KR102642762B1 - 로봇-보조 연마에 있어서 회전 속도 제어 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 표면들의 자동화된 연마를 위한 방법 및 대응하는 장치에 관한 것이다. 예시적인 일 실시예에 따르면, 이 방법은 연마도구를 가지는 연마기의 로봇-보조 포지셔닝, 이로써 연마기가 제1 회전 속도에서 작동될 때 연마도구가 그 표면에 접촉하고 또한 연마도구와 표면 사이의 접촉 검출을 포함한다. 이 방법은 접촉 검출의 결과로서, 제1 회전 속도에서 제2 회전 속도로 연마도구의 회전 속도에 있어서의 증가를 더 포함한다.

Description

로봇-보조 연마에 있어서 회전 속도 제어
본 발명은 로봇-보조 연마를 위한 연마기에 관한 것으로서, 또한 작업편들의 표면들을 연마하기 위한 로봇-보조 방법에 관한 것이다.
로봇-보조 연마 장치들에 있어서, 연마기(예. 연마도구로서 회전하는 연마 디스크를 갖는 전기적으로 구동되는 연마기)는 조종기, 예를 들어 산업용 로봇에 의해 안내된다. 이렇게 할 때, 연마기는 소위 조종기의 도구중심점(tool center point, TCP)에 다양한 방법으로 결합될 수 있고, 이로써 조종기가 기계를 원하는 위치 및 방향으로 조정하는 것을 가능하게 해준다. 산업용 로봇들은 일반적으로 위치-제어되는데, 이것은 의도되는 궤적을 따라 TCP를 정확하게 움직이는 것을 가능하게 해준다. 로봇-보조 연마에 있어서 좋은 결과를 달성하기 위해서는, 많은 응용분야(application)에서 가공력(연마력)이 조절되는 것을 필요로 하는데, 이것은 종래의 산업용 로봇들을 이용해 만족스러운 정확도로 실현하기에는 어려운 것이다. 산업용 로봇의 크고 무거운 암 세그먼트들은 가공력에 있어서의 변화들에 충분히 빠르게 반응할 수 있기에는 컨트롤러(폐루프 컨트롤러)에 대해서 너무 큰 질량 관성을 가진다. 이 문제를 해결하기 위해, 연마기에 조종기의 TCP를 결합하는 작은 - 산업용 로봇에 비하여 - 선형 엑츄에이터가 조종기의 TCP와 연마기 사이에 배치될 수 있다. 이 경우에 있어서, 선형 엑츄에이터들은 연마 동안 가공력(즉, 연마도구/연마 디스크와 작업편 사이에 작용되는 접촉력)만 제어하는 한편, 조종기는 명시할 수 있는 궤적을 따라 위치-제어되는 선형 엑츄에이터와 함께(및 연마도구와 함께), 연마기를 움직인다.
기계 표면들에, 궤도의 또는 편심 연마기들이 사용될 수 있다. 기계가공이 수행될 때, 연마 디스크가 기계가공되는 표면과 접촉하게 될 때 연마기는 켜진다(즉, 연마 디스크가 회전함). 이렇게 할 때, 기계가공되는 표면이 로봇을 이용해 접촉될 때 스크래치들 또는 홈들이 발생할 수 있는 문제가 생길 수 있다. 숙련된 전문가는 표면에 연마기를 적용할 때 특히 신중하게 하는 것에 의해 이러한 원치 않는 결과들을 방지할 수 있지만, 로봇-보조 기계가공 동안 충분한 정도까지 언제나 가능한 것은 아니다.
본 발명자들은 로봇-보조 연마를 위한 개선된 연마 장치를 개발하는 목적을 설정하였다.
상기에서 언급된 태스크는 청구항 제 1 항에 따른 연마 장치, 뿐만 아니라 청구항 제 6 항에 따른 방법에 의해 달성된다. 다양한 실시예들 및 추가적인 개선들은 종속항들의 주제이다.
이하에서 표면을 기계가공하기 위한 연마 장치가 설명될 것이다. 일 실시예에 따르면, 이 연마 장치는 조종기에 결합되고 또한 모터, 모터에 의해 구동되는 연마도구 및 제어 시스템을 가지는 연마기를 포함한다. 제어 시스템은 연마 디스크의 회전 속도를 조정함으로써 연마기를 제어하고, 연마기가 제1 회전 속도로 운행되는 동안 연마도구와 표면을 접촉시키기 위해 조종기의 도움으로 연마기를 위치시키고, 및 연마도구와 표면 사이의 접촉을 검출하도록 구성된다. 접촉 검출에 응답하여, 연마도구의 회전 속도는 제1 회전 속도에서 제2 회전 속도까지 상승된다.
