KR20180009340A

KR20180009340A - 다관절 아암 로봇에 부착된 보링 공구를 사용하여 고정식으로 장착된 공작물의 표면에 보어홀을 도입하기 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20180009340A
Application number: KR1020177034797A
Authority: KR
Inventors: 마틴 크리스토프 워너; 슈테펜 드라이바; 미르코 그룬들러
Original assignee: 프라운호퍼 게젤샤프트 쭈르 푀르데룽 데어 안겐반텐 포르슝 에. 베.
Priority date: 2015-06-03
Filing date: 2016-05-25
Publication date: 2018-01-26
Also published as: KR102475955B1; JP6817227B2; DE102015210255A1; CN107771117A; ES2892528T3; US10589394B2; EP3302857A1; CN107771117B; EP3302857B1; JP2018516766A; WO2016193090A1; US20180169813A1

Abstract

본 발명은 다관절 아암 로봇(KR)의 단부면에 부착되고 로봇에 의해 공간적으로 위치될 수 있는 보링 공구를 사용하여 고정식으로 장착된 공작물(W)의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 상기 방법은 1) 다관절 아암 로봇에 의해 안내되는 보링 공구를 공작물 표면의 특정 가공 위치와 대향하는 특정 위치 및 특정 거리에 위치시키는 단계; 2) 공작물 상에서 다관절 아암 로봇(KR)의 단부면을 지지하는 한편, 공작물 표면으로부터 분리 가능한 강성(rigid) 기계적 연결을 생성하는 단계; 3) 가공 위치를 향해 보링 공구를 이동시킴으로써 표면을 가공하고, 이어서 다관절 아암 로봇(KR)의 단부면이 공작물(W)과 연결됨에 따라 공작물 표면의 가공 위치에서 보링 공구와 공작물을 결합시키는 단계;를 포함한다. 보링 공구는 다관절 아암 로봇(KR)의 단부에 부착된 NC 공급 유닛에 의해 공작물(W) 쪽으로 이동하며, 공작물 표면에 대한 보링 공구의 위치를 검출하는 기능을 하고 다관절 아암 로봇(KR)의 단부면에 부착된 센서 시스템을 사용하여 획득된 정보에 기초하여 보링 공정이 모니터링되고, 지정된 보링 깊이에 도달하면 보링 공정이 종료되는 것을 특징으로 한다.

Description

다관절 아암 로봇에 부착된 보링 공구를 사용하여 고정식으로 장착된 공작물의 표면에 보어홀을 도입하기 위한 방법 및 장치

본 발명은 다관절 아암 로봇의 단부면에 부착되고 상기 로봇에 의해 공간적으로 위치될 수 있는 보링 공구를 사용하여, 고정식으로 장착된 임의의 형상을 갖는 공작물의 표면에 보어 홀을, 바람직하게는 블라인드 홀의 형태로, 매우 정확하게 도입하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

다관절 아암 로봇(articulated-arm robot)은 범용 산업용 로봇으로, 다수의 아암 부재들이 관절식으로 연결된 기구학적 구성에 의해, 공구와 같은 엔드 이펙터(end effector)를 안내하고 배치시킴으로써 공작물을 가공하도록 구성된다. 산업용 로봇을 구성하는 가능한 많은 항목 중에서도, 위와 같은 일련의 기구학적 구성은 로봇에 대단히 큰 이동성과 유연성을 제공하게 되는데, 즉 각각의 아암 부재는 다른 아암 부재와 직렬로 연속 연결되도록 구성된다.

국제 특허 공개번호 WO 84/02301에서는, 로봇의 제1아암 부재가 수직축에 대응하는 제1축을 중심으로 회전 가능하게 장착된 베이스의 일측면상의 단부에 피벗 가능하게 부착된 전형적인 이른바 6축 수직 다관절 아암 로봇을 기술하고 있다. 제1아암 부재가 피벗 가능하게 장착된 피벗 축은 제2축으로 지칭되며 제1축에 직각, 즉 수평으로 배향된다. 제2아암 부재의 일단부는 베이스에 대향하는 제1아암 부재의 단부에 차례로 연결되는데, 이 경우에도 제2축에 평행하게 배향된 제3피벗 축에 대해 피벗 가능하게 연결된다. 마지막으로, 3개의 축을 중심으로 회전 가능하게 장착된 직렬식 손목 관절부가 제3축에 대향하는 제2아암 부재의 단부에 부착됨으로써, 예컨대 공구를 보유하는 기능을 수행하도록 구성된다.

독일 특허 공개번호 DE 10 2013 018 857 A1에서는 2개의 평행 기구 역학을 갖도록 구성된 또 다른 다관절 아암 로봇을 기술하고 있는데, 이 로봇은 제1수직축을 중심으로 회전 가능한 베이스(base)에 고정되고, 일종의 기구학적 체인(kinematic chain)의 형태로 서로 나란히 배치된 2개의 아암 부재를 갖는데, 제1아암 부재는 베이스에 부착됨으로써 제1축에 직교하는 제2축을 중심으로 회전 가능하고, 제2아암 부재는 제1아암 부재에 부착됨으로써 제2축에 평행한 제3축을 중심으로 피벗 가능하도록 구성된다. 직렬식 손목 관절부는 기구학적 체인의 단부에 부착된다. 제1아암 부재를 제2축을 중심으로 피벗시키기 위해, 제1선형 액추에이터가 제공되며, 제1연결부를 통해 베이스 및 제1아암 부재 모두와 작동적으로 연결된다.제2아암 부재를 제3축을 중심으로 피벗시키기 위해, 제2선형 액추에이터가 제공되며, 제2연결부를 통해 베이스, 제1아암 부재 및 제2아암 부재와 작동적으로 연결 된다. 두 선형 액추에이터는 모두 스핀들 드라이브(spindle drive)로 디자인되었으며 이들 각각에는 모터 구동식 스핀들 너트 장치가 제공되는데, 이러한 장치는 제2축에 평행하게 배향된 피벗축을 중심으로 피벗 가능하도록 장착된 나사산 바(threaded bar) 형태의 스핀들과 맞물리도록 구성된다.

병렬식 기구 역학적 상호 연결 구성을 갖고 최대 수미터까지의 동작 범위를 제공하는 아암 부재들을 갖는 공지된 모든 다관절 아암 로봇은 공작 기계와 비교하여 시스템 강성이 낮다는 문제점을 안고 있는데, 그 이유는 공작물의 가공 공정에 의해 발생하는 반력 및 모멘트가 로봇의 전체 기구학적 체인 전체에 걸쳐 진동을 유발하기 때문으로, 따라서 공작물의 가공을 목적으로 한 산업용 로봇의 사용에는 어려움이 있었다. 또한, 가공 속도 및 가공 정확도 측면에서도 한계가 있다. 위에서 언급한 낮은 강성을 갖는 단점 외에도, 매우 긴 형태로 구성된 기구학적 체인에 의한 절대 정확도 저하로 인해, 보어홀(borehole)을 고정밀도로 드릴링하는 것은 매우 구현하기가 어렵다. 그러나 로봇은 공작 기계보다 융통성이 뛰어나고 동시에 비용이 적게 드는 방식으로 구현될 수 있으므로, 위에서 언급한 문제를 해결할 방법이 필요하다.

독일 특허 공개번호 DE 10 2010 007 591 A1에는 변위 가능한 플랫폼 상에 로봇을 구비하도록 구성된 작업 장치가 개시되어 있는데, 여기서는 그 단부에 가공 공구가 부착된 작업 로봇이 공작물 상에 개별적으로 위치될 수 있도록 구성되며, 광학적 위치결정 보조 장치에 의해 로봇의 정확한 배향과 더불어 공작물에 대한 공구의 정확한 배향을 보장하도록 구성된다. 그러나, 컴팩트한 섀시 추진식(chassis-propelled) 로봇 시스템은 각각의 재위치 설정 작업에 필요한 시간이 불필요하게 길기 때문에, 수미터의 크기를 가진 대규모 공작물에 대한 고정밀, 저비용식 가공에는 적합하지 않다.

