KR101744962B1 - 다관절로봇을 이용한 목재부재 가공시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 목재부재를 설정된 치수로 가공하는 시스템에 있어서: 목재부재를 클램핑하는 작업대(10); 다축암(21)의 하류단에 툴헤드(23)를 개재하여 공구를 탑재하는 다관절로봇(20); 상기 목재부재에 대응하는 다관절로봇(20)의 자세와 모션을 감지하는 검출수단(30); 및 상기 다관절로봇(20)의 공구를 설정된 조건으로 제어하는 제어수단(50);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 다관절로봇을 기반으로 다양한 종류와 크기의 목재부재를 가공함에 있어서 메인 제어기로 3차원 스텝 파일을 인가받아 3축 Arm 제어기, 4축 Arm 제어기, 또는 5축 Arm 제어기에 의해 다관절로봇을 기반으로 목재 부재에 클램프를 사용하여 작업대를 고정하여 다관절 로봇을 이용한 목재부재의 다축가공 장치를 움직여가며 드릴링되어 다양한 종류와 크기의 목재부재를 제조하며, 공정 조건의 유연한 변경으로 끼워맞춤과 같은 정밀 가공의 신뢰성을 높여 품질과 생산성 향상을 도모하는 효과가 있다.

Description

다관절로봇을 이용한 목재부재 가공시스템{System for processing wood member using multi-articulated robot}

본 발명은 목재부재의 가공에 관한 것으로써, 보다 구체적으로는 USB 또는 통신 모듈을 통해 메인 제어기로 3차원 가공파일(예, 스텝 파일)을 인가받아 3축 Arm 제어기, 4축 Arm 제어기, 또는 5축 Arm 제어기에 의해 다관절로봇을 기반으로 클램프를 사용하여 목재 부재를 작업대에 고정하여 다관절 로봇을 이용한 목재 부재의 다축가공 장치를 움직여가며 암 제어기의 말미의 드릴링에 의해 다양한 종류와 크기의 목재부재를 제조하기 위한 목재부재의 다축가공 장치에 관한 것이다.

(1) 로봇 제어기의 구성과 기능

도 1은 모션 제어부 및 서보 드라이부를 구비하는 로봇 제어기의 구성도이다.

도 1에서 로봇 몸체를 제외한 부분을 로봇 제어기라고 부른다. 간단히 보면 모션 제어부와 서보 드라이버부로 나뉜다. 모션 제어부는 운영자(operator)를 포함하는 모든 외부로부터의 명령 및 신호를 바탕으로 목표를 선정하고, 이를 아래의 서보 드라이버부가 이해할 수 있는 신호로 만든다.

서보 드라이버부는 로봇 몸체에 내장되어 있는 여러 모터를 직접 제어하는 일종의 모터 제어기에 해당한다. 로봇을 로봇답게(즉, 복잡한 6자유도 운동을 한다든지) 하는 것은 바로 모션 제어부에서 이루어지므로 모션 제어부의 이해 가 중요하지만 실제 사용 중에는 서보 드라이버의 역할이 중요할 때가 많으므로 둘 다 올바르고 충분한 이해가 필요하다.

1) 모션 제어부

[구조와 기능]

모션 제어부는 사용자가 작성한 로봇 명령어를 해석하여 로봇 각 축의 위치, 속도 및 가속도 정보를 포함하는 경로 계획을 세워 서보 드라이버에 명령을 내리게 된다. 모션 제어부는 도 2에 도시된 바와 같이 메인 제어기와 입출력 제어기로 구성된다.

도 2는 모션 제어부 및 서보 드라이부를 나타낸 도면이다. 도 3은 서보 제어기의 구성도이다.

메인 제어기는 보통 로봇의 교시, 알람, 리모트 동작, 티칭 박스 표시 및 조작, 외부기기 로봇 제어, 운동학 기구 해석, 로봇 언어 해석, 티칭 플래이백 등의 역할을 하고 있으며, 모든 로봇 제어기 구성 유닛들을 주기적으로 모니터링하여 통합 관리하고 있다. 메인 제어기는 여러 장의 보드로 구성되기도 하는데, 그 주요 기능은 시스템 제어와 동작 제어이다. 시스템 제어 기능은 여러 제어기를 관리하는 중앙처리장치 역할을 의미하며, 동작 제어 기능은 로봇의 동작과 관련된 모든 제어를 의미한다. 또 경우에 따라서는 옵션으로서 비전 보드(Vision Board)를 포함하기도 한다.

입출력 제어기는 시스템 I/O 보드, User I/O 보드로 구성되어 있다. 시스템 I/O 보드에는 FDD, HDD, USB, Memory Card 등과 같은 주변 장치들을 연결하여 사용할 수 있으며, 비상 스위치, 근접 센서(Limit Sensor) 등이 있다. 그리고 RS232C, RS422 등과 같은 통신 포트를 내장하고 있으므로 PC나 티치펜던트 등을 연결할 수 있다. User I/O Board는 각종 센서와 핸드 등의 로봇의 주변 장치를 제어하는데 사용한다.

