KR20020077179A - 로봇 핸드 부재 및 그 제조 방법 - Google Patents

로봇 핸드 부재 및 그 제조 방법 Download PDF

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아오야기겐이찌
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니폰 미쓰비시 오일 코포레이션
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Abstract

본 발명은 산업용 로봇의 아암 유닛 상에 장착되는 로봇 핸드 부재 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 여기에서, 소정 형상의 단면을 갖는 코어 부재의 외주면 상에 강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트를 적층하는 단계와, 섬유 강화 플라스틱을 형성하기 위해 소정 온도까지 적층된 프리프레그 시트를 가열하여 열경화시키는 단계와, 중공 구조를 얻기 위해 섬유 강화 플라스틱으로부터 코어 부재를 제거하는 단계가 연속적으로 수행된다.

Description

로봇 핸드 부재 및 그 제조 방법{ROBOT HAND MEMBER AND METHOD OF PRODUCING THE SAME}
본 발명은 산업용 로봇의 아암 유닛 상에 장착되는 로봇 핸드 부재와, 그 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 코어 부재의 외주면 상에 적층된 강화 섬유를 구비한 프리프레그 시트(prepreg sheet)를 열경화시킴으로써 얻어진 섬유 강화 플라스틱(FRP: fiber reinforced plastic)으로 제조된 로봇 핸드 부재와, 그 제조 방법에 관한 것이다.
액정 디스플레이(LCD: liquid crystal display)의 광범위한 사용과 더불어 증가된 크기로 제조되는 유리 기판은 LCD, 플라즈마 디스플레이 패널(PDP: plasma display panel), 실리콘 웨이퍼 등의 정밀 부품의 제조 공정에 사용되도록 기판 컨베이어 로봇 핸드의 크기 증가를 필요로 한다. 또한, 대형 플라즈마 디스플레이 패널을 운반하는 로봇 핸드는 LCD를 운반하는 로봇 핸드의 크기를 초과하는 크기를갖는다.
강철, 스테인리스강 및 알루미늄 등의 금속은 로봇 핸드의 재료로서 아직까지 사용되고 있다. 그러나, 근년에 들어 로봇 핸드의 크기 증가와 더불어, 섬유 강화 플라스틱(이하, "FRP")을 사용하는 경향이 있다. 특히, 탄소 섬유 강화 플라스틱(이하, "CFRP")의 중실 부재(solid member)로 제조된 로봇 핸드 부재는 널리 사용되고 있다.
그러나, 크기가 지속적으로 증가하는 현시점에 있어서, CFRP의 중실 부재는 로봇 핸드 자체를 무거워지게 하여 자체 중량으로 인한 디플렉션(deflection) 증가를 발생시킨다. 또한, 로봇 핸드가 무거워짐에 따라, 로봇 구동 시스템 상의 부하가 증가되어, 로봇의 설계 및 비용에 영향을 준다. 자체 중량으로 인한 디플렉션은 중량을 감소시킴으로써 즉 로봇 핸드 부재의 두께를 감소시킴으로써 또는 지지면의 폭을 감소시킴으로써 어느 정도까지 감소될 수 있다. 그러나, 이러한 대응책으로, 로봇 핸드의 플렉셔 강성(flexural rigidity)이 낮아지므로, 디플렉션(하중으로 인한 디플렉션)은 공작물을 지지할 때 증가된다. 긴 로봇 핸드 부재가 캔틸레버형일 때, 특히, 단부에서의 디플렉션이 증가되고, 공작물이 지지될 때 진동이 증가되어, 공작물을 지지하거나 운반하는 데 있어서 문제점을 발생시킨다.
일본 특허 공개 제2000-343476호에 개시된 바와 같이, 탄소 섬유를 각각 구비한 복수개의 프리프레그 시트의 적층체를 가열하여 열경화시킴으로써 얻어진 판형 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)과, CFRP와 유사하게 제조된 코어층의 스킨층을 별도로 형성하고 코어 부재로서 역할을 하는 코어층의 상부면 및 하부면 상에 스킨층을 적층하며 접착제로 코어층 및 스킨층을 서로 접착함으로써 로봇 핸드를 제조하는 기술이 제안되었다.
이 경우에, 스킨층으로서, 상이한 방향으로 배향된 탄소 섬유를 구비한 복수개의 프리프레그 시트는 플렉셔 강성, 진동 감쇠 특성 및 내열성을 개선하도록 서로 적층된다. 또한, 코어층으로서, CFRP 부재와 알루미늄 등의 금속 및 섬유 집합체로 제조된 벌집형 코어 부재는 중량을 감소시키면서 플렉셔 강성, 진동 감쇠 특성 및 내열성을 개선하도록 서로 조합된다.
그러나, 이 방법에 따르면, 소정 두께 및 소정 면적을 갖는 CFRP를 구비한 스킨층과, CFRP를 유사하게 구비한 코어층이 재료로서 형성되고 스킨층은 접착제로 코어 부재로서 역할을 하는 코어층의 상부면 및 하부면 상으로 접착되며 이와 같이 얻어진 적층체는 소정 형상으로 가공되도록 소정 길이 및 폭으로 절단되므로, 제조 공정수의 증가가 필요하다. 따라서, 제조에 필요한 시간이 길어지고, 제조 비용이 높아진다.
또한, 정사각형 파이프를 형성하기 위해 소정 두께로 각각 형성된 4개의 CFRP판을 접착제로 접착하는 방법이 고안되었다. 그러나, 이 방법은 프리프레그 시트를 적층하는 단계와, 열경화에 의해 CFRP판을 형성하는 단계와, CFRP판을 접착하는 단계를 필요로 하고, CFRP판이 부착되는 부분은 하중에 대해 낮은 강도를 갖는다는 문제점이 있다.
로봇 핸드 부재는 액정 디스플레이, 플라즈마 디스플레이 패널, 실리콘 웨이퍼 등의 정밀 부품을 공작물로서 운반하도록 설계되었고, 이러한 공작물 상의손상(scar)을 회피하도록 소정 평탄도를 가질 필요가 있다. 그러나, 로봇 핸드 부재가 중공 구조를 가지면, 중심부는 오목하게 변형될 수도 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기된 문제점에 대처하는 것과; 하중에 대한 높은 강도, 낮은 디플렉션 및 높은 평탄도를 갖는 로봇 핸드 부재와, 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 산업용 로봇의 아암 유닛 상에 장착되고 소정 형상의 단면을 가지며 길이 방향으로 연장하는 본 발명에 따른 로봇 핸드 부재는 강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트가 코어 부재의 외주면 상에 적층되고 적층된 프리프레그 시트가 섬유 강화 플라스틱을 형성하기 위해 소정 온도까지 가열되어 열경화되며 그 다음에 코어 부재가 섬유 강화 플라스틱으로부터 제거되도록 구성된다.
상기 구성에 따르면, 적은 제조 공정수 및 낮은 제조 비용으로 로봇 핸드 부재를 형성하는 것이 가능하다. 또한, 섬유 강화 플라스틱을 사용함으로써, 우수한 평탄도, 플렉셔 강성, 진동 감쇠 특성 및 내열성을 갖고 금속으로 제조된 것보다 중량이 가벼운 로봇 핸드 부재를 제조하는 것이 가능하다. 또한, 코어 부재는 중공 구조를 형성하도록 제거되므로, 중량 감소를 추가로 개선하는 것이 가능하고, 로봇 핸드의 기능에 필요한 장치, 배선, 배관 등을 중공 부분에 배치하는 것도 가능하다. 또한, 코어 부재는 반복적으로 사용될 수 있으므로, 재료 비용을 낮추는 것이 가능하다.
상기된 로봇 핸드 부재를 제조하는 방법은, 소정 형상의 단면이고 소정 온도 이하의 온도에서의 가열에 의해 변형되지 않는 재료로 제조되는 코어 부재의 외주면 상에 강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트를 권취하는 단계와; 권취된 프리프레그 시트의 외주면 상으로 소정 내부면 형상을 갖는 외부 주형을 가압함으로써 소정 크기로 프리프레그 시트의 외부면 형상을 성형하는 단계와; 섬유 강화 플라스틱을 형성하기 위해 소정 온도까지 성형된 프리프레그 시트를 가열하여 이 가열된 프리프레그 시트를 열경화시키는 단계와; 중공 구조를 형성하기 위해 섬유 강화 플라스틱으로부터 코어 부재를 제거하는 단계를 포함한다.
상기된 로봇 핸드 부재를 제조하는 다른 방법은, 소정 형상의 단면이고 소정 온도 이하의 온도에서의 가열에 의해 변형되지 않는 코어 부재의 외주면을 복수개의 영역으로 분할하여 각각의 분할된 영역 상으로 강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트를 접착하는 단계와; 섬유 강화 플라스틱을 형성하기 위해 소정 온도까지 프리프레그 시트가 접착되는 코어 부재를 가열하여 이 부재를 열경화시키는 단계와; 중공 구조를 형성하기 위해 섬유 강화 플라스틱으로부터 코어 부재를 제거하는 단계를 포함한다. 이 경우에, 프리프레그 시트는 코어 부재의 외주면 상에 분할된 각각의 영역에 접착되므로, 코너 부분은 외부측을 향해 팽창되지 않는다. 따라서, 로봇 핸드 부재의 외부면 형상을 충족시키는 전용 외부 주형을 사용할 필요성이 없다.
산업용 로봇의 아암 유닛 상에 장착되고 소정 형상의 단면을 가지며 길이 방향으로 연장하는 본 발명에 따른 다른 로봇 핸드 부재는, 강화 섬유를 각각 구비한프리프레그 시트가 코어 부재의 외주면의 전체 또는 일부 상에 적층되고, 프리프레그 시트가 적층된 코어 부재가 코어 부재와 일체화되는 섬유 강화 플라스틱을 형성하기 위해 소정 온도까지 가열되어 열경화되도록 구성된다.
이 구성에 따르면, 적은 제조 공정수 및 낮은 제조 비용으로 로봇 핸드 부재를 형성하는 것이 가능하다. 또한, 섬유 강화 플라스틱을 사용함으로써, 중량이 가볍고 낮은 디플렉션 특성을 갖는 로봇 핸드 부재를 제조하는 것이 가능하다. 또한, 코어 부재는 중실 구조를 형성하기 위해 내부에 남겨지므로, 로봇 핸드 부재의 중심 부분은 오목하게 변형되는 것이 방지되어, 평탄도를 개선한다. 섬유 강화 플라스틱보다 가벼운 합성 수지 등의 경량 부재를 코어 부재로서 사용함으로써, 중량을 추가로 감소시키는 것이 가능하다는 것을 주목하여야 한다.
상기된 로봇 핸드 부재를 제조하는 방법은, 소정 형상의 단면이고 소정 온도 이하의 온도에서의 가열에 의해 변형되지 않는 재료로 제조되는 코어 부재의 외주면 상에 강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트를 권취하는 단계와; 권취된 프리프레그 시트의 외주면 상으로 소정 내부면 형상을 갖는 외부 주형을 가압함으로써 소정 크기로 프리프레그 시트의 외부면 형상을 성형하는 단계와; 코어 부재와 일체화되는 섬유 강화 플라스틱을 형성하기 위해 소정 온도까지 성형된 프리프레그 시트를 가열하여 이 가열된 프리프레그 시트를 열경화시키는 단계를 포함한다.
