조각과일 자동계량 공급장치의 최적 낙하충격량에 대한 작동조건 구명

RESEARCH ARTICLE
강 정균  Jeong Gyun Kang1강 동현  Dong Hyeon Kang1홍 순중  Soon Joong Hong1김 동억  Dong Eok Kim1*

Abstract

Recently, the automation of the measuring and packaging processes for the mass production of fresh-cut fruits is drawing attention as the growth of one-person households has been increasing significantly. In this study, the impulse of the free falling fresh-cut fruits was investigated as a basic experiment to design the automatic fresh-cut fruit feeding machine. This machine contains a conveyor belt system to move the fruits, and an automatic weighing device to feed the same amount of fruits. The falling impulse was measured by using a digital balance. As a result, the longer dropping distance provoked the higher impact, and the opening speed of the feeding device;188 rad/s, resulted in the successful feed of fresh-cut fruits. It is considered to investigate the effect of the shorter distance between the cup sealer and the feeding device, and the surface roughness in the feeding device for decreasing the falling impulse.

Keyword



Introduction

현재 우리나라 1인 가구는 422만 명(2010)에서 599만 명(2019)으로 증가하였으며, 2025년에는 670만 명으로 증가할 것으로 전망되고 있다(Choi et al., 2019). 1인 가구 증가와 바쁜 도시생활, 편리함을 추구하는 젊은 소비자 층의 간편식 선호, 초등학교 급식, 신선한 과일 선호 등 소비문화가 변화함에 따라 조각과일에 대한 수요는 빠르게 증가하고 있어, 백화점과 할인점 등에서 앞 다퉈 간편 조리식품 코너를 확대하고 있는 추세이다(Kim, 2005; KREI, 2017a; KREI, 2017b; Yoon, 2019). 그러나 조각과일은 편리한 대신 유통기한이 짧으며 공기 중 노출에 따른 식물성 조직의 갈변현상이 일어나기 때문에 이를 방지하기 위하여 절단 즉시 코팅작업 또는 밀폐 용기에 보관되어야 한다(Baik and Ham, 1990). 이러한 조각과일의 유통기한을 늘리고 갈변현상 방지를 위하여 비타민 C를 처리하고, 포장작업 중 충격에 의한 코팅 손상이 없도록 하는 것이 중요하다(Choi, 1997). 조각과일은 원료 출고 전 색태, 중량, 당도, 육안선별, 가공 시 이물질제거, 세척, 소독, 헹굼, 건조, 비가식부 제거, 세절, 갈변방지 코팅, 계량, 포장, 출하의 단계를 거친다. 과일의 선별작업 및 세척 작업은 기계화, 자동화되어 있으나, 조각과일의 계량작업은 수작업에 의존하고 있어 계량 및 포장작업의 자동화가 필요한 상황이다(Cho et al., 2005).

식품 가공 제조 공정에서의 기계 및 설비 기술은 선진국의 40~65% 수준으로 국내 기계 기술보다 외국 기계 기술에 의존도가 높다(KREI, 2009). 특히 공정 전반에 대한 제어 기술, 첨단 포장 기술, 혼합 기술, 살균 기술 등에 있어서는 기술적으로 환경이 열악한 중소기업을 중심으로 시장을 형성하고 있어 외국기술에 대한 의존도 또한 높은 실정이다(KREI, 2013). 이러한 상황에서 용기를 자동공급하며, 각종 액즙, 액상제품 식료품 등을 충진하고 연속 또는 간헐 포장하는 자동 용기 충진 포장기는 일부 중소기업에서 생산되고 있으나, 조각과일의 계량 및 공급장치에 대한 연구는 수행된 바 없는 것으로 관철되었다. 계량장치와 유사한 기술은 분말, 과립상태의 식품, 약품, 화학제품에 이용되는 기술이 있으나, 조각과일에 적용하기에는 부적합한 것으로 관철되어, 조각과일을 목표 중량으로 계량하고 손상 없이 자동으로 공급하는 장치 개발이 필요한 상황이다(Park, 1991).

