기술자료: Intelligent 시스템의 설계 및 개발(II)
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Intelligent 시스템의 설계 및 개발 (II)
-절연 그리퍼 모델링을 이용한 빌렛 이송 로봇의 개발-
(주)인성기전 부설 연구소 수석 연구원 정 홍 규
Design and Development of an Intelligent System (II) : Development of a Billet Transfer Robot Using the Insulated Gripper Modeling

Abstract

Heated billets are transferred from the heating station to the forming machine.
Heat loss during this transfer allows the billet surface to cool, causing the solid fraction to vary in the billet, and possibly allowing solid surface particles to enter the part.
Both of these effects are detrimental to product quality and consistency.
Therefore, ANSYS routines specialized by H. K. Jung (Hong-Kyu Jung) were developed to calculate the billet temperature distribution during the transfer process.
This analytical approach was used to develop an insulated transfer robot grip and a heat post to minimize the billet heat loss during transfer.
The next chapter illustrates the results of the calculated temperature distributions in A356 billets transferred with two different gripper models (no insulated and insulated gripper models).
The insulated transfer grip provides a more uniform billet temperature and protects the robot grip seals from the billet heating.

Key words:
Intelligent system (Intelligent 시스템), Insulated gripper model (절연 그리퍼 모델), Billet transfer robot (빌렛 이송 로봇)

1. 서 론

반용융 가공을 포함한 대부분의 정형 가공 (Near net shape processes)에 의해서 부품을 제조하기 위한 리드 타임 (Lead time)은 금형 설계, 제조 및 후가공에 필요한 시간으로 인하여 1년을 초과할 수 있다.
이러한 리드 타임을 줄이기 위하여, 전산 수치해석 (Computer based numerical analysis) 기법들이 선별된 정형 가공의 시뮬레이션을 위해 개발되어지고 있다.
이러한 기법들은 금형, 공구 및 공정 설계자로 하여금 실제 제품이 제조되기 이전에 금형, 공구 및 공정 변수들을 최적화할 수 있도록 컴퓨터를 이용하여 가상적으로 제품을 제조할 수 있도록 한다.
그런데, 현재까지, 이러한 기법들을 SSM의 특성에 적합시키기 위한 연구는 거의 이루어지지 않고 있다.
그러나, 빌렛의 가열 및 공구의 열처리 공정 단계는 적당한 경계 조건과 초기 조건이 주어진다면 상용 소프트웨어를 이용하여 해석될 수 있다.
따라서, 본 연구는 빌렛의 이송시 열 손실을 최소화하기 위하여 빌렛 이송 로봇의 절연 그리퍼 모델링 및 시뮬레이션을 위한 수치해석 기법 개발의 개관 (Overview)을 제시한다.
실제 설계된 그리퍼를 가진 빌렛 이송 로봇은 유도가열 시스템으로부터 성형기의 Shot sleeve까지 반용융 빌렛을 이송하는데 이용된다.

2. 절연 그리퍼를 이용한 빌렛 이송공정

2.1 절연 그리퍼를 이용한 빌렛 이송공정의 모델링 및 시뮬레이션
빌렛 이송 시스템의 본질적인 요소는 가열 단계에서 성형 단계까지 반용융 빌렛을 이송하는데 사용되는 로봇의 끝단에 부착된 그리퍼 (Gripper)이다.
이송하는 동안 발생되는 열 손실은 빌렛의 고상율 (Solid fraction)의 변화를 유발하여 빌렛 표면의 냉각을 초래할 수 있으며, 제품의 품질 및 견실성에 유해하다.
따라서, 정홍규는 열 손실과 빌렛 내부의 온도 변화를 제한할 수 있는 그리퍼를 설계하기 위하여 특별한 ANSYS 축대칭 모델을 개발하였다.
이러한 해석적 접근법은 절연 이송 로봇의 그립 및 이송과정 동안 빌렛의 열 손실을 최소화하기 위한 가열 포스트를 개발하는데 사용되었다.



Fig. 1. No insulated gripper model for numerical simulation of the billet transfer process.


