KR20200023018A

KR20200023018A - 다층부품 체결 시스템 및 그 방법

Info

Publication number: KR20200023018A
Application number: KR1020180099351A
Authority: KR
Inventors: 장성원
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2018-08-24
Filing date: 2018-08-24
Publication date: 2020-03-04
Also published as: KR102142286B1

Abstract

다층부품 체결 시스템 및 그 방법이 개시된다.
본 발명의 실시 예에 따른 다층부품의 조립을 위해 체결부재를 체결하는 다층부품 체결 시스템은, 다관절 액추에이터로 구성된 로봇, 모터, 모터 브레이크, 스핀들 및 체결헤드를 포함하며 브라켓을 통해 로봇의 엔드이펙터에 결합되는 체결툴, 상기 체결툴의 작동을 위한 제어신호를 전달하는 통신 모듈 및 상기 로봇의 기구학적 자세제어를 통해 상기 체결툴을 상기 다층부품의 체결홀에 안착된 체결부재가 위치한 체결 작업점으로 위치시키고, 상기 체결홀에 상기 체결부재가 체결되는 수직방향으로 일정량의 힘을 가하는 힘제어와 상기 모터의 회전력을 이용한 1차 체결을 수행하며, 모터의 전류 피크(peak) 감지에 따른 상기 1차 체결이 완료되면 상기 모터 브레이크가 작동된 상태에서 상기 로봇의 힘제어와 자세제어를 통해 상기 스핀들의 주축을 기준으로 회전력을 가하여 2차 체결을 수행하는 제어기를 포함한다.

Description

다층부품 체결 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MULTI-LAYER COMPONENT FASTENING}

본 발명은 다층부품 체결 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 로봇을 이용하여 다층부품의 조립을 자동화하는 다층부품 체결 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 산업현장이나 자동차의 생산공정에서는 필요에 따라 여러 개의 부품이나 소재를 다층으로 정렬한 상태에서 너트러너(Nut runner)를 이용하여 다층부품을 조립하는 작업이 수행되고 있다.

예컨대, 도 1은 종래의 너트러너를 이용한 자동 체결 시스템을 나타낸다.

첨부된 도 1을 참조하면, 차량의 밸브바디와 같은 유압제어 부품은 복수의 서브 모듈로 구성되며, 조립 시 자동체결 시스템을 이용하여 체결부재를 체결하고 있다.

자동 체결 시스템은 로봇이나 액추에이터에 장착된 너트러너를 이용하여 볼트와 같은 체결부재를 다층부품의 체결홀(H)에 체결한다. 이 때, 다층부품은 진동이 많은 차량에 적용되는 특성상 불완전 체결이나 시간이 지남에 따른 풀림이 발생되면 차량의 부품결함으로 이어지므로 부품조립 과정에서 완전체결상태를 보장할 수 있어야 한다.

이에, 종래 자동 체결 시스템에 적용되는 너트러너는 체결부재를 압축공기나 회전기를 이용하여 체결할 수 있는 기구와 체결감지를 위한 센서를 가지는 고가의 장비로 구성된다. 예컨대, 너트러너는 체결부재의 체결 시 토크센서나 로드셀을 이용한 토크 변화를 통해 체결상태를 감지할 수 있다.

그러나, 너트러너로는 나사산에서 발생되는 마찰 산포로 인하여 체결완료지점 부근에서의 불완전 체결을 감지할 수 없는 문제점이 있다. 이외에도 엔코더를 이용하여 체결부재의 회전수(회전량)을 측정하여 체결완료를 검사하는 방법이 제안되어 있으나 나사산이 제대로 물리지 않아 헛도는 경우 정해진 회전수를 완료하더라도 불완전 체결 상태로 남아 있어 검사를 신뢰할 수 없는 단점이 있다.

이처럼, 종래의 자동체결 시스템은 고가의 너트러너를 사용함에도 불구하고 체결부재의 삽입 깊이를 측정하지 못하는 점 한계로 인하여 작업자의 육안 검사 공정이 필수적으로 적용되고 있는 실정이다. 이로 인해 종래의 자동체결 시스템을 활용한 다층부품 체결공정의 완전 자동화가 어렵고 그로 인한 작업 공수와 비용이 증가되는 문제점이 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예는 로봇에 장착된 체결기구부의 모터 회전력과 로봇의 자세제어를 통한 회전력을 이용하여 다층부품을 체결하고, 모터의 전류 피크(peak) 감지를 통한 체결완료여부와 로봇의 위치측정기능을 통한 체결부재의 높이 변화를 통해 체결검증을 수행하는 다층부품 체결 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 다층부품의 조립을 위해 체결부재를 체결하는 다층부품 체결 시스템은, 다관절 액추에이터로 구성된 로봇; 모터, 모터 브레이크, 스핀들 및 체결헤드를 포함하며 브라켓을 통해 로봇의 엔드이펙터에 결합되는 체결툴; 상기 체결툴의 작동을 위한 제어신호를 전달하는 통신 모듈; 및 상기 로봇의 기구학적 자세제어를 통해 상기 체결툴을 상기 다층부품의 체결홀에 안착된 체결부재가 위치한 체결 작업점으로 위치시키고, 상기 체결홀에 상기 체결부재가 체결되는 수직방향으로 일정량의 힘을 가하는 힘제어와 상기 모터의 회전력을 이용한 1차 체결을 수행하며, 모터의 전류 피크(peak) 감지에 따른 상기 1차 체결이 완료되면 상기 모터 브레이크가 작동된 상태에서 상기 로봇의 힘제어와 자세제어를 통해 상기 스핀들의 주축을 기준으로 회전력을 가하여 2차 체결을 수행하는 제어기를 포함한다.

