[논문]고온 환경에서 적용 가능한 병진관절을 갖는 수직 다관절 로봇시스템 개발 및 내구성 분석에 관한 연구

김두범; 김희진; 배호영; 김상현; 임오득; 한성현; 강정석; 노성훈

doi:10.21289/ksic.2019.22.3.337

고온 환경에서 적용 가능한 병진관절을 갖는 수직 다관절 로봇시스템 개발 및 내구성 분석에 관한 연구
A Study on Design and Durability Analysis of Vertical Multi-Jointed Robot with Translational Joint to adapt in the High Temperature Environment 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.22 no.3, 2019년, pp.337 - 351

김두범 (경남대학교 대학원) , 김희진 (경남대학교 대학원) , 배호영 (경남대학교 대학원) , 김상현 (경남대학교 대학원) , 임오득 (해군정비창) , 한성현 (경남대학교 기계공학부) , 강정석 ((주)스맥) , 노성훈 ((주)영창로보테크)

Abstract ▼ AI-Helper

We Proposed a new technology to develop vertical type multi-joint robot system enable to adapt in high temperature environment. The main contents is a new approach to design a vertical type articulated robot with prismatic joint and analysis of thermal for process automation of casting and forging. The proposed robot is suitable to use handling working parts of casting and forging. for the manufacturing process of forging and casting. The reliability is illustrated that the proposed technique is more stable and robust than the conventional system. This study is concerned with an analytical methodology of kinematic computation for 7 DOF manipulators for optimization of forging manufacturing process.

주제어

표/그림 (31)

그림 Fig. 1 Kinematic analysis of robot manipulator
그림 Fig. 2 6-Axis vertical multi-joint robot
그림 Fig. 3 6-axis vertical articulated robot link coordinate system
그림 Fig. 4 Shape and structure of 6-axis vertical articulated robot (3D modeling)
그림 Fig. 5 Structure and specification of each link
그림 Fig. 6 Structural analysis results of 6-axis vertical articulated robot
그림 Fig. 7 Results of thermal analysis of vertical articulated robot (50^∘C)
그림 Fig. 8 Analysis of Thermal Deformation of Vertical Multi-Joint Robot (50^∘C)
그림 Fig. 9 Heat Resistant Robot Joint (7 axis) Integrated System 3D Modeling
표 Table 1. Materials and Properties
표 Table 2. Size of load
그림 Fig. 10 Structural analysis results of mobile translational joint(7 axis) transport
표 Table 3. Structural analysis result table of each link
표 Table 4. Materials and Properties
표 Table 5. Structural Analysis of Movable Joints
그림 Fig. 11 The structure of robot gripper system
표 Table 6. Type of material
표 Table 7. Gripper material and characteriics
그림 Fig. 12 Position selection of thermal stress analysis on Gripper Position PA
그림 Fig. 13 Thermal stress analysis of point PA
그림 Fig. 14 Structural and Thermal Stress and Deformation Analysis Points of Movable Jointed (7 Axis) Transfer Rails (8point)
표 Table 8. Gripper heat durability analysis result
그림 Fig. 15 Thermal Stress Analysis of Transverse Joint (7-Axis) Transfer Frame
표 Table 9. Thermal stress analysis result of moving frame (7 Axis)
표 Table 10. Thermal Stress of Movable Joint Transfer Rails Analysis result analysis data
그림 Fig. 16 Speed according to the load pattern of driving motor
표 Table 11. Dynamic characteristics and stability analysis results of driving actuator
표 Table 12. The Final Actuation Requirements for the Actuator of a Movable Type Jointed Articulated Multi-Jointed Robot
표 Table 13. Dynamic Characteristics of Driving Actuator of Movable Joint
그림 Fig. 17 3D modeling of robot system
그림 Fig. 18 The developed robot system prototype

