CNC 선반의 공작물 장착 및 탈착을 위한 겐츄리 로봇의 빔 설계
Copyright © The Korean Society for Precision Engineering
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Abstract
This paper describes the design of the beam of a gantry robot for Computer numerical control (CNC) lathe that can automatically attach and detach a workpiece. The gantry robot takes the unprocessed workpiece from the stoker and mounts it on the chuck of a CNC lathe. The robot then removes the processed workpiece fixed to the chuck and places it in the processed workpiece stoker. The workpiece consists of a body, x-axis beam, x-axis driving device, y-axis beam, y-axis driving device, z-axis beam and z-axis driving device. Finite element analysis was performed to design the x-axis beam, the y-axis beam, and the z-axis beam. Based on the results, the optimal size of the x-axis beam was designed to have a size of 150 mm × 150 mm × 4681 mm with a thickness of 9 mm. The x-axis beam is less eccentric in the position of the chuck of the CNC lathe.
Keywords:
Gantry robot, Computer numerical control lathe, Finite element method, Didplacement, Stress키워드:
겐츄리 로봇, CNC 선반, 유한요소법, 변위, 응력1. 서론
자동차산업, 공작기계산업, 조선산업 등 각종 산업에서는 완성품을 만들기 위해서는 각 부품 들이 존재하고 이 부품들은 많은 부분 가공을 해야 하는 금속과 비철금속으로 구성된다. 가공 해야하는 가공품들은 선반, 밀링 등 각종 공작 기계를 사용하고 있고, 이들 공작기계는 발달을 거듭하여 지능을 가지는 정도로 진보되고 있다. 최근의 CNC (Computer Numerical Control) 선반은 공작물을 정밀하게 가공할 수 있으나 초재를 척에 장착하고 가공된 공작물을 탈착시키는 문제가 있어 이를 위한 자동화 연구가 진행되고 있다. CNC 선반 등을 이용하여 공작물을 자동으로 가공하기 위해 공작물 초재를 자동으로 공작기계의 척 위치로 이동하여 장착시키고 가공된 공작물을 탈착시키는 방법은 첫째, 산업용로봇을 이용하는 것이 있다. 이 방법은 고가인 6축 다관절 산업용로봇과 공작물 초재와 가공물을 적재하는 적재 함을 CNC 선반 앞에 배치해야 하기 때문에 큰 면적이 필요한 단점을 가지고 있다. 둘째, 스카라 로봇을 이용하는 방법은 산업용로봇(Industry Robot)을 이용하는 방법과 마찬가지로 스카라로봇(Scara Robot)과 공작물 적재함을 공작기계의 앞에 설치해야 하는 단점을 가지고 있다. 산업용로봇과 스카라로봇을 이용하는 방식은 10 kg 이상의 공작물을 잡아 장착과 탈착을 하기 위해서는 대형 로봇을 사용하야 하고, 이로 인해 설치비용이 크게 발생한다. 그리고 직교로봇의 일종인 대형 겐츄리 로봇(Gantry Robot)은 여러 대의 공작기계를 일렬로 배치하고, 공작기계 위로 길게 설치하여 하나의 로봇이 동종 및 다양한 종류의 공작기계에 초재와 가공품을 장착과 탈착을 한다. 또한 소형 겐츄리 로봇은 공작기계의 양쪽 측면 바닥에 로봇의 기둥을 세우는 방식으로 사용되고 있다.
Lee1는 Gantry Type의 공작기계를 소형으로 모델링하였으며, 가로보(Cross Rail) 오른쪽 끝과 이동하는 블록에 센서를 설치하여 고정점과 이동점에서의 처짐량을 측정하였다. 고정점에서의 처짐량을 통해 블록이 이동할 때 생기는 처짐량을 예상하여 보상하는 것이 이 연구의 목적이며, 그것을 예상하는데 있어서는 이론식을 사용하였다. 처짐량을 보상하는 방법으로는 위에서 열거한 것과 같은 방법이 아닌 처짐량의 크기만큼 가로보를 위로 볼록하게 제작(Crown)하는 방법을 제시한다. 이것은 공작물 장착 및 탈착을 위한 겐츄리 로봇이 아닌 공작기계의 가로보를 설계하였다. Lee2는 처짐량 변위 측정센서(Linear Variable Differential Transformer, LVDT)를 이용하여 Y축 이동장치가 이동할 때 공작기계 가로보의 가공점 위치 처짐량을 실시간으로 측정 및 분석하였다. 