또한, 상기 로봇은 상기 엔드이펙터가 거동 가능한 영역의 입체 좌표계를 형성하며, 상기 다층부품의 정렬홀이 위치한 상기 체결 작업점의 위치를 감지할 수 있다.

또한, 상기 모터는 상기 1차 체결 시 일정 토크부하를 초과하여 상승되는 모터의 전류값과 회전량을 실시간으로 측정할 수 있다.

또한, 상기 모터는 인가되는 제어신호에 따라 상기 체결부재의 체결을 위한 정방향 회전력과 상기 체결을 푸는 역방향 회전력을 발생할 수 있다.

또한, 상기 모터 브레이크는 상기 모터를 정지시키고 브레이크를 통해 상기 주축이 임의로 회전되지 않도록 잠글 수 있다.

또한, 상기 스핀들은 상기 모터 브레이크의 하부에 장착되고, 길이방향의 하측 끝단에 결합된 상기 체결헤드를 통해 상기 회전력을 전달할 수 있다.

또한, 상기 체결헤드는 상기 체결부재의 머리를 감싼 상태에서 상기 회전력을 가하는 복스 렌치로 구성될 수 있다.

또한, 상기 통신 모듈은 상기 제어기와 체결툴간의 통신을 연결하여, 체결제어를 위한 제어신호를 상기 모터로 전달하고, 일정 토크부하에서 발생된 모터의 전류 피크를 상기 제어기로 전달할 수 있다.

또한, 상기 제어기는 상기 로봇 및 체결툴의 통신 모듈과 연결되어 다층부품 정렬을 위한 제어신호를 송수신하는 인터페이스; 상기 로봇의 다층부품 체결 작업을 위한 기구학적 자세제어 정보를 저장하고, 상기 로봇의 자세제어에 따라 이동되는 상기 체결툴의 위치를 추적하는 로봇 제어 모듈; 상기 제1 체결을 위한 상기 로봇의 힘제어와 동시에 상기 모터에 제어신호를 인가하여 결합 회전력을 발생시키는 모터 제어 모듈; 상기 로봇에 의한 2차 체결 시 상기 체결부재가 다층부품의 체결홀과 완전히 체결된 상태의 회전부하 감지를 통해 목표 체결토크를 충족하는지 판단하는 부하 센싱 모듈; 다층부품 체결을 위한 각종 프로그램, 데이터 및 설정정보를 저장하는 저장 모듈; 및 다층부품 체결 알고리즘에 따른 상기 로봇 제어 모듈과 모터 제어 모듈을 통해 상기 로봇과 체결툴을 제어하여 상기 체결부재의 완전체결상태를 검증하는 작업 제어 모듈을 포함할 수 있다.

또한, 상기 로봇 제어 모듈은 상기 로봇의 엔드이펙터 좌표로부터 상기 브라켓과 체결툴을 통해 결합된 상기 체결헤드나 체결부재의 머리부에 해당되는 상대좌표를 계산하고 그 높이 변화에 따른 체결위치를 추적할 수 있다.

또한, 상기 작업 제어 모듈은 상기 모터의 전류 피크 감지 및 상기 로봇의 위치측정기능을 통한 상기 체결부품이 목표 위치에 도달된 조건을 충족하면 상기 1차 체결이 완료된 것으로 판단할 수 있다.

또한, 상기 모터 제어 모듈은 상기 체결부재가 상기 체결홀과 불완전 체결된 경우 상기 체결홀로부터 체결부재의 체결을 풀기 위한 제어신호를 인가하여 역방향으로 회전력을 발생시킬 수 있다.

또한, 상기 작업 제어 모듈은 상기 모터를 이용한 1차 체결 작업이 소정 체결작업시간을 초과하면 불완전 체결로 판단하여 상기 모터 제어 모듈을 통해 상기 모터를 역회전으로 제어하여 상기 불완전 체결을 풀고 다시 정회전으로 회전하여 상기 1차 체결 작업을 재개할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 측면에 따른, 다층부품 체결 시스템의 제어기가 모터, 모터 브레이크, 스핀들 및 체결헤드를 포함하는 체결툴이 장착된 로봇을 제어하여 다층부품에 형성된 체결홀에 체결부재를 체결하는 다층부품 체결 방법은, a) 상기 로봇의 기구학적 자세제어를 통해 상기 체결툴을 상기 다층부품의 체결홀에 안착된 체결부재가 위치한 체결 작업점으로 위치시키는 단계; b) 로봇의 힘제어로 상기 체결홀에 상기 체결부재가 체결되는 수직방향으로 일정량의 힘을 가하고, 상기 모터의 회전력을 이용한 1차 체결을 수행하는 단계; c) 소정 체결작업시간 내에 상기 체결부재의 높이가 목표 위치에 도달하고 상기 모터의 전류 피크가 검출되면, 상기 1차 체결이 완료된 것으로 판단하는 단계; 및 d) 상기 모터 브레이크가 작동된 상태에서, 상기 로봇의 힘제어와 자세제어를 통해 상기 스핀들의 주축을 기준으로 회전력을 가하여 상기 체결부재의 2차 체결을 수행하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 b) 단계는, 상기 힘제어 또는 회전력 발생 시점으로부터 카운트를 시작하여 소정 체결작업시간을 초과하는지 판단하는 단계; 상기 체결부재의 높이를 추적하여 상기 목표 위치에 도달했는지 판단하는 단계; 및 상기 1차 체결 시 일정 회전부하에 따른 모터 전류의 상승으로 상기 모터의 전류 피크가 검출되었는지 판단하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 b) 단계는, 상기 힘제어 또는 회전력 발생 시점으로부터 소정 체결작업시간이 초과된 상태에서, 상기 체결부재의 높이가 목표 위치에 도달되지 않았거나 상기 모터의 전류 피크가 검출되지 않으면 불완전 체결이 발생된 것으로 판단하는 단계; 및 상기 모터를 역회전으로 제어하여 상기 불완전 체결을 풀고 다시 정회전으로 회전하여 상기 1차 체결 작업을 재개하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 모터의 역회전 제어는 상기 체결부재의 위치가 상기 체결 작업점으로 되돌아 갈 때까지 제어될 수 있다.

