[논문]절삭가공을 위한 다축 로봇의 강성보강에 관한 연구

정선환; 최성대; 권현규; 최은환

문제 정의

개선된 로봇을 CATIA로 해석하여 각자 세별로 각각 동 특성을 분석함으로써 고유진동수를 알아내고 가공회전수의 범위를 얻고자 하였다
따라서, 본 연구에서는 다관절 로봇의 강성을 개선하기 위해 관절 부위를 가스 스프링으로 보강하고 동특성 측정 및 시뮬레이션을 통해 강성 증가를 확인한 후, 절삭가공 실험을 통해 표면조도의 품질을 검토함으로써 산업용 다관절 로봇을 절삭가공용으로 옹용하는데 필요한 강성 보강 방안의 유효성을 확인하고자 한다.
본 연구는 산업용 다관절 로봇을 절삭가공용으로 응용하고자 할 때, 그것이 가지고 있는 저강성 특성의 약점을 보완하갸 위해 가스 스프링 강성 보강법을 창안하고, 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 통해 그 유효성을 검토하였다. 그 결론은 다음과 같다.

제안 방법

보강재와 로봇의 구조물과의 간섭을 피해 절삭가공을 할 수 있는 3차원 공간의 범위를 알아보기 위하이Fig. 4에 나타낸 것과 같이 기구학적으로 3차원 모델링을 하여 검토하였다. Fig.
또한 Left와 Right의 가공 방향에 따른 방향성이 있다는 것을 알 수 있으며 가스 스프링 대신 동일한 강체로 링크의 강성을 보완하는 것이 타당하다고 사료된다. 그리고 상부는 J4관절에 최대한 가까운 곳에 볼트로 지지하고 회전체와 링크를 연결하였으나 근본적인 개선으로 볼 수 없기 때문에 J4 관절의 회전과 함께 기구학적으로 가능한 구조로 개선하여 말단장 치(End effect)의 회전체와 링크로 연결하여 개선하였다. 상부링크와 하부링크를 동시에 보강한 구조물에서 보다 나은 동륵성 결과를 얻을 수 있었지만 근본적으로는 로봇 자체의 구조적 개선이 이루어져야 절삭가공용으로의 강성을 유지할 수 있다고 생각한다 연구결과 롤 종합하면 J4와 J5의 관절을 보강하는 것보다는 J2와 J3의 관절을 보강하는 것이 더 높은 강성도를 유지하는 것으로 나타났다.
기존의 로봇 작업 공간과 개선된 로봇의 작업공간의 한계를 비교 검토하였다. 보강재와 로봇의 구조물과의 간섭을 피해 절삭가공을 할 수 있는 3차원 공간의 범위를 알아보기 위하이Fig.

대상 데이터

FEM 구조해석 시 Mesh 의 생성은 CATIA 의 Auto Mesh를 사용하였고, 이때 생성된 요소의 수는 약 94, 884개이며 파트간의 경계조건은 파트간에 서로 접하는 부분을 공유하는 상태로 주었다.
본 연구에 사용된 다관절 로봇은 Arc 용접용으로 일본 F사의 제품이며, CATIA V5.9를 이용하여 FEM 구조 해석을 실시하여 개선안을 구상하였디..

