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문제 정의
- 본 연구에서는 스카라 로봇의 암 1과 암 2에 대한 최적화 설계 모델을 개발하고, 기존 암과 최적화 설계모델인 새로운 암을 사용할 때 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 본 연구에 사용된 모델은 S사에서 개발된 스카라 로봇을 대상으로 하였대』.
- 제 1경로는 좌표 (150, 150, 700)에서 (450, 150, 700)까지 X 축 방향으로 이동하는 경우와, 제 2경로는 (450, 0, 700)에서 (450, 300, 700)까지 Y 축을 따라 이동흐)는 경우를 시뮬레이션하였다. 본 연구에서는 암 1과 암 2가 1축 및 2축 토크에 미치는 영향을 파악하는 것으로 3죽과 4죽은 구동하지 않는 것으로 하였다.
제안 방법
- 주가하였다. 암 1은 *1 , tl2 , 上 를, 암 2는 如 , ?22 > (23 를 각각 파라메트릭 변수로 FEM 해석을 통해 다양하게 변화시켜가며 최적화 설계를 수행하였다.
- 직선경로를 따라 중간지점까지 비례하여 가속 후 감속하는 것으로 하여 하였으며, 이 때, 각 축에 걸리는 최대토크의 값을 비교하였다. 또한, 경로 이동시간은 상용화되어 출시되는 스카라 로봇의 사이클타임을 기준으로 하여 결정하였다. 스카라 로봇의 사이클 타임은 수직방향 상향으로 25tnm이동하여 수평방향으로 300mm 이동한 후 다시 수평 방향 하향으로 25mm 이동하고, 반대로 처음의 위치로 이동하여 되돌아 오는 시간으로 측정된다.
- 변수로 하여 최적화를 실시하였다. 또한, 로봇에서는 강도보다는 강성이 매우 중요한 요소로 본 연구에서는 암 끝 단에서의 처짐량을 제한하고 최적화 설계를 수행하였으며. 검증 방법은 임의의 경로를 선정하여 경로의 중간 지점까지 가속한 후 감속하여 주어진 시간 내에 목표지점까지 도달하도록 할 때, 1축 모터와 2축 모터의 부하 토크의 변화량을 시뮬레이션을 통해 그 결과를 비교흐}는 것으로 하였다.
- 2초에 도달하도록 제한 조건을 설정하였다. 또한, 암 1 과 암 2의 경량화 설계가 1축 및 2축 토크에 미치는 영향을 분석하고 그 중요성을 검증하였다.
- 로봇 암의 형상을 변경하여 로봇에 요구되는 강성은 유지하고 중량을 감소시키기 위해 스카라 로봇의 암 1과 암 2에 대한 최적화 설계를 수행하였으며, 임의의 경로에 대해 시뮬레이션을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 암의 경량화를 위해 암의 두께를 줄이고 암의 처짐을 보완하기 위해 암 1의 경우 1 개의 리브를, 암 2의 경우 2 개의 리브를 주가하였다. 암 1은 *1 , tl2 , 上 를, 암 2는 如 , ?22 > (23 를 각각 파라메트릭 변수로 FEM 해석을 통해 다양하게 변화시켜가며 최적화 설계를 수행하였다.
- 암의 구조를 변경하는 방법으로 암을 경량화하기 위해 전체적으로 암의 두께를 감소시키고, 강성 보완을 위해 리브를 추가하는 방법으로 하였으며 리브의 두께와 폭을 파라 메트릭 변수로 하여 최적화를 실시하였다. 또한, 로봇에서는 강도보다는 강성이 매우 중요한 요소로 본 연구에서는 암 끝 단에서의 처짐량을 제한하고 최적화 설계를 수행하였으며.
- 것이 필요하다. 이와 같은 경량화를 위해 본 연구에서는 기존 암의 두께를 줄이는 대신에 처짐량을 줄일 수 있도록 강성 증대를 위해 암의 하부에 리브로 보완하는 방법을 채택하였다. 리브로 하부를 보강하는 것은 처짐량을 적게 하기 위해 단면 2차모멘트를 증대시키기 위한 것이다.
