[논문]4절링크를 기반으로 하는 신개념 ATC 메커니즘의 동역학 해석

이상호; 김종원; 서태원; 김종원

doi:10.5302/j.icros.2016.15.0182

[국내논문] 4절링크를 기반으로 하는 신개념 ATC 메커니즘의 동역학 해석
Dynamic Modeling of a Novel ATC Mechanism based on 4-bar Linkage 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.22 no.4, 2016년, pp.307 - 314

이상호 (영남대학교 기계공학부) , 김종원 (서울대학교 기계항공공학부) , 서태원 (영남대학교 기계공학부) , 김종원 (서울대학교 기계항공공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, demands on the tapping machine are increased due to the case of a cell phone is changed to metal such as aluminum. The automatic tool changer (ATC) is one of the most important devices for the tapping machine related to the speed and energy consumption of the machine. To reduce the consumed energy and vibration, the dynamic modeling is essential for the ATC. In this paper, inverse dynamic modeling of a novel ATC mechanism is introduced. The proposed ATC mechanism is composed of a double four-bar mechanism with a circular tablet to generate continuous rotation of the tablet. The dynamic modeling is performed based on the Lagrange equation with a modeling for the contact between the four-bar and the tablet. Simulation results for various working conditions are proposed and analyzed for the prototype design. The dynamic modeling can be applied to determine the proper actuator and to reduce the vibration and consumed energy for the ATC machine.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이러한 문제점들을 해결하기 위하여 본 논문에서는 ATC 에서 4절링크를 이용하여 공구를 교환하는 방식의 각도변환 장치를 소개하고자 한다. 4절링크장치는 핀조인트로 연결된 링크장치 중에서 링크들 간의 상대 운동을 허용하는 가장 간단한 연쇄 장치이다.
반면 4절 링크를 사용하여 제작한 각도변환 장치의 경우 기본적인 필요 토크가 낮고, 마찰을 이용하지 않기 때문에 오버흘을 자주 할 필요가 없기 때문에 크랭크-로커 기반의 4절 링크 장치를 이용하여 ATC의 각도변환 장치 메커니즘을 설계할 것이다. 본 연구에서는 4절링크 기반 각도 변환장치 메커니즘의 동역학 모델링을 하고 시뮬레이션을 진행한 후 추후 시제품을 생산하기 위한 데이터로 활용하는 것이 본 연구의 최종 목표이다.
본 연구에서는 태핑 머신의 공구를 자동으로 교환하는 ATC 의 가장 중요한 부분인 각노변환 장치의 메커니즘을 이용하여 구동하는 새로운 방식의 메커니즘을 모델링을 수행하였다. 먼저 동역학 모델링을 하기 기구학적 위치 속도가 속도에 대한 데이터를 위하여 기구학해석을 수행하였다.

