KR100447923B1 - 로봇을 이용한 레이저 용접헤드 위치제어장치 및 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로봇에 레이저 헤드를 장착시켜 용접대상물을 용접하는 레이저 용접헤드 위치제어장치 및 제어방법에 관한 것이다. 즉 본 발명은, 로봇이 용접궤적을 따라 움직일 때 용접헤드와 용접대상물과의 거리를 측정하여 위치 제어부에 저장하며, 용접헤드에는 떨림검출소자와 거리검출소자를 장착하여 떨림검출소자는 로봇이 작업중인지, 아니면 이동 중인지를 파악하도록 하고, 거리검출소자는 로봇이 용접작업을 시작하려는 순간에만 용접헤드와 용접대상물 절대거리를 파악하도록 하여, 로봇이 용접작업을 수행할 때에는 거리검출소자를 작동시키지 않고, 위치 제어부에 저장된 로봇의 용접헤드와 용접대상물과의 거리를 이용하여 용접헤드의 위치를 제어함으로써, 레이저 용접헤드와 용접대상물간 거리가 일정하게 유지되어 레이저 용접 품질 및 용접의 신뢰성이 크게 향상되는 이점이 있다.

Description

로봇을 이용한 레이저 용접헤드 위치제어장치 및 제어방법{POSITION PRECISION CONTROL APPARATUS FOR LASER WELDING BY USE OF ROBOT AND METHOD THEREOF}

본 발명은 로봇을 이용한 레이저 용접장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 로봇이 거동하면서 레이저 용접을 진행하는 과정에서 발생되는 로봇과 용접대상물의 위치오차를 반복적으로 보완하여, 고온과 고열에서도 레이저의 출력을 최적의 상태로 유지시켜 용접성능을 향상시키는 레이저 용접헤드 위치제어장치 및 방법에 관한 것이다.

종래 로봇을 사용하여 레이저 용접을 진행하는 경우 아래와 같은 문제점이 발생한다. 첫째는 로봇의 진행해야하는 궤적을 프로그래밍으로 입력할 때 궤적의 좌표 수량을 많이 만들면 용접품질은 우수한 반면에 프로그래밍 입력 시간이 많이 소요되는 문제점이 발생하며, 둘째는 로봇을 이용하여 반복되는 용접작업을 수행하는 과정에서 용접이 완료된 후, 새로운 용접대상물이 장착될 때 용접대상물의 형상에 따라 장착오차가 발생하고, 로봇이 작업을 끝마치고 원래의 위치로 복귀하는 과정에서 위치오차를 포함하게되므로 로봇의 위치오차가 반복적으로 존재하게 되는 문제점이 있었다.

도 1은 종래에 로봇을 이용한 레이저용접 장치의 블록 구성을 도시한 것으로, 상기 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 종래의 레이저 용접로봇은 로봇제어기(14)에 의해 작동하며 로봇 관절부위(12) 끝단에 부착된 용접헤드(13)를 통하여 레이저발생기(15)에서 발생된 레이저 빔이 조사되는 방식을 사용한다.

