Industrial robots are indispensable elements to accomplish the factory automation which is a final goal of most industries. However, most industrial robots have been employed only in simple processes such as welding, painting, assembly and transfer operation because of their economical inefficiency such as small payload with massive body structure and inaccuracy in assembling operation. For the industrial robots to play more important roles in future factories, the robot structures should be lighter than current one without compromising stiffness.
The industrial robots are employed increasingly in glass panel display manufacturing in clean room environments to eliminate contamination from human workers. The robots with double arm type structures are favored by glass panel display manufacturers because of productivity improvement. The double arm type robots have two arms, wrists and hands. The two wrists have different configurations to avoid interference when moving back and forth. To meet the handling capabilities for large glass displays, the robot hands and wrists are increased in size to have high stiffness and to reduce the deflection of robot structure due to both the weight of glass panel display and the dead weight of robot structure. The increase of robot size requires large working space and large motor power, which degrades the accuracy and speed due to the inertial effect from large dead weight. The problem of weight increase of robot with higher stiffness can be easily solved if carbon fiber epoxy composite material is used for robot structures because currently developed high stiffness carbon fiber epoxy composite material has about eight times high specific stiffness compared to that of conventional metals such as aluminum or steel.
Carbon fiber epoxy composite materials have also high specific strength (strength/density), and the structures made of carbon fiber epoxy composite materials are much stable because they have high damping as well as almost zero thermal expansion coefficient in the fiber direction. The composite materials have higher damping capacity than metallic materials due to the visco-elastic polymer matrix when subjected to stresses, which reduces the noise and vibration of structures and decreases the resonance phenomena and settling time. Consequently, they have been widely used in aircraft and spacecraft structures as well as in machine tool structures and rotating shafts. As the price of carbon fiber epoxy composite becomes lower, many attempts have been made to employ composite materials in automotive bodies and infra-structures as well.
A structural composite sandwich is a special form of a laminated composite comprising of a combination of different materials that are bonded with each other so as to utilize the properties of components for the structural advantage of the whole assembly. Usually, high stiffness, high strength, and thin composite materials are used for faces to resist the in-plane and lateral loads, while light but low stiffness and low strength materials such as foam materials, honeycomb, and balsa wood are used for cores.
Conventional high stiffness metals such as steel have low damping, while low stiffness polymers have high damping. However, they do not possess both the high stiffness and high damping. Since carbon fiber epoxy composite have high specific stiffness and high damping simultaneously in one material due to the combination of the high stiffness carbon fibers and the high damping epoxy material, it will be beneficial when employed for a robot structure which requires high stiffness, high damping and low inertia.
Therefore, a robot fabricated with sandwich structures whose faces are made of advanced composite materials will have many advantages. To this end, much analysis and experiment on composite sandwich structures are required because the design and manufacture of composite structures are different from those for the isotropic material.
The objective of this study is to develop a composite sandwich robot structure for handling LCD glass panels. For the design and manufacture of the robot structure, it is important to understand the characteristics of the robot structure and to define the problems. Axiomatic design is a helpful design method, which defines the problem by setting up functional requirements (FRs) and devising suitable design parameters (DPs). The complex design problems were decomposed to the specific FRs and DPs and the design problems were found to be decoupled designs.
After the design problem of the robot structure was defined clearly by the axiomatic design, the detailed design of the robot structure was performed. Using the finite element analysis with optimization routine, the structural materials and dimensions were determined to satisfy some constraints.
In addition, in order to apply the sandwich structure to a robot, manufacturing method and supplementary processing were investigated to improve the characteristics of sandwich beams. Finally, the composite sandwich robot structures were manufactured by co-cure method and related tests were performed to validate the performance of the robot structure. As the results, the mass of the manufactured composite sandwich robot structure was reduced by 60 %.
산업용 로봇은 공장 자동화의 필수 요소로 현재는 용접, 페인팅, 조립 및 이송 등의 간단한 공정에서만 사용되고 있다. 최근에는 디스플레이 제조업계에서도 청정 환경에서의 작업을 위하여 산업용 로봇을 많이 사용하고 있다. 청정 환경에서는 로봇의 기본 사항인 높은 하중 지지 능력, 정밀도, 빠른 속도뿐만 아니라, 0.5㎛ 이내의 작은 먼지가 공정에 유입되는 것을 방지하기 위하여 로봇 구조의 정밀한 치수 및 높은 표면 조도가 필요하다.
본 연구에서는 평판 디스플레이 제조 공정에서 LCD 유리패널을 이송하는 로봇 구조에 복합재료 샌드위치 구조를 적용하여 설계, 제조하였으며, 향상된 성능 및 청정 환경에서의 제한 조건을 만족하기 위하여 샌드위치 동시 경화 제작법 및 수지 함침법을 적용하였다.
