Design of Force Measuring System for Deburring Using Industrial Robot

산업용로봇을 이용한 디버링을 위한 힘측정시스템 설계

Design of Force Measuring System for Deburring Using Industrial Robot

이경준

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²

²

^1,

Gyeong Jun Lee

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²

²

^1,

1 경상대학교 제어계측공학과 (Department of Control & Instrumentation Engineering, ERI, Gyeongsang National University) 2 ( 주)로봇플러스 연구소 (Research and Development Department, INTELLIGENT ROBOT SOLUTION)

 Corresponding author: [email protected], Tel: +82-55-772-1745

This paper describes the design of the force measuring system for an industrial robot’s deburring work. The force measuring system is composed of a three-axis force sensor, a measuring device, a housing and a cover. The three-axis force sensor can detect x-direction force, y-direction force and z-direction force at the same time. The measuring device is designed using DSP(Digital Signal Processor), and have a RS-232 and a RS-485 communication port for sending force data to PC or other controller. As a result of test, the repeatability error and the non-lineality error of the three-axis force sensor are less than 0.03%, and the interference error of the sensor is less than 0.95%. It is thought that the force measuring system can be used for an industrial robot’s deburring work.

KEYWORDS: Three-Axis force sensor (3 축 힘센서), Deburring (디버링), Industrial robot (산업용로봇), Interference error ( 상호간섭오차), Rated output (정격출력)

1. 서론

대부분의 산업에서 다양한 종류의 주조제품을 사용한다. 주조제품은 제품제조시 위와 아래 덮개 사이로 용융액이 미소하게 흘러나와 굳어진 버 (bur) 가 발생한다. 완성된 주조제품을 나들기 위해 반드시 버를 제거해야 한다. 버를 제거하는 방법 은 작업자가 그라인더 등의 도구를 이용하여 제거 하는 방법과 산업용 로봇 등을 이용하여 디버링 (deburring) 하는 방법 등이 있다. 작업자가 디버링 하는 것은 정밀정확도가 떨어질 뿐만 아니라 이 작업이 3D업종으로 분류되어 작업자를 구하기도

매우 어려운 실정이다. 산업용로봇을 이용하여 디 버링을 하는 경우에는 주조제품이 항상 아주 정확 한 위치에 놓여 있어야 하고 제품의 크기를 좌표 로 정확하게 로봇의 제어장치에 입력되어 하는데, 다양한 곡면일 경우에는 어려움이 많다.

그러므로 산업용로봇의 말단에 다축 힘센서를 부착하고 디버링기를 이 센서와 고정한 후 위치제 어와 힘제어를 동시에 수행하여 디버링을 한다.

이때 핵심부품은 다축 힘센서이고, 이 다축 힘센 서는 x, y, z 방향의 힘 Fx, Fy, Fz를 측정하는 3개의 Fx 센서, Fy센서, Fz센서와 3개의 Tx센서, Ty센서, Tz 센서 중 2개 이상의 센서를 한 몸체에 제작한 것 __________

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힘센서의 개발이 필요하다. 디버링 작업에서는 힘 Fx, Fy, Fz 를 측정하여 3개방향의 힘을 각각 제곱하 여 루트(root)한 합력을 구하고 합력의 방향을 구 하면 된다. 그리고 3개 방향의 힘을 측정하여 로 봇의 제어장치에 보내주는 힘측정장치의 설계 및 제작이 필요하다.

본 논문에서는 산업용로봇에 부착하여 리버링 작업을 위한 3축 힘센서와 3개 방향의 힘을 측정 하는 힘측정장치로 구성되는 힘측정시스템을 설계 하고자 한다. 이를 위해 산업용로봇에 적합한 3축 힘센서를 설계 및 제작하였고, 3축 힘센서의 출력 값을 측정하는 측정장치를 설계 및 제작하였으며, 제작된 이들로 산업용로봇의 힘측정시스템을 구성 하여 특성실험을 실시하였다.

