KR100684614B1 - 마크 자동용접로봇 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마크 자동용접로봇 및 그 제어방법에 관한 것으로, 특히 마크 자동용접로봇을 제어하는 장치를 구현하여 무인자동화에 따른 인건비 절감 및 작업시간의 단축에 따른 생산성 향상과 함께 안정적인 토치의 이동이 가능하도록 하는 마크 자동용접로봇 및 그 제어방법에 관한 것이다.

본 발명의 마크 자동용접로봇은 상면에 래크 기어가 구비되고, 하부에는 레일 고정부가 구비되며, 양단에는 손잡이가 형성된 브래킷이 구비되되, 상기 레일 고정부는 본체의 하부에 압축 스프링에 의해 지지되는 볼 캐스터와, 상기 볼 캐스터의 측면에 구비되는 전자석으로 이루어지는 가이드 레일; 상기 가이드 레일의 양측에 밀착되어 가이딩되는 다수 개의 가이드 롤러가 구비되고, 상기 래크 기어에 맞물리는 피니언 기어를 구동시키는 캐리지 구동모터가 구비되며, 상단에 수평축과 수직축이 구비되는 캐리지; 상기 캐리지의 수평축에 장착되어 축 위를 이동하도록 구비되고, 케이블로 용접기에 연결되어 용접기의 제어에 의해 작동되는 용접토치; 상기 용접토치의 측단에 고정되어 작업 기준선을 인식하는 레이져 포인터와; 상기 캐리지, 용접기 및 작업 데이터가 전송되는 운영 컴퓨터와 케이블로 연결되어 운영 컴퓨터에서 전송되는 데이터에 의해 상기 캐리지 및 용접기를 제어하는 제어기; 상기 제어기에 케이블로 연결되고, 엘씨디 화면, 키패드 및 제어 스위치가 구비되어, 제어기에 전송된 데이터를 확인하고, 캐리지에 작업을 배분하며, 필요시 데이터를 수정하는 펜던트; 상기 가이드 레일의 진행 방향 및 수직 방향으로 구비된 힌지 (hinge); 흡착 시에 생기는 탄성과 상기 힌지의 힘을 이용하여 곡면에 흡착되는 진공흡착 패드; 및 상기 진공 흡착 패드 양단에 구비되어 상기 가이드 레일의 수직 방향으로 높낮이를 조절하는 패드 고정용 축;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

아크센서 쓰레드, 모션 쓰레드, 일시정지 쓰레드, 역 궤적 추적, 3차원 좌표 변환

Description

마크 자동용접로봇 및 그 제어방법{Mark automatic welding robot and control method thereof}

도 1은 종래의 마크 자동용접 장치의 개략도이다.

도 2는 종래의 브래킷부의 측면도이다.

도 3은 종래의 캐리지의 X축 이동 및 분리와 레일 고정부를 나타내는 단면도이다.

도 4는 종래의 캐리지의 Y축 및 Z축 이동을 나타내는 정단면도이다.

도 5는 종래의 캐리지의 Y축 및 Z축 이동을 나타내는 측단면도이다.

도 6은 본 발명의 제어장치가 적용된 마크 자동용접로봇을 개략적으로 나타낸 사시도이다.

도 7은 본 발명의 마크 자동용접로봇이 작업에 적용되기 위한 구성의 사시도이다.

도 8a는 본 발명의 진공 흡착 패드가 구비된 마크 자동용접로봇의 정면도이다.

도 8b는 본 발명의 패드 고정용 축이 구비된 마크 자동용접로봇의 정면도이다.

도 9a는 본 발명의 방수 커버를 도시하지 않은 마크 자동용접로봇의 제어장치의 사시도이다.

도 9b는 본 발명의 방수 커버를 도시한 마크 자동용접로봇의 제어장치의 사시도이다.

도 9c는 도 9a와 도 9b의 저면도이다.

도 10은 본 발명의 마크 자동용접로봇의 제어장치의 역 궤적 추적 시스템이다.

도 11a는 본 발명의 마크 자동용접로봇의 제어장치의 3차원 좌표 변환을 나타낸 좌표계이다.

도 11b는 본 발명의 마크 자동용접로봇의 제어장치의 3차원 좌표 변환 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 12는 본 발명의 마크 자동용접로봇의 제어장치의 아크센서를 이용한 Z축 제어방법을 나타낸 흐름도이다.

본 발명은 마크 자동용접로봇 및 그 제어방법에 관한 것으로, 특히 마크 자동용접로봇을 제어하는 장치를 구현하여 무인자동화에 따른 인건비 절감 및 작업시간의 단축에 따른 생산성 향상과 함께 안정적인 토치의 이동이 가능하도록 하는 마 크 자동용접로봇 및 그 제어방법에 관한 것이다.

