 시작하면 붐이 올라가고 내려가고, 암이 앞뒤로 움직이고, 버킷도 계속 펴졌다 접혔다 합니다.

그런데 운전석의 태블릿에서는 이렇게 계속 움직이는 버킷의 위치를 계산해서 작업자에게 보여줍니다.

처음 보면 복잡해 보이지만 원리를 하나씩 나눠보면 생각보다 어렵지 않습니다.

2D 굴삭기 레벨 시스템의 기본 원리는 굴삭기의 각 부분이 현재 어느 각도로 움직이고 있는지를 센서로 확인하고, 미리 설정한 장비 제원과 버킷 정보를 이용해 최종적으로 버킷 끝의 위치를 계산하는 것입니다.

굴삭기는 여러 개의 관절이 연결된 구조다

굴삭기를 옆에서 보면 붐, 암, 버킷이 차례로 연결되어 있습니다.

그리고 각각의 연결부에는 큰 핀이 들어가 있습니다.

붐은 차체와 연결된 핀을 중심으로 움직이고, 암은 붐과 연결된 핀을 중심으로 움직입니다. 버킷 역시 암과 연결된 관절을 중심으로 회전합니다.

결국 굴삭기의 작업 장치는 여러 개의 관절이 연결되어 움직이는 구조라고 볼 수 있습니다.

문제는 각 관절이 움직일 때마다 버킷 끝의 위치도 계속 변한다는 것입니다.

붐을 조금만 올려도 버킷 높이가 달라지고, 암을 조금 당겨도 위치가 변합니다. 여기에 버킷까지 접거나 펼치면 실제 땅에 닿는 끝부분의 위치도 달라집니다.

그래서 2D 레벨 시스템에서는 각 부분의 움직임을 센서를 통해 확인합니다.

붐·암·버킷 센서가 움직임을 확인한다

굴삭기에는 붐, 암, 버킷의 움직임을 확인하기 위한 센서가 설치됩니다.

각 센서는 현재 장비가 어떤 자세를 하고 있는지 시스템이 판단할 수 있도록 정보를 보내줍니다.

그런데 센서를 장착했다고 바로 정확한 값을 얻을 수 있는 것은 아닙니다.

센서가 현재 읽고 있는 값의 기준이 어디인지 먼저 정해줘야 하기 때문입니다.

그래서 처음 굴삭기 레벨기를 설치할 때 센서의 초기 세팅을 진행합니다.

센서 초기 세팅에서 왜 0점을 잡을까?

제가 실제로 초기 세팅을 할 때는 수평과 수직을 확인할 수 있는 삼각대형 레이저 레벨기를 이용합니다.

붐의 경우 운전석 쪽 붐 시작 부분의 핀 센터와 붐·암이 만나는 관절부의 핀 센터를 수평으로 맞춥니다.

두 핀의 센터가 정확하게 수평이 되면 시동을 끕니다.

시동을 끄는 이유는 엔진에서 발생하는 미세한 진동을 없앤 상태에서 센서를 보정하기 위해서입니다.

그 상태에서 붐 센서의 기준값을 0으로 잡습니다.

암 센서도 기본적인 원리는 같습니다.

암에서 기준이 되는 핀과 핀의 센터를 수직으로 맞춘 뒤 시동을 끄고 암 센서를 보정합니다.

버킷 센서 역시 정해진 핀 센터를 기준으로 수평 상태를 만든 뒤 같은 방법으로 0점을 잡습니다.

쉽게 표현하면 센서에게 “지금 이 자세가 기준이다”라고 알려주는 과정입니다.

처음 기준이 정확해야 이후 붐과 암, 버킷이 움직였을 때 시스템에서도 그 움직임을 제대로 계산할 수 있습니다.

센서만 정확하다고 버킷 위치를 알 수 있는 것은 아니다

센서가 굴삭기의 움직임을 정확하게 읽는다고 해도 그것만으로 버킷 끝의 위치를 계산할 수 있는 것은 아닙니다.

굴삭기마다 크기와 구조가 다르기 때문입니다.

