KR100605740B1 - 레이저 용접방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 용접방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명은 차체 프레임 등 용접대상물을 레이저 빔으로 접합하는 레이저 용접방법에 있어서,

콘트롤러의 지령에 따라 레이저발진기로 광섬유를 거쳐 전송 가능한 레이저 빔을 발출하고, 발출된 레이저 빔을 레일을 따라 슬라이드 하는 밀러 유니트에 형성된 여러 개의 밀러로 수광하여 진로를 변경한 다음 회전방향과 각도가 자유롭게 변환되는 출광 밀러로 레이저 빔을 조사하여 다관절 아암형 로봇의 로봇팔에 결합되어 실린더에 의하여 작동하는 여러 개의 클램프로 용접지그에 고정된 용접대상물의 위치와 각도를 상기 용접지그의 교체 없이 변환하여 접합하는 것을 특징으로 한다.

상술한 본 발명은 차체 프레임 등 용접대상물을 고정하는 용접지그를 다관절 아암형 로봇에 장착하여 레이저광선조사기에서 조사되는 레이저 빔으로 접합함으로써 용접지그의 교체 없이 최적의 용접범위 내에서 신속하고 정확하게 접합이 이루어지도록 하여 품질과 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

다관절 아암형 로봇, 용접지그, 레이저광선조사기, 레이저발진기, 콘트롤러

Description

레이저 용접방법 및 장치{Laser welding method and device}

도 1은 본 발명의 레이저 용접장치 구성도

도 2는 본 발명의 용접지그가 장착된 로봇의 정면도

도 3은 본 발명의 레이저광선 조사기 개략 구성을 나타낸 정면도

도 4는 본 발명의 용접지그 평면도

도 5는 본 발명의 용접지그 측면도

도 6은 본 발명을 이용한 레이저 용접상태 확대도

도 7a, 7b는 본 발명을 이용한 차체 레이저 용접 순서도이다.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

1 : 레이저 용접장치 2 : 레이저 발진기

3 : 레이저광선조사기 4 : 다관절 아암형 로봇

5 : 로봇제어기 6 : 콘트롤러

7 : 용접지그 10: 작업 공간부

11: 레일 12: 밀러 유니트

13. 13a : 밀러 19: 로봇팔

20: 클램프 21: 실린더

22: 노즐 23: 연결구

본 발명은 레이저 용접방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차체 프레임 등 용접대상물을 고정하는 용접지그를 다관절 아암형 로봇에 장착하여 레이저광선조사기에서 조사되는 레이저 빔으로 접합함으로써 용접지그의 교체 없이 최적의 용접범위 내에서 신속하고 정확하게 접합이 이루어지도록 하여 품질과 생산성을 향상시킬 수 있는 레이저 용접방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 레이저 가공기술은 자동차의 차체를 구성하는 프레임 등을 접합하는데 널리 이용되어 왔으며, 그 대표적인 기술문헌으로는 특허 제0241847호와 특허 제0447923호를 예로 들 수 있다. 상기 용접로봇은 작업명령에 따라 로봇팔에 부착된 용접토치를 이동시켜 용접대상물의 용접선을 추종하면서 용접하게 된다.

이때, 용접대상물은 테이블 상에 구비된 여러 개의 클램프와 상기 클램프를 작동시키는 실린더로 구성된 고정형 용접지그에 장착된 상태에서 용접로봇의 구동으로 용접이 이루어진다.

그러나 차체 프레임 등과 같은 용접대상물은 강도 보강을 위한 절곡과 엠보싱 등 곡선부가 많기 때문에 레이저 빔을 조사하여 접합할 때 최적의 용접범위인 0~45도 각도를 유지하기 위하여 상기 용접지그에 장착된 용접대상물의 1차 용접이 이루어지면 이를 다른 용접지그에 옮겨 2차 용접하는 등 여러 번의 용접지그 교체와 용접대상물의 이동과정을 거쳐 비로소 1개의 용접대상물에 대한 용접이 완료되므로 생산성이 떨어지고, 여러 개의 용접지그를 구비하여야 하는 등 비효율적인 문제가 있었다.

상기 문제점을 일부 극복한 선행기술로는 실용신안등록 제0346393호 용접품질을 극대화한 싱크로나이즈 용접장치가 있다.

상기 용접장치는 용접용 로봇과 용접지그가 상호연동하여 최적의 용접조건(각도)을 용접을 수행하는 싱크로나이즈 용접이 이루어지도록 서보모터와 제어 프로그램을 이용하여 용접대상물이 장착된 용접지그를 용접용 로봇의 움직임에 맞추어 최적의 용접조건을 갖도록 회전시키는 구성이므로 용접로봇에 의한 용접이 완료될 때마다 매번 용접대상물이 장착된 지그프레임을 회전시켜야 하고, 용접로봇 또한 용접조건(각도)에 맞추어 움직여야 하므로 생산성이 떨어진다.