메인 제어기와 입출력 제어기는 각각 독립적으로 읽고 쓰기가 가능한 듀얼 포트 메모리(Dual Port Memory)를 사이에 두고 연결되어 있다. 마찬가지로 메인 제어기와 서보 드라이버부도 듀얼 포트 메모리를 매개로 연결되어 있다.

- 메인 제어기의 역할

메인 제어기는 로봇 컨트롤러의 중심이 되는 부분으로써 다른 각 제어부를 관리하고 다관절 링크기구를 가진 로봇을 명령에 따라 움직이기도 하고, 주변장치와 로봇과의 협조제어 실현에 필요한 동작 제어 연산을 실행하는 등 로봇 컨트롤러의 기능을 실현한다. 이러한 시스템 제어 기능과 동작 제어 기능을 수행하기 위해 복잡한 좌표교환 연산 등 많은 데이터를 고속으로 처리할 필요가 있으므로 고성능 마이크로프로세서가 사용된다.

- 입출력 제어기의 역할

로봇 시스템과 함께 제어하기 위해서는 로봇 운영자 및 로봇 주변장치와 각종 신호를 고속으로 주고받고 그 결과를 시스템 제어부에 전달할 필요가 있다. 이처럼 로봇 컨트롤러 외부로부터의 신호를 시스템 제어부에서 처리 가능한 데이터로 교환하기도 하고, 역으로 로봇 컨트롤러로부터 출력하는 데이터를 소정의 신호로 교환하여 출력하기도 하는 것이 입출력 제어기의 중요한 역할이다.

입출력 제어기의 구성은 메인 제어기의 그것과 동일하지만 메인 제어기와 비교할 때 수치연산 프로세서가 불필요하고 마이크로프로세서도 그다지 고성능이지 않아도 되며, 메모리 용량도 메인 제어부에 비해 소용량이어도 된다. 또한, 마이크로컴퓨터의 주변소자로써 시리얼 인터페이스로 사용되는 시리얼 통신IC와 병렬 인터페이스용의 병렬 I/O용 IC 등이 강화되어 있다.

[로봇 제어]

일반적으로 입출력 제어를 메인 제어기의 마이크로 프로세서를 사용하여 처리할 경우, 데이터 수신의 입력 처리에 의하여 메인 제어기 내의 동작 제어 연산 등의 중요한 처리가 중단되는 경우가 있다. 이 때문에 메인 제어기 내의 데이터 중단을 없애고, 로봇 제어기의 성능을 향상시키기 위하여 로봇 제어기는 입출력 제어기를 따로 두고 외부로부터의 인터페이스 신호에 고속 응답이 가능한 시스템을 구축하고 있다.

2) 서보 드라이버부

서보 드라이버부는 로봇의 각 관절을 구동하는 서보 모터와 보축 장치의 구동 모터를 제어한다. 메인 제어기 내의 동작 제어부가 좌표변환 등으로 로봇의 각 관절 변화를 연산하는 것에 대하여 서보 드라이버부에서는 연산되어진 위치명령이 실행되도록 각 서보 모터를 피드백 제어하는 역할을 담당한다. 서보 드라이버부는 이러한 역할을 담당하기 위하여 도 3처럼 서보 제어기와 서보 앰프(또는 파워 변환부)로 구성된다.

도 3은 서보 제어기의 구성도이다.

서보 제어기는 도 3에 도시된 바와 같이, 모션 제어부와 같은 상위 제어기로부터 받은 명령을 위치, 속도, 전류 제어 루프를 거쳐 서보 앰프에 이러한 정보를 전달하는 역할을 담당한다. 또한, 서보 모터로부터 실제 움직인 위치나 속도, 전류값에 대한 정보를 피드백 받아 명령값과 비교하여 여기서 발생하는 차이, 즉 에러량을 줄이는 역할을 수행한다. 따라서, 서보 제어기는 외부로부터 방해 요소(외란)들에 대한 강인성을 크게 하고 원하는 출력의 정밀 제어를 얻기 위하여 기본적으로 폐회로 제어를 수행하고 있다.

[로봇 기준 좌표계]

로봇은 다른 좌표축에 대해서 상대적인 운동이 가능하다. 각각의 좌표축에 따라서 운동의 해석은 달라질 수 있다. 보통 로봇의 운동은 다음 세 가지 좌표축에서 해석이 가능하다.

도 5는 다 관절 로봇의 세계 좌표계, 관절 기준 좌표계, 도구 상대 좌표계, 대부분의 로봇은 이러한 좌표계에서 움직일 수 있도록 프로그래밍되는 것을 나타낸 도면이다.

로봇의 세계 좌표축(World Reference Frame)은 보편적 좌표축이며 x, y, z 축을 기준으로 정의된다. 이 경우 로봇 관절은 3 개의 각 축을 따라 운동을 생성하기 위해 연속적으로 움직인다. 이 좌표축에서는 팔이 어디에 있는지 상관없이 x축 양의 방향으로 움직임이 항상 x축의 양의 방향이다. 즉, 이 좌표축은 다른 물체에 대한 상대적인 로봇의 운동을 정의할 때 사용되며 로봇과 통신하는 다른 시스템이나 기계류를 정의하고 운동의 경로를 정의할 때 사용된다.

