로봇 시스템 컴플라이언스를 고려한 드릴링 오차 보상
Drilling error compensation considering robot system compliances
초록/요약
항공우주산업에서 다양한 소재를 활용하게 됨에 따라, 각기 다른 두 소재를 결합하기 위한 드릴링 공정이 중요하게 되었다. 항공 우주 산업은 항공기를 구성하는 소재에 대하여 구조적으로 강성과 강도가 뛰어나야 하고, 파손과 피로에 강건하며, 제조하기는 쉬우면서도 비용적으로 저렴한 특성을 요구한다. 한편, 항공기는 기구 또는 엔진에 다양한 재료를 적용해 왔다. 민간 및 군용 항공 우주 구조물에 사용되는 주요 재료는 알루미늄 합금, 티타늄 합금, 강철 등이었다. 최근에 항공 소재에 대한 상기 특성을 만족시키기 위하여 복합재의 도입이 일반화되고 있는데, 이에 따라 기존 금속계 부품과 복합재의 결합 공정이 중요해지고 있다. 항공우주 산업에서 다양한 재료의 부품을 조립하기 위하여 리벳팅 결합 방식을 주로 활용한다. 리벳팅을 하기 위해서는 복합재에 구멍을 뚫어서 리벳을 삽입하고 압축하여야 하므로, 드릴링 공정은 항공우주산업에서 필수적인 공정이다. 다른 산업의 드릴링 공정에 비해서 항공우주산업에서는 로봇을 이용한 드릴링을 수행하는 것이 여러 장점을 가진다. 항공기 동체나 날개와 같은 공작물에 기존의 CNC(Computerized Numerical Control)를 활용하기에는 해당 공작물의 크기가 너무 커서 제약이 많다. 그래서 6자유도 직렬형 구조를 가진 로봇팔을 활용한 드릴링 공정의 적용이 필요하다. 그러나, 산업용 로봇을 활용한 가공은 기존의 CNC 가공에 비하여 낮은 가공정밀도를 가진다. 산업용 로봇의 낮은 가공 정밀도의 주요 원인은 낮은 구조적 강성으로 인한 로봇 관절 컴플라이언스(Joint compliance)의 영향이다. 이를 위해 산업용 로봇의 관절 강성 식별(Identification)을 통해 컴플라이언스의 영향으로 인한 오차를 예측하고 이를 보상하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 6자유도 로봇, 센서, 제어기 및 작업물로 이루어진 실험용 시스템을 구축하고, 로봇의 위치 제어 알고리즘을 구축하고, 컴플라이언스가 산업용 로봇을 활용한 드릴링 공정에서 야기시키는 문제점을 분석하였다. 분석 결과, 로봇 드릴링 공정에 공구가 시편에 구멍을 뚫기 위해서 진입할 때 발생하는 공구의 슬립현상과 공구가 드릴링 후에 시편에서 빠져나올 때 입구부에서 공구가 시편을 긁는 현상이 주요 결함의 원인임을 확인하였다. 항공우주산업에서 요구하는 높은 가공정밀도를 위해서는 기존에도 보고 된 드릴링 시작 시의 슬립 현상뿐만 아니라, 드릴링 마무리에서 발생하는 긁힘 현상을 모두 제거해야 한다. 특히, 항공기의 파손 혹은 피로 파괴에 원인인 균열(Crack)의 발생이 드릴링 홀에서 많이 발생하는 점을 감안할 때, 긁힘 현상에 의한 입구부 결함은 제거되어야 한다. 따라서, 본 연구에서는 강성 모델을 통하여 로봇의 관절 강성을 도출하고 도출한 관절 강성 모델을 기반으로 관절 컴플라이언스에 의해 발생하는 오차를 보상하기 위하여 기구적인 방법으로 로봇 엔드이펙터를 설계하여 적용하였다. 하지만, 로봇 드릴링 엔드이펙터는 로봇의 병진 오차를 측정하기 어렵다는 한계점이 있다. 따라서, 제어적인 방법으로 피드백 제어(Feedback Compensation)와 사전 보상기법(Feedforward Compensation)을 적용하였다. 각각의 보상 알고리즘을 통해 개선된 드릴링 결과는 기존의 로봇 드릴링 결과와 비교하여 검증한다. 이를 통해 산업용 로봇의 드릴링 가공 정밀도가 크게 향상됨을 확인하였다. 현재까지도 항공우주 산업분야에서 항공기의 조립 공정의 대부분은 자동화가 이루어지지 못하고 있다. 이는 기존의 산업용 로봇이 위치결정장치로 개발되어 항공우주산업 분야의 높은 가공 정밀도 요구치에 부합하지 못하였기 때문이다. 따라서, 본 연구를 통하여 항공기의 조립을 위한 드릴링 공정의 자동화가 가능성을 제시하였다. 또한, 기존의 산업용 로봇 활용은 컴플라이언스에 의한 영향으로 부하가 적은 픽 앤 플레이스(Pick-and-place)나 용접 등의 작업에만 국한되어 왔다. 하지만, 본 연구를 통하여 드릴링뿐만 아니라 다양한 가공 등 부하에 국한 받지 않는 무궁한 시장 확장 가능성에 대하여 제시하였다.