나아가, 표면들의 자동화된 연마를 위한 방법이 설명될 것이다. 일 실시예에 따르면, 이 방법은 연마도구를 가지는 연마기를 로봇-보조 포지셔닝하는 방법을 포함하여, 이로써 연마도구는 연마기가 제1 회전 속도로 구동되는 동안 표면에 접촉할 뿐만 아니라, 연마도구와 표면 사이의 접촉을 검출하는 방법을 포함한다. 이 방법은 접촉 검출에 응답하여 연마도구의 회전 속도를 제1 회전 속도로부터 제2 회전 속도까지 올리는 단계를 포함한다.
본 발명은 이제 도면에 도시된 예들을 참조하여 더 상세하게 설명될 것이다. 도면들이 반드시 축척에 맞지는 않을 수 있고 본 발명은 여기에 도시된 측면들에 한정되지 않는다. 대신 본 발명의 기본 원리들을 설명하는 것에 중점을 둔다.
도 1은 로봇-보조 연마 장치의 일 예를 대략적으로 보여준다.
도 2는, 연마도구와 작업편 사이의 접촉 검출에 반응하여 연마도구의 회전 속도의 제어를, 도표로 보여준다.
도 3은, 연마도구와 작업편 사이의 접촉 검출에 반응하여 접촉력의 조정 및 연마도구의 회전 속도의 제어를, 도표로 보여준다.
도 4는 로봇-보조 연마를 위한 방법의 일 실시예를 보여주는 흐름도이다.
본 발명의 다양한 실시예들을 상세하게 설명하기 전에, 로봇-보조 연마 장치의 일 예가 먼저 설명될 것이다. 이 장치는 조종기(1), 예를 들어, 산업용 로봇, 및 회전 연마도구(예. 궤도 연마기)를 갖는 연마기(10)를 포함하고, 이때 회전 연마도구는 선형 엑츄에이터(20)를 거쳐 소위 조종기(1)의 도구중심점(TCP)에 결합된다. 6 자유도를 가지는 산업용 로봇의 경우에 있어서, 조종기는 4 개의 세그먼트들(2a, 2b, 2c 및 2d)을 포함하도록 구축될 수 있고, 그 각각은 조인트들(3a, 3b 및 3c)을 거쳐 연결된다. 제1 세그먼트는 보통 베이스(41)에 견고하게 부착된다(하지만, 반드시 그 경우일 필요는 없다). 조인트(3c)는 세그먼트들(2c 및 2d)를 연결한다. 조인트(3c)는 이축성일 수 있고 이로써 회전의 수평 축 주위(앙각) 및 회전의 수직 축 주위(방위각) 세그먼트(2c)의 회전을 허용한다. 조인트(3b)는 세그먼트들(2b 및 2c)을 연결하고 세그먼트(2c)의 위치에 대한 세그먼트(2b)의 피봇 운동을 허용한다. 조인트(3a)는 세그먼트들(2a 및 2b)을 연결한다. 조인트(3a)는 이축성일 수 있고 이로써(조인트(3c)와 유사하게) 2 가지 방향들로 피봇 운동을 허용한다. TCP는 세그먼트(2a)에 대하여 영구적인 위치에 있는데, 이것은 보통 로터리 조인트(미도시)를 가지고, 세그먼트(2a)(도 1에 실점선으로 지시되고 또한 연마도구의 회전 축에 대응함)의 장축(A) 주위 회전 운동을 허용한다. 엑츄에이터는 개별적인 조인트 축 주위 회전 운동을 발생시킬 수 있는 모든 조인트의 축에 대하여 지시된다. 조인트들에 있는 엑츄에이터들은 로봇 프로그램에 따라 로봇 컨트롤러(4)에 의해 구동된다. 다양한 종류들의 산업용 로봇들/조종기들 및 이들의 개별적인 컨트롤러들은 일반적으로 알려져 있고 따라서 여기서 더 상세하게 설명되지 않을 것이다.