본 발명의 목적은, 다관절 아암 로봇의 단부에 부착되고 상기 로봇에 의해 공간적으로 위치될 수 있는 보링 공구를 사용하여, 고정식으로 장착되고 임의의 형상을 갖는 공작물의 표면에 보어 홀을, 바람직하게는 블라인드 홀의 형태로, 매우 정확하게 도입하는 방법 및 장치를 제공하는 것으로, 이에 의해 다관절 아암 로봇에 의해 안내되는 보링 공구가 가공될 공작물(그 표면이 주로 자유 곡면으로 구성됨)과 관련하여 가능한 가장 신속하고 정확하게 위치 결정을 할 수 있도록 구성된다. 또한, 다관절 아암 로봇에 부착된 보링 공구를 사용하여 공작물을 가공시, 특히 공작물의 치수가 다관절 아암 로봇의 크기와 같거나 심지어 이를 초과하는 경우에 있어서도, 품질 및 치수 정확도 측면에서 가장 엄격한 가공 요구 조건을 충족하도록 구성된다.

본 발명의 목적은 청구항 제1항에 기재된 방법에 의해 구현된다. 청구항 제17항의 경우는 다관절 아암 로봇에 부착된 보링 공구를 사용하여 고정식으로 장착된 공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명의 사상을 유리하게 전개하는 특징들은 종속 청구항들에 기술되며, 특히 예시적인 실시예들을 참조하여 이하의 설명에서 기술된다.

본 발명은 공작물 자체에 대한 추가적인 기계적 지지를 바람직하게는 수직 다관절 아암 로봇의 기구학적 체인에 의존하는 아이디어에 기초하며, 이때 사용되는 로봇 아암 또는 기구학적 체인은 다관절 아암 로봇의 크기 및 구조에 따라 수미터의 작동 범위를 가질수 있는데, 즉 적어도 보링 공구가 공작물과 맞물리는 공정에 있는 동안 이러한 아암이나 기구학적 체인이 일반적으로 2미터 내지 약 10미터까지 연장됨으로써 다관절 아암 로봇을 안정화시키도록 구성된다. 이러한 기계적 지지는 보링 공구가 부착된 다관절 아암 로봇의 단부와 공작물 사이의 기계적 연결에 의해 보장된다. 기계적 연결은 로봇의 사전 정의 위치 및 공작물에 대한 보링 공구의 배향이 확립된 후에 설정된다. 공작물과 관련하여 다관절 아암 로봇에 의해 안내되는 보링 공구의 올바른 위치 및 배향이 검출된 후, 보링 공구가 최고 정도의 정밀도로 위치될 때까지 레이저 트래킹 시스템에 의해 다시 보정될 수 있도록 구성된다. 가공물의 표면이 가공되는 동안 공구에 의한 결합 이외에도 단부면에서 기구학적 체인에 대한 지지로 인해, 가공에 의해 생성되는 힘 및 모멘트가 다관절 아암 로봇 전체에 걸쳐 진동을 거의 유도할 수 없도록 구성되므로, 따라서 드릴링 작업이 수행될 수 있는 품질 및 속도를 크게 향상시킬 수 있다. 진동의 감소는 바람직하게는, 다관절 아암 로봇과 공작물 사이에서 적절하게 선택된 탄성 디자인을 가진 기계적 연결에 의해 향상될 수 있다.

다관절 아암 로봇의 기구학적 체인의 단부에서 공작물 자체에 대한 기계적 지지가 이루어짐으로써, 다관절 아암 로봇은 두개의 측면에서 강성(rigid) 특성을 가진 기계적 시스템을 형성하는데, 즉 다관절 아암 로봇은 한편으로는 로봇 베이스에 단단히 고정되는 한편, 다른 한편으로는 본 발명에 따른 분리 가능식 강성 기계적 연결을 통해 공작물에 고정되도록 구성된다. 공작물과 기계적 연결의 접촉은 로봇의 힘에 의해 생성된 단순하고 느슨한 표면 연결 또는 마찰 연결에서부터 활발히 접착하는 특성을 갖는 표면 결합에까지 망라될 수 있으며, 이때 공압적으로 또는 자기적으로 생성된 유지력이 공작물과의 분리 가능식 강성 특성을 가진 기계적 연결을 창출하는 데 있어 보조 역할을 하도록 구성된다.

표면이 가공되는 동안 다관절 아암 로봇의 기구학적 체인이 최고로 안정되고 가능한 한 진동이 없도록 하기 위해서는, 공작물을 고정, 안정된 상태로 장착하는 것이 바람직하다. 기계 가공되는 공작물의 크기, 무게 및 구조에 따라 달라지나, 표면이 가공되는 동안 다관절 아암 로봇에 의해 발생된 공작물에 작용하는 힘 및 하중 모멘트가 완전히 흡수될 수 있도록, 안정적인 방법으로 공작물을 장착하기 위한 적절한 조치를 실행하는 것이 중요하다. 이에 따라 적절한 유지 및/또는 고정 수단을 사용하여 안정적인 방법으로 공작물을 장착하거나, 또는 공작물로 하여금 충분한 관성 질량을 갖도록 하여 표면이 기계 가공되는 동안에도 그에 대한 자중으로 하여금 기본적으로 안정적인 고정 장착을 보장하도록 구성된다.

본 발명에 따른 방법 및 관련 장치는 매우 크고 대단히 무거운 공작물, 예컨대 항공기나 선박 제조에서 발생하는 공작물을 가공하는데 이상적이다. 예컨대, 항공기의 동체 쉘 또는 컨테이너선과 같은 대형 선박을 구동하기 위한 선박 스크류나 프로펠러에 대해 관련된 표면 기계 가공을 수행하는데 필요하다. 수미터, 일반적으로 4m에서 12m 사이의 크기 및 중량을 가진 이러한 종류의 선박 프로펠러는 다관절 아암 로봇에 의해 안내되는 보링 공구를 사용하여 표면을 가공하기 위한 고정식의 안정된 장착과 관련하여 기설명된 요구 사항을 충족시키기에 틀림없이 충분하다.

선박의 프로펠러와 같은 대형 공작물을 들거나 돌리지 않고도, 자유 표면으로 이루어진 공작물 표면의 적어도 일부를, 정밀하게 규정된 가공 위치에서 규정된 깊이로 보어홀을 도입해야 할 필요가 있는 경우, 수직 다관절 아암 로봇이 이러한 공작물의 가공 작업을 수행하는데 있어 특히 적합한 것으로 고려될 수 있는데, 그 이유는 공구를 안내하기 위한 다관절 아암 로봇이 그에 상응하는 큰 치수로 구축될 수 있기 때문이다. 독일 공개 특허 번호 DE 10 2013 018 857 A1에는 2개의 아암 부재를 구비하며, 이들 아암 부재는 피벗식 관절부에 의해 서로 연결되고 각각의 아암 부재는 최대 5m의 아암 길이를 갖도록 구성된 바람직한 다관절 아암 로봇이 기술되어 있다. 이러한 공지된 수직 다관절 아암 로봇은 본 발명에 따른 방법을 구현하고 수행하도록 특별히 디자인되었으며, 공구를 안내하고 공간적으로 배치하는 로봇 시스템의 설계와 관련된 내용과 관련하여, 상기 문헌의 개시 내용 전체가 본원에 참조로 인용된다.