본 논문도 공작기계 자체의 가공점에서의 처짐량을 측정하는 것이다. Park3은 대형 겐츄리 형태(Gantry Type) 공작기계의 구조를 절삭력 300 N, 진동수 120 Hz의 조건으로 소프트웨어를 이용하여 구조해석을 실시하였다. Lee4는 겐츄리형 공작기계의 겐츄리가 베드를 따라 절삭, 급송 이송할 때 발생하는 각도 오차 및 양쪽 기둥(Column)의 비슷한 무게로 인해 이송 중 발생하는 Zig-Zag Motion을 구조해석을 통하여 변형에 강한 구조의 가로보를 설계하였다. Kim5은 3축 고속 고중량 이송로봇이 레일을 타고 고속으로 이동할 때 시스템의 전체의 무게 분포에 따른 변위와 레일에 미치는 반력에 대해서 동력학 해석을 통해 안정성을 분석하였다. Kim6은 갠트리 로봇의 고속화를 위해 위치 프로파일이 잔류 진동에 대한 영향을 분석하였고 위치 정밀성을 위해 기구적인 커플링 효과를 제거한 회전형 듀얼 서보 겐트리로봇을 개발하였다. 또한 추종오차를 감소시키기 위해 시간지연을 보상하기 위한 필터를 제안하였다. Lee7은 외부 영향에 의해 크레인이 횡방향과 종방향으로 흔들릴 때 크레인 시스템을 3차원으로 모델링하고, 스프레더가 받는 영향을 해석하였다. Cho8는 겐트리 로봇의 흔들림을 파악하기 위해 동적 모델링을 하였고, 이론해석을 실시하였으며, 시뮬레이션을 통해서 그 유효성을 보였다. Kim9은 3축 고속 고중량 이송로봇이 레일을 타고 고속으로 이동할 때 시스템 전체의 무게 중심 분포에 따른 변위와 레일에 미치는 반력에 대해 동력학 해석을 통해 안정성분석을 실시하였다. Park10은 대형의 공작물을 빠른 시간에 교환하여 생산성을 향상시킬 수 있는 슬라이드형 공작물 교환장치를 설계하였으며, 이에 장치의 설계와 더불어 슬라이드부에 대한 구조해석을 진행하였다. Kim11은 물류로봇시스템의 동력전달부 손실과 기어 백래쉬(Backlash)를 없앤 휠 구동형 고속 기구부 주행에 대한 경량화 안정성 평가를 체계적화하기 위해 구조해석을 실시하였다. Jang12은 직교좌표계 3축의 캔트리 로더에 부착할 수 있는 유연한(Flexible) 3자유도 형태의 관절형 로봇에 관한 해석을 수행하였다. Li13는 겐츄리형 공작기계의 이론적인 구조해석을 위해 모델링하였고, 이중 구동동기 제어시스템을 설계하였다.
현재까지 사용되는 CNC 선반의 공작물 장착 및 탈착을 위한 로봇들은 설치에 있어 큰 지면을 요구되고, 설치비용이 크다는 단점을 가지고 있다. 그러므로 공작기계에 로봇이 직접 부착되고 초재 적재함과 가공물 적재함이 각각 공작물 양 측면에 위치하고, 겐츄리 로봇을 이용하여 초재 적재함으로부터 초재를 공작기계의 척에 장착하고 가공 후 가공물을 가공물 적재함에 적재하는 방식의 공작물 자동 장탈착 일체형 CNC 선반의 개발이 필요하다. 그리고 겐츄리 로봇의 설계시 구성되는 부품들(X축 빔, Y축 빔, Z축 빔)의 응력(Stress) 및 변위(Displacement)해석이 필요하다.
본 논문에서는 공작물 자동 장착 및 탈착이 가능한 CNC 선반 부착용 겐츄리 로봇의 빔을 설계 하였다. 3축 겐츄리 로봇의 X, Y, Z축 빔을 3차원으로 개념 설계하였고, 겐츄리 로봇의 그리퍼가 10 kg의 공작물을 잡았을 때를 기준으로 소프트웨어를 이용하여 응력 해석과 변위해석을 실시하여 각 축의 빔의 크기를 결정하였다. 해석결과를 토대로 CNC 선반 부착용 겐츄리 로봇의 X축 빔, Y축 빔, Z축 빔을 설계하였다.
2. CNC 선반 부착용 겐츄리 로봇 빔 설계
2.1 CNC 선반 부착용 겐츄리 로봇의 기본 원리
공작물 장착 및 탈착을 위한 CNC 선반 부착용 겐츄리 로봇은 CNC 선반에 부착하여 공작물의 초재를 적재함으로부터 잡아 공작기계의 척의 위치까지 이동하고, 척에 물려주며, 가공된 가공물을 잡아 가공물 적재함으로 이동한다. 이와 같은 움직임을 갖기 위해서는 겐츄리 로봇은 X, Y, Z축으로 직교로 이동한다. Fig. 1은 CNC 선반 부착용 겐츄리 로봇의 기본 원리를 나타내고 있고, 겐츄리 로봇은 몸체(Body), X축 빔(X-Axis Beam), X축 구동장치(X-Axis Driving Device), Y축 빔(Y-Axis Beam), Y축 구동장치(Y-Axis Driving Device), Z축 빔(Z-Axis Beam), Z축 구동장치(Z-Axis Driving Device) 등으로 구성된다. 몸체의 하단부는 중공 사각빔(125 mm × 125 mm × 1250 mm, 두께 6 mm), 상단부는 중공사각빔(100 mm × 100 mm × 526 mm, 두께 6 mm)을 이용하여 높이 1176 mm가 되도록 Fig. 1에서 나타낸 것과 같이 용접과 볼트를 이용하여 고정하였다. 좌측과 우측기둥의 중심선 사이의 간격은 2271 mm이고, 좌우측 기둥의 중심 선으로부터 X축 빔이 양쪽으로 각각 1205 mm 나와 고정되었다.
