선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 종래의 캐리지가 갖는 장점은 최대한 살리면서 단점을 보완할 수 있는 개념의 로봇이 개발되었다. 즉, 캐리지처럼 작업장에 사람이 들고 들어갈 수 있을 정도로 가벼우면서도, 기존의 캐리지가 하지 못했던 다양한 용접작업을 수행할 수 있는 로봇이 개발되었다[1-3].
- 본 연구에서는 로봇의 무게를 작업자가 수동으로 운반할 수 있도록 로봇을 최대한 경량화하기 위하여 마그네슘 합금을 주 소재로 하여 로봇 본체를 제작하였다. 일부 고 강성이 요구되는 주요한 구동부에는 알루미늄 합금, 철, 티타늄을 적절히 혼용하여 제작하였다.
제안 방법
- 그림 1과 그림 2는 개발된 로봇의 작업 영역 및 주요 치수를 보여준다. 각 링크의 길이는 작업 영역을 고려하여 설계되었으며, Robcad를 통하여 검증되었다. 하단에 위치한 3개의 자석 스위치는 로봇 본체를 작업 중에 고정시키고, 손잡이를 통하여 로봇을 운반할 수 있다.
- 또한, 작업물은 사전 공정에서 수동으로 제작되기 때문에 작업물의 치수는 설계정보와 많은 오차를 가지고 있다. 개발된 시스템에서는 라인 레이저와 터치 센서를 사용하여 이러한 오차를 보정하도록 하였다. 즉, 작업자는 로봇을 세팅 할 때 로봇의 전방과 우측에 부착된 라인 레이저가 U-cell의 수직과 바닥부의 직교하는 부분에 맞도록 하여 로봇과 U-cell의 상대위치를 맞춘다(그림 13).
- 즉, 로봇제어기가 토치의 TCP 정보를 정확히 알고 있지 못할 때, 제어기는 TCP가 일직선으로 주행하도록 로봇을 제어하나 TCP는 토치의 회전에 의해 변하게 되어 용접라인에 골곡이 발생하게 된다. 그러나, 본 과제에서는 로봇의 무게를 줄이는 것이 중요하므로 5자유도로봇을 선택하였고, TCP정보를 주기적으로 정확하게 캘리브레이션 하도록 하여 용접 품질을 보장하도록 하였다.
- 따라서, 주어진 자세 중 토치방향에 대한 회전성분은 무시하여 역기구학을 계산하도록 알고리즘을 개발하였다[1]. 즉, TCP의 위치와 자세 성분 중 토치의 수평각, 수직각은 정확히 구현하되, 토치 자체의 회전은 기구학적인 구속에 의해 결정되도록 하였다.
- 토치 회전방향의 초기추정치는 임으로 선정하면 되는데, 본 연구에서는 OLP에서 요구하는 회전행렬의 값을 사용하였다. 초기에 OLP에서 원하는 회전행렬을 R0라 할 때, 이는 아래와 같이 풀어 쓸 수 있다.
대상 데이터
- AC 서보 모터로는 절대 엔코더를 갖춘Tamagawa의 AC서보모터 4601, 4602와 4603이 사용되었다. 1축과 4축을 제외한 2축, 3축과 5축에는 전자식브레이크가 적용되었다.
- 교시기의 하드웨어 사양은 표 4에 나타내었다. CPU 보드는 상용품을 적용하였고, 키패드 인터페이스를 위해 PIC16F877이 사용되었다. 그림 4는 교시기의 하드웨어 구성을 나타낸 블록도이며 그림 5는 교시기의 GUI의 캡쳐화면이다.
- 정격 출력은 각각 30W, 50W와 100W이다. 감속기로는 하모닉 드라이브와 타이밍 벨트를 사용되었으며, 감속비는 각 축 별로 1/120, 1/392, 1/272, 1/100, 1/100이다.
- 개발된 로봇 본체는 작업자가 조선 블록 내부의 맨홀이나 크로스 바를 넘어 운반할 수 있을 만큼 가벼워야 하며, 목표 중량은 산업 안전에 따라 작업자가 수동 운반 할 수 있는 하중인 20kg이내로 한다. 로봇의 목표 가반하중은 3kg으로 한다.
- 로봇 제어 프로그램은 윈도XP에 RTX [7]를 올린 RTOS 환경에서 구동되며, EtherCAT 통신을 위해 필요한 EtherCAT 마스터[8]는 Konieg사의 KPA를 사용하였다. 개발된 로봇은 조선소의 블록 제작 공장에서 U자 형태의 용접 작업에 적용되었다. 작업자는 로봇에 부착된 라인 레이저를 사용하여 로봇을 작업물에 맞게 위치시키고, 작업물의 종류와 크기정보를 입력하는 것으로 작업을 시작한다.
- 경량화를 위하여 알루미늄보다 가벼운 마그네슘 합금을 로봇의 주 소재로 사용하였다. 고 강성이 요구되는 구동부에는 부득이 알루미늄이나 철을 사용하였지만, 그 외 대부분의 부품은 마그네슘 합금으로 제작되었다.