2. 3 축 힘센서의 설계 2.1 3 축 힘센서의 구조

Fig. 1 은 3축 힘센서의 구조를 나타내고 있고 이것은 힘 Fx, Fy, Fz를 동시에 측정할 수 있는 Fx 센서, Fy센서, Fz센서가 한 몸체로 구성되었다. 구 조는 중앙에 힘전달블록(FTB)가 위치해있고, 이것 을 중심으로 좌우 끝에 평행평판보(PPB, Parallel Plate Beam) 이 수평으로 부착되었으며, 각각의 한쪽 끝에 이동블록이 부착되었다. 그리고 이들의 이동 블록 한 쪽 끝에 평행평판보가 수직으로 놓여 있 고 그 양쪽 끝에는 미동블록(MB1, MB2)가 각각 부착되어 있으며 한쪽 끝에 형행평판보가 수직으 로 부착되고 그들 끝에는 각각의 고정블록(FB1, FB2) 가 부착되었다. Fx센서의 감지부는 PPB1~PPB2, Fy 센서는 PPB3~PPB4, Fz센서는 PPB5~PPB6이다.

PPB1~PPB2 의 평판보의 크기는 길이가 l1, 두께가 t1, 폭이 b1이고, PPB3~PPB4의 평판보의 크기는 길 이가 l2, 두께가 t2, 폭이 b2이고, PPB5~PPB6의 평 판보의 크기는 길이가 l3, 두께가 t3, 폭이 b3이다.

이들은 센서의 설계변수로 사용된다. 3축 힘센서의

동작은 고정블록들을 고정하고 힘전달블록에 힘을 가하면 각 센서의 감지부가 힘을 감지한다.

2.2 3 축 힘센서의 설계

3 축 힘센서의 설계변수는 각 센서의 정격용량, 정격출력, 센서의 전체 크기, 전체 크기에 따라 감 지부 보의 길이 l1, l2, l3와 폭 b1, b2, b3을 결정하 고, 보의 두께 t1, t2, t3를 변경하여 설계한다. 3축 힘센서의 각 센서는 4개의 스트레인게이지로 휘스 톤브리지를 구성하고, 정격변형률은 정격용량이 가해질 때 휘스톤브리지에서 출력되는 총 변형률 을 의미하며, 이것의 값은 다음과 같은 식으로부 터 계산된다.

ε ε = _{T 1} − ε _{C 1} + ε _{T 2} − ε _{C 2} (1) 여기서 ε 은 휘스톤브리지의 총 변형률, ε _{T 1} 은 인

장 스트레인게이지 T 의 변형률, ₁ ε 은 압축 스트 _{C 1} 레인게이지 C 의 변형률, ₁ ε 은 인장 스트레인게 _{T 2} 이지 T 의 변형률, ₂ ε _{C 2} 은 압축 스트레인게이지

C 의 변형률이다. 2

각 센서의 정격출력은 각 센서의 정격용량을 가했을 때 입력전압과 출력전압의 비로 나타내며, 다음과 같은 식에 의해 계산될 수 있다. ^5-11

1 4

o i

E K

E = ε (2)

여기서, E 는 휘스톤브리지의 입력전압, _i E 는 휘 _o 스톤브리지의 출력전압, K 는 스트레인게이지의 상 수(약 2.03), ε 는 식(1)로부터 얻은 총 변형률이다.

3 축 힘센서를 설계하기 위한 설계변수의 정격

Fig. 1 Structure of three-axis force sensor

출력은 기존의 다축 힘센서의 정격출력 ^2-12 과같이 0.50 mV/V ( 정격변형률 약 1000 um/m), 정격용량은 산업용로봇에서 디버링을 수행할 때 요구되는 각 방향의 힘을 고려하여 Fx 센서, Fy 센서, Fz 센서를 각각 300 N, 센서의 크기는 산업용로봇의 부착을 고려하여 106 mm×31 mm× 16 mm, 스트레인게이지 의 부착위치는 스트레인 게이지 (미국 MM사, N2A-13-S1452-350, 게이지 상수 2.03, 크기 3 mm × 5.2 mm) 의 크기를 고려하여 보의 길이 방향으로는 1.5 mm, 폭 방향으로는 1/2, 스트레인게이지 부착 위치에서의 총 정격변형률은 약 1000 um/m, 보의 크기는 스트레인게이지의 크기를 고려하여 보의 길이 l1=l2=l3=8 mm, 보의 폭 b1=b2=16 mm, b3=14 mm 로 결정하였다.

