정밀 캘리브레이션을 적용한 정확한 로봇 프로세스

로봇을 기반으로 하는 절삭에서 또는 정확한 광학시험 프로세스에서 로봇 키네마틱을 통해 로봇 엔드 이펙터가 정확하게 방향을 잡고 가공물의 다양한 위치에 도달할 수 있다.

공학박사 울리히 슈나이더(Ulrich Schneider) & 공학박사 알렉산더 쿠스(Alexander Kuss): Fraunhofer 생산 기술 및 자동화 연구소(IPA) 연구원

로봇을 생산 현장에서 사용하는 가장 주된 이유는 높은 유연성과 근소한 투자 비용이다. 산업 로봇은 전형적인 핸들링 프로세스 이외에 작업 가능범위가 크고 로봇 키네마틱의 다양한 방향 지시 능력이 이점이 되는 그러나 생산 활동 및 시험 활동에 점차 많이 사용되고 있다. 이러한 프로세스의 정확도는 로봇과 관련한 공구 및 센서가 어떻게 캘리브레이션이 되어 있느냐에 결정적으로 좌우된다. 공구를 목적에 적합하게 공간의 경로 상에서 안내하거나 로봇의 3D 작업 공간 내에서 센서 데이터를 해석하기 위해서는, 로봇을 기준으로 상대적인 툴과 센서의 위치를 높은 정밀도로 알아야 한다. 로봇 공구는 오늘날 전형적으로 뾰족한 팁 요소를 이용하여 보정한다. 그러나 이 팁 요소를 수동으로 정렬하는 경우 그 정확도가 밀리미터 범위에 불과하다. 따라서 절삭의 경우에는 스케일을 통해 각도 오차를 줄이기 위해 매우 긴 팁 요소를 사용한다. 그렇게 해도 절삭을 위해 많이 요구되는 정확도인 0.5mm 이하에 도달하기가 힘들다.

오로지 센서의 측정 데이터를 통해서만 캘리브레이션이 이루어진다

로봇 자체에 장착된 센서 또는 로봇의 작업 범위 내에 있는 센서의 위치를 식별하는 것은 더 어렵다. 관련 좌표계는 센서 내부에 있고, 물리적으로 파악하기가 불가능하다. 일반적으로 좌표계에 대해 정확하게 치수화된 면이 센서에는 없기 때문이다. 따라서 캘리브레이션은 센서의 측정 데이터를 통해서만 이루어질 수 있다.

Fraunhofer IPA 과학자들이 광학 센서와 로봇에 의해 안내되는 공구를 이용하여 높은 정밀도로 캘리브레이션할 수 있는 방법을 개발하였다. 이 방법을 이용하여 센서의 6D 위치를 ± 0.15 mm 및 ± 0.015°로 정확하게 식별할 수 있다. 한 시간도 안되어 로봇의 측정 위치가 티칭되고 (즉, 로봇의 위치가 정의 및 저장됨), 센서 데이터가 기록되며, 센서 위치가 검출된 후 로봇 컨트롤에 저장된다. 종래의 방법에서는 캘리브레이션을 위해 센서를 수동으로 정렬해야 했다. 그로 인해 캘리브레이션 처음부터 오류가 발생하며, 이 오류는 계속해서 영향을 미친다. Fraunhofer IPA의 이 방법은 지오메트리를 고려하고 수치상의 최적화 알고리즘을 사용하기 때문에 출발 조건이 필요하지 않으며, 로봇에 위치한 센서의 모든 위치에 대해 그리고 로봇의 작업 범위 내에서 보정 몸체의 모든 위치에 대해 효과가 있다. 특히 산업 로봇의 포지셔닝 오류가 ± 0.2 mm 보다 큰 경우, 센서 위치의 정확도가 로봇 프로세스의 정확도를 현저히 개선할 수 있다.

캘리브레이션 몸체는 로봇의 작업 범위 내에 고정적으로 배치된다

이 방법은 이미 라인 스캐너와 3D 센서에 대해 응용 사례에서 검증되었고, 1D 센서와 다른 센서 장치에도 사용할 수 있다. 로봇 플랜지에 위치하는 센서를 캘리브레이션하기 위해 캘리브레이션 몸체는 로봇의 작업 범위 안에 고정적으로 배치된다. 그런데 만일 캘리브레이션 몸체를 로봇 엔드 이펙터에, 예를 들어 절삭 공구의 클램프 안에 고정하면, 플랜지에 위치한 공구 위치를 측정할 수 있다. 이를 위해 캘리브레이션 몸체는 로봇셀 안에 고정되는 추가의 센서를 통해 움직여서 측정 데이터를 기록한다.

구성품 감시 원리: CAD 데이터가 센서 데이터에서 나온 기준점 집합체와 비교하여 구성품의 정확한 위치가 파악된다.

이번에 제조 산업 분야에서 개발된 이 캘리브레이션 방법의 응용 사례는 장점을 보였다. Fraunhofer IPA 연구원들은 에너지 분야 업체들과 함께 로봇을 기반으로 터빈 부품을 디버링하기 위한 시스템을 개발하였다. 이 시스템에는 몇 가지 장점이 있다. 비용이 절감되고, 인간공학적 근로 환경 및 제작 품질이 개선되며 프로세스가 더욱 안전해진다. 이뿐만 아니라 디버링 후 생성되는 가장자리 형상과 관련한 까다로운 품질 요건도 충족해야 한다. 이 요건을 충족하기 위해서는 디버링 공구와 관련 센서들의 정밀한 캘리브레이션이 핵심 기술이다. Fraunhofer IPA의 캘리브레이션 방법으로 보정한 결과, 센서 장치를 이용하여 0.1mm의 정확도로 축의 위치를 측정할 수 있었고, 로봇의 가공 프로그램을 적합하게 조정할 수 있었다. 로봇에 의해 안내되는 디버링 공구를 정확하게 캘리브레이션함으로써 디버링 프로세스가 최적화되고 높은 품질의 디버링 결과를 보장할 수 있다. 이번 연구를 통해 예를 들면 도달 범위가 3m가 넘는 대형 로봇도 센서와 로봇 공구가 정밀하게 캘리브레이션되어 있기만 하다면 매우 정확하게 일할 수 있다는 점이 드러났다.

공작기계에 대한 진정한 대안인 로봇

로봇에 의해 안내되는 공구와 광학 센서를 정밀하게 캘리브레이션하기 위해 Fraunhofer IPA가 개발한 이 방법은 로봇과 관련하여 공구와 센서의 위치를 정확하게 파악할 수 있다. 이러한 기능으로 절삭이나 광학 시험 프로세스 등과 같이 정확도가 높아야 하는 프로세스에도 로봇을 사용할 수 있게 되었다. 이 방법에서 사용하는 특수 캘리브레이션 몸체는 로봇의 작업 범위 내에 자유롭게 배치할 수 있기 때문에, 기존 설비에도 통합할 수 있고, 통합된 설비의 정확도를 높인다. 이때 추가의 측정기는 필요하지 않아 비용 면에서 합리적이고 시간을 많이 들이지 않고 캘리브레이션할 수 있다. 전체적으로 로봇 프로세스를 실질적으로 더욱 정확하게 실시할 수 있다. 이에 따라 절삭 분야에서 로봇이 점점 더 전통적으로 사용하는 공작기계의 진정한 대안이 되어가고 있다.