상기된 로봇 핸드 부재를 제조하는 다른 방법은, 소정 형상의 단면이고 소정 온도 이하의 온도에서의 가열에 의해 변형되지 않는 코어 부재의 외주면을 복수개의 영역으로 분할하여 적어도 하나의 분할된 영역 상으로 강화 섬유를 각각 구비한프리프레그 시트를 접착하는 단계와; 섬유 강화 플라스틱을 형성하기 위해 소정 온도까지 프리프레그 시트가 접착되는 코어 부재를 가열하여 이 부재를 열경화시키는 단계를 포함한다.
상기된 로봇 핸드 부재를 제조하는 다른 방법은, 소정 형상의 단면이고 소정 온도 이하의 온도에서의 가열에 의해 변형되지 않는 코어 부재의 외주면을 복수개의 영역으로 분할하여 각각의 분할된 영역 상으로 강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트를 접착하는 단계와; 코어 부재와 일체화되는 섬유 강화 플라스틱을 형성하기 위해 소정 온도까지 프리프레그 시트가 접착되는 코어 부재를 가열하여 이 부재를 열경화시키는 단계를 포함한다. 이 경우에, 서로에 대해 인접한 영역의 프리프레그 시트는 코어 부재의 외주면의 전체 상에 FRP를 구성하기 위해 서로에 대해 결합되어 접착된다. 따라서, 경량의 코어 부재를 사용함으로써, 중실 FRP 부재, 양호한 디플렉션 방지 특성 및 평탄도라는 장점을 갖는 로봇 핸드 부재를 제조하는 것이 가능하다.
산업용 로봇의 아암 유닛 상에 장착되고 섬유 강화 플라스틱으로 제조되는 본 발명에 따른 로봇 핸드 부재는, 중공 직사각형 형상의 횡단면으로 형성되고, 횡단면에서 서로에 대해 대향하는 긴 측면을 횡단하여 연장하며 길이 방향으로 연장하는 구성 부재의 내부 공간의 길이 방향으로도 연장하는 적어도 하나의 리브가 내부 공간에 형성된다.
이 구성에 따르면, 횡단면을 구성하는 긴 측면은 리브를 통해 서로에 대해 연결되므로, 긴 측면은 강성을 증가시키도록 길이가 실질적으로 단축된다. 횡단면의 긴 측면의 강성은 개선되므로, 긴 측면의 중심에서의 오목 변형은 감소되어, 로봇 핸드 부재의 평탄도(즉, 정밀도)는 개선된다.
상기된 로봇 핸드 부재를 제조하는 방법은, 전체적으로 직사각형 형상의 단면을 갖는 복합 구조를 형성하기 위해 직사각형 형상의 횡단면으로 형성되고 강화 섬유를 구비한 리브 구성 부재의 양측면 상에 직사각형 형상의 횡단면을 각각 갖고 소정 온도 이하의 온도에서의 가열에 의해 각각 변형되지 않는 코어 부재를 배치하는 단계와; 복합 구조의 외주면 상에 소정 두께로 강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트를 적층하는 단계와; 리브 구성 부재 및 프리프레그 시트가 일체화되는 섬유 강화 플라스틱을 형성하기 위해 소정 온도까지 프리프레그 시트가 적층되는 복합 구조를 가열하는 단계와; 섬유 강화 플라스틱으로부터 코어 부재를 제거하는 단계를 포함한다.
이 구성에 따르면, 상이한 크기를 갖는 복수개의 종류의 코어 부재 및 리브 구성 부재가 제조되면, 이들 부재를 임의로 조합함으로써, 내부 공간에 리브를 갖는 소정 크기의 로봇 핸드 부재가 용이하게 제조될 수 있다.
상기된 로봇 핸드 부재를 제조하는 다른 방법은, 직사각형 형상의 횡단면을 각각 갖고 소정 온도 이하의 온도에서의 가열에 의해 각각 변형되지 않는 코어 부재의 외주면 상에 소정 두께로 강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트를 적층하는 단계와; 전체적으로 직사각형 형상의 단면을 갖는 복합 구조를 형성하기 위해 양측면 상에 프리프레그 시트가 각각 적층되는 복수개의 코어 부재를 서로에 대해 접촉시키는 단계와; 복합 구조의 외주면 상에 소정 두께로 강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트를 적층하는 단계와; 코어 부재 상에 적층된 프리프레그 시트와 복합 구조 상에 적층된 프리프레그 시트가 일체화되는 섬유 강화 플라스틱을 형성하기 위해 소정 온도까지 프리프레그 시트가 적층되는 복합 구조를 가열하는 단계와; 섬유 강화 플라스틱으로부터 코어 부재를 제거하는 단계를 포함한다. 이 경우에, 어떠한 리브 구성 부재도 필요로 하지 않는다는 점에서 장점을 갖는다.
상기된 제조 방법에서, 소정 두께로 프리프레그 시트를 적층하는 단계는 복합 구조의 표면 형상 또는 코어 부재의 표면 형상을 충족시키도록 형성된 프리프레그 시트가 복합 구조의 표면 또는 코어 부재의 표면 상에 접착되어 적층되도록 수행될 수도 있다. 복합 부재의 표면 형상 또는 코어 부재의 표면 형상을 충족시키도록 형성된 프리프레그를 접착함으로써, 프리프레그 시트는 소정 두께로 적층된다.
또한, 상기된 제조 방법에서, 소정 두께로 프리프레그 시트를 적층하는 단계는 복합 부재의 외주면 또는 코어 부재의 외주면 상에 프리프레그 시트를 적층하도록 권취할 수도 있다. 복합 구조의 외주면 또는 코어 부재의 외주면 상에 프리프레그 시트를 권취함으로써, 프리프레그 시트는 소정 두께로 적층된다.
상기된 로봇 핸드 부재를 제조하는 다른 방법은, 전체적으로 직사각형 형상의 단면을 갖는 복합 구조를 형성하기 위해 양측면 상에 중공 직사각형 형상의 횡단면을 각각 갖고 강화 섬유를 각각 구비한 복수개의 유닛 구성 부재를 서로에 대해 접촉시키는 단계와; 복합 구조의 접촉면과 교차하는 동일측 상의 측면에 걸쳐 강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트를 접착하는 단계와; 유닛 구성 부재 및프리프레그 시트가 일체화되는 섬유 강화 플라스틱을 형성하기 위해 소정 온도까지 프리프레그 시트가 접착되는 복합 구조를 가열하는 단계를 포함한다.
상기된 제조 방법에서, 프리프레그 시트를 접착하는 단계는 복합 구조의 외주면 상으로 프리프레그 시트를 접착하도록 권취할 수도 있다. 이 구성에 따르면, 프리프레그 시트는 복합 구조의 외주면 상에 권취되므로, 인접한 유닛 구성 부재들 사이의 단차(step)는 은폐되고, 로봇 핸드의 외관은 개선된다.
상기된 제조 방법에서, 코어 부재의 외부면 또는 복합 구조의 표면 상으로 프리프레그 시트를 접착하는 단계는 다층으로 프리프레그 시트를 권취하거나 접착하는 단계를 포함할 수도 있다. 이와 같이, 상이한 두께의 프리프레그 시트 적층체를 적절하게 설계하여, 로봇 핸드 부재의 플렉셔 강성을 제어하는 것이 가능해진다.
다층으로 프리프레그 시트를 권취하거나 접착하는 단계는 내부의 강화 섬유가 길이 방향을 따른 방향으로 그리고 길이 방향과 거의 직각인 방향으로 서로에 대해 상이하게 배향되는 방식으로 프리프레그 시트를 적층하는 단계를 추가로 포함할 수도 있다. 이 구성에 따르면, 로봇 핸드가 사용되는 환경에 따라 로봇 핸드 부재의 플렉셔 강성, 진동 감쇠 특성, 내열성 등을 제어하는 것이 가능해진다.
또한, 다층으로 프리프레그 시트를 권취하거나 접착하는 단계는 프리프레그 시트가 권취되거나 접착되는 최외곽층 상에 직물 프리프레그 시트를 권취하는 단계를 포함할 수도 있다. 이 구성에 따르면, 절단 또는 연마의 후속 작업에서의 플러핑(fluffing)은 감소된다. 이와 같이, 소정 부재로서의 작업 효율은 개선되고, 최종적으로 얻어지는 제품은 개선된 외관을 나타낸다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 연계된 실시예의 다음 설명으로부터 분명해진다.
도1은 본 발명의 로봇 핸드 부재가 적용되는 로봇 핸드를 도시하는 사시도.
도2는 본 발명에 따른 제1 실시예의 로봇 핸드 부재를 도시하는 사시도.
도3a 내지 도3d는 제1 실시예의 로봇 핸드 부재를 제조하는 제1 방법의 공정을 도시하는 단면도.
도4는 프리프레그 시트의 강화 섬유가 상기 제조 방법에서 다층으로 프리프레그 시트를 권취하는 공정으로 서로에 대해 상이한 방향으로 배향되는 방식으로 프리프레그 시트가 적층되는 상태의 설명도.
도5는 제1 실시예의 로봇 핸드 부재의 단면 형상의 변형예를 도시하는 단면도.
도6a 내지 도6e는 제1 실시예의 로봇 핸드 부재를 제조하는 제2 방법의 공정설명도.
도7은 본 발명에 따른 제2 실시예의 로봇 핸드 부재를 도시하는 단면도.
도8은 제2 실시예의 로봇 핸드 부재의 변형예를 도시하는 사시도.
도9는 본 발명에 따른 제3 실시예의 로봇 핸드 부재를 도시하는 단면도.
도10a 내지 도10d는 제3 실시예의 로봇 핸드 부재를 제조하는 제1 방법의 공정을 도시하는 단면도.
도11a 내지 도11d는 제3 실시예의 로봇 핸드 부재를 제조하는 제1 방법에서 프리프레그 시트의 적층 상태의 예를 도시하는 설명도.
도12a 내지 도12e는 제3 실시예의 로봇 핸드 부재를 제조하는 제2 방법의 공정을 도시하는 단면도.
도13a 내지 도13c는 제3 실시예의 로봇 핸드 부재를 제조하는 제3 방법의 공정을 도시하는 단면도.
도14a 내지 도14d는 제3 실시예의 로봇 핸드 부재가 긴 경우에 대응하는 제조 방법을 도시하는 도면(도14a는 로봇 핸드 부재의 측면도, 도14b는 도14a의 E-E를 따른 단면도, 도14c는 도14a의 F-F를 따른 단면도, 도14d는 도14a의 G-G를 따른 단면도).
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 로봇 핸드
2 : 장착 부재
3 : 공작물
4, 14, 16 : 로봇 핸드 부재
5 : 장착 구멍
6 : 코어 부재
7, 7a, 7b, 7c : 프리프레그 시트
8a, 8b, 8c : 강화 섬유
9 : 프리프레그 시트 적층체
10a, 10b : 외부 주형
10c : 홀더판
10d : 두께 설정판
11 : FRP 부재
18 : 복합 부재
19 : 유닛 구성 부재
이제는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 로봇 핸드 부재가 적용되는 로봇 핸드(1)를 도시하는 사시도이다. 로봇 핸드(1)는 산업용 로봇의 아암 유닛 상에 장착되고, 로봇의 아암 유닛(도시되지 않음) 상에 로봇 핸드(1)를 장착하는 평탄한 판형 장착 부재(2)와, 공작물(3)을 지지하도록 장착 부채(2)에 고정된 로봇 핸드 부재(4)를 포함한다. 도1에는 로봇의 아암 유닛 상에 로봇 핸드(1)를 장착하는 장착 부재(2)에 천공된 장착 구멍(5)이 도시되어 있다. 로봇 핸드 부재(4)는 예컨대 액정 디스플레이(LCD), 플라즈마 디스플레이 패널(PDP) 또는 반도체 웨이퍼와 같은 유리 기판 등의 공작물(3)을 지지하고 운반하며, 경량화, 우수한 평탄도, 플렉셔 강성 및 내열성을 달성하도록 섬유 강화 플라스틱(FRP)으로 제조된다.
