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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 일체형 rack housing 제작에 수반되는 용접변형을 최소화하기 위해, 일체형 rack housing의 용접에 최적화된 전용시스템의 특징 및 1보[3]에서 보고한 데이터를 기초로 하여 제작된 housing의 용접특성을 평가하였다.
제안 방법
- 일체형 rack housing의 용접에는 제품의 특성상 용접변형에 우수한 성능을 발휘하는 CMT와 레이저를 열원으로 각각 적용하여 시제품을 제작하였다. 각 열원별 용접조건은 1보에서 보고한 용접조건을 사용하여 실험을 실시하였다. 용접후 각각의 비드외관 및 단면사진의 분석위치를 Fig.
- 각 축별 이동경로값은 회전을 하는 헤드와 지그 회전축은 각각 360deg 회전과 80~260deg 구간을 왕복반회전 운동을 하였으며, 지그 이송축은 두 housing간의 교차각에 따라 위치별로 최대 580mm의 왕복운동을 하였다.
- 43mm를 만족하였다. 다음으로 레이저용접은 초점 fd=0에서 레이저출력(P) 1.5kW 그리고 Ar 20ℓ/min으로 실드하면서 v=500mm/min의 속도로 용접을 실시하였다. 그 결과를 Fig.
- 다음으로 용접된 housing의 진원도를 측정하였다. 일반적으로 power steering gear housing 내부에는 유압실린더가 있기 때문에 housing의 진원도는 매우 중요한 요소이다.
- 다음으로 일체형 rack housing의 시제품 제작 및 용접궤적의 분석을 위해 Fig. 2에서와 같이 두 대의 로봇을 동기하여 steering gear housing을 제작한 후, 이를 바탕으로 일체형 steering gear housing에 적합한 전용 시스템을 구축하였다.
- 일체형 rack housing의 용접은 3차원으로 이루어지므로 다축제어가 요구된다. 따라서 5자유도를 가지는 전용시스템을 이용하여 housing의 용접궤적을 추종하였다.
- 이러한 이유로 일체형 rack housing에 적합한 전용시스템이 요구되었으며, 시스템 구현을 위해서 협조제어 시스템에서 사용된 각 축의 운동특성을 분석하였다. 우선, Fig.
- 일반적으로 power steering gear housing 내부에는 유압실린더가 있기 때문에 housing의 진원도는 매우 중요한 요소이다. 이를 위해서 3D 측정기를 사용하였으며, LSC(Least Square Circle)로 진원도를 계산하였다. 그 결과를 Fig.
- 다음으로 3차원 가공의 재현성을 확보하기 위해서는 각 축의 반복재현이 매우 중요하다. 이를 확인하기 위해서 각 축별로 반복재현성을 측정하였다. 측정방법은 축을 특정위치까지 반복적으로 이송시켰을 때의 위치오차를 측정하여 평균하였다.
- 이후, 전용 시스템으로 제작된 일체형 steering gear housing은 3차원 스캐너를 이용하여 진원도(roundness)를 평가하였다.
- 일체형 rack hosuing의 용접품질을 평가하기 위해 경도분포 및 진원도를 측정하였다.
- 일체형 rack housing의 용접에는 제품의 특성상 용접변형에 우수한 성능을 발휘하는 CMT와 레이저를 열원으로 각각 적용하여 시제품을 제작하였다. 각 열원별 용접조건은 1보에서 보고한 용접조건을 사용하여 실험을 실시하였다.
- (2) 협조제어 시스템에 얻어진 용접궤적의 특성을 바탕으로 전용 시스템은 직교하는 회전축을 갖는 총 5축의 장치로 구현되었다. 전용 시스템의 주요 축은 용접축과 지그축으로 구성되어 있으며, 회전하는 두 축이 직교하도록 설계되었다. 이러한 고안은 파이프용접에 최적화된 운동특성을 나타냈으며, 특히.
- 이를 확인하기 위해서 각 축별로 반복재현성을 측정하였다. 측정방법은 축을 특정위치까지 반복적으로 이송시켰을 때의 위치오차를 측정하여 평균하였다.
대상 데이터
- Steering gear housing의 용접은 1보에서 이미 보고된 데이터에 근거하여 실시하였으며, 이때 사용된 열원은 CMT(Cold Metal Transfer)와 CW Nd:YAG레이저를 사용하였다.
- 가공된 rack housing의 길이는 540mm, valve housing의 길이는 110mm이었으며, 두 housing의 직경은 50mm로 제작되었다. 특히, 두 housing의 교차 조립부는 직교하지 않고 76.
- 본 연구에서 사용된 재료는 1보에서와 마찬가지로 SAE1020을 사용하여 Fig. 1과 같이 rack housing과 valve housing으로 인발가공(drawing)하였다.
- 이를 바탕으로 전용 시스템은 직교하는 회전축을 갖는 총 5축의 장치로 구현되었다. Fig.
- 11에 나타낸다. 측정은 용접부가 있는 housing 끝단 8mm와 90mm 부근에서 실시하였다. CMT 용접의 경우 8mm와 90mm 부근의 진원도가 10/100과 5/100로 측정되었으며, 레이저는 12/100와 3/100을 나타냈다.
성능/효과
- (1) 일체형 rack housing의 용접부는 76.3도의 기울기를 가지고 있기 때문에 각 교차점에서의 곡률반경이 상이하여 두 대의 로봇을 이용한 협조제어 시스템으로 용접궤적을 추종한 후 그에 따른 각 축별 운동특성을 얻을 수 있었다.