Basic principle of gantry robot for CNC lathe
X축 빔은 중공사각빔(150 mm × 150 mm × 4681 mm) 을 이용하였고, 공작물을 잡은 그리퍼, Y축 구동장치, Z축 구동장치, Y축 빔, Z축 빔 등을 지지한다. Y축 빔은 중공사각빔(80 mm × 80 mm × 1225 mm, 두께 4 mm)을 사용하였고, 공작물을 잡은 그리퍼를 지지한다. Z축 빔은 중공사각빔(80mm× 120mm× 740mm, 두께4 mm)를 사용하였고, 공작물을 잡은 그리퍼, Y축 구동장치, Y축 빔을 지지한다. X축 구동장치는 공작물을 잡은 그리퍼, Y축 구동장치, Z축 구동장치, Y축 빔, Z축 빔 등을 X축을 따라 이동시키고, Y축 구동장치는 공작물을 잡은 그리퍼, Y축 빔을 Y축으로 이동시킨다. 그리고 Z축 구동장치는 공작물을 잡은 그리퍼, Y축 구동장치, Y축 빔, Z축 빔을 Z축을 따라 이동시킨다. Fig. 1에서 나타낸 공작물의 위치는 CNC 선반의 척에 초재를 장착 및 탈착하는 위치(X = 2275 mm, Y = 723 mm, Z = 577 mm)이다. 겐츄리 로봇이 CNC 선반에 부착되어 공작물을 장착과 탈착을 안전하게 수행하기 위한 X축 빔, Y축 빔, Z축 빔의 크기를 결정하기 위해 구조해석이 실시해야 한다.
2.2 CNC 선반 부착용 겐츄리 로봇 빔의 구조해석
Fig. 2는 CNC 선반 부착용 겐츄리 로봇이 공작물을 초재 적재함으로부터 가공물 적재함까지 움직이는 경로를 나타내고 있다. Fig. 2(a)는 초재 적재함으로부터 초재를 그리퍼로 잡는 위치, Fig. 2(b)는 초재를 잡은 그리퍼가 y축과 Z축으로이동한 위치, Figs. 2(c)는 2(b)의 상태에서 X축 초재 장착위치로 이동한 위치, Fig. 2(d)는 초재 및 가공물을 장착 및 탈착 위치, Fig. 2(e)는 초재를 잡은 그리퍼가 Y축과 Z축으로이동한 후 X축으로 가공물 적재함까지 이동한 위치, Fig. 2(f)는 가공물을 가공물 적재함에 놓는 위치를 각각 나타내고 있다. X, Y, Z축 빔들은 Fig. 2(a)의 위치(초재 잡는 위치: X = 256 mm, Y = 723 mm, Z = 577 mm), Fig. 2(d)의 위치(공작물의 장착 및 탈착위치(공작물 장착 및 탈착위치): X = 2275 mm, Y = 723 mm, Z = 577 mm), Fig. 2(f)의 위치(가공물을 놓는 위치: X = 4425 mm, Y = 723 mm, Z = 577 mm)의 위치에서 구조해석을 실시한다. 이와 같이 구조해석 위치를 결정한것은 겐츄리 로봇이 초재를 선반 척에 장착하고 탈착하는 위치에서의 변위와 응력이 가장 중요하고, 초재 적재함으로부터 초재를 잡고, 가공물 적재함에 가공물을 놓는 위치에서 빔의 변위가 가장 크게 발생하기 때문이다.
Moving path of gantry robot for CNC lathe
구조해석은 응력해석(Stress Analysis)과 변위해석(Displacement Analysis)으로 구분되고 상용화된 X축 빔, Y축 빔, Z축 빔을 선택하기 위해 실시하고, 특히, 공작물의 척에 넣는 위치에서 변위는 매우 중요하므로 X, Y, Z축의 편차가 가능한 한 작도록 설계한다. 이것은 척이 공작물을 잡을 때 척과 로봇의 그리퍼가 손상되지 않도록 하기 위함이다.