따라서 본 연구는 조각과일을 정량 계량 후 조각과일의 갈변코팅 파손율이 최소화되도록 물리적 충격을 최소화하며 낙차에 의해 포장 용기에 투입이 가능한 조각과일 자동 계량 공급장치를 개발하고 그 성능을 평가하였다.

Materials and Methods

조각과일 공급 시험장치

조각과일을 자동으로 계량하고, 공급하기 위해 개발된 시험장치는 Fig. 1과 같다. 시험 장치의 작동방식은 공급호퍼(Supply hopper)에 비타민 C가 코팅된 조각과일이 공급되면, 이송스크류 구동모터(Transfer screw motor; 9SDG2-120F2P, DKM Co., Korea)에 의해 회전하는 이송스크류(Transfer screw)를 통해 일정 간격으로 조각과일이 컨베이어(Conveyor belt)에 공급된다. 구동모터(Conveyor motor; MG-F88, Samyang Co., Korea)에 의해 작동하는 컨베이어 상의 조각과일은 컨베이어 말단에서 공급호퍼(Scale hopper)까지 이동하여 투하되고, 계량장치는 조각과일의 무게를 측정하여 일정한 양이 공급되면 컨베이어를 정지시키고, 조각과일을 포장용기에 투하하도록 하였다. 모든 장치는 PLC (K7M-DR20U, LS Co., Korea)를 이용한 제어장치(Controller)에 의해 구동되도록 하였다.

Fig. 2는 조각과일 투입량, 충격량, 포장용기 투입 성공률을 조사하기 위한 시험구를 나타낸 것이다. 조각과일의 적정 투입량을 결정하기 위한 조건은 컨베이어의 속도(Feeding speed)와 조각과일의 투입간격(Distance between fruits)의 적정 조건 구명이 필요하다. 조각과일의 투입속도의 조절은 컨베이어의 속도조절장치(Indicator; FS-2000C, Finetron Co., Korea)를 이용하여 조절하였고, 적정운전방법은 투입속도와 투입간격과의 관계를 이용하여 구명하였다. 조각과일의 투입량은 메인 프레임에 부착된 로드셀(Load cell; CBCL-10L, Curiotec Co., Korea)를 이용하여 무게 계측 후 컨베이어의 동작을 정지시켜 계측하였다. 조각과일이 포장용기에 투입될 때 충격량을 측정하기 위하여 포장용기 하단에 전자저울(Electronic scale; A&D Co., HC-6KW, Japan)을 배치하고, 조각과일 투입 시 충격량을 측정하였다. 이때 포장용기는 실제 현장에서 사용하고 있는 플라스틱 컵을 이용하였고, 투입될 때 정확한 측정을 위하여 포장용기는 저울 측정부 표면에 고정시켜 충격량을 측정하였다. 충격량 측정은 전자저울에서 출력되는 신호를 RS232 통신케이블로 연결하여 데이터 취득장치에서 실시간으로 측정 및 기록하게 설정하였다. 포장용기 투입성공률을 향상시키기 위한 계량부 호퍼의 열림속도는 고속촬영이 가능한 카메라(Camera; Sony Co., RX10, Japan)를 설치하여 측정하였다. 호퍼의 최대열림각 50°에 대하여 열림 시작부터 종료시까지의 시간을 측정하여 계산하였다.

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Fig. 1. The fresh-cut fruit feeding device.

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Fig. 2. Design of the fresh-cut fruit feeding test device.

조각과일 투입 속도 구명 시험

조각과일을 손실 없이 계량부에 투입하기 위한 적정조건을 구명하기 위하여 투입간격 및 투입속도 각 3조건씩 총 9조건에 대하여 시험을 실시하였다. 조각과일 투입 간격은 공급호퍼에서 컨베이어로 투입하는 이송스크류의 속도조절에 의하였다. 조각과일의 간격은 0.05 m, 0.10 m, 0.15 m 간격으로 일렬 배치되도록 이송스크류의 속도를 제어하였다. 간격이 0.15 m를 초과 할 경우 인력으로 공급하는 속도보다 늦은 것으로 분석되어 최대간격을 0.15 m로 설정하고, 0.05 m간격 세 구간에 대하여 시험을 실시하였다. 조각과일 이송속도는 컨베이어 구동용 모터의 속도조절장치를 이용하여 0.1 m/s, 0.2 m/s, 0.3 m/s 구간으로 제어하여 시험을 실시하였다. 이때 시험에 사용된 조각과일은 시중에 구매할 수 있는 사과를 이용하였고 시중에서 판매되는 조각과일의 크기(약 25×25×25, mm)에 맞추어 인력으로 절단 후 시험에 사용하였다. 포장용기에 투입가능한 조각과일 개수는 평균 9개 였으며 이를 통해 적정 투입 개수를 9개로 설정하였다. 조각과일이 모두 투입되었을 경우를 성공으로 간주하였고, 조각과일이 9개 투입되었을 때 이송컨베이어를 정지시키고 계량부에 투입된 조각과일의 개수를 측정하였다. 각 시험은 3회 반복시험을 실시하였다.