조종기(1)는 일반적으로 위치-제어되는데, 즉 로봇 컨트롤러는 TCP의 자세(위치 및 방향)을 결정할 수 있고 또한 미리 정의된 궤적을 따라 이동시킬 수 있다. 도 1에, TCP가 놓이는, 세그먼트(2a)의 장축은, A로 지시된다. 엑츄에이터(20)가 정지단에 안착할 때, TCP의 자세 또한 연마도구의 자세를 정의한다. 이전에 언급된 바와 같이, 엑츄에이터(20)는 도구와 작업편(40) 사이의 접촉력(가공력)을 원하는 값으로 조정하는 기능을 한다. 조종기(1)로 직접 힘을 조정하는 것은 일반적으로 세그먼트들(2a - 2c)의 큰 질량 관성이 종래의 조종기들에서는 힘에 있어서의 변화들을 빠르게 보상하는 것을 거의 불가능하게 만들기 때문에 너무 부정확하다(예. 연마도구가 작업편(40)에 배치될 때 발생하는 바와 같이). 이런 이유로 로봇 컨트롤러는 힘 조절이 엑츄에이터(20)에 의해 완전히 수행되는 동안 조종기(1)의 TCP의 자세(위치 및 방향)를 조정하도록 구성된다.
이전에 언급된 바와 같이, 연마도구와 작업편(40) 사이의 접촉력(FK ; 가공력이라고도 함)은 (선형) 엑츄에이터(20) 및 힘 컨트롤러(예를 들어, 로봇 컨트롤러(4) 내에 구현될 수 있는)의 도움으로 조정될 수 있어, 연마도구와 작업편(40) 사이의 (장축(A) 방향으로) 접촉력(FK)은 명시할 수 있는 목표 값에 대응한다. 이 경우에 있어서 접촉력은 엑츄에이터 힘에 대한 반작용이고 이를 가지고 선형 엑츄에이터(20)는 작업편 표면을 압박한다. 작업편(40)과 도구 사이에 접촉이 없을 때, 작업편 상에 접촉력의 부재의 결과로서, 엑츄에이터(20)는 정지단(이것은 엑츄에이터(20) 내에 통합되기 때문에 여기에 미도시)에 안착하게 되고 정의된 힘으로 이를 압박한다. 이 상황(미접촉)에 있어서, 엑츄에이터 편향은 따라서 최대가 되고 엑츄에이터는 끝 위치에 있게 된다. (역시 로봇 컨트롤러(4) 내에 구현될 수 있는) 조종기(1)의 위치 컨트롤러는 엑츄에이터(20)의 힘 컨트롤러와는 완전히 독립적으로 작동할 수 있다. 엑츄에이터(20)는 연마기(10)의 포지셔닝에는 책임이 없지만, 연마 프로세스 동안 원하는 접촉력(FK)의 조정 및 유지보수에 대해서 및 도구와 작업편 사이에 접촉이 발생할 때를 결정하는 것에 대해서는 책임이 있다. 접촉은 예를 들어, 엑츄에이터가 그 끝 위치에서 벗어나는 것을 검출하는 것에 의해(엑츄에이터 편향은 이때 최대 편향(aMAX)보다 작다), 쉽게 결정될 수 있다.
엑츄에이터는 공압식 엑츄에이터, 예를 들어 복동식 공압 실린더일 수 있다. 하지만, 예를 들어 벨로우즈 실린더들 및 공압근육들과 같은, 다른 종류들의 공압식 엑츄에이터들 또한 이용될 수 있다. 대안으로서, 전기 직류 구동(기어리스) 또한 고려될 수 있다. 여기서 엑츄에이터(20)의 유효 방향은 반드시 조종기의 세그먼트(2a)의 장축(A)과 일치할 필요는 없다. 공압식 엑츄에이터의 경우에 있어서, 힘은 제어 밸브, 컨트롤러(로봇 컨트롤러(4) 내에 구현되는) 및 압축 공기 저장소를 이용해 잘 알려진 방식으로 조정될 수 있다. 하지만, 구현의 상세사항은 추가적인 설명과 관련이 없고 따라서 상세하게 설명되지 않을 것이다. 연마기들은 일반적으로 연마 가루를 제거하기 위한 추출 시스템을 가진다. 도 1에 있어서, 추출 장치의 호스를 위한 연결(15)이 도시되어 있다.
연마기(10)는 보통 연마 디스크(11)를 구동하는 전기 모터를 포함한다. 궤도 연마기의 경우에 있어서, 연마 디스크(11)는 그 자체가 전기 모터의 모터 축에 연결되는 뒷판에 장착된다. 비동기식 또는 동기식 모터들은 전기 모터로 고려될 수 있다. 동기식 모터들은 회전 속도가 부하와 함께 변경되지 않고, 단지 슬립 각에 의해서만 변경되는 장점을 가지는 한편, 비동기식 기계들의 경우에 있어서 회전 속도는 부하가 증가함에 따라 떨어진다. 모터에 대한 부하는 이 경우에 있어서 본질적으로 접촉력(FK) 및 연마 디스크(11)와 작업편(40)의 기계가공되는 표면 사이의마찰력에 비례한다.
