[논문]OLP 시뮬레이터 기반의 다이오드 레이저 열처리 로봇시스템 개발

박기진; 윤성호

doi:10.14775/ksmpe.2015.14.5.008

문제 정의

본 연구에서는 금형 열처리 자동화 공정을 위하여 OLP 시뮬레이터와 다이오드 레이저 기반의 열처리 로봇시스템 개발하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 여유자유도 기반의 다이오드 레이저 열처리 로봇시스템과 OLP(off-line program) 방식의 전용 시뮬레이터 개발을 통하여 금형 열처리 작업 효율을 극대화 할 수 있는 자동화 공정을 개발하고자 한다. 또한, 개발단계에서 로봇시뮬레이션 분석 및 동역학 해석을 통하여 여유자유도 로봇시스템의 효율 및 동적 안정성을 사전에 검증하였으며, 필드 테스트를 통하여 금형 형상 조건에 따른 열처리 최적 조건 패턴 개발 및 데이터 베이스(D/B)를 구축하고자 한다.

제안 방법

1. 시뮬레이션 및 동역학 해석을 통해 6축 다관절 로봇에 2축 여유자유도를 추가적으로 적용하여 레이저 열처리 작업영역 및 효율을 극대화할 수 있는 방안을 검증하였다.
2. 다양한 레이저 열처리 자동화 조건에 대한 필드 테스트를 수행하여 모재의 재질에 대한 레이저 열처리 경향을 분석하고 이를 D/B로 구축하였다.
각 조건에서의 경도측정 결과를 분석하였을 때 HD700 소재의 경우 이송속도는 2~3mm/sec, 열처리온도는 1100°C일 때 높은 경도값을 나타내었으며 빔사이즈는 경도값에 큰 영향을 주지 않음을 알 수 있다. 다양한 재질에 대한 레이저 열처리 경향을 분석하기 위하여 HD700, FCD550, 23F85소재에 대해 온도조건별로 열처리 실험을 수행하였다. 이때 이송속도는 3mm/sec 빔 사이즈는 5*40mm로 고정하였다.
다양한 재질의 차체 금형에 대한 레이저 열처리 조건을 분석하기 위해 다구찌 기법의 실험 계획을 설계하고 다양한 설계인자에 대하여 열처리 테스트를 수행하였다^[4]. 다이오드 레이저 열처리 로봇시스템의 주요 설계 인자로는 이송속도, 온도, 빔사이즈가 대표적인 변수이며, Table 1은 열처리 조건을 고려한 실험 계획표를 나타내고 있다.
레이저 열처리 D/B구축을 위한 실험에 사용된 시편은 HD700 소재의 직육면체 형상으로 크기는 200*150*80 을 적용하였다. 또한 경도측정은 로크웰 경도기를 이용하여 각 시편당 일정한 간격으로 5 포인트씩 경도를 측정하였다. Fig.
다이오드 레이저 열처리 로봇시스템의 주요 설계 인자로는 이송속도, 온도, 빔사이즈가 대표적인 변수이며, Table 1은 열처리 조건을 고려한 실험 계획표를 나타내고 있다. 또한 열처리 헤드와 시편 사이의 거리는 레이저 열처리 효율이 극대화 될 수 있는 278mm를 고정조건으로 적용하였다.
2KW, 2000rpm이며, 감속기는 감속비 1/89의 모델을 적용하였다. 또한, 3차원 설계 데이터 해석을 위해 모델을 import 한 뒤 각 축의 주요 부품을 merge 기능을 사용하여 단순화 하였으며, 구동부와 비구동부를 구분하고 각각의 운동 조건에 맞는 조인트 구속조건으로 정지마찰계수는 0.3, 동마찰계수는 0.12로 설정하였다. 로봇의 여유자유도 2축에 대한 이론적인 최대허용 토크값은 Table 2와 같이 346Nm 이다 .
본 연구에서는 여유자유도 기반의 다이오드 레이저 열처리 로봇시스템과 OLP(off-line program) 방식의 전용 시뮬레이터 개발을 통하여 금형 열처리 작업 효율을 극대화 할 수 있는 자동화 공정을 개발하고자 한다. 또한, 개발단계에서 로봇시뮬레이션 분석 및 동역학 해석을 통하여 여유자유도 로봇시스템의 효율 및 동적 안정성을 사전에 검증하였으며, 필드 테스트를 통하여 금형 형상 조건에 따른 열처리 최적 조건 패턴 개발 및 데이터 베이스(D/B)를 구축하고자 한다.
특히, 토크 산정에 있어 최대 토크 및 감속기의 효율이 동시에 고려되어야 한다. 본 연구에서 제안한 로봇의 여유자유도 2축에 대한 모터 및 감속기의 설계 안정성 검증을 위해 동역학 해석을 수행하였다.
2는 산업용 6축 로봇을 적용한 대형 차체 금형(side-outer)의 열처리 작업에 대한 시뮬레이션 분석결과를 나타내고 있으며, 그림과 같이 곡면부 작업시 로봇은 작업자세가 확보되지 않는 경우가 많다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 Fig. 3과 같이 2축 여유자유도를 적용한 로봇시스템을 구상하고 시뮬레이션 분석을 통하여 그 효율성을 검증하였다. 이때 시뮬레이션 S/W는 Delmia D5 IGRIP R19를 사용하였다^[2~3].