more초록/요약
As the aerospace industry uses a variety of materials, the drilling process for joining two different materials becomes important. The aerospace industry requires structurally superior rigidity and strength to materials constituting an aircraft, robustness to breakage and fatigue, and low cost while being easy to manufacture. On the other hand, aircraft have applied various materials to mechanisms or engines. The main materials used in civil and military aerospace structures were aluminum alloys, titanium alloys, and steel. In recent years, the introduction of composite materials to satisfy the above characteristics for aviation materials has become common, and accordingly, the bonding process of the existing metal-based parts and the composite material is becoming important. In the aerospace industry, the riveting joint method is mainly used to assemble parts of various materials. In order to rivet, drilling a hole in the composite material, inserting the rivet and compressing it is required, so the drilling process is an essential process in the aerospace industry. Compared to the drilling process in other industries, in the aerospace industry, performing drilling using a robot has several advantages. There are many limitations because the size of the workpiece is too large to utilize the existing CNC (Computerized Numerical Control) for workpieces such as aircraft fuselages or wings. Therefore, it is necessary to apply a drilling process using a robot arm with a six-degree-of-freedom serial structure. However, machining using an industrial robot has lower machining precision than conventional CNC machining. The main cause of low machining precision of industrial robots is compliance errors due to low structural stiffness. To this end, research is being actively conducted to predict and compensate for compliance errors through identification of joint stiffness of industrial robots. In this paper, an experimental system consisting of a 6-DOF robot, sensor, controller, and work piece was established, the robot's position control algorithm was established, and the problems that compliance caused in the drilling process using industrial robots were analyzed. As a result of the analysis, it was confirmed that the major defects are the tool slipping phenomenon that occurs when the tool enters the robot drilling process to drill a hole in the workpiece and the tool scratching the workpiece at the entrance when the tool comes out of the workpiece after drilling. In order to achieve high machining precision required by the aerospace industry, it is necessary to remove all the scratches that occur at the end of drilling as well as the previously reported slip phenomenon at the start of drilling. In particular, considering that the occurrence of cracks, which is the cause of aircraft damage or fatigue failure, occurs frequently in drilling holes, inlet defects due to scratching should be eliminated. Therefore, in this study, the robot's joint stiffness was derived through the stiffness model, and the robot end effector was designed and applied in a mechanical way to compensate for errors caused by joint compliance based on the derived joint stiffness model. However, the robot drilling end effector has a limitation in that it is difficult to measure the translation error of the robot. Therefore, feedback control and feedforward compensation were applied as a control method. The drilling results improved through each compensation algorithm are verified by comparing them with the existing robot drilling results. Through this, it was confirmed that the drilling processing precision of the industrial robot was greatly improved. Until now, most of the assembly process of aircraft in the aerospace industry has not been automated. This is because the existing industrial robot was developed as a positioning device and did not meet the high processing precision requirements in the aerospace industry. Therefore, through this study, the possibility of automation of the drilling process for the assembly of aircraft was suggested. In addition, the use of the existing industrial robots has been limited to pick-and-place or welding tasks with a small load due to the effect of compliance. However, through this study, the infinite market expansion potential not limited by loads such as drilling as well as various machining was presented.
more목차
제 1 장 서론 1
제 1 절 연구 배경 1
제 2 절 산업용 로봇 가공 오차 3
1. 환경 의존적 오차 4
2. 로봇 의존적 오차 5
제 3 절 연구 배경 및 동기 8
제 4 절 연구 목적 및 범위 11
제 2 장 산업용 로봇 드릴링 시스템 12
제 1 절 서론 12
제 2 절 로봇 드릴링 모델 14
제 3 절 로봇 컴플라이언스의 영향 27
제 4 절 결과 37
제 3 장 컴플라이언스로 인한 오차 추정을 위한 강성 식별 39
제 1 절 서론 39
제 2 절 강성 모델 40
제 3 절 로봇 운동학적 평가 지표 42
제 4 절 강성모델 식별 실험 47
제 4 장 추정된 오차의 보상 55
제 1 절 서론 55
제 2 절 기구적인 방법의 오차의 보상 57
제 3 절 피드백 제어를 통한 오차의 보상 72
제 4 절 사전보상기법을 적용한 오차의 보상 82
제 5 절 결과 94
제 5 장 결론 96
참고문헌 100