관절 기준 좌표계(Joint Reference Frame)는 로보틱스에서 다관절 로봇의 모든 관절의 운동을 각각 정의하는데 사용된다. 만일, 로봇의 손을 특정한 위치로 이동할 때 로봇의 손이 목적하는 위치에 한번에 직접 도달하게 하기 위해 하나의 관절을 정의해야 한다. 이 경우 각 관절은 일일이 접근이 이루어져야 하며, 한 번에 단지 한 개의 관절이 움직인다. 관절의 형태(병진형, 회전형, 구형 관절)에 따라서 로봇 손의 운동은 다르다. 예를 들면, 회전관절인 경우, 손은 관절의 축에서 정의되는 원을 따라서 운동하게 된다.

도구 상대 좌표계 (Tool Reference Frame)는 로봇 손에 장착된 좌표계에서 상대적으로 운동하는 로봇 손의 운동을 정의한다. 로봇 손의 x', y', z' 좌표축은 이 지역 좌표계(local frame)에서의 상대적인 손의 운동을 정의한다. 세계 좌표계와는 달리 이 지역 도구 좌표계는 로봇을 따라서 움직인다. 손이 도 4에서와 같이 위치한다면 지역 도구 좌표계에서 x축 양의 방향으로 상대 이동하는 로봇의 손은 도구 좌표계의 x'축의 방향으로 이동한다. 만일 로봇 팔이 다른 곳을 가리키고 있다면 도구 좌표계의 x'축을 따라서 움직이는 위와 똑같은 운동이전혀 다른 운동으로 해석된다. 같은 식으로 x'축이 위쪽을 향한다면 +x'의 운동이 위쪽이 되며, x'축이 아래쪽을 향한다면 +x'의 운동은 아래쪽이 된다. 결과적으로 도구 상대 좌표계는 로봇이 움직임에 따라 항상 같이 움직이는 좌표계이며 팔의 위치와 도구 상대 좌표계의 방향에 구속되어 발생하는 운동이 상태적으로 달라진다. 도구 상대 좌표계는 로봇이 어떤 물체에 접근하거나 멀어지려고 할 때 혹은 부품을 조립하고자 하는 곳에 있어 로봇이 프로그래밍하고자 할 때 매우 유용한 좌표계이다.

[로봇의 작업 공간]

로봇의 형상과 로봇 손목의 관절, 링크(link)의 크기에 따라서 작업공간이라고 불리는 점들의 집합에 도달이 가능하다. 각각의 로봇마다 작업공간의 모양새는 로봇의 특성에 따라서 달라진다. 작업공간은 각 관절의 한계운동영역을 포함하여 로봇의 관절과 링크를 정의하는 수학적 운동방정식으로 생성할 수 있다. 또한 작업공간은 각 관절을 운동영역 안에서 움직이거나 도달할 수 있는 영역을 모두 포함하고, 도달하지 못하는 영역은 삭제하는 방식으로 실험을 함으로도 생성이 가능하다.

도 5는 일반적인 로봇의 전형적인 작업공간 형상의 대략적인 모양새를 보여주고 있다. 로봇이 특수용인 경우 원하는 위치로 도달이 가능한지에 대해서 연구하여 작업공간을 확립해야 한다. 작업공간을 정확히 확립하기 위해서는 로봇 제조회사의 자료까지 참조해야 한다.

도 6은 일 예로써 6 개의 회전축을 갖는Industrial Equipment Co. Ltd.가 제작한 수직관절 로봇인 모델(VR-008A)을 예시한 도면이다.

수직관절 로봇인 모델 VR-008A는 6개의 회전축을 가지며, 공장 자동화(Factory Automation)에 사용되며, 유연하고, 신속하고, 매끄럽고, 다양한 용접작업용의 넓은 작업영역을 예외적으로 갖는다.

표 1은 5 가지 로봇 머니퓰레이터 형상에 대한 장단점을 요약하였다.

형 상	장 점	단 점
직교 좌표형 (x, y, z-기반, 주행, 도달, 높이)	3개의 직선 시각화 용이 강성 구조 오프라인 프로그래밍 용이 직선축의 기계 정지 용이	로봇 자체의 앞에만 접근 가능 큰 설치공간 필요 밀봉 (seal) 이 어려운 축
원통 좌표형 (θ, y, z-기반, 회전, 도달, 높이)	2개의 직선축, 1개의 회전축 로봇 주위에 접근 가능 강성구조의 도달축과 높이축 밀봉이 용이한 회전축	로봇 자체 위에 접근 불가능 직선축보다 덜 강한 베이스 회전축 밀봉이 어려운 직선축 장애물 주위에 접근 불가능 원형의 수평운동
구 좌표형 (수직) (θ, y, β-기반, 회전, 상승각도, 도달각도)	1개의 직선축, 2개의 회전축 긴 수평 접근	장애물 주위에 접근 불가능 짧은 수직 접근
관절 좌표형 (수직) (θ, β, α-기반 회전, 상승각도, 도달각도)	3개의 회전축 장애물 상하에 접근 가능 최소 공간에 최대 작업 영역	지점에 도달하는 2~4가지 방법 복잡한 구조의 머니퓰레이터
SCARA 좌표형 (수평) (θ, φ, z-기반, 회전, 도달각도, 높이)	1개의 직선축, 2개의 회전축 강성구조의 높이축 큰 작업영역 장애물 주위에 접근 가능	지점에 도달하는 2가지 방법 오프라인 프로그래밍 어려움 아주 복잡한 구조의 팔