성능/효과

1.동 특성 실험을 통해 상하부 관절에서의 고유진동수가 9.8Hz에서 12, 7Hz로 30% 정도 개선되었기 때문에 강성도 향상되었음을 간접적으로 확인할 수 있었다
3 절삭 실험을 실시하고 표면 거칠기를 측정하여 검토한 결과 보강 전보다 평균 30% 정도 향상되었음을 알 수 있었다. 따라서 가스 스프링 보강법의 효과의 확인과 절삭가공의 가능성이 있음을 알았다
4.본 연구룰 통하여 다관절 로봇의 저강성 특성을 앞으로 더욱 크게 보완하면, 충분히 절삭가공에 응용할 수 있음을 확인할 수 있었다
4mm/min, 절삭 깊이 03~로 하였다. 가 공 결과 좌우 및 전후방향 절삭에서 진동의 양상이 다름을 알 수 있었다 즉 J2와 J3관절 사이의 연결 링 크가 하나로 연결되어 있으므로 왼쪽에서 오른쪽으로 가공하는 것보다 오른쪽에서 왼쪽으로 가공하는 것이 공구지지 강성이 좋게 나타났다 그러나 일정 이상의 절삭 깊이에서는 절삭저항이 공구를 지지하는 것보다는 절삭二 자체에 따른 영향으로 보통의 절 삭가공현상과 동일하게 나타나고 있다.
1으](d)에는 JI에서 J2와 J3사이를 링크로 연결한 모양이다. 각 부분의 해석 결과 J2와 J3의 하부의 구조개선이 다른 관절에 비하여 가장 우수하였으나, J4와 회전체의 상부의 구조개선은 강성이 개선되지 않았고 오히려 진동이 증가하였지만, 절삭가공시에는 절삭저항에 의한 진동량의 감소로 정밀도에 영향이 미칠 것으로 판단되어 상하부 전체를 개선하였다. 이와 같은 개선 내용을 종합 검토하여 J1에서 J3과 J5관절을 보강하이야 한다는 결론을 도출하였다.
절삭가공 실험은 Table 2에 나타낸 것과 같이 평엔드밀을 사용하여 절삭 깊이 및 공구회전 속도에 따라 가공하였으며, 또 한 가공 방향에 따른 영향을 고려하였다 주축회전수는 최대 3000rpm까지 조절 가능하나 로봇의 강성을 고려하여 1600~2700rpm으로 제어하였고, 사용공구는 평엔드밀(HSS) 직경 6mm(4날), 절삭시험 편은 A16060, 절삭 깊이 0, 3~ 12nnn까지 하였으며, 이송 속도 24~ 18mm/min으로으로 Upper 자세에서 절삭가공하여 이상적인 주축회전수를 알아보았다 Fig 11에는 각 공구 회전수에서 절삭 깊이가 0 3mm일 때의 표면 거칠기률 5회 측정하여 평균으로 나타내었다 공구 회전수가 1600~1800 rpm과 2100 ~ 2400rpm에서 절삭가공 중진동이 발생되었으며, 그것의 영향으로 표면이 거칠었다 구조개선 전후의 표면 거칠기를 비교하면 개선 후의 표면이 개선 전보다 더 낮게 나타났다 이것은 Fig 10에서 진동량의 차이에서 알 수 있듯이 가공 표면 거칠기는 주축 헤드의 진동량에 따라 영향을 미치는 것이라 생각된다. 구조 개선 후의 가공표면 거칠기는 각 공구회전 속도가 2000rpm 이상에서 거의 안정적으로 나타났다. 이것은 구조개선에 대한 J6관절의 보강 지지가 안정적으로 이루어져 절삭가공이 순조롭게 이루어졌기 때문이라고 생각된다.
9는 각 가공 형태에 따른 1차 고유진동수를 개선 전과 개선 후로 비교하여 나타내었다. 구조개선전보다 개선후의 결과가 Upper 35%, Front 11%, Left 26%, Right 21% 정도 향상되었음을 알 수 있다. 그러나 개선후 의 결과에서도 1차 고유 진동수가 약 13Hz 정도이므로 최대 가공 속도가 780rpm 이 하이다.
3 절삭 실험을 실시하고 표면 거칠기를 측정하여 검토한 결과 보강 전보다 평균 30% 정도 향상되었음을 알 수 있었다. 따라서 가스 스프링 보강법의 효과의 확인과 절삭가공의 가능성이 있음을 알았다
하부인 J2와 J3관절과 연결되는 링크를 가스 스프링으로 대칭이 되게 부착하여 구조를 개선하였지만 기존의 링크와는 깅도가 크게 떨어지므로 강성적인 측면에서 불균형이 발생한다. 또한 Left와 Right의 가공 방향에 따른 방향성이 있다는 것을 알 수 있으며 가스 스프링 대신 동일한 강체로 링크의 강성을 보완하는 것이 타당하다고 사료된다. 그리고 상부는 J4관절에 최대한 가까운 곳에 볼트로 지지하고 회전체와 링크를 연결하였으나 근본적인 개선으로 볼 수 없기 때문에 J4 관절의 회전과 함께 기구학적으로 가능한 구조로 개선하여 말단장 치(End effect)의 회전체와 링크로 연결하여 개선하였다.
그리고 상부는 J4관절에 최대한 가까운 곳에 볼트로 지지하고 회전체와 링크를 연결하였으나 근본적인 개선으로 볼 수 없기 때문에 J4 관절의 회전과 함께 기구학적으로 가능한 구조로 개선하여 말단장 치(End effect)의 회전체와 링크로 연결하여 개선하였다. 상부링크와 하부링크를 동시에 보강한 구조물에서 보다 나은 동륵성 결과를 얻을 수 있었지만 근본적으로는 로봇 자체의 구조적 개선이 이루어져야 절삭가공용으로의 강성을 유지할 수 있다고 생각한다 연구결과 롤 종합하면 J4와 J5의 관절을 보강하는 것보다는 J2와 J3의 관절을 보강하는 것이 더 높은 강성도를 유지하는 것으로 나타났다. 그러나 진동량의 측정으로 볼 때 J2와 J3의 관절보다는 J4와 J5의 관절 보강에 의해서 공구에 나타나는 진동량이 현저하게 감소되었다고 생각한다.
각 부분의 해석 결과 J2와 J3의 하부의 구조개선이 다른 관절에 비하여 가장 우수하였으나, J4와 회전체의 상부의 구조개선은 강성이 개선되지 않았고 오히려 진동이 증가하였지만, 절삭가공시에는 절삭저항에 의한 진동량의 감소로 정밀도에 영향이 미칠 것으로 판단되어 상하부 전체를 개선하였다. 이와 같은 개선 내용을 종합 검토하여 J1에서 J3과 J5관절을 보강하이야 한다는 결론을 도출하였다.

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A Study on Stiffness Strengthening of Multi-articulated Robot for Cutting Processes

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