또한, 상기 d) 단계는, 상기 1차 체결이 완료되면, 상기 모터의 작동을 중지하고 상기 모터 브레이크를 작동하여 주축인 스핀들이 임의로 회전되지 않도록 잠그는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 d) 단계 이후에, 상기 2차 체결 중 상기 로봇의 일정 회전부하 감지에 따른 목표 체결토크가 확인되면, 상기 체결부재가 체결홀에 완전히 체결된 것으로 검증하는 단계를 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 일 측면에 따른, 다층부품의 조립을 위해 체결부재를 체결하는 다층부품 체결 시스템은, 다관절 액추에이터로 구성된 로봇; 모터, 모터 브레이크, 스핀들 및 체결헤드를 포함하며 브라켓을 통해 로봇의 엔드이펙터에 결합되는 체결툴; 상기 체결툴에 장착되며, 거리센서를 통해 상기 다층부품의 조립기준면과의 거리를 감지하여 상기 체결부재의 머리부가 목표 위치에 도달하는지 검출하는 변위 측정 모듈; 상기 체결툴의 작동을 위한 제어신호를 전달하는 통신 모듈; 및 상기 로봇의 기구학적 자세제어를 통해 상기 체결툴을 상기 다층부품의 체결홀에 안착된 체결부재가 위치한 체결 작업점으로 위치시키고, 상기 체결홀에 상기 체결부재가 체결되는 수직방향으로 일정량의 힘을 가하는 힘제어와 상기 모터의 회전력을 이용한 1차 체결을 수행하며, 상기 변위 측정 모듈을 통한 목표 위치에 도달 검출 및 모터의 전류 피크(peak) 감지에 따른 상기 1차 체결이 완료되면 상기 모터 브레이크가 작동된 상태에서 상기 로봇의 힘제어와 자세제어를 통해 상기 스핀들의 주축을 기준으로 회전력을 가하여 2차 체결을 수행하는 제어기를 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 로봇을 활용한 체결부재의 체결과정에서 모터의 전류 피크(peak) 감지와 로봇의 위치측정기능을 이용한 체결부품의 높이변화로 1차 체결완료 여부를 판단하고, 목표 체결토크 측정기능을 통한 2차 체결검증을 수행함으로써 육안검사를 생략하고 체결부재의 체결작업과 동시에 완전체결상태를 자동으로 검사할 수 있다.

또한, 기존 고가의 너트러너를 생략하고 이를 대체하는 낮은 출력의 저렴한 서보 모터를 활용하여 체결부재의 1차 체결과 로봇의 회전제어를 이용한 2차 체결을 통해 완전체결토크를 확보함으로써 설비투자비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 나사산의 마찰산포로 인한 불완전 체결을 감지시 체결부재의 역회전을 실시하여 체결오류를 자동으로 복구할 수 있으며, 모터와 로봇을 이용한 이중체결로 체결작업 공수를 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 너트러너를 이용한 자동 체결 시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 다층부품 체결 시스템이 적용되는 공정을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 다층부품 체결 시스템의 구성을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 체결툴의 구성을 나타낸 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 제어기의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 다층부품 체결 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 다층부품 체결 방법에서의 세부 작동 설명을 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 체결툴의 구성을 나타낸다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

또한, 명세서 전체에서, 체결부재(B)의 불완전 체결은 체결부재가 주축방향에서 틀어진 상태로 결합되어 체결 후에도 머리부가 부품의 상면에 도달하지 못한 상태, 나사산의 마찰 산포로 인하여 체결이 완료되지 않은 상태 및 결합 시 일정 토크부하 미만으로 느슨하게 결합된 상태를 의미한다.

이제 본 발명의 실시 예에 따른 다층부품 체결 시스템 및 그 방법에 대하여 도면을 참조로 상세하게 설명한다.

차량에는 여러 개의 부품이나 판넬을 다층으로 결합하여 사용하는 공정이 증가되고 있으며, 먼저 이를 자동화하기 위한 다층부품 제작공정의 개념을 간단히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 다층부품 체결 시스템이 적용되는 공정을 나타낸다.

첨부된 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 다층부품 제작공정에 있어서, S1 단계의 다층부품 세팅 공정에서는 복수의 부품(1a~1c)이 적층된 다층부품(1)으로 세팅된다.

S2 단계의 다층부품 정렬 공정에서는 제1 부품(1a), 제2 부품(1b) 및 제3 부품(1c)에 형성된 각 홀(H)이 서로 어긋나게 세팅될 수 있으므로, 핀지그를 홀(H)에 삽입하여 다층부품(1)을 정렬하는 작업을 수행한다.

그리고, S3 단계의 다층부품 체결공정에는, 본 발명의 실시 예에 따른 다층부품 체결 시스템(100)이 설치되어 로봇의 자세제어에 따라 체결홀(H)이 위치한 체결 작업점(Tool Center Point, TCP)으로 위치 이동되는 체결툴(130)을 이용하여 다층부품(1)에 형성된 각 체결홀(H)에 체결부재(B)를 체결하는 작업을 수행한다.

이 때, 본 발명의 실시 예에 따른 다층부품 체결 시스템(100, 도 3에 도시됨)은 로봇의 엔드이펙터에 장착된 체결툴(130)의 모터 회전력을 이용한 체결부재(B)의 1차 체결과 로봇의 자세제어를 통한 회전력으로 2차 체결을 수행할 수 있다.