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 연구에서는 기존의 역기구학 해석방법에서 미분제어기에서 발생하는 오차를 보상해주기 위하여 미분제어기 대신에 피드백을 사용하는 새로운 방법을 적용하여 역기구학을 해석하였다.[9,10]
따라서 본 연구에서는 주조 및 단조 제조공정의 무인자동화 실현을 위하여 주조 및 단조 부품의 제조공정자동화를 위한 좌우 수평이동이 가능한 병진관절을 갖는 수직다관절 로봇. 및 그리퍼를 설계 하였다.
본 연구에서는 근로자들의 작업 기피가 고온의 작업환경인 주조 및 단조 제조공정의 무인자동화실현을 위하여 주조 및 단조 부품의 자율핸들링과 트리밍작업을 위한 고온 환경에서도 적용 가능한 내열성구조의 7축 다관절 로봇을 개발하였다. 그리고 주단조 부품 핸들링 작업용 그리퍼 설계 및열 내구성을 분석하고, 신뢰성을 검증하였다.

제안 방법

-본 연구에서 유한요소법을 이용하여 내열 수직다관절로봇시스템의 이동형 병진관절 (7축)에 대한 열응력 및 열변형 해석을 수행하고 신뢰성을 분석하였다.
- 열응력 및 열변형 해석 방법은 내열 수직다관절로봇시스템의 이동형 병진관절 (7축)의 3D모델링의 설계사양을 토대로 ANSYS15Version을 사용하여 병진관절 (7축)에 대한 전체 4개 Area(320 ANSYS Point)에 대한 열응력 및 열변형 해석을 해석하고, 이에 대한 결과를 소재의 최대 항복응력 및 최소항복 응력과의 비교분석을 통해 신뢰성을 확인하였다.
- 열응력 및 열변형 해석 방법은 내열 수직다관절로봇시스템의 이동형 병진관절 (7축)의 3D모델링의 설계사양을 토대로 ANSYS15Version을 사용하여 병진관절 (7축)에 대한 전체 4개 Area(320 ANSYS Point)에 대한 열응력 및 열변형 해석을 해석하고, 이에 대한 결과를 소재의 최대 항복응력 및 최소항복 응력과의 비교분석을 통해 신뢰성을 확인하였다.
-본 연구에서 유한요소법을 이용하여 내열 수직다관절로봇시스템의 이동형 병진관절 (7축)에 대한 열응력 및 열변형 해석을 수행하고 신뢰성을 분석하였다.
i) 본 논문에서는 유한요소법을 이용하여 6축수직다관절 로봇 아암 및 그리퍼에 대하여 제조공정 상시 온도인 섭씨 800도에 대한 열응력및 열변형 해석을 수행 하였다.
고온 환경에 적용 가능한 가반하중 50Kg급 내열 로봇 시제품을 개발하고 단조 공정에 1년간적용을 통하여 신뢰성 검증을 하였다.Fig.
본 연구에서 유한요소법을 이용하여 6축 수직다관절 로봇 아암에 대한 구조 해석을 수행하고 신뢰성을 분석하였다. 구조해석 방법은 6축 수직다관절 로봇의 3D모델링의 설계사양을 토대로 ANSYS 15vrsion을 이용하여 링크1에서 링크6까지 전체 6개 Area(600 ANSYS Point)에 대한 응력해석을 해석하고, 이에 대한 결과를 소재의 최대항복응력 및 최소항복 응력과의 비교분석을 통해 신뢰성을 확인하였다.[11,12]
및 그리퍼를 설계 하였다. 그리고 고온 환경에서도 적용이 가능한 열 내구성 분석과 이에 대한 신뢰성을 검증하기 위하여 주어진 작업환경의 실제 작업조건에 대한 정확한 정보를 바탕으로 한 신뢰성을 검증하였다.[3]