호퍼 최적 열림속도 구명 속도

호퍼 열림 속도(Open speed)가 125 rad/s 미만일 때 조각과일에서 발생하는 과즙으로 인하여 모두 투입되기 전에 호퍼가 닫히는 문제가 발생하였고, 375 rad/s 초과일 때 조각과일이 빠르게 낙하하면서 조각과일의 손상 및 투입 성공률이 70% 미만인 문제가 발생하였다. 이에 최적 열림속도 시험은 125 rad/s, 188 rad/s, 375 rad/s 세 단계로 나누어 충격량 및 투입 성공률을 조사하였다. 투입성공률은 적정 투입개수인 9개의 조각과일이 모두 투입되었을 경우를 성공으로 간주하여 계산하였다. 각 시험은 3회 반복시험을 실시하였다.

조각과일 충격량 구명 속도

조각과일의 낙하높이(Dropping distance)에 따른 성공률에 대한 사전 분석 결과 낙하 높이가 35 cm이상의 경우 투입성공률이 70%이하로 적용이 불가능하였고, 25 cm이하의 경우 계량부의 호퍼와 포장용기가 부딪쳐 시험이 불가능하였다. 따라서 낙하높이 결정을 위한 시험은 25 cm, 30 cm, 35 cm로 설정하여 투입성공률 및 낙하 충격량을 측정하였다. 투입성공률은 적정 투입개수인 9개의 조각과일이 모두 투입되었을 경우를 성공으로 간주하여 계산하였다. 각 시험은 3회 반복하여 실시하였다.

Results and Discussion

조각과일 투입 속도

조각과일 이송속도 및 투입간격에 따른 계량부에 투입된 조각과일의 개수 시험 결과는 Table 1과 같다. 이송장치의 이속속도 0.1 m/s, 0.2 m/s일 때 모든 투입간격에 대하여 정확히 9개만 투입되는 것으로 관철되었다. 이송속도 0.3 m/s일 때 조각과일 배치간격 0.05 m는 10.6개, 0.10 m는 9.7개, 0.15 m는 9.3개로 관철되었다. 속도가 빠를수록 계량장치에 투입되는 조각과일 개수가 많고 투입간격이 짧을수록 투입되는 조각과일 개수가 많은 것으로 관철되어 최적 운전조건은 이송속도 0.2 m/s, 투입간격 0.05 m인 것으로 분석되었다. 작업속도를 향상시키기 위한 방법으로는 조각과일 이송 컨베이어의 정밀 제어를 위해 브레이크모터를 이용하여 모터의 슬립으로 인한 추가 투입을 방지하는 것이 필요할 것으로 사료된다.

Table 1. Average amount of sliced fruit input according to the feed rate of sliced fruit. http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_21-001_image/Table_PASTJ_21-001_T1.png