다만, 도 2에서는 설명의 편의상 S2 단계에서 핀지그가 삽입되는 정렬홀(H)과 S3 단계에서 체결부재(B)가 체결되는 체결홀(H)이 동일한 것으로 표현되었으나 본 발명의 실시 예는 이에 한정되지 않으며, 별도로 마련된 정렬홀(H)을 통해 다층부품(1)이 정렬될 수 있다. 즉, 핀지그가 삽입되는 정렬홀(H)과 체결부재(B)가 삽입되는 체결홀(H)은 각각 별도로 형성될 수 있으며 체결홀(H)은 S2 단계의 정렬홀(H)의 정렬 공정을 통해 동시에 정렬될 수 있다.

한편, 이러한 다층부품 체결 시스템(100)의 구성을 다음의 도 3 및 도 4를 통해 구체적으로 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 다층부품 체결 시스템의 구성을 나타낸다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 체결툴의 구성을 나타낸 분해 사시도이다.

첨부된 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 다층부품 체결 시스템(100)은 로봇(110), 브라켓(120), 체결툴(130), 통신 모듈(140) 및 제어기(150)를 포함한다.

로봇(110)은 6축 이상 다관절 액추에이터/매니퓰레이터(manipulator)로 구성될 수 있으며, 엔드이펙터(111)가 거동 가능한 영역의 입체 좌표계(3d; x, y, z)를 형성하여 다층부품(1)의 체결홀(H)이 위치한 체결 작업점(Tool Center Point, TCP)의 위치를 감지할 수 있다.

로봇(110)은 다층부품(1)의 각 홀(H)에 체결부재(B)가 안착된 상태에서 엔드이펙터(111)에 고정 장착된 체결툴(130)를 자세제어를 통해 체결 작업점(TCP)으로 위치시킨다. 그리고, 체결홀(H)에 체결부재(B)가 체결되는 수직방향(z축)으로 일정량의 힘을 가하는 힘제어(Force Control) 기능으로 체결툴(130)을 하강하여 체결부재(B)를 가압한다.

여기서, 상기 힘제어는 로봇(110)에 적용된 힘 센서 또는 토크센서를 이용한 것으로 로봇(110)이 다층부품의 체결홀(H)에 해당되는 체결 작업점(TCP)을 기준으로 체결부재(B)가 체결되는 하측방향으로 일정한 속도와 크기의 힘을 지그시 가압하는 로봇 제어 방식을 의미한다. 이때, 로봇(110)은 힘제어를 통한 체결부재(B)의 체결 시 나사산이 비틀어진 축으로 잘못 삽입되거나 체결완료로 인한 수직부하를 감지할 수 있다.

브라켓(120)은 일측면에 형성된 마운트(121)를 통해 로봇(110)의 엔드이펙터(111)에 장착된다.

체결툴(130)은 브라켓(120)의 일부를 관통한 상태로 로봇(110)의 엔드이펙터(111)에 장착된다.

체결툴(130)은 모터(131), 모터 브레이크(132), 스핀들(Spindle)(133) 및 체결헤드(134)를 포함한다.

모터(131)는 기존 고가의 토크센서를 가지는 너트러너를 대체하여, 상기 토크센서가 생략된 낮은 출력의 비교적 저렴한 서보 모터(Servo motor)로 구성되며, 자체 검출기(미도시)를 통해 체결부재(B)의 체결 시 일정 토크부하(모터부하)를 초과하여 상승되는 모터의 전류값과 회전량을 실시간으로 측정할 수 있다. 즉, 모터(131)는 일정 회전부하를 초과하여 전류가 상승되는 모터의 전류 피크(peak)를 감지할 수 있다.

모터(131)는 양방향으로 회전 가능하여, 인가되는 제어신호에 따라 체결부재(B)의 체결을 위한 정방향 회전력과 체결을 풀기 위한 역방향으로 회전력을 발생할 수 있다. 이하, 모터(131)의 회전력은 특별한 기재가 없는 한 체결부재(B)의 체결을 위한 정방향 회전을 의미하는 것이며, 이와 달리 체결을 푸는 작업에서는 특별히 역방향 회전력을 기재하도록 한다.

모터 브레이크(132)는 모터(131)의 자체 정지 기능이나 브레이크를 통해 주축이 임의로 회전되지 않도록 잠근다.

모터 브레이크(132)는 모터(131) 잠금을 통해 체결툴(130) 전체를 하나의 렌치와 같은 무동력 공구 상태로 만들기 위한 것이며, 이는 필요 시 로봇(110)이 주축방향으로 회전하는 자세제어를 통해 체결부재(B)의 체결을 위한 회전력을 가할 수 있도록 하기 위함이다.

스핀들(Spindle)(133)은 모터 브레이크(132)의 하부에 결합된 주축이며, 끝단에 결합된 체결헤드(134)를 통해 모터(131)의 회전력을 체결부재(B)로 전달한다.

체결헤드(134)는 체결부재(B)의 머리를 감싸는 형태로 결합되어 스핀들(133)을 통해 전달되는 로봇(110)의 힘제어와 모터의 회전력으로 다층부품(1)을 체결한다.

예컨대, 체결헤드(134)는 볼트와 같은 체결부재(B)의 머리를 감싼 상태에서 회전력으로 체결하는 복스 렌치로 구성될 수 있으나, 본 발명의 실시 예는 이에 한정되지 않으며, 공지된 체결부재(B)의 종류에 따라 대응되는 종류의 체결기구로 구성되어 스핀들(133)의 끝단에 결합될 수 있다.

통신 모듈(140)은 제어기(150)와 체결툴(130)간의 통신을 연결하여, 체결부재(B)의 체결제어를 위한 제어신호를 모터(131)로 전달하고, 일정 토크부하에서 발생된 모터(131)의 전류 피크(peak)를 제어기(150)로 전달할 수 있다.