이때 기존의 레이저 용접로봇은 로봇이 설치된 작업공간내에 용접대상물을 고정시켜야만 용접작업을 수행할 수 있으며, 로봇과 용접대상물의 반복되는 위치오차와 형상오차를 보상할 방안이 없어 레이저용접 진행시 제품마다의 용접품질이 일정하지 못하게 되는 문제점이 있었다. 또한 상기 로봇은 공간상 이동이 자유로운 6축 다관절 로봇을 사용하므로, 로봇과 용접대상물과의 반복되는 위치오차로 인하여 레이저 빔의 초점위치에 변화되기 쉽기 때문에, 용접품질을 저하시키는 문제점이 있다. 로봇의 길이가 고정되어 있어, 로봇에 따라 작업공간이 결정되기 때문에 작업공간을 다소 벗어나면 용접작업이 실시되지 않는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 로봇과 용접대상물의 반복되는 오차를 자동 제어하기 위하여 로봇이 용접궤적을 따라 움직일 때 용접헤드 끝단에 거리검출소자를 장착하여 용접헤드와 용접대상물과의 거리를 검출하여 위치제어장치 제어기에 검출된 거리값을 저장하고, 로봇이 용접초기위치에서 용접을 시작할 때 위치제어부에 정보를 줌으로써 미리 설정된 거리값에 따라 자동으로 거리를 유지하여 용접을 시행하도록 하는 위치제어장치와, 용접헤드의 정확한 위치를 검출하기 위하여 용접헤드 이송기에 위치검출소자를 장착하고, 떨림검출소자를 장착하여 로봇이 작업중인지, 아니면 이동 중인지를 파악한 후, 용접이 진행중일 때에는 용접헤드와 용접대상물과의 거리를 검출하지 않고, 위치제어부에 저장된 용접헤드와 용접대상물간 기준 거리를 근거로 용접헤드의 위치를 제어할 수 있는 반복위치조정장치를 포함한 로봇을 이용한 레이저 용접헤드 위치제어장치 및 방법을 제공함에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 로봇을 이용한 레이저 용접헤드 위치제어장치 및 방법에 있어서, 상기 레이저 용접장치의 로봇암에 설치되어 레이저 용접을 수행하는 용접헤드와; 상기 용접헤드를 이송시키는 용접헤드 이송기와; 소정 제어에 따라 상기 용접헤드 이송기를 구동시키는 구동부와; 상기 용접헤드의 떨림을 검출하여 상기 용접헤드가 작업 위치에 위치되었는지 여부를 검출하는 절대위치 검출소자 및 떨림 검출 소자와; 상기 용접헤드와 용접 대상물간의 거리를 검출하는 거리 검출 소자와; 상기 거리 검출 소자와 위치검출소자 및 떨림 검출 소자로부터 인가되는 상기 용접헤드의 떨림 상태 정보와 용접헤드와 용접 대상물간 거리 정보를 검출하는 신호 검출부와; 상기 용접헤드가 대상물에 대한 용접 위치에 도달하는 경우 상기 용접헤드 이송기를 제어하여 상기 용접헤드와 용접 대상물간 거리를 작업 시간에 따라 미리 설정된 기준거리로 유지되도록 제어하는 위치 제어부;를 포함하는 레이저 용접장치를 구현하며,

(a)상기 레이저 용접장치의 로봇암에 설치되어 레이저 용접을 수행하는 용접 헤드가 용접 대상물에 대한 용접 위치에 도달하는지 여부를 검사하는 단계와; (b)상기 용접헤드가 용접 위치에 도달하는 경우 용접 헤드와 용접 대상물간 거리를 측정하는 단계와; (c)로봇과 용접헤드가 용접을 위하여 용접대상물에 대한 초기 용접 위치에 도달하는지 여부를 검사하는 단계와; (d)상기 용접헤드와 용접 대상물간 측정된 거리를 작업 진행 시간 구간에 따라 미리 설정된 기준거리와 비교하는 단계와; (e)상기 측정 거리가 상기 기준거리보다 작은 경우에는 상기 용접 헤드와 용접 대상물간 거리가 상기 기준거리와 일치하도록 용접 헤드를 용접 대상물로부터 이격 제어하는 단계;를 포함하는 레이저 용접 방법을 구현하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래 로봇을 이용한 레이저 용접장치의 블록 구성도,

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접장치의 블록 구성도,

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 로봇의 용접궤적에 따른 용접헤드와 용접대상물간 거리 편차를 도시한 그래프 예시도,

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 용접헤드와 용접대상물간 거리 오차 보상을 위한 제어 데이터값 그래프 예시도,

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접 동작 제어 흐름도.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

11 : 지지부 12 : 관절부위

13 : 용접헤드 21 : 용접헤드 이송기

22 : 위치검출소자 23 : 거리검출소자

25 : 위치제어부 27 : 떨림검출소자

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예의 동작을 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 로봇을 이용한 레이저 용접장치의 블록 구성을 도시한 것이다. 이하 상기 도 2를 참조하여 동작을 설명하면, 본 발명의 레이저 용접 장치는 위치 제어부(25)에 의해 작동하며 로봇 관절부위(12) 끝단에 용접헤드 이송기(21)를 연결하고 용접헤드 이송기(21) 상단에 용접헤드(13)를 부착시켜 레이저 발생기(15)에서 발생된 레이저 빔이 용접헤드(13)를 통하여 조사되는 방식을 사용하며, 용접헤드(13) 끝단에 거리검출소자(23)와 용접헤드 이송기(21)에 위치검출소자(22) 및 떨림검출소자(27)을 두어 신호검출부(26)을 통하여 용접헤드(13)와 용접대상물과의 거리를 검출하며, 위치제어부(25)에 저장된 거리 신호와 설정된 거리신호가 차이가 발생하면 위치제어부(25) 내부에서 설정된 알고리즘에 의해 구동부(24)를 동작시켜 거리오차를 줄이게된다.