여기서 설명되는 개념들은 또한 공압식 모터(압축 공기 모터)를 가지는 연마기들에 적용될 수 있다. 압축 공기에 작용하는 연마기는 압축 공기 모터들이 일반적으로 작은 중량 대 전력 비(power-to-weight ratio)를 보여주기 때문에 상대적으로 컴팩트한 구성을 가진다. 회전 속도를 조절하는 것은 (예를 들어, 로봇 컨트롤러(4)에 의해 제어되는) 압력 제어 밸브를 이용하거나, 추가적으로 또는 대안적으로 쓰로틀을 이용하여 쉽게 실현할 수 있는 반면, 동기식 또는 비동기식 모터들(예. 로봇 컨트롤러(4)에 의해 전기적으로 제어됨)이 사용될 때에는, 주파수 컨버터가 회전 속도를 제어하는 데 필요하다.
작업편 표면과 연마 디스크 사이의 접촉 순간(즉, 접촉 프로세스)을 더 "부드럽게" 만들기 위해, 연마기(10)의 모터는 처음에는 (접촉 전에) 제1의, 더 낮은 회전 속도 n0로 운행될 수 있다. 이 속도에 도달하면, 조종기는 연마기를 기계가공되는 표면 상에 위치시키고 그후 연마기를 연마 디스크(11)가 표면에 접촉할 때까지 표면을 향해 움직인다(도 1 참조). 컨트롤러가 접촉이 발생한 것을 검출하자마자, 모터의 회전 속도는 제2의, 더 높은 값 n1으로 증가된다. 접촉이 종료된 후(예. 조종기(1)가 연마기를 표면으로부터 멀리 움직일 때), 회전 속도는 다시 한번 값 n0로 감소될 수 있다. 이 상황은 도 2에 도시되어 있다.
회전 속도를 값 n0로부터 값 n1으로 올리는 데 필요한 상승 시간(T1)은 연마기 및 회전 속도 컨트롤러의 동력학에 의해 (햐향으로) 제한된다. 이것은, 회전 속도가 갑자기 "전환"될 때, n0에서 n1으로의 회전 속도의 상승은 정의된 시간 만큼 걸리는 것을 의미한다. 이 경우에 있어서, 회전 속도는 정의된(즉, 특정된) 시간 T1 내에서 (회전 속도 컨트롤러를 통해) "제어되는" 방식으로 증가될 수 있다. 여기에 제시된 예에 있어서, 접촉이 종료되면(즉, 접촉이 없어지면), 시간 T0 내에 회전 속도가 값 n0로 저하된다. 이 시간은 상승 시간 T1과 동일한 길이일 필요는 없고 예를 들어 더 길 수도 있다.
도 3의 도표들은 로봇 컨트롤러(4)가 연마 디스크(11)의 회전 속도를 올리는 것에 의한 접촉 검출에 대해 반응할 때 뿐만 아니라, 조정가능한 최소힘 F0에서 시작해서 원하는 접촉력 FK에서 끝나는, 엑츄에이터 힘(표면에 대해 엑츄에이터에 의해 가해지는 힘)의 제어되는 상승의 일 예를 보여준다. 일 실시예에 따르면, 엑츄에이터 힘은 정의된(즉, 특정된) 시간 TR 내에서 증가된다. 이 엑츄에이터 힘의 상승은, 선형적일 수 있지만, 이것은 반드시 이 경우일 필요는 없다. 도 3의 첫번째 도표에 도시된 점선은 엑츄에이터 힘의 비-선형(S-형태의) 증가를 지시한다. 도 3의 두번째 도표는 n0에서 n1으로 회전 속도의 증가를 보여주는데, 이때 상승 시간 T1은 시간 TR보다 더 짧을 수 있다.
