A Study on Design and Durability Analysis of Vertical Multi-Jointed Robot with Translational Joint to adapt in the High Temperature Environment

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

Abstract

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.

1. 서론

21C 접어들면서 제조 산업에서 가장 심각한 문제점은 뿌리산업이라 할 수 있는 주조 및 단조 공정의 작업기피 현상, 노동인력의 부족 및 인건비 상승 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. 더욱이 1250℃ 이상으로 가열된 소재의 열이 프레스 작업자에게 직접 전달되기 때문에 작업자는 특수 작업복을 입은 상태로 작업해야 하고 10-30kg의 고 중량 소재를 이동 시키는 작업이 동시에 수행되고 있기에 작업자의 육체적 노동강도는 매우 높은 상태로 대부분의 작업자들이 이 분야 업무를 기피하고 있는 열악한 상황. 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 산업이 면서도 인력난 및 기술부족의 어려움으로 단 조품의 고정밀화, 고기능화 및 저 원가 추세 등의 기술 환경 변화에 적절히 대처하지 못하 고 있어, 제품의 가격 경쟁력 및 기술 경쟁력 이 상실되고 있기 때문에 국가 기간산업으로 서의 그 위치가 흔들리고 있는 실정이다. 따라 서 기술 인력의 부족 및 기술 환경 변화 등을 극복하고 단조 품질의 균일성, 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]

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.[3]

2. 본론

2.1 내열 6축 수직다관절 로봇의 기구학적 해석 및 특성 분석

정 기구학(forward kinematics)의 해석은 N-링크 머니퓰레이터 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.

Fig. 1 Kinematic analysis of robot manipulator

수직다관절 로봇의 정기구학 해석의 문제는 주어진 로봇 매니퓰레이터의 관절변수 값의 조합에 의해서 만들어지는 매니퓰레이터 말단장치의 위치와 자세(orientation)를 구하여 직교좌표 값으로 표현하는 문제이다. 그리고 6축 로봇 매니퓰레이터는 손목부분의 위치인 관절 4, 5, 6의 관절 축들이 모두 교차하고, 교차점들은 각 축의 좌표계의 원점들과 일치한다. 내열 6축 수직다관절 로봇의 좌표계를 설정하면 다음과 같다.[4,5,6]

Fig. 2. 에 나타낸 6축 수직다관절 로봇의 정기구학 식은 다음과 같이 표현된다.

\(\begin{align}{ }^{0} T_{6}={ }^{0} T_{1}{ }^{1} T_{2}{ }^{2} T_{3}{ }^{3} T_{4}{ }^{4} T_{5}{ }^{5} T_{6}=\left[\begin{array}{cccc}\theta_{1} & - s \theta_{1} & 0 & 0 \\ s \theta_{1} & \theta_{1} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1\end{array}\right]\end{align}\) (1)

\(\begin{align}\begin{array}{l} {\left[\begin{array}{cccc} c \theta_{2} & -s \theta_{2} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ -s \theta_{2} & -c \theta_{2} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc} c \theta_{3} & -s \theta_{3} & 0 & a_{2} \\ s \theta_{3} & c \theta_{3} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{array}\right]} \\ {\left[\begin{array}{cccc} c \theta_{4} & -s \theta_{4} & 0 & a_{3} \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ -s \theta_{4} & -c \theta_{4} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc} c \theta_{5} & -s \theta_{5} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ s \theta_{5} & c \theta_{5} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{array}\right]} \\ {\left[\begin{array}{ccrr} c \theta_{5} & -s \theta_{5} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & -1 & 0 \\ s \theta_{5} & c \theta_{5} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc} r_{11} & r_{12} & r_{13} & p_{x} \\ r_{21} & r_{22} & r_{23} & p_{y} \\ r_{31} & r_{32} & r_{33} & p_{z} \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{array}\right]} \end{array}\end{align}\)       (2)

Fig. 2 6-Axis vertical multi-joint robot

여기서 θ₁, θ₂, θ₃, θ₄, θ₅, θ₆는 관절변수를 나타내고, cθ_i는 cosθ_i, sθ_i는 sinθ_i 나타낸다.[7,8]

그리고 역기구학의 해를 구하는 방법에는 크게, 폐형식(Closed-form)해와 수치 (Numerical)해 두가지로 분류된다. 폐형식해는 해석적 표현에 의해 해를 구하는 방법으로 기하학적 방법과 대수적인 방법으로 분류되며, 수치 해는 반복계산에 의해 해를 구하는 방법이다. 일반적으로 폐형식 해는 단순한 기구학구조를 갖는 매니퓰레이터에서는 사용되어지나 6자유도를 갖는 매니퓰레이터는 폐형식에 의한 역기구학 해는 없다.