도2는 본 발명에 따른 제1 실시예의 로봇 핸드 부재(4)를 도시하고 있다. 로봇 핸드 부재(4)는 강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트가 코어 부재의 외주면 상에 적층되고 적층된 프리프레그 시트가 섬유 강화 플라스틱을 형성하기 위해 소정 온도까지 가열되어 열경화되며 코어 부재가 이와 같이 형성된 섬유 강화 플라스틱으로부터 제거되도록 구성된 중공 구조를 갖는 중공 정사각형 파이프 형태이다. 2개의 로봇 핸드 부재(4)가 나사 등을 사용함으로써 장착 부재(2) 상에 서로에 대해 평행하게 장착되고, 각각은 폭이 약 50㎜이고 길이가 약 1500㎜인 크기를 갖는다. 장착 부재(2) 및 로봇 핸드 부재(4)는 일체화될 수도 있다.
이제는 도3a 내지 도3d를 참조하여 로봇 핸드 부재(4)를 제조하는 제1 방법을 설명하기로 한다.
우선, 도3a를 참조하면, 강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트(7)가 소정 온도 이하의 온도에서의 가열에 의해 실질적으로 변형되지 않고 소정 형상의 단면을 갖는 재료로 제조된 코어 부재(6)의 외주면 상에 다층으로 권취된다.
프리프레그 시트(7)가 권취되는 기부 부재로서 역할을 하는 코어 부재(6)는 하기된 프리프레그 시트 적층체(9)가 소정 온도(수지에 따라 상이하지만, 대개 약 100 내지 약 190℃)까지 가열되어 열경화되는 공정에서의 온도보다 약간 높은 온도 미만인 온도에서의 가열에 의해 실질적으로 변형되지 않는다. 또한, 코어 부재(6)는 예컨대 단면이 직사각형 로드로 형성되는 가열 및 열경화 후 FRP로부터 용이하게 제거될 수 있는 재료로 제조된다. 여기에서, 용어 "코어 부재(6)는 가열에 의해 실질적으로 변형되지 않는다"는 코어 부재(6)는 프리프레그 시트 적층체(9)를 열경화시키는 가열 공정에서 와핑(warping), 벤딩(bending), 디플렉션, 트위스팅(twisting), 링클링(wrinkling) 또는 폴딩(folding) 등으로 인한 가열에 의해 용융되거나 변형되지 않는다는 것을 의미한다. 코어 부재(6)는 알루미늄, 강철 또는 스테인리스강 등의 금속; 또는 MC 나일론 수지 또는 폴리이미드 수지로 제조된다. 상기 금속 또는 수지는 FRP의 열팽창 계수를 초과하는 열팽창 계수를 가지므로, 가열된 후 냉각함으로써 수축되고, 용이하게 제거된다. 또한, 필요에 따라, 이형제(parting material)가 코어 부재의 표면에 도포될 수도 있다. 이형제는 분무에 의해 도포되는 화학 물질(예컨대, 계면 활성제 등)일 수도 있거나, 테플론 시트(Teflon sheet) 등의 이형 시트(parting sheet)일 수도 있다.
프리프레그 시트(7)는 강화 섬유가 일방향으로 배향되는 일방향 평직포(plain-woven fabric) 또는 일방향 부직포(non-woven fabric) 등의 소위 일방향 부재; 강화 섬유가 이방향으로 배향되는 평직포, 능직포(twilled fabric) 또는 수자직포(satin-woven fabric) 등의 이방향 부재; 또는 매트릭스 수지(matrix resin)가 미리 함침되고 어느 정도의 점도를 갖는 아직 열경화시키지 않은 상태로 위치되는 강화 섬유가 삼방향으로 배향된 삼축직포(triaxially woven fabric) 등의 삼방향 부재의 시트이다.
이 경우에, 탄소 섬유가 강성 및 경량화를 달성한다는 관점으로부터 강화 섬유로서 일반적으로 사용된다. 그러나, 탄소 섬유 이외의 유리 섬유, 아라미드 섬유 또는 실리콘 카바이드 섬유를 사용하는 것도 가능하다. 예컨대, 적층될 복수개의 프리프레그 시트(7)에 대해, 탄소 섬유 프리프레그가 주로 사용될 수도 있고, 유리 섬유 또는 다른 섬유를 구비한 프리프레그 시트가 로봇 핸드 부재의 지지 성능 또는 운반 성능이 손상을 받지 않는 정도까지 부분적으로 사용될 수도 있다. 탄소 섬유는 2개의 형태 즉 출발 재료에 따라 폴리아크릴로니트릴계(PAN: polyacrylonitrile-based) 탄소 섬유 및 피치계(pitch-based) 탄소 섬유로 분류될 수 있다. 피치계 탄소 섬유는 490 내지 950㎬의 높은 탄성을 갖지만, PAN계 탄소섬유는 약 230 내지 약 490㎬의 탄성 및 높은 인장 강도를 갖는다.
또한, 매트릭스 수지로서, 에폭시 수지, 페놀 수지, 시아네이트 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 폴리이미드 수지 또는 비스말레이미드 수지 등의 열경화 수지가 사용될 수 있다. 또한, 내충격성 및 인성을 부여하기 위해, 고무 또는 수지의 미세 입자를 첨가함으로써 얻어진 것 또는 열경화성 수지에 열가소성 수지를 용해시킴으로써 얻어진 것이 사용될 수 있다. 여기에서, 미세 입자로서 사용되는 고무는 니트릴 고무, 부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 부타디엔-니트릴 고무, 아크릴 고무 또는 부틸 고무일 수도 있다. 또한, 미세 입자로서 사용되는 수지는 열경화성 수지 또는 열가소성 수지일 수도 있다. 열경화성 수지로서, 에폭시 수지, 페놀 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 아미노 수지 또는 우레탄 수지가 사용될 수 있다. 열가소성 수지로서, 폴리이미드 수지, 폴리아크릴레이트 수지, 폴리비닐 아세테이트 수지, 폴리아미드 수지, 폴리아라미드 수지 또는 폴리카보네이트 수지가 사용될 수 있다. 열경화성 수지에 용해되는 열가소성 수지로서, 폴리술폰 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리에테르 술폰 수지, 폴리에테르 이미드 수지, 방향성 폴리에스테르 수지, 폴리비닐 포말 수지, 폴리아미드 수지 또는 폴리이미드 수지가 사용될 수 있다.
여기에서, 다층으로 프리프레그 시트(7)를 권취하는 공정은 강화 섬유가 상이한 방향으로 배향되는 방식으로 프리프레그 시트(7)가 적층되도록 도4에 도시된 바와 같이 수행된다. 즉, 프리프레그 시트는 소정 층의 프리프레그 시트(7a)의 강화 섬유(8a)가 0°의 방향으로 배향되고 다른 층의 프리프레그 시트(7b)의 강화 섬유(8b)가 90°의 방향으로 배향되도록 적층된다. 또한, 상기된 프리프레그 시트에 추가하여 추가층의 프리프레그 시트(7c)가 적층될 수도 있다. 이 경우에, 프리프레그 시트(7c)의 강화 섬유(8c)는 이방향으로 배향된 강화 섬유가 90°각도로 교차하는 직물 프리프레그 시트일 수도 있거나, 길이 방향에 대해 ±45°각도로 한 쌍의 일방향 프리프레그 시트를 적층함으로써 구성되는 것일 수도 있다. 이 상태에서, 각각의 층의 프리프레그 시트(7a, 7b, 7c)는 적절한 두께로 연속적으로 적층되어, 최종 두께는 약 1 내지 약 7㎜가 된다. 이 경우의 적층체의 두께는 프리프레그 시트가 열경화되도록 가열될 때의 체적 감소를 고려하여 로봇 핸드 부재의 FRP판의 필요한 두께보다 약간 크다.
이하에서는 다층으로 프리프레그 시트(7)를 적층하는 예를 상세하게 설명하기로 한다. 도3a를 참조하면, 코어 부재(6)와 접촉하여 적층되는 최내곽층의 프리프레그 시트(7)는 예컨대 길이 방향에 대해 0°또는 90°의 방향으로 배향된 강화 섬유를 갖는다. 상기 최내곽층 상에 적층되는 제2 프리프레그 시트(7)는 길이 방향으로의 디플렉션을 방지하고 진동 감쇠 특성을 개선하기 위해 길이 방향에 대해 예컨대 0°의 방향으로 배향된 강화 섬유를 갖는다. 상기된 제2 프리프레그 시트(7) 상에 적층되는 제3 프리프레그 시트(7)는 디플렉션 강성을 개선하고 플렉셔 진동에 대한 진동 감쇠 특성을 개선하며 적층된 2개의 프리프레그 시트(7)를 포함한 전체 부재의 와핑 및 디플렉션을 방지하기 위해 예컨대 길이 방향에 대해 90°방향으로 배향된 강화 섬유를 갖는다. 상기된 것에 추가하여, 길이 방향에 대해 예컨대 ±45°방향으로 배향된 강화 섬유를 갖는 프리프레그 시트(7)의 층이 추가될 수도 있다. 이 경우에, 전체적으로 부재의 비틀림 강성(torsional rigidity) 및 비틀림 진동 감쇠 특성을 개선하는 것이 가능하다. 또한, 프리프레그 시트(7) 이외의 최외곽층으로서 직물 프리프레그 시트를 적층하는 것이 가능하다. 직물 프리프레그 시트는 강화 섬유의 직포에 의해 구성된 것이다. 강화 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 또는 실리콘 카바이드 섬유인 것이 바람직하고, 평직포, 능직포, 수자직포 또는 삼축직포가 적절하게 사용될 수 있다. 직물 프리프레그 시트는 가공성(workability)을 개선하고 제품의 외관을 개선하기 위해 절단 또는 연마의 후속 공정에서의 플러핑을 감소시키기 위해 적층된다.
다층으로 프리프레그 시트(7)를 적층하기 위해, 코어 부재(6)를 용이하게 제거한다는 관점으로부터 최하부층(최내곽층)으로서 90°로 배향된 시트를 적층하는 것이 바람직하다. 이는 탄소 섬유가 매트릭스 수지의 열수축도(a degree of heat shrinkage)보다 작은 열수축도를 가지므로 시트에 대한 수축도는 섬유 배향 방향으로의 수축도가 섬유 배치 방향으로의 수축도보다 낮아지도록 되기 때문이다. 90°로 배향된 시트는 탄소 섬유가 코어 부재(6)의 외주면을 둘러싸게 배향되도록 파이프형 FRP판의 내부면에 사용된다. 따라서, 열경화가 적용되면, 파이프형 FRP판의 직경은 크게 수축되지 않는다.
또한, 상부층 상에 적층되는 프리프레그 시트(외부 시트)는 로봇 핸드 부재의 특성(플렉셔 강성 등)의 개선에 크게 기여한다. 따라서, 0°로 배향된 시트가 디플렉션의 방지라는 관점으로부터 90°로 배향된 시트의 상부층 상에 적층되는 것이 바람직하다. 사용될 프리프레그 시트의 조합 및 적층 순서는 상기된 점을 고려하여 결정될 수도 있다.