제 1 장에서는 연구 배경으로 디스플레이 제조업계에서의 산업용 로봇의 필요성 및 복합재 구조 및 샌드위치 구조의 적용 예에 대한 선행 연구를 조사 하였으며, 복합재료 샌드위치 구조를 적용하여 LCD 이송용 로봇 구조를 설계하고 제조하기 위한 연구에 앞서 다각적인 시각 및 방법에 대해 조사하였고, 본 연구에서 수행한 연구 내용을 개략적으로 설명하였다. 제 2 장에서는 공리 설계 개념을 도입하여 복잡하게 얽혀있는 로봇 구조의 설계 문제를 체계적이고 알기 쉽게 분해하여 FR 과 DP 로 표현하였다. 또, FR 과 DP 사이의 관계를 정의하고 로봇 핸드의 설계와 로봇 리스트의 설계가 LT 행렬로 표시되어 복합재료 샌드위치 구조를 적용한 로봇 구조의 설계가 FR 을 만족하는 해를 가지는 디커플된 설계 (Decoupled design)임을 밝혔다. 기존의 알루미늄 로봇 구조의 설계는 FR 을 모두 만족할 수 없고 한 쪽 FR 을 만족하는 해를 제시하면 다른 쪽 FR 을 손해 보는 커플된 설계 (Coupled design)이다. 세부 설계를 통해 DP 의 값을 결정하였으며, 이로써 로봇 구조의 치수 및 설계 변수가 결정되었다.
제 3 장에서는 정밀한 치수와 경면 수준의 표면 조도를 가지는 로봇 구조를 제작하기 위한 동시 경화 제작법에 관한 내용을 설명하였으며, 샌드위치 구조의 취약부인 복합재료 면재와 폼 코어 사이의 계면 특성을 향상시키기 위한 수지 함침법을 설명하였다. 샌드위치 동시 경화 제작법은 폼의 열팽창을 이용하여 복합재료 경화에 필요한 제조 압력을 발생시키는 방법으로 제조 공정이 간단해지고 부가적인 제조 악세사리나 고가의 장비가 필요 없는 획기적인 샌드위치 구조 제조법이다. 충분한 압력을 제공하기 위하여 부가적으로 선행 압축을 가하였으며, 모델 연구 및 실험을 통하여 샌드위치 구조 제조에 유용한 압력 도표를 구하였다. 수지 함침법에서는 샌드위치 제조 전의 폼 코어에 수지를 함침시켜 비계면 강도를 향상시켰다.
제 4 장에서는 제 2 장에서의 설계 결과와 제 3 장에서의 제조 방법에 관한 연구 결과를 토대로 실제 로봇 구조의 시제품을 제작하였으며, 성능 시험을 수행하여 실제 제작된 로봇 구조의 처짐량 및 치수, 표면 조도가 처음에 제시하였던 조건에 부합함을 밝혔다.
제 5 장에서는 본 연구의 최종 목표인 LCD 이송용 복합재료 샌드위치 로봇 구조를 개발한 결과와 그 과정에서 발생한 연구 결과에 대해 언급하고, 다음과 같이 최종 결론지었다.
1. 공리 설계를 기반으로 복합재료 샌드위치 로봇 구조를 설계하였으며, 본 연구의 복합재료 샌드위치 로봇 구조의 설계는 디커플된 설계로 DP 를 결정함으로써 FR 을 만족시킬 수 있다.
2. 로봇 핸드의 전단 변형을 줄이기 위하여 사각 보 형의 복합재료 샌드위치 구조를 적용하였으며, 유한요소해석 및 보 이론을 이용하여 로봇 핸드의 복합재료 면재 두께를 1.0 mm 로 결정하였다. 또, 로봇 핸드의 외부 치수는 단면, 100 mm × 15 mm 와 길이 1400 mm 로 결정되었다. 로봇 리스트의 치수 및 복합재료 면재의 적층각은 최적 설계를 이용한 유한요소해석을 통하여 각각 결정되었다.
3. 폼 코어의 열팽창을 이용한 샌드위치 동시 경화 제조법을 개발하였으며, 샌드위치 구조 제조에 필요한 제조 압력 도표를 구하였다. 선행 압축 변형률은 PVC 폼을 사용한 경우 1.0 %, 우레탄 폼을 사용한 경우 0.5 % 가 필요하였다.
4. 수지 함침법을 이용하여 제조한 샌드위치 빔의 비계면 강도는 일반 제조법을 이용하여 제조한 샌드위치 빔의 비계면 강도에 비해 70 % 증가하였다.
5. 본 연구에서의 로봇 구조 설계 결과와 제조 방법에 관한 연구 결과를 토대로 복합재료 샌드위치 로봇 구조의 시제품을 제작한 결과 무게가 60 % 이상 감소하였으며, 처짐량, 치수 정밀도, 표면 조도 등 기존에 제시된 제한 조건을 모두 만족하였다.