X축 빔은 상용화된 중공사각빔 크기가 150 mm × 150 mm × 4681 mm와 100 mm × 200 mm × 4681 mm이고, 재질 SS400을 선택하여 구조해석을 실시하여 공작물을 공작물 장착 및 탈착위치에서 변위가 가장 적합한 빔을 선택한다. 그리고 Y축 빔과 Z축 빔은 X축 구동장치, Y축 구동장치, Z축 구동장치 등을 고정하는것 등을 고려하여 결정하였다. Y축 빔은 상용화된 중공사각빔 크기가 80mm × 80mm × 1225mm(두께 4 mm)이고, 재질이 A2024P-T4을 사용하였으며, z축 빔은 상용화된 중공사각빔 크기가 80 mm × 120 mm × 740 mm(두께 4 mm)이고, 재질이 A2024P-T4를 선택하여 안전한지를 판단하기 위한 구조해석을 실시하였다. 이와 같이 상용화된 빔을 사용하는 것은 빔 위에 장착되는 부품을 고려하여 결정하였고, 빔의 가격이 가공하는 것보다 저렴하기 때문이다.
Fig. 3은 CNC 선반 부착용 겐츄리 로봇의 X축 빔, Y축 빔, Z축 빔의 유한요소 해석결과를 나타내고 있고, Fig. 3(a)는 중공사각빔의 크기가 150 mm × 150 mm이고, 공작물 초재를 잡는 위치인 X = 256 mm, Y = 723 mm, Z = 577 mm일 때, 유한요소법을 이용하여 구조해석한 결과를 나타내고 있다. X축 빔, Y축 빔, Z축 빔의 유한요소해석시 하중은 CNC 선반의 몸체를 제외한 무든 부품을 자체 무게가 작용되도록 하였다. 각 빔에 작용하는 하중을 계산한 결과, X축 빔에는 공작물을 잡은 그리퍼, X축 구동장치, Y축 구동장치, Z축 구동장치, Y축 빔, Z축 빔 등의 무게 166.08 kg, Y축 빔에는 공작물을 잡은 그리퍼 등의 무게 30.29 kg, Z축 빔에는 공작물을 잡은 그리퍼, Y축 구동장치, Y축 빔, 등의 무게 166.08 kg가 가해지며, X축 빔, Y축 빔, Z축 빔의 자체무게는 각각 167.0, 6.18, 5,58 kg 등이 작용되도록 하였다.
FEM analysis of X-Axis beam, Y-Axis beam and Z-Axis beam of gantry robot for CNC lathe, (a) Beam size of 150 mm × 150 mm, x position of 256 mm, (b) Beam size of 150 mm × 150 mm, x position of 2275 mm, (c) Beam size of 100 mm × 200 mm, x position of 256 mm, (d) Beam size of 100 mm × 200 mm, x position of 2275 mm
Figs. 3(b)는 3(a)와 같은 크기의 빔이고, 공작물 초재 혹은 가공물을 척에 장착과 탈착하는 위치인 X = 2275 mm, Y = 723 mm, Z = 577mm에서 Fig. 3(a)와 같은 조건의 하중이 가해질 때 변형된 모습을 보이고 있다. Figs. 3(c)와 3(d)는 중공사각빔의 크기가 100 mm × 200 mm이고, 모든 조건은 각각 Figs. 3(a)와 3(b)와 같도록 한 후 유한요소해석한 결과로 변형된 모습을 나타내고 있다. 유한요소 해석결과로 나타난 모습은 예상했던 모습으로 변형되었다.
Fig. 4는 CNC 선반 부착용 겐츄리 로봇의 x축 빔 크기(150mm × 150 mm × 4681 mm, 공작물 장착 및 탈착위치: X = 2275 mm, Y = 723 mm, Z = 577 mm)를 유한요소 해석그래프를 나타내고 있다. Figs. 4(a)-4(c)는 각각 X축 빔의 상부 중심선상에서의 X방향, Y방향, Z방향의 변위 그래프를 나타내고 있고, X축 빔의 X방향 변위는 시작지점인 0 cm 지점에서는 +3 um(0.003 mm)정도, 155 cm 지점에서 +6 um(0.006 mm) 정도, 310 cm 지점에서 -2 um(-0.002 mm) 정도, 끝 지점인 268 cm에서는 +2 um 0.002 mm)로 발생되었다. 공작물 장착 및 탈착위치(2275 mm)에서의 x방향 변위는 3 um(0.003 mm)로 거의 변화가 없는 것으로 판단된다.