그리고 상기 싱크로나이즈 용접장치는 비교적 소형 부품의 용접에 맞게 설계된 것이므로 차체 프레임 등 대형의 용접대상물에는 적용할 수 없는 등 다수의 문제점이 여전히 제기되고 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 용접지그를 다관절 아암형 로봇에 장착하여 용접지그의 교체 없이 최적의 용접범위 내에서 용접대상물의 접합이 이루어지도록 함으로써 품질과 생산성을 향상시키는데 그 목적이 있다.

본 발명의 레이저 용접방법 및 장치를 살펴보면 다음과 같다.

본 발명은 상기 목적 달성을 위하여 용접지그의 교체 없이 최적의 용접범위(각도) 내에서 용접대상물을 접합할 수 있도록 방향과 각도변환이 자유로운 다관절 아암형 로봇의 팔에 용접대상물을 고정하는 여러 개의 클램프와 실린더가 구비된 용접지그를 장착하고, 레이저광선조사기는 최대한 빠른 시간내에 용접대상물에 레이저 빔을 조사하여 접합할 수 있도록 밀러 유니트가 레일을 따라 슬라이드 되도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 레이저 용접장치(1)는 용접대상물을 접합하기 위한 레이저를 발진시키는 레이저 발진기(2)와 레이저광선조사기(3) 및 다관절 아암형 로봇(4), 로봇제어기(5), 그리고 상기 장치들을 종합적으로 제어하는 콘트롤러(6)로 크게 구성되어 있다.

상기 레이저 발진기(2)는 콘트롤러(6)의 지령에 따라 광섬유를 거쳐 전송 가능한 레이저 빔을 발출한다.

상기 레이저광선조사기(3)는 2개의 기둥(8) 상부에 밀러 지지대(9)를 형성함으로써 다관절 아암형 로봇(4)의 작업 공간부(10)를 마련하고, 상기 밀러 지지대(9)에 형성된 레일(11)에는 밀러 유니트(12)를 장착하여 슬라이드 되도록 하되 상기 밀러 유니트(12)의 슬라이드장치는 내장된 랙과 피니언기어가 서보모터로부터 구동력을 전달받아 좌,우 이송되게 하는 등 다양한 수단을 채택할 수 있다.

그리고 상기 밀러 유니트(12)는 레이저 발진기(2)로부터 발출된 레이저 빔을 수광하여 진로를 변경하는 여러 개의 밀러(13)로 형성된 제1밀러장치(14)와 상기 제1밀러장치(14)로부터 진행되는 레이저 빔을 출광하는 밀러(13a)를 갖는 제2밀러장치(14a)로 구성되어 있다. 상기 제2밀러장치(14a)의 출광 밀러(13a)는 최적의 용접범위(각도) 내에서 조사될 수 있도록 내장된 서보모터와 기어장치들에 의하여 회전방향과 각도가 변환되도록 구성되어 있다.

상기 다관절 아암형 로봇(4)을 구성하는 로봇 기체의 구조 자체는 종래로부터 범용되고 있는 다관절 아암형 로봇(레이저)과 동일한 구조로 되어 있다. 따라서 베이스부(15), 로봇 동체(16), 로봇 상방 아암(17), 로봇 하방 아암(18), 로봇 팔(19) 등을 구비해서 작업 공간부(10)에서 3차원 공간내의 자유로운 동작이 가능하 다.

상기 다관절 아암형 로봇(4)의 로봇팔(19)에 장착되는 용접지그(7)는 용접대상물을 견고하게 고정하는 여러 개의 클램프(20)와 상기 클램프(20)를 작동시키는 실린더(21) 및 용접부 접합시 기포발생 등을 방지하기 위하여 헬륨, 아르곤 가스를 분사하는 노즐(22)이 각 용접부에 대하여 35~45도 각도를 갖도록 구비되는 것이 일반적이며, 본 발명에서는 용접지그(7)의 일측에 볼트로 로봇팔(19)에 조립, 분해할 수 있는 연결구(23)가 구성되어 있다.

상기 콘트롤러(6)는 레이저를 발진하는 레이저발진기(2)를 포함하여 용접부위에 레이저를 주사하여 용접선을 촬영하는 레이저비전센서; 상기 레이저비전센서가 촬영한 영상신호를 입력받고 밀러 유니트의 구동변위를 조정하기 위해 변환메트릭스를 이용하여 상기 용접선에 대한 2차원 좌표를 3차원 좌표로 변환하는 영상처리부 및; 상기 영상처리부로부터 3차원 좌표에 따라 레이저광선조사기(3)를 제어하는 한편 다관절 아암형 로봇(4)을 제어하기 위한 로봇제어신호를 출력하는 로봇제어기(5)를 제어하도록 구성되어 있다.

본 발명의 레이저 용접장치(1)를 이용하여 차체 프레임 등 용접대상물을 접합하는 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 용접대상물을 다관절 아암형 로봇(4)의 로봇팔(19)에 결합된 용접지그(7)에 올려 실린더(21)를 작동시키면 상기 실린더(21)와 결합된 클램프(20)에 의하여 고정된다.