도 1은 종래의 마크 자동용접 장치의 개략도이고, 도 2는 종래의 브래킷부의 측면도이며, 도 3은 종래의 캐리지의 X축 이동 및 분리와 레일 고정부를 나타내는 단면도이며, 도 4는 종래의 캐리지의 Y축 및 Z축 이동을 나타내는 정단면도이며, 도 5는 종래의 캐리지의 Y축 및 Z축 이동을 나타내는 측단면도이다.

종래의 마크 자동용접 장치는 가이드 레일(100), 캐리지(200), 용접토치(300), 레이져 포인터, 제어기(500) 및 펜던트(600)를 포함한다.

상기 가이드 레일(100)은 상기와 같이 상면에 래크 기어(130)가 구비되고, 하부에는 레일 고정부(120)가 구비되며, 양단에는 손잡이(112)가 형성된 브래킷(110)이 구비된다.

상기 레일 고정부(120)는 가이드 레일(100)의 본체 하부에 압축 스프링(122)에 의해 지지되는 볼 캐스터(124)와, 상기 볼 캐스터(124)의 측면에 구비되는 전자석(126)으로 이루어져, 이동시에는 전자석(126)을 오프시켜 전자석(126)이 선박의 외판과 일정한 간격으로 이격되어 볼 캐스터(124)에 의해 이동되게 하고, 작업시에는 전자석(126)을 온시켜 전자석(126)이 선박의 외판에 붙게 하여 장치가 고정된다.

상기 브래킷(110)은 상부에는 손잡이(112)가 형성되고, 하부는 상기 가이드 레일(100)의 폭보다 넓으며, 선박의 외판과 밀착되도록 형성하여 가이드 레일(100)의 전도방지 및 이동시 이용할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

캐리지(200)는 가이드 레일(100)의 양 측면과 밀착되어 가이딩되는 8개의 가 이드 롤러(210)가 내재되고, 상기 가이드 레일(100)의 래크 기어(130)와 맞물리는 피니언 기어(220)를 구동시키는 캐리지 구동모터(230)가 구비되어 캐리지 구동 모터(230)의 구동에 의해 가이드 레일(100)에서 슬라이딩되며, 캐리지 구동모터(230)의 하부로 외팔보 형태를 갖는 Y축(250)과 Z축 구동모터(242)에 의해 구동되는 볼 스크류(244)로 연결되고, 엘엠 가이드(LM Guide;246)에 의해 가이드 되어 Y축(250)을 상하로 이동시키는 Z축(240)이 구비된다.

상기 가이드 롤러(210)는 가이드 레일(100)을 중심으로 대칭적인 구조로 내재되고, 그 중에서 일측에 내재되는 가이드 롤러(210)는 텐션장치(212)를 가지는 세퍼레이팅 뭉치(214)로 지지되어, 작업시에는 텐션장치(212)에 의해 가이드 레일(100)에 밀착되어 슬라이딩되고, 작업완료 후에는 세퍼레이팅 뭉치(214)를 90°회전시켜 텐션장치(212)의 스프링을 압축함으로서 가이드 레일(100)에서 가이드 롤러(210) 즉, 캐리지(200)를 분리시킨다.

용접토치(300)는 Y축 구동모터(252)의 구동에 의해 래크앤피니언 기어(254) 구동방식으로 축상을 이동하도록 상기 캐리지(200)의 Y축(250) 상에 구비된다.

레이져 포인터(400)는 용접토치(300)의 측단에 고정되고, 작업 기준선과의 틀어진 정도를 자동으로 산출하여 작업간격 및 위치를 결정하게 된다.

제어기(500)는 별도의 제어기 이송용 캐리지(510)에 탑재되어, 상기 캐리지(200), 용접기(310) 및 운영 컴퓨터와 케이블(C)로 연결된다. 그리고, 용접 수축마진 등을 고려한 프로그램이 세팅되어, 캐리지(200) 및 용접기(310)의 동작을 제어함으로써, 용접토치(300)가 세팅된 작업을 할 수 있도록 한다.

이때, 용접토치(300)에 공급되는 전류를 감지하는 전류센서가 구비되어 용접시 공급되는 용접전류를 피드백받아 알고리즘이 계산되고, 그 알고리즘에 따라 지정된 용접전류보다 피드백 값이 높으면 용접토치의 높이를 높이고, 피드백 값이 지정된 용접전류보다 낮으면 용접토치의 높이를 낮추면서 용접토치의 높이를 자동으로 제어한다.