- 로봇 제어 프로그램은 윈도XP에 RTX [7]를 올린 RTOS 환경에서 구동되며, EtherCAT 통신을 위해 필요한 EtherCAT 마스터[8]는 Konieg사의 KPA를 사용하였다. 개발된 로봇은 조선소의 블록 제작 공장에서 U자 형태의 용접 작업에 적용되었다.
- 로봇을 적용한 작업물은 그림 12와 같이 수평 직선 용접부와 수직 위빙 용접부로 구성되어 있다. 이러한 구조의 작업물은 편의상 U-cell이라 불리는데, 조선소에는 론지 사이의 용접할 부위에는 U-cell이 형성되는 물량이 대단히 많다.
- 서보 드라이브는 Copley Control사의 AEM [10]이 적용되었다. 이는 AC 서보 모터의 제어를 COE (CANopen over EtherCAT)로 통신하여 제어하고 SSI, EnDat와 Absolute A의 절대 엔코더의 피드백을 받는다.
- 작업 분석을 통하여 요구되는 작업 공간의 폭은 900mm이고, 높이는 800mm이며, 로봇과 작업물간의 거리는 600mm이다.
- 제어 프로그램은 윈도XP에 RTX를 올린 RTOS 환경에서 구동되며, EtherCAT 마스터는 Konieg사의 제품을 적용하였다.
이론/모형
- 또한, 이 정도 길이의 케이블은 운반이나 설치에 방해가 되지 않도록 최대한 가볍고 가는 것이 필요하다. 그러므로, 필드버스 방식을 모색하였으며, 그 중에서도 이미 널리 산업 자동화에 적용되어 성능이 검증된 EtherCAT을 사용하였다[5,6].
- 로봇 제어에는 EtherCAT [4]을 적용하였다. 제어기와 로봇은 25~50m 정도 떨어져 있으므로 이 거리에서 안정성과 실시간성이 확보되어야 한다.
성능/효과
- 개발된 로봇을 사용하면 기존의 용접장비에 비해 생산성이 150% 개선되는 것을 볼 수 있었다. 대표적인 예로서, 그림 12와 같은 작업물의 경우 기존에 용접 작업에서는 작업자가 수평전용 캐리지를 사용하여 전면 아랫부분을 용접한 후, 수직전용 캐리지로 양쪽의 수직면을 용접한다.
- 단순한 계산으로는 위의 방법으로 1인이 로봇을 3대까지 운용하여 2~3명분의 작업을 수행 할 수 있다. 그러나, 실제 적용환경에서는 로봇을 옮기는 것에 대한 작업피로, 예상치 못한 상황에 대한 조치, 주변케이블의 정리 등이 필요하여, 1인당 로봇 2대까지 운용하는 것이 적절하였으며 생산성은 기존대비 150%까지 향상되었다.
- 로봇의 자유도는 사용될 용접작업에서의 용접자세를 분석한 결과 5자유도이면 충분하다는 결론을 얻었다. 이론적으로, 용접을 위해 토치는 x, y, z 세 방향과 수평면과의 각도, 수직면에서의 각도만 유지되면 용접작업을 수행할 수 있으므로 5자유도 로봇이면 충분하다.
- 위의 알고리즘을 시뮬레이션으로 검증한 결과, 초기에러를 매우 큰 경우에도 k > 4이면 TCP 오차의 크기가 0.01mm 이내로 수렴하는 것을 볼 수 있었으며, 로봇의 현 위치와 다음 모션의 차이가 수mm인 경우에는 k = 2에서 0.01mm 이내로 수렴하였다.
- 로봇의 자유도는 사용될 용접작업에서의 용접자세를 분석한 결과 5자유도이면 충분하다는 결론을 얻었다. 이론적으로, 용접을 위해 토치는 x, y, z 세 방향과 수평면과의 각도, 수직면에서의 각도만 유지되면 용접작업을 수행할 수 있으므로 5자유도 로봇이면 충분하다. 그러나, 5자유도 로봇은 움직일 때 토치가 길이 방향으로 기구학적인 구속에 따라 변화하여 용접 품질을 저하시킬 우려가 있으므로, 통상적으로는 6자유도 로봇을 선호한다.
- 작업자는 좁은 맨홀과 론지 사이로 로봇을 들고 들어갈 수 있으므로, 기존에는 용접자동화가 어렵다고 생각되었던, 이중선체 블록의 내부나 선상의 의장품 등도 자동으로 용접할 수 있었다. 작업자는 조작반의 OLP 화면을 이용하여 로봇에게 작업을 시킬 수 있으므로, 2~3시간의 교육만으로도 원하는 작업을 수행할 수 있었다. EtherCAT을 사용함으로써 25m 이상의 케이블을 경량으로 제작할 수 있었으므로, 제어기로부터 로봇까지 이어진 케이블이 작업에 방해되지 않게 사용될 수 있었다.
- 하지만, 개발된 휴대용 용접 로봇을 사용함으로써, 작업자는 수동 용접 작업 없이 한 번의 작업 준비로 U-cell 용접 작업을 수행할 수 있었다.
후속연구
- 또한, 로봇에 유선으로 연결된 로봇 조작반도 이동에 불편함을 가중시켰다. 그러므로, 이동성을 개선하기 위한 방안으로 피더의 경량화, 로봇과 피더의 일체화, 조작반의 무선화 등이 추후 개발 뱡향으로 검토되고 있다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.