통상적으로 한옥, 목선, 가구 등에 소요되는 다양한 종류와 크기의 목재부재는 다단계의 공정을 거치는데, 근래에 그러한 공정의 대부분은 품질과 생산성 향상을 위해 기계화 내지 자동화에 의존하는 경향이 높아지고 있다.

이와 관련되는 선행기술문헌으로서, 한국 등록실용신안공보 제1997-0002705호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제0308359호(선행문헌 2), 한국 등록특허공보 제1176871호(선행문헌 3) 등을 참조할 수 있다.

선행문헌 1은 좌대의 상부 일측에 설치되는 제1테이블, 제1테이블에 슬라이드되도록 승강설치되는 제2테이블, 제2테이블의 상부에 전후이동되는 안내대, 엔드밀이 이동대의 전면에 돌출된 가공부 등을 구비한다. 이에, 목재에 여러개의 홈들을 가공하는 동시에 홈의 크기를 서로 다르게 형성하는 효과를 기대한다.

선행문헌 2는 승하강되도록 구성되는 소재공급부, 받침대를 전후이동시켜 커터에 의해 목재를 절단가능하게 하는 실린더를 가진 소재커팅부, 홈가공커터를 이동시키기 위한 받침 프레임과 실린더를 갖는 손잡이홈 가공부 등으로 구성된다. 이에, 모든 절삭 가공을 자동화하여 연속 생산이 가능한 효과를 기대한다.

선행문헌 3은 다수의 조각공구를 탑재하여 X,Y,Z축 방향으로 움직이면서 목재를 조각하는 조각수단; 사용자가 원하는 무늬모양 또는 형상을 입력하고 이를 통해 조각수단으로 제어신호를 전송하여 조각을 제어하는 제어부; 등을 포함하여 구성된다. 이에, 원하는 무늬모양 및 형상의 조각과 일률적인 제품 양산이 가능한 효과를 기대한다.

그러나, 상기한 선행문헌 1은 일정한 크기의 홈 가공에 적합하고, 선행문헌 2는 손잡이와 같은 단순한 형태의 가공에 적합하다. 선행문헌 3은 비교적 정교한 가공이 가능하지만 다양한 상황에 대처하는 유연성이 미흡하다.

그러나, 기존 목재 가공 방식은 NC 공작 기계에서 자연목의 가공을 위해 공구를 고정하고 목재부재를 이동하는 방식을 사용하였지만, 이와 달리 클램프를 이용하여 목재부재에 작업대를 고정하여 3차원 파일(스텝 파일)을 메인 제어기로 인가 받아 3차원 파일의 형상 대로 목재 부재 가공 장치에서 다관절 로보틱스 기술을 사용하여 위치 제어와 속도 제어를 통해 다관절 로봇의 공구(TL, 드릴 탭)를 사용하여 드릴링되어 목재 부재에 작업대를 고정하여 가공 장치를 움직여가며 목재를 가공하는게 필요하게 되었다.