Fig. 2. Insulated gripper model for numerical simulation of the billet transfer process.

Fig. 1과 Fig. 2는 빌렛 이송과정의 전산 수치모사 (Numerical simulation)를 위한 절연 및 비절연 그리퍼 모델을 보여주고 있다.

2.2 절연 그리퍼를 이용한 빌렛 이송공정의 시뮬레이션 결과
Fig. 3과 Fig. 4는 절연 및 비절연 그리퍼 모델을 이용하여 성형기로 이송된 A356 빌렛 내부의 온도분포에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다.



Fig. 3. The result of the calculated temperature distribution in A356 billets transferred with no insulated model to the forming machine.

빌렛은 성형 단계에 들어갈 때 1 ℃미만의 온도 변화를 나타낸다.
초기에는 철로 단순한 대합조개 형상 (Clamshell)으로 설계하였다.
그런데 Fig. 3에서 볼 수 있듯이, 수치해석 결과 20 ℃의 온도 변화를 보였다.
더욱이 그리퍼 Actuator 방취판 (Gripper Actuator Seals)이 용융되어 버렸으며, 첫 번째 빌렛은 이송중에 심하게 냉각되어 금형에 미충진되었다.
열 취급에 가장 큰 영향을 미치는 매개변수를 실험적으로 결정하기 위해서 많은 설계 변경이 검토되었으며, 원하는 그리퍼의 내벽 온도를 유지하고 그리퍼로부터 Actuator의 열 유동을 방지하기 위해서는 절연체가 필요하다는 사실이 밝혀졌다.
또한 이송 과정중에 빌렛의 열 손실을 최소화하기 위해서 낮은 열전도도와 높은 비열을 가진 절연 소재가 사용되었다.



Fig. 4. The result of the calculated temperature distribution in A356 billets transferred with the insulated model to the forming machine.

Fig. 4에서 알 수 있듯이, 절연된 이송 그립을 이용하여 성형기로 이송된 빌렛은 1 ℃미만의 온도 변화를 나타내었다.
또한, 절연된 이송 그립은 빌렛 가열로부터 로봇 그립 씰 (Seal)을 보호한다는 사실을 알 수 있었다.

3. 설계된 절연 이송 그리퍼를 이용한 빌렛 이송 로봇

실제 설계된 그리퍼 (Fig. 5)를 가진 빌렛 이송 로봇 (Fig. 6)은 유도가열 시스템으로부터 성형기의 Shot sleeve까지 반용융 빌렛을 이송하는데 이용되었다.
로봇은 유도가열 및 성형 시스템과 통합되어 있으며, 가열 및 절연된 그리퍼는 반용융 빌렛의 이송시 열 손실을 최소화하였다.



Fig. 5. An actual designed gripper used to transfer semi-solid billets.


Fig. 6. A billet transfer robot with an actual designed gripper.


절연 그리퍼 모델링을 통하여 개발된 빌렛 이송 로봇의 특징은 다음과 같다:
6축 동작
최대 하중: 66 lbs
반복 위치 정확도: ±0.008 in
설정 시간을 줄이기 위한 프로그램을 리콜할 수 있는 공정 제어기
다중 프로그램을 저장하기 위한 메모리

1. 서 론

정홍규는 열 손실과 빌렛 내부의 온도 변화를 제한할 수 있는 그리퍼를 설계하기 위하여 특별한 ANSYS 축대칭 모델을 개발하였으며, 절연된 이송 그립을 이용하여 성형기로 이송된 빌렛은 1 ℃미만의 온도 변화를 나타내었다.
또한, 절연된 이송 그립은 빌렛 가열로부터 로봇 그립 씰 (Seal)을 보호한다는 사실을 알 수 있었다.

Acknowledgements
본 연구를 수행할 수 있도록 항상 따뜻한 격려와 조언을 아끼지 않은 (주) 인성기전 직원 여러분들께 감사의 말을 전합니다.

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H. K. Jung : Chief Researcher of Institute of Insung Electrical Machinery Industry Company
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