같은 각도로 붐이 움직였다고 해도 붐 길이가 짧은 굴삭기와 긴 굴삭기의 끝 위치는 같지 않습니다.

암 역시 마찬가지입니다.

그래서 2D 굴삭기 레벨 시스템에는 현재 설치하는 굴삭기에 맞는 장비 제원값이 필요합니다.

붐과 암의 길이, 각 관절 사이의 거리 등 시스템이 위치 계산에 필요한 정보를 입력하고 실제 장비와 맞는지 확인하게 됩니다.

센서가 “지금 어느 정도 움직였다”는 정보를 알려준다면 장비 제원은 “그 부분의 실제 길이가 얼마다”라는 정보를 알려주는 셈입니다.

이 두 정보가 함께 있어야 실제 위치를 계산할 수 있습니다.

그런데 오래된 굴삭기는 제원값만 넣는다고 끝나지 않을 때가 있다

여기까지 설명하면 굴삭기 제원표에 있는 값을 정확하게 입력하기만 하면 모든 것이 딱 맞을 것처럼 생각할 수 있습니다.

하지만 실제 현장에서 세팅을 하다 보면 꼭 그렇지만은 않습니다.

특히 출고된 지 오래된 장비를 만나면 가지고 있는 제원값을 기준으로 정확하게 설정했는데도 실제 장비의 움직임과 센서에서 확인되는 값이 잘 맞지 않는 경우가 있습니다.

이럴 때가 설치하는 사람 입장에서는 시간이 꽤 많이 걸립니다.

제원표에 있는 숫자만 계속 확인한다고 해결되는 문제가 아니기 때문입니다.

결국 눈앞에 있는 실제 굴삭기가 어떻게 움직이고 있는지를 직접 확인하면서 보정해야 합니다.

디지털 각도기를 센서 위에 올려 실제 움직임을 확인한다

이런 경우 제가 현장에서 사용하는 방법 중 하나가 디지털 각도기를 이용해 실제 각도 변화를 비교하는 것입니다.

센서 위에 디지털 각도기를 올려놓고 굴삭기를 천천히 움직여봅니다.

여기서 중요한 것은 장비를 빠르게 움직이는 것이 아니라 아주 천천히 움직이면서 각도가 어떻게 변하는지 확인하는 것입니다.

굴삭기가 움직이면 디지털 각도기의 숫자도 변하고 센서가 인식하는 각도값도 변합니다.

이 두 값의 변화가 서로 제대로 따라가는지를 비교해봅니다.

예를 들어 실제 디지털 각도기에서는 일정한 각도만큼 움직였는데 센서에서 읽어오는 각도 변화가 그와 맞지 않는다면 그 차이를 확인해야 합니다.

한 위치에서 한 번 확인하고 끝내는 것도 아닙니다.

장비를 천천히 움직이면서 여러 자세에서 실제 각도와 센서의 변화를 확인하고 차이가 있다면 관련 값을 보정해 다시 확인합니다.

솔직히 이런 장비를 만나면 시간이 오래 걸립니다.

제원값을 입력하고 기준만 잡았는데 바로 정확하게 맞아주면 작업하는 입장에서도 편합니다.

하지만 오래된 장비 중에는 실제 움직임을 하나씩 확인하면서 맞춰야 하는 경우가 있기 때문에 생각했던 것보다 세팅 시간이 길어지기도 합니다.

시간이 오래 걸려도 실제 움직임을 확인해야 하는 이유

그렇다고 시간이 오래 걸린다고 이 과정을 대충 넘어갈 수는 없습니다.

2D 굴삭기 레벨 시스템은 센서에서 들어오는 각도와 장비 제원 등을 이용해 최종적인 버킷 위치를 계산합니다.

그런데 실제 굴삭기가 움직이는 각도와 센서에서 인식하는 변화에 차이가 있다면 그 차이는 결국 버킷 끝의 위치를 계산할 때도 영향을 줄 수 있습니다.

그래서 시간이 걸리더라도 디지털 각도기로 실제 움직임을 확인하고 센서의 각도 변화와 비교하면서 하나씩 맞춰주는 과정이 필요할 때가 있습니다.

