셀프 태핑 나사 체결 자동화를 위한 셧-오프 방식의 전동 임팩트 드라이버 모듈에 대한 연구

Abstract

제조업에서는 소품종 대량생산으로 생산 단가를 낮춤으로써 가격 경쟁력을 길러왔다. 하지만 최근 각자의 개성을 위한 다양한 요구가 늘어나 기업들은 앞으로의 경쟁을 위해서는 빠르게 생산가능한 생산성뿐만 아니라 다양한 제품을 제작할 수 있는 유연성을 갖추어야 한다.생산 유연성을 높이기 위해서는 조립 공정 라인의 교체에 적은 시간과 비용을 들여야 한다. 이를 위해 스마트 제조 환경이 대두되고 있는데 로봇과 사람이 상호작용을 통해 생산 유연성을 높이기 위한 것이다. 제조 과정 중 나사 체결은 과거부터 가장 높은 비율을 차지하고 있는 작업이다. 더불어 이것은 반복 작업이기 때문에 로봇이 진행하기 적합하다. 이중에서도 셀프 태핑 나사를 이용한 체결은 일반 조립 작업의 27\%를 구성할 정도로 널리 사용되어 진다. 셀프 태핑 나사를 탄성력이 좋은 재질 또는 강성이 높은 물건에 체결할 경우 아주 높은 체결 토크를 요구하게 된다. 이러한 토크를 위해 산업현장에서는 임팩트 드라이버를 빈번하게 사용한다. 특히 자동차 분야에서의 사용이 빈번한데, 자동차의 경우 제작사에서 나사에 맞는 체결 토크를 정의하는 경우가 있다. 위에서 정의한 체결 토크에 도달하였을 때, 정지가 가능한 셧-오프(Shut-Off) 시스템을 장착한 임팩트 드라이버를 사용한다. 하지만 많은 제품들은 조립 메뉴얼에 체결 토크를 정의하지 않는다. 때문에 로봇에 임팩트 드라이버를 적용하여 사용하고자 할 때, 시중에 있는 셧-오프 시스템이 적용된 임팩트 드라이버를 사용에 어려움을 가진다. 때문에 임팩트 드라이버를 로봇이 사용하기 적합하게 제작한다면 변화에 맞는 공구를 선택하여 사용할 수 있게 되어 생산 유연성은 높아질 것이다.이에 본 논문에서는 로봇이 임팩트 드라이버를 사용할 때, 모터의 전류를 이용하여 체결 상태를 판단하고 정지하는 셧-오프 시스템이 적용된 임팩트 드라이버 모듈을 제작하고자 한다. 드라이버 모듈은 임팩트 드라이버의 기계적 구조와 모터 드라이브, 전류 센서, 제어를 위한 마이크로 컨트롤러로 이루어진다. 나사 체결하기 부족한 모터 토크를 기계적 구조를 통해 충격을 발생시켜 보충한다. 하지만 너무 많은 충격은 제품에 파손으로 이어질수 있다. 연구를 통해 과도한 장금으로 인한 제품의 파손을 막기 위해 전류를 측정하여 체결 완료 상태를 확인하고, 완료 여부를 판단시 정지하는 시스템을 제작하였다. 또한 일반적인 드라이버에 비해 가볍고 작게 제작하여, 로봇의 이동 중량이 작어도 사용 가능할 수 있게 제작하였다. 본 연구의 검증을 위한 실험은 간단한 도구로 자신이 직접 조립하는 조립식(RTA, Ready To Assemble) 형태의 제품중 가장 접근이 쉬운 가구를 통해 진행 되었다. 가구를 조립하기 위해 6자유도의 매니퓰레이터 2대를 이용하였고, 공구를 거치할 수 있도록 거치대를 제작하였다. 또한 그리퍼를 이용해 드라이버 모듈을 파지할 수 있도록 외면을 디자인하여 기존 그리퍼 디자인를 크게 바꾸지 않고 사용이 가능하게 제작하였다. 이를 이용하여 가구의 조립설명서에 나와있는 2종의 나사를 조립하여 모듈의 효용성을 검증하였다. 이를 통해 임팩트 드라이버를 이용한 자동화의 가능성을 확인하고 자동화를 통해 생산 유연성의 증대를 기대한다.