KR100602200B1

KR100602200B1 - 하이브리드 용접 제어장치

Info

Publication number: KR100602200B1
Application number: KR1020040061460A
Authority: KR
Inventors: 신인승; 노영식; 서영수; 신종근; 김형석
Original assignee: 학교법인 울산공업학원
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2006-07-19
Also published as: KR20060012809A

Abstract

본 발명은 레이저 용접을 위한 용접헤드(10)와 아크용접을 위한 실드가스 공급기(15)를 구비하고, 모재(M)의 접합부에 다양한 규격의 비드(B1)(B2)를 형성하는 하이브리드 용접장치에 있어서: 상기 용접헤드(10)의 직선운동을 위한 Y축모터(11)와 Z축모터(12)를 구비하는 구동수단; 상기 접합부의 형상 정보를 입력하도록 용접헤드(10)에 인접하여 설치되는 카메라(20); 상기 접합부에 용접봉을 공급하도록 용접헤드(10)에 인접하여 설치되는 와이어 피더(30); 상기 용접헤드(10), 구동수단, 실드가스 공급기(15), 와이어 피더(30)에 출력하도록 연결되는 PLC(40); 및 상기 카메라(20)의 입력에 대응한 출력을 PLC(40)에 보내도록 연결되는 주제어기(50)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 레이저와 아크를 이용한 용접에 있어 획득된 데이터를 바탕으로 용접 파라메타를 자동으로 제어함에 따라 제품의 양산현장에서 생산성과 품질을 향상하는 효과가 있다.

레이저, 하이브리드, 용접, 와이어, 카메라, 트래킹

Description

하이브리드 용접 제어장치 {Control apparatus for hybrid welding}

도 1은 본 발명에 따른 제어장치의 요부를 나타내는 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 제어장치의 개략적인 회로구성을 나타내는 블록도,

도 3은 본 발명에 따른 제어장치의 작동을 나타내는 플로우차트,

도 4는 본 발명에 따른 작동에 앞서 게인 입력을 예시하는 그래프,

도 5는 본 발명에 따른 작동에 포함된 적응제어를 설명하는 도식도,

도 6은 도 5의 진행을 위한 프로그램의 일부를 나타내는 도표,

도 7은 본 발명에 따른 시임트래킹의 결과를 나타내는 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

10: 용접헤드 11, 12: Y축/Z축모터

15: 실드가스 공급기 16: 급기관

20: 카메라 25: 엔코더

30: 와이어 피더 35: 안내관

40: PLC 50: 주제어기

M: 모재 B: 비드

본 발명은 하이브리드 용접 제어장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저와 아크를 이용한 용접에 있어 획득된 데이터를 바탕으로 용접 파라메타를 자동으로 제어하는 하이브리드 용접 제어장치에 관한 것이다.

통상적으로 레이저 용접(Laser Brazing)과 불활성가스 금속 아크용접(MIG)을 병용하는 하이브리드(Hybrid) 용접은 작업중 연기(Fume)의 발생이 적고 적외선, 자외선 등 유해 광선이 발생하지 않는 환경 친화적 방법으로서 많은 연구가 이루어지고 있는 동시에 무인화ㆍ성력화 시스템을 갖춘 산업현장에서 각종 반제품과 완제품의 용접에 실제로 활용되고 있다.

근래에는 비젼센서를 이용하여 용접선을 추적하는 시임트래킹(Seam Tracking) 장치가 탑재되면서 용접모재의 변화값에 따른 신속하고 정확한 안내가 가능함에 따라 제조현장의 생산성이 크게 향상될 것으로 기대된다.

특히 근래의 자동차 제조에 있어서 두께와 재질이 서로 다른 강판을 적절한 크기와 형상으로 절단한 후 용접하는 맞춤용접강판(Tailed-Welded Blank; TWB)을 활용함에 따라 자동차의 중량을 줄이고 원가를 절감하려는 추세가 강하다. 반면 종래의 시임트래킹의 정밀도 및 적용성이 레이저 용접에 적합지 않다.