다관절 아암 로봇의 단부면에 부착되고 로봇에 의해 공간적으로 위치될 수 있는 보링 공구를 사용하여, 예컨대 전술한 바와 같은 선박 프로펠러와 같은 고정 장착된 공작물 상에 본 발명에 따른 드릴링 작업을 수행하기 위해서는 다음의 단계들이 수행되어야 한다. 첫째, 다관절 아암 로봇에 의해 안내되는 보링 공구는 공작물 표면 상의 소정의 가공 위치에 대향하는 소정의 상대적인 공간 위치, 및 공작물 표면으로부터 소정의 거리에 배치된다. 이러한 목적으로, 다관절 아암 로봇 및 가공될 공작물은 서로에 대해 소정의 상대적인 위치를 갖도록 장착됨으로써, 다관절 아암 로봇에 의해 안내되는 보링 공구가 공작물 표면 상의 각각의 특정 가공 위치에 도달할 수 있도록 구성된다.

다관절 아암 로봇 로봇에 의해 안내되는 보링 공구의 대응 위치가 결정된 후(후술되는 공정 모니터링에 의해 수행됨), 공작물 표면과 다관절 아암 로봇 사이에 형성되는 본 발명에 따른 분리 가능식 강성 기계적 연결에 의해, 다관절 아암 로봇 로봇의 단부면의 일측면에서 공작물에 대한 강성 클램핑(rigid clamping)이 구현된다.

후속 공정에서, 가공 위치로 보링 공구를 이동시킨 다음, 다관절 아암 로봇 로봇의 단부면이 공작물에 연결됨과 함께 가공 위치에서 보링 공구가 가공물과 맞물린 상태에서 표면 가공을 수행한다.

보링 작업이 완료되면, 기계적 연결이 해제되고 다관절 아암 로봇에 의해 안내되는 보링 공구가 가공 위치로부터 이격되어 이동하며, 선택적으로 공작물과 대향하는 새로운 위치로 이동하도록 구성된다.

본 발명에 따른 방법의 수행을 위해, 다관절 아암 로봇에는 다관절 아암 로봇에 부착된 보링 공구의 공간 위치 결정 및 방향 설정을 위한 제어 유닛이 장착되어 있으며, 다관절 아암 로봇에 의해 안내되는 보링 공구가 가공 위치와 대향하는 공간 위치 및 소정의 거리로 신속하게 이동하는 기능은 다관절 아암 로봇에 내장된 로봇 기구역학을 통해서만 가능하도록 구성된다.

이러한 신속한 위치 설정 및 접근 동작은 바람직하게는, 가공될 공작물의 공간 형상, 공작물 표면 상의 소정 가공 위치, 및 보링 공구에 할당된 공구 중심점에 대한 2진 데이터 세트(binary data set)를 인식하여 수행되며, 이때 다관절 아암 로봇에 의해 안내되는 보링 공구의 상대적 공간 위치와 공작물 표면 상의 소정 가공 위치는 측정 수단에 의해 검출되고 모니터링된다. 비접촉 트래킹 시스템, 예컨대 레이저 트래킹 시스템을 사용하여 다관절 아암 로봇에 의해 안내되는 보링 공구와 공작물과의 상대적 공간 위치를 측정하며, 이러한 트래킹 시스템은 공작물의 공간 위치를 나타내는 적어도 하나의 공작물 좌표계(WKS)와 로봇의 공간 위치를 나타내는 하나의 로봇 좌표계(RKS)를 극도의 정밀도로 생성하고, 두 좌표계는 서로 공간적으로 연관되도록 구성된다.

또한, 바람직하게는 비접촉으로 작동하는 거리 센서 시스템이 다관절 아암 로봇의 기구학적 체인의 단부 영역에 배치됨으로써, 다관절 아암 로봇에 의해 안내되는 보링 공구와 공작물 상의 가공 위치 사이의 거리를 검출하도록 구성된다. 정확한 거리 검출 기능 외에도, 이러한 거리 센서 시스템은 바람직하게는 가공 위치의 영역에서 공작물 표면에 대한 보링 공구의 상대적인 공간 위치를 검출할 수 있으며, 이에 의해 다관절 아암 로봇의 단부에 부착되고 이를 통해 공간 방향으로 안내되는 보링 공구의 공작물 표면에 대한 상대적인 공간 위치가 필요에 따라 검사되고 보정됨으로써, 보링 공구가 상기 공간 위치에서 소정의 목표 방향을 자율적으로 채택할 수 있도록 구성된다. 상기 공간 위치에 배치된 보링 공구의 방위 검사는 또한 레이저 트래킹 시스템으로 수집된 공간 및 방위 정보에 기초하여 수행되거나 또는 적어도 부가적으로 또는 선택적으로 지원될 수 있다. 또한, 표면이 가공되는 동안 기계 가공 공정에 의해 유도된 목표 배향으로부터의 편차는 기존의 센서 시스템으로 검출될 수 있으며, 배향의 재조정 및/또는 드릴링 공정을 평가할 목적으로 사용될 수도 있다. 이에 따라, 예컨대 로봇 기반 드릴링 작업의 보어홀 깊이가 센서 신호들로부터 추론될 수 있도록 구성된다.

바람직하게는 3개의 개별적으로 부착된 레이저 트래커(laser tracker)의 형태로 구성된 비접촉식 거리 센서 시스템 외에도, 바람직하게는 적어도 하나의 선형 액추에이터의 형태로 구성된 기계적 커넥터 유닛이 로봇 암의 단부에 부착됨으로써, 다관절 아암 로봇 로봇의 일측면에서 공작물을 지지하는 분리 가능식 강성 기계적 연결을 형성하도록 구성된다. 적어도 하나의 선형 액추에이터는 바람직하게는 텔레스코핑 동작으로 구동되며, 공작물과 마주 보도록 배치된 로킹 수단(locking mean)을 갖는다. 로킹 수단은 공작물 표면에 가능한 한 최대로 닿을 수 있도록 디자인된다. 제1실시예에서, 로킹 수단은 다관절 아암 로봇에 의해 단독으로 생성될 수 있는 가압력에 의해 생성된 하중을 받고 있는 공작물 표면과 접촉함으로써, 단순한 기계적 마찰식 로킹 연결을 생성하도록 구성된다. 바람직한 추가의 실시예에서는, 추가적인 접착력에 의해 적어도 하나의 선형 액추에이터의 로킹 수단을 공작물 표면 상에 고정시킬 수 있도록 구성된다. 이러한 추가적인 접착력을 생성하는 데 있어, 제어 가능한 자기력 장치 또는 공압력 장치가 적합하다. 특정한 예시적인 실시예를 참조하여 후술되는 바와 같이, 서로 독립적으로 활성화 및 배향이 가능한 3개의 개별 선형 액추에이터를 사용하여 다관절 아암 로봇과 공작물 사이의 기계적 연결을 생성하는 것이 특히 바람직하며, 이에 의해 로봇 아암의 단부를 공작물에 대한 상대적인 배향의 관점에서 안정되게 배치하는 한편, 특히 공작물 표면에 대한 측면 드리프트(drift)나 미끄러짐과 같은 로봇의 기구학적 움직임을 신뢰성 있게 방지할 수 있도록 구성된다.

