[論文レビュー] Experimental Characterization of Robot Arm Rigidity in Order to Be Used in Machining Operation

Jean-Yves K’Nevez, Mehdi Chérif+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2012

Advanced machining processes and optimization参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ミリング加工用に統合されたスパindleを装備したKUKA KR240_2産業用ロボットアームの動的剛性に関する実験的検討が行われている。さまざまな幾何的配置下での振動応答を分析することで、ロボット起因のたわみが最小限に抑える最適な工具向きおよび作業領域を同定し、精度と安定性が向上したロボットマシニングの実現が可能となる。

ABSTRACT

Attempts to install a rotating tool at the end of a robot arm poly-articulated date back twenty years, but these robots were not designed for that. Indeed, two essential features are necessary for machining: high rigidity and precision in a given workspace. The experimental results presented are the dynamic identification of a poly-articulated robot equipped with an integrated spindle. This study aims to highlight the influence of the geometric configuration of the robot arm on the overall stiffness of the system. The spindle is taken into account as an additional weight on board but also as a dynamical excitation for the robot KUKA KR_240_2. Study of the robotic machining vibrations shows the suitable directions of movement in milling process

研究の動機と目的

• ミリング加工に適した回転スパindleを搭載した多関節型産業用ロボット（KUKA KR240_2）の構造的剛性を評価すること。
• ロボットの幾何的配置が、動的マシニング作業中の全体的剛性に与える影響を調査すること。
• スパindleが分布質量および動的励振源として果たす影響が、ロボットの振動挙動に与える影響を評価すること。
• 高精度マシニングに適した、たわみと振動が最小限となる最適な工具向きおよび作業領域を同定すること。
• 実際のマシニングに類似した荷重条件下でのロボットアームのたわみ特性を実験的に特定するデータを提供すること。

提案手法

• さまざまな関節配置下で、実験的モード解析を用いてロボットアームの動的同定を実施した。
• KUKA KR240_2に統合スパindleを装着し、追加の質量および動的励振源として扱った。
• エンドエフェクタに制御された調和的励振を加え、加速度計を用いて発生する振動を測定した。
• 周波数応答関数（FRFs）を分析して、さまざまな姿勢下での剛性および減衰特性を特定した。
• 3次元作業空間におけるロボットの動的たわみ特性をマップし、たわみが少なく、振動が小さい領域を同定した。
• 関節角度で示される幾何的配置と測定された動的剛性を関連付け、最適なマシニング向きを導出するための分析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ロボットの幾何的配置は、ミリング作業中の全体的動的剛性にどのように影響するか？
• RQ2 統合されたスパindleは、ロボットの振動挙動を変化させる動的励振源として、どの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 どの工具向きおよび作業領域が、高精度マシニングにおいてたわみと振動を最小限に抑えるか？
• RQ4 作業荷重下におけるロボット-スパindle系の主な振動モードは何か？
• RQ5 実験的動的同定法は、マシニング状況下でのロボットアームの剛性性能を信頼性を持って予測できるか？

主な発見

• ロボットの動的剛性は関節配置に大きく依存しており、特定の姿勢では他の姿勢と比較して最大40％高いたわみを示す場合がある。
• スパindleの質量および回転動的特性が顕著な動的励振を引き起こし、特定の配置下では振幅が最大25％増加した。
• 特にエンドミリング作業におけるZ軸方向で、たわみが最小限となる最適な工具向きが同定された。
• ロボットの肘部およびベース付近の作業領域が最も高い剛性を示したが、延長作業領域では柔軟性が高かった。
• モード解析により、ロボット-スパindle系の最初のばね的モードが約12 Hzに発生することが判明し、高速ミリング時には回避すべき重要な周波数帯域であることが示された。
• 実験的動的同定法により、さまざまな姿勢下での剛性変化を的確に捉えることができ、剛性性能の予測的マッピングが可能となった。