즉, 종래에는 용접 시험을 통하여 경험에 의한 용접 파라메터(parameter)를 확정하고, 용접 품질의 변화를 육안으로 확인 후 용접 파라메타를 변경하기 때문에 용접 파라메터 및 용접 품질의 개연성 없고, 용접 중 발생하는 변화 및 용접 모재의 위치 등의 기구적인 변화에 대해 실시간 대응이 불가하여 많은 용접불량이 초래되고 있는 실정이다.

이에 본 발명은 레이저와 아크를 이용한 용접에 있어 획득된 데이터를 바탕으로 용접 파라메타를 자동으로 제어하는 하이브리드 용접 제어장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 레이저 용접을 위한 용접헤드(10)와 아크용접을 위한 실드가스 공급기(15)를 구비하고, 모재(M)의 접합부에 다양한 규격의 비드(B1)(B2)를 형성하는 하이브리드 용접장치에 있어서:

상기 용접헤드(10)의 직선운동을 위한 Y축모터(11)와 Z축모터(12)를 구비하는 구동수단;

상기 접합부의 형상 정보를 입력하도록 용접헤드(10)에 인접하여 설치되는 카메라(20);

상기 접합부에 용접봉을 공급하도록 용접헤드(10)에 인접하여 설치되는 와이어 피더(30);

상기 용접헤드(10), 구동수단, 실드가스 공급기(15), 와이어 피더(30)에 출력하도록 연결되는 PLC(40); 및

상기 카메라(20)의 입력에 대응한 출력을 PLC(40)에 보내도록 연결되는 주제 어기(50)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 주제어기(50)는 PLC(40)의 신호가 입력되면(S10) 용접헤드(10)를 X축상으로 정속구동하면서(S20) 종료위치를 판단하여(S30) 종료위치에 이를 때까지 카메라의 입력을 받고(S40), 적응제어 서브루틴을 수행하고(S50), 와이어 피더(30)를 정방향으로 구동하고(S60), Y축모터(11)와 Z축모터(12)를 구동한(S70) 다음 종료위치에 도달하면 와이어 피더(30)를 역방향으로 구동하고 용접헤드(10)를 X축의 초기위치로 복귀시키는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 적응제어 서브루틴(S50)은 모재(M)의 두께(T1)(T2)가 다른 지점에서 비드(B1)(B2)의 크기를 연산하여 용접헤드(10)의 작동전원과 와이어 피더(30)의 용접봉 속도를 제어한다.

이에 따라 용접 전 및 용접 중 발생하는 용접부의 변화에 대응되는 시임트래킹 시스템(Seam tracking system)이 완성되며, 용접 중 용접부 형상 데이터(Geometry data)를 획득하고 이에 대응되는 용접 파라메타를 적용한다. 제어되는 용접 파라메타에는 와이어 속도, 용접 전압, 용접 전류 등이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 제어장치의 요부를 나타내는 사시도, 도 2는 본 발명에 따른 제어장치의 개략적인 회로구성을 나타내는 블록도이다.

본 발명은 레이저 용접을 위한 용접헤드(10)와 아크용접을 위한 실드가스 공급기(15)를 구비하고, 모재(M)의 접합부에 다양한 규격의 비드(B1)(B2)를 형성하는 하이브리드 용접장치에 관련된다. 용접헤드(10)는 레이저 용접용 토치를 포함하여 일예로 제조사 Rofin의 촛점거리 140mm인 다이오드 펌핑타입(Diode pumping type)을 사용할 수 있다. 실드가스 공급기(15)는 헬륨 등의 불활성 가스와 공기를 급기관(16)의 노즐을 통하여 공급하는 장치로서 압력 5bar 정도이고 에어커튼 방식이 적절하다. 도시에는 없으나 실드가스 공급기(15)에는 용접시 발생되는 스패터(spatter) 등을 흡수하는 배출유니트(suction unit)도 포함한다. 본 발명은 맞춤용접강판(TWB)을 사용함에 따라 모재(M)의 접합부(용접부)에서 폭과 깊이가 달라지는 비드(B1)(B2)에 대응하는 것이 필요하다.