도 4에, 여기서 설명되는 연마 장치로 구현될 수 있는 방법의 일 예가 도시되어 있다. 먼저, 연마도구를 가지는 연마기(cf. 도 1, 연마기(10), 연마도구(11))가 연마기가 제1 회전 속도에서 구동되는 동안 조종기/로봇의 도움으로 포지셔닝된다(도 4, 단계 S1 참조). 이 포지셔닝은 이전에 정의된 궤도를 따라 연마기를 움직이는 것을 수반할 수 있다. 포지셔닝 프로세스 동안, 연마도구가 표면에 접촉하였는지 여부가 결정된다(도 4, 단계 S2 참조). 이것은 예를 들어, 힘을 제어하는 데 이용되는 엑츄에이터(cf. 도 1, 엑츄에이터(20))의 편향이 변경되었는지 검출하는 것에 의해, 달성될 수 있다. 접촉이 발생했음이 결정된 때, 제1 회전 속도에서 시작하여, 연마기의 모터의 회전 속도, 및 이와 함께 연마도구의 회전 속도가 증가된다(도 4, 단계 S2 참조).

Claims (12)

  1. 표면을 기계가공하기 위한 연마 장치에 있어서,
    조종기(1)에 결합되고 또한 모터 및 상기 모터에 의해 구동되는 연마도구(11)를 가지는 연마기(10);
    상기 연마 도구(11)와 상기 표면과의 접촉력을 조정하기 위한 엑츄에이터 (20); 및
    컨트롤러(4)를 포함하고, 상기 컨트롤러는,
    상기 연마도구(11)의 회전 속도를 조정하기 위해 연마기(10)를 제어하고,
    상기 연마기가 제1 회전 속도(n0)에서 구동되는 동안 상기 연마도구(11)와 상기 표면을 접촉시키기 위해 상기 조종기(1)를 이용해 상기 연마기(10)를 위치시키고,
    상기 연마도구(11)와 상기 표면 사이의 접촉을 검출하고, 또한
    접촉 검출에 응답하여 특정된 제1 기간 (T 1 )에 상기 연마도구(11)의 회전 속도를 상기 제1 회전 속도(n0)로부터 제2 회전 속도(n1)까지 올려,
    상기 접촉 검출에 응답하여 상기 제1 기간 (T 1 )보다 긴 특정된 제2 기간 (T R )에 상기 연마 도구(11)와 상기 표면 사이의 접촉력을 증가시키도록 구성되는, 연마 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러(4)는 상기 엑츄에이터의 편향 또는 그 변화에 기초하여 상기 연마도구(11)와 상기 표면 사이의 접촉을 검출하도록 구성되는, 연마 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 컨트롤러(4)는 접촉이 종료된 것을 검출하고 또한 접촉이 종료된 것에 응답하여 상기 연마도구(11)의 회전 속도를 감소시키도록 더 구성되는, 연마 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러(4)는 정의되고 명시가능한 진행에 따라 상기 연마도구(11)의 회전 속도를 증가시키도록 더 구성되는, 연마 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 조종기(1)는 산업용 로봇인, 연마 장치.
  7. 표면의 자동화된 연마를 위한 방법에 있어서,
    연마기(10)가 제1 회전 속도(n0)로 구동되는 동안 연마도구(11)가 상기 표면에 접촉하도록, 상기 연마도구(11)를 가지는 연마기(10)를 로봇-보조 포지셔닝하는 단계,
    상기 연마도구(11)와 상기 표면 사이의 접촉을 검출하는 단계;
    상기 접촉 검출에 응답하여 특정된 제1 기간 (T 1 )에 상기 연마도구(11)의 회전 속도를 상기 제1 회전 속도(n0)로부터 제2 회전 속도(n1)까지 올리는 단계;
    상기 접촉 검출에 응답하여 상기 제1 기간 (T 1 )보다 긴 특정된 제2 기간 (T R )에 상기 연마 도구(11)와 상기 표면 사이의 접촉력을 증가시키는 단계를 포함하는, 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    조종기(1)와 상기 연마기(10) 사이에 배치되는 선형 엑츄에이터(20)를 이용해 상기 접촉력을 조정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 연마도구(11)와 상기 표면 사이의 접촉은 상기 선형 엑츄에이터의 편향 또는 그 변화에 기초하여 검출되는, 방법.
  9. 삭제
  10. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    접촉 손실을 검출하는 단계, 및
    상기 접촉 손실 검출에 응답하여, 상기 연마도구(11)의 회전 속도를 감소시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 연마도구(11)의 회전 속도는 정의되고 명시가능한 진행에 따라 증가되는, 방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 연마기를 로봇-보조 포지셔닝하는 단계는 산업용 로봇을 이용해 수행되는, 방법.
KR1020207020370A 2018-03-15 2019-03-13 로봇-보조 연마에 있어서 회전 속도 제어 KR102642762B1 (ko)

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