1. 한국 등록실용신안공보 제1997-0002705호 "목재의 홈가공용 다축 보링머신" (공개일자 : 1996.09.17.) 2. 한국 등록특허공보 제10-0308359호 "목재손잡이 자동 가공장치" (공개일자 : 2000.04.06.) 3. 한국 등록특허공보 제10-1176871호 "자동 목재조각기" (공개일자 : 2011.06.29.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 다양한 종류와 크기의 목재부재를 3축 Arm 제어기, 4축 Arm 제어기, 또는 5축 Arm 제어기에 의해 다관절로봇 방식으로 제조함에 있어서 클램프를 이용하여 목재부재에 작업대를 고정하고, 3차원 가공파일(스텝 파일)을 메인 제어기로 인가받아 자연목, 사각 기둥, 원형 기둥 목재 등의 공정 조건의 유연한 변경으로 작업대에 고정된 자연목 등의 목재 부재를 그 목재부재 다축가공 장치를 움직여가며 드릴링하여 3차원 파일에 따라 목재를 가공하고 가공된 목재를 씌우고 끼워맞춤과 같은 목재의 정밀 가공의 신뢰성을 높이는, 다관절로봇을 이용한 목재부재 가공시스템을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 목재부재를 설정된 치수로 가공하는 시스템에 있어서: 목재부재를 클램핑하는 작업대; 다축암의 하류단에 툴헤드를 개재하여 공구(TL, 드릴 탭)를 탑재하는 다관절로봇; 상기 목재부재에 대응하는 다관절로봇의 자세와 모션을 감지하는 검출수단; 및 상기 다관절로봇의 공구를 설정된 조건으로 제어하는 제어수단;을 포함하며,
상기 검출수단(30)은 다축암(21)의 관절부에 설치되는 엔코더(31)와 툴헤드(23)에 설치되는 레이트자이로(33)를 기본적으로 구비하고, 목재부재의 건조상태를 검출하는 함수율측정기(35)를 선택적으로 구비하며,
상기 제어수단(50)은 메인 제어기(55)에 연결된 USB 연결부(미도시)에 삽착된 USB 메모리 또는 통신 모듈을 통해 획득한 목재부재의 3차원가공파일을 실행하는 과정에서 목재부재의 물성조건에 대응하여 메인 제어기(55)의 명령을 전달받은 서브 제어기(57)가 공구의 조건에 맞춰 공구의 경로(연마 경로)를 보정하며,
목재부재가 적용되는 최종품에 대한 설계 데이터, 목재의 종류에 따른 함수율/수축율 데이터를 저장하고 갱신하는 DB서버(53)를 더 포함하고, 최종품 설계 데이터는 CAD기반으로서 CAM, STEP 중 어느 하나가 포함된 3차원 가공파일로 변환되며, 대상물인 목재부재를 작업대(10)의 설정된 위치에 크램핑하고 메인 제어기(55)를 가동하면, 메인 제어기(55)는 대상물의 원점을 설정한 다음 해당 3차원 가공파일을 실행하여 공구를 설정된 경로로 이동시키고, 상기 함수율측정기(35)를 통하여 대상물의 수분 함량이 기준치를 초과한 것으로 판단하면 건조상태에서 수축되는 정도를 연산하는 과정을 거쳐 공구의 경로를 보정하며, 상기 최종품 설계 데이터는 상기 DB서버(53)를 통하여 획득되는 동시에 보정된 데이터는 DB서버(53)로 피드백되어 갱신되고 축적되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로써, 상기 다관절로봇은 복수의 공구를 신속하게 교환하도록 공구매거진을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로써, 상기 다관절로봇은 가공과정에서 발생하는 칩과 먼지를 배출하기 위한 흡진수단을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로써, 상기 검출수단은 다축암의 관절부에 설치되는 엔코더와 툴헤드에 설치되는 레이트자이로를 기본적으로 구비하고, 목재부재의 건조상태를 검출하는 함수율측정기를 선택적으로 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로써, 상기 제어수단은 USB 메모리 또는 통신모듈을 통해 획득한 목재부재의 3차원 가공파일을 실행하는 과정에서 목재부재의 물성조건에 대응하여 메인 제어기의 명령을 전달받은 서브 제어기가 공구의 조건에 맞춰 공구의 경로(연마 경로)를 보정하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 메인 제어기로 3차원 가공 파일(스텝 파일)을 인가받아 3축 Arm 제어기, 4축 Arm 제어기, 또는 5축 Arm 제어기에 의해 다관절로봇을 기반으로 로봇 암 제어기에 연결된 다관절 로봇의 공구(TL, 드릴 탭)에 의해 드릴링되어 다양한 종류와 크기의 목재부재를 가공함에 있어서 공정 조건의 유연한 변경으로 가공된 목재의 끼워맞춤과 같은 목재의 정밀 가공의 신뢰성을 높여 품질과 생산성 향상을 도모하는 효과가 있다.

기존 목재 가공 방식은 NC 공작 기계 등에서 자연목의 가공을 위해 공구를 고정하고 목재부재를 이동하는 방식을 사용하였지만, 이와 달리 본 발명에서는 클램프를 이용하여 목재부재에 작업대를 고정하고, 3차원 가공파일(예, 스텝 파일)을 메인 제어기로 인가받아 3차원 가공파일의 형상대로 목재 부재의 다축가공 장치에서 다관절 로보틱스 기술을 사용하여 위치 제어와 속도 제어를 통해 다관절로봇의 공구(TL, 드릴 탭)에 의해 드릴링 되며, 클램프를 사용하여 목재 부재에 작업대를 고정한 채 목재부재의 다축가공 장치를 움직여가며 3차원 가공 파일에 따라 목재를 가공할 수 있게 되었다.

도 1은 모션 제어부 및 서보 드라이부를 구비하는 로봇 제어기의 구성도이다.
도 2는 모션 제어부 및 서보 드라이부를 나타낸 도면이다.
도 3은 서보 제어기의 구성도이다.
도 4는 다 관절 로봇의 세계 좌표계, 관절 기준 좌표계, 도구 상대 좌표계, 대부분의 로봇은 이러한 좌표계에서 움직일 수 있도록 프로그래밍되는 것을 나타낸 도면이다.
도 5는 일반적인 로봇의 전형적인 작업공간 형상을 나타낸 도면이다.
도 6은 6 개의 회전축을 갖는Industrial Equipment Co. Ltd가 제작한 수직관절 로봇인 모델(VR-008A)을 예시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 다관절로봇을 이용한 목재부재 가공시스템을 전체적으로 나타내는 구성도이다.
도 8은 본 발명에 따른 다관절로봇의 주요부를 나타내는 구성도이다.
도 9는 본 발명에 따른 시스템의 제어 상태를 나타내는 블록도이다.
도 10은 다관절 로봇의 공구(TL)로 사용된 드릴 탭의 형상을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 7은 본 발명에 따른 다관절로봇을 이용한 목재부재 가공시스템을 전체적으로 나타내는 구성도이다.