제안 방법

FANUC 구조의 경우, 마찰로 인해 구동되므로, 기본적인 필요 토크가 높은 것과, 1년에 한 번씩 전체를 분해해서 청소 후 조립해야 하는 오버홀(overhaul)을 해야 하는 단점이 있다. 반면 4절 링크를 사용하여 제작한 각도변환 장치의 경우 기본적인 필요 토크가 낮고, 마찰을 이용하지 않기 때문에 오버흘을 자주 할 필요가 없기 때문에 크랭크-로커 기반의 4절 링크 장치를 이용하여 ATC의 각도변환 장치 메커니즘을 설계할 것이다. 본 연구에서는 4절링크 기반 각도 변환장치 메커니즘의 동역학 모델링을 하고 시뮬레이션을 진행한 후 추후 시제품을 생산하기 위한 데이터로 활용하는 것이 본 연구의 최종 목표이다.
이 베벨기어는 각도변환 장치에 동력을 전달하며 4절 링크의 각도변환 장치는 툴 그리퍼(tool gripper)를 회전시켜 공구를 교체시킨다.본 연구에서는 이 중에서도 각도 변환장치의 파트를 크랭크-로커링크 기구의 4절 링크 2개를 사용하여 설계할 것이며, 4절 링크의 커플러링크 부분이 기존 의 ATC의 서보모터가 하는 역할을 대신 하여 구동을 하는 방식이다. 이러한 메커니즘을 각도 변환장치라 명명하며, ATC 전체적인 메커니즘은 그림 1(a) 에 나타냈다.
속도 및 가속도 해석을 수행한다. 기구학과 역동역학을 해석하기 위해 일단 초기의 길이 및 각도질량 관 성모멘트 등을 정한다. 각도 변환장치 메커니즘을 구동하기 위한 링크의 초기각도 각속도 각가속도를 명시할 것이며 이를 통하여 2 번과 3번링크의 각속도를 계산할 것이다.
기구학과 역동역학을 해석하기 위해 일단 초기의 길이 및 각도질량 관 성모멘트 등을 정한다. 각도 변환장치 메커니즘을 구동하기 위한 링크의 초기각도 각속도 각가속도를 명시할 것이며 이를 통하여 2 번과 3번링크의 각속도를 계산할 것이다. 이후 각 링크의 각가속도와 질량 중심의 가속도를 계산한 후 각 링크의 관성력을 구한다.
标為는 각 링크의 질량 중심에서의 X, y방향 가속도 및 각가속도의 값이며 앞절의 기구학해석을 통하여 구하였다. 편미분 값들은 아래와 같다.
본 시뮬레이션에서는 링크의 길이와 질량 등은 이전 연구[23]에서 이미 설계된 부분이므로 변수로 두지 않는다. 이번 시뮬레이션에서는 제품의 설계 목표에 따라서 ATC의 Tool to Tool의 목표시간을 조건으로 두고 시뮬레이션할 것이다. 각도 변환장치의 4절 링크가 원판을 회전시킬 때, 즉 입력 링크가 0.
5바퀴를 회전해야 한다. 따라서 각속도를 초당 3바퀴 즉, 180RPM을 유지하기 위해서 입력 링크에 필요한 토크는 얼마인지 계산하였다. 시뮬레이션을 위한 각 링크의 길이와 질량, 원판의 질량 등은 각도 변환장치의 동작 시뮬레이션을 테스트하기 위한 프로토타입의 규격을 기준으로 계산하였고, 아래 표 1에 나타내었다.
가장 중요한 부분인 각노변환 장치의 메커니즘을 이용하여 구동하는 새로운 방식의 메커니즘을 모델링을 수행하였다. 먼저 동역학 모델링을 하기 기구학적 위치 속도가 속도에 대한 데이터를 위하여 기구학해석을 수행하였다. 기구학해석을 데이터를 사용하여 역동역학 해석을 진행하였다.
먼저 동역학 모델링을 하기 기구학적 위치 속도가 속도에 대한 데이터를 위하여 기구학해석을 수행하였다. 기구학해석을 데이터를 사용하여 역동역학 해석을 진행하였다. 해석은 라그랑 지방 정식을 사용하여 해석하였고, 각도 변환장치의 메커니즘을 4절 링크를 이용하여 구동하는 새로운 방식의 메커니즘을 제안하고 동역학 모델링을 수행하였다.
기구학해석을 데이터를 사용하여 역동역학 해석을 진행하였다. 해석은 라그랑 지방 정식을 사용하여 해석하였고, 각도 변환장치의 메커니즘을 4절 링크를 이용하여 구동하는 새로운 방식의 메커니즘을 제안하고 동역학 모델링을 수행하였다. 먼저 동역학 모델링을 하기 전 4절링크의 기구학적 위치 속도 가속도에 대한 데이터를 얻기 위하여 기구학 해석을 수행하였다.
해석은 라그랑 지방 정식을 사용하여 해석하였고, 각도 변환장치의 메커니즘을 4절 링크를 이용하여 구동하는 새로운 방식의 메커니즘을 제안하고 동역학 모델링을 수행하였다. 먼저 동역학 모델링을 하기 전 4절링크의 기구학적 위치 속도 가속도에 대한 데이터를 얻기 위하여 기구학 해석을 수행하였다. 기구학 해석을 통하여 얻은 데이터를 사용하여 역동역학 해석을 진행하였다.
먼저 동역학 모델링을 하기 전 4절링크의 기구학적 위치 속도 가속도에 대한 데이터를 얻기 위하여 기구학 해석을 수행하였다. 기구학 해석을 통하여 얻은 데이터를 사용하여 역동역학 해석을 진행하였다. 역동 역학 해석은 라그랑지 방정식을 사용하여 해석하였고, 이를 통하여 각도변환장치의 구동 토크를 계산하였다.
역동 역학 해석은 라그랑지 방정식을 사용하여 해석하였고, 이를 통하여 각도변환장치의 구동 토크를 계산하였다. 또한 각 링크의 조인트에 걸리는 하중을 평형 방정식과 간단한 행렬법을 이용하여 계산하였고, 매틀 랩 프로그램을 사용하여 시간에 따른 각 링크의 각도 및 각 속도 등의 변화와 입력 토크를 구하였다. 이러한 데이터를 향후 실제 ATC 각도 변환 장치의 진동 및 소비되는 에너지를 절감하는 설계의 데이터로 활용될 것이다.