또한, 통신 모듈(140)은 제어기(150)에서 수신된 모터 브레이크(132)의 작동 지령을 전달할 수 있다.

제어기(150)는 본 발명의 실시 예에 따른 다층부품 체결을 위한 전반적인 동작을 제어하는 컴퓨터 장치로 구성된다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 제어기의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.

첨부된 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 제어기(150)는 인터페이스(151), 로봇 제어 모듈(152), 모터 제어 모듈(153), 부하 센싱 모듈(154), 저장 모듈(155) 및 작업 제어 모듈(156)을 포함한다.

인터페이스(151)는 로봇(110) 및 체결툴(130)의 통신 모듈(140)과 각각 통신라인을 연결하여 다층부품 정렬을 위한 제어신호를 송수신한다.

또한, 인터페이스(151)는 외부의 서버(미도시)와 통신을 연결하여 다층부품 체결을 위한 부품 설계정보와 체결부재(B)의 세팅정보를 수집할 수 있다.

로봇 제어 모듈(152)은 로봇(110)의 다층부품 체결 작업을 위한 기구학적 자세제어 정보를 저장하고, 로봇(110)의 자세제어를 통해 체결툴(130)의 체결헤드(134)를 체결홀(H)에 안착된 체결부재(B)의 머리부 해당되는 체결 작업점(TCP)으로 위치시킨다. 이 때, 체결툴(130)의 체결헤드(134)는 체결부재(B)의 상부로부터 하강하여 체결부재(B)의 머리부와 결합될 수 있다.

로봇 제어 모듈(152)은 체결헤드(134)에 결합된 체결부재(B)를 다층부품의 체결홀(H)에 체결하기 위하여, 로봇(110)의 힘제어를 통해 일정한 힘과 속도로 체결부재(B)가 지그시 하강하도록 제어한다.

모터 제어 모듈(153)은 체결부재(B)를 다층부품의 체결홀(H)에 체결하기 위한 상기 로봇(110)의 힘제어와 동시에 모터(131)에 제어신호를 인가하여 결합 회전력을 발생시킨다.

이 때, 로봇 제어 모듈(152)은 로봇(110)의 엔드이펙터(111) 좌표로부터 브라켓(120)과 체결툴(130)을 통해 결합된 체결부재(B)의 머리부 또는 체결헤드(134)에 해당되는 상대좌표를 계산하고 그 높이 변화에 따른 체결위치를 추적할 수 있다.

또한, 모터 제어 모듈(153)은 체결부재(B)가 체결홀(H)과 불완전 체결된 경우 상기 체결홀(H)로부터 체결부재(B)의 체결을 풀기 위한 제어신호를 인가하여 역방향으로의 회전력을 발생시킬 수 있다.

또한, 모터 제어 모듈(153)은 필요 시 모터 브레이크(132)를 작동하여 주축이 임의로 회전되지 않도록 잠글 수 있다.

부하 센싱 모듈(154)은 로봇(110)의 힘제어와 자세제어를 통한 회전력으로 체결부재(B) 결합하는 경우 체결부재(B)가 다층부품(1)의 홀과 완전히 체결된 상태의 회전부하 감지를 통해 목표 체결토크를 충족하는지 판단한다.

저장 모듈(155)은 본 발명의 실시 예에 따른 다층부품 체결을 위한 각종 프로그램, 데이터 및 설정정보를 저장한다.

작업 제어 모듈(156)은 본 발명의 실시 예에 따른 다층부품 체결을 위한 상기 각부의 전반적인 동작을 제어하는 중앙처리장치이다.

작업 제어 모듈(156)은 다층부품 체결 알고리즘에 따른 로봇 제어 모듈(152)과 모터 제어 모듈(153)을 통해 로봇(110)과 체결툴(130)을 제어하여 체결부재(B)를 다층부품(1)에 형성된 체결홀(H)에 체결한다.

작업 제어 모듈(156)은 체결부재(B)를 체결홀(H)에 체결하는 과정에서 통신 모듈(140)에서 수신된 모터(131)의 전류 피크(peak) 감지 및 로봇(110)의 위치측정기능을 통한 체결부품의 높이 변화를 통해 체결(이하, "1차 체결"이라 명명함)완료 여부를 파악할 수 있다.

또한, 작업 제어 모듈(156)은 상기 1차 체결이 완료된 후, 모터 브레이크(132)를 작동하여 모터(131)를 잠근 후 로봇(110)의 자세제어를 통해 체결툴(130)을 회전시켜 목표체결 토크가 확인될 때까지 체결부재(B)를 체결(이하, 2차 체결"이라 명명함)할 수 있다.

또한, 작업 제어 모듈(156)은 모터(131)를 이용한 1차 체결 작업이 소정 체결작업시간을 초과하면 불완전 체결로 판단하여 모터(131)의 역회전으로 체결을 풀어 상기 불완전 체결을 해결한 후 다시 정회전으로 회전하여 1차 체결 작업을 재개할 할 수 있다.

한편, 로봇 제어 모듈(152), 모터 제어 모듈(153) 및 작업 제어 모듈(156)은 다층부품 체결 시스템(100)의 구동을 위한 제어구성이므로 하나의 제어기(150)로 통칭될 수 있다.

그러므로, 이하 전술한 다층부품 체결 시스템(100)의 구성을 바탕으로 하는 본 발명의 실시 에에 따른 다층부품 체결 방법을 설명함에 있어서 그 방법의 주체를 제어기(150)로 하여 설명하도록 한다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 다층부품 체결 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 다층부품 체결 방법에서의 세부 작동 설명을 위한 도면이다.

첨부된 도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 에에 따른 다층부품 체결 방법은 앞서 도 2의 S3 단계의 다층부품 체결 공정의 구체적인 흐름을 보여준다.