도 8은 본 발명에 따른 다관절로봇의 주요부를 나타내는 구성도이다.

도 9는 본 발명에 따른 시스템의 제어 상태를 나타내는 블록도이다.

도 10은 다관절 로봇의 공구(TL)로 사용된 드릴 탭의 형상을 나타낸 도면이다.

본 발명은 목재부재를 설정된 치수로 가공하는 시스템에 관하여 제안한다. 한옥, 목선, 가구 등에 소요되는 다양한 종류와 크기의 자연목(목재), 특히 씌우고, 끼워맞춤을 요하는 목재부재를 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 통상 한옥용 목재부재의 경우 사각이나 원형의 기둥, 보, 도리, 서까래 등에 적절한 치수의 요철을 형성하고 끼워맞춤으로 결합한다.

본 발명에 따르면 목재부재를 클램핑하는 작업대(10)가 구비된다. 일반적인 자연목의 가공은 공구를 고정하고 목재부재를 이동하는 방식이지만, 본 발명은 클램프(12)를 이용하여 목재부재를 작업대(10) 상에 고정한다. 도 8과 같이 클램프(12) 상에서 목재부재(WM)의 하측으로 보조재(15)를 더 장착할 수 있다. 보조재(15)는 작업대(10)나 공구의 손상을 방지하기 위한 것으로 수지 또는 여분의 목재를 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 다관절로봇을 이용한 목재부재 가공시스템의 메인 제어기로 3차원 가공 파일(예, 스텝 파일)을 인가받아 3축 Arm 제어기, 4축 Arm 제어기, 또는 5축 Arm 제어기에 의해 다관절로봇(20)이 다축암(21)의 하류단에 툴헤드(23)를 개재하여 공구(TL, 드릴 탭)를 탑재하는 구조이다. 전용 NC 공작기계를 사용하는 경우 규모가 커지므로 전용 NC 공작기계를 접목한 방식의 다관절로봇(20)이 선호된다. 다관절로봇(20)의 다축암(21)은 적어도 5자유도 이상으로 구현되는 것이 좋다. 툴헤드(23)에는 공구의 회전 상태를 조절하도록 서보모터로 구동되는 스핀들이 설치된다. 툴헤드(23)는 가공과정의 벤딩모멘트와 토오크를 지탱하는 강성을 갖추도록 설치한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 다관절로봇(20)은 복수의 공구를 신속하게 교환하도록 공구매거진(25)을 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 도 8에서 공구매거진(25)이 회전대(26) 상에 2개의 공구(TL)를 탑재한 상태를 예시한다. 도 8은 모식적인 표현이므로 각각의 상대적 크기는 무시한다. 각각의 공구는 그리퍼(27)를 개재하여 착탈 가능하게 클램핑되고, 회전대(26)의 회전에 따라 상호 다른 것으로 신속하게 교체 가능하다. 물론 도 8에 예시된 엔드밀과 드릴 외에 다른 공구로 교체하는 경우 그리퍼(27)를 수동적으로 작동할 수 있다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 다관절로봇(20)은 가공과정에서 발생하는 칩과 먼지를 배출하기 위한 흡진수단(40)을 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 대상물이 금속인 경우 절삭유를 부가하여 칩을 배출하지만 목재인 경우 흡진수단(40)을 사용하는 것이 바람직하다. 흡진수단(40)은 툴헤드(23)에 탑재되는 흡진기(42), 다관절로봇(20)에서 이격되어 설치되는 흡진통(48), 흡진기(42)와 흡진통(48)을 연결하는 유연덕트(46) 등으로 구성된다. 툴헤드(23)의 중량을 줄이기 위해 흡진노즐(44)만 탑재하고 흡진기(42)를 흡진통(48) 측에 설치할 수도 있다.

