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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 산업용 로봇을 이용하여 디버링및 그라인딩 작업을 수행할 수 있는 3축 힘센서의 출력을 측정하여 로봇제어장치에 송신하는 산업용 로봇의 힘 측정 및 통신장치를 개발하고자 한다. 힘측정 및 통신장치는 빠른 즉정을 위해 마이크로프로세서(DSP: Digital Signal Processor) 를 이용하여 힘측정 및 통신장치를 설계 및 제작하였고, 제작된 힘측정 및 통신장치를 산업용 로봇의 제어장치에 연결하여 디버링 및 그라인딩 작업을 위한 기초실험을 실시하였다.
- 본 논문에서는 3축 힘센서와 함께 힘측정 시스템을 구성하기 위한 힘측정 및 통신장치를 설계 및 제작하였고, 이것을 산업용 로봇에 장착하여 그라인딩작업 및 디버링 작업의 특성실험을 실시하였다. 제작한 힘측정 및 통신장치는 3축 힘 센서와 연결하여 환경특성실험(온도 40 °C)을 실시한 결과합력이 0.
제안 방법
- 95%이었으며, 이것들은 기 개발된 다축 힘센세 10-16]들의 그것들과 유사하다. 3축 힘 센서와 힘측정 및 통신장치를 힘측정 시스템이라고 하고 이들의 특성실험은 3축 힘센서와 힘측정 및 통신장치를 연결한 후 3 축 힘센서의 Fx 힘센서, Fy 힘센서, Fz 힘센서의 각 온도에 따른 출력을 측정하기 위해 컴퓨터를 힘측정 및 통신장치의 통신 포트에 연결하였다. 그리고 챔버의 온도를 40°C까지 올린 후 Fx, Fy, Fz, Ft값들을 순차적으로 노트북 컴퓨터를 이용하여 받았다.
- 취득한 데이너의 그래프이다. 그라인딩 작업시 가공물에 작용하는 힘은 힘 Fx, Fy, Fz의 합력이 작용되므로 3개의 힘을식 (3)에 대입하여 계산한 힘값을 사용해야 하고, 기준힘은 22N을 기준으로 힘제어를 실시하였다. 3축 힘센서의 방향은 y방향이 로봇 끝단의 앞쪽방향, X방향은 우측방향, z방향은 아랫방향이다.
- 3축 힘 센서와 힘측정 및 통신장치를 힘측정 시스템이라고 하고 이들의 특성실험은 3축 힘센서와 힘측정 및 통신장치를 연결한 후 3 축 힘센서의 Fx 힘센서, Fy 힘센서, Fz 힘센서의 각 온도에 따른 출력을 측정하기 위해 컴퓨터를 힘측정 및 통신장치의 통신 포트에 연결하였다. 그리고 챔버의 온도를 40°C까지 올린 후 Fx, Fy, Fz, Ft값들을 순차적으로 노트북 컴퓨터를 이용하여 받았다. 환경실험 온도를 40 °C로 결정한 것은 산업용 로봇이 40笆이하의 공장에서 사용되는 것을 고려하였다.
- 로봇제어장치 로부터 긴급상황 및 종료신호가 신호선을 통해 받으면 작업을 종료한다. 로봇제어장치의 제어흐름도는 먼저 시스템을 초기화한 후 가공물을 고정하고, 작업준비완료 신호를 신호선을 통해 힘측정 및 통신장치에 보낸 후 그라인딩 작업을 위한 기준 힘값을 힘측정 및 통신장치로부터 받으며, 가공물을 그라인더 숫돌에 접촉한 후 힘값을 읽어 기준힘값과 비교하여 크면 숫돌과 반대방향으로 미소이동하고 작으면 숫돌과 접촉하는 방향으로 미소이동하여 힘제어를 실시한다. 설정한 시간이 되면 그라인딩 작업을 종료하고, 종료신호를 신호선을 통해 힘측정 및 통신장치에 보낸다.