다음에, 도3b에 도시된 바와 같이, 소정 내부면 형상을 갖는 외부 주형(10a, 10b)이 소정 크기로 프리프레그 시트 적층체(9)의 외부면 형상을 성형하기 위해 다층으로 프리프레그 시트가 권취된 프리프레그 시트 적층체(9)의 외주면 상으로 가압된다. 이는 프리프레그 시트(7)가 도3a에 도시된 코어 부재(6) 상에 증가된 층수로 권취됨에 따라 코너가 외부측을 향해 팽창하고 코너에서의 형상이 균일성이 없어지기 때문이다. 따라서, 코너는 적절한 직각 형상으로 성형된다. 이 목적을 위해, U자형 내주면을 각각 갖는 2개의 채널형 외부 주형(10a, 10b)은 프리프레그 시트 적층체(9) 상하부에서 서로 대면하도록 배치되고, 프레스 가공(press work)과 동일한 방식으로 화살표 A 및 B에 의해 나타낸 바와 같이 가압된다. 이와 같이, 프리프레그 시트 적층체(9)는 각각의 외부 주형(10a, 10b)의 U자형 내부면 형상에 의해 적절한 직각 형상으로 가압된다.
다음에, 도3c에 도시된 바와 같이, 이와 같이 성형된 프리프레그 시트 적층체(9)는 섬유 강화 플라스틱(FRP)을 형성하기 위해 소정 온도까지 가열되어 열경화된다. 이 때, 전체 프리프레그 시트 적층체(9)는 예컨대 가열될 진공백 내로 삽입된다. 가열 온도 조건은 온도가 실온으로부터 예컨대 2 내지 10℃/분의 속도로 상승되고 약 60분 동안 약 100 내지 190℃로 유지되며 그 후에 가열이 중단되고 프리프레그 시트 적층체(9)가 실온까지 자연적으로 냉각되도록 되어 있다. 이와 같이, 전체 프리프레그 시트 적층체(9)는 FRP를 형성하도록 열경화된다. 여기에서, 코어 부재(6)는 소정 온도 이하의 온도에서의 가열에 의해 변형되지 않는 재료로 제조되므로, 상기된 가열 공정을 통해 실질적으로 변형되지 않고 단면 형상을 정확하게 유지한다. 프리프레그 시트 적층체(9)는 적층 공정에서 형성된 시트들 사이에 체류하는 기포를 흡인하기 위해 그리고 프리프레그 시트 적층체(9) 상으로 실질적으로 균일한 외압(대기압)을 인가하기 위해 진공백 내로 삽입된다는 것을 주목하여야 한다.
다음에, 도3d에 도시된 바와 같이, 코어 부재(6)는 중공 구조를 실현하도록 FRP 부재(11)로부터 제거된다. 이와 같이, 정사각형 파이프 형태의 로봇 핸드 부재(4)는 도2에 도시된 바와 같이 제조된다.
상기 실시예의 로봇 핸드 부재(4)는 중실 FRP 부재가 아니라 중공 구조로서 구성되므로, 로봇 핸드 부재 자체의 체적을 감소시키지 않고(즉, 두께 또는 폭을 감소시키지 않고) 중량 감소를 실현하는 것이 가능하다. 예컨대, 장착 부재(2) 상에 장착될 긴 로봇 핸드 부재(4)의 경우에, 공작물(3)의 지지 및 운반의 정확도가 개선될 수 있도록 단부가 자체 중량에 의해 또는 공작물의 하중에 의해 디플렉션되거나 진동되는 것을 회피하는 것이 가능하다. 직사각형 파이프의 중공 부분은 공작물(3)을 지지하고 운반하기 위해 공기를 송풍하거나 흡인하는 튜브를 배치하는 데 그리고 공작물(3)의 존재 또는 보유를 검출하는 센서를 위한 전기 배선을 배치하는 데 사용될 수 있다.
로봇 핸드 부재(4)의 단면 형상은 상기된 직사각형 파이프에 제한되는 것이 아니라, 삼각형 형상, 다각형 형상, 원형 형상 또는 반원형 형상 등의 임의의 형상일 수도 있다. 도5에 도시된 바와 같이, 예컨대, 로봇 핸드 부재(4)는 평탄한 상부면 및 활형 하부면을 갖는 파이프의 형상일 수도 있다. 이 경우에, 도3a에 도시된 코어 부재는 평탄한 상부면 및 활형 하부면을 구비한 단면 형상을 갖는다. 상기 설명에서, 프리프레그 시트(7)는 코어 부재(6)의 외주면 상에 다층으로 권취된다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않고, 프리프레그 시트(7)가 플렉셔 강성 및 진동 감쇠 특성을 갖도록 소정 두께로 형성될 때, 이러한 프리프레그 시트(7)는 단일층으로 권취될 수도 있다.
다음에는 도6a 내지 도6e를 참조하여 로봇 핸드 부재(4)를 제조하는 제2 방법을 설명하기로 한다.
우선, 준비 공정에서, 코어 부재(6) 및 출발 프리프레그(7)가 준비된다. 코어 부재(6)는 로봇 핸드 부재(4)의 형상을 충족시키도록 형성되고, 직사각형 형상의 횡단면을 갖는 부재로 제조된다. 출발 프리프레그 시트(7)로서, 강화 섬유의 종류가 상이하거나, 강화 섬유의 밀도가 매트릭스 수지에 대해 상이하거나, 강화 섬유의 배향이 상이한 다양한 형태의 프리프레그 시트가 준비된다. 사용될 프리프레그 시트(7)는 최적 플렉셔 강성을 갖는 탄소 섬유 복합 재료를 형성하도록 로봇 핸드(1)의 사용 목적과 로봇 핸드 부재(4)가 사용되는 장소에 대응하여 복수개로 선택된다.
다음에, 도6a에 도시된 바와 같이, 출발 프리프레그 시트(7)는 소정 형상의 프리프레그 시트 편(7', 7")을 형성하도록 절단된다. 프리프레그 시트 편(7', 7")은 코어 부재(6)의 외주면의 각각의 분할 영역(즉, 상부면, 하부면, 우측면 및 좌측면) 상에 적층되는 것이고, 코어 부재(6)의 분할 영역의 크기를 충족시키기 위해모든 출발 프리프레그 시트(7)로부터 절단된다.
다음에, 도6b에 도시된 바와 같이, 프리프레그 시트 편(7', 7")은 접착될 코어 부재(6)의 표면 상에 적층된다. 프리프레그 시트 편(7', 7")은 아직 고정되지 않았지만, 각각은 어느 정도의 접착력을 갖는다. 따라서, 프리프레그 시트 편(7', 7")은 단순히 시트를 연속적으로 적층함으로써 이형 필름(parting film)이 접착된 코어 부재(6) 상으로 접착될 수 있다. 그러나, 다리미(iron) 등에 의해 가열하면서 프리프레그 시트 편(7', 7")을 가압하는 것이 바람직하다. 또한, 강화 섬유가 길이 방향으로 그리고 길이 방향과 직각인 방향으로 배향되도록 프리프레그 시트 편(7', 7")을 적층하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 프리프레그 시트 편(7', 7")은 코어 부재(6)의 전체 외주면 상으로 접착되도록 적층되어, 코어 부재(6)의 외주면에 프리프레그 시트 적층체(9)가 덮인 상태의 부재를 형성한다.
다음에, 도6c에 도시된 바와 같이, 직물 프리프레그 시트(7d)가 1회전 또는 수회전 프리프레그 시트 적층체(9)의 외주 상에 권취된다. 이렇게 덮음으로써, 후속 공정에서의 플러핑 또는 미세 분열(fine splitting)을 방지하는 것이 가능하다. 또한, 프리프레그 시트 편(7', 7")이 서로 결합되는 부분에서, 버어(burring) 또는 단차가 발생될 수도 있지만, 이러한 버어 또는 단차를 덮는 것이 가능하다. 이와 같이, 액정 디스플레이, 플라즈마 디스플레이 및 실리콘 웨이퍼 등의 정교한 공작물이 손상되는 것이 방지된다.
다음에, 도6d에 도시된 바와 같이, 외부 주형(10c, 10d)[즉, 2개의홀더판(10c)과 이 홀더판들 사이에 삽입된 2개의 두께 설정판(10d)]은 4개의 측면으로부터 직물 프리프레그 시트(7d)가 덮인 부재 상으로 가압된다. 이 경우에, 홀더판(10c)은 직물 프리프레그 시트(7d)가 덮힌 상태로 프리프레그 시트 적층체(9)의 상부면 및 하부면 상으로 가압되고, 두께 설정판(10d)은 우측면 및 좌측면 상으로 가압된다.
그 후, 프리프레그 시트 적층체(9)는 진공백 내로 삽입되고, 섬유 강화 플라스틱(FRP)을 형성하기 위해 소정 조건 하에서 가열되어 열경화된다. 이 때, 특정 방향으로의 외압이 프리프레그 시트 적층체(9) 상에 발생된다. 예컨대, 어떠한 간극도 홀더판(10c)과 두께 설정판(10d) 사이에 발생하지 않도록 프리프레그 시트 적층체(9)가 웨이트(weight) 등에 의해 상부 측면으로부터 가압되면, 로봇 핸드 부재(4)의 상부면(즉, 지지면)의 평탄도는 추가로 개선되고, 높은 정밀도의 크기(특히, 두께)가 얻어진다. 또한, 대향 위치의 외부 주형이 화살표(A 및 B 또는 C 및 D)에 의해 나타낸 바와 같이 바이스 등에 의해 가압되면, 모서리의 인접한 프리프레그 시트 편(7', 7")의 결합 성능은 추가로 개선된다.
다음에, 도6e에 도시된 바와 같이, 코어 부재(6)는 상기된 공정을 통해 FRP 부재(11)로부터 제거된다. 이와 같이, 중공 구조의 로봇 핸드 부재(4)가 형성된다.
이 제조 방법에 따르면, 코어 부재(6)는 프리프레그 시트(7)를 적층할 때의 소위 기부 부재와 로봇 핸드 부재(4)를 가열 성형할 때의 소위 내부 주형의 2개의 기능을 가지므로, FRP판의 형성[즉, 프리프레그 시트 편(7', 7")의 적층]과 로봇핸드 부재(4)의 성형[즉, 인접 벽의 프리프레그 시트 편(7', 7")의 결합]을 동시에 수행하는 것이 가능하다.
따라서, 스킨층이 종래의 FRP판으로 형성되고 스킨층이 코어 부재로서 역할을 하는 코어층에 결합되는 제조 방법에 비해 제조 공정수를 감소시키는 것이 가능하다. 특히, FRP판을 형성하는 단계에서의 자연적인 냉각 시간은 로봇 핸드 부재를 형성하는 단계에서의 접착 시간과 통합된다. 이와 같이, 제조에 필요한 시간을 크게 감소시키는 것이 가능하다.
또한, 중공 구조의 로봇 핸드 부재를 제조하는 방법에 대해, 로봇 핸드 부재의 벽면을 충족시키도록 형성된 4개 표면의 FRP판의 모서리에서 서로 접착하는 방법이 고안될 수 있다. 그러나, 이 방법에 따르면, 복잡한 작업이 모서리의 4개 표면의 FRP판을 접착하는 데 필요하고 치수 정밀도가 감소되며 접착 부분의 강도가 감소되는 경향이 있고 프리프레그 시트를 사용함으로써 형성된 FRP판이 서로 결합되므로 공정수가 증가된다는 점에서 단점을 갖는다. 이와 대조적으로, 상기 실시예의 제조 방법에 따르면, 로봇 핸드 부재는 코어 부재(6) 상으로 프리프레그 시트 편(7', 7")을 접착하는 비교적 간단한 작업에 의해 제조될 수 있으므로, 높은 치수 정밀도의 로봇 핸드 부재는 단시간 내에 제조될 수 있다. 또한, 인접한 섹션의 프리프레그 시트 편(7', 7")은 프리프레그 시트(7)의 열경화와 동시에 서로 접착되므로, 결합 부분에서의 강도를 증가시키는 것이 가능하다.