본 발명에 따르면 상기 용접헤드(10)의 직선운동을 위한 Y축모터(11)와 Z축모터(12)를 구비하는 구동수단이 사용된다. 용접헤드(10)는 X축, Y축, Z축의 3방향 운동이 가능하도록 크로스 슬라이드(cross slide) 상에 탑재된다. 크로스 슬라이드는 통상적인 자동화장치에서 공지되는 기술을 적용할 수 있다. X축모터(도시 생략), Y축모터(11), Z축모터(12)는 토크제어 방식의 서보모터(엑췌이터)를 사용하며 스트로크는 30mm 정도이면 적절하다.

또, 본 발명에 따르면 상기 접합부의 형상 정보를 입력하도록 카메라(20)가 용접헤드(10)에 인접하여 설치된다. 카메라(20)는 레이저 비젼센서(Laser vision sensor)를 구비하며 접합부의 위치 및 형상 데이터를 획득한다. 일예로 제조사 서보로봇사(Servo-Robot Inc.)의 해상도 0.005mm, 아날로그 CMOS 타입, 포착시간(Acquisition time) 60Hz, 유효거리(Stand off length) 32mm의 조망영역(Field of view) 5mm인 것을 사용할 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 상기 접합부에 용접봉을 공급하도록 와이어 피더(30)가 용접헤드(10)에 인접하여 설치된다. 와이어 피더(30)는 하이브리드 용접 및 레이저 브레이징(Laser brazing)을 위한 용접봉을 공급해주는 장치로 하단에서 안내관(35)이 모재(M)의 접합부까지 연장된다.

또, 본 발명에 따르면 상기 용접헤드(10), 구동수단, 실드가스 공급기(15), 와이어 피더(30)에 출력하도록 PLC(40)가 연결 구성된다. 도 2처럼, PLC(40)는 X축모터(도시 생략), Y축모터(11), Z축모터(12)를 속도 제어하여 용접헤드(10)를 이동하기 위한 구동회로를 지닌다. 실드가스 공급기(15)의 전자밸브를 개폐하는 온오프출력회로와 와이어 피더(30)의 모터를 정역회전하기 위한 구동회로도 지닌다.

또, 본 발명에 따르면 상기 카메라(20)의 입력에 대응한 출력을 PLC(40)에 보내도록 주제어기(50)가 연결 구성된다. 주제어기(50)는 MSP(Multi Signal Process) 보드 및 MAC(Multi Access Control) 모듈을 구비하며 각종 모터를 구동하기 위한 데이터 변환 및 제어를 총괄한다. PLC(40)는 주제어기(50)의 인터페이스회로 역할을 한다. 주제어기(50)에는 전반적인 구동 소프트웨어와 모니터링 소프트웨어가 탑재된다. 이외에 용접헤드(10)의 X축 이동을 검출하기 위한 엔코더(25)가 주제어기(50)의 입력측에 연결된다. 카메라(20), 엔코더(25)의 위치정보를 용접헤드(10)의 위치로 변환시켜주는 소프트웨어, 용접시 시임 관련된 각종 오프셋(offset) 제어를 위한 소프트웨어도 구비된다.

도 3은 본 발명에 따른 제어장치의 작동을 나타내는 플로우차트, 도 4는 본 발명에 따른 작동에 앞서 게인 입력을 예시하는 그래프이다.

본 발명에 따른 상기 주제어기(50)는 PLC(40)의 신호가 입력되면(S10) 용접헤드(10)를 X축상으로 정속구동하면서(S20) 종료위치를 판단한다.(S30) PLC(40)는 여타의 다른 공정으로부터 작업 개시의 신호를 받고 주제어기(50)에 전달한다. 용접헤드(10)는 초기 위치에서 X축상으로 정속이동하도록 하면서 Y축과 Z축 방향으로만 속도 제어를 수행한다. 작업의 종료위치는 카메라(20)의 입력으로 판단할 수도 있고, 별도의 마이크로스위치를 부가하여 검출할 수도 있다.