대상 데이터

레이저 열처리 D/B구축을 위한 실험에 사용된 시편은 HD700 소재의 직육면체 형상으로 크기는 200*150*80 을 적용하였다. 또한 경도측정은 로크웰 경도기를 이용하여 각 시편당 일정한 간격으로 5 포인트씩 경도를 측정하였다.
3과 같이 2축 여유자유도를 적용한 로봇시스템을 구상하고 시뮬레이션 분석을 통하여 그 효율성을 검증하였다. 이때 시뮬레이션 S/W는 Delmia D5 IGRIP R19를 사용하였다^[2~3].
6은 여유자유도 축의 무게가 적용된 동역학 해석 모델을 나타내고 있다. 해석에 적용된 서보 모터는 1.2KW, 2000rpm이며, 감속기는 감속비 1/89의 모델을 적용하였다. 또한, 3차원 설계 데이터 해석을 위해 모델을 import 한 뒤 각 축의 주요 부품을 merge 기능을 사용하여 단순화 하였으며, 구동부와 비구동부를 구분하고 각각의 운동 조건에 맞는 조인트 구속조건으로 정지마찰계수는 0.

성능/효과

여유자유도를 적용할 경우 금형의 안쪽면까지 작업영역을 확보할 수 있으며, 작업자세 또한 양호한 것으로 분석되었다. 2축 여유자유도를 적용한 로봇시스템 적용시 작업 효율성이 Fig. 5와 같이 약 50%이상 향상되는 것으로 분석되었다.
3. 필드 테스트로 확보된 레이저 열처리 조건 D/B는 OLP 기반 시뮬레이터의 로봇 열처리 작업 프로그램에 미리 적용하여 현장의 작업시간 단축 및 금형 열처리 품질 향상에 큰 도움이 될 것으로 판단된다.
각 조건에서의 경도측정 결과를 분석하였을 때 HD700 소재의 경우 이송속도는 2~3mm/sec, 열처리온도는 1100°C일 때 높은 경도값을 나타내었으며 빔사이즈는 경도값에 큰 영향을 주지 않음을 알 수 있다.
13은 정밀측정 레이저 트레커를 활용하여 실제 공정의 제작/설치/조립에 의한 오차를 측정하고, 이를 가상환경에 반영하는 Calibration 방법을 나타내고 있다^[6~8]. 본 연구에서 개발된 OLP 시뮬레이터의 Calibration 수행 후 정확도는 1.4mm 이하로 정밀도가 매우 높게 측정되었으며, 시뮬레이터 OLP 프로그램의 현장적용이 가능한 것으로 판단된다.
12는 본 연구에서 개발된 OLP 기반의 레이저 열처리 전용 시뮬레이터를 나타내고 있다. 시뮬레이터는 3D 가상환경 기반으로 로봇 기구학 및 교시환경, 로봇제어 명령, 로봇 언어 번역기 등의 기능 구현이 가능하며, 로봇 프로그램 생성시 모재의 특성에 따른 최적 경로 생성 및 열처리 조건 D/B를 반영할 수 있도록 개발되었다. 특히 시뮬레이터에서 생성된 로봇 작업 프로그램은 현장의 로봇 컨트롤러에 입력 가능한 로봇 언어 번역기를 통해 OLP 프로그램으로 다운로드 가능하다^[5].
표면에 용융이 발생하지 않고 경화정도가 가장 뛰어난 온도는 1150°C로 나타났다. 실험결과에서 구축된 D/B는 레이저 열처리 시뮬레이터의 OLP 프로그램에 미리 적용되며 현장 작업시간을 단축시킬 수 있다.
4는 2축 여유자유도를 적용한 로봇시스템의 시뮬레이션 분석 결과를 나타내고 있다. 여유자유도를 적용할 경우 금형의 안쪽면까지 작업영역을 확보할 수 있으며, 작업자세 또한 양호한 것으로 분석되었다. 2축 여유자유도를 적용한 로봇시스템 적용시 작업 효율성이 Fig.
온도가 증가할수록 열처리 경도값은 높아지는 경향을 보이나, HD700과 FCD550은 1250°C 이상의 온도에서 표면에 용융이 발생하였다.

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