저도 이런 작업을 하다 보면 굴삭기 레벨기 설치가 단순히 센서를 부착하고 태블릿에 숫자 몇 개 입력하면 끝나는 작업이 아니라는 것을 다시 느끼게 됩니다.

같은 모델의 굴삭기라도 현재 장비의 상태까지 완전히 같다고 볼 수는 없습니다.

결국 마지막에는 제원표의 숫자만 보는 것이 아니라 지금 눈앞에 있는 실제 굴삭기의 움직임을 확인하는 과정이 중요합니다.

마지막에는 실제 버킷 정보까지 필요하다

붐과 암의 위치를 정확하게 계산했다고 해도 아직 한 단계가 남아 있습니다.

실제로 땅에 닿는 부분은 버킷이기 때문입니다.

버킷 역시 크기와 형태가 모두 같지 않습니다.

그리고 같은 버킷을 계속 사용하더라도 작업하면서 끝부분이 조금씩 마모됩니다.

그래서 실제 사용하는 버킷의 정보를 시스템에 설정하는 버킷 세팅이 필요합니다.

제가 사용하는 시스템에서는 버킷의 필요한 길이를 직접 자로 실측해 태블릿에 입력하고, 이후 버킷을 여러 각도로 움직여 실제 버킷 끝의 위치와 태블릿의 계산값이 맞는지 확인하면서 보정합니다.

센서 초기 세팅과 굴삭기 제원이 아무리 정확해도 마지막 작업점인 버킷 끝의 실제 위치가 시스템 설정과 다르면 최종 작업값에도 오차가 생길 수 있기 때문입니다.

버킷을 움직여도 같은 위치를 계산할 수 있는 이유

버킷 세팅을 할 때 실제로 확인하는 방법을 생각해보면 2D 시스템의 원리를 이해하기 쉽습니다.

버킷을 완전히 펼친 상태에서 특정 위치를 기준으로 0점을 잡은 다음, 약 45도 정도 접어서 다시 같은 위치에 버킷 끝을 가져갑니다.

그다음 버킷을 더 안쪽으로 접어 수평에 가까운 상태에서도 같은 위치를 확인합니다.

세 번 모두 버킷의 자세는 다릅니다.

하지만 실제 버킷 끝이 정확하게 같은 곳에 있다면 시스템에서도 같은 위치로 계산되어야 합니다.

이것이 가능한 이유가 바로 센서가 각 관절의 움직임을 확인하고 시스템이 장비 제원과 버킷 설정값을 이용해 최종적인 버킷 끝의 위치를 계속 계산하기 때문입니다.

반대로 버킷의 각도에 따라 같은 위치에서 값이 달라진다면 버킷 설정이나 센서값 등 어느 부분에 차이가 있는지 확인해볼 필요가 있습니다.

레이저 방식에서는 현장의 기준 높이도 필요하다

지금까지 설명한 것은 굴삭기 자체의 움직임을 계산하는 과정입니다.

그런데 실제 작업자에게 필요한 것은 단순히 버킷이 어느 정도 움직였다는 정보가 아닙니다.

목표 작업 높이보다 현재 버킷 끝이 얼마나 높거나 낮은지를 알아야 합니다.

레이저 방식에서는 회전형 레이저 레벨기를 이용해 현장에 기준 높이를 만들 수 있습니다.

그리고 굴삭기에 설치된 수광기가 이 레이저 신호를 받아 시스템에 현장의 기준을 연결합니다.

수광기의 위치 자체가 버킷 끝의 위치를 의미하는 것은 아닙니다.

수광기는 현장의 기준을 받아들이는 역할을 하고, 굴삭기의 센서 정보와 장비 제원, 버킷 설정 등을 이용해 실제 버킷 끝의 작업 위치를 계산하게 됩니다.

여러 정보가 합쳐져 태블릿의 숫자가 된다

2D 굴삭기 레벨 시스템을 처음 보면 센서도 여러 개이고 수광기도 있고 태블릿도 있어서 상당히 복잡해 보입니다.

하지만 역할을 하나씩 나눠보면 이해하기가 쉬워집니다.