- (2) 협조제어 시스템에 얻어진 용접궤적의 특성을 바탕으로 전용 시스템은 직교하는 회전축을 갖는 총 5축의 장치로 구현되었다. 전용 시스템의 주요 축은 용접축과 지그축으로 구성되어 있으며, 회전하는 두 축이 직교하도록 설계되었다.
- (3) 전용시스템의 housing 용접은 4축으로 진행되었으며, 위빙(weaving)을 하지 않을 경우에는 3축만으로도 용접이 가능하였다. 또한 각 축별 반복재현성은 약 20㎛정도로 매우 우수한 성능을나타냈다.
- (4) 전용시스템에서 CMT와 레이저를 용접열원으로 적용하여 housing을 용접한 결과 모두 결함이 없는 건전한 용접부를 얻을 수 있었다. 그러나 레이저 용접부가 CMT에 비해 경도가 높았으나 그 폭이 매우 좁고 열영향부 또한 좁아 두 열원간의 강도 차이는 크지 않았다.
- 6에 나타낸다. 각 축별 반복재현성은 약 20㎛였으며, 헤드 승강축과 지그의 고정정도가 약 30㎛ 정도로 약간 크게 나타났는데, 헤드 승강축의 경우는 용접 헤드축과 승강축의 중량 때문에 이송중 관성에 따른 영향으로 판단되며, 지그의 고정정밀도는 각 housing에 따른 외경의 오차가 그 원인인 것으로 사료된다. 그러나 이러한 오차는 허용값 이내이고 로봇의 반복재현성이 약 200㎛ 전후임을 감안하면 매우 정밀한 재현성을 갖기 때문에 실제 적용에서 우수한 용접궤적 추종능력을 보일 것으로 생각된다.
- 이러한 고안은 파이프용접에 최적화된 운동 특성을 나타냈으며, 특히. 교차하는 두 파이프의 용접에 매우 적합한 운동특성을 보였다.
- 그러나 레이저 용접에서는 교차 원부주는 평행 원주부와는 달리 급격한 곡률반경에 따른 집광광학계의 이동속도 대비 실제 레이저빔의 이동거리가 짧아 발생하는 입열의 축적에 따른 결함발생을 고려하여 Ⓐ, Ⓑ, Ⓒ 및 Ⓓ의 구간에서는 용접속도를 900에서 500mm/min으로 가감속하면서 용접을 실시하여 그림과 같이 건전한 용접부를 얻을 수 있었다.
- 그러므로 housing의 용접궤적을 추종하기 위해서 총 8자유도가 사용되었으며, 로봇 조작자에게는 상당한 조종능력이 요구되었다. 이러한 조건은 대량생산공정에서 숙련된 작업자와 다수의 로봇을 요구하기 때문에 매우 비효율적인 방법이며, 두 대의 로봇을 이용한 협조제어 시스템 또한 용접궤적 추종의 재현성이 문제가 될 수 있다.
- CMT 용접의 경우 8mm와 90mm 부근의 진원도가 10/100과 5/100로 측정되었으며, 레이저는 12/100와 3/100을 나타냈다. 두 열원간 진원도의 차이는 크지 않았으나, 이는 단순한 수치 차일 뿐이며, 용접변형에 대한 housing의 변형형상은 레이저 용접부위가 CMT 용접부위에 비해 규칙적이고 완만한 모습을 나타냈다.
- 따라서 습동부의 특성을 고려할 때 레이저용접부가 CMT에 비해 상대적으로 우수한 결과를 얻을 것으로 판단된다.
- (3) 전용시스템의 housing 용접은 4축으로 진행되었으며, 위빙(weaving)을 하지 않을 경우에는 3축만으로도 용접이 가능하였다. 또한 각 축별 반복재현성은 약 20㎛정도로 매우 우수한 성능을나타냈다.
- 용접단면은 Fig. 8에서 보듯이 ①, ②, ③ 및 ④번의 평행 원주구간에서는 우수한 필릿용접이음을 얻었으며, 용접궤적에 많은 영향을 주는 Ⓐ, Ⓑ, Ⓒ 및 Ⓓ번의 교차 원주구간도 1보에서 보고한 바와 같이 최소각장길이인 S≒2.43mm를 만족하였다. 다음으로 레이저용접은 초점 fd=0에서 레이저출력(P) 1.
- 2에 나타낸 협조제어 시스템은 용접로봇과 지그로봇으로 이루어지는데, 실제 용접에서 용접로봇 6축, 지그로봇 2축이 사용된다. 특히 housing의 교차점에서 두 로봇간의 회전운동이 두드러짐을 확인하였다.
후속연구
- (5) 제품의 적용에 가장 중요한 진원도 또한 10/100 내외로 측정되어 실제 적용시 고품질의 housing 제작이 가능할 것으로 기대된다.
- 각 축별 반복재현성은 약 20㎛였으며, 헤드 승강축과 지그의 고정정도가 약 30㎛ 정도로 약간 크게 나타났는데, 헤드 승강축의 경우는 용접 헤드축과 승강축의 중량 때문에 이송중 관성에 따른 영향으로 판단되며, 지그의 고정정밀도는 각 housing에 따른 외경의 오차가 그 원인인 것으로 사료된다. 그러나 이러한 오차는 허용값 이내이고 로봇의 반복재현성이 약 200㎛ 전후임을 감안하면 매우 정밀한 재현성을 갖기 때문에 실제 적용에서 우수한 용접궤적 추종능력을 보일 것으로 생각된다.
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