- 로봇제어장치의 제어흐름도는 먼저 시스템을 초기화한 후디버링툴을 동작하고, 작업준비완료 신호를 신호선을 통해 힘 측정 및 통신장치에 보낸 후 디버링 작업을 위한 기준 힘값을 힘측정 및 통신장치로부터 받으며, 디버링툴을 가공물에 접촉한 후 힘값을 읽어 기준힘값과 비교하여 크면 가공물과 반대 방향으로 미소이동하고 작으면 가공물과 접촉하는 방향으로 미소이동하여 힘제어를 실시한다. 설정한 시간이 되면디버링 작업을 종료하고, 종료신호를 신호선을 통해 힘 측정 및 통신장치에 보낸다.
- 본 논문에서 설계되는 힘측정 및 통신장치는 자신의 준비 완료 신호를 로봇제어장치 (PLC: Programable Logic Controller)에게 보내고, 로봇제어 장치로부터 준비완료와 작업종료 신호를 받으며, 3축 힘센서의 Fx힘센서, Fy힘센서, Fz힘센서의 출력을 측정하여 로봇제어장치에 보낼 수 있도록 설계하였다. 그림 1은 산업용 로봇을 이용한 디버링 및 그라인딩 작업 시 힘제어를 위한 힘측정 및 통신장치의 블록도를 나타내고 있다.
- 그림 13. 제작된 힘측정 및 통신장치와 산업용 로봇을 이용한 그라인딩 특성시험.
- 그림 17. 제작된 힘측정 및 통신장치와 산업용 로봇을 이용한 디버링 특성실험.
- 그림 1은 산업용 로봇을 이용한 디버링 및 그라인딩 작업 시 힘제어를 위한 힘측정 및 통신장치의 블록도를 나타내고 있다. 힘측정 및 통신장치는 마이크로프로세서인 DSP(digital signal processor) 회로부, 3죽 힘센서의 줄력 증폭기 회로부 (amplifier circuit), 통신 회로부 (communication circuit), 프로토콜 회로부{protocol circuit), 전원 회로부(power circuit), 프로토콜 회로부{protocol circuit), 스위치 회로부(switch circuit) 등으로 구성되었다.
- 통신장치를 개발하고자 한다. 힘측정 및 통신장치는 빠른 즉정을 위해 마이크로프로세서(DSP: Digital Signal Processor) 를 이용하여 힘측정 및 통신장치를 설계 및 제작하였고, 제작된 힘측정 및 통신장치를 산업용 로봇의 제어장치에 연결하여 디버링 및 그라인딩 작업을 위한 기초실험을 실시하였다.
대상 데이터
- 사용된 그라인더는 한일사의 HIL-G501 모델로 1/2마력에 3450rpm의 회전수로 동작된다. 3 축 힘센세 8] 는 Fx 힘 센서, Fy 힘센서, Fz 힘센서의 각 정격용량이 300N 이고, 최대 재현도 오차와 비직선성 오차가 각각 0.03% 이내이며, 상호간섭 오차가 0.95% 이내로 본 특성실험에 사용할 수 있다. 3축 힘센서의 방향은 y방향이 로봇 끝단의 앞쪽방향, X방향은 우측방향, z방향은 아랫 방향이다.
- 3V 전원선을 위한 층으로 구성되었다. PCB기판의 크기는 140mm신01.5mmx 1.7mm이다, 그림 8은 제작된 힘측정 및 통신장치를 나타내고 있고, 이것은 제어부, DSP회로부, 통신 회로부, 증폭기 회로부, 전원 회로부, 프로토콜 회로부, LCD부, 3축 힘센서 연결 컨넥터 등으로 구성되었다. 힘센서 컨넥터(ibrce sensor connector)는 3축 힘 센서의 Fx 힘센서, Fy 힘 센서, Fz 힘센서의 각각 입 력단자 2개와 출력단자 2개씩을 연결하고, 증폭기 회로부는 각 힘 센서의 출력을 약 600배 증폭시켜 DSP로 보내면 DSP의 ADC(Analog to Digital Converter)는 12비트로 분해능으로 디지털 값으로 변환하며, 통신 회로부는 RS485 통신으로 힘 측정값을 로봇 제어장치인 PLC로 보낸다.