특히 선박의 프로펠러, 항공기 부품 등과 같은 대규모 공작물을 가공할 때, 로봇 아암의 단부에 부착된 기계적 커넥터로부터의 가압력의 하중을 받는 공작물 장착에 의한 반동(recoiling)에 의해 공작물의 변형 및/또는 배향 변이를 일으키기 쉬우며, 이는 궁극적으로 공작물 상에 보어홀의 의도된 위치에 대한 보링 공구의 부정확한 위치 설정을 초래할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이러한 잘못된 편차를 방지하기 위해, 바람직한 방법의 변형예에서는 드릴링 공정이 공작물 상에 수행되기 전에, 다관절 아암 로봇의 커넥터 유닛이 공작물의 대표적인 표면 영역 상에 배치되거나 또는 하중을 받는 보링 위치에 근접하게 배치됨으로써, 이러한 힘에 의해 발생된 공작물의 위치 결정 오차가 발생하는지 여부 및 그 정도를 결정하도록 구성된다. 공작물의 정확한 공간 측정은 레이저 트래킹 시스템을 사용하여 수행되며, 이때 정확한 공간 좌표는 바람직하게는 레이저 트래킹 시스템에 의해 검출될 수 있는 공작물의 상이한 표면 영역들에 부착된 3개의 측정 마킹의 도움으로 계산된다. 다관절 아암 로봇이 하중을 받는 공작물에 닿는 동안 공작물의 정확한 배향 스캔을 기반으로, 공작물 상의 보어홀 위치와 로봇에 부착된 보링 공구 사이의 가능한 편차가 레이저 트래킹 시스템에 의해 검출될 수 있도록 구성된다. 보정을 위해, 로봇의 단부에 부착된 커넥터 유닛을 갖는 다관절 아암 로봇은 계산된 방위 보정을 고려하여 공작물에 대해 재배치됨으로써, 드릴링 공정이 시작될 수 있다.

이러한 작동 방법은 실제 보링 공정 전에 공작물의 일부분에서 방향 이동을 캡처할 수 있을뿐만 아니라 로봇 측의 변형을 감지하는 데에도 사용할 수 있기 때문에, 이러한 점에서 특히 유리한 것으로 간주된다. 가능한 위치 결정 오차를 포착하기 위해 실제 보링을 진행하기 전에, 임의의 보링 위치에서 공작물에 대한 다관절 아암 로봇의 가압 동작만 수행하는 것이 기본적으로 가능하도록 구성된다. 그러나 이러한 작업은 전체 보어홀 드릴링 작업을 수행할 때 추가로 시간을 소비하게 된다. 또한, 상이한 보링 위치에서 완료해야 하고 공작물의 표면상에서 모두 서로 근접하게 배치되는 특정 수량의 드릴링 공정을 수행하기 전에, 다관절 아암 로봇의 커넥터 유닛을 이동시켜 보어홀의 영역에서 단 한번만 부하를 받도록 함으로서 가능한 위치 결정 오차를 검출하는 것도 가능하다. 그런 다음, 미리 한번 결정된 위치 결정 오차 및 그로부터 도출된 방향 보정을 고려하여 중단 없이 특정 수량의 드릴링 공정을 수행할 수 있다. 보링 작업을 위해, 가공물 표면에 분리 가능식 기계적 연결이 설정된 후, 보링 공구가 활성화되어 공정 모니터링 중에 공작물 쪽으로 이동하도록 구성된다. 또한, 공작물 표면에는 일반적으로 드릴링, 밀링, 절삭, 연삭 또는 기타 연마 가공 작업이 수행될 수 있다. 다음 설명에서는, 드릴을 사용하고 다관절 아암 로봇의 단부에 부착된 NC 공급 유닛에 의해 공작물 쪽으로 이동하도록 구성된 고정밀 보링의 기능을 기술한다. 공정 모니터링식 드릴링 절차는 소정의 보어홀 깊이에 도달하자 마자 중단된다.

본 발명에 따라, 다관절 아암 로봇의 단부에 부착되고 상기 로봇에 의해 공간적으로 위치될 수 있는 보링 공구를 사용하여, 고정식으로 장착되고 임의의 형상을 갖는 공작물의 표면에 보어 홀을, 바람직하게는 블라인드 홀의 형태로, 매우 정확하게 도입하는 방법 및 장치가 제공된다.

이하에서, 본 발명은 실시예들 및 도면을 참조하여 설명되며, 이들은 예시적으로만 제시된며 본 발명의 사상을 제한하도록 의도되지 않는다.
도 1은 선박 프로펠러에 보어홀을 도입하기 위한 장치를 도시한다.
도 2a, 2b 및 2c는 공작물와의 기계적 연결을 생성하는 역할을 하는 커넥터 유닛을 보유한 다관절 아암 로봇의 기구학적 체인의 단부에 부착된 드릴링 스핀들 장치의 다양한 위치에서 본 도면을 도시한다.
도 3은 힘의 작용을 받고 있는 선박 프로펠러를 도시한다.
도 4a 및 4b는 기계 가공 중 무부하 상태의 선박 프로펠러를 도시한다.
도 5는 공작물 표면 상에 배치된 보링 장치를 도시한다.
도 6 내지 8은 보링 공구가 공작물 표면에 접근하는 절차도를 도시한다.

도 1은 기계 가공될 선박 프로펠러 형태의 공작물(W)을 도시하며, 소정의 가공 위치에 보어홀들이 제공된다. 공작물(W)의 크기와 주로 자유 곡면으로 구성된 표면으로 인해, 2개의 아암 부재(2, 3)로 구성되고, 기구학적 체인의 단부면에 부착된 보링 장치(B)를 구비한 대규모의 수직 다관절 아암 로봇(KR)은 공작물을 후-가공하는 데 적합하도록 구성된다. 독일 특허 공개번호 DE 10 2013 018 857 A1에 상세히 기술된 다관절 아암 로봇(KR)에는 수직축을 중심으로 회전 가능한 베이스(base, 1)에 고정되는 로봇 아암이 장착된다. 로봇 아암은 기구학적 체인 방식으로 차례로 배열된 2개의 아암 부재(2, 3)를 가지며, 제1아암 부재(2)는 수직축에 직각으로 정렬된 제2축을 중심으로 피벗 가능하도록 베이스(1) 상에 장착된다. 제2아암 부재(3)는 제2축에 평행하게 정렬된 제3축을 중심으로 피벗 가능하도록 제1아암 부재(1)에 부착된다. 직렬식 손목 관절부(4)는 기구학적 체인의 일단부, 즉 제2아암 부재(3)의 종단부에 부착되며, 보링 장치(B)는 다음의 설명에서 보다 상세히 기술되는 지지 프레임을 통해 여기에 부착된다. 다관절 아암 로봇(KR)의 다른 구성 요소들을 설명하기 위해, 앞서 인용된 문서들에 대한 공개 내용이 참조된다. 직렬식 손목 관절부(4)에 보링 장치(B) 대신 다른 아암 부재(도시되지 않음)를 부착할 수도 있다. 추가의 아암 부재는 바람직하게는 텔레스코픽(telescopic) 방식의 연장 메카니즘을 구비하며, 따라서 필요한 아암 길이까지 연장될 수 있도록 구성된다. 보링 장치(B)는 이러한 추가의 텔레스코픽 아암 부재의 단부에 설치될 수 있다.

수직 다관절 아암 로봇(KR)의 아암 부재(2, 3)는 각각 2.5 ~ 3.5 미터의 아암 길이를 가질 수 있다. 이러한 길이 범위는 다관절 아암 로봇(KR)이 도달할 수 있는 충분한 작동 범위를 나타내며, 이에 의해 수미터의 구조적 높이를 가진 공작물(W)에 대해서도 공작물(W) 자체를 이동시킬 필요 없이 다관절 아암 로봇(KR)의 단부에 부착된 공구를 사용하여 표면 가공 작업을 수행할 수 있도록 구성된다.