또한, 제어기(500)는 동시에 다수 개의 캐리지(200) 및 용접토치(300)를 제어할 수 있어서, 광범위한 작업구간의 작업시에도 동일한 가이드 레일(100) 상에서 일정한 구간을 나누어 다수 개의 캐리지(200) 및 용접토치(300)를 구비하여 동시에 작업시킬 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

펜던트(600)는 상기 제어기(500)에 케이블(C)로 연결되고, 엘씨디 화면, 키패드 및 제어 스위치가 구비되어, 운영 컴퓨터 및 제어기(500)에서 전송된 데이터를 확인하고, 캐리지(200) 및 용접기(310)에 작업을 배분하며, 필요시 데이터를 수정하는 일련의 작업이 수행된다.

상기와 같이 구성되는 종래의 마크 자동용접 장치는 다음과 같이 작동된다.

먼저, 작업할 판재에 기준선을 일정한 간격으로 마킹한다.

그리고, 설계 단계에서 생성되는 마크 및 문자정보를 랜(LAN)을 통하여 현장으로 전달하면 현장에 설치된 운영 컴퓨터에서 마크 및 문자 용접작업 데이터 파일을 작성하여 장치에 전송한다.

작업 데이터의 송수신이 완료되면, 기준선이 마킹된 선박의 외판이 될 판재에 장치를 올려놓고 볼 캐스터(114)를 이용하여 가이드 레일(100)을 기준선에 맞게 대략의 위치에 가져다 놓은 후, 레일 고정부(120)에 구비된 전자석(126)을 온시켜가이드 레일(100)을 판재에 고정시킨다. 이때, 가이드 레일(100)은 기준선에 정확히 세팅할 필요는 없다. 그러나, 레이져 포인터(400)의 성능을 감안할 때 가이드 레일(100)과 Y축(250) 각 100mm의 오차 범위 안에서 세팅되는 것이 바람직하다.

가이드 레일(100)이 작업 영역에 안착되면, 가이드 레일(100)에 설치된 캐리지(200)를 일정한 간격으로 마킹되어 있는 기준선으로 이동하여 캐리지(200)에 장착되어 있는 레이져 포인터(400)를 이용하여 기준선의 위치를 확인한다. 이때, 레이져 포인터(400)는 현재 캐리지(200)가 놓인 위치와 기준선과의 틀어진 정도를 자동으로 산출하여 작업간격 및 위치를 결정하게 된다.

상기와 같이 용접 준비가 끝나면, 작업자는 펜던트(600)를 이용하여 작업 내용을 확인하고, 용접을 시작시키면 이후 용접 수축 마진 등을 고려한 프로그램이 세팅된 제어기(500)에 의해 캐리지(200)와 용접토치(300)의 동작이 제어되어 문자 및 마킹의 용접이 수행된다. 더불어, 용접이 이루어지는 동안 용접전류를 감지하는 전류센서에 의해 용접전류를 피드백받아 계산된 알고리즘으로 용접토치(300)의 높이도 자동으로 제어된다.

용접작업이 완료되면, 레일 고정부(120)의 전자석(126)을 오프시켜 가이드 레일(100)을 판재에서 분리시키고, 보관장소로 이동시킨다. 그리고, 캐리지(200)의 세퍼레이팅 뭉치(214)를 90°회전시켜 텐션장치(212)의 스프링을 압축함으로써 가이드 레일(100)에서 가이드 롤러(210)를 분리시키고, 제어기(500)도 캐리지(200)에서 분리시켜서 제어기 이동용 캐리지(510)를 이용하여 보관장소로 이동시킨다.

상기와 같이 작동되는 마크 자동용접 장치는 작업량이 적거나, 작업구간이 짧은 경우에는 한 개의 캐리지(200)만 운용할 수 있고, 작업량이 많거나 작업구간이 긴 경우에는 일정구간을 다수 개의 캐리지(200) 및 용접토치(300)로 나누어 작업하는 것이 바람직하며, 이때 다수 개의 캐리지(200)는 한 대의 제어기(500) 및 용접토치(300)로 동작이 제어된다.

