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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.18 No.12 pp.67-72
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2019.18.12.067

A Study on the Development of Gantry Loader Systems and Jigs for Transferring Complexy Shaped Materials

Jeong-Ri Kong*#
*Robot Campus T/F Team, Korea Polytechnics
Corresponding Author : balllee@kopo.ac.kr Tel: +82-54-706-8017, Fax: +82-54-706-8011
14/10/2019 October 2019 05/11/2019

Abstract


In manufacturing sites that process and produce parts in large quantities for the automotive and electronics industries, users require the reducing of costs and shortened delivery times. To meet these demands, an increase in the number of processes and an decrease in assembly times need to be addressed. Gantry loaders currently on the market in Korea are mostly used for processing lightweight and simple shapes and are not suitable for conveying and processing complex shapes such as automobile engines and aircraft parts. This makes it difficult to mount the material in place. This study aims to smoothen the transportation of complex shapes through the development of jigs and various approaches in the installation of the feed shaft by researching the gantry loader system for transporting multiple materials with complex shapes.



복잡한 형상의 소재를 이송하기 위한 갠트리 로더 시스템과 지그 개발에 대한 연구

공 정리*#
*한국폴리텍대학 로봇캠퍼스설립추진단

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    전자기기부품, 자동차부품과 같이 대량으로 부품 을 가공, 생산 제조하는 현장에서는 유저의 비용절 감과 납기단축 요구가 늘어나고 있으며, 요구에 대 응하기 위해서는 구조의 복합화에 따른 가공공정 증가와 조립시간 증가가 문제 되고 있다. 이에 무 인화 기계장치인 갠트리 로더 도입이 증가하고 있 는 추세이다. 생산기계의 무인 자동화에 의해서 제 품코스트 및 생산능력을 향상시킬 수 있으며 제품 의 품질을 균일화하고 코스트를 대폭적으로 감소시 켜 수출경쟁력을 획득함에 있어서 산업체에서는 무 인자동화하려는 경향이 강해지고 있다[1]. 이에 갠트 리 로더의 다양한 변화가 필요한 상황이다. 갠트리 로더는 소재를 적재한 랙에서 가공물을 집어 올려 CNC선반, 머시닝센터 등의 공작기계에 장착하고, 가공 완료된 부품을 척에서 탈착시켜 가공품을 적 재한다. 가공정밀도를 위해 소재를 장착하기 전에 공기분사 공정을 거쳐 척에 남아 있는 칩을 제거해 야하며 칩을 제거한 소재가 장착되면 공작기계는 자동으로 가공을 시작한다[2]. 이러한 자동화 과정을 반복함으로써 부품 제조공정을 무인화 할 수 있다. 현재 국내에서 시판되고 있는 갠트리 로더는 경량 의 소재와 단순한 형상의 소재가공을 위한 것이 대 부분으로 자동차엔진, 항공기부품과 같은 복잡한 형상의 소재를 가공 조립하기 위한 이송에는 부적 합하며 이송 중의 흔들림과 진동으로 소재를 정 위 치에 장착하기 어렵다.

    본 연구는 복잡한 형상을 가진 다수의 소재를 이 송하기 위한 갠트리 로더 시스템을 연구함으로써 지그 개발과 이송축에 대한 다양한 접근으로 복잡 한 형상물의 원활한 이송을 목적으로 하고 있다.

    2. 갠트리 로더의 지그 개발

    2.1 지그설계

    복잡한 형상을 정확한 위치에서 장착 및 상향 이 송하는 갠트리 로더 시스템을 개발하기 위하여 필 요한 가공소재를 임의로 선택하고 가공소재에 맞는 지그의 개념설계를 하였다. 정확한 위치결정을 위 해서 Jaw를 설계하고 Table 1과 같이 상용화 되어 있는 볼 부시, 가이드 샤프트, 록킹 핀, 서포트브라 켓의 사양을 분석한 내용을 바탕으로 설계한 Jaw와 결합하여 지그의 개념설계를 하였다. 지그 설계 시 공압 시스템을 기반으로 활용하였다. 초기의 공압 제품들은 신뢰성확보가 최우선 과제였기 때문에 견 고한 구조를 지녔고 제품의 종류도 다양하지 못하 였으나 현재는 소비자들이 각자의 응용분야에 맞는 최적의 제품을 요구함에 따라 다양한 제품이 개발 되고 있다[3]. 시스템의 전달함수는 주파수영역에서 제어시스템을 해석하고 계산할 수 있는 기본식이 되며, 시간영역에서는 역 Laplace 변환을 이용하여 주어진 전달함수로부터 시스템의 시간응답을 구할 수 있다[4]. 본 연구에서는 지그 제어시스템의 설계 방법으로 시간영역 접근법으로 해석하여 시간응답 을 구하였으며 갠트리 로더 시스템의 공압 시스템 을 연구에 활용하면서 Laplace 변환식(1), 역 Laplace 변환식(2)를 대입하여 시간응답을 구하여 Fig. 1과 같은 지그 컨셉 설계를 수행하였다.