- 그림 10은 힘측정 및 통신장치(3축 힘센서 포함)의 환경실험 결과를 나타낸 그래프이고, 실험은 총 180분간 실시되었고, 1초에 10개의 데이터를 취득하였다. 그래프에서 보는 것과 같이 3축 힘센서의 Fx 힘센서, Fy 힘센서, Fz 힘센서의 오차는 +0.
- 6°C이다. 사용된 3축 힘센세 10]는 본 논문의 저자가 직접 제작한 것으로 정격용량은 Fx 힘센서, Fy 힘센서, Fz 힘센서 각각 300N이고, 정격출력은 0.5mV/V이었다. 3축 힘 센서의 최대 재현도 오차와 비직선성 오차가 각각 0.
- 사용된 산업용 로봇과 로봇제어장치는 일본 FANUC 사의 M-20iA로 가반하중이 20kg이고, 작업공간까지의 거리가 840mm 정도이다. 사용된 그라인더는 한일사의 HIL-G501 모델로 1/2마력에 3450rpm의 회전수로 동작된다. 3 축 힘센세 8] 는 Fx 힘 센서, Fy 힘센서, Fz 힘센서의 각 정격용량이 300N 이고, 최대 재현도 오차와 비직선성 오차가 각각 0.
- 그림 11은 제작된 힘측정 및 통신장치가 장착된 산업용 로봇의 그라인딩 특성실험을 위한 실험장치를 나타내고 있고, 이것은 산업용 로봇, 산업용 로봇 제어장치, 힘측정 및 통신 장치, 3축 힘센서, 그라인더, 가공물, 가공물 고정지그 등으로 구성되었다. 사용된 산업용 로봇과 로봇제어장치는 일본 FANUC 사의 M-20iA로 가반하중이 20kg이고, 작업공간까지의 거리가 840mm 정도이다. 사용된 그라인더는 한일사의 HIL-G501 모델로 1/2마력에 3450rpm의 회전수로 동작된다.
- 등으로 구성되었다. 사용된 챔버(OF-12PW)는 상온에서 250°C까지 0.1°C 단위로 온도를 자동으로 조절할 수 있고, 온도 정확도는 ±0.6°C이다. 사용된 3축 힘센세 10]는 본 논문의 저자가 직접 제작한 것으로 정격용량은 Fx 힘센서, Fy 힘센서, Fz 힘센서 각각 300N이고, 정격출력은 0.
성능/효과
- 3V로 다운시켜 발생하고, 프로토콜 회로부는 로봇제어장치와 준비상태, 긴급상태, 3축 힘센서의 출력값 리셋 등의 신호를 주고받는다. 개발한 힘측정 및 통신장치는 10us속도로 3축 힘센 서의 출력을 읽을 수 있고, 10Mbps 이상의 빠른 통신속도를 가지고 있어 거의 실시간으로 힘제어를 수행할 수 있는 특징을 가지고 있다. 이것은 국외 산업용 로봇 제작업체卩4]와 비슷한 성능이다.
- 둘째, 로봇제어장치 PLC는 산업용 로봇이 작업 준비가 끝나면 CON4의 2번 핀에 24V의 전압을 가하게 되고 그에 따라 릴레이 K2가 동작되어 5V를 74LS04에 입력되며 이 것이 0V로 반전시켜 GPIOB1 핀으로 보낸다. 셋째, 로봇 제어장치 PLC는 3축 힘센서의 각 센서의 값을 0으로 리셋시킬 때 CON4의 3번 핀에 24V의 전압을 가하게 되고 그에 따라 릴레이 K3이 동작되어 5V를 74LS04에 입력되며 이 것이 0V로 반전시켜 GPIOB2핀으로 보낸다. 넷째, 로봇 제어장치 PLC가 작업이 모두 완료되었거나 긴급상황이 발생되었을때, CON4의 4번 핀에 24V의 전압을 가하게 되고 그에 따라 릴레이 K4가 동작되어 5V를 74LS04에 입력되며 이 것이 0V 로 반전시켜 GPIOB3핀으로 보낸다.