호퍼 최적 열림속도

조각과일 계량부 호퍼의 열림속도에 따른 충격량 및 투입성공률 시험결과는 Table 2와 같다. 열림속도에 따른 충격량을 분석한 결과 열림속도 125 rad/s일 때 충격량이 평균 0.17 kg·m/s로 나타났고, 188 rad/s일 때 충격량이 평균 0.18 kg·m/s로 나타났으며, 375 rad/s일 때 충격량이 평균 0.19 kg·m/s로 관철되었다. 열림속도가 느릴수록 충격량이 낮게 나타났고 빠를수록 충격량이 높아지는 것으로 관철되었다. 이는 열림속도가 늦을 경우 계량장치의 호퍼에 붙어있던 조각과일이 분산되어 낙하하고, 열림속도가 빠른 경우 일시에 낙하하여 충격량이 높아지는 것으로 사료된다. 또한 열림속도가 빠를 경우 조각과일과 호퍼와의 접착으로 인하여 포장용기에 투입되지 않아 투입 성공률이 낮아지는 결과를 초래하는 것으로 관철되었다. 따라서 계량장치 호퍼의 최적 열림속도는 188 rad/s인 것으로 판단된다.

Table 2. Impact amount of sliced fruit according to the opening speed of the automatic weighing device. http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_21-001_image/Table_PASTJ_21-001_T2.png

조각과일 충격량

낙하높이에 따른 낙하 충격량은 Table 3과 같이 측정되었다. 낙하높이가 0.25 m일 때 0.214 kg·m/s로 가장 낮게 나타났으나, 낙하높이 0.3 m일 때의 충격량과 큰 차이가 없는 것으로 관철되었다. 투입성공률은 낙하높이 0.3 m일 때 93.8%로 가장 높은 것으로 나타났으나, 0.25 m와 투입성공률은 큰 차이가 없는 것으로 관철되었다. 낙하높이 0.35 m일 때는 Fig. 3와 같이 계량장치가 열리면서 조각과일이 낙하하면서 퍼져나가 포장용기 바깥 또는 측면에 부딪혀 튕겨나가는 경우가 발생하여 순간적인 충격량이 높게 나타난 것으로 나타났다. 따라서 현재 개발된 조각과일 공급장치는 충격량이 약한 높이 25 cm에서 투입해야 적절한 것으로 판단된다. 또한 이보다 더 낮은 충격량을 위해 호퍼구조 개선이 필요할 것으로 판단되며 추후 조각과일의 충격량과 갈변코팅의 파손율에 대한 상관관계 분석이 필요할 것으로사료된다.

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Fig. 3. The case of a failure in feeding the fruits into the cup.

Conclusion

1인가구의 증가로 인해 조각과일의 수요가 점점 증가하고 있으나 작업은 수작업에 의존하고 있어 계량 및 포장작업의 자동화가 필요하다. 따라서 본 논문에서는 조각과일을 정량 계량 후 안전하게 낙차에 의한 물리적 충격을 최소화하며 포장 용기에 투입되는 자동 계량 및 공급장치를 개발하였다. 조각과일 이송장치의 기본 이송방식은 컨베이어 벨트를 이용하여 조각과일을 낙하시켜 투입하는 방법이며 계량장치는 로드셀과 인디케이터를 이용하여 조각과일이 설정된 양만큼 투입되도록 하는 장치이다. 조각과일의 간격, 이송속도에 따른 조각과일 투입량과 투입위치에 전자저울을 설치하여 호퍼열림속도, 낙차높이에 따른 충격량을 분석하였다. 시험결과, 이송속도가 빠르며 조각과일 간격이 좁을수록 적정량 이상 투입되었으며 최적 운전조건은 이송속도 0.2 m/s, 투입간격 0.05 m인 것으로 분석되었다. 계량장치 열림속도는 적정속도에 미치지 못할경우 성공적으로 투입되지 않는 것으로 나타났고 낙차높이가 크고 오픈속도가 빠를수록 조각과일 충격량이 큰 것으로 나타났다. 본 연구를 통해 낙차거리를 최소화 할 수 있는 호퍼 개발이 필요할 것으로 판단되며 추후 컵실러와 투입장치 낙차거리를 최대한 좁히며 이송장치 및 계량장치의 재질변경 또는 코팅을 하여 성능 향상을 위한 추가 시험이 필요할 것으로 사료된다. 또한 충격량에 따른 조각과일의 갈변코팅 파손율을 분석하여 상관관계에 대한 관철이 필요할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

본 연구는 농림식품기술기획평가원(Institute of Planning and Evaluation for Technology in Food) 농축산물 안정생산 유통관리 기술개발산업(과제번호: 318084-01-1-SB010)으로 수행되었습니다.

References

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