제어기(150)는 로봇(110)의 자세제어를 통해 엔드이펙터(111)에 체결툴(130)을 장착한 상태에서 다층부품(1)의 체결홀(H)에 체결부재(B)가 안착되면, 로봇(110)의 자세제어를 통해 체결툴(130)의 체결헤드(134)를 체결홀(H)에 안착된 체결부재(B)의 머리부 해당되는 체결 작업점(TCP)으로 위치시킨다(S31). 이 때, 체결헤드(134)는 체결부재(B)의 상측에서 머리를 감싸는 형태로 결합된다.

제어기(150)는 로봇(110)의 힘제어를 통해 일정한 힘과 속도로 체결부재(B)가 지그시 하강하도록 제어한다(S2).

또한, 제어기(150)는 상기 로봇(110)의 힘제어와 동시에 모터(131)를 정회전으로 작동하여 채결부재(B)의 결합 회전력을 발생한다(S33). 즉, 체결부재(B)는 스핀들(133)과 체결헤드(134)를 통해 전달되는 로봇(110)의 가압력과 모터(131)의 회전력으로 체결홀(H)에 1차 체결된다.

이 때, 제어기(150)는 상기 힘제어 또는 회전력 발생 시점으로부터 카운트를 시작하여 소정 체결작업시간을 초과하는지 판단하고(S34), 상기 체결작업시간 이하에 상기 체결부재(B)가 목표 위치에 도달했는지 판단하며(S35), 그리고, 체결부재(B)의 체결 시 일정 회전부하를 초과하여 모터 전류가 상승되는 모터의 전류 피크(peak)가 검출되었는지를 판단하여(S36), 상기 1차 체결의 완료여부를 판정한다.

이때, 제어기(150)는 로봇(110)의 기구학적 엔드이펙터(111)의 좌표로부터 브라켓(120)과 체결툴(130)를 통해 결합된 체결부재(B)의 머리부에 해당되는 상대좌표를 계산하고 그 높이 변화에 따른 체결위치를 추적할 수 있다.

예컨대, 제어기(150)는 상기 카운트된 시간이 소정 체결작업시간을 초과하지 않은 상태에서(S34; 아니오), 상기 체결부재(B)가 목표 위치(높이)에 도달하고 (S35; 예), 모터의 전류 피크(peak)가 검출되면(S36; 예), 모터(131)를 이용한 회전력으로 상기 1차 체결이 완료된 것으로 판단한다(즉, S35 및 S36 단계의 AND 조건 충족).

또한, 제어기(150)는 상기 카운트된 시간이 소정 체결작업시간을 초과하지 않은 상태에서(S34; 아니오), 상기 S36 단계의 목표 위치 도달 조건과 상기 S37 단계의 전류 피크 검출 조건 중 어느 하나라도 충족되지 않으면(S36 또는 S37; 아니오), 모터(131)의 회전력을 이용한 상기 1차 체결 작업을 계속한다.

반면, 제어기(150)는 상기 체결작업시간이 초과된 상태에서(S34; 예), 상기 S36 단계의 목표 위치 도달 조건과 상기 S37 단계의 전류 피크 검출 조건 중 어느 하나라도 충족되지 않으면(S36 또는 S37; 아니오), 체결부재(B)의 불완전 체결이 발생된 것으로 판단한다.

이 때, 제어기(150)는 모터(131)를 역회전으로 제어한 후 정회전으로 제어하여 재체결 제어를 수행한다(S35). 상기 모터(131)의 역회전은 상기 체결부재(B)의 위치가 체결 작업점(TCP)까지 되돌아 갈 때까지 제어된 후 다시 정회전으로 제어될 수 있다.

한편, 모터(131)를 이용한 회전력으로 상기 1차 체결이 완료된 것으로 판단된 이후의 과정을 계속 설명한다.

제어기(150)는 모터(131)의 작동을 중지하고 모터 브레이크(132)를 작동하여 주축인 스핀들(133)이 임의로 회전되지 않도록 잠근다(S38). 이 때, 체결툴(130)은 모터(131)와 연결된 체결헤드(134)가 고정되어 렌치와 같은 하나의 무동력 공구 상태가 된다.

제어기(150)는 로봇(110)의 힘제어와 자세제어를 통한 체결툴(130)의 회전제어를 통해 주축을 중심으로 하는 회전력을 발생하여 체결부재(B)를 체결홀(H)에 2차 체결한다(S39).

제어기(150)는 상기 2차 체결 중 로봇(110)의 회전부하 감지에 따른 목표 체결토크가 확인되면(S40), 체결부재(B)가 체결홀(H)과 완전히 체결된 것으로 검증한다.

이후, 제어기(150)는 다음 체결부재(B)의 체결 작업점(TCP)으로 체결툴(130)을 이동하여 다층부품 체결 작업을 계속할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 로봇을 활용한 체결부재의 체결과정에서 모터의 전류 피크(peak) 감지와 로봇의 위치측정기능을 이용한 체결부품의 높이변화로 1차 체결완료 여부를 판단하고, 목표 체결토크 측정기능을 통한 2차 체결검증을 수행함으로써 육안검사를 생략하고 체결부재의 체결작업과 동시에 완전체결상태를 자동으로 검사할 수 있는 효과가 있다.

또한, 기존 고가의 너트러너를 삭제하고 이를 대체하여 낮은 출력의 저렴한 서보 모터를 활용한 체결부재의 1차 체결과 로봇의 회전제어를 이용한 2차 체결을 통해 완전체결토크를 확보할 수 있으므로 설비투자비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

이상에서는 본 발명의 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에만 한정되는 것은 아니며 그 외의 다양한 변경이나 추가가 가능하다.

예컨대, 도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 체결툴의 구성을 나타낸다.

첨부된 도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 체결툴(130)은 모터(131), 모터 브레이크(132), 스핀들(133) 및 체결헤드(134)를 포함하는 것이 이전 실시 예와 유사하지만, 변위 측정 모듈(135)을 더 포함하는 점이 다르다.