(a) Strains under rated force Fx(300 N)

(b) Strains under rated force Fy(300 N)

(c) Strains under rated force Fz(300 N) Fig. 4 Strain distribution on each beam of three-axis

force sensor

그리고 3축 힘센서의 각 센서의 스트레인게이 지 부착위치를 Fig. 2와 같이 결정하였다. Fx센서의 스트레인게이지 부착위치는 S1~S4이고, Fy센서의 스트레인게이지 부착위치는 S5~S8이며, Fz센서의 스트레인게이지 부착위치는 S9~S12이다. 이 위치 는 식(1)을 이용하여 계산한 각 센서의 정격용량에 서 상호간섭오차가 0 %이고, 최대의 정격출력이 Fig. 2 Attachment positions of strain-gages each sensor

of three-axis force sensor

(a) Mesh shape (b) Applied 300N of Fx

(c) Applied 300N of Fy (d) Applied 300N of Fz Fig. 3 Deformed shape of the three-axis force sensor

with parallel palate beams under each rated force

3 축 힘센서의 각 감지부의 크기를 결정하기 위 해 ANSYS 소프트웨어를 이용하여 설계하였다. 유 한요소해석을 위해 소프트웨어에 입력한 재료상수 는 제작할 센서의 재질이 알루미늄이므로 종탄성 계수가 70 GPa, 프와송의비가 0.3이며, 8절점 6면체 블록을 선택하였다. Fig. 3은 3축 힘센서의 유한요 소해석한 결과를 나타내고 있고, Fig. 3(a)는 유한요 소 해석을 위한 매쉬한 모습, Fig. 3(b)는 정격힘 Fx 가 가해졌을 때, Fig. 3(c)는 정격힘 Fy가 가해졌을 때, Fig. 3(d)는 정격힘 Fz가 가해졌을 때 각 센서의 변형된 모습을 나타내고 있다. 모두 센서의 구조 를 모델링할 때 예상했던 모습으로 변형 되었다.

Fig. 4(a) 는 Fx센서의 정격용량인 300 N, Fig. 4(b) 는 Fy센서의 정격용량인 300 N, Fig. 4(c)는 Fz센서 의 정격용량인 300 N 를 가하고 각 스트레인게이 지 부착위치에서의 정격변형률이 약 250 um/m가 발생되었을 때 감지부의 변형률분포의 그래프를 각각 나타낸 것이다. 각 그래프에서 변형률분포가 2 개인 것은 평판보의 스트레인게이지 부착면 위치 가 서로 양과 음의 값으로 대칭으로 출력되기 때 문이다. Fx센서, Fy센서, Fz센서의 변형률분포에서 변형률이 0 um/m인 지점은 각각 3.7 mm, 4.0 mm, 5 mm 이었다. 그리고 각 변형률분포에서 좌측과 우 측의 끝의 변형률이 감소한 것은 유한요소 프로그 램의 끝 효과 오차 때문이다.

Table 1 은 유한요소법을 이용하여 3축 힘센서의 각 스트레인게이지 부착위치에서의 변형률들과 식 (1) 에 의해 계산된 정격변형률을 나타내고 있다. 3축 힘센서의 최대오차는 6.8 % 이내이었다. 이와 같은 오차는 설계시 가공의 가능성을 고려하여 감지부 의 두께를 0.1 mm 단위로 조절하였기 때문이다.

2.3 3 축 힘센서의 제작 및 특성평가

3 축 힘센서는 Fig. 2에 나타낸 각 센서의 스트 레인게이지 부착위치에 스트레인게이지 (미국 MM 사, N2A-13-S1452-350, 게이지 상수 2.03, 크기

3mm ×5.2mm)를 부착하고, 휘스톤 브리지를 구성하 여 제작하였으며, Fig. 5는 제작된 3축 힘센서의 사 진을 보이고 있다.

Fig. 6 은 제작한 3축 힘센서(Fig. 5 참조)를 특성 실험 하기 위한 실험장치 및 실험장면을 나타내고 있다. Fig. 6(a)는 다축 힘센서 교정기 ¹³ 에 3축 힘센 서를 고정한 실험장치를 나타내고 있고, 측정은 고성능측정장치 (DMP40)이다. 그리고 Fig. 6(b)는 x 방향의 정격힘 Fx을 가하는 모습, Fig. 6(c)는 y방향 의 정격힘 Fy를 가하는 모습, Fig. 6(d)는 z방향의 정격힘 Fz를 가하는 모습을 각각 나타내고 있다. 3 축 힘센서는 정격용량인 Fx=Fy=Fz=300 N을 가하 고 정격출력을 측정 하였고, 총 세 번을 실시하여 평균값을 각 센서의 정격출력으로 결정하였다.