또한, 본 발명에 따르면 검출수단(30)이 상기 목재부재에 대응하는 다관절로봇(20)의 자세와 모션을 감지하는 구조이다. 검출수단(30)은 궁극적으로 다관절로봇(20)의 툴헤드(23)에 탑재된 공구의 경로를 연산으로 추정하기 위한 신호를 생성한다. 다만 이외에 후술하는 것처럼 공구의 경로에 영향을 주는 목재부재의 물성조건 변동에 대한 신호도 생성할 수 있다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 검출수단(30)은 다축암(21)의 관절부에 설치되는 엔코더(31)와 툴헤드(23)에 설치되는 레이트자이로(33)를 기본적으로 구비하고, 목재부재의 건조상태를 검출하는 함수율측정기(35)를 선택적으로 구비하는 것을 특징으로 한다. 엔코더(31)는 전원이 오프(Off)되어도 원점복귀할 필요가 없는 앱솔루트 엔코더(Absolute Encoder)가 선호된다. 레이트자이로(33)는 툴헤드(23)의 각속도를 감지하여 궤환함으로써 진동을 억제함과 동시에 위치 제어(Position Control)의 정확성을 높인다. 함수율측정기(35)는 KS에 규정된 전기적 측정 방식을 적용할 수 있으나, 공정처리 시간을 단축하기 위해 근적외선 분광분석법을 이용하는 것이 선호된다. 어느 경우에나 함수율측정기(35)는 목재부재의 건조상태에 따른 가공치수의 보정을 위해 활용성을 기대할 수 있다.

검출수단(30)으로써 대상물의 중심축의 위치 보정과 가공 정밀도 보정을 위해 50~350mm의 측정 범위를 지닌 레이저 센서를 부가할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 제어수단(50)이 상기 다관절로봇(20)의 공구를 설정된 조건으로 제어하는 구조이다. 제어수단(50)은 다관절로봇(20)에서 이격된 메인제어기(55)와 다관절로봇(20)에 탑재된 서브제어기(57)로 분산하여 운용된다. 메인 제어기(55)와 서브 제어기(57)는 마이크로프로세서, 메모리, I/O인터페이스를 탑재한 마이컴 회로로 구성된다.

메인제어기(55)는 USB 메모리 또는 통신 모듈(51)을 통해 3차원 가공 파일(예, 스텝 파일)을 인가받고 서브 제어기(57)로 명령을 전달하여 3차원 가공 파일에 따라 로봇의 각 관절을 움직여 다관절로봇의 공구(TL, 드릴 탭)에 의해 목재를 가공하도록 목재부재의 가공에 관련되는 전체적인 알고리즘을 실행하고,

서브제어기(57)는 다관절로봇(20)의 각 축의 관절을 제어하는 다관절로봇(20)의 자세와 모션에 대한 국부적인 알고리즘을 실행한다. 메인제어기(55)는 USB 연결부(미도시)와 연결되어 구비되거나, DB서버(53), 원격조작기(도시 생략) 등과 통신하기 위한 통신모듈(51)을 구비한다.

다관절로봇을 이용한 목재부재 가공시스템의 메인 제어기(55)는 다관절 로봇의 각 축을 제어하는 서브 제어기(57)로 명령을 전달하여 3차원 가공 파일에 따라 목재 부재를 가동되도록 제어한다. 메인 제어기(55)는 3축 Arm 제어기, 4축 Arm 제어기, 또는 5축 Arm 제어기 중 어느 하나의 제어기로 구현될 수 있다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단(50)은 메인 제어기(55)에 연결된 USB 연결부(미도시)에 삽착된 USB 메모리 또는 통신 모듈(51)을 통해 획득한 목재부재의 3차원 가공파일을 실행하는 과정에서 목재부재의 물성조건(젖은 나무, 마른 나무, 옹이)에 대응하여 메인 제어기(55)의 명령을 전달받은 서브 제어기(57)가 공구(TL, 드릴 탭)의 조건에 맞춰 공구의 경로(연마 경로)를 보정하는 것을 특징으로 한다.

메인 제어기(55)는 3축 Arm 제어기, 4축 Arm 제어기, 5축 Arm 제어기, 6축 Arm 제어기 중 어느 하나의 로봇 암 제어기를 사용할 수 있다.

메인 제어기(55)의 작동 명령을 전달받은 서브 제어기(57)가 공구의 경로(연마 경로)를 공작물(목재 부재)과 연마 공구(TL, 드릴 탭)의 접촉점을 기준으로 하여 목재 부재의 윤곽과 일치되도록 생성하면, 다축연마기(예, 5축 연마기)의 경우 회전축이 접촉면에 대해 항상 수직이므로 곡면 전체에서 균일한 가공량을 얻기 위해 연마 공구(TL, 드릴 탭)의 회전 반경을 고려하여 새로운 연마 경로를 생성하도록 공구의 경로(연마 경로)를 보정한다.

도 10은 다관절 로봇의 공구(TL)로 사용된 드릴 탭의 형상을 나타낸 도면이다. 다관절 로봇은 말미에 공구(TL, 드릴 탭)을 구비하며 드릴 탭은 i) 드릴 탭의 각이 90°이고 끝이 평평한 구조, ii) 드릴 탭의 각이 90°보다 작고 끝이 평평한 구조, iii) 드릴 탭의 각이 90°보다 크고 끝이 평평한 구조를 사용할 수 있다.

드릴 탭은 직경과 형상이 5mm, 10mm, 15mm를 사용할 수 있으며, 밑면과 드릴 탭의 각도에 따라 사전에 공구의 Tool의 보정 데이터가 미리 입력된다.