즉, 로봇이 거리검출을 끝마치고, 초기 위치로 복귀하면 용접헤드는 순간적으로 정지동작이 발생하게 되는데 위치 제어부(25)는 위치검출소자(22) 및 떨림검출소자(27)를 통해 이를 검출하게 되며, 이때 위치 제어부(25)는 거리검출소자(23)를 통해 용접헤드(13)로부터 용접대상물까지의 거리를 측정하여 용접헤드의 위치를 정확하게 설정하게 된다. 따라서 로봇이 용접을 시작하는 순간에 용접헤드(13)의 위치를 최적화시키며, 용접이 진행되는 동안에는 거리검출소자(23)를 작동시키지 않고, 위치 제어부(25)에 저장된 궤적을 이용하여 현재상태의 측정거리를 판단한후, 이를 이용하여 용접헤드(13)와 용접대상물간 거리를 레이저 빔의 효율이 최적으로 유지되도록 하는 거리로 보상함으로써, 레이저 용접 성능이 최적으로 유지되도록 한다.

도 3은 상기 도 2에 도시된 용접헤드(13) 끝단에 부착된 거리검출소자(23)를 사용하여 로봇의 용접 작업시 용접궤적에서 나타나는 용접헤드(13)와 용접대상물간 거리 편차를 도시한 그래프로써, (+)영역은 검출된 거리값이 작업 진행 시간 구간에 따라 미리 설정된 기준거리 값보다 큰 경우이고, (-)영역은 검출된 거리값이 미리 설정 기준거리 값보다 작은 경우이다.

도 4는 상기 도 3에 보인 용접헤드(13)와 용접대상물간 거리에 대하여 용접헤드(13)의 위치를 용접대상물로부터 일정한 거리에 유지시키기 위한 위치 제어부(25)로부터의 출력 제어 데이터값을 도시한 그래프로써, 상기 도 3의 (+)영역에 대하여 위치 제어부(25)는 용접헤드 이송기(21)에 (-)출력을 보내 용접헤드(13)가 용접대상물쪽으로 근접 이동하게하여 용접헤드(13)와 용접대상물 사이의 거리가 일정값을 유지하도록 하며, 상기 도 3의 (-)영역에 대하여 위치 제어부(25)는 (+)출력을 보내 용접헤드(13)가 용접대상물로부터 이격되도록 하여 용접헤드(13)와 용접대상물 사이의 거리가 일정값을 유지하도록 한다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 로봇을 이용한 레이저 용접 장치에서 용접 헤드와 용접 대상물간 거리를 레이저 용접시 레이저 빔 초점이 최적화되는 거리로 유지시켜 용접을 수행하기 위한 동작 제어 흐름을 도시한 것이다. 이하 상기 도 2 및 도 5를 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.

본 발명은 다음의 2가지 단계를 포함하는 것으로, 제 1단계는 (S500)단계로 거리검출소자(23)을 이용하여 용접헤드(13)와 용접대상물과의 거리를 측정하여 위치 제어부(25)에 저장하는 단계이고, 제 2단계는 위치제어부(25)에 저장된 거리값을 이용하여 용접헤드(13)와 용접 대상물과의 거리를 제어하는 단계이다.

먼저 위치 제어부(25)는 (S500)단계에서 용접헤드에 부착된 거리검출소자(23)를 통해 용접헤드(13)와 용접 대상물과의 거리를 측정하여 위치 제어부(25)내에 저장한다. 이때 저장된 값은 용접이 진행될 때 고온 및 고열로 인하여 거리검출소자(23)가 거리를 검출하기 어려운 상황이 되면 상기 제어기에 저장된 거리값을 기준으로 거리검출값으로 대신한다.

위치 제어부(25)는 (S501)단계에서 용접헤드에 부착된 위치검출소자(22) 및 떨림검출소자(27)를 통해 용접헤드(13)가 용접 대상물에 대한 용접 위치에 도달하였는지 여부를 검사한다. 상기 위치검출소자(22) 및 떨림검출소자(27)는 용접헤드(13)가 로봇암에 의해 용접 대상물로 이송되어 용접 위치에 정지할 때 용접헤드(13)로부터 발생하는 떨림을 검출하여 위치 제어부(25)로 알리게 되는데, 이에 따라 위치 제어부(25)는 용접헤드(13)가 용접 대상물에 대한 용접 위치에 도달했음을 판단하게 되는 것이다. 이때 상기 떨림검출소자(27)는 본 발명의 실시 예서와 같이 예를 들어 용접 헤드의 떨림이 발생하는 경우 논리 값 "0"를 발생하도록 설정될 수 있다.