표면 가공을 수행하기 위해서는 먼저 가공할 공작물(W)과 더불어 다관절 아암 로봇(KR), 특히 다관절 아암 로봇(KR)의 단부에 부착된 공구(본 실시예에서 보링 장치[B])의 공간 배치를 캡처해야 한다. 이를 위해, 접촉 없이 작동 가능한 공간 분해식 물체 검출 시스템이, 예컨대 레이저 트래커(LT, laser tracker)의 형태로 제공된다. 공작물(W) 상에 적절히 부착되고 형성되는 마킹(M1)의 도움으로, 레이저 트래커(LT)는 공작물(W)의 공간 방향을 정의하는 공작물 좌표계(WKS)를 컴파일할 수 있다. 동일한 방식으로 다관절 아암 로봇(KR)에 영구적으로 적용되는 마킹(M2)의 도움으로, 레이저 트래커(LT)는 다관절 아암 로봇에 할당 가능한 로봇 좌표계(RKS)를 생성할 수 있으며, 이러한 시스템은 또한 다관절 아암 로봇(KR)에 고정된 보링 장치(B)의 공간 방향을 결정하는 데도 사용될 수 있다.

레이저 트랙커(LT)에 의해 컴파일된 공작물 좌표계 및 로봇 좌표계는 제어 유닛(S)으로 보내지며, 이러한 2개의 좌표계는 서로 연관되도록 구성된다.

보어홀을 제작할 공작물(W)의 표면 상에 가공 위치를 정의하는 공간 좌표를 지정함으로써, 다관절 아암 로봇(KR)은 로봇에 부착된 보링 장치(B)의 위치를 공작물 표면 상의 소정 가공 위치로부터 대향하는 공간 위치 및 소정의 거리에 설정한다. 위치 설정 작업은 다관절 아암 로봇의 기구 역학의 도움으로 매우 신속하게 발생한다. 위치 설정 작업이 완료되면 보링 장치(B)의 현재 공간 위치, 특히 보링 공구의 무게 중심에 대한 공간 위치가 레이저 트래커(LT)에 의해 감지되고 확인된다. 소정의 목표 위치로부터의 편차가 검출된 경우, 다관절 아암 로봇(KR)은 이에 따라 사후 조정을 수행한다. 정확한 공간 위치에 도달할 때까지 후속 조정 작업을 여러번 반복할 수 있다.

보링 장치(B)가 공작물 표면의 가공 위치와 대향하는 올바른 공간 위치에 있을 때, 보링 장치(B)와 공작물 표면 사이의 거리와 함께, 보링 장치(B)에 대한 가공 위치에서의 공작물 표면의 상대적인 방향 및 공간 정렬에 대한 측정 스캔이 이루어진다.

이를 위해, 바람직하게는 3개의 개별 레이저 거리 센서가 보링 장치(B) 주위에 및/또는 보링 장치(B)에 부착된다. 레이저 거리 센서로 검출된 거리값에 기초하여, 공작물 표면의 가공 위치에서 정확히 직각으로 드릴의 세로축을 정렬할 수 있도록 구성된다.

다양한 관점에서 바라본 보링 장치(B)를 도시하는 도 2a 내지 도 2c를 참조하여, 다관절 아암 로봇(KR)의 직렬식 손목 관절부(4)에 부착된 Z축 정렬식 보링 장치(B)를 설명한다. 도 2a 및 도 2b는 보링 장치(B)의 2개의 상이한 측면도를 도시하며, 도 2c는 보링 장치(B)를 드릴의 세로축 축선 방향으로 아래쪽에서 바라본 모습이다. 다음의 기술 내용은 3개의 도면 2a 내지 2c 모두에 동일하게 적용된다.

제2아암 부재(3)의 단부에 제공된 직렬식 손목 관절부(4)에는 지지 프레임 (5)이 영구적으로 배치되며, 이러한 지지 프레임에는 드릴링 작업에 필요한 다수의 부품이 부착된다. 그 중에서도, 3개의 레이저 거리 센서(6)가 간접적이지만 영구적으로 지지 프레임(5)에 연결됨으로써, 지지 프레임(5)의 공간 방향 및 공작물 표면으로부터의 거리를 검출할 수 있도록 구성된다.

보링 장치(B)가 공정 모니터링을 통해 그 공간 위치에서 공작물(W)과 대향하는 올바른 방향을 취한 후에, 지지 프레임(5)에 부착된 커넥터 유닛이 작동됨으로써 지지 프레임(5)과 공작물(W) 사이에 기계적 연결을 생성하도록 구성된다.

도 2a 내지 도 2c에 도시된 실시예에서, 커넥터 유닛은 지지 프레임(5)에 부착된 3개의 선형 액추에이터(7)를 포함하고, 이들 모두에는 텔레스코픽, 즉 길이 가변식 메카니즘(전동, 유압 또는 공압식 동력에 의해 구동 가능)이 장착된다. 도 2a 내지 도 2c에 도시된 실시예의 경우, 각각의 개별 선형 액추에이터(7)는 공압식 리프팅 실린더 유닛으로 구성되며, 각각의 공압 실린더(7.1)는 밸브 제어식 공압 유닛(7.2)에 의해 길이가 가변(도 2a 및 2b에 도시된 양방향 화살표 참조)될 수 있도록 구성된다.

로킹 수단(8)은 지지 프레임(5)으로부터 가장 멀리 있는 공압 실린더(7.1)의 단부에 부착되며, 이들 모두는 부압에 의해 진공 흡입 그리퍼(vacuum suction gripper)로서 공압적으로 작동되도록 디자인된다. 진공 흡입 그립퍼는 바람직하게는 볼-소켓식 조인트에 의해 공압 실린더(7.1)의 단부에 연결되며, 이에 의해 이들이 표면에 접촉할 때 자동적으로 올바른 접촉 방향을 취할 수 있도록 구성된다. 3개의 선형 액추에이터(7)는, 보링 공구(10)가 선형 액추에이터(7)를 통해 연장되는 정삼각형의 면적 중심에 놓이는 방식으로(도 2c의 일점 쇄선을 참조) 중앙에 배치된 보링 공구(10)의 주위에 위치한다.

기구학적 로봇(KR)의 제2아암 부재(3)와 공작물(W) 사이에 기계적 연결을 생성하기 위해, 공압 실린더(7.1)는 진공 흡입 그립퍼의 형태로 된 로킹 수단(8)이 공작물 표면에 접촉할 때까지 매우 작은 증분으로 개별적으로 및 서로 독립적으로 연장된다. 이를 위해, 공압 실린더(7.1)는 공압 유닛(7.2)에 제공된 낮은 과압의 비례 밸브를 사용하여, 이미 흡착중인 진공 그립퍼가 공작물 표면에 접촉하여 표면에 고정될 때까지 연장된다. 이에 의해 다관절 아암 로봇(KR)의 시스템에 존재하는 상이한 강성으로 인해 보링 장치(B)가 드리프트(drift)하는 것을 방지하도록 구성된다.

그런 다음, 로킹 수단(8)이 공작물 표면에 부착되는 기계적 접촉 압력이 증가된다. 이를 위해, 보다 높은 압력이 공압 유닛(7.2)에 제공된 비례 밸브(P)를 통해 설정됨으로써, 지지 프레임(5)과 그에 견고히 연결된 모든 구성 요소들이 공작물과 다관절 아암 로봇(KR)의 기구학적 체인 사이에 고정된다.

다음 단계에서는, 공압 실린더(7.1)가 차단됨으로써, 편향된 스프링으로만 기능할 수 있도록 구성된다. 이때, 다관절 아암 로봇(KR)의 모든 기구학적 체인 및 이와 함께 그의 일측면에 고정된 모든 구성 요소들을 포함하는 지지 프레임(5)은 견고한 접착 연결로 공작물 표면에 대해 브레이스(brace)되며, 이때 일측면에 고정되는 방식은 탄성 복원식 장착 방법으로 수행됨으로써, 기구학적 체인으로 전달될 수 있는 기계 가공 공정으로 발생하는 진동이 감쇠되도록 구성된다.