- 제 1경로는 좌표 (150, 150, 700)에서 (450, 150, 700)까지 X 축 방향으로 이동하는 경우와, 제 2경로는 (450, 0, 700)에서 (450, 300, 700)까지 Y 축을 따라 이동흐)는 경우를 시뮬레이션하였다. 본 연구에서는 암 1과 암 2가 1축 및 2축 토크에 미치는 영향을 파악하는 것으로 3죽과 4죽은 구동하지 않는 것으로 하였다.
- 각 축의 모터에 걸리는 토크는 (2)와 (3)을 이용하였으며, 경로제어는 역기구학 식 (4)와 (5)을 이용하여 구하였다. 직선경로를 따라 중간지점까지 비례하여 가속 후 감속하는 것으로 하여 하였으며, 이 때, 각 축에 걸리는 최대토크의 값을 비교하였다. 또한, 경로 이동시간은 상용화되어 출시되는 스카라 로봇의 사이클타임을 기준으로 하여 결정하였다.
- 최적화 수행전의 모델을 이용해 실제 측정한 결과는 으로 나타났으며 이는 로봇 조립 상태 및 주물 두께 등의 오차에 기인한 것으로 판단된다. 타사의 경우 14/07 정도로 측정되에 1J 이는 과도한 강성설계가 이루어진 것으로 본 연구에서는 10 nm 내외를 목표치로 설정하여 최적화를 실시하였디..
대상 데이터
- 사용할 때 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 본 연구에 사용된 모델은 S사에서 개발된 스카라 로봇을 대상으로 하였대』.
- 시뮬레이션은 로봇이 직선 경로를 따라 가감속하는 것으로 그림 11과 같이 2개의 경로를 임의로 선정하여 실시하였다. 제 1경로는 좌표 (150, 150, 700)에서 (450, 150, 700)까지 X 축 방향으로 이동하는 경우와, 제 2경로는 (450, 0, 700)에서 (450, 300, 700)까지 Y 축을 따라 이동흐)는 경우를 시뮬레이션하였다.
- 임의 경로는 X 방향으로 300mm를 이동하는 경우의 첫 번째 경* 로와 Y 방향으로 300mm 이동하는 경우의 2번째 경로를 선정하였다. 사이클 타임을 만족하기 위한 조건을 고려하여 0.
- 표 3에서 최적화 전의 모델에 대한 해석은 본 연구에 이용된 스카라 로봇의 실측 치수를 적용[1]하여 해석한 결과를 나타내며, 최적화 후의 모델에 대한 해석은 최적화를 위해 리브로 보강한 후의 해석 결과를 나타낸다. 표 4는 상기 스카라 로봇의 몸체 중에서 암 1과 암 2를 최적화된 모델로 교체했을 때의 각 축에 대한 질량, 관성모멘트 및 질량중심을 나타내며, 본 연구의 모의 실험에 데이터로 사용하였다. 그림 8과 그림 9는 최적화 전·후의 암 1 및 암 2에 대한 질량, 모멘트 및 질량중심에 대한 분석 결과를 나타내며’ 표 4의 데이터를 구하는데 사용하였다.
데이터처리
- 또한, 로봇에서는 강도보다는 강성이 매우 중요한 요소로 본 연구에서는 암 끝 단에서의 처짐량을 제한하고 최적화 설계를 수행하였으며. 검증 방법은 임의의 경로를 선정하여 경로의 중간 지점까지 가속한 후 감속하여 주어진 시간 내에 목표지점까지 도달하도록 할 때, 1축 모터와 2축 모터의 부하 토크의 변화량을 시뮬레이션을 통해 그 결과를 비교흐}는 것으로 하였다.
이론/모형
- 암 1과 암 2의 구동모터의 토크 계산식을 유도하기 위하여 Lagrange 방정식을 이용하였다[2-6]. L = K - P 라고 할 때, Lagrange 방정식은 다음과 같다.