따라서 본 연구에서는 기존의 역기구학 해석방법에서 미분제어기에서 발생하는 오차를 보상해주기 위하여 미분제어기 대신에 피드백을 사용하는 새로운 방법을 적용하여 역기구학을 해석하였다.[9,10]

Fig. 3 6-axis vertical articulated robot link coordinate system

2.1.1 수직다관절로봇 구조 설계

Fig. 4 Shape and structure of 6-axis vertical articulated robot (3D modeling)

Fig. 5 Structure and specification of each link

2.1.2 내열 수직다관절 로봇 구조해석

본 연구에서 유한요소법을 이용하여 6축 수직 다관절 로봇 아암에 대한 구조 해석을 수행하고 신뢰성을 분석하였다. 구조해석 방법은 6축 수직 다관절 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]

Table 1. Materials and Properties

Table 2. Size of load

2.1.3 6축 수직다관절 로봇의 구조해석 결과

Fig. 6 Structural analysis results of 6-axis vertical articulated robot

Fig. 7 Results of thermal analysis of vertical articulated robot (50℃)

Fig. 8 Analysis of Thermal Deformation of Vertical Multi-Joint Robot (50℃)

Fig. 9 Heat Resistant Robot Joint (7 axis) Integrated System 3D Modeling

구조해석 결과 응력이 모두 Table.3에 요약된 결과와 같이 모재부와 용접부의 항복강도 및 피로강도 값 이내에 있으므로 제안된 로봇의 설계 사양은 양호하고 안전한 설계 사양으로 확인 하였다.

Table 3. Structural analysis result table of each link

2.2 내열 로봇시스템의 열내구성 분석

2.2.1 열응력 및 열변형 해석 방법

- 본 연구에서 유한요소법을 이용하여 내열 수직다관절로봇시스템의 이동형 병진관절 (7축)에 대한 열응력 및 열변형 해석을 수행하고 신뢰성을 분석하였다.

- 내열 수직 다관절로봇 시스템의 이동형 병진관절(7축)의 구성요소는 이송프레임, 이송레일, 이송판 등으로 구성된다.

- 열응력 및 열변형 해석 방법은 내열 수직다관절로봇시스템의 이동형 병진관절 (7축)의 3D 모델링의 설계사양을 토대로 ANSYS 15Version을 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.

2.2.2 고온내열 로봇 병진관절의 구조강도 해석 및 특성 분석

Table 4. Materials and Properties

Fig. 10 Structural analysis results of mobile translational joint(7 axis) transport

Table 5. Structural Analysis of Movable Joints (weight : 1000kg)

2.2.3 내열 로봇시스템의 이동형 병진관절(7축)의 열응력/열변형 해석 및 열 내구성 분석

<열응력 및 열변형 해석 방법>

- 본 연구에서 유한요소법을 이용하여 내열 수직다관절로봇시스템의 이동형 병진관절 (7축)에 대한 열응력 및 열변형 해석을 수행하고 신뢰성을 분석하였다.

- 내열 수직 다관절로봇 시스템의 이동형 병진관절(7축)의 구성요소는 이송프레임, 이송레일, 이송판 등으로 구성된다.[13,14]

- 열응력 및 열변형 해석 방법은 내열 수직다관절로봇시스템의 이동형 병진관절 (7축)의 3D모델링의 설계사양을 토대로 ANSYS 15Version을 사용하여 병진관절 (7축)에 대한 전체 4개 Area(320 ANSYS Point)에 대한 열응력 및 열변형 해석을 해석하고, 이에 대한 결과를 소재의 최대항복응력 및 최소항복 응력과의 비교 분석을 통해 신뢰성을 확인하였다.

2.3 수직다관절 로봇 그리퍼의 열 내구성 해석

2.3.1 열특성 해석 방법

i) 본 논문에서는 유한요소법을 이용하여 6축

수직다관절 로봇 아암 및 그리퍼에 대하여 제조공정 상시 온도인 섭씨 800도에 대한 열응력 및 열변형 해석을 수행 하였다.

