억지끼워맞춤 공정의 생산성 향상을 위한 협동로봇 체결력 최적화 = Optimization of Collaborative Robot Fastening Force for Productivity Enhancement in the Interference Fit Process

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 겨울철 HDPE 하우징–C3604 황동봉 억지끼워맞춤 공정에서 발생하는 취성파괴를 대상으로, 온도·변형률 속도(체결 시간)·응력 집중의 영향을 정량적으로 분석하고 진동 보조 체결(vibration-assisted press-fit)을 통해 파손 확률과 체결력을 저감하는 최적 공정 조건을 도출하고자 하였다. 이를 위해 상온(약 20~25℃) 및 저온(0℃ 내외) 조건에서 체결 속도와 진동 세기(주파수, 진폭)를 변화시키며 협동로봇과 로드 셀로 체결력을 측정하였다. 그 결과, 진동 보조 체결을 적용하면 비진동 대비 체결 시간이 최대 약 50% 단축되었으며, 이는 접촉면 마찰 및 국부 응력 집중 완화에 따른 것으로 해석된다. 또한 저온에서는 HDPE의 큰 열팽창 계수와 강성 증가로 인해 상온 대비 체결력이 약 20% 상승하는 것이 확인되었고, 진동 세기가 증가할수록 하중–시간 곡선이 급격한 피크 없이 부드러운 곡선 형태를 나타내 HDPE 허브의 취성파괴 억제에 유리한 거동을 보였다. 향후에는 공정 변수의 정밀 제어 및 머신러닝 기반 최적화 기법을 도입하여 다양한 조건에서의 지능형 체결 공정으로 확장하고자 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study investigates brittle fracture occurring in a winter on-site HDPE housing –C3604 brass shaft interference-fit assembly, with the aim of quantitatively evaluating the effects of temperature, strain rate (press-fit time), and stress concentration, and of determining optimal process conditions to reduce failure probability and press-fit force through vibration-assisted press-fitting. Press-fit experiments were conducted under room-temperature (approximately 20–25 °C) and low-temperature (around 0 °C) conditions, while varying the press-fit speed and vibration intensity (frequency and amplitude). The press-fit force–time responses were measured using a collaborative robot and a load cell. The results show that vibration-assisted press-fitting reduces press-fit time by up to approximately 50% compared with non-vibrational press-fitting, which is attributed to the reduction of interfacial friction and local stress concentration. In addition, the required press-fit force in low-temperature conditions increases by about 20% compared with room temperature due to the large thermal expansion coefficient and increased stiffness of HDPE, and higher vibration intensity leads to smoother, peak-free force–time curves, which is favorable for suppressing brittle fracture of the HDPE hub. Future work will focus on precise control of process parameters and the application of machine-learning-based optimization to extend the approach to intelligent press-fit processes under various operating conditions.
Keywords: HDPE, interference fit, vibration-assisted press-fit, brittle fracture, press-fit force, collaborative robot

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 동향 3
• 1.3 연구 목적 및 범위 5
• 제 2 장 이론적 배경 6
• 2.1 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)의 재료 특성과 거동 6
• 2.2 이론적 체결력 계산 및 항복 분석 11
• 2.3 협동로봇 기반의 조립공정 14
• 2.4 미세진동 보조 조립 16
• 제 3 장 실험장비 구성 및 진행 17
• 3.1 실험장비 구성 17
• 3.2 실험방법 및 체결순서 25
• 제 4 장 실험결과 및 고찰 27
• 4.1 이론적 계산을 이용한 힘 구간별 체결력 변화 분석 27
• 4.2 진동 구간별 체결력 변화 분석 34
• 4.3 실험결과 고찰 43
• 제 5 장 결론 45
• 참고문헌