Graph of X-Axis beam FEM analysis of gantry robot for CNC lathe (Beam size: 150 mm × 150 mm × 4681 mm, CNC lathe chuck position: X = 2275 mm, Y = 723 mm, Z = 577 mm)
Y방향 변위는 시작지점인 0 cm 지점에서 +23 um 정도, 81 cm 지점에서 0 um 정도, 245 cm 지점에서 -75 , 407 mm 지점에서 0 um 정도, 끝 지점인 268 cm에서 +9 um로 발생되었다. 이와 같이 변위가 발생한 것은 몸체 기둥이 x축 빔의 양끝 지점으로부터 1205 mm 지점에 고정되었기 때문이고, 공작물 장착 및 탈착위치(2275 mm)가 X축으로 X축 빔의 중앙이 아니고 중앙으로부터 좌측으로 약 66 mm 지점이기 때문이다. 공작물 장착 및 탈착위치(2275 mm)에서의 Y방향 변위는 -75 um(-0.075 mm)가 발생되었다. Z방향 변위는 시작지점인 0 cm 지점에서 +87 um정도이고 끝지점인 268 cm에서 +74 um로 거의 직선형태로 감소하는 것으로 발생되었다. 공작물 장착 및 탈착위치(2275 mm)에서의 Z방향 변위는 -79 um(-0.079 mm)가 발생되었다. Z방향 변위가 이와 같이 발생한 것은 X축 빔 위에 작용하는 무게가 X축 빔의 X방향 중심선을 기준으로 -Z방향보다 +Z방향으로 더 크게 작용하여 +Mx의 모멘트가 발생하였기 때문이다. 결론적으로 공작물 장착 및 탈착 위치에서 X방향으로는 변형이 거의 없었고 Y방향으로는 -75 um정도, Z방향으로는 79 um정도 변형되었다.
Figs. 4(d)-4(f)는 각각 X축 빔의 상부 중심선 상에서의 X방향, Y방향, Z방향의 응력 그래프를 나타낸 것이다. X축 빔의 X방향 응력은 시작 지점인 0 cm 지점에서는 0 /cm2정도, 123 cm 지점에서 83 N/cm2정도, 200-260 cm 지점에서 162-169 N/cm2정도, 348 cm 지점에서 100 N/cm2정도, 끝 지점인 268 cm에서는 0 N/cm2 정도로 발생되었다. 200-260 cm 지점에서 응력변화가 심한것은 2275 mm 지점에 X축 빔 위의 모든 부품이 고정되었기 때문이다. Y방향 응력은 X축 빔 위의 모든 부품이 고정된 위치인 200-260 cm 지점에서 최고 +22 N/cm2정도에서 -24 N/cm2정도 이었다. Z방향 응력은 X축 빔 위의 모든 부품이 고정된 위치인 200-260 cm 지점에서 최고 +28 N/cm2정도에서 -38 N/cm2정도이었다. X축 빔의 각 방향에 발생한 응력은 빔의 재질 SS400의 인장강도(105000 N/cm2)에 비해 매우 낮은 수치로 안전한 것으로 판단된다.
Fig. 5는 CNC 선반 부착용 겐츄리 로봇의 X축 빔 크기(100 mm × 200 mm × 4681 mm, 공작물 장착 및 탈착위치: X = 2275 mm, Y = 723 mm, Z = 577 mm)를 유한요소 해석그래프를 나타내고 있다. Figs. 5(a)-5(c)는 각각 x축 빔의 상부 중심선상에서의 X방향, Y방향, Z방향의 변위 그래프를 나타내고 있고, 각 방향의 변위는 중공사각빔의 크기가 150 mm × 150 mm일 때의 변위와 비슷한 경향을 보였다. 공작물 장착 및 탈착위치(2275 mm)에서의 X방향 변위는 2 um(0.002 mm)로 거의 변화가 없는 것으로 판단되고, Y방향 변위는 -51 um(-0.051 mm), Z방향 변위는 66 um(0.066 mm)가 발생되었다.
Graph of X-Axis beam analysis of gantry robot for CNC lathe (Beam size: 100 mm × 200 mm × 4681 mm, CNC lathe chuck position: x = 2275 mm, y = 723 mm, z = 577 mm)
Figs. 5(d)-5(f)는 각각 X축 빔의 상부 중심선상에서의 X방향, Y방향, Z방향의 응력 그래프를 나타낸 것이고, 각 방향의 응력은 중공사각빔의 크기가 150 mm × 150 mm일 때의 변위와 비슷한 경향을 보였다. 공작물 장착 및 탈착위치(2275 mm)에서의 X방향 최대응력은 -220 N/cm2 정도이고, Y방향 최대응력은 -87 N/cm2정도이며, Z방향 최대응력은 -204 N/cm2정도이었다. X축 빔의 각 방향에 발생한 응력은 빔의 재질 인장강도(105000 N/cm2)에 비해 매우 낮은 수치로 안전한 것으로 판단된다. 중공사각빔의 크기 150 mm × 150 mm와 중공사각빔의 크기 100mm× 200mm의 각 방향의 변위결과를 분석하면, X방향 변위는 각각 거의 변화가 없고, Y방향과 Z방향의 변위는 중공사각빔 크기가 100 mm × 200 mm인 경우가 각각 24 um와 13 um 적게 발생되었다.