또한, 상기된 제1 제조 방법과 상이하게, 코너는 프리프레그 시트가 코어 부재의 외주면 상에 권취될 때 외부측을 향해 팽창되지 않는다. 따라서, 로봇 핸드부재의 외부면 형상을 충족시키는 전용 외부 주형을 사용할 필요가 없다. 특히, 외부 주형은 대개 내부 주형보다 크고 비싸므로, 높은 비용이 로봇 핸드 부재의 형상을 충족시키기 위해 외부 주형을 별도로 준비하거나 다양한 외부 주형을 제공하는 데 필요하다. 그러나, 이 제조 방법에 따르면, 범용 외부 주형[즉, 홀더판(10c) 및 두께 설정판(10d)]이 필요할 뿐이다. 따라서, 로봇 핸드의 설계 변형에 필요한 비용을 억제하고 설계의 자유도를 개선하는 것이 가능하다. 이와 같이, 사용자의 요구 조건을 충족시키는 로봇 핸드 부재를 신속하게 제조하고 납품 기간을 단축하는 것이 가능하다.
이 제조 방법은 로봇 핸드 부재(4)가 삼각형 형상, 다각형 형상, 원형 형상 또는 반원형 형상의 단면을 가질 수도 있고 직물 프리프레그 시트(7d)가 프리프레그 시트 적층체(9)의 최외곽 주변 상에 반드시 권취될 필요가 없으며 코어 부재(6) 상으로 접착될 프리프레그 시트 편(7', 7")이 단일층일 수도 있다는 점에서 제1 제조 방법과 동일하다.
도7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 로봇 핸드 부재(14)를 도시하고 있다. 이 로봇 핸드 부재(14)는 코어 부재(6)의 전체 외주면 상에 강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트(7)를 적층하고 코어 부재(6)와 일체화된 섬유 강화 플라스틱을 형성하기 위해 소정 온도까지 이와 같이 형성된 프리프레그 시트 적층체를 가열하여 열경화시킴으로써 구성된 중실 구조이다.
이하에서는 로봇 핸드 부재(14)를 제조하는 제1 방법을 설명하기로 한다. 이 제조 방법은 도3a 내지 도3e에 도시된 제1 실시예의 로봇 핸드 부재(4)를 제조하는 제1 방법에 따른다. 도3a의 소정 형상의 단면을 갖는 코어 부재(6)로서, 소정 온도 이하의 온도에서의 가열에 의해 변형되지 않고 프리프레그 시트에 대한 우수한 접착 성능을 갖는 예컨대 FRP보다 가벼운 합성 수지로 제조된 경량 부재가 사용된다. 경량 부재는 소정 온도(수지에 따라 상이하지만, 대개 약 100 내지 약 190℃)까지 프리프레그 시트 적층체(9)를 가열하여 열경화시키는 공정에서의 온도보다 약간 높은 온도 이하의 온도로 가열됨으로써 성형된 후의 FRP에 간극을 발생시키지 않는 재료로 형성된다. 예컨대, 에폭시 수지, 페놀 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 폴리이미드 수지 또는 비스말레이미드 수지, 폴리우레탄 수지 및 이들의 발포 재료 등의 플라스틱 재료가 사용될 수 있다. 코어 부재(6)는 프리프레그 시트(7)에 대한 접착력을 개선하기 위해 모래와 함께 송풍됨으로써 또는 사포(sand-paper)를 사용함으로써 거칠어진 표면을 가질 수도 있다. 또한, 필요에 따라, 접착제가 도포될 수도 있다.
제조 공정은 도3a, 도3b 및 도3c에 도시된 공정과 상당히 동일한 방식으로 수행된다. 그러나, 도3d에 도시된 FRP 부재(11)로부터 코어 부재(6)를 제거함으로써 중공 구조를 얻는 공정은 수행되지 않는다. 즉, 제조 방법은 FRP를 형성하기 위해 소정 온도까지 도3c에 도시된 프리프레그 시트 적층체(9)를 가열하여 열경화시키는 공정으로 종료된다. 또한, 이 경우에, 코어 부재(6)는 소정 온도 이하의 온도에서의 가열에 의해 변형되지 않는 재료로 제조되므로, 도3c에 도시된 가열 공정을 통해 실질적으로 변형되지 않고 소정 형상의 단면을 정확하게 유지한다.
이와 같이, 경량 재료로 제조된 코어 부재(6)가 FRP에 남는 중실 구조의 로봇 핸드 부재(14)가 제조된다. 다음에, 공작물(3)을 지지하고 운반하는 공기 송풍 통로 또는 공기 흡인 통로와, 공작물(3)의 존재 또는 지지 여부를 검출하는 센서를 위한 전기 배선을 배치하는 구멍과, 장착을 위한 나사 형성 구멍이 기계 가공에 의해 형성된다. 또한, 상기 실시예의 코어 부재(6)를 갖는 중실 구조에서, 중량의 감소 및 공정수의 감소가 달성된다.
중실 구조의 로봇 핸드 부재(14)는 코어 부재(6)를 제거하는 공정을 필요로 하지 않으므로, 제조에 필요한 시간을 크게 단축하는 것이 가능하다. 또한, 경량 부재로 제조된 코어 부재(6)는 남겨두므로, 중공 구조의 로봇 핸드 부재 및 중실 재료로 제조된 로봇 핸드 부재 모두에서 고유한 단점을 제거하는 것이 가능하다. 즉, 중공 구조의 로봇 핸드 부재의 경우에, 사용에 따른 중심 부분의 오목 변형 등의 시간 경과에 따른 변형이 발생되거나, 중실 재료로 제조된 종래의 로봇 핸드 부재를 새 것으로 교체할 때 홈 및 구멍이 형성되는 부분에 대한 설계를 강제로 수정하여야 한다는 단점이 있다. 그러나, 상기 실시예의 중실 구조의 로봇 핸드 부재는 이러한 단점이 없다. 또한, 전체적으로 로봇 핸드 부재의 중량은 중실 재료로 제조된 로봇 핸드 부재의 체적과 동일한 체적을 갖는 상태로 감소될 수 있다. 따라서, 자체 중량으로 인한 디플렉션뿐만 아니라 하중으로 인한 디플렉션을 억제하는 것이 가능하다.
다음에는 로봇 핸드 부재(14)를 제조하는 제2 방법을 설명하기로 한다. 이 제조 방법은 도6a 내지 도6e에 도시된 제1 실시예의 로봇 핸드 부재(4)를 제조하는 제2 방법에 따른다. 제1 제조 방법과 같이, 코어 부재(6)에 대해, 프리프레그 시트에 대한 우수한 접착 성능을 갖고 FRP 부재보다 가벼운 경량 재료가 사용된다. 프리프레그 시트 편(7', 7")에 대한 접착 성능을 개선하기 위해, 코어 부재(6)는 거칠어지거나 접착제가 코팅된 표면을 갖는 것이 바람직하다.
제조 공정은 도6a 내지 도6d에 도시된 공정과 상당히 동일한 방식으로 수행된다. 그러나, 도6e에 도시된 FRP 부재(11)로부터 코어 부재(6)를 제거함으로써 중공 구조를 형성하는 공정은 수행되지 않는다. 즉, 제조 방법은 FRP를 얻기 위해 소정 온도까지 도6d에 도시된 프리프레그 시트 적층체(9)를 가열하여 열경화시키는 공정으로 종료된다.
이와 같이, 경량 재료로 제조된 코어 부재(6)가 FRP에 남는 중실 구조의 로봇 핸드 부재(14)가 제조된다.
도8은 제2 실시예의 로봇 핸드 부재(14)의 변형예를 도시하고 있다. 로봇 핸드 부재(14')는 강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트가 코어 부재의 외주면의 일부 상에 적층되는 중실 구조이고, 프리프레그 시트가 적층되는 부재는 코어 부재와 일체화된 섬유 강화 플라스틱을 형성하기 위해 소정 온도까지 가열되어 열경화된다.
로봇 핸드 부재를 제조하는 이 방법은 제2 실시예의 로봇 핸드 부재(14)를 제조하는 제2 방법에 따른다. 이 방법은 프리프레그 시트(7')가 단지 도6a 및 도6b의 코어 부재(6)의 외주면의 적어도 하나의 분할 영역[즉, 상부면(6a) 및 하부면(6b)] 상에 적층된다는 점을 제외하면 도6a 내지 도6d에 도시된 공정과 거의 동일한 방식으로 수행된다. 이와 같이, 경량 재료로 제조된 코어 부재(6)가 FRP에의해 개재된 중실 구조의 로봇 핸드 부재(14')가 제조된다.
이 로봇 핸드 부재(14')에서, 결합 성능은 코어 부재(6)와 최하 프리프레그 시트 편(7') 사이에서 보장될 필요가 있다. 그러나, 여기에서, 아직 고정되지 않은 프리프레그 시트(7)는 열경화로 인해 코어 부재와 일체화되므로, 결합 성능은 충분한 정도로 보장된다. 결합 성능을 추가로 개선하기 위해, 프리프레그 시트가 적층될 코어 부재(6)의 표면(6a, 6b)은 거칠어질 수도 있거나, 접착제가 코팅될 수도 있다. 또한, 도6d의 공정에서, 외부 주형으로서 역할을 하는 두께 설정판(10d)은 생략될 수도 있다.
이 로봇 핸드 부재(14')에 따르면, 소량의 프리프레그 시트(7)가 사용되므로, 재료 비용은 크게 감소된다.
도9는 본 발명에 따른 제3 실시예의 로봇 핸드 부재(16)를 도시하고 있다. 로봇 핸드 부재(16)는 중량이 가볍고 우수한 평탄도, 플렉셔 강성 및 내열성을 갖는 FRP로 제조된다. 여기에서, FRP는 열경화성 수지로 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 또는 실리콘 카바이드 섬유를 함침하고 소정 온도까지 프리프레그 시트를 가열하여 열경화시킴으로써 얻어지는 프리프레그 시트를 소정 형상으로 성형함으로써 얻어진 것이다. 로봇 핸드 부재(16)는 횡단면의 긴 측면들 사이에서 연장하고 중공 직사각형 형상의 단면으로 형성되어 길이 방향으로 연장하는 구성 부재(16A)에 의해 형성된 공간에서도 연장하는 적어도 하나의 리브(16B)를 갖는다.
이 구성에 따르면, 로봇 핸드 부재(16)의 횡단면을 구성하는 긴 측면은 리브(16B)를 통해 서로 연결되어, 긴 측면의 길이는 강성을 증가시키도록 실질적으로 단축된다. 또한, 긴 측면의 중심에서의 오목 변형은 평탄도를 개선하도록 즉 로봇 핸드 부재(16)의 정밀도를 개선하도록 감소된다. 이 경우에, 충분한 정도의 강도가 로봇 핸드 부재(16)의 두께를 증가시키지 않고 얻어질 수 있으므로, 중량의 증가에 의해 발생되는 단부에서의 디플렉션의 증가를 방지하는 것이 가능하다.
다음에는 도10a 내지 도10d를 참조하여 로봇 핸드 부재(16)를 제조하는 제1 방법을 설명하기로 한다.
제1 공정(도10a 참조)에서, 직사각형 형상의 횡단면을 각각 갖고 소정 온도 이하의 온도에서의 가열에 의해 각각 변형되지 않는 코어 부재(6)는 전체적으로 직사각형 형상의 단면을 갖는 복합 구조(18)를 형성하기 위해 직사각형 형상의 횡단면을 갖고 강화 부재를 구비한 리브 구성 부재(17)의 양측면 상에 배치된다.