성능/효과
- 1. 암의 형상 변경을 통해 중량을 감소시키고, 요구되는 강성을 목표 값으로 설정하여 최적화를 수행한 결과 로봇공구단의 최대 처짐량이 3.57//m 증가하나, 암 1 및 암 2 의 중량과 관성 이 각각 25.7%, 24.8%와 29.8%, 27.3% 감소하는 것으로 나타나 암의 형상에 대한 최적화 설계가 매우 중요함을 확인할 수 있었다.
- 2. 임의로 2개의 직선경로를 설정하여 목표 시간 내에 도달할 수 있도록 모의 실험을 실시한 결과, 1축 및 2축에 걸리는 부하 토크가 각각의 경로에 대해 최대 9.5% 및 8.8% 감소하는 것으로 나타났다. 이는 암의 최적화 설계를 통해 모터 부하절감 및 사이클 타임 감축 등 성능 향상 효과가 매우 크다는 것을 확인할 수 있었다.
- 또한, 그림 14와 그림 15에 의하면 X 방향 경로에 대해 2 축 가속에 의한 1축의 부하토크는 38.81 Nm에서 36.39 Nm으로 6.2%, 2축의 원심력에 의해 1죽에 미치는 부하토크는 138.5 Nm에서 126.9 Nm로 8.4%, 1축과 2축의 코리오리스력에 의한 1축 부하토크는 48.89 Nm에서 44.79 Nm로 8.4% 각각 감소하였으며, Y방향 경로의 경우에 대해 2축 가속에 의한 1 축의 부하토크는 6.1%, 2축의 원심력에 의해 1축에 미치는 부하 토크는 8.4%, 1축과 2축의 코리오리스력에 의한 1축 부하 토크는 8.4% 각각 감소하는 것으로 나타났다. 모의실험 결과 원심력과 코리오리스력에 의한 영향이 비교적 큰 것으로 나타났다.
- 4% 각각 감소하는 것으로 나타났다. 모의실험 결과 원심력과 코리오리스력에 의한 영향이 비교적 큰 것으로 나타났다.
- 8% 감소하는 것으로 나타났다. 이는 암의 최적화 설계를 통해 모터 부하절감 및 사이클 타임 감축 등 성능 향상 효과가 매우 크다는 것을 확인할 수 있었다.
- 이를 만족하는 최적화 설계 결과, 최적화 전 및 최적화 후암 1의 중량은 각각 7.634Kg 과 5.672Kg으로 25.7%, 암 1의 관성은 0.2284543Kg m2 과 0.1718849 Kg m2 으로 24.8% 감소되는 효과를 얻을 수 있었다. 또한, 암 2의 중량은 각각 3.
- 최대 처짐량을 허용치로 하여 최적화 설계를 수행한 결과표 3과 같은 모델 치수가 가장 적절한 것으로 나타났다. 표 3에서 최적화 전의 모델에 대한 해석은 본 연구에 이용된 스카라 로봇의 실측 치수를 적용[1]하여 해석한 결과를 나타내며, 최적화 후의 모델에 대한 해석은 최적화를 위해 리브로 보강한 후의 해석 결과를 나타낸다.
- 5 〃遂 으로 나타났다. 최적화 수행전의 모델을 이용해 실제 측정한 결과는 으로 나타났으며 이는 로봇 조립 상태 및 주물 두께 등의 오차에 기인한 것으로 판단된다. 타사의 경우 14/07 정도로 측정되에 1J 이는 과도한 강성설계가 이루어진 것으로 본 연구에서는 10 nm 내외를 목표치로 설정하여 최적화를 실시하였디.
후속연구
- 최적화 설계를 위해 암을 최대한 경량화시켜야 하며, 처짐량이 허용범위에 들도록 제한하여 가장 경량화된 모델을 개발하는 것이 필요하다. 이와 같은 경량화를 위해 본 연구에서는 기존 암의 두께를 줄이는 대신에 처짐량을 줄일 수 있도록 강성 증대를 위해 암의 하부에 리브로 보완하는 방법을 채택하였다.
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