[논문 리뷰] Experimental Characterization of Robot Arm Rigidity in Order to Be Used in Machining Operation

Jean-Yves K’Nevez, Mehdi Chérif외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 01. 21.

Advanced machining processes and optimization참고 문헌 4인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 밀링 작업을 위한 통합 스플인들 장착 시 KUKA KR240_2 산업용 로봇 암의 동적 유연성에 대한 실험적 연구를 제시한다. 다양한 기하 구성을 통해 진동 응답을 분석함으로써, 로봇에 의한 만곡이 최소화되는 최적의 공구 방향과 작업 영역을 규명함으로써 정밀 가공의 가능성을 높이고 안정성을 향상시킨다.

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

연구 동기 및 목표

• 밀링 작업을 위해 회전 스플린을 장착한 다관절 산업용 로봇(KUKA KR240_2)의 구조적 유연성 평가
• 로봇의 기하 구성이 동적 가공 작업 중 전체 시스템의 유연성에 미치는 영향 조사
• 스플린이 분포 질량 및 동적 외부 자극원으로서 로봇의 진동 행동에 미치는 영향 평가
• 정밀 가공을 위한 최소한의 만곡과 진동을 유도하는 최적의 공구 방향 및 작업 영역 규명
• 실제 가공 유사 하중 조건에서 로봇 암의 유연성 동적 식별을 위한 실험 데이터 제공

제안 방법

• 다양한 관절 구성 조건에서 실험적 모드 분석을 통해 로봇 암의 동적 식별 수행
• KUKA KR240_2에 통합 스플린을 장착하여 추가 질량 및 동적 외부 자극원으로 간주
• 엔드 에프터에 제어된 정현 외부 자극을 가하여 가속도계를 통해 발생하는 진동 측정
• 주파수 응답 함수(FRFs) 분석을 통해 다양한 자세에서의 유연성 및 감쇠 특성 파악
• 3차원 작업 영역에서의 로봇의 동적 유연성 맵핑을 통해 저만곡 및 저진동 영역 식별
• 관절 각도와 측정된 동적 유연성 간의 상관관계를 분석하여 최적의 가공 방향 유도

실험 결과

연구 질문

• RQ1 로봇의 기하 구성이 밀링 작업 중 전체 동적 유연성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 통합 스플린이 로봇의 진동 행동을 변화시키는 동적 자극원으로서의 영향은 어느 정도인가?
• RQ3 어느 공구 방향과 작업 영역 위치에서 정밀 가공을 위한 최소한의 만곡과 진동이 발생하는가?
• RQ4 작동 하중 하에서 로봇-스플린 시스템의 주요 진동 모드는 무엇인가?
• RQ5 실험적 동적 식별 방법은 로봇 암의 유연성 성능을 가공 환경에서 신뢰성 있게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 로봇의 동적 유연성은 관절 구성에 따라 크게 달라지며, 특정 자세에서는 다른 자세보다 최대 40% 더 높은 유연성을 보였다.
• 스플린의 질량과 회전 동역학이 측정 가능한 동적 자극을 유도하여 특정 구성에서 진동 진폭이 최대 25% 증가했다.
• 특히 엔드 밀링 작업 중 Z축 방향에서 만곡이 최소화되는 최적의 공구 방향이 규명되었다.
• 로봇의 팔꿈치 부근과 기준 기준 근처 영역이 가장 높은 유연성을 보였고, 확장된 도달 거리 자세에서는 더 높은 유연성 특성을 보였다.
• 모드 분석 결과 로봇-스플린 시스템의 첫 번째 유연 모드가 약 12 Hz에서 발생하여 고속 밀링 시 피해야 할 임계 주파수 대역을 시사했다.
• 실험적 동적 식별 방법은 자세에 따른 유연성 변화를 성공적으로 캡처하여 유연성 성능 예측 맵핑이 가능하게 했다.