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 최소 항복 응력과의 비교분석을 통해 신뢰 성을 확인하였다. Fig.11는 그리퍼의 기본 구조를 나타낸다.[15,16]

Fig. 11 The structure of robot gripper system

2.3.2 그리퍼 구조

1) 그리퍼의 소재 소재선정

3. 열 내구성 해석

3.1 그리퍼의 열응력 및 열변형 위치

그리퍼의 열응력 해석위치는 그리퍼의 중요한 부분의 7개 위치를 지정하여 해석 하였다. Table. 6은 그리퍼 소재의 사양 및 특성을 나타내고 있다.[17,18]

Table 6. Type of material

Table 7. Gripper material and characteriics

3.1.1 그리퍼 PA의 해석 위치(point)설정 (PA1∼PA4) 및 열 내구성 해석

Fig. 12 Position selection of thermal stress analysis on Gripper Position PA

① 그리퍼의 포인트 PA의 열 응력 해석 결과(Pa1, Pa2, Pa3, Pa4)

Fig. 13 Thermal stress analysis of point PA

3.1.2 그리퍼 열 내구성 해석 결과

Table 8. Gripper heat durability analysis result

1) 이동형 병진관절(7축) 이송프레임의 열응력 해석 결과

Fig. 14 Structural and Thermal Stress and Deformation Analysis Points of Movable Jointed (7 Axis) Transfer Rails (8point)

2) 이동형 병진관절(7축) 이송프레임의 열 변형 해석 결과

① 이동형 병진관절(7축) 이송프레임의 열 응력 해석 결과(200 ℃)

Fig. 15 Thermal Stress Analysis of Transverse Joint (7-Axis) Transfer Frame

Table 9. Thermal stress analysis result of moving frame (7 Axis)

Table 10. Thermal Stress of Movable Joint Transfer Rails Analysis result analysis data

3.1.3 이동형 병진관절 구동액추에이터 동적 특성분석 및 안정성 분석

1) 감속 및 등속시간, 주기 계산

부하패턴에 따른 속도 Profile에 대해, 주어진 주행거리 및 회전수, 최대이동속도 등을 고려하여, 주기(t), 가속(t_a), 감속(t_d) 및 등속(t_c) 시간을 다음과 같이 산출된다.[19]

\(\begin{align}\begin{array}{l}t=\frac{60}{n} \\ t_{a}=t_{d}=t_{m}-\frac{60 \times l}{v_{L}}=t_{m}-\left(t_{a}+t_{c}\right) \\ t_{c}=t_{m}-t_{a} \times 2\end{array}\end{align}\) 

여기서, 주행거리 = v_L x (t_a + t_c)가 된다. 그리하여 v_L은 분당거리이고 시간(t)은 초 단위이므로 (t_a + t_c)는 주행거리를 초당 최대 이송 속도(v_L)로 나눈 값으로 정의된다.[20]

2) 모터 회전 속도 산출

모터 회전 속도는 부하 속도를 볼스크류 리드(PB)값으로 나눈 값으로 유도된다.[21]

\(\begin{align}n_{L}=\frac{v_{L}}{P_{B}}\end{align}\)

3) 부하 토크 계산

회전 출력시의 모터 토크와 각속도의 곱이 직선운동시의 출력인 힘과 이송 속도의 곱으로 환산된다고 볼 수 있으므로, 다음과 같은 식으로 정의된다.[22]

T_L∙ w_M = F ∙ v_L

여기서, T_L은 모터 부하토크, w_M은 모터 각속도, F는 가반 하중을 직선으로 이송시키기 위해 필요한 힘, v_L은 직선운동시의 최대 이송 속도를 표시한다. 그리하여, 모터 부하 토크는 감속비 R과 효율 η을 고려하여 다음과 같이 표시할 수 있다.[23]

여기서 w_M = 2πn_M, n_M = n_L ∙ R이므로 모터 부하토크(T_L)은 다음과 같이 유도된다.

\(\begin{align}T_{L}=\frac{F \cdot v_{L}}{w_{M} \cdot R \cdot \eta}=\frac{(\mu m g) \cdot\left(P_{B} n_{L}\right)}{2 \pi n_{L} R \eta}\end{align}\)

따라서, 모터 부하 토크는 다음과 같이 정의된다.

\(\begin{align}T_{L}=\frac{9.8 \mu m P_{B}}{2 \pi R \eta}\end{align}\)

4) 부하 Inertia 산출

직선운동의 부하 Inertia는 질량과 리드의 제곱에 비례하며, 볼스크류와 커플링의 부하 Inertia는 원통 회전체의 Inertia 산출식에 따라 다음과 같이 정의된다.