이론/모형

기구학 해석을 통하여 얻은 데이터를 사용하여 역동역학 해석을 진행하였다. 역동 역학 해석은 라그랑지 방정식을 사용하여 해석하였고, 이를 통하여 각도변환장치의 구동 토크를 계산하였다. 또한 각 링크의 조인트에 걸리는 하중을 평형 방정식과 간단한 행렬법을 이용하여 계산하였고, 매틀 랩 프로그램을 사용하여 시간에 따른 각 링크의 각도 및 각 속도 등의 변화와 입력 토크를 구하였다.

성능/효과

토크 시뮬레이션을 통하여 토크가 급격하게 변하는 지점 및 최대 필요토크가 발생하는 지점을 알 수 있었다. 이 지점에서 진동 및 피로 하중이 발생할 수 있으며, 최대 필요토크가 클수록 소비되는 에너지가 크므로 이 값들을 절감할 필요가 있다.

후속연구

이 장에서는 각도 변환장치의 4절 링크 부분에서의 기구학해석을 통하여 각 링크의 각도 각 속도 각 가속도 및 질량 중심에서의 가속도값을 구할 것이며 이후 역동역학 해석의 데이터로 사용할 것이다. 먼저 각도 변환장치 메커니즘이 4절 링크 2개로 이루어져 있지만 두 개의 4절 링크의 크기가 동일하고 서로 독립이므로 우선 하나의 4절 링크만 해석을 진행 할 것이며 후에 따로 추가할 예정이다.
사용할 것이다. 먼저 각도 변환장치 메커니즘이 4절 링크 2개로 이루어져 있지만 두 개의 4절 링크의 크기가 동일하고 서로 독립이므로 우선 하나의 4절 링크만 해석을 진행 할 것이며 후에 따로 추가할 예정이다.
각 링크의 질량 중심점에서의 위치는 아래식 (4)에 가속도는 식(5)에 나타내었다 이렇게 구한 값들은 추후 구동축의 토크와 핀에 걸리는 하중을 계산하기 위한 데이터로 활용할 것이다
위의 행렬식을 풀면 링크들 간의 내력과 구동축토크를 구할 수 있으며, 조인트에 걸리는 하중은 후에 ATC 제작 시 베어링 수명 등을 계산시 데이터로 활용할 것이다.
이 지점에서 진동 및 피로 하중이 발생할 수 있으며, 최대 필요토크가 클수록 소비되는 에너지가 크므로 이 값들을 절감할 필요가 있다. 이러한 부분에 대해서는 추후 새로운 메커니즘을 추가하여 각 값들을 절감하는 연구로 진행할 예정이다.
또한 각 링크의 조인트에 걸리는 하중을 평형 방정식과 간단한 행렬법을 이용하여 계산하였고, 매틀 랩 프로그램을 사용하여 시간에 따른 각 링크의 각도 및 각 속도 등의 변화와 입력 토크를 구하였다. 이러한 데이터를 향후 실제 ATC 각도 변환 장치의 진동 및 소비되는 에너지를 절감하는 설계의 데이터로 활용될 것이다.

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