[논문]로봇형 진공식 연마머신 기술개발

조영하; 진태석

로봇형 진공식 연마머신 기술개발
Development of Robotic Vacuum Sweeping Machine 원문보기

조영하 (인우테크) , 진태석 (동서대학교)

본 연구는 연마와 분진을 한꺼번에 해결하고자 로봇형 진공식 표면연마 머신(Robotic Vacuum Sweeping Machine)을 개발을 통하여 금속표면의 연마작업을 수행할 때 금속표면으로부터 탈피되는 각 종이물질과 연마휠의 회전으로 발생되는 분진을 진공방식으로 집진하게 되고, 항상 작업자가 머신의 이동방향을 주시해야하는 불편함을 센서(카메라, 레이저스캐너 등)를 부착하여 작업환경인식과 작업진행시 발생할 수 있는 돌발적 위험상황에 대처하기 위한 장애물 판단이 가능한 구조를 가진 진공식 표면 연마기를 소개하도록 한다.

We propose a sweeping machine is equipped with a polyester filter to retain small particles of dust. The filter is washable and can be easily removed for maintenance purpose or eventual replacement. Research continues into key areas such as making the structure of machine as ship' s floor grinder as possible, and designing algorithms and systems for efficiency-related system technologies.

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문제 정의

본 연구에서는 산업용 연마머신의 구동원으로 사용되어지는 PMSM 전동기를 이용한 엔코더나 다른 측정장치 없이 센스리스로 속도를 제공하는 구동장치를 장착한 로봇형 연마머신의 구조를 소개하였다. 연마로봇 개발을 통한 기존의 작업보다 한층 더 높은 작업 능률을 확보할 수 있으며 표면 연마 시 내장된 구동모터의 동력으로 고속 회전하며 인버터에 의해 각 작업에 필요한 회전수를 작업자가 임의로 설정하여(RPM은 2000,4000,6000등 필요한 수치만큼 조절가능) 디스크페파를 통해 금속의 연마작업을 이동하면서 자유롭게 행하며 흡입팬을 통하여 작업시 발생하는 이물질 및 분진은 흡입관을 통하여 필터로 흡입하여 집진하는 구조로 모터 전동방식으로 내부에집진함으로 연마작업의 효율성을 증대시킬 수 있으며 환경과 작업자의 건강에도 도움을 줄 수 있는 효과가 있다.