    L { f ( t ) } = F ( s ) = 0 f ( t ) e s t d t
    (1)

    f ( t ) = L 1 { F ( s ) } = 1 2 π j σ c j σ c + j F ( s ) e s t d s
    (2)

    2.2 슬라이드 설계

    지그의 이송을 위해 에어실린더와 로터리실린더 를 각각 이용하여 이송거리를 산출하였다. 갠트리 로더 축 이송의 견고함과 진동의 최소화를 위해 가 이드 바와 슬라이드 프레임을 설계하였으며 유저의 요구에 맞는 이송속도는 Table 2의 사이클론 모터 와 에어실린더의 사양별 접근으로 산출하였다. 동 적시스템의 응답은 전달함수와 입력신호, 그리고 초기상태가 어떠한가에 따라 달라진다. 실제 시스 템에 있어서, 제어시스템에 입력되는 신호는 시간 에 따라 불규칙하게 변하므로 예측할 수 없다[5]. 본 연구에서는 수학적으로 수식화가 힘든 동적 제어시 스템개발로 시험용 기준입력장치를 활용하여 가능 한 동적구동에 있어서 정상상태응답과 과도응답을 산출하여 연구에 적용하여 슬라이드 설계를 Fig. 2 와 같이 진행하였다. 사이클론 모터에 피니언 기어 와 웜기어를 결합함으로써 긴 거리를 이송 시에도 계속적인 운동이 전달되고 방향성을 유지할 수 있 는 갠트리 로더 시스템을 개발하였다. Fig. 3

    3. 설계 검증 및 고찰

    3.1 설계의 검증

    설계는 제품 생산의 첫 업무이면서 모든 부서에 영향을 미치게 되므로 설계의 중요성은 아무리 강 조해도 지나치지 않다. 즉 설계 불량이 발생하게 되면 재료비와 가공비 등의 비용이 추가될 뿐더러 납기가 연장되어 결국 고객과의 신뢰에 영향을 미 치기 때문일 것이다. 이러한 이유로 많은 업체들이 원가절감을 위하여 불량을 줄이기 위한 노력을 해 왔고, 지금도 하고 있다. 이에 본 연구는 2D 설계 에서 범할 수 있는 설계의 불량인 부품 누락, 치수 누락 등의 오류를 줄이기 위하여 3D 설계로 조립 도 및 부품 설계 작업을 하였으며 자동화 기기인 갠트리 로더 시스템의 특성상, 각종 브라켓과 같은 비표준 부품이 많은 관계로 비표준 부품들을 모델 링하는데 많은 시간을 투자하였다. 각 부품을 조립 하고 누락된 부품과 잘못 기입된 치수, 치수누락 등의 설계의 불량을 찾아 재설계와 검증의 절차를 반복하였다. Jaw는 Fig.5와 같이 좌, 우로 구분하고 좌, 우 각각 4개의 부품이 퍼즐형태로 조립되어 다 양한 형상의 가공 소재에 적용할 수 있도록 설계하 여 활용도를 높였다. 또한 구동 시뮬레이션 실험으 로 정 위치에서 전진구동, 정지, 간섭충돌 등의 세 부사항을 체크하고 원활히 구동됨을 확인하고 갠트 리 로더 시스템을 구성할 제품도, 부품가공도, 조립 도 등의 최종 설계안이 Fig. 7의 설계와 같이 확정 되었다. Fig.4, 6