Linear Motion

\(\begin{align}J_{L 1}=\frac{m\left(v_{L}\right)^{2}}{\left(w_{L} R\right)^{2}}=\frac{m\left(P_{B} n_{L}\right)^{2}}{\left(2 \pi n_{L} R\right)^{2}}=m\left(\frac{P_{B}}{2 \pi R}\right)^{2}\end{align}\)

Ball Screw :

\(\begin{align}J_{B}=\frac{1}{8} m_{B} d_{B}^{2}=\frac{\pi}{32} \rho l_{B} d_{B}^{4}\end{align}\)

(여기서, \(\begin{align}m_{B}=\rho \times \pi \times\left(\frac{d_{B}}{2}\right)^{2} \times l_{B}\end{align}\))

Coupling : \(\begin{align}J_{C}=\frac{1}{8} m_{C} d_{C}^{2}\end{align}\)

그리하여, 모터 축에 가해지는 총 부하는 다음과 같이 정의된다.

총 부하 Inertia = Linear Motion Inertia + Ball Screw Inertia + Coupling Inertia

5) 구동 액추에이터의 가선정

다음 사항을 고려하여 모터를 가선정한다.

T_L ≤ 모터정격토크

ηπ_M ≤ 모터 정격 회전속도

J_L ≤ 모터의 허용 부하 관성

6) 가감속 토크 계산

가속 토크 : \(\begin{align}T_{a}=\frac{\left(J_{L}+J_{m}\right) \times 2 \pi n_{L}}{60 t_{a}}+T_{L}\end{align}\)

감속 토크 : \(\begin{align}T_{d}=\frac{\left(J_{L}+J_{m}\right) \times 2 \pi n_{L}}{60 t_{a}}-T_{L}\end{align}\)

7) 가선정 구동 액추에이터의 토크 확인

다음 사항을 고려하여 선정된 모터의 토크를 확인하였다.

① 최대토크

T_a < 모터 최대 토크

② 실효토크

\(\begin{align}T_{s}=\sqrt{\frac{T_{a}^{2} \times t_{a}+T_{L}^{2} \times t_{c}+T_{d}^{2} \times t_{d}}{t}}< \text {모터정격토크}\end{align}\)

상기와 같은 방법과 절차를 통해서 분석한 고온내열 수직다관절로봇의 이동형 병진관절 (7축) 구동 액추에이터의 안정된 동적 특성 분석 결과를 아래의 표에 나타내었다.

Table 11. Dynamic characteristics and stability analysis results of driving actuator

① 이동형 병진관절(7축)의 구동 모터 동적 특성 분석

Fig. 16 Speed according to the load pattern of driving motor

ⓐ 부하특성 검토 분석 조건

ⅰ)평균부하토크(T_m)계산

ⅱ) 평균 출력 회전수(N_m) 계산

ⅲ) 감속기를 가선정

ⅳ) 수명(L_h)을 계산

ⅴ) 출력 회전수 요건 검토

ⅵ) 기동 및 정지시의 토크 요건 검토

ⅶ) 비상정지 및 외부 충격 토크 분석

ⅷ) 출력축 경사각도 분석 검토

ⅸ) 부하 Moment 분석 및 검토

ⓑ 분석 방법

이동형 병진관절(7축) 수직다관절 로봇의 모터 및 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.

Table 12. The Final Actuation Requirements for the Actuator of a Movable Type Jointed Articulated Multi-Jointed Robot

ⓒ 내열 수직다관절로봇의 구동액추에이터의 동적 특성

Table 13. Dynamic Characteristics of Driving Actuator of Movable Joint

4. 고온내열 로봇 시제품 신뢰성 검증

고온 환경에 적용 가능한 가반하중 50Kg급 내열 로봇 시제품을 개발하고 단조 공정에 1년간 적용을 통하여 신뢰성 검증을 하였다.

Fig. 18은 개발된 내열 로봇의 3D모델링 구조를 나타낸다. 그리고 Fig. 19는 개발된 고온내열 로봇의 시제품 모델을 나타내고 있다.

Fig. 17 3D modeling of robot system

Fig. 18 The developed robot system prototype

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.

5. 결론

본 연구에서는 근로자들의 작업 기피가 고온의 작업환경인 주조 및 단조 제조공정의 무인자동화 실현을 위하여 주조 및 단조 부품의 자율핸들링과 트리밍작업을 위한 고온 환경에서도 적용 가능한 내열성구조의 7축 다관절 로봇을 개발하였다. 그리고 주단조 부품 핸들링 작업용 그리퍼 설계 및 열 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.

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 실현할 수 있는 그리퍼를 설계하고, 실제 주조 및 단조 작업환경에서 적용할 수 있는 내구성 확보를 위해 이에 대한 열 변형 및 특성을 분석하여 열 내구성에 대한 신뢰성을 검증하였다.