추가 단계에서는, 레이저 거리 센서(6)와 공작물 표면 사이의 대략적인 거리가 측정된다.

지지 프레임(5)에 견고하게 연결된 보링 장치(B)는 드릴 비트(10)를 구동하는 스핀들 드릴(9)을 포함한다. 드릴 비트(10)는 NC 공급 유닛(11)에 의해 가능한 한 빨리 및 공작물 표면에 최대한 가깝게 공작물 표면 위로 이동한다. 그런 다음, 가공 위치에서 드릴 비트(10)와 공작물 표면 사이에 표면 접촉이 설정될 때까지, 드릴 공급(drill feed)이 계속된다. 공정 모니터링을 통해 사전에 지정된 보어홀 깊이에 도달할 때까지, 드릴 비트(10)는 상응하는 소정의 회전 속도 및 전진 속도로 공작물 내로 구동된다. 공정 모니터링은 센서들에 의해 예컨대, NC 공급 유닛(11) 및/또는 스핀들 드릴(9)의 모터에서 유효 전력을 검출함으로써 수행되거나 또는 적절히 부착된 가속 센서 또는 힘 센서에 의해 수행된다. 또한, 지지 프레임(5)에 견고히 부착된 거리 센서(6)는 드릴링 작업 동안, 지지 프레임(5)과 공작물 표면 사이의 거리를 검출함으로써 지지 프레임(5)과 공작물 표면 사이의 거리를 일정하게 유지하도록 구성된다. 드릴의 전진으로 지지 프레임(5)이 반동하는 경우, 레이저 거리 센서(6)가 이를 포착함으로써 직접 보상될 수 있도록 구성된다.

또한, 상기 모니터링 파라미터들에 의해 드릴 비트의 파손이 검출될 경우, 드릴링 공정을 즉시 중단할 수 있도록 구성된다.

원하는 보어홀 깊이에 도달하면, 드릴 비트(10)가 NC 공급 유닛(11)에 의해 후퇴하고, 진공 흡인식 로킹 수단(8)이 공작물 표면으로부터 해제된다. 다관절 아암 로봇(KR)은 즉시, 보링 장치(B)를 또 다른 가공 위치 상의 공작물 표면의 새로운 대향 공간 위치로 이동시킨다.

도 3은 선박 프로펠러의 형태를 갖는 도 1에 도시된 공작물(W)의 측면도를 도시하며, 이러한 공작물은 모터 구동식 회전 플랫폼(12) 상에 장착됨으로써 수직축(Z)을 중심으로 제어된 회전을 가능하게 하는 한편, 이에 따라 측방향으로 배치된 다관절 아암 로봇(KR)(도 3에는 도시되지 않음)에 대한 선박 프로펠러의 정렬을 가능하게 하도록 구성된다. 예컨대, 위에서부터 수직으로 접근 가능한 선박 프로펠러 표면에 보어홀을 도입할 필요가 있는 경우, 보링 장치(B)가 보어홀의 위치 위쪽에 배치되고, 공압 실린더(7.1)가 프로펠러 블레이드의 표면에 직각으로 연장됨으로써 진공 흡입식 로킹 수단(8)과 접촉하도록 구성된다(도 2a, 2b 참조). 이 과정에서, 프로펠러 표면에 직각으로 작용하는 가압력(P_A)이 발생하는데, 이러한 가압력은 선박의 프로펠러에 작용하는 수직력(P_V) 및 수평력(P_H)으로 이루어진다. 프로펠러 블레이드의 경사를 가진 위치로 인해, 특히 수평력(P_H)에 의해 수직축(Z)을 중심으로 한 토크(D)가 발생함으로써, 회전 플랫폼(12)의 베어링에 간극이 발생할 경우 이로 인해 선박 프로펠러로 하여금 회전을 일으키게 할 수 있다. 또한, 회전 방향 및 토크의 크기는, 다관절 아암 로봇에 의해 인가되는 가압력(P_A)뿐만 아니라 프로펠러 블레이드의 위치 및 경사에 의해서도 결정된다.

보링 위치의 좌표는 일반적으로 공지되어 있고 전술한 공작물 좌표계(WKS)에서의 포인트 좌표 세트로서 제공되는데, 이때 공작물 좌표계(WKS)는 무부하 상태의 공작물(W)에서 레이저 트래커(LT)에 의해 기록된다. 가공 중 공작물의 배향이 변경되지 않는 한, 다관절 아암 로봇을 작동시키는 제어 유닛은 보링 위치와 관련한 보링 공구의 매우 정확한 위치 설정을 가능하게 할 수 있다.

가공 작업의 결과로 선박 프로펠러의 배향이 변경되거나 또는 전술한 바와 같이 공작물이 수직축(Z)을 중심으로 회전함에 따라 공작물 좌표계(WKS')가 변경되는 경우, 보링 위치에 대한 공지된 좌표와 변경된 배향을 반영하게 된 공작물 좌표계(WKS')는 이제 더이상 일치하지 않게 된다. 이에 대한 내용이 도 4a, b에 도시되어 있다. 도 4a에서, 공작물 좌표계(WKS)의 목표 보어홀 좌표와 실제 보어홀 좌표(B_soll, B_ist)는 동일하다. 도 4b의 경우, 다관절 아암 로봇의 가압력 하에서 선박의 프로펠러가 회전하여, 원래의 공작물 좌표계(WKS)가 새로운 공작물 좌표계(WKS')로 변형되기 때문에, 목표 보어홀 좌표와 실제 보어홀 좌표(B_soll, B_ist)는 더 이상 동일하지 않다 .

이러한 잘못된 위치 설정을 수정하기 위해, 공작물 좌표계는 다관절 아암 로봇이 선박 프로펠러의 표면을 누르는 상태에서 측정되고 정의된다. 예컨대, CAD 시스템으로부터 획득한 공지된 보어홀 좌표가 현재의 수신된 공작물 좌표계에 기초하여 사용될 수 있다.

공작물 좌표계를 교정하는 프로세스는, 각각의 현재 드릴링 위치에 대해 보링 장치를 가압하는 각 경우마다 한번 수행되거나 또는 매 드릴링 작업의 시행 전에 수행될 수 있다. 이러한 방식으로 배향 변경으로 인한 오류가 완전히 제거되도록 구성된다.

전술한 위치 설정 작업이 완료되면, 특히 불균일한 공작물 표면에서 구현 가능한 보어홀 깊이, 목표 보어홀 깊이의 관점에서, 드릴링 공정 중에 바람직하지 않은 부정확성이 여전히 발생할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 불균일한 공작물 표면에 드릴링할 때 발생하는 이러한 부정확성은 바람직한 보링 방법에 의해 해결될 수 있는데, 이는 도 5 내지 도 8을 참조하여 설명될 것이다.