그러면 위치 제어부(25)는 상기 (S501)단계에서 떨림검출소자(27)로부터 논리 값 "0"이 검출되는 경우 상기 용접 헤드(13)의 용접 위치 도달을 판단하여(S502)단계로 진행해서 타이머를 작동시킨다. 상기 타이머는 용접 대상물에 대한 용접 진행 중 용접 헤드(13)와 용접 대상물간 측정 거리를 작업 진행 시간 구간에 따라 미리 설정된 기준거리와 비교하기 위한 기준시간을 맞추기 위해 사용된다.

이어 위치 제어부(25)는 (S504)단계로 진행해서 용접 헤드(13)와 용접 대상물간 거리를 측정하고, 상기 타이머의 시간을 기준으로 해당 작업 진행 시간 구간의 기준거리와 상기 측정된 거리를 비교한다. 이때 상기 기준거리가 용접 헤드(13)와 용접 대상물간 측정거리보다 작은 것으로 검사되는 경우 이는 상기 도 3에서 보여지는 바와 같이 상기 거리 오차값이 (+)영역에 위치하여 로봇의 용접 헤드(13)가 용접 대상물로부터 거리가 멀어지고 있는 것이므로 위치 제어부(25)는 (S506)단계에서 (S508)단계로 진행해서 상기 용접헤드 이송기(21)를 제어하여 용접헤드(13)를 용접 대상물로 근접시킨다.

이와 달리 상기 기준거리가 용접헤드(13)와 용접 대상물간 측정거리보다 큰 것으로 검사되는 경우 이는 상기 도 3에서 보여지는 바와 같이 상기 거리 오차값이 (-)영역에 위치하여 로봇의 용접 헤드가 용접 대상물에 가까워지고 있는 것이므로 위치 제어부(25)는 (S506)단계에서 (S510)단계로 진행해서 상기 용접헤드 이송기(21)를 제어하여 용접헤드(13)를 용접 대상물로부터 이격시켜 멀어지도록 한다.

이어 위치 제어부(25)는 (S512)단계로 진행해서 로봇의 용접작업이 진행중인지 여부를 검사하여 용접 작업이 계속 진행중인 경우에는 상기 (S502)단계로 돌아가서 다시 상기 (S502)∼(S510)단계를 반복 수행하게 되며, 용접 작업이 완료되는경우에는 용접헤드와 용접 대상물간 거리 조절 제어 동작을 종료하게 된다.

한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은, 로봇이 용접궤적을 따라 움직일 때 용접헤드와 용접대상물과의 거리를 측정하여 위치 제어부에 저장하며, 용접헤드에는 위치검출소자 및 떨림검출소자와 거리검출소자를 장착하여 위치검출소자 및 떨림검출소자는 로봇이 작업중인지, 아니면 이동 중인지를 파악하도록 하고, 거리검출소자는 로봇이 거리검출 단계와 용접단계의 초기인 용접작업을 시작하려는 순간에만 용접헤드와 용접대상물 절대거리를 파악하도록 하여, 로봇이 용접작업을 수행할 때에는 거리검출소자를 작동시키지 않고, 위치 제어부에 저장된 로봇의 용접헤드와 용접대상물과의 거리를 이용하여 용접헤드의 위치를 제어함으로써, 레이저 용접헤드와 용접대상물간 거리가 일정하게 유지되어 레이저 용접 품질 및 용접의 신뢰성이 크게 향상되는 이점이 있다.

Claims (10)

1. 로봇을 이용한 레이저 용접헤드 위치제어장치에 있어서,

   상기 레이저 용접장치의 로봇암에 설치되어 레이저 용접을 수행하는 용접헤드와;

   상기 용접헤드를 이송시키는 용접헤드 이송기와;

   소정 제어에 따라 상기 용접헤드 이송기를 구동시키는 구동부와;

   상기 용접헤드의 절대위치와 떨림을 검출하여 상기 용접헤드가 작업 위치에 위치되었는지 여부를 검출하는 위치 검출소자 및 떨림 검출 소자와;

   상기 용접헤드와 용접 대상물간의 거리를 검출하는 거리 검출 소자와;

   상기 위치 검출소자 및 떨림 검출 소자와 거리 검출 소자로부터 인가되는 상기 용접헤드의 떨림 상태 정보와 용접헤드와 용접 대상물간 거리 정보를 검출하는 신호 검출부와;