제1 실시예의 로봇 핸드 부재에 사용된 것과 같이, 코어 부재(6)는 프리프레그 시트를 가열하여 열경화시키는 소정 온도보다 약간 높은 온도 이하의 온도에서의 가열에 의해 실질적으로 변형되지 않는 재료로 형성되고, 가열 및 열경화 후의 FRP로부터 용이하게 제거될 수 있다.
리브 구성 부재(17)는 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 또는 실리콘 카바이드 섬유 등의 강화 섬유를 구비한 재료로 형성되고, 프리프레그 시트가 열경화될 때 프리프레그 시트와 일체화된다. 리브 구성 부재(17)는 강화 섬유가 서로에 대해 상이한 배향으로 적층되는 프리프레그 시트를 열경화시킴으로써 판 형상으로 형성된 FRP를 소정 크기로 절단함으로써 형성되는 것이 바람직하다.
제2 공정(도10b 참조)에서, 강화 섬유를 구비한 프리프레그 시트(7)는 소정두께(예컨대, 약 1 내지 7㎜)로 복합 구조(18)의 외주면 상에 적층된다. 여기에서, 복합 구조(18)의 표면(상부면, 하부면, 우측면 및 좌측면) 상에 도11b에 도시된 바와 같이 소정 두께로 프리프레그 시트(7)를 적층하기 위해, 이들 표면의 형상을 충족시키도록 형성된 프리프레그 시트(7)는 접착되어 적층될 수도 있다. 또한, 도11b에 도시된 바와 같이, 프리프레그 시트(7)는 복합 구조(18)의 외주면 상에 권취되어 적층될 수도 있다. 이 경우의 접착 및 권취는 강화 섬유가 상이한 방향으로 배향되는 방식으로 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 도11c 및 도11d에 도시된 바와 같이, 강화 섬유의 직포에 의해 구성된 직물 프리프레그 시트(7d)는 복합 구조(18)를 덮기 위해 프리프레그 시트(7)가 적층된 복합 구조(18)의 외주면 상에 권취될 수도 있다.
제3 공정(도10c 참조)에서, 소정 형상을 각각 갖는 외부 주형(10a, 10b)은 프리프레그 시트(7)가 적층된 복합 구조(18)의 외주면 상으로 가압되어, 소정 크기로 복합 구조(18)의 외주면 형상을 성형한다. 외부 주형(10a, 10b)으로서, U자형 내주면 형상을 각각 갖는 2개의 채널형 외부 주형(도면에 도시됨) 또는 프리프레그 시트(7)의 적층 모드(도11a 내지 도11d 참조)에 대응하는 4개의 판형 외부 주형(도6d 참조)이 사용될 수도 있다.
제4 공정(도시되지 않음)에서, 성형된 복합 구조(18)는 리브 구성 부재(17) 및 프리프레그 시트(7)가 일체화되는 FRP를 형성하기 위해 소정 온도까지 가열된다.
제5 공정(도10d 참조)에서, 코어 부재(6)는 내부 공간에 리브를 갖는 로봇핸드 부재를 실현하기 위해 FRP로부터 제거된다.
상기된 제조 방법에 따르면, 로봇 핸드 부재(16)는 코어 부재(6)가 전체적으로 직사각형 형상의 단면의 복합 구조(18)를 형성하기 위해 리브 구성 부재(17)의 양측면 상에 배치되고 프리프레그 시트(7)가 외부 주형(10a, 10b)을 사용함으로써 성형될 소정 두께로 복합 구조(18)의 외주면 상에 적층되며 리브 구성 부재(17) 및 프리프레그 시트(7)가 일체화되는 FRP를 형성하기 위해 성형된 복합 구조(18)가 소정 온도까지 가열되고 코어 부재(6)가 제거되도록 제조된다. 따라서, 상이한 크기의 복수개의 종류의 코어 부재(6) 및 리브 구성 부재(17)라면, 이들 부재를 임의로 조합함으로써 내부 공간에 리브를 갖는 소정 크기의 로봇 핸드 부재(16)를 용이하게 제조하는 것이 가능하다.
이 때, 로봇 핸드 부재(16)는 내부 공간에 리브를 가지므로, 횡단면을 구성하는 긴 측면은 리브를 통해 서로 연결된다. 따라서, 긴 측면의 길이는 실질적으로 단축되고, 강성은 증가된다. 오목 변형은 긴 측면의 중심에서 감소되므로, 평탄도 즉 로봇 핸드 부재(16)의 정밀도를 개선하는 것이 가능하다.
내부 공간의 챔버수(분할수)는 코어 부재(6)의 수 및 리브 구성 부재(7)의 수를 변경시킴으로써 변경될 수 있다. 이 경우에, 리브 구성 부재(17)에 의해 구획된 내부 공간은 공작물을 지지하고 운반하도록 공기를 송풍하거나 흡인하는 튜브를 배치하는 데, 그리고 공작물의 존재 또는 보유 여부를 검출하는 센서를 위한 전기 배선을 배치하는 데 사용될 수 있다. 종래 기술의 중실 단면의 로봇 핸드에서, 공기 흡인 통로 등은 기계 가공에 의해 형성된다. 이와 대조적으로, 본 발명에 따른 실시예는 기계 가공에 필요한 비용을 제거시킬 수 있다.
도12는 로봇 핸드 부재(16)를 제조하는 제2 방법을 도시하고 있다.
제1 공정(도12a 참조)에서, 강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트(7)는 직사각형 형상의 횡단면을 갖고 소정 온도 이하의 온도에서의 가열에 의해 변형되지 않는 코어 부재(6)의 외주면 상에 소정 두께로 적층된다. 이 때, 제1 제조 방법에서와 같이, 코어 부재(6)의 표면(상부면, 하부면, 우측면 및 좌측면)의 형상을 충족시키도록 형성된 프리프레그 시트(7)는 표면 상에 접착되어 적층될 수도 있거나, 코어 부재(6)의 외주면 상에 권취되어 적층될 수도 있다. 프리프레그 시트의 강화 섬유가 배향되는 방향은 제1 제조 방법의 기술적 사상과 동일한 기술적 사상에 따라 결정될 수도 있다.
제2 공정(도12b 참조)에서, 프리프레그 시트(7)가 적층되는 복수개(이 실시예에서는 2개)의 코어 부재(6)의 측면은 전체적으로 직사각형 형상의 단면의 복합 구조(18)를 형성하기 위해 서로 접촉된다.
제3 공정(도12c 참조)에서, 강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트(7)는 복합 구조(18)의 외주면 상에 소정 두께로 적층된다. 이 때, 제1 제조 방법에서와 같이, 직물 프리프레그 시트(7d)는 복합 구조(18)를 덮기 위해 프리프레그 시트(7)가 적층된 복합 구조(18)의 외주면 상에 권취될 수도 있다.
제 4 공정(도12d 참조)에서, 소정 형상을 각각 갖는 외부 주형(10a, 10b)은 프리프레그 시트(7)가 적층된 복합 구조(18)의 외주면 상으로 가압되어, 소정 크기로 복합 구조(18)의 외부면 형상을 성형한다. 외부 주형(10a, 10b)으로서, 제1 제조 방법의 외부 주형과 같이 프리프레그 시트(7)의 적층 모드를 충족시키는 것이 사용될 수도 있다.
제5 공정(도시되지 않음)에서, 성형된 복합 구조(18)는 소정 온도까지 가열되어 코어 부재(6) 상에 적층된 프리프레그 시트(7)와 복합 구조(18) 상에 적층된 프리프레그 시트(7)가 일체화되는 FRP를 형성한다.
제6 공정(도12e 참조)에서, 코어 부재(6)는 내부 공간에 리브를 갖는 로봇 핸드 부재(16)를 실현하기 위해 FRP로부터 제거된다.
상기된 제조 방법에 따르면, 로봇 핸드 부재(16)는 프리프레그 시트(7)가 코어 부재(6)의 외주면 상에 소정 두께로 적층되고 측면이 전체적으로 직사각형 형상의 단면의 복합 구조(18)를 형성하기 위해 서로 접촉되도록; 프리프레그 시트(7)가 외부 주형(10a, 10b)에 의해 복합 구조(18)를 성형하기 위해 소정 두께로 복합 구조(18)의 외주면 상에 적층되도록; 코어 부재(6) 상에 적층된 프리프레그 시트(7)와 복합 구조(18) 상에 적층된 프리프레그 시트(7)가 일체화되는 FRP를 형성하기 위해 이와 같이 성형된 복합 구조(18)가 소정 온도까지 가열되도록; 그리고 코어 부재(6)가 제거되도록 제조된다. 이와 같이, 상이한 크기의 복수개의 종류의 코어 부재(6)가 준비되면, 어떤 코어 부재(6)를 임의로 선택함으로써 그리고 개수를 결정함으로써 내부 공간에 리브를 갖는 소정 크기의 로봇 핸드 부재(16)를 용이하게 제조하는 것이 가능하다. 이 경우에, 상기 제1 제조 방법에 사용된 어떠한 리브 구성 부재(17)도 필요하지 않다는 점에서 장점을 갖는다.
도13은 로봇 핸드 부재(16)를 제조하는 제3 방법을 도시하고 있다.
제1 공정(도13a 참조)에서, 중공 직사각형 형상의 횡단면으로 형성되고 강화 섬유를 각각 구비한 복수개의 유닛 구성 부재(19)의 측면은 전체적으로 직사각형 형상의 단면의 복합 구조(18)를 형성하기 위해 서로 접촉된다. 유닛 구성 부재(19)는 예컨대 소정 크기의 직사각형 형상으로 판형 FRP를 절단하여 접착제로 단부면을 결합시킴으로써 각각 형성된다. 유닛 구성 부재(19)는 상기된 실시예에서 사용된 기술을 사용함으로써 즉 직사각형 형상의 횡단면을 갖고 소정 온도 이하의 온도에서의 가열에 의해 변형되지 않는 코어 부재의 외주면 상에 프리프레그 시트를 적층하고 그 다음에 소정 온도까지 프리프레그 시트가 적층되는 코어 부재를 가열하여 열경화시킴으로써 추가로 형성될 수도 있다. 요컨대, 중공 직사각형 형상의 단면을 갖는 유닛 구성 부재(19)는 임의의 제조 방법을 사용함으로써 형성될 수도 있다.
제2 공정(도13b 참조)에서, 강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트(7)는 복합 구조(18)의 접촉면과 교차하는 동일측의 측면(도면에 도시된 예의 상부면 및 하부면) 상으로 접착된다. 직물 프리프레그 시트(7d)는 프리프레그 시트(7) 대신에 접착될 수도 있다.
제3 공정(도시되지 않음)에서, 프리프레그 시트(7)가 접착되는 복합 구조(18)는 접착되어 소정 온도까지 가열되어, 유닛 구성 부재(19) 및 프리프레그 시트(7)가 일체화되는 FRP를 형성한다. 이와 같이, 내부 공간에 리브를 갖는 로봇 핸드 부재(16)가 실현된다.