변위 측정 모듈(135)은 로봇(110)의 위치측정 기능을 대체하는 것으로 체결툴(130)에 장착되며, 레이저를 이용한 거리센서나 리미트 센서(접촉식)로 구성될 수 있다.

변위 측정 모듈(135)은 체결부재(B)의 1차 체결 또는 2차 체결 시 거리센서를 통해 상기 다층부품의 조립기준면과의 거리를 감지하여 상기 체결부재의 머리부가 목표 위치에 도달하는지 검출 통신 모듈(140)을 통해 제어기(150)로 전송할 수 있다.

제어기(150)는 상기 변위 측정 모듈(135)을 통해 체결헤드(134) 또는 체결부재(B)의 머리부의 높이 변화에 따른 체결위치를 추적하고, 설정된 목표위치에 도달하면 체결이 완료된 것으로 판단할 수 있다.

본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: 다층부품 결합 장치 110: 로봇
111: 엔드이펙터 120: 브라켓
121: 마운트 130: 체결툴
131: 모터 132: 모터 브레이크
133: 스핀들 134: 체결헤드
135: 변위 센서 140: 통신 모듈
150: 제어기 151: 인터페이스
152: 로봇 제어 모듈 153: 모터 제어 모듈
154: 부하 센싱 모듈 155: 저장 모듈
156: 작업 제어 모듈