도 5는 공작물 표면(WO) 상에 정확하게 배치된 보링 장치(B)를 나타낸다. 보링 공구(10)를 회전시키는 스핀들 드릴(9)이 작동하면, NC 공급 유닛(11)이 공작물 표면(WO) 위로 빠른 속도(200mm/s)로 약 10mm까지 전진한다. 공작물 표면의 정확한 특성이 완전히 알려지지 않았기 때문에, 여기에는 불확실성이 존재한다. 예컨대, 공작물 표면(WO)이 특정한 높이(E)를 갖는다고 가정한다. 만약 이러한 높이가 예컨대 10mm보다 크게 되면, 보링 공구(10)가 공작물 표면(WO)과 상기와 같은 빠른 속도로 충돌함으로써 보링 공구(10)가 파손될 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 공작물 표면(WO)로부터의 거리를 보링 장치(B)에 배치된 3개의 레이저 거리 센서(6)로 측정한다(도 6 참조). 한편, 표면의 곡률도 알 수 없기 때문에, 예컨대 10mm의 추정값이 오프셋(offset)으로 사용된다. 3개의 센서는 모두 레이저 빔(L)에 의해 공작물 표면(WO)으로부터의 거리를 측정한다. 그런 다음 타당성 검사가 수행되고, 이러한 검사가 성공적으로 완료되면, 측정 된 3개의 거리값으로부터 평균값이 계산된다. 오프셋은 가능한 표면 곡률을 고려하여 평균 거리값(GA)으로부터 차감되며, 이에 따라 예컨대 보링 공구(10)가 200mm/s의 이동 속도로 급속히 이동하는 제1주행 구간(13)이 획득된다. 보링 공구(10)가 오프셋 영역(제2주행 구간에 해당)에 접근함에 따라, 보링 공구(10)는 약 6mm/s의 통상적인 드릴 진행 속도로 전진한다. 평균 거리를 두개의 구간으로 분할하는 방법은 가능한 한 가장 짧은 드릴링 공정을 달성하는데 있어 산업 안전 및 비즈니스 측면에서 중요한 데, 보링 공구(10)가 감소된 드릴링 진행 속도(약 6mm/s)에서 더 많이 이동할수록 공정이 전체적으로 더 길어지기 때문이다. 예컨대, 보링 공구(10)가 단지 6mm/s의 속도로 24mm의 제1구간 전체를 이동할 경우, 각 보어홀은 전술한 경우보다 4초 더 늦게 형성된다. 1000개의 보어홀을 가진 경우, 이러한 시간차는 이미 1시간 이상이 된다.

오프셋 영역 내에서 보링 공구(10)는 드릴의 전진 속도로, 보링 공구(10)가 공작물 표면(WO)과 접촉할 때까지 전진한다. 이러한 초기 접촉은 스핀들 드릴(9)의 전기적 유효 전력을 통해 모니터링된다. 유효 전력이 특성 임계값 이상으로 상승하면 해당 구간이 인식된 것으로 간주되며, 이 경우 디지털 신호가 제어부로 전달된다. 이러한 신호는 3개의 레이저 거리 센서(6) 모두를 "제로화(zeroing)" 세팅시키는 효과를 가지므로, 보링 공구(10)가 공작물(W) 내로 침투되는 것만이 측정된다(도 7 참조). 목표 보어홀 깊이(SBT)가 전진을 제로(0)로 감속하는 데 필요한 이동 경로(X)보다 작게 되면, 전진이 느려지다가 완전 정지된 다음 취소 방향으로 가속된다.

고정된 방식으로 장착된 공작물의 표면을 가공하기 위한 본 발명에 따른 방법 및 관련 장치에 의해, 임의의 곡면형 공작물 표면에서도 매우 높은 정확도로 보어홀을 드릴링할 수 있는데, 이는 다관절 아암 로봇 시스템의 강성과 절대 정확도에 의해 거의 완전히 독립적으로 수행 가능하다. 위에서 설명한 방법에 따라 공작물에 보어홀을 도입하는 것 외에도 다관절 아암 로봇에는 밀링, 연삭 또는 절삭 공구가 장착될 수도 있다. 또한, 전술한 작업 방법을 사용하여 공작물 상에 나사 조임, 리벳팅, 용접 또는 본딩 작업과 같은 결합 작업도 매우 정확하게 수행할 수 있다.

1 로봇 베이스
2 제1아암 부재
3 제2아암 부재
4 직렬식 손목 관절부
5 지지 프레임
6 레이저 거리 센서
7 커넥터 유닛, 선형 액추에이터
7.1 공압 실린더
7.2 공압 장치
8 로킹 수단(Locking mean)
9 스핀들 드릴(Spindle drill)
10 드릴 비트(Drill bit)
11 NC 공급 유닛
12 회전 플랫폼
13 제1간격
D 토크
Z 수직축
A2 제2축
B 보링 장치
KR 다관절 아암 로봇
GA 평균 간격값
M1 마킹
M2 마킹
S 제어 유닛
W 공작물
WO 공작물 표면
LT 레이저 트래커(Laser tracker)
L 레이저 빔
P 비례 밸브
P_A 가압력
P_H 수평력
P_V 수직력
SBT 기준 보어홀 깊이
WKS, WKS' 공작물 좌표계
X 감속 경로