Table 1은 겐츄리 로봇의 공작물 장착 및 탈착위치(X = 2275 mm, Y = 723 mm, Z = 577 mm)에서 X축 빔, Y 축 빔, Z 축 빔의 최대변위와 최대응력을 나타낸 것이다. 이 위치에서 X축 빔의 변위그래프와 응력그래프를 Figs. 4와 5에 나타내고 설명하였으나 그래프의 양이 많아 Y축 빔과 Z축 빔의 변위 그래프와 응력 그래프 대신 각 빔들의 각 방향에 따른 최대변위와 최대응력만 Table 1에 나타내었다.
Maximum displacement and maximum stress of X-Axis beam, Y-Axis beam, Z-Axis beam (CNC lathe chuck position: X = 2275 mm, Y = 723 mm, Z = 577 mm)
Table 1에 나타낸 것과 같이 X축 빔의 크기가 150 mm × 150 mm인 경우, X축 빔의 최대 응력은 -177 N/cm2이었고, Y축 빔과 Z축 빔의 최대응력은 147 N/cm2이었다. X축 빔의 크기가 100 mm × 200mm인 경우, X축 빔의 최대 응력은 -220 N/cm2이었고, Y축 빔과 Z축 빔의 최대응력은 143 N/cm2이었다. 두 개의 빔을 비교하면, 빔의 크기가 100 mm × 200 mm인 경우에 다소 크게 발생하였고, 이것은 빔의 폭이 50 mm 작기 때문인 것으로 판단된다. 최대변위는 각 빔의 X방향의 변위는 CNC 선반의 척의 중심선 방향이므로 의미가 없어 분석하지 않았고, Y방향과 Z방향의 변위가 공작물 장착 및 탈착위치점의 변화, 즉 척이 공작물 직경을 잡을 때 Y방향과 Z방향의 변화가 영향을 미치므로 Y방향과 Z방향의 변위를 분석한다. X축 빔의 경우 빔의 크기가 100 mm × 200 mm인 경우, X축 빔의 Y방향 변위는 24 um, Z방향 변위는 20 um적고, Y축 빔의 Y방향 변위는 78 um, Z방향 변위는 35 um 적으며, Z축 빔의 Y방향 변위는 59 um, Z방향 변위는 24 um적게 나타났다.
Table 2는 켄츄리로봇이 초재를 잡는 위치(X = 256 mm, Y = 723 mm, Z = 577 mm)에서 X축 빔, Y 축 빔, Z 축 빔의 최대변위와 최대응력을 나타낸 것이다. 이 위치에서 X축 빔, Y 축 빔, Z 축 빔의 변위 그래프와 응력 그래프의 양이 많아 그래프 대신 각축 빔의 각 방향에 따른 최대변위와 최대응력만 Table 2에 나타내었다. Table 2에서 보는 것과 같이 X축 빔의 크기가 150 mm × 150 mm인 경우, X축 빔, Y축 빔, Z축 빔의 최대 응력은 각각 471 N/cm2, 23 N/cm2, 134 N/cm2이었다. X축 빔의 크기가 100 mm × 200 mm인 경우, X축 빔, Y축 빔, Z축 빔의 최대 응력은 각각 486 N/cm2, 21 N/cm2, 143 N/cm2이었다. 두 개의 빔을 비교하면, 빔의 크기가 100 mm × 200 mm인 경우에 다소 크게 발생하였고, 이것은 빔의 폭이 50 mm 작기 때문인 것으로 판단된다. 그리고 X축 빔(재질 SS400), Y축 빔(재질 A2024P-T4), Z축 빔(재질 A2024P-T4)의 최대 응력은 각 빔의 재질 인장강도 105000 N/cm2, 57700 N/cm2보다 매우 작으므로 매우 안전한 것으로 판단된다.
Maximum displacement and maximum stress (CNC lathe chuck position: X = 256 mm, Y = 723 mm, Z = 577 mm)
최대변위는 X축 빔의 경우 빔의 크기가 100 mm × 200 mm인 경우, X축 빔의 X방향 변위는 15 um, Y방향 변위는 152 um, Z방향 변위는 23 um적고, Y축 빔의 X방향 변위는 50 um, Y방향 변위는 116 um, Z방향 변위는 22 um적으며, Z축 빔의 X방향 변위는 94 um, Y방향 변위는 118 um, Z방향 변위는 26 um적게 나타났다.