붐·암·버킷 센서는 굴삭기가 현재 어떤 자세인지 확인합니다.

굴삭기 제원은 각 관절 사이의 실제 길이를 시스템에 알려줍니다.

버킷 세팅은 실제 작업점인 버킷 끝의 위치를 계산하는 데 필요한 정보를 제공합니다.

그리고 레이저 방식을 사용한다면 레이저와 수광기가 현장의 높이 기준을 연결해줍니다.

시스템은 이런 정보를 종합해서 작업자가 태블릿에서 확인할 수 있는 값으로 보여줍니다.

우리가 운전석에서 보는 숫자 하나 뒤에 생각보다 많은 기준과 계산이 들어가 있는 셈입니다.

처음 기준이 틀리면 마지막 값에도 영향을 준다

제가 굴삭기 레벨기를 설명할 때 초기 세팅을 계속 강조하는 이유도 여기에 있습니다.

시스템은 사람이 설정한 기준과 센서에서 들어오는 정보를 가지고 계산합니다.

그런데 처음 기준 자체가 실제 장비와 다르다면 계산 결과도 실제 위치와 차이가 생길 수 있습니다.

붐이나 암 센서의 0점이 틀렸거나, 장비 제원이 실제와 맞지 않거나, 현재 버킷 길이가 설정값과 다르다면 최종적으로 계산되는 버킷 끝 위치에도 영향을 줄 수 있습니다.

그래서 굴삭기 레벨기의 정확도는 센서 하나가 좋다고 결정되는 것도 아니고 태블릿에 숫자가 잘 나온다고 끝나는 것도 아닙니다.

센서의 기준, 실제 굴삭기의 움직임, 장비 제원, 현재 버킷 상태 그리고 현장의 기준이 서로 맞아야 합니다.

2D 레벨기는 계산하고 작업자는 판단한다

2D 굴삭기 레벨 시스템이 하는 일은 굴삭기의 움직임을 계산해 작업자에게 필요한 정보를 보여주는 것입니다.

굴삭기를 자동으로 움직여주는 장비는 아닙니다.

실제 굴착은 운전자가 합니다.

작업자는 태블릿에서 현재 버킷 끝과 목표 작업면의 차이를 확인하면서 붐과 암, 버킷을 직접 조작합니다.

그래서 저는 레벨 시스템을 운전자의 경험을 대신하는 장비라기보다 운전자가 작업을 판단할 수 있도록 하나의 정확한 기준을 더 제공하는 장비라고 생각합니다.

굴삭기를 오래 운전한 분들의 경험과 감각은 여전히 중요합니다.

거기에 현재 높이를 계속 확인할 수 있는 정보가 하나 더 추가되는 것입니다.

결국 중요한 것은 실제 굴삭기와 숫자가 맞는가이다

2D 굴삭기 레벨 시스템의 작동 원리를 한 문장으로 정리하면 이렇습니다.

굴삭기의 실제 크기와 각 센서가 감지한 움직임을 이용해 현재 버킷 끝의 위치를 계산하고, 현장의 기준 높이와 비교해 작업자에게 보여주는 시스템입니다.

처음에는 붐 센서, 암 센서, 버킷 센서, 수광기, 레이저, 장비 제원 같은 용어가 한꺼번에 나오기 때문에 복잡하게 느껴질 수 있습니다.

하지만 결국 이 모든 장치와 설정값은 하나의 질문에 답하기 위해 존재합니다.

“지금 실제 버킷 끝이 어디에 있는가?”

현장에서 오래된 굴삭기의 센서 위에 디지털 각도기를 올려놓고 장비를 천천히 움직여가며 값을 맞추는 것도 결국 같은 이유입니다.

태블릿 속 숫자가 맞는 것처럼 보이는 것이 중요한 것이 아니라 그 숫자가 지금 눈앞에서 움직이고 있는 실제 굴삭기와 맞아야 하기 때문입니다.

시간이 조금 더 걸리더라도 이 기본을 정확하게 맞춰놓는 것이 결국 현장에서 믿고 사용할 수 있는 굴삭기 레벨 시스템을 만드는 과정이라고 생각합니다.