상기된 제조 방법에 따르면, 로봇 핸드 부재(16)는 중공 직사각형 형상의 횡단면으로 형성되는 복수개의 유닛 구성 부재(19)의 측면이 전체적으로 직사각형 형상의 단면의 복합 구조(18)를 형성하기 위해 서로 접촉되도록; 프리프레그 시트(7)가 유닛 구성 부재(19)의 접촉면과 교차하는 동일측의 측면 상으로 접촉되도록; 그리고 유닛 구성 부재(19) 및 프리프레그 시트(7)가 일체화되는 FRP를 형성하기 위해 프리프레그 시트(7)가 접착되는 복합 구조(18)가 가열되도록 제조된다. 이와 같이, 상이한 크기를 갖는 복수개의 종류의 유닛 구성 부재(19)가 준비되면, 이들 부재를 임의로 조합함으로써 내부 공간에 리브를 갖는 소정 크기의 로봇 핸드 부재(16)를 용이하게 제조하는 것이 가능하다. 이 경우에, 리브는 유닛 구성 부재의 접촉면에 의해 구성된다.
도13c에 도시된 바와 같이, 복합 구조(18)에 프리프레그 시트(7)를 접착하는 제2 공정에서, 프리프레그 시트(7)는 복합 구조(18)의 외주면 상에 권취됨으로써 접착될 수도 있다. 이 경우에, 프리프레그 시트(7)는 복수개의 유닛 구성 부재(19)로 구성된 복합 구조(18)의 전체 외주에 접착되므로, 접촉 부분에서의 단차는 현저하지 않게 나타나고, 로봇 핸드 부재(16)는 상업적 가치를 증가시키기 위해 양호한 외관을 나타낸다. 또한, 직물 프리프레그 시트가 복합 구조(18)를 덮기 위해 프리프레그 시트(7)가 접착되는 복합 구조(18)의 외주면 상에 권취될 수도 있다.
로봇 핸드 부재(16)가 도14에 도시된 바와 같이 길 때, 큰 굽힘 모멘트가 작용하는 기단부는 로봇 핸드 부재(16)의 단부에서의 하중으로 인한 디플렉션을 억제하기 위해 다중층으로 구성될 수도 있다. 이 경우에, 유닛 구성 부재(19)는 복합구조(18)를 형성하기 위해 다중층으로 서로 접촉되고, 프리프레그 시트(7)는 복합 구조(18)의 전체 외부면 상에 적층되며, 그 후, 열경화가 적용된다. 이러한 기술은 상기된 제2 제조 방법에 적용될 수도 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 제1 및 제2 실시예의 로봇 핸드 부재의 예 및 비교예를 설명하기로 한다.
(1) 비교예(중실 CFRP 부재의 적층)
[표 1]
중실 부재의 적층(CFRP판, 12㎜ 두께)
프리프레그의 종류 두께
(㎜/장)		 적층 방향
(도)		 적층수
(장)		 총 두께
(㎜)
직물 프리프레그 0.25 0/90 1 0.25
프리프레그-A(800㎬) 0.22 0 12 2.64
프리프레그-B(240㎬) 0.20 90 8 1.6
프리프레그-B 0.27 0 11 3.0
프리프레그-B 0.20 90 8 1.6
프리프레그-A 0.22 0 12 2.64
직물 프리프레그 0.25 0/90 1 0.25
합계 44 12.0
자체 중량으로 인한
디플렉션(㎜)		 1.6
중량(㎏) 1.53
이 비교예는 관련 기술과 관련하여 기재된 중실 CFRP 부재로 제조된 로봇 핸드 부재를 다룬 것이고, 표1은 제조와 관련된 수치를 나타낸다. 이 비교예는 총 7층을 사용한다. 즉, 탄소 섬유가 0°및 90°로 길이 방향과 교차하는 방향으로 배향되는 직물 프리프레그와, 800㎬의 인장 탄성을 갖는 피치 탄소 섬유가 0°각도의 방향으로 배향되는 프리프레그-A와, 240㎬의 인장 탄성을 갖는 PAN 탄소 섬유가 90°각도의 방향으로 배향되는 프리프레그-B가 사용된다. 직물 프리프레그는 최내곽층 상에 그리고 최외곽층 상에 적층되고, 프리프레그-A는 2층으로 적층되며, 3층으로 적층된 프리프레그-B는 최내곽층과 최외곽층 사이에 위치된다. 결과적인 CFRP판은 12㎜의 두께를 갖고, 자체 중량으로 인한 디플렉션은 1.6㎜이며, 중량은 1.53㎏이다.
(2) 예 1(중공 CFRP 구조의 적층)
[표 2]
중공 구조의 적층(정사각형 파이프: 12㎜ 두께, CFRP판: 2.55㎜ 두께)
프리프레그의 종류 두께
(㎜/장)		 적층 방향
(도)		 적층수
(장)		 총 두께
(㎜)
직물 프리프레그 0.25 0/90 1 0.25
프리프레그-A 0.22 0 5 1.1
프리프레그-B 0.20 90 6 1.2
코어 부재(알루미늄 등) 6.9 - 1 6.9
프리프레그-B 0.20 90 6 1.2
프리프레그-A 0.22 0 5 1.1
직물 프리프레그 0.25 0/90 1 0.25
합계 24 12.0
자체 중량으로 인한
디플렉션(㎜)		 0.47
중량(㎏) 0.75
두께
(㎜)		 길이 방향 12.1(전방), 11.8(중앙), 12.1(후방)
폭 방향 12.0(좌측), 11.8(중앙), 12.0(우측)
이 예 1은 도3에 도시된 제1 제조 방법에 의해 제조된 도2에 도시된 중공 구조의 로봇 핸드 부재(4)를 다룬 것이다. 표2는 제조와 관련된 수치를 나타낸다. 이 예는 총 6층을 사용한다. 즉, 탄소 섬유가 0°및 90°로 길이 방향과 교차하는 방향으로 배향되는 직물 프리프레그와, 800㎬의 인장 탄성을 갖는 피치 탄소 섬유가 0°각도의 방향으로 배향되는 프리프레그-A와, 240㎬의 인장 탄성을 갖는 PAN 탄소 섬유가 90°각도의 방향으로 배향되는 프리프레그-B와, 알루미늄으로 제조된 코어 부재가 사용된다. 직물 프리프레그는 최내곽층으로서 코어 부재의 외주면 상에 적층되고, 프리프레그-A는 2층으로 적층되며, 프리프레그-B는 2층으로 적층되고, 다른 직물 프리프레그는 최외곽층으로서 적층된다. 프리프레그의 적층은 열경화되고, 그 후, 코어 부재는 중공 구조를 형성하도록 제거된다. 결과적인 CFRP판은 2.55㎜의 두께를 갖고, 정사각형 파이프는 12㎜의 두께를 가지며, 자체 중량으로 인한 디플렉션은 0.47㎜이며, 중량은 0.75㎏이다. 로봇 핸드 부재는 중심부에서 11.8㎜의 두께를 갖는데, 이는 단부에서의 두께(12.0㎜, 12.1㎜)에 비해 약간 오목하다. 그러나, 공작물을 지지하고 운반하는 데 어떠한 문제점도 없으며, 우수한 평탄도가 얻어질 수 있다.
비교예에 비해, 예1에서의 중량은 1.53㎏으로부터 0.75㎏으로 감소되고, 자체 중량으로 인한 디플렉션은 1.6㎜로부터 0.47㎜로 감소되었으며, 이로부터 본 발명의 중공 구조의 로봇 핸드 부재는 중량이 가볍고 디플렉션을 크게 방지한다는 것을 이해할 것이다. 동일한 결과는 제2 제조 방법에 의해 제조된 로봇 핸드 부재(4)로부터도 얻어진다.
(3) 예 2(CFRP 중실 구조의 적층)
[표 3]
중실 구조의 적층(정사각형 파이프: 12㎜ 두께, CFRP판: 2.55㎜ 두께, 발포성 우레탄 코어 부재)
이 예 2는 제1 제조 방법에 의해 제조된 도7에 도시된 중실 구조의 로봇 핸드 부재(14)를 다룬 것이다. 표3은 제조와 관련된 수치를 나타낸다. 이 예는 총 6층을 사용한다. 즉, 탄소 섬유가 0°및 90°로 길이 방향과 교차하는 방향으로 배향되는 직물 프리프레그와, 800㎬의 인장 탄성을 갖는 피치 탄소 섬유가 0°각도의 방향으로 배향되는 프리프레그-A와, 240㎬의 인장 탄성을 갖는 PAN 탄소 섬유가 90°각도의 방향으로 배향되는 프리프레그-B와, 발포성 우레탄의 경량 재료로 제조된 코어 부재가 사용된다. 직물 프리프레그는 최내곽층으로서 코어 부재의 외주면 상에 적층되고, 프리프레그-A는 2층으로 적층되며, 프리프레그-B는 2층으로 적층되고, 다른 직물 프리프레그는 최외곽층으로서 적층된다. 프리프레그의 적층은 코어 부재가 남겨진 상태로 열경화된다. 결과적인 CFRP판은 2.55㎜의 두께를 갖고, 정사각형 파이프는 12㎜의 두께를 가지며, 자체 중량으로 인한 디플렉션은 0.57㎜이며, 중량은 1.06㎏이다. 로봇 핸드 부재는 단부 부분 및 중심부에서 동일한 두께(12.0㎜)를 갖는데, 이로부터 로봇 핸드 부재는 예1의 중공 구조의 로봇 핸드부재에 대해 평탄도 면에서 우수하다는 것을 이해할 것이다.
비교예에 비해, 예2에서의 중량은 1.53㎏으로부터 1.06㎏으로 감소되고, 자체 중량으로 인한 디플렉션은 1.6㎜로부터 0.57㎜로 감소되었으며, 이로부터 본 발명의 중실 구조의 로봇 핸드 부재도 중량이 가볍고 CFRP 중실 재료를 사용함으로써 제조된 로봇 핸드 부재에 비해 디플렉션을 크게 방지한다는 것을 이해할 것이다. 동일한 결과는 제2 제조 방법에 의해 제조된 로봇 핸드 부재(14)로부터도 얻어진다.
상술한 본 발명에 따르면, 제조에 필요한 시간이 줄어들고, 제조 비용이 낮으며, 하중에 대한 높은 강도, 낮은 디플렉션 및 높은 평탄도를 갖는 로봇 핸드 부재와, 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

Claims (38)

  1. 산업용 로봇의 아암 유닛 상에 장착되고 소정 형상의 단면을 가지며 길이 방향으로 연장하는 로봇 핸드 부재에 있어서,
    강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트가 코어 부재의 외주면 상에 적층되고, 적층된 프리프레그 시트는 섬유 강화 플라스틱을 형성하기 위해 소정 온도까지 가열되어 열경화되며, 그 다음에, 코어 부재는 섬유 강화 플라스틱으로부터 제거되는 것을 특징으로 하는 로봇 핸드 부재.
