클린룸 내 다관절 로봇 주위의 유동해석 논문자료

 

클린룸 내 다관절 로봇 주위의 유동해석
Flow Analysis around the Multi-beam 
Robot in a Clean Room

본 연구에서는 클린룸에서의 3차원 유동해석을 수행하였다. 로봇실험 장치에서 로봇의 움직임에 의해 형성되는 유동장에 대한 수치적인 분석을 본 연구에서는 다루고 있으며, 클린룸에서 로봇의 움직임에 대한 영향을 분진이 쌓이는 영역을 찾기 위해서 진행된다. 다관절 로봇의 움직임에 의해 생성되는 바닥 표면의 분진은 유동장 분석에 의해 예측될 수 있으며, 해석결과는 커다란 스월유동이 움직이는 로봇 주위에서 생성된다고 분석된다. 따라서, 가장 바람직한 유동 조건은 공기의 입구와 출구부의 위치를 다시 정하여 유동속도를 변화시키면서 검토해야 한다.

[연구 주제]

1. 문제 정의

본 연구에서는 움직이는 다관절 로봇이 설치된 클린룸 내부의 3차원 유동장 해석을 통해 내부의 유동을 분석하여 바닥에 누적되는 먼지의 영역을 예측하여 청정도를 위한 개선기술을 위한 자료로 활용하여 오염에 대한 문제점을 해결하고자 한다.

2. 가설 설정

입구조건으로 클린룸 상부에 설치된 35개의 팬필터 유닛에 0.4m/s의 공기속도를 부여하였고 출구는 바닥의 150mm틈새에 내·외부 기압차가 없는 것으로 가정하였으며, 외부기압과 온도는 각각 1atm, 20℃로 설정하였다.

[연구 방법]

1. 제안 방법

2D설계도를 분석하여 3D모델링을 통해 생성된 격자를 그림 7에서 보여주며 이러한 과정은 ANSYS 자체에 내장된 디자인모듈러와 격자생성툴을 사용하여 진행하였다.

또한, 유동장에 대한 모델링을 위해서 그림 2와 같이 클린룸을 구조적으로 모델링 한 후 그림 6과 같이 유체해석을 목적으로 클린룸 내부에 차지하고 있는 공기를 따로 추출하여 재모델링 하였다.

로봇 실험용 클린룸 내부 유동해석을 상용 프로그램인 ANSYS CFX v16을 사용하여 3D모델링한 후 정상모드로 유한요소법 해석을 수행하여 오염발생원에 대한 원인을 분석하였다.

본 해석은 정상해석으로 진행하였고 3D모델링을 위해 ANSYS 디자인모듈러를 사용하였으며, 정확한 계산을 위해 최소 200만개 이상의 격자를 생성하여 유동 및 압력분포 등을 계산하였다.

2. 데이터 처리

이를 위해 상용 유동해석 프로그램인 ANSYS CFX v16을 사용하여 클린룸에 대한 기류분포를 계산하여 분석하였다.

로봇 시험용 클린룸 내부의 유동해석을 수행하기 위하여 유동해석 상용프로그램인 ANSYS CFX v16을 사용하였다.

[연구 결과]

1. 성능/효과

해석결과, 상대적으로 속도가 증가되는 영역은 움직이는 로봇팔의 주위, 벽체 하단부의 틈새 영역 및 로봇 하단부에 설치된 냉각팬 영역이다.

이러한 스월현상에 의해 공기의 정체 구간이 형성되어 청정도를 유지하기 위한 기류형성을 방해하는 것으로 판단되었다.

특히, 로봇팔의 움직임과 로봇 하단부 냉각팬에서 배출되는 유동에 의해 공기흐름이 서로 부딪히는 영역 존재하며 스월현상의 원인이 됨을 알 수 있었다.

2. 후속 연구

이러한 스월에 의한 분진생성이 예측됨에 따라 스월을 감소시키기 위해서는 로봇 냉각용 팬과 로봇의 움직임에 의한 공기의 흐름을 변경시켜 주어야 하며, 이러한 개선책으로 로봇의 움직임과 로봇 냉각용 팬에 의한 유동을 클린룸 외부로 배출시킬 수 있는 덕트와 같은 구조물 등이 필요하다고 판단된다.

▼출처 및 바로가기 : 
https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO201531362063590

[논문]클린룸 내 다관절 로봇 주위의 유동해석