    3.2 부품의 크기에 대한 검증

    제품을 설계한다는 것은 설계하고자 하는 제품과 관련되어 있는 모든 공학적인 사항을 검토하여 최 종 제품이 원하는 성능을 문제없이 발휘할 수 있도 록 계획을 세우는 것이다. 실질적으로 접근이 불가 능한 조건이나 복잡한 형상에 대한 대부분의 공학 적인 문제를 풀기 위해서는 편미분 방정식을 차분 화하여 수치해석적인 기법을 사용한다. 이러한 접 근 방법 중 하나가 유한요소해석이다. 유한요소해 석에서는 편미분방식으로 표현되는 연속적인 연속 체에 대한 지배 방정식을 작은 요소에 대하여 차분 화한 다음 전체 유한요소 모델에 대한 행렬식을 만 들어 수치적으로 해를 구한다[6]. 본 연구에서는 상 용 소프트웨어를 사용하여 슬라이드 프레임의 해석 을 Fig. 8, Fig. 9의 순으로 순차적으로 진행하면서 슬라이드 프레임의 크기를 결정하였으며 갠트리 로 더 시스템에 최종적으로 적용하였다.

    3.3 고찰

    본 연구에서 개발, 연구된 지그를 장착한 갠트리 로더 시스템과 기존 상용되는 갠트리 로더 시스템 의 작업공정순서를 작성하고 공정시간을 측정하여 Table 3, Table 4를 작성하였다. 단, 대기 및 보관 시간과 가공시간은 측정시간에서 제외 하였다. 기 존 장비는 단순한 형상 소재의 로딩, 언 로딩 시 빠른 속도를 보인 것과 달리 복잡한 형상의 소재 를 이송하기 위해서는 로딩에 필요한 고정구를 장 착하고 가공 전 고정구를 탈착하는 시간이 소요되 어 공정 중 3분3초(183초)가 소요되었고 기존 장 비와 달리 지그를 장착한 갠트리 로더 시스템은 42초가 소요되었다. 이 결과 기존 갠트리로더 시 스템이 지그를 장착한 갠트리로더 시스템보다 대 기 장소에서 보관 장소까지의 이송 시간이 4배 이 상의 시간이 소요되었음을 알 수 있었다.

    공정시간을 측정한 결과 복잡한 형상의 소재에 는 소재에 맞는 지그를 장착한 갠트리 로더가 적 합하다는 것을 알 수 있었다.

    4. 결론

    본 연구에서는 복잡한 형상 소재의 이송을 위한 갠트리 로더 시스템에 관한 연구를 수행하였다. 에 어실린더와 모터, L/M Guide를 이용하여 적합한 지 그를 개발 하면서 Jaw를 퍼즐형태로 세분화하여 복 잡한 형상의 소재와 다양한 형상에 맞추어 활용이 가능한 지그를 개발하였다. 2D 설계의 오류는 3D 설계로 보완하였으며 3D 설계를 통하여 조립과 시 뮬레이션을 수행하면서 설계의 불량을 최소화할 수 있었다. 본 연구로 자동화기기의 특성상 비표준 부 품들의 데이터베이스를 구축하여 자동화기기 연구 에 활용할 예정이며 갠트리 로더 시스템의 가공 정 밀도를 높이고 조립 공정시간을 단축할 것으로 기 대된다.

    Figure

    KSMPE-18-12-67_F1.gif
    2D concept design of jig
    KSMPE-18-12-67_F2.gif
    2D concept design of slide
    KSMPE-18-12-67_F3.gif
    2D assembly drawing of gantry loader system
    KSMPE-18-12-67_F4.gif
    3D assembly design of guide bar
    KSMPE-18-12-67_F5.gif
    3D assembly design of jig
    KSMPE-18-12-67_F6.gif
    3D assembly design of slide
    KSMPE-18-12-67_F7.gif
    3D assembly design of gantry loader
    KSMPE-18-12-67_F8.gif
    Primary design of slide frame
    KSMPE-18-12-67_F9.gif
    Structural analysis of frames

    Table

    Condition of jig design concept
    Condition of slide concept design
    Work process sequence of existing gantry loader system
    Work process sequence of gantry loader system with jig

    Reference

    1. Sam, J. I., Design and Manufacture of Automation Equipment, Gijeon-yeongusa, pp. 22, 2000.
    2. Park, I. H., “Robot Gantry Loader-Three-axis gantry loaders are easy to install and maintain.”, MFG, Vol. 453, pp. 23, 2012.
    3. Shin, H. Y., Pneumatics Control, Bogduchulpansa, pp. 200, 2018.
    4. Park, J. S., Control System Simulation and Design, Gijeon-yeongusa, pp. 41~42, 2018.
    5. Park, J. S., Control System Simulation and Design, Gijeon-yeongusa, pp. 70, 2018.
    6. Go, J. C., Finite Element Method, Onsia-Publisher, pp. 96, 2018.