공작물 장착 및 탈착위치(X = 2275 mm, Y = 723 mm, Z = 577 mm)에서 공작물위치의 변위를 알기 위해 Fig. 6에 나타낸 그리퍼로 공작물을 잡고 그 위치에서 유한요소해석을 실시하였고, 이때 공작물의 무게로 10 kg을 자중으로 작용하게 하였다. 그리퍼는 Fig. 6에서 나타낸 것과 같이 120도 방향으로 3개의 조우(Jaw)가 위치해 있고, 그리퍼의 Y방향 변위를 적게 하기 위해 Y축을 기준으로 아래쪽에 60도 간격으로 좌우에 배치하였으며, 상부의 중심에 1개를 배치하였다. 그리퍼는 공기압으로 힘을 가하였으며, 가한 압력은 4.9 kgf/cm2이고, 그리퍼의 구조를 고려하여 계산하여 힘으로 환산하면 1361.5 N이다.
Gripper of gantry robot for CNC lathe
Table 3은 공작물 장착 및 탈착위치에서 공작물위치의 변위를 나타내고 있다. 겐츄리 로봇 그리퍼가 원통형 공작물 초재를 잡을 때에는 공작물 초재의 직경이 X와 Y축 방향이므로 편심량을 계산하면, X축 중공사각빔의 크기가 150 mm × 150 mm인 경우, 최대 편심량은 0.6148 mm이었고 100 mm × 200 mm인 경우, 편심량은 0.7237 mm이었다. 즉, X축 중공사각빔의 크기가 150 mm × 150 mm인 경우가 100 mm × 200 mm인 경우보다 0.1089 mm 적게 나타나 우수하다. 이와 같이 X축 빔 크기가 150 mm × 150 mm인 중공사각 빔이 크기가 100 mm × 200 mm인 중공사각빔보다 적게 발생된 것은 X축 빔의 Y, Z방향, Y축 빔의 Y, Z방향, Z축 빔의 Y, Z방향의 ±변위 값들이 서로 상쇄되기 때문인 것으로 판단된다.
Workpiece position displacement at chuck position of CNC lathe (CNC lathe chuck position: X = 2275 mm, Y = 723 mm, Z = 577 mm)
켄츄리로봇 그리퍼가 원통형 공작물 초재를 잡아 CNC 선반의 척에 장착하거나 탈착시킬 경우에는 공작물 초재의 직경이 Y와 Z축 방향이므로 최대 편심량을 계산하면, X축 중공사각빔의 크기가 150 mm × 150 mm인 경우, 최대 편심량은 0.24526 mm이었고, 100 mm × 200 mm인 경우, 최대 편심량은 0.2689 mm이었다. 즉, X축 중공사각빔의 크기가 150 mm × 150 mm인 경우가 100 mm × 200 mm인 경우보다 0.0237 mm 적게 나타나 우수하다. 상용화된 X축 빔을 선택할 경우에는 그리퍼로 초재를 잡을 경우에는 공작물 초재가 고정되어 있지 않고 평판 위에 자유롭게 놓여 있으므로 그리퍼의 중심과 초재의 중심이 미소하게 편심되어 있어도 그리퍼로 잡을 때 로봇의 부품에 악영향을 미치는 것이 적다. 그러나 그리퍼로 잡은 초재를 척에 장착하거나 가공된 가공물을 CNC 선반 척으로부터 탈착할 때에는 두 축이 일치하지 않으면 척 혹은 로봇의 그리퍼에 손상이 갈 수 있어 두 중심의 일치가 매우 중요하다. 그러므로 본 논문에서는 X축의 빔을 선택할 때는 공작물 장착 및 탈착위치(X = 2275 mm, Y = 723 mm, Z = 577 mm)에서 편차가 적은 것을 선택한다. x축 중공사각빔의 크기가 100 mm × 200 mm인 경우가 빔 크기 150 mm × 150 mm인 경우보다 각 빔의 유한해석한 결과가 우수하나, 공작물을 장착과 탈착하는 공작물 장착 및 탈착위치의 공작물의 위치변위가 빔 크기 150 mm × 150 mm인 경우가 100 mm × 200 mm인 경우보다 우수하므로 본 논문에서는 X축 중공사각빔으로 가로와 세로의 크기가 150 mm × 150 mm인 빔을 선택하였다. 따라서 본 논문에서 설계한 겐츄리 로봇의 X축 빔은 크기가 150 mm × 150 mm × 4681 mm이고 두께가 9 mm인 상용품인 중공사각빔이고, Y축 빔은 크기가 80 mm × 80 mm × 1225 mm이고 두께가 4 mm인 상용품인 중공 사각빔이며, Z축 빔은 크기가 80 mm × 120 mm × 740 mm이고 두께가 4 mm인 상용품인 중공사각빔이다.