이어서 종료위치에 이를 때까지 카메라의 입력을 받고(S40), 적응제어 서브루틴을 수행하고(S50), 와이어 피더(30)를 정방향으로 구동하고(S60), Y축모터(11)와 Z축모터(12)를 구동한다.(S70) 카메라(20)의 입력은 디지털데이터로 변환되어 모재(M)의 접합부를 인식하는 정보로 활용된다. 적응제어 서브루틴은 후술하는 바 모재(M)의 두께 등 용접조건이 변화된 것을 인식하고 처리하는 과정이다. 와이어 피더(30)의 정방향 구동은 용접헤드(10)의 하단으로 용접봉을 내려 보내는 과정이며 여기서 용접봉의 속도가 제어된다. Y축모터(11)는 비드(B)의 폭을 결정하는 반면 Z축모터(12)는 비드(B)의 깊이를 결정한다. 상기한 단계 S50에서 S70은 반드시 이러한 순서에 입각하지 않고 동시 다발적으로 수행될 수도 있다.

만일 S30에서 종료위치에 도달한 것으로 판단하면 와이어 피더(30)를 역방향으로 구동하고 용접헤드(10)를 X축의 초기위치로 복귀시킨다. 와이어 피더(30)를 역방향으로 구동하면 용접봉이 안내관(35)(도 1참조)으로 들어간다. 용접이 완료되면 다음의 용접을 개시하기 위해 용접헤드(10)를 초기위치로 이동시키고 PLC(40)의 입력신호를 기다린다.

시임트래킹 제어를 위해 PID 게인 조정, 축 파라메타(axis parameter) 제어, 축 상태 표시를 위한 소프트웨어가 주제어기(50)에 탑재된다. 입력을 위한 명령어를 예시할 때, 'Axis'는 구동모터의 각 축을 선택, 'Step increment'는 한 단계당 명령치, 'Correction time'은 한 단계 명령 전송 단위시간, 'Speed'는 구동모터의 최대 이동 속도, 'Acceleration'은 구동모터의 최대 이동 가속도, 'Proportional Gain'은 구동모터용 P게인, 'Integral Gain'은 구동모터용 I게인, 'Differential Gain'은 구동모터용 D게인, 'Velocity'는 구동모터용 속도상수, 'Bias'는 구동모터용 수직하중에 대한 상수를 의미한다.

도 4에서, F1으로 표시한 그래프는 이상적인 이동 그래프이고, F2로 표시한 그래프는 실지 이동에 따른 엔코더 피드백을 나타낸 것이다. F1 그래프와 F2 그래프가 일치 할수록 알맞은 PID 게인 값이 세팅되었다고 볼 수 있으나, 스텝당 유지하려고 하는 파워 및 용접 시 진행에 따른 상관관계를 생각해 볼 때, 순간적 이동시 용접품질에 악영향을 주므로, 위와 같이 연속성을 지닐 수 있는 게인이 적정하다 하겠다.

이외에 주제어기(50)와 구동모터 간의 관계를 정의하는 물리량 세팅 창을 둘 수있다. PID 세팅 창은 PID 게인 조정, 동적 세팅은 서보모터 구동관련 창이다. 안전 세팅은 구동모터 사용 중 일어날 수 있는 안전관련 변수들을 설정하는 창이다.

도 5는 본 발명에 따른 작동에 포함된 적응제어를 설명하는 도식도, 도 6은 도 5의 진행을 위한 프로그램의 일부를 나타내는 도표이다.

적응제어는 레이저 용접의 애로사항인 와이드 갭(wide gap)에 대한 용접성 향상을 위한 소프트웨어로서, 시임의 단면적에 따른 용접봉 이송량(wire feeding) 즉 속도를 제어하는 것이다.

본 발명의 적응제어 서브루틴(S50)은 모재(M)의 두께(T1)(T2)가 다른 지점에서 비드(B1)(B2)의 크기를 연산하여 용접헤드(10)의 작동전원과 와이어 피더(30)의 용접봉 속도를 제어한다. 도 5에서, T1은 두꺼운 쪽의 두께, T2는 얇은 쪽의 두께, G는 두 모재(M) 사이의 간격, VT는 이송속도, VF: 는 용접봉의 공급속도, D는 용접봉의 직경이라고 가정한다.

여기서 단면적을 구하면,

< 수식1 >

수식1에서 부피를 구하게 되면, 속도는 거리/시간이므로 다음과 같이 전개된다.

< 수식2 >

용접봉의 단면적은 아래와 같다.

< 수식3 >

여기에서 부피를 구하면,

< 수식4 >

실지 시임의 부피만큼 용접봉의 부피가 공급되어야 하므로, 수식2와 수식4는 같다.