- 그림 14 의 “A” 구간(합력 Ft로 힘제어를 실시한 구간)에서 보는 것과 같이 그라인딩 작업을 실시하는 구간에서는 일정한 힘으로 힘제어가 잘 되고 있음을 확인하였다. 이와 같이 가공물에 작용하는 힘이 3축 힘센서로 정확하게 측정되므로 힘 측정 시스템(3축 힘센서와 힘측정 및 통신장치)를 산업용 로봇에 부착하여 그라인딩 작업시 힘제어를 수행할 수 있음을 확인하였다.
- 이와 같은 오차는 3축 힘센서의 온도변하에 대한 오차와 힘 측정 및 통신장치의 온도변화에 대한 오차가 중복된 것으로 판단된다. 제작한 힘측정 및 통신장치는 환경실험 결과 40°C에서 정상적으로 동작됨을 확인하였다.
- 29N이하이었고, RS485 통신으로 힘측정값을 로봇 제어장치에 정확하게 송신하였으므로 산업용 로봇의 힘 측정 및 통신장치로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 힘측정 및 통신 장치와 3축 힘센서를 산업용 로봇에 부착한 후 그라인딩 작업과 디버링 작업 특성실험을 실시한 결과 3축 힘 센서의 출력값을 로봇제어장치에 송신하여 산업용 로봇이 힘 제어를 실시할 수 있음을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 개발한 힘측정 및 통신장치는 3축 힘센서와 함께 산업용 로봇에 장착하여 그라인딩작업 및 디버링 작업을 수행할 수 있을 것으로 판단한다.
- 그림 13(a)는 그라인딩 작업을 위한 초기준비상태, (b)는 그라인딩을 위해 준비완료 상태, (c)는 그라인딩 작업 중인 상태, (d)는 그라인딩 작업 완료 상태를 각각 나타내고 있다. 힘측정 시스템(3축 힘센서와 힘측정 및 통신장치)이 부착된 산업용 로봇을 이용한 그라인딩 특성실험 결과는 원활하게 진행됨을 확인하였다.
- 그림 13(a)는 디버링 작업시 직선부위를 가공하는 모습을 나타내고 있고, (b)~(d)는 디버링 작업시 돌출부위가 있는 부분을 반복하여 작업하는 모습을 나타내고 있다. 힘측정 시스템(3축 힘센서와 힘측정 및 통신장치)이 부착된 산업용 로봇을 이용한 디버링 작업 특성실험 결과는 원활하게 진행됨을 확인하였다.
후속연구
- 그림 19(a)는 디버링 작업 전의 가공물로 원형의 돌출부가 존재함을 볼 수 있고, (b)는 디버링작업 후의 가공물로 돌출부가 직선부위와 일직선으로 디버링됨을 확인할 수 있다. 그러므로 본연구에서 개발한 힘 측정 및 통신장치는 3축 힘센서와 조합하여 구성한 힘측정 시스템은 산업용 로봇에 부착하여 디버링 작업에 유용하게 사용될 것으로 판단된다.
- 힘측정 및 통신 장치와 3축 힘센서를 산업용 로봇에 부착한 후 그라인딩 작업과 디버링 작업 특성실험을 실시한 결과 3축 힘 센서의 출력값을 로봇제어장치에 송신하여 산업용 로봇이 힘 제어를 실시할 수 있음을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 개발한 힘측정 및 통신장치는 3축 힘센서와 함께 산업용 로봇에 장착하여 그라인딩작업 및 디버링 작업을 수행할 수 있을 것으로 판단한다.
- 실시하였다. 제작한 힘측정 및 통신장치는 3축 힘 센서와 연결하여 환경특성실험(온도 40 °C)을 실시한 결과합력이 0.29N이하이었고, RS485 통신으로 힘측정값을 로봇 제어장치에 정확하게 송신하였으므로 산업용 로봇의 힘 측정 및 통신장치로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 힘측정 및 통신 장치와 3축 힘센서를 산업용 로봇에 부착한 후 그라인딩 작업과 디버링 작업 특성실험을 실시한 결과 3축 힘 센서의 출력값을 로봇제어장치에 송신하여 산업용 로봇이 힘 제어를 실시할 수 있음을 확인하였다.
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