   상기 용접헤드가 대상물에 대한 용접 위치에 도달하는 경우 상기 용접헤드 이송기를 제어하여 상기 용접헤드와 용접 대상물간 거리를 작업 시간에 따라 미리 설정된 기준거리로 유지되도록 제어하는 위치 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇을 이용한 레이저 용접헤드 위치제어장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 위치 제어부는, 상기 떨림 검출 소자를 통해 상기 용접 헤드가 로봇암에 의해 용접 대상물로 이송되어 용접 위치에 정지할 때 발생하는 떨림을 검출하여 용접 헤드의 용접 대상물에 대한 용접 위치 도달을 판단하는 것을 특징으로 하는 로봇을 이용한 레이저 용접헤드 위치제어장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 위치 제어부는, 상기 용접 헤드가 해당 용접 대상물에 대한 용접 위치에 도달하는 경우 상기 거리 검출 소자를 통해 용접 헤드와 용접 대상물간 거리를 측정하여 작업 진행 시간 구간마다 미리 설정된 기준거리와 비교한 후, 상기 기준거리보다 작으면 용접헤드 이송기를 제어하여 상기 용접 헤드와 용접 대상물간 거리가 기준거리와 일치하도록 용접헤드를 용접 대상물로부터 이격시키는 것을 특징으로 하는 로봇을 이용한 레이저 용접헤드 위치제어장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 위치 제어부는, 상기 용접 헤드와 용접 대상물간 거리가 상기 기준거리보다 크면 용접 헤드 이송기를 제어하여 상기 용접 헤드와 용접 대상물간 거리가 기준거리와 일치하도록 용접헤드를 용접 대상물로 근접시키는 것을 특징으로 하는 로봇을 이용한 레이저 용접헤드 위치제어장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 위치 제어부는, 상기 용접 헤드가 해당 용접 대상물에 대한 용접 위치에 도달하는 경우 용접시작 시점에 타이머를 작동시켜 일정 작업 진행 시간 구간마다 용접헤드와 용접 대상물간 측정 거리와 해당 시간 구간에 설정된 기준거리를 비교하여 용접헤드의 이송을 제어하는 것을 특징으로 하는 로봇을 이용한 레이저 용접헤드 제어장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 용접 헤드는, 상기 용접 헤드 이송기에 의해 상기 로봇암 상에서 전/후로 이송 제어되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접헤드 위치제어장치.
7. 로봇을 이용한 레이저 용접장치에서 레이저 용접헤드 위치제어방법에 있어서,

   (a)상기 레이저 용접장치의 로봇암에 설치되어 레이저 용접을 수행하는 용접 헤드가 용접 대상물에 대한 용접 위치에 도달하는지 여부를 검사하는 단계와;

   (b)상기 용접헤드가 용접 위치에 도달하는 경우 용접 헤드와 용접 대상물간 거리를 측정하는 단계와;

   (c) 로봇과 용접 헤드가 용접을 위하여 용접 대상물에 대한 초기 용접 위치에 도달하는지 여부를 검사하는 단계와;

   (d)상기 용접헤드와 용접 대상물간 측정된 거리를 작업 진행 시간 구간에 따라 미리 설정된 기준거리와 비교하는 단계와;

   (e)상기 측정 거리가 상기 기준거리보다 작은 경우에는 상기 용접 헤드와 용접 대상물간 거리가 상기 기준거리와 일치하도록 용접 헤드를 용접 대상물로부터 이격 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇을 이용한 레이저 용접헤드 위치제어방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 (d)단계에서의 비교결과 상기 측정 거리가 상기 기준거리보다 큰 경우에는, (f)상기 용접 헤드와 용접 대상물간 거리가 상기 기준거리와 일치하도록 용접 헤드를 용접 대상물로 근접 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇을 이용한 레이저 용접헤드 위치제어방법.
9. 제7항에 있어서,

   상기 (d)단계는, (d1)상기 용접 헤드가 해당 용접 대상물에 대한 용접 위치에 도달하는 경우 용접시작 시점에 작업 진행 시간 체크를 위한 타이머를 작동시키는 단계와;

   (d2)상기 타이머에 따른 작업 진행 시간 구간을 인식하여 해당 작업 시간 구간마다 상기 용접 헤드와 용접 대상물간 거리를 측정하는 단계와;

   (d3)상기 측정거리를 작업 진행 시간 구간에 따른 해당 기준거리와 비교하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇을 이용한 레이저 용접헤드 위치제어방법.
10. 제7항에 있어서,

    상기 용접 헤드의 용접 위치 도달 여부는, 상기 용접 헤드가 로봇암에 의해 용접 대상물로 이송되어 용접 위치에 정지하는 경우 발생하는 용접 헤드의 떨림 검출을 통해 판단되는 것을 특징으로 하는 로봇을 이용한 레이저 용접헤드 위치제어방법.