콘트롤러(6)의 명령을 받는 로봇제어기(5)의 지령에 의해 용접지그(7)가 장착된 다관절 아암형 로봇(4)은 레이저광선조사기(3)를 구성하는 양 기둥(8) 사이의 작업 공간부(10)에 진입함과 동시에 상기 콘트롤러(6)로부터 명령을 받은 레이저 발진기(2)로부터 발출된 레이저 빔을 밀러 유니트(12)가 수광하여 진로를 변경하는 여러 개의 밀러(13)로 형성된 제1밀러장치(14)와 상기 제1밀러장치(14)로부터 진행되는 레이저 빔을 출광하는 밀러(13a)를 갖는 제2밀러장치(14a)를 통해 상기 용접지그(7)에 고정된 용접대상물의 각 용접점에 레이저 빔을 조사함으로써 접합된다.

이때 상기 제2밀러장치(14a)의 출광 밀러(13a)는 최적의 용접범위(각도) 내에서 조사될 수 있도록 내장된 서보모터와 기어장치들에 의하여 회전방향과 각도가 변환되는데, 다관절 아암형 로봇(4)의 로봇팔(19)에 장착된 용접지그(7)상의 용접대상물의 용접점이 상기 용접범위를 벗어나면 로봇제어기(5)의 명령에 의하여 다관절 아암형 로봇(4)이 구동하여 작업 공간부(10)에서 3차원 공간내의 자유로운 이동으로 용접지그(7)의 위치와 방향을 변환하여 레이저광선조사기(3)에서 조사되는 레이저 빔으로 접합하게 되는 것이다.

도 7a, 7b와 관련하여 본 발명의 실시 예를 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 용접대상물의 각 용접점과 접합 순서를 콘트롤러(6)에 입력하여 최적의 용접조건, 즉 충분한 접합강도가 유지되는 0~45도 각도로 레이저 빔이 조사되는 범위내의 1~6번 용접점을 접합한 다음 로봇제어기(5)의 명령을 전달받은 다관절 아암형 로봇(4)이 작동하여 용접지그(7)의 위치를 옮겨 7~14번 용접점과, 15~20번 용접점을 접합한 다음 상기 용접지그(7)의 교체 없이 다관절 아암형 로봇(4)의 로봇팔(19)에 장착된 용접지그(7)의 방향을 바꾸어 21~16번 용접점을 접합하고 다시 용접지그()의 위치를 옮겨 27~32 용접점과, 33~38번 용접점을 접합한다.

따라서 본 발명은 콘트롤러(6)와 로봇제어기(5)에 의하여 명령을 받는 다관절 아암형 로봇(4)의 3차원 공간내의 자유로운 운동에 의하여 로봇팔(19)에 결합된 용접지그(7)의 교체 없이 상기 용접지그(7)에 장착된 용접대상물의 위치와 각도를 최적의 레이저 빔 용접범위(각도)에 맞추어 접합하되 밀러 유니트(12)를 슬라이드 시키면서 레이저 빔을 조사하기 때문에 빠른 속도로 용접을 할 수 있다.

상술한 본 발명의 레이저 용접방법 및 장치는 차체 프레임 등 용접대상물을 고정하는 용접지그를 다관절 아암형 로봇에 장착하여 레이저광선조사기에서 조사되는 레이저 빔으로 접합함으로써 용접지그의 교체 없이 최적의 용접범위 내에서 신 속하고 정확하게 접합이 이루어지도록 하여 품질과 생산성을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 차체 프레임 등 용접대상물을 레이저 빔으로 접합하는 레이저 용접방법에 있어서,

   콘트롤러의 지령에 따라 레이저발진기로 광섬유를 거쳐 전송 가능한 레이저 빔을 발출하고, 발출된 레이저 빔을 레일을 따라 슬라이드 하는 밀러 유니트에 형성된 여러 개의 밀러로 수광하여 진로를 변경한 다음 회전방향과 각도가 자유롭게 변환되는 출광 밀러로 레이저 빔을 조사하여 다관절 아암형 로봇의 로봇팔에 결합되어 실린더에 의하여 작동하는 여러 개의 클램프로 용접지그에 고정된 용접대상물의 위치와 각도를 상기 용접지그의 교체 없이 변환하여 접합하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
2. 차체 프레임 등 용접대상물에 레이저 빔을 조사하여 접합하는 레이저 용접장치에 있어서,

   광섬유를 거쳐 전송 가능한 레이저 빔을 발출하는 레이저 발진기와;

   상기 레이저 발진기에서 발출된 레이저 빔을 레일을 따라 슬라이드 하는 밀러 유니트에 형성된 여러 개의 밀러로 수광하여 진로를 변경한 다음 회전방향과 각도가 자유롭게 변환되는 출광 밀러로 레이저 빔을 조사하도록 구성되며, 양 기둥 사이에 다관절 아암형 로봇의 작업 공간부가 마련된 레이저광선조사기와;

   상기 레이저광선조사기의 작업 공간부내에서 조사되는 레이저 빔으로 용접대상물을 접합하기 위하여 실린더에 의하여 작동하는 여러 개의 클램프로 상기 용접대상물을 고정하는 용접지그가 로봇팔에 결합된 다관절 아암형 로봇 및;

   상기 다관절 아암형 로봇을 제어하는 로봇제어기와 레이저발진기 및 레이저광선조사기를 통제하는 콘트롤러로 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 용접장치.

Images