Claims

다층부품의 조립을 위해 체결부재를 체결하는 다층부품 체결 시스템에 있어서,
다관절 액추에이터로 구성된 로봇;
모터, 모터 브레이크, 스핀들 및 체결헤드를 포함하며 브라켓을 통해 로봇의 엔드이펙터에 결합되는 체결툴;
상기 체결툴의 작동을 위한 제어신호를 전달하는 통신 모듈; 및
상기 로봇의 기구학적 자세제어를 통해 상기 체결툴을 상기 다층부품의 체결홀에 안착된 체결부재가 위치한 체결 작업점으로 위치시키고, 상기 체결홀에 상기 체결부재가 체결되는 수직방향으로 일정량의 힘을 가하는 힘제어와 상기 모터의 회전력을 이용한 1차 체결을 수행하며, 모터의 전류 피크(peak) 감지에 따른 상기 1차 체결이 완료되면 상기 모터 브레이크가 작동된 상태에서 상기 로봇의 힘제어와 자세제어를 통해 상기 스핀들의 주축을 기준으로 회전력을 가하여 2차 체결을 수행하는 제어기;
를 포함하는 다층부품 체결 시스템.
제1항에 있어서,
상기 로봇은
상기 엔드이펙터가 거동 가능한 영역의 입체 좌표계를 형성하며, 상기 다층부품의 정렬홀이 위치한 상기 체결 작업점의 위치를 감지하는 다층부품 체결 시스템.
제1항에 있어서,
상기 모터는
상기 1차 체결 시 일정 토크부하를 초과하여 상승되는 모터의 전류값과 회전량을 실시간으로 측정하는 다층부품 체결 시스템.
제1항에 있어서,
상기 모터는
인가되는 제어신호에 따라 상기 체결부재의 체결을 위한 정방향 회전력과 상기 체결을 푸는 역방향 회전력을 발생하는 다층부품 체결 시스템.
제1항에 있어서,
상기 모터 브레이크는
상기 모터를 정지시키고 브레이크를 통해 상기 주축이 임의로 회전되지 않도록 잠그는 다층부품 체결 시스템.
제1항에 있어서,
상기 스핀들은
상기 모터 브레이크의 하부에 장착되고, 길이방향의 하측 끝단에 결합된 상기 체결헤드를 통해 상기 회전력을 전달하는 다층부품 체결 시스템.
제1항에 있어서,
상기 체결헤드는
상기 체결부재의 머리를 감싼 상태에서 상기 회전력을 가하는 복스 렌치로 구성되는 다층부품 체결 시스템.
제1항에 있어서,
상기 통신 모듈은
상기 제어기와 체결툴간의 통신을 연결하여, 체결제어를 위한 제어신호를 상기 모터로 전달하고, 일정 토크부하에서 발생된 모터의 전류 피크를 상기 제어기로 전달하는 다층부품 체결 시스템.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어기는
상기 로봇 및 체결툴의 통신 모듈과 연결되어 다층부품 정렬을 위한 제어신호를 송수신하는 인터페이스;
상기 로봇의 다층부품 체결 작업을 위한 기구학적 자세제어 정보를 저장하고, 상기 로봇의 자세제어에 따라 이동되는 상기 체결툴의 위치를 추적하는 로봇 제어 모듈;
상기 제1 체결을 위한 상기 로봇의 힘제어와 동시에 상기 모터에 제어신호를 인가하여 결합 회전력을 발생시키는 모터 제어 모듈;
상기 로봇에 의한 2차 체결 시 상기 체결부재가 다층부품의 체결홀과 완전히 체결된 상태의 회전부하 감지를 통해 목표 체결토크를 충족하는지 판단하는 부하 센싱 모듈;
다층부품 체결을 위한 각종 프로그램, 데이터 및 설정정보를 저장하는 저장 모듈; 및
다층부품 체결 알고리즘에 따른 상기 로봇 제어 모듈과 모터 제어 모듈을 통해 상기 로봇과 체결툴을 제어하여 상기 체결부재의 완전체결상태를 검증하는 작업 제어 모듈;
을 포함하는 다층부품 체결 시스템.
제9항에 있어서,
상기 로봇 제어 모듈은
상기 로봇의 엔드이펙터 좌표로부터 상기 브라켓과 체결툴을 통해 결합된 상기 체결헤드나 체결부재의 머리부에 해당되는 상대좌표를 계산하고 그 높이 변화에 따른 체결위치를 추적하는 다층부품 체결 시스템.
제10항에 있어서,
상기 작업 제어 모듈은
상기 모터의 전류 피크 감지 및 상기 로봇의 위치측정기능을 통한 상기 체결부품이 목표 위치에 도달된 조건을 충족하면 상기 1차 체결이 완료된 것으로 판단하는 다층부품 체결 시스템.
제9항에 있어서,
상기 모터 제어 모듈은
상기 체결부재가 상기 체결홀과 불완전 체결된 경우 상기 체결홀로부터 체결부재의 체결을 풀기 위한 제어신호를 인가하여 역방향으로 회전력을 발생시키는 다층부품 체결 시스템.
제9항에 있어서,
상기 작업 제어 모듈은
상기 모터를 이용한 1차 체결 작업이 소정 체결작업시간을 초과하면 불완전 체결로 판단하여 상기 모터 제어 모듈을 통해 상기 모터를 역회전으로 제어하여 상기 불완전 체결을 풀고 다시 정회전으로 회전하여 상기 1차 체결 작업을 재개하는 다층부품 체결 시스템.
다층부품 체결 시스템의 제어기가 모터, 모터 브레이크, 스핀들 및 체결헤드를 포함하는 체결툴이 장착된 로봇을 제어하여 다층부품에 형성된 체결홀에 체결부재를 체결하는 다층부품 체결 방법에 있어서,
a) 상기 로봇의 기구학적 자세제어를 통해 상기 체결툴을 상기 다층부품의 체결홀에 안착된 체결부재가 위치한 체결 작업점으로 위치시키는 단계;
b) 로봇의 힘제어로 상기 체결홀에 상기 체결부재가 체결되는 수직방향으로 일정량의 힘을 가하고, 상기 모터의 회전력을 이용한 1차 체결을 수행하는 단계;
c) 소정 체결작업시간 내에 상기 체결부재의 높이가 목표 위치에 도달하고 상기 모터의 전류 피크가 검출되면, 상기 1차 체결이 완료된 것으로 판단하는 단계; 및
d) 상기 모터 브레이크가 작동된 상태에서, 상기 로봇의 힘제어와 자세제어를 통해 상기 스핀들의 주축을 기준으로 회전력을 가하여 상기 체결부재의 2차 체결을 수행하는 단계;
를 포함하는 다층부품 체결 방법.
제14항에 있어서,
상기 b) 단계는,
상기 힘제어 또는 회전력 발생 시점으로부터 카운트를 시작하여 소정 체결작업시간을 초과하는지 판단하는 단계;
상기 체결부재의 높이를 추적하여 상기 목표 위치에 도달했는지 판단하는 단계; 및
상기 1차 체결 시 일정 회전부하에 따른 모터 전류의 상승으로 상기 모터의 전류 피크가 검출되었는지 판단하는 단계;
를 포함하는 다층부품 체결 방법.
제14항 또는 제15항에 있어서,
상기 b) 단계는,
상기 힘제어 또는 회전력 발생 시점으로부터 소정 체결작업시간이 초과된 상태에서, 상기 체결부재의 높이가 목표 위치에 도달되지 않았거나 상기 모터의 전류 피크가 검출되지 않으면 불완전 체결이 발생된 것으로 판단하는 단계; 및
상기 모터를 역회전으로 제어하여 상기 불완전 체결을 풀고 다시 정회전으로 회전하여 상기 1차 체결 작업을 재개하는 단계;
를 포함하는 다층부품 체결 방법.
제16항에 있어서,
상기 모터의 역회전 제어는
상기 체결부재의 위치가 상기 체결 작업점으로 되돌아 갈 때까지 제어되는 다층부품 체결 방법.
제14항에 있어서,
상기 d) 단계는,
상기 1차 체결이 완료되면, 상기 모터의 작동을 중지하고 상기 모터 브레이크를 작동하여 주축인 스핀들이 임의로 회전되지 않도록 잠그는 단계를 포함하는 다층부품 체결 방법.
제14항에 있어서,
상기 d) 단계 이후에,
상기 2차 체결 중 상기 로봇의 일정 회전부하 감지에 따른 목표 체결토크가 확인되면, 상기 체결부재가 체결홀에 완전히 체결된 것으로 검증하는 단계를 더 포함하는 다층부품 체결 방법.
다층부품의 조립을 위해 체결부재를 체결하는 다층부품 체결 시스템에 있어서,
다관절 액추에이터로 구성된 로봇;
모터, 모터 브레이크, 스핀들 및 체결헤드를 포함하며 브라켓을 통해 로봇의 엔드이펙터에 결합되는 체결툴;
상기 체결툴에 장착되며, 거리센서를 통해 상기 다층부품의 조립기준면과의 거리를 감지하여 상기 체결부재의 머리부가 목표 위치에 도달하는지 검출하는 변위 측정 모듈;
상기 체결툴의 작동을 위한 제어신호를 전달하는 통신 모듈; 및
상기 로봇의 기구학적 자세제어를 통해 상기 체결툴을 상기 다층부품의 체결홀에 안착된 체결부재가 위치한 체결 작업점으로 위치시키고, 상기 체결홀에 상기 체결부재가 체결되는 수직방향으로 일정량의 힘을 가하는 힘제어와 상기 모터의 회전력을 이용한 1차 체결을 수행하며, 상기 변위 측정 모듈을 통한 목표 위치에 도달 검출 및 모터의 전류 피크(peak) 감지에 따른 상기 1차 체결이 완료되면 상기 모터 브레이크가 작동된 상태에서 상기 로봇의 힘제어와 자세제어를 통해 상기 스핀들의 주축을 기준으로 회전력을 가하여 2차 체결을 수행하는 제어기;
를 포함하는 다층부품 체결 시스템.