제안 방법

- 추정용 신호를 중첩 시키지 않고 PWM 인버터의 출력 전압 고조파가 발생하는 고조파전류에서 인덕턴스를 연산하여 위치추정을 하는 방법을 적용하여 200W의 PMSM 모터 드라이브로 구현토록 한다.
6000RPM의 고속회전으로 연마작업을 실시하는 당사의 그라인더를 통한 연마 작업시 발생할 안전사고로부터 작업자를 보호할 수 있는 전용 안전 커버가 부착된 버큠 휠 커버를 개발한다. 버큠 휠커버는 청소기의 노즐에 해당하는 부분으로써 기존의 그라인더 등 동력공구의 보호커버와 함께 집진노즐의 역할을 동시에 수행하는 구조로 설계한다.
개발된 연마머신은 사용자의 다양한 요구를 수용하기 위해 독립된 다양한 I/O 보드를 통해 최적 시스템을 설계하였으며, On Board User Sequence 및 I/O 확장을 통해 최적 시스템 설계가 가능하도록 PLC Option을 제공하고 있다. 특히 PLC Option Card는 이미 많은 고객을 확보하고 있는 Master- K와 호환성이 있어 손쉽게 기존 시스템 대치가 가능하다.
본 연구에 사용된 로봇 연마기의 기구적 구성도를 그림 1에 나타내었다. 로봇형 연마기는 중앙의 PMSM 모터로 플랩휠을 구동하며 두 개의 볼 캐스터를 보조바퀴를 사용하여 평면작업시 작업 부위가 일정한 비율로 연삭이 이뤄질 수 있도록 하였다. 각 플랩휠 구동에 사용된 모터는 정격 DC 220[V], 10[A]로서 최대 회전속도가 6000[rpm]의 출력될 수 있도록 구현한다.
모터의 감속비로 인하여 큰 토크출력을 얻을 수 있으므로 로봇의 운동에 의한 동역학적 특성을 외란으로 처리하는 독립관절 제어가 가능하도록 구성한다.
그리고 설치 공간과 같은 많은 문제점을 포함하고 있다. 본 개발에서는 중첩의 정리를 기초로 하여 전동기의 상태방정식을 구속시의 여자전압과 상전류의 상태방정식 및 단락시의 역기전력과 상전류의 상태방정식인 두 조건으로 분리하여 해석한다. 이러한 해석을 근거로 하여 운전 중의 전동기 역기전력성분에 의한 단락전류를 간단히 산출하여 역기전력 성분을 해석함으로 위치각의 정보를 얻는 기법을 적용토록 한다.
신뢰성이 높고 내구성을 요구하며 진동과 소음이 있어서는 안되는 기기나, 고효율로 소비전력의 극소화를 요구하는 기기에서는 고효율화 설계기술로 제작된 PMSM 모터 제어기를 설계하였다. 따라서 회전자 위치정보를 얻기 위한 보편적인 방법으로는 레졸버나 엔코더 같은 위치센서를 이용한다.
본 개발에서는 중첩의 정리를 기초로 하여 전동기의 상태방정식을 구속시의 여자전압과 상전류의 상태방정식 및 단락시의 역기전력과 상전류의 상태방정식인 두 조건으로 분리하여 해석한다. 이러한 해석을 근거로 하여 운전 중의 전동기 역기전력성분에 의한 단락전류를 간단히 산출하여 역기전력 성분을 해석함으로 위치각의 정보를 얻는 기법을 적용토록 한다.
원심력을 이용하여 분진을 함유한 가스에 중력보다 훨씬 큰 가속도를 주게 되면, 분진과 가스와의 분리속도가 무게에 의한 침강과 비교해서 커지게 되는 원리를 이용한다. 입자가 큰 먼지에 대해서는 단독으로 사용할 수 있고 압력 손실이 50 ~ 150mmAq 정도이며, Cyclone형태인 집진장치로 구성하였고, 폐기물 소각처리 시설에 직경 300 ~ 400mm 정도의 사이클론을 여러 개 묶은 멀티 사이클론을 이용할 경우 85 ~ 95%의 집진 효율을 기대하여 분진량을 0.6 ~ 0.7 g/Nm3 정도로 집진할 수 있도록 하였다. 또한 큰 먼지의 집진에 유용한 이유로 미세한 입자의 제진에 대해서는 고효율 집진기의 전처리 장치로서 많이 활용되어지고 있는 Cyclone 형태로 구성하였다.

대상 데이터

7 g/Nm3 정도로 집진할 수 있도록 하였다. 또한 큰 먼지의 집진에 유용한 이유로 미세한 입자의 제진에 대해서는 고효율 집진기의 전처리 장치로서 많이 활용되어지고 있는 Cyclone 형태로 구성하였다.
본 연구에 사용된 로봇 연마기의 기구적 구성도를 그림 1에 나타내었다. 로봇형 연마기는 중앙의 PMSM 모터로 플랩휠을 구동하며 두 개의 볼 캐스터를 보조바퀴를 사용하여 평면작업시 작업 부위가 일정한 비율로 연삭이 이뤄질 수 있도록 하였다.

성능/효과

본 연구에서는 산업용 연마머신의 구동원으로 사용되어지는 PMSM 전동기를 이용한 엔코더나 다른 측정장치 없이 센스리스로 속도를 제공하는 구동장치를 장착한 로봇형 연마머신의 구조를 소개하였다. 연마로봇 개발을 통한 기존의 작업보다 한층 더 높은 작업 능률을 확보할 수 있으며 표면 연마 시 내장된 구동모터의 동력으로 고속 회전하며 인버터에 의해 각 작업에 필요한 회전수를 작업자가 임의로 설정하여(RPM은 2000,4000,6000등 필요한 수치만큼 조절가능) 디스크페파를 통해 금속의 연마작업을 이동하면서 자유롭게 행하며 흡입팬을 통하여 작업시 발생하는 이물질 및 분진은 흡입관을 통하여 필터로 흡입하여 집진하는 구조로 모터 전동방식으로 내부에집진함으로 연마작업의 효율성을 증대시킬 수 있으며 환경과 작업자의 건강에도 도움을 줄 수 있는 효과가 있다.

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