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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

이은비 (한밭대학교, 국립한밭대학교 일반대학원)

지도교수
신광복
발행연도
2022
저작권
한밭대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2022

복합재 구조물 유지 보수 로봇암의 기구학적 설계 및 구조성능 평가 연구
이은비 기계공 2022.01 학위논문

2021

복합재 구조물 유지 보수 매니퓰레이터의 기구학적 설계 연구
이은비 ,  김남훈 ,  안효훈 외 2명 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2021.11 학술대회자료

초록· 키워드

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본 연구의 목적은 복합재료(Composite Material)로 제작된 구조물을 유지 보수하는 로봇암(Robot Arm)을 기구학적으로 설계하고 다물체 동역학 해석(MultiBody Dynamics Analysis)을 통해 로봇암의 운동학적 건전성과 구조안정성을 확인하는 것이다. 로봇암을 사용하여 유지 보수를 진행할 섬유 강화 복합재료는 강화재인 섬유와 기지재인 수지로 구성되어 있으며 비강성 및 비강도가 매우 우수하고 사용자의 요구에 따라 물성 보강이 가능한 장점을 가지고 있다. 이러한 장점들로 인해 항공기, 자동차, 철도, 선박 그리고 방위산업 등의 여러 산업 분야에서 복합재료의 적용에 관한 연구와 개발이 진행되고 있다. 이에 따라, 복합재료로 제작된 구조물의 보수에 대한 요구도 증가하고 있다. 현재 복합재 구조물의 보수 기술은 복합재 패치를 파손형태에 맞게 제작하여 붙이는 방법이 사용되고 있으며, 이 방법은 대부분 수작업으로 진행되어 많은 비용이 소요되고 작업자의 숙련도에 따라 결과물의 편차가 심하게 발생하는 실정이다. 현재까지 복합재료로 제작된 구조물의 대부분의 경우 파손 시 보수하지 않고 새 제품으로 교체하고 일부의 경우만 수작업을 통한 고비용의 보수가 이루어지고 있다. 이러한 복합재 유지 보수 공정에서 발생하는 문제점을 해결하기 위해 로봇암 개발 연구를 수행하였다.
현재 산업현장에서 로봇암을 사용하는 목적은 대부분 정밀 작업보다는 위험하거나 접근하기 어려운 작업에 사용하기 위한 목적이나 생산성 및 작업 속도 향상의 목적으로 개발하여 사용하고 있다. 기존의 산업적 목적으로 사용되고 있는 로봇암들은 복합재 유지 보수 작업에 요구되는 압력과 적층 각도에 대하여 반영하여 설계되지 않아 복합재 구조물 유지 보수 작업에 사용하기엔 어려움이 있다. 따라서, 복합재료로 제작된 구조물에 요구 및 일정한 압력을 가하며 정확한 적층각도로 진행할 수 있는 로봇암 개발이 필요하다.
본 연구에서는 복합재료로 제작된 구조물의 유지 보수를 위한 로봇암을 설계하기 위해 로봇암의 작업 반경을 설정하였고 요구에 맞는 링크 길이를 선정하였다. 그리고 CATIA V5를 사용하여 로봇암의 3D 설계를 진행하고 기구학적 해석을 통해 로봇암의 모터 각도 및 속도를 도출한 후, Altair Inspire와 Altair OptiStruct를 사용하여 다물체 동역학 해석을 진행하였다. 복합재료로 제작된 구조물의 유지 보수를 위한 로봇암의 구조안정성 평가 후 3D 프린터를 통해 제작하고 구동을 진행하여 설계 검증을 완료하였다.
향후, 설계한 복합재 구조물의 유지 보수용 로봇암의 엔드 이펙터에 Spray lay-up 공정과 AFP(Automated Fiber Placement)를 융합한 섬유 분사형 보수공정을 개발한다면 로봇 자동화 유지 보수 효과가 극대화되어 더 높은 경제성과 효율성 도출이 가능할 것으로 사료된다.
#복합재 #로봇암 #구조해석 #다물체 동역학 해석 #구조성능 #복합재 유지 보수

목차

Ⅰ. 서 론 1
1-1. 연구 배경 및 필요성 1
1-2. 문헌 조사 4
1-3. 연구 목적 및 범위 12
Ⅱ. 복합재 구조물 유지 보수 로봇암 설계 14
2-1. 로봇암 설계를 위한 선행 연구 조사 14
2-2. 작업 반경 및 링크길이 선정 17
2-3. 로봇암 3D 설계 18
2-4. 기구학적 해석 22
2-4-1. 정기구학 해석 22
2-4-2. 역기구학 해석 25
2-4-3. MATLAB을 활용한 시뮬레이션 29
Ⅲ. 복합재 구조물 유지 보수 로봇암의 구조안정성 평가 31
3-1. 로봇암 유한요소 모델링 31
3-2. 로봇암 적용 물성 33
3-3. 유지 보수를 위한 로봇암의 동적 거동 정의 36
3-4. 로봇암의 동적 거동을 고려한 다물체 동역학 해석 43
Ⅳ. 복합재 구조물 유지 보수 로봇암 제작 및 검증 55
4-1. DMLS 방식을 사용한 로봇암 제작 55
4-2. 다이나믹셀 모터 기반의 로봇암 제어 및 구동 57
Ⅴ. 결론 및 고찰 60
Ⅵ. 참고문헌 62
ABSTRACT 64

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