산업용 로봇 드릴링 정밀도 높이기 위한 방법

로봇의 장점

산업용 로봇은 다중 자유도, 넓은 작업 공간 및 높은 민첩성으로 인해 크고 복잡한 부품을 더 자주 가공하는 데 적용됩니다. 더욱이 산업용 로봇은 점차 정밀 가공 분야에 적용되고 있습니다. 그러나 드릴링 로봇의 가장 큰 문제는 직렬 매니퓰레이터의 구조로 인한 낮은 작동 강성과 절대 위치 정확도입니다. 진동 및 변형 현상은 로봇 드릴링 공정에서 자주 발생하여 위치 오류, 치수 정확도 및
표면 거칠기. 이러한 문제는 또한 드릴링 가공 분야에서 산업용 로봇의 적용을 제한합니다.

로봇 드릴링 공정

드릴링에 산업용 로봇의 응용을 촉진하기 위해 로봇 드릴링 공정에 대한 많은 연구가 연구되고 있습니다. 로봇의 엔드 이펙터로 특수 드릴 장치를 설계했는데, 이 장치는 압력 발로 구멍의 축을 식별하고 이송 메커니즘으로 도구 동작을 구동할 수 있습니다. 그러나 높은 비용과 무능한 품질로 인해 이 방법은 실제 적용에 부적합합니다. 나중에 드릴링 엔드 이펙터에 실시간 종단력을 계산하고 폐쇄 루프 제어를 달성하기 위해 로봇 컨트롤러에 데이터를 피드백하는 힘 피드백 장치를 장착하여 로봇의 전송 위치 정확도를 향상시킵니다. 그러나 특정 애플리케이션에 기반한 로봇 컨트롤러의 개발은 폐쇄된 제어 시스템으로 인해 쉽지 않습니다. 로봇 드릴링 시스템의 모달 해석 모델을 설정합니다. 드릴링 공정의 동적 특성은 모드 해석을 통해 예측됩니다. 실제 드릴링 공정에서 채터 현상은 공정 매개변수를 최적화하여 피할 수 있습니다.

다양한 실험적 연구를 통해 로봇의 강성 모델과 로봇 절대 위치 오차 모델의 보정을 통해 로봇 가공 정밀도를 향상시킬 수 있음을 확인했습니다. 직경 오차, 형상 오차 및 위치 오차는 가공 정밀도를 평가하는 지표입니다. 로봇에 의해 가공된 구멍의 직경오차와 형상오차에 대한 연구는 주로 위치 오차를 분석한다. 위치 오차는 로봇 드릴링 공정에서 가장 흔한 가공 오차입니다. 따라서 본 논문에서는 특히 위치오차 감소를 목적으로 드릴 홀 적용 시 로봇의 강성과 위치오차를 연구한다.

로봇 강성 모델을 식별하는 두 가지 일반적인 방법이 있습니다. 하나는 강성모델의 이론계산방법이다. 조인트 전달 구성 요소의 구조 및 매개 변수 분석을 기반으로 파생된 수학적 모델에 의해 조인트 강성 값이 추정됩니다. 또 다른 방법은 로봇의 변형을 측정하는 실험적 방법으로 동적 변형 실험과 정적 변형 실험으로 구분할 수 있다. 동적 변형 실험에서는 로봇 끝에 펄스 가진력을 가한 후 가속도 센서를 통해 각 관절에서 절대 변형을 측정한다.

그러나 이와 같이 로봇 강성 모델을 구축하기 위해서는 방대한 양의 데이터와 복잡한 데이터 처리 절차가 필요하다. 정적 변형 실험은 로봇의 엔드 이펙터에 다른 위치에 외력을 가한 다음 레이저 트래커를 사용하여 끝 변형을 측정하여 수행됩니다. 관절 변수의 선형 방정식을 기반으로 로봇 관절 강성 실험 모델은 행렬 연산으로 식별됩니다. 실험 결과에 따르면 일반 산업용 로봇의 조인트 강성은 일반 CNC 기계의 값 50N/μm에서 1N/μm 미만이며, 이는 로봇 드릴링에서 낮은 가공 정확도의 주요 원인입니다. 로봇 강성 모델은 로봇 자세를 최적화하여 조인트 변형을 줄이고 그에 따라 더 나은 가공 품질을 위해 공구 경로 오류를 줄이는 데 사용됩니다.

로봇 강성 모델 제작 방법

로봇 드릴링에서 구멍 위치 오차에 대한 보상 전략을 수립하기 위해서는 먼저 로봇 강성 모델을 설정해야 합니다.
로봇 작동 강성 모델은 강성 최적화 및 변형 계산의 기초를 제공합니다. 강성 모델을 확립하는 데 있어서 레이저 트래커는 다양한 자세에서 로봇에 가해지는 외력에 의해 발생하는 끝단 변형을 반복적으로 측정합니다. 그리고 로봇 관절 강성 모델은 관절 변수의 선형 방정식의 행렬 연산을 통해 얻을 수 있습니다. 마지막으로 로봇의 기구학적 야코비안 행렬과 기계적 야코비안 행렬에 따라 관절 강성과 작동 강성 간의 매핑 모델이 설정됩니다.

로봇의 변형된 기계적 구조는 관절과 연결 장치입니다. 정격하중 조건의 경우 로봇 링키지의 강성이 양호하여 관절 변형을 주로 고려한다. 본 논문에서는 이전 연구 에서 구축한 로봇 가공 시스템을 활용한다. 그리고 로봇과 관련된 초기 공작물 클램핑 위치는 이전 연구 결과에 따르면 로봇 가공 시스템의 우수한 동적 특성을 달성하기 위해 Y 좌표에 가깝고 WCS(World Coordinate System)의 원점에 최대한 가깝습니다.
로봇 드릴링 공정에서 드릴의 이송 방향을 홀 축과 일직선으로 유지하기 위해 로봇 자세가 분명히 바뀌지 않으며, 이 역시 포인트 투 포인트 가공 작업으로 인해 지속적으로 변경할 필요가 없습니다. 따라서 더 높은 로봇 작동 강성을 위해서는 로봇 끝 플랜지에 드릴을 구동하는 전동 스핀들의 설치 각도를 최적화해야 하며, 이는 특정 구멍을 드릴링할 때 로봇 자세에 영향을 미치므로 로봇 작동 강성에 영향을 미칩니다.

로봇 자세 최적화 방법

로봇 드릴링 시스템은 직경, 위치 및 축 방향이 다른 하나의 클램핑 내에서 공작물의 많은 그룹을 신속하게 가공하는 데 항상 필요합니다. 따라서 각 구멍을 천공하기 위한 로봇 작동 강성 행렬의 최소 특이값을 기반으로 설치 각도의 다목적 최적화의 적합도 함수가 설정됩니다. 그런 다음 공작물 구멍의 전체 가공 정확도를 보장하기 위해 로봇 끝 플랜지에서 전동 스핀들의 최적 설치 각도를 찾아 최대 로봇 작동 강성을 얻습니다.