Claims

다관절 아암 로봇의 단부면에 부착되고 로봇에 의해 공간적으로 위치될 수 있는 보링 공구를 사용하여 고정식으로 장착된 공작물의 표면, 바람직하게는 자유 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은:
- 다관절 아암 로봇에 의해 안내되는 보링 공구를 공작물 표면의 특정 가공 위치와 대향하는 특정 위치 및 특정 거리에 위치시키는 단계;
- 공작물 상에서 다관절 아암 로봇의 단부면을 지지하는 한편, 공작물 표면으로부터 분리 가능한 강성(rigid) 기계적 연결을 생성하는 단계; 및
- 가공 위치를 향해 보링 공구를 이동시킴으로써 표면을 가공하고, 이어서 다관절 아암 로봇의 단부면이 공작물과 연결됨에 따라 공작물 표면의 가공 위치에서 보링 공구와 공작물을 결합시키는 단계;를 포함하고,
상기 보링 공구는 다관절 아암 로봇의 단부에 부착된 NC 공급 유닛에 의해 공작물 쪽으로 이동하며,
공작물 표면에 대한 보링 공구의 위치를 검출하는 기능을 하고 다관절 아암 로봇의 단부면에 부착된 센서 시스템을 사용하여 획득된 정보에 기초하여 보링 공정이 모니터링되고, 지정된 보링 깊이에 도달하면 보링 공정이 종료되는 것을 특징으로 하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 방법.
제1항에 있어서,
다관절 아암 로봇에 의해 안내되는 보링 공구를 위치시키는 단계는 기계 가공될 공작물의 공간 형상, 공작물 표면 상의 소정의 기계 가공 위치, 및 공구의 공간 형상을 나타내는 이진 데이터 세트(binary data set)에 기초하여 수행되고, 다 관절 아암 로봇에 의해 안내되는 보링 공구의 상대적인 공간 위치는 측정 수단에 의해 검출되고 모니터링되는 것을 특징으로 하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 방법.
제2항에 있어서,
측정 데이터의 검출은, 공작물의 공간 위치를 나타내는 적어도 하나의 공작물 좌표계(WKS) 및 다관절 아암 로봇의 공간 위치를 나타내는 하나의 로봇 좌표계(RKS)를 생성하는 비접촉 트래킹 시스템에 의해 수행되고,
공작물 좌표계와 로봇 좌표계는 서로 공간적으로 연관되는 것을 특징으로 하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
다관절 아암 로봇에 의해 안내되는 보링 공구를 공작물 표면의 특정 가공 위치와 대향하는 특정 위치 및 특정 거리에 위치시키는 단계는 다관절 아암 로봇에 내재된 로봇 기구 역학에 의해 독점적으로 수행되는 것을 특징으로 하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
다관절 아암 로봇의 단부면에 부착되고 이로써 상기 공간 위치에 배치된 보링 공구의 공간 방향의 검사 및 선택적 보정은 공작물 표면 상의 가공 위치에 대해 수행되고, 보링 공구는 상기 공간 위치에서 목표 방향을 가정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 방법.
제5항에 있어서,
상기 검사는 보링 공구와 공작물 표면 사이의 거리뿐만 아니라 다관절 아암 로봇의 단부면에 부착된 공작물 표면에 대한 보링 공구의 상대적인 방향을 검출하는 센서 시스템에 의해 획득된 정보에 기초하여 수행되고,
상기 검사는 적어도 공작물의 공간 방향을 검출하는 상기 청구항 제3항에 따른 비접촉식 트래킹 시스템에 의해 획득된 정보에 기초하여 수행되는 것을 특징으로 하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
공작물 표면에 대한 분리 가능식 강성 기계적 연결은 다관절 아암 로봇을 따라 힘과 모멘트를 흡수하는 강성 클램핑 시스템의 방식으로 생성되는 것을 특징으로하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 방법.
제7항에 있어서,
강성 클램핑은 견고하게 부착되는 자기 작동 메카니즘이나 공압 작동 메카니즘, 또는 마찰력에 기초한 작동 메카니즘에 기초하여 생성되는 것을 특징으로 하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
다관절 아암 로봇의 단부면에 부착된 적어도 하나의 선형 액추에이터는 보링 공구와 다관절 아암 로봇 사이의 기계적 연결을 생성하도록 작동되고, 다관절 아암 로봇이 다른 위치에 놓이거나 무부하 상태일 때 간접적으로 및/또는 직접적으로 공작물 표면과 접촉하는 것을 특징으로 하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 방법.
제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
공작물 좌표계 및/또는 로봇 좌표계의 생성은, 하중력의 인가에 의해 다관절 아암 로봇이 공작물과 작동적으로 연결되어 있는 상태에서 발생하는 것을 특징으로 하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 방법.
제10항에 있어서,
공작물 좌표계 및/또는 로봇 좌표계의 생성은, 가공 위치에서 또는 가공 위치의 영역에서 하중력의 인가에 의해 다관절 아암 로봇이 공작물과 작동적으로 연결되어 있는 상태에서 발생하는 것을 특징으로 하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
보링 공구의 정확한 보링 깊이 및/또는 가공 위치의 영역에서 공작물 표면에 대한 보링 공구의 공간 방향은 다관절 아암 로봇의 단부면에 부착된 센서 시스템에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
다관절 아암 로봇의 단부면을 지지하고 공작물로부터 분리 가능한 강성 기계적 연결의 생성 후에, 다관절 아암 로봇의 단부면에 부착된 센서 시스템에 의해 공작물 표면으로부터의 거리가 측정되고,
측정된 거리는 적어도 2개의 구간, 즉 다관절 아암 로봇에 가장 가까운 제1구간과 공작물 표면에 가장 가까운 제2구간으로 분할되며,
보링 공구는 다관절 아암 로봇의 단부면에 부착된 NC 공급 유닛에 의해, 제2구간을 따라 이동하는 것보다 더 큰 전진 속도로 제1구간을 따라 공작물 쪽으로 이동하는 것을 특징으로 하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 방법.
제13항에 있어서,
보링 공구는 다관절 아암 로봇의 단부면에 부착된 NC 공급 유닛에 의해 상기 제1구간 및 제2구간을 따라 이동하고,
보링 공구가 적어도 제2구간을 따라 이동하는 동안, 보링 공구는 동력 수단에 의해 스핀들 드릴(spindle drill)을 통해 회전하도록 구동되고,
접근 가능한 유효 전력이 스핀들 드릴에서 측정되고, 이러한 측정치가 보링 공구와 공작물 표면 사이의 제1접촉을 감지하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 방법.
제14항에 있어서,
상기 제1접촉이 검출될 때 거리 측정을 리셋하는 신호가 발생되고,
다관절 아암 로봇의 단부면에 부착된 센서 시스템은 보링 공구가 공작물 내로 전진하는 동안 현재의 보어홀 깊이를 감지하며,
전진 동작은 목표 보어홀 깊이에 도달하기 전에 최소 거리에서 정지되고, 이러한 최소 거리는 전진 동작이 완전히 정지하는 데 필요한 이동 경로에 해당하는 것을 특징으로 하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 방법.
제15항에 있어서,
전진 동작은 일정한 전진 속도로 수행되는 것을 특징으로 하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 방법.
다관절 아암 로봇의 단부면에 부착된 보링 공구에 의해 고정식으로 장착된 공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 장치에 있어서, 상기 장치는:
- 다관절 아암 로봇의 로봇 아암의 단부에 부착된 보링 공구의 공간적 위치 및 방향의 결정을 위한 제어 유닛,
- 로봇 아암의 단부에 부착되고, 적어도 보링 공구와 공작물의 표면상의 가공 위치 사이의 거리를 검출하는 거리 센서 시스템,
- 로봇 아암의 단부에 부착되고, 공작물의 일측면에서 다관절 아암 로봇을 지지하는 분리 가능식 기계적 연결을 생성하는 커넥터 유닛, 및
- 로봇 아암의 단부에 대해 보링 공구를 편향시키는 공정 모니터링 액추에이터 메카니즘을 포함하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 장치.
제17항에 있어서,
공작물의 공간 위치를 나타내는 적어도 하나의 공작물 좌표계(WKS) 및 다관절 아암 로봇의 공간 위치를 나타내는 하나의 로봇 좌표계(RKS)를 생성하는 비접촉식 트래킹 시스템이 제공되고, 이에 의해 계산된 위치 정보를 유선 또는 무선으로 제어 유닛에 전송하는 것을 특징으로 하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 장치.
제17항 또는 제18항에 있어서,
지지 프레임이 로봇 아암의 단부에 부착되고, 이러한 프레임에 거리 센서 시스템, 커넥터 유닛 및 액추에이터 메카니즘이 간접적으로 또는 직접적으로 부착되는 것을 특징으로 하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 장치.
제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
커넥터 유닛은 적어도 하나의 선형 액추에이터, 바람직하게는 지지 프레임에 부착되고 그 위에 개별적으로 배치된 3개의 선형 액추에이터를 포함하고,
적어도 하나의 선형 액추에이터는 일측면에서 지지 프레임에 연결되며, 지지 프레임으로부터 가장 먼, 로킹 수단이 부착되는 액추에이터 단부를 갖고, 로킹 수단은 공작물 표면 상에 분리 가능식 강성 기계적 연결을 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 장치.
제20항에 있어서,
적어도 하나의 선형 액추에이터는 전동, 유압 또는 공압에 의해 작동 가능한 것을 특징으로 하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 장치.
제20항 또는 21항에 있어서,
로킹 수단은 공작물 표면에 대한 흡입 효과에 기초하여 자기 유지력 및/또는 유지력을 발생시킬 수 있는 것을 특징으로 하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 장치.
제21항에 있어서,
적어도 하나의 선형 액추에이터는 공압 실린더의 형태이고, 진공 그리퍼(vacuum gripper)가 지지 프레임으로부터 가장 먼 공압 실린더의 단부에 부착되는 것을 특징으로 하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 장치.
제17항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
거리 센서 시스템은 지지 프레임에 부착된 적어도 3개의 레이저 거리 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 장치.
제17항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
액추에이터 메카니즘은 드릴 스핀들 및 NC 공급 축을 공급 유닛으로 포함하고, 액추에이터 메카니즘에는 유효 전력 센서, 가속 센서, 힘 센서 중 적어도 하나의 센서가 장착되는 것을 특징으로 하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 장치.
제17항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
다관절 아암 로봇은 독일 특허 공개번호 DE 10 2013 018 857 A1에 개시된 장치의 방식으로 구성되는 것을 특징으로 하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 장치.
제17항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
고정식 다관절 아암 로봇은 적어도 최소 5m의 작동 범위를 갖는 수직 및 수평 로봇 아암을 포함하는 것을 특징으로 하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 장치.
제17항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
공작물은 다관절 아암 로봇에 대해 제어된 방식으로 회전 가능하도록 장착되는 것을 특징으로 하는
공작물의 표면에 보어 홀을 도입하기 위한 장치.