  2. 산업용 로봇의 아암 유닛 상에 장착되는 로봇 핸드 부재를 제조하는 방법에 있어서,
    소정 형상의 단면이고 소정 온도 이하의 온도에서의 가열에 의해 변형되지 않는 재료로 제조되는 코어 부재의 외주면 상에 강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트를 권취하는 단계와;
    권취된 프리프레그 시트의 외주면 상으로 소정 내부면 형상을 갖는 외부 주형을 가압함으로써 소정 크기로 권취된 프리프레그 시트의 외부면 형상을 성형하는 단계와;
    섬유 강화 플라스틱을 형성하기 위해 소정 온도까지 성형된 프리프레그 시트를 가열하여 가열된 프리프레그 시트를 열경화시키는 단계와;
    중공 구조를 형성하기 위해 섬유 강화 플라스틱으로부터 코어 부재를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 코어 부재의 외주면 상에 프리프레그 시트를 권취하는 단계는 다층으로 프리프레그 시트를 권취하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 다층으로 프리프레그 시트를 권취하는 단계는 내부의 강화 섬유가 길이 방향을 따른 방향으로 그리고 길이 방향과 거의 직각인 방향으로 서로에 대해 상이하게 배향되는 방식으로 프리프레그 시트를 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제2항에 있어서, 프리프레그 시트가 권취된 최외곽층 상에 직물 프리프레그 시트를 권취하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 산업용 로봇의 아암 유닛 상에 장착되는 로봇 핸드 부재를 제조하는 방법에 있어서,
    소정 형상의 단면이고 소정 온도 이하의 온도에서의 가열에 의해 변형되지 않는 코어 부재의 외주면을 복수개의 영역으로 분할하여 각각의 분할된 영역 상으로 강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트를 접착하는 단계와;
    섬유 강화 플라스틱을 형성하기 위해 소정 온도까지 프리프레그 시트가 접착되는 코어 부재를 가열하여 이 부재를 열경화시키는 단계와;
    중공 구조를 형성하기 위해 섬유 강화 플라스틱으로부터 코어 부재를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 코어 부재의 외주면을 복수개의 영역으로 분할하여 프리프레그 시트를 접착하는 단계는 다층으로 프리프레그 시트를 접착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 다층으로 프리프레그 시트를 접착하는 단계는 내부의 강화 섬유가 길이 방향을 따른 방향으로 그리고 길이 방향과 거의 직각인 방향으로 서로에 대해 상이하게 배향되는 방식으로 프리프레그 시트를 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 프리프레그 시트가 접착되는 부재를 덮기 위해 프리프레그 시트가 접착되는 최외곽층 상으로 직물 프리프레그 시트를 권취하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 산업용 로봇의 아암 유닛 상에 장착되고 소정 형상의 단면을 가지며 길이 방향으로 연장하는 로봇 핸드 부재에 있어서,
    강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트가 코어 부재의 외주면의 전체 또는 일부 상에 적층되고, 프리프레그 시트가 적층된 코어 부재는 코어 부재와 일체화되는 섬유 강화 플라스틱을 형성하기 위해 소정 온도까지 가열되어 열경화되는 것을 특징으로 하는 로봇 핸드 부재.
  11. 산업용 로봇의 아암 유닛 상에 장착되는 로봇 핸드 부재를 제조하는 방법에 있어서,
    소정 형상의 단면이고 소정 온도 이하의 온도에서의 가열에 의해 변형되지 않는 재료로 제조되는 코어 부재의 외주면 상에 강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트를 권취하는 단계와;
    권취된 프리프레그 시트의 외주면 상으로 소정 내부면 형상을 갖는 외부 주형을 가압함으로써 소정 크기로 권취된 프리프레그 시트의 외부면 형상을 성형하는 단계와;
    코어 부재와 일체화되는 섬유 강화 플라스틱을 형성하기 위해 소정 온도까지 성형된 프리프레그 시트를 가열하여 가열된 프리프레그 시트를 열경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 코어 부재의 외주면 상에 프리프레그 시트를 권취하는 단계는 다층으로 프리프레그 시트를 권취하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 다층으로 프리프레그 시트를 권취하는 단계는 내부의 강화 섬유가 길이 방향을 따른 방향으로 그리고 길이 방향과 거의 직각인 방향으로 서로에 대해 상이하게 배향되는 방식으로 프리프레그 시트를 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제11항에 있어서, 프리프레그 시트가 권취되는 최외곽층 상에 직물 프리프레그 시트를 권취하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 산업용 로봇의 아암 유닛 상에 장착되는 로봇 핸드 부재를 제조하는 방법에 있어서,
    소정 형상의 단면이고 소정 온도 이하의 온도에서의 가열에 의해 변형되지 않는 코어 부재의 외주면을 복수개의 영역으로 분할하여 적어도 하나의 분할된 영역 상으로 강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트를 접착하는 단계와;
    섬유 강화 플라스틱을 형성하기 위해 소정 온도까지 프리프레그 시트가 접착되는 코어 부재를 가열하여 이 부재를 열경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 코어 부재의 외주면을 복수개의 영역으로 분할하여 프리프레그 시트를 하나 이상의 분할된 영역 상으로 접착하는 단계는 다층으로 프리프레그 시트를 접착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 다층으로 프리프레그 시트를 접착하는 단계는 내부의 강화 섬유가 길이 방향을 따른 방향으로 그리고 길이 방향과 거의 직각인 방향으로 서로에 대해 상이하게 배향되는 방식으로 프리프레그 시트를 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제15항에 있어서, 프리프레그 시트가 접착되는 부재를 덮기 위해 프리프레그 시트가 접착되는 최외곽층 상으로 직물 프리프레그 시트를 권취하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 산업용 로봇의 아암 유닛 상에 장착되는 로봇 핸드 부재를 제조하는 방법에 있어서,
    소정 형상의 단면이고 소정 온도 이하의 온도에서의 가열에 의해 변형되지 않는 코어 부재의 외주면을 복수개의 영역으로 분할하여 각각의 분할된 영역 상으로 강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트를 접착하는 단계와;
    섬유 강화 플라스틱을 형성하기 위해 소정 온도까지 프리프레그 시트가 접착되는 코어 부재를 가열하여 이 부재를 열경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 코어 부재의 외주면을 복수개의 영역으로 분할하여 프리프레그 시트를 접착하는 단계는 다층으로 프리프레그 시트를 접착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제20항에 있어서, 다층으로 프리프레그 시트를 접착하는 단계는 내부의 강화 섬유가 길이 방향을 따른 방향으로 그리고 길이 방향과 거의 직각인 방향으로 서로에 대해 상이하게 배향되는 방식으로 프리프레그 시트를 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제19항에 있어서, 프리프레그 시트가 접착되는 부재를 덮기 위해 프리프레그 시트가 접착되는 최외곽층 상으로 직물 프리프레그 시트를 권취하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 산업용 로봇의 아암 유닛 상에 장착되고 섬유 강화 플라스틱으로 제조되는 로봇 핸드 부재에 있어서,
    중공 직사각형 형상의 횡단면으로 형성되고, 횡단면에서 서로에 대해 대향하는 긴 측면을 횡단하여 연장하며 길이 방향으로 연장하는 구성 부재의 내부 공간의 길이 방향으로도 연장하는 적어도 하나의 리브가 내부 공간에 형성되는 것을 특징으로 하는 로봇 핸드 부재.
  24. 산업용 로봇의 아암 유닛 상에 장착되는 로봇 핸드 부재를 제조하는 방법에있어서,
    전체적으로 직사각형 형상의 단면을 갖는 복합 구조를 형성하기 위해 직사각형 형상의 횡단면으로 형성되고 강화 섬유를 구비한 리브 구성 부재의 양측면 상에 직사각형 형상의 횡단면을 각각 갖고 소정 온도 이하의 온도에서의 가열에 의해 각각 변형되지 않는 코어 부재를 배치하는 단계와;
    복합 구조의 외주면 상에 소정 두께로 강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트를 적층하는 단계와;
    리브 구성 부재 및 프리프레그 시트가 일체화되는 섬유 강화 플라스틱을 형성하기 위해 소정 온도까지 프리프레그 시트가 적층되는 복합 구조를 가열하는 단계와;
    섬유 강화 플라스틱으로부터 코어 부재를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제24항에 있어서, 소정 두께로 프리프레그 시트를 적층하는 단계는 복합 구조의 표면 또는 코어 부재의 표면 상에 복합 구조의 표면 형상 또는 코어 부재의 표면 형상을 충족시키도록 형성된 프리프레그 시트를 적층하도록 접착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제24항에 있어서, 소정 두께로 프리프레그 시트를 적층하는 단계는 복합 부재의 외주면 또는 코어 부재의 외주면 상에 프리프레그 시트를 적층하도록 권취하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제24항에 있어서, 소정 두께로 프리프레그 시트를 적층하는 단계는 내부의 강화 섬유가 길이 방향을 따른 방향으로 그리고 길이 방향과 거의 직각인 방향으로 서로에 대해 상이하게 배향되는 방식으로 프리프레그 시트를 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제24항에 있어서, 복합 구조를 덮기 위해 프리프레그 시트가 적층되는 복합 구조의 외주면 상에 직물 프리프레그 시트를 권취하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 산업용 로봇의 아암 유닛 상에 장착되는 로봇 핸드 부재를 제조하는 방법에 있어서,
    사각형 형상의 횡단면을 각각 갖고 소정 온도 이하의 온도에서의 가열에 의해 각각 변형되지 않는 코어 부재의 외주면 상에 소정 두께로 강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트를 적층하는 단계와;
    전체적으로 직사각형 형상의 단면을 갖는 복합 구조를 형성하기 위해 양측면 상에서 프리프레그 시트가 각각 적층되는 복수개의 코어 부재를 서로에 대해 접촉시키는 단계와;
    복합 구조의 외주면 상에 소정 두께로 강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그시트를 적층하는 단계와;
    코어 부재 상에 적층된 프리프레그 시트와 복합 구조 상에 적층된 프리프레그 시트가 일체화되는 섬유 강화 플라스틱을 형성하기 위해 소정 온도까지 프리프레그 시트가 적층되는 복합 구조를 가열하는 단계와;
    섬유 강화 플라스틱으로부터 코어 부재를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제29항에 있어서, 소정 두께로 프리프레그 시트를 적층하는 단계는 복합 구조의 표면 또는 코어 부재의 표면 상에 복합 구조의 표면 형상 또는 코어 부재의 표면 형상을 충족시키도록 형성된 프리프레그 시트를 적층하도록 접착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제29항에 있어서, 소정 두께로 프리프레그 시트를 적층하는 단계는 복합 부재의 외주면 또는 코어 부재의 외주면 상에 프리프레그 시트를 적층하도록 권취하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제29항에 있어서, 소정 두께로 프리프레그 시트를 적층하는 단계는 내부의 강화 섬유가 길이 방향을 따른 방향으로 그리고 길이 방향과 거의 직각인 방향으로 서로에 대해 상이하게 배향되는 방식으로 프리프레그 시트를 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제29항에 있어서, 복합 구조를 덮기 위해 프리프레그 시트가 적층되는 복합 구조의 외주면 상에 직물 프리프레그 시트를 권취하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 산업용 로봇의 아암 유닛 상에 장착되는 로봇 핸드 부재를 제조하는 방법에 있어서,
    전체적으로 직사각형 형상의 단면을 갖는 복합 구조를 형성하기 위해 중공 직사각형 형상의 횡단면을 각각 갖고 강화 섬유를 각각 구비한 복수개의 유닛 구성 부재를 양측면 상에서 서로에 대해 접촉시키는 단계와;
    복합 구조의 접촉면과 교차하는 동일측 상의 측면에 걸쳐 강화 섬유를 각각 구비한 프리프레그 시트를 접착하는 단계와;
    유닛 구성 부재 및 프리프레그 시트가 일체화되는 섬유 강화 플라스틱을 형성하기 위해 소정 온도까지 프리프레그 시트가 접착되는 복합 구조를 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제34항에 있어서, 프리프레그 시트를 접착하는 단계는 복합 구조의 외주면 상으로 프리프레그 시트를 접착하도록 권취하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 제34항에 있어서, 프리프레그 시트를 접착하는 단계는 다층으로 프리프레그 시트를 접착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 제34항에 있어서, 다층으로 프리프레그 시트를 접착하는 단계는 내부의 강화 섬유가 길이 방향을 따른 방향으로 그리고 길이 방향과 거의 직각인 방향으로 서로에 대해 상이하게 배향되는 방식으로 프리프레그 시트를 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  38. 제34항에 있어서, 복합 구조를 덮기 위해 프리프레그 시트가 접착되는 복합 구조의 외주면 상에 직물 프리프레그 시트를 권취하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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