Table 2 는 3축 힘센서의 유한요소해석결과와 실 험결과의 정격출력 및 오차를 나타내고 있다. 유 한요소해석결과의 정격출력은 Table 1의 정격변형 률을 식(2)에 대입하여 계산된 것이고, 실험에 의 한 정격출력은 본 논문에서 특성실험한 결과를 나 타내고 있다. 유한요소해석 결과를 기준으로 실험 결과의 오차는 최대 1.45 % 이내이었다. 이오차는 스트레인게이지의 부착오차, 감지부의 가공오차 등으로 발생되었다고 생각된다. Table 3은 3축 힘센 서의 각 센서의 상호간섭오차를 나타내고 있고, 최대 상호간섭오차는 0.95 % 이내이다. Table 4는 3 축 힘센서의 재현도오차와 비직선성오차를 나타낸 것이고, 각 센서의 최대 재현도오차와 최대 비직 선성오차는 0.03 % 이내이었다. 제작한 3축 힘센서 의 특성실험 결과 상호간섭오차, 재현성오차, 비직 선성오차가 이미 판매하고 있는 다축 힘센서 ¹³ 의 그것과 비슷한 수준이었다.

Fig. 5 Photograph of the manufactured of the three-axis

force sensor

(a) Experimental setup

(b) Applied rated force Fx

(c) Applied rated force Fy

(d) Applied rated force Fz

Fig. 6 Experimental setup for the characteristic test of the three-axis force sensor

Table 2 Rated output from theory analysis and characteristic test of each sensor of the three-axis force sensor

Sensor Rated output(mV/V)

Error(%) FEM Exp.

Fx 0.5116 0.5147 4.8

Fy 0.5095 0.5119 1.2

Fz 0.5116 0.5042 6.8

Table 3 Interference error of the three-axis force sensor Sensor Interference error(%)

Fx=300N Fy=300N Fz=300N

Fx - 0.73 0.64

Fy 0.95 - 0.56

Fz 0.26 0.09 -

Table 4 Repeatability error and non-linearity error of the three-axis force sensor

Sensor Repeatability error(%) non-linearity error(%)

Fx 0.03 0.02

Fy 0.03 0.03

Fz 0.02 0,02

3. 측정장치 설계 및 제작

Fig. 7(a) 는 측정장치의 블록도를 나타내고 있고, Fig. 7(b) 는 제작된 측정장치의 사진을 나타내고 있 다. 측정장치는 DSP (Digital Signal Processor), TMS320F2812 (32bit/150MHz/150MIPS/150MMAC), 증폭부, 통신부, 전원부 등으로 구성되었다. 사용 된 DSP는 128kword 용량의 플레시 롬 (flash read only memory(ROM)), 1Mword 용량의 램 (random access memory(RAM)), 최고 12.5 Mbps로 변환 가능 한 AD 컨버터 (12-bit ultra-fast analog/digital converter) 등으로 구성된 텍사스 인스투루먼트사 (TI) 에서 제작한 고성능의 프로세서의 일종이다.

이것은 전원부로부터 3.3 V와 1.8 V의 전압을 받아 동작되고, 크리스탈로부터 30 MHz의 클럭을 받아 내부에서 5배 증폭하여 150 MHz로 동작하며, 내부 플래시 롬을 가지고 있다. 그리고 증폭부로부터 받은 3축 힘센서의 값을 AD컨버터로 아날로그 신 호를 디지털로 변환하여 통신부를 통해 다른 제어 장치나 컴퓨터로 보낸다.