제안된 방식으로 주단조 제조공정 자동화를 위한 부품의 핸들링 작업 및 자율이동 정렬작업등의 성능검증을 위하여 수직다관절 로봇 매니퓰레이터의 신뢰성을 분석하였다. 그리고 고온극한 작업환경인 주조 및 단조 제조공정 작업 환경에서 장시간 주단조 부품의 픽업 및 핸들링 작업을 실현할수 있는 그리퍼를 설계하고, 실제 주조 및 단조작업환경에서 적용할 수 있는 내구성 확보를 위해 이에 대한 열 변형 및 특성을 분석하여 열 내구성에 대한 신뢰성을 검증하였다.
그리고 주단조 부품 핸들링 작업용 그리퍼 설계 및열 내구성을 분석하고, 신뢰성을 검증하였다. 그리고 이에 대한 신뢰성을 검증하기 위하여 주어진 작업환경의 실제 작업조건에 대한 정확한 정보를 바탕으로 한 시뮬레이션과 로봇기반 실험을 통하여 그 성능의 신뢰성을 검증하였다.
본 연구에서는 근로자들의 작업 기피가 고온의 작업환경인 주조 및 단조 제조공정의 무인자동화실현을 위하여 주조 및 단조 부품의 자율핸들링과 트리밍작업을 위한 고온 환경에서도 적용 가능한 내열성구조의 7축 다관절 로봇을 개발하였다. 그리고 주단조 부품 핸들링 작업용 그리퍼 설계 및열 내구성을 분석하고, 신뢰성을 검증하였다. 그리고 이에 대한 신뢰성을 검증하기 위하여 주어진 작업환경의 실제 작업조건에 대한 정확한 정보를 바탕으로 한 시뮬레이션과 로봇기반 실험을 통하여 그 성능의 신뢰성을 검증하였다.
그리퍼의 열응력 해석위치는 그리퍼의 중요한 부분의 7개 위치를 지정하여 해석 하였다. Table.
따라서 본 연구에서는 주조 및 단조 제조공정의 무인자동화 실현을 위하여 주조 및 단조 부품의 제조공정자동화를 위한 좌우 수평이동이 가능한 병진관절을 갖는 수직다관절 로봇. 및 그리퍼를 설계 하였다. 그리고 고온 환경에서도 적용이 가능한 열 내구성 분석과 이에 대한 신뢰성을 검증하기 위하여 주어진 작업환경의 실제 작업조건에 대한 정확한 정보를 바탕으로 한 신뢰성을 검증하였다.
본 연구에서 유한요소법을 이용하여 6축 수직다관절 로봇 아암에 대한 구조 해석을 수행하고 신뢰성을 분석하였다. 구조해석 방법은 6축 수직다관절 로봇의 3D모델링의 설계사양을 토대로 ANSYS 15vrsion을 이용하여 링크1에서 링크6까지 전체 6개 Area(600 ANSYS Point)에 대한 응력해석을 해석하고, 이에 대한 결과를 소재의 최대항복응력 및 최소항복 응력과의 비교분석을 통해 신뢰성을 확인하였다.
이동형 병진관절(7축) 수직다관절 로봇의 모터및 구동액추에이터의 감속기의 설계 및 선정은 아래의 부하특성선도를 통해 시간에 따른 회전수와 토크를 구하고, 그리고 가속, 정상운전, 감속시의 시간에 대해 토크와 회전수를 구하여 선정조건을 산출하여 선정절차에 준한 최적사양의 안정성 분석을 통하여 최종사양 선정하였다.
제안된 방식으로 주단조 제조공정 자동화를 위한 부품의 핸들링 작업 및 자율이동 정렬작업등의 성능검증을 위하여 수직다관절 로봇 매니퓰레이터의 신뢰성을 분석하였다. 그리고 고온극한 작업환경인 주조 및 단조 제조공정 작업 환경에서 장시간 주단조 부품의 픽업 및 핸들링 작업을 실현할수 있는 그리퍼를 설계하고, 실제 주조 및 단조작업환경에서 적용할 수 있는 내구성 확보를 위해 이에 대한 열 변형 및 특성을 분석하여 열 내구성에 대한 신뢰성을 검증하였다.

데이터처리

ii) 열 응력 해석 방법은 6축 수직다관절 로봇의 3D모델링의 설계사양을 토대로 ANSYS 15version을 사용하여 링크1에서 링크6까지 전체 6개 Area(100 ANSYS Point)에 대한 응력해석을 해석하고, 이에 대한 결과를 소재의 최대항복응력 및 최소항복 응력과의 비교분석을 통해 신뢰 성을 확인하였다. Fig.