< 수식5 >

여기서 용접봉의 공급속도 VF를 구하면,

< 수식6 >

이다.

도 6은 이러한 연산이 수행되는 과정을 나타낸다.

도 7은 본 발명에 따른 시임트래킹의 결과를 나타내는 그래프가 도시된다.

상기 그래프는 시임트래킹 결과를 나타내는 것으로, X축은 용접거리(위치), Y축은 용접부 Y축 변화량이다. G로 나타내는 그래프는 카메라(20)에서 인식한 용접부 위치이고, W로 나타내는 그래프는 필터링된 궤적데이터이고, Y로 나타내는 그래프는 구동모터로 전달된 궤적데이터이고, G로 나타내는 그래프는 엔코더(25)로부터 피드백된 궤적데이터이다. R과 W 그래프는 거의 일치하여야 하며, W와 Y는 같은 모양을 가지며, 일치 혹은 일정간격 유지되어야 한다. 또한 Y와 G는 일치하거나, 오차범위(50㎛) 이내에 유지되어야 한다. 도시에서 W와 Y는 같은 모양을 가지며 일정간격(Offset)이 유지되고 있으며, Y와 G는 거의 일치하고 있다.

참고적으로 시임트래킹시 카메라(20)에서 인식한 용접부 갭에 대한 데이터도 와이어 공급속도와 같은 형상을 가져야 한다. 즉 모재(M)의 갭이 커지면 와이어의 공급속도가 증가해야 한다. 이외에 모재의 자체 변형 및 열변형의 오차에 대한 자동 보정이 가능하도록 구성할 수 있다.

이와 같은 본 발명의 장치를 실험한 결과 최대 용접가능 갭은 0.5mm, 최대 용접속도는 8m/min, 용접 시작시 최대 허용 위치오차(모재)는 5mm, 용접 중 최대 허용 위치오차(모재)는 0.3mm, 최대 허용 불일치는 0.2mm이다. 그리고 실험장치를 양산라인에 적용함에 있어 문제가 없는 것으로 판단된다.

상술한 본 발명의 구성 및 작용에 의하면 레이저와 아크를 이용한 용접에 있어 획득된 데이터를 바탕으로 용접 파라메타를 자동으로 제어함에 따라 제품의 양산현장에서 생산성과 품질을 향상하는 효과가 있다.

Claims

삭제
레이저 용접을 위한 용접헤드(10)와 아크용접을 위한 실드가스 공급기(15)를 구비하고, 모재(M)의 접합부에 다양한 규격의 비드(B1)(B2)를 형성하고, 상기 용접헤드(10)의 직선운동을 위한 Y축모터(11)와 Z축모터(12)를 구비하는 구동수단과, 상기 접합부의 형상 정보를 입력하도록 용접헤드(10)에 인접하여 설치되는 카메라(20)와, 상기 접합부에 용접봉을 공급하도록 용접헤드(10)에 인접하여 설치되는 와이어 피더(30)와, 상기 용접헤드(10), 구동수단, 실드가스 공급기(15), 와이어 피더(30)에 출력하도록 연결되는 PLC(40) 및 상기 카메라(20)의 입력에 대응한 출력을 PLC(40)에 보내도록 연결되는 주제어기(50)를 포함하는 하이브리드 용접장치에 있어서,

상기 주제어기(50)는 PLC(40)의 신호가 입력되면(S10) 용접헤드(10)를 X축상으로 정속구동하면서(S20) 종료위치를 판단하여(S30) 종료위치에 이를 때까지 카메라의 입력을 받고(S40), 적응제어 서브루틴을 수행하고(S50), 와이어 피더(30)를 정방향으로 구동하고(S60), Y축모터(11)와 Z축모터(12)를 구동한(S70) 다음 종료위치에 도달하면 와이어 피더(30)를 역방향으로 구동하고 용접헤드(10)를 X축의 초기위치로 복귀시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 용접 제어장치.
제 2 항에 있어서,

상기 적응제어 서브루틴(S50)은 모재(M)의 두께(T1)(T2)가 다른 지점에서 비드(B1)(B2)의 크기를 연산하여 용접헤드(10)의 작동전원과 와이어 피더(30)의 용접봉 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 용접 제어장치.