증폭부는 증폭기(AD627), 가변저항, 커패시터

등으로 구성되었고, 사용된 증폭기는 아날로그 디

바이스 사 (Analog Device Company)에서 제작한 계

측증폭기이다. AD627은 증폭기 3개를 단일 칩으로 집적시켜 제작되었고 외부저항으로 증폭률을 6~1000 배로 조절할 수 있다. 증폭기는 3축 힘센서 의 출력신호가 최대 0.5 mV/V로 매우 미세하므로 이것을 수백배 증폭하는데 사용된다. 통신부는 통 신IC (Max232), 저항, 커패시터 등으로 구성되었고, Max232 는 통신시 연결되는 컴퓨터나 다른 제어장 치의 전압차를 맞추어주는 집적회로이다. RS-232통 신은 9600 bps의 속도, RS-484 통신은 통신거리 12 m 이내에서 10 Mbps 이상의 속도 (1.2 km에서는 0.1 Mbps 정도)로 시리얼통신을 한다.

전원부는 외부의 전원을 받아 DSP에 필요한 3.3 V 와 1.8 V, 그리고 기타 사용된 전자부분에 필요한 5 V 의 전압으로 다운시키기 위해 설계 및 제작되었 다. 전원부는 외부의 6 V 이상의 전원을 받아 LM7805 를 이용하여 5 V로 변환 시키고, LM1117를 이용하여 3.3 V로 변환 시키며, TPS767D318를 이용 하여 5 V 전원을 받아 3.3 V와 1.8 V변환시킨다. 5V

전압은 3축 힘센서의 입력전압, 통신부 IC, 증폭부 등의 구동전압으로 사용되며, 변환된 3.3 V는 DSP 의 구동전압으로 사용된다.

4. 산업용로봇의 힘측정시스템 제작 및 교정

Fig. 8 은 제작한 산업용로봇의 힘측정시스템을 나타내고 있고, Fig. 8(a)는 덮개를 열은 것이고 Fig.

8(b) 는 덮개를 덮은 것이다. 이것은 제작한 3축 힘 센서를 하우징에 넣고 덮개로 고정한 3축 힘센서 조립품과 측정장치로 구성된다. 제작한 힘측정시 스템을 산업용로봇에 사용하기 위해서는 교정을 실시해야 한다. 교정 및 특성평가는 Fig. 6(a)에서 나타낸 것과 같은 다축 힘센서 교정기13를 이용하 여 실시하였다. 제작한 힘측정시스템은 ±Fx, ±Fy, (a) Block diagram

(b) Manufactured measuring device Fig. 7 Photograph of the manufactured measuring device

(a) Without cover

(b) With cover

Fig. 8 Photograph of the manufactured of the force

measuring system for an industrial robot

±Fz 를 측정해야하고, 측정기의 ADC는 0~3000 mV 를 측정하므로 각 센서의 영점을 1500 mV로 잡고, 300 N 을 가한 후 3000 mV가 출력되도록 교정하였 다. 분해능은 1 mV=0.2 N이다.

그리고 특성평가 결과는 3축 힘센서의 각 센서 의 상호간섭오차를 나타내고 있고, 최대 상호간섭 오차는 1.00 %이내 이었고, 3축 힘센서의 각 센서 의 최대 재현도오차와 최대 비직선성오차는 0.03 % 이내이었다. 제작한 3축 힘센서의 특성실험 결과 상호간섭오차, 재현성오차, 비직선성오차가 이미 판매하고 있는 다축 힘센서 ¹³ 의 그것과 비슷 한 수준이었다.

5. 결론

본 논문에서는 산업용로봇에 부착하여 리버링 작업을 위한 3축 힘센서와 3개 방향의 힘을 측정 하는 힘측정장치로 구성되는 힘측정시스템을 설계 하였다. 3축 힘센서를 설계 및 제작하였고, 제작한 3 축 힘센서의 재현도오차와 상호간섭오차는 0.03%

이내이었고 상호간섭오차는 0.95% 이내이었으며, 이 오차들은 기존에 개발된 다축 힘센서 ^1-12 의 그것 들과 유사하다. 또한 DSP를 이용하여 측정기를 설 계 및 제작하였다. 그리고 제작한 3축 힘센서와 측정기를 조합하여 산업용로봇용 힘측정시스템을 제작하였고, 그것을 교정하였다. 본 논문에서 개발 한 힘측정시스템은 산업용로봇에 부착하여 디버링 하는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

추후연구는 본 논문에서 개발한 힘측정시스템을 산업용 로봇에 부착하여 디버링 작업을 실시하는 것이다.

후 기

본 논문은 중소기업청에서 지원하는 2014년도 산학협력 기술개발사업(No. C0127096)의 연구수행 으로 인한 결과물임을 밝힙니다.

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