성능/효과

개발된 내열로봇의 신뢰성 검증 방법은 2000시간 (8hr/일×250)동안 고온 환경의 단조공정에서의 트리밍 작업 및 핸들링 작업공정에서의 적용을 통하여 고온 환경 1250℃에서도 매우 양호한 내구성이 유지됨을 검증하였다.
구조해석 결과 응력이 모두 Table.3에 요약된 결과와 같이 모재부와 용접부의 항복강도 및 피로강도 값 이내에 있으므로 제안된 로봇의 설계사양은 양호하고 안전한 설계 사양으로 확인 하였다.

후속연구

국가산업에 있어 없어서는 안될 모든 산업의 기초가 되는 필수 산업이면서도 인력난 및 기술부족의 어려움으로 단 조품의 고정밀화, 고기능화 및 저 원가 추세 등의 기술 환경 변화에 적절히 대처하지 못하고 있어, 제품의 가격 경쟁력 및 기술 경쟁력이 상실되고 있기 때문에 국가 기간산업으로 서의 그 위치가 흔들리고 있는 실정이다. 따라서 기술 인력의 부족및 기술 환경 변화 등을 극복하고 단조 품질의균일성, 생산성 향상 및 생산원가 경감 등을 실현시키기 위한 열간 단 조 공정의 개선 대체기술 및 열간 단조 전후 공정의 자동화 기술개발은 직무기피해소 측면 에서 국가적 기술지원이 필수적이라고 사료되며, 단조업계의 국제 경쟁력을 크게 향상시킬 것으로 판단된다.[1,2]

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	정 기구학 해석이란 무엇인가?	정 기구학(forward kinematics)의 해석은 N-링크머니퓰레이터 말단부의 위치 및 자세(orientation)를 결정하는 것으로서 주어진 로봇 매니퓰레이터의 관절변수 값의 조합에 의해서 만들어지는 매니퓰레이터 말단장치의 위치와 자세를 구하여 직교좌표 값으로 표현하는 문제를 해석하는 것이다.
	21세기 제조 산업에서 가장 심각한 문제점은?	21C 접어들면서 제조 산업에서 가장 심각한 문제점은 뿌리산업이라 할 수 있는 주조 및 단조 공정의 작업기피 현상, 노동인력의 부족 및 인건비상승 등의 문제라 할 수 있으므로 뿌리산업의 발전을 위해서는 이러한 문제의 해결이 매우 절실하게 요구되고 있다. 간단조공정은 소재를 가열하는 관계로 소재 표면에 산화 막이 발생하고 윤활제와의 화학 반응으로 인해 작업장의 대기환경이 아주 열악하다.
	국가 산업으로서 열간 단조 공정과 관련된 제조 산업의 한계는 무엇인가?	즉 그림과 같이 열간 단조 공정의 작업환경을 분석한 결과를 보면, 고 중량의 단조재의 처리문제, 고열에 의한 작업자의 환경 및 분진가스 등이 단조작업이 이루어지는 공정에서 작업에 따른 인력난이 심각한 실정이다. 국가산업에 있어 없어서는 안될 모든 산업의 기초가 되는 필수 산업이면서도 인력난 및 기술부족의 어려움으로 단 조품의 고정밀화, 고기능화 및 저 원가 추세 등의 기술 환경 변화에 적절히 대처하지 못하고 있어, 제품의 가격 경쟁력 및 기술 경쟁력이 상실되고 있기 때문에 국가 기간산업으로 서의 그 위치가 흔들리고 있는 실정이다. 따라서 기술 인력의 부족및 기술 환경 변화 등을 극복하고 단조 품질의균일성, 생산성 향상 및 생산원가 경감 등을 실현시키기 위한 열간 단 조 공정의 개선 대체기술 및 열간 단조 전후 공정의 자동화 기술개발은 직무기피해소 측면 에서 국가적 기술지원이 필수적이라고 사료되며, 단조업계의 국제 경쟁력을 크게 향상시킬 것으로 판단된다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증