DB서버(53)는 목재부재가 적용되는 최종품(한옥 등)에 대한 설계 데이터, 목재의 종류에 따른 함수율/수축율 데이터 등을 저장하고 갱신한다. 최종품 설계 데이터는 CAD기반으로서 CAM, STEP 등의 3차원 가공파일로 변환된다. 목재부재의 물성조건 변동을 반영하지 않는 경우 끼워맞춤의 조건이 부적절하여 품질과 생산성 저하를 유발한다.

작동의 일예로서, 대상물인 목재부재를 작업대(10)의 설정된 위치에 크램핑하고 메인 제어기(55)를 가동하면, 메인 제어기(55)는 대상물의 원점을 설정한 다음 해당 3차원 가공파일(예, 스텝파일)을 실행하여 공구를 설정된 경로로 이동시킨다. 이때, 함수율측정기(35)를 통하여 대상물의 수분 함량이 기준치를 초과한 것으로 판단하면 건조상태에서 수축되는 정도를 연산하는 과정을 거쳐 공구의 경로를 보정한다. 물론 이와 같은 데이터는 DB서버(53)를 통하여 획득되는 동시에 보정된 데이터는 DB서버(53)로 피드백되어 갱신되고 축적된다.

기존 목재 가공 방식은 자연목의 가공을 위해 공구를 고정하고 목재부재를 이동하는 방식을 사용하였지만, 이와 달리 본 발명에서는 클램프를 이용하여 목재부재에 작업대를 고정하고, 3차원 가공파일(예, 스텝 파일)을 메인 제어기로 인가 받아 목재 부재의 다축가공 장치에서 다관절 로보틱스 기술을 사용하여 위치 제어와 속도 제어를 통해 다관절 로봇의 공구(TL, 드릴 탭)에 의해 드릴링 되며, 클램프를 사용하여 목재부재에 작업대를 고정한 채 목재부재 가공 장치를 움직여가며 3차원 가공 파일에 따라 목재를 가공할 수 있게 되었다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 작업대 12: 클램프
15: 보조재 20: 다관절로봇
21: 다축암 23: 툴헤드
25: 공구매거진 26: 회전대
27: 그리퍼 30: 검출수단
31: 엔코더 33: 레이트자이로
35: 함수율측정기 40: 흡진수단
42: 흡진기 44: 흡진노즐
46: 유연덕트 48: 흡진통
50: 제어수단 51: 통신모듈
53: DB서버 55: 메인제어기
57: 서브제어기

Claims (5)

1. 목재부재를 설정된 치수로 가공하는 시스템에 있어서:
   목재부재를 클램핑하는 작업대(10);
   다축암(21)의 하류단에 툴헤드(23)를 개재하여 공구를 탑재하는 다관절로봇(20);
   상기 목재부재에 대응하는 다관절로봇(20)의 자세와 모션을 감지하는 검출수단(30); 및
   상기 다관절로봇(20)의 공구를 설정된 조건으로 제어하는 제어수단(50);을 포함하고,
   상기 검출수단(30)은 다축암(21)의 관절부에 설치되는 엔코더(31)와 툴헤드(23)에 설치되는 레이트자이로(33)를 기본적으로 구비하고, 목재부재의 건조상태를 검출하는 함수율측정기(35)를 선택적으로 구비하며,
   상기 제어수단(50)은 메인 제어기(55)에 연결된 USB 연결부에 삽착된 USB 메모리 또는 통신 모듈을 통해 획득한 목재부재의 3차원가공파일을 실행하는 과정에서 목재부재의 물성조건에 대응하여 메인 제어기(55)의 명령을 전달받은 서브 제어기(57)가 공구의 조건에 맞춰 공구의 경로(연마 경로)를 보정하며,
   목재부재가 적용되는 최종품에 대한 설계 데이터, 목재의 종류에 따른 함수율/수축율 데이터를 저장하고 갱신하는 DB서버(53)를 더 포함하고, 최종품 설계 데이터는 CAD기반으로서 CAM, STEP 중 어느 하나가 포함된 3차원 가공파일로 변환되며, 대상물인 목재부재를 작업대(10)의 설정된 위치에 크램핑하고 메인 제어기(55)를 가동하면, 메인 제어기(55)는 대상물의 원점을 설정한 다음 해당 3차원 가공파일을 실행하여 공구를 설정된 경로로 이동시키고, 상기 함수율측정기(35)를 통하여 대상물의 수분 함량이 기준치를 초과한 것으로 판단하면 건조상태에서 수축되는 정도를 연산하는 과정을 거쳐 공구의 경로를 보정하며, 상기 최종품 설계 데이터는 상기 DB서버(53)를 통하여 획득되는 동시에 보정된 데이터는 DB서버(53)로 피드백되어 갱신되고 축적되는, 다관절로봇을 이용한 목재부재 가공시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 다관절로봇(20)은 복수의 공구를 신속하게 교환하도록 공구매거진(25)을 더 포함하는, 다관절로봇을 이용한 목재부재 가공시스템.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 다관절로봇(20)은 가공과정에서 발생하는 칩과 먼지를 배출하기 위한 흡진수단(40)을 더 포함하는, 다관절로봇을 이용한 목재부재 가공시스템.
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