A non-planar slicing and hybrid path generation method for robotic wire arc additive remanufacturing of large sprockets​​

기술 요약: 대형 스프로켓의 로봇 WAAR를 위한 비평면 슬라이싱 및 하이브리드 경로 생성

문제 정의
대형 광산용 석탄 기계의 스프로켓은 치아(tooth)와 걸릿(gullet) 표면 사이의 전이 영역에서 마모, 박리 및 국부적 파손이 발생하기 쉬운 핵심 부품이다. 이러한 손상 영역은 복잡한 오목한 곡면, 상당한 곡률 변화, 그리고 제한된 공간 접근성을 특징으로 한다. 평면 슬라이싱 전략을 사용하는 기존의 와이어 아크 적층 제조(WAAR)는 이러한 맥락에서 다음과 같은 중대한 문제에 직면한다:

• 기하학적 불일치: 평면 레이어는 기판의 곡면과 일치하지 않아 계면 품질이 저하된다.
• 로봇 간섭: 스프로켓 치아 사이의 좁은 공간은 토치 자세를 제한하여, 공간적 간섭을 유발하거나 로봇을 특이점(singular) 구성으로 몰아넣을 수 있다.
• 공정 불안정성: 중력에 의한 용융 금속 흐름은 가파르거나 오목한 표면에서 비드 붕괴 및 불균일한 형성을 초사한다.
• 계단 현상(Staircase Effect): 곡면에서의 평면 슬라이싱은 상당한 기하학적 편차와 표면 거칠기를 초래한다.

원통 좌표 슬라이싱이나 등온 표면 슬라이싱과 같은 기존 방법은 특정 회전 기하 구조에 국한되거나, 크고 복잡한 모델에 대해 과도한 계산 비용을 발생시킨다.

방법론
저자들은 소프트웨어-하드웨어가 통합된 WAAR 시스템과 다음 세 가지 핵심 구성 요소로 이루어진 새로운 경로 계획 프레임워크를 제안한다:

1. 통합 하드웨어-소프트웨어 시스템:

   • 하드웨어: 6축 용접 로봇과 2축 포지셔너(틸팅 및 회전)를 결합하여 8축 협동 시스템을 형성한다. 이 설정은 토치 자세를 최적화하여 토치 축이 곡면에 수직을 유지하게 함으로써 중력에 의한 금속 흐름을 완화한다. 손상된 작업품의 역설계를 위해 핸드헬드 3D 레이저 스캐너가 사용된다.
   • 소프트웨어: Rhino 및 Grasshopper를 활용하여 파라메트릭 모델링, 비평면 슬라이싱 및 경로 생성을 수행하며, 이는 커스텀 로봇 모션 플래닝 소프트웨어와 통합된다.

2. 영역별 비평면 슬라이싱:

   • 오프셋 표면 구축: 수평 평면 대신, 기판의 곡선 기하 구조를 기반으로 한 오프셋 표면 군(family of offset surfaces)을 구축한다. 오프셋 거리는 레이어 두께 파라미터($\Delta h$)와 기준 표면 법선 벡터를 사용하여 계산된다.
   • 영역 분할: 전체 오목한 걸릿(gullet)은 단일 글로벌 경로를 생성하기에 너무 복잡하므로, 손상된 모델을 최대 곡률 전이 경계에서 분할한다. 이를 통해 손상 영역을 두 개의 서브 영역으로 나누어 표면 법선의 변화 범위를 줄이고 각 서브 영역에 대한 로봇 운동학적 제약을 단순화한다.
   • 메시 교차: 오프셋 표면을 손상된 모델의 STL 메시와 교차시켜 내부 레이어 경계를 추출함으로써, 슬라이싱된 레이어가 손상된 영역의 특정 기하 구조에 부합하도록 보장한다.

