Flexible assembly system utilizing an industrial robot, which is widely studied nowadays, have to mate various parts contrary to the fixed assembly system. Since the constituents of such system may have positioning uncertainties, such FMS requires programmability and adaptability to cope with various assembly environments. However, it is very difficult to obtain a complete a priori knowledge of their characteristics. In precision assembly, even small misalignment between two mating part can cause large mating force and make the assembly be impossible as a result. Although many assembly methods were investigated to overcome those problems up to now, they have still some problems: limited applications, no programmability or using high cost sensing devices.
As one of the assembly method, a vibratory assembly method is considered in this thesis. A PWM controller-based pneumatic vibratory wrist is developed, which has programmability and controllability. Although the method yields improved performances, they are critically dependent upon various system parameters. This necessitates an accurate evaluation of the vibratory assembly method.
The thesis is composed of three main parts. Firstly, the characteristics of the vibratory wrist are investigated through a series of simulations and experiments. The vibration characteristics such as the magnitude and the trajectory can be exactly controlled by the carrier frequencies. In addition, the center position of the vibration is regulated at the desired positions due to PI controllers.
Secondly, the assembly performances are investigated through a series of insertion experiments. The assembly performance is verified through chamferless peg-in-hole task. The results show that searching a hole was performed very fast without any search algorithm at almost all carrier frequency ratio. The positioning error range in which the peg can be inserted is much dependent upon the vibration magnitude. However, there is impact forces in search stage and insertion stage. The search time and impact forces are decreased by increasing the carrier frequencies of both axes.
Finally, a supervisory control system is developed to enhance assembly performance by applying Kalman filtering algorithm. The trend of the ensemble of initial lateral error is compensated and the vibration magnitude is made as small as possible. The search time and the impact forces are reduced very much as the insertion is repeated nevertheless of the large initial lateral error.
최근의 생산방식은 소비자의 요구가 다양해짐에 따라, 과거의 단일 품목의 대량생산 방식으로부터 소량의 다품종 생산 방식으로 점차적으로 변화 하고있다. 이와같은 생산방식에서 사용되는 자동조립 시스템은 프로그램이 가능하고 다양한 부품을 다룰 수 있어야 한다. 따라서 최근에 산업용 로보트가 여러분야의 생산공정에 활발히 사용되고 있으며, 특히 조립공정에 많이 이용되고 있다. 그러나 오늘날까지의 로보트에 관한 연구는 로보트의 동특성 해석과 선단부(end effector)의 정밀도를 향상시키기 위한 방법에 관하여 활발히 이루어져왔다. 그러나 이와같은 노력에도 불구하고 정밀부품의 조립에 응용하기에는 많은 문제점이 있다. 즉 다양한 부품을 다루기 위한 효과적인 집게(gripper)의 개발이 부족하고, 조립시스템의 보조장치 즉 지그, 고정구 또는 이송장치들의 열악한 위치정밀도 등이 산업용 로보트의 응용을 더욱 어렵게한다. 본 논문에서는 이와같은 위치오차를 극복하고, 정밀부품의 조립이 가능한 진동식 조립방법과 이를 위한 로봇용 진동식 손목을 개발하였다.
제 1장과 제 2장에서 이논문의 동기와, 진동식 조립방법에 관한 간단한 문헌고찰(survey)을 기술 하였다. 이 논문에서 개발된 손목은 서로 직교한 두 축으로 구성되어 있으며, 공기압을 이용하여 PWM (Pulse Width Modulator)에 기초하여 비례 적분기에 의하여 제어된다. 그의 특성으로서 계단 입력에 대한 응답특성, 진동크기와 진동의 경로 등이 전산기 모의 실험(computer simulation)과 실험을 통하여 연구되었으며, 그 결과들은 상당히 잘 일치하였다. 이 손목은 제어기의 매개변수의 적절한 선택에 의하여 위치 제어기, 또는 진동의 중심이 제어되는 진동기로 사용될 수 있다. 진동의 크기는 반송 주파수 (carrier frequency)에 의하여 제어 될 수 있으며, 진동경로는 양축의 반송 주파수의 차이로 제어된다. 또한 양축의 반송 주파수가 다를때 이 손목은 넓은 영역을 휩쓴다.
제 3장에서는 실험을 통하여 개발된 손목의 조립 성능을 검사하였다. 실험은 기울어짐 컴플라이언스 기구가 있을경우와 없을경우에 대하여 수행하였다. 시편은 모따기가 없는 원형단면의 막대와 약간의 공차를 갖는 구멍을 사용하였다. 실험결과 진동식 조립방법은 접근단계, 탐색단계 와 삽입단계로 구별될 수 있음을 보였다. 접근단계는 막대의 끝이 구멍에 닿기 전의 상태이며, 탐색 단계는 삽입이 진전되지 않은 상태에서 구멍을 찾는 단계이다. 이 단계에서는 진동하는 막대의 충격으로 인하여 크기는 작지만 진동하는 충격력이 작용된다. 그러나 삽입방향으로는 탐색시간과 밀접한 관계를 갖는 삽입력이 작용된다. 이때 삽입력은 삽입시간이 길어질때 더욱 커진다. 삽입가능한 횡방향 오차의 크기는 진동의 크기에 의하여 결정된다. 삽입단계는 탐색이 끝나고 막대의 끝이 구멍에 삽입이 되는 단계이다. 이 단계에서는 횡방향으로 진동하는 힘이 작용된다. 이 힘의 주파수 성분은 해당되는 축의 반송 주파수와 같다. 더우기 이 힘과 진동의 중심은 비례적분 제어기를 사용할 경우 초기오차의 반대방향으로 치우친다. 기울어짐 컴플라이언스 기구를 사용할 경우는 막대끝의 진동의 크기가 확대되어 삽입가능한 오차의 영역이 커진다. 실험결과 기울어짐 컴플라이언스 기구가 없을 경우는 평균 0.27초 이내에 탐색이 완료되며, 횡방향 충격력이 평균 18N 정도 발생되며, 삽입방향으로 27N 정도가 발생된다. 그러나 기울어짐 컴플라이언스 기구를 사용할경우 각각 0.45초, 43N, 35N 정도가 되었다. 반송 주파수가 커짐에 따라 탐색시간은 짧아지며, 충격력들은 작아진다. 한편 기울어짐 컴플라이언스 기구를 사용할 경우에 막대가 초기 기울어짐 각도 오차를 갖고 있더라도 원활한 삽입이 되었다.
진동식 조립방법은 앞에서 알아본 바와 같이 간단하면서도, 빠른 탐색기능을 갖는 등의 장점이 있지만, 진동하는 충격력이 발생되는 단점이 있다. 4장에서는 이 단점을 극복하고 진동식 조립방법의 성능을 더욱 향상시키기 위한 관리제어시스템 (supervisory control system)을 제 4장에서 개발하였다. 특히 본 논문에서 개발된 진동식 손목은 위치 제어 기능과 진동제어 기능이 있으므로 더욱 효과적으로 사용될 수있다. 이를 위하여 삽입과정을 횟수별로 수식화하여 Kalman filter를 적용하였으며 전산기 모의실험과 실험을 통하여 평가되었다. 초기 횡방향 오차의 구조적인 경향이 보상되었으며, 진동의 크기도 줄일 수 있었다. 따라서 조립시스템의 정밀도가 낮아도 삽입이 가능해졌으며, 이때 탐색시간과 충격력이 50% 이상 감소되었다.