3. 결론
논문에서는 공작물 자동 장착 및 탈착이 가능한 CNC 선반 부착용 겐츄리 로봇의 설계하였다. 겐츄리 로봇을 구성하는 X축 빔, Y축 빔, Z축 빔을 설계하기 위해 설계하기 위해 공작물 무게 10 kg을 포함하여 모든 부품의 무게를 각 빔에 작용시켜 유한요소해석을 실시하였다. 유한요소 해석결과, 공작물 장착 및 탈착위치의 공작물의 위치변위가 빔 크기 150 mm × 150 mm인 경우가 100 mm × 200 mm인 경우보다 우수하게 나타났다. 그러므로 본 논문에서는 겐츄리 로봇의 각 빔의 해석결과, CNC 선반의 척의 위치에서 그리퍼에 물린 공작물 중심위치의 변위가 작은 빔을 선택하였고, X축 빔은 크기가 150 mm × 150 mm × 4681 mm이고 두께가 9 mm인 상용품인 중공사각빔, Y축 빔은 크기가 80 mm × 80 mm × 1225 mm이고 두께가 4 mm인 상용품인 중공사각빔, Z축 빔은 크기가 80 mm × 120 mm × 740 mm이고 두께가 4 mm인 상용품인 중공사각빔을 각각 선택하였다. 추후 연구로는 겐츄리 로봇을 제작하여 특성실험을 실시하고, 유한요소 해석결과인 변위와 특성실험에 의한 변위를 비교검토하며, CNC 선반에 적용하는 특성실험을 실시할 예정이다.
Acknowledgments
이 논문은 2016년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지역신산업선도인력양성사업 성과임(No. 2016H1D5A1909809).
REFERENCES
- Lee, M.-K., Park, J.-J., Lee, E.-S., and Kim, N.-S., “A Study on the Z Axis Defection Compensation of the Cross Rail for Gantry Type Machine Tools,” Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, Vol. 20, No. 3, pp. 357-360, 2011.
- Lee, M. K., Park, J. B., Kim, N. S., Min, D. L., and Lee, E. S., “Analysis for the Cross Rail Design and the Zig-Zag Motional Error in Gantry Type Machine,” The Korean Society of Machine Tool Engineers, Vol. 8, No. 6, pp. 16-25, 1999.
- Park, J. B. and Lee, E-S., “Dynamic Structure Analysis for the Large Gantry Type Machine Tool,” Proc. of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers Conference, p. 201, 2012.
-
Lee, E.-S., Lee, M.-K., Park, J.-B., Kim, N.-S., Ham, J.-S., et al., “Analysis for the Cross Rail Design and the Zig-Zag Motional Error in Gantry Type Machine,” J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 29, No. 2, pp. 156-160, 2012.
[https://doi.org/10.7736/KSPE.2012.29.2.156]
- Kim, B. S., Yang, S. H., Park, K. J., and Choi, J. H., “Development of 3 Axis Gantry Robot to Improve Production Efficiency,” Proc. of the KSPE Autumn Conference, pp. 271-272, 2013.
- Kim, J.-D., Cho, C.-S., Lee, H.-J., Shin, C.-B., and Park, C.-H., “A Study on the Motion Analysis and Lead-Filter Design for High Speed/Accuracy Movement of Gantry Robot,” Journal of Institute of Control, Robotics and Systems, Vol. 17, No. 1, pp. 31-37, 2011.
- Lee, S. S., Lee, H. W., Park, C. H., Park, K. T., and Lee, M. H., “The Study of 3-Dimension Dynamic Characteristics of Gantry Crane,” Proc. of the KSPE Autumn Conference, pp. 708-712, 2000.
- Cho, C. J., Park, D. J., Yang, J. S., and Koo, Y. M., “A Study on Dynamic Modeling and Vibration Analysis of Gantry Robot,” The Korea Society of Industrial Application, Vol. 17, No. 4, pp. 211-216, 2014.
- Kim, J. D., Cho, C. S., Kim, B. S., Kim, K. H., and Park, K. J., “A Study on the Safety of High-Speed and Heavy-Duty 3 Axis Gantry Robot,” Proc. of the KSPE Spring Conference, pp. 337-338, 2011.
-
Park, H.-M., Jun, J.-U., and Lee, S.-J., “Design of Slide-Type Automatic Pallet Changer for M/C by Simulation,” Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 14, No. 6, pp. 111-121, 2015.
[https://doi.org/10.14775/ksmpe.2015.14.6.111]
- Kim, J. D., Cho, C. S., Park, C. H., and Lee, I. T., “A Study on Optimal Design for Cartesian Gantry Robot with Wheel Mechanism,” Proc. of the KSPE Autumn Conference, pp. 223-224, 2010.
- Jang, U. I., Noh, M. S., Jeong, S. H., and Hong, D. S., “Static and Dynamic Analysis for 3 Axis Articulated Robot for Gantry System,” Proc. of the KSPE Autumn Conference, pp. 503-504, 2008.
-
Li, Y., Zhao, W., Cheng, Y., Yang, Q., and Zhang, J., “Research on Dual-Driving Synchronous Control System Modeling of Gantry-Type Machine Tools with Traveling Bridge,” Proc. of the International Symposium on Assembly and Manufacturing, pp. 1-6, 2011.
[https://doi.org/10.1109/ISAM.2011.5942322]