3. 변환-투영 기반 하이브리드 경로 생성:

   • 좌표 변환: 직접적인 3D 경로 구축의 불안정성을 피하기 위해, 비평면 슬라이싱 레이어를 로드리게스 회전(Rodrigues rotation)을 통한 강체 변환을 통해 회전시켜 평균 법선이 글로벌 Z축과 일치하도록 한다.
   • 2D 인필 생성: 이 변환된 2D 평면에서, 폴리곤 오프세팅(Clipper 알고리즘)과 스캔라인 클리핑을 사용하여 표준 지그재그 인필 경로를 생성한다. 파라미터에는 경계 거리, 트랙 간격, 인필 각도가 포함된다.
   • 역투영: 2D 경로 점들이 메시 위에 정확히 위치하도록 레이-삼각형 교차(ray-triangle intersection)를 사용하여 3D 곡면으로 다시 매핑한다. 마지막으로, 역좌표 변환을 통해 경로를 원래의 작업품 좌표계로 복원한다.

주요 기여

• 비평면 슬라이싱 프레임워크: 곡선형 기판에 대해 전통적인 평면 슬라이싱을 대체하여, 참조 표면을 오프세팅함으로써 순응형(conformal) 비평면 레이어를 생성하는 Grasshopper 기반의 파라메틱 워크플로우를 개발하였다.
• 영역별 분할 전략: 복잡한 오목한 손상 구역(스프로켓 걸릿)을 곡률 경계에서 분해하는 새로운 접근 방식을 통해, 제한된 공간 내에서 실행 가능한 로봇 모션 계획을 가능하게 하였다.
• 하이브리드 경로 생성 알고리즘: 좌표 변환, 2D 인필 생성 및 역투영을 통해 3D 곡면 경로 계획을 안정적인 2D 문제로 축소함으로써, 공간적 일관성과 파라미터 제어 가능성을 확보하였다.
• 통합 시스템 검증: 대형 스프로켓의 재제조에 특화된 완전한 WAAR 시스템(8축 로봇 + 포지셔너 + 커스텀 소프트웨어)을 구축하였다.

실험 결과
J507 플럭스 코어드 와이어를 사용하여 손상된 대형 스프로켓에 대한 수리 실험을 수행하였다.

• 성형성: 제안된 방법은 평면 슬라이싱과 비교하여 균일한 외곽 윤곽 용접 비드와 매끄러운 전이를 생성하였으며, 금속 흐름과 경계 붕괴를 제거하였다. 내부 충전은 거시적인 융합 부족이나 결함이 나타나지 않았다.
• 기하학적 정확도: 수리된 표면에 대한 점 단위 좌표 측정 결과는 다음과 같다:
  • X-방향 편차: -0.27 mm ~ -0.21 mm.
  • Y-방향 편차: 0.59 mm ~ 0.61 mm.
  • Z-방향(높이) 편차: 0.09 mm ~ 1.54 mm (평균 0.82 mm).
• 공정 안정성: 다층 수리는 가시적인 결함 없이 일관된 비드 안정성과 손상 영역의 완전한 충전을 보여주었다.

의의 및 주장
본 논문은 제안된 방법이 WAAR에서 복잡한 곡면의 기하학적 제약을 효과적으로 극복함을 주장한다. 비평면 슬라이싱과 하이브리드 경로 생성 전략을 통합함으로써, 시스템은 다음을 달성한다:

• 접근성 향상: 8축 구성과 영역별 분할을 통해 로봇이 간섭 없이 제한된 치아 공간에 접근할 수 있다.
• 품질 향상: 순응형 레이어는 용융 금속의 흐름을 방지하고 우수한 성형성을 보장하여, 불규칙한 표면에서의 평면 슬라이싱의 한계를 해결한다.
• 제어 가능성 및 반복성: 변환-투영 방법은 산업용 로봇 경로 계획 요구 사항을 충족하는 안정적이고 파라미터화 가능한 워크플로우를 제공한다.
• 공학적 적용 가능성: 전형적인 손상된 스프로켓의 성공적인 수리는 가혹한 운영 환경에서의 고부가가치 대형 부품 재제조를 위한 이 접근 방식의 타당성을 입증한다.