그러나, 상기와 같은 종래의 마크 자동용접로봇은 선체 외판의 3차원 곡면에 진공이 새어나가지 않게 흡착할 수 없고, 용접 시 흡착된 자세를 유지하여 흔들림을 방지할 수 없다. 또한, 용접 시 이상 현상이 발생하였을 경우에는 용접 이상이 발생한 지점을 추적할 수 없고, 3차원 곡면상의 전 자세 용접을 할 수 없다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 흡착 시에는 진공 흡착 패드의 탄성과 힌지의 힘을 이용하여 곡면에 흡착할 수 있고, 용접 시 이상 현상이 발생하였을 경우에는 아크센서 쓰레드, 모션 쓰레드 및 일시정지 쓰레드를 이용하여 용접 이상이 발생한 지점을 추적할 수 있으며, 아크 센서를 이용하여 와이어의 돌출길이를 검출함으로써 3차원 곡면상의 전 자세 용접의 자동화를 실현할 수 있는 마크 자동용접로봇 및 그 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상면에 래크 기어가 구비되고, 하부에는 레일 고정부가 구비되며, 양단에는 손잡이가 형성된 브래킷이 구비되되, 상기 레일 고정부는 본체의 하부에 압축 스프링에 의해 지지되는 볼 캐스터와, 상기 볼 캐스터의 측면에 구비되는 전자석으로 이루어지는 가이드 레일; 상기 가이드 레일의 양측에 밀착되어 가이딩되는 다수 개의 가이드 롤러가 구비되고, 상기 래크 기어에 맞물리는 피니언 기어를 구동시키는 캐리지 구동모터가 구비되며, 상단에 수평축과 수직축이 구비되는 캐리지; 상기 캐리지의 수평축에 장착되어 축 위를 이동하도록 구비되고, 케이블로 용접기에 연결되어 용접기의 제어에 의해 작동되는 용접토치; 상기 용접토치의 측단에 고정되어 작업 기준선을 인식하는 레이져 포인터와; 상기 캐리지, 용접기 및 작업 데이터가 전송되는 운영 컴퓨터와 케이블로 연결되어 운영 컴퓨터에서 전송되는 데이터에 의해 상기 캐리지 및 용접기를 제어하는 제어기; 상기 제어기에 케이블로 연결되고, 엘씨디 화면, 키패드 및 제어 스위치가 구비되어, 제어기에 전송된 데이터를 확인하고, 캐리지에 작업을 배분하며, 필요시 데이터를 수정하는 펜던트; 상기 가이드 레일의 진행 방향 및 수직 방향으로 구비된 힌지(hinge); 흡착 시에 생기는 탄성과 상기 힌지의 힘을 이용하여 곡면에 흡착되는 진공흡착 패드; 및 상기 진공 흡착 패드 양단에 구비되어 상기 가이드 레일의 수직 방향으로 높낮이를 조절하는 패드 고정용 축;을 포함하는 것을 특징으로 하는 마크 자동용접로봇을 제시한다.

또한, 본 발명은 용접토치가 작업수행을 위해 이동되는 연속궤적 제어, 키 조작 및 응급정지의 세마포어 신호를 각각의 하위 쓰레드에 특정의 간격으로 인가하고, 토치가 이동하여 작업을 수행하기 위한 교시점 및 토치의 방향 선회, 토치를 이동시키기 위한 입출력신호를 제어하는 데이터가 저장되도록 구성되는 메인 쓰레드를 포함한 마크 자동용접로봇에 있어서, 용접토치에 흐르는 전류를 검출하고, 용접토치가 이동하는 방향 축의 위치값을 산출하는 아크센서 쓰레드; 상기 아크센서 쓰레드에서 전달받은 위치값을 나타내는 위치로 용접토치를 이동시키고, 3차원 변환된 문자 궤적을 추적할 수 있게 용접토치가 이동하는 방향에 수직인 평면의 두 축을 연동시키는 모션 쓰레드; 및 상기 용접토치에 흐르는 전류의 일시 정지상태 여부를 모니터링하는 일시정지 쓰레드;를 포함하되, 일시 정지함수가 활성화되면 메인 쓰레드, 역 궤적 추적함수 및 모션 쓰레드가 서로 연결되어 용접 이상이 발생한 지점까지 역 궤적이 추적되는 것을 특징으로 하는 마크 자동용접로봇을 제시한다.

또한, 본 발명은 문자의 하단, 상단 및 측단의 교시점을 설정하는 제1단계; 에어 실린더 및 레이저 다이오드를 이용하여 상기 설정된 교시점을 교시하는 제2단계; 상기 교시점에 대한 각각의 공간좌표를 산출하는 제3단계; 상기 공간좌표에 대한 회전각도를 산출하는 제4단계; 및 상기 회전각도에

(여기서, x, y, z는 각각 X축, Y축, Z축의 값이고, C1, C2, C3는 각각 cos α, cos β, cos γ이며, S1, S2, S3는 각각 sin α, sin β, sin γ(α, β, γ는 각각 X축, Y 축, Z축 중심의 회전각도)이며, Teach_x, Teach_y는 교시된 교시점이고, offset은 토치의 중심과 교시점 간의 거리이다.)와 같은 회전변환행렬을 연산하여 레일 기준좌표를 곡면 기준좌표로 변환하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마크 자동용접로봇 제어방법을 제시한다.

또한, 본 발명은 아크 센서가 용접토치 단에 흐르는 전류를 검출하는 제1단계; 상기 검출된 전류를 아날로그/디지털(A/D) 변환하는 제2단계; 일정한 시간 동안 상기 아날로그/디지털(A/D) 변환된 전류의 평균값을 산출하는 제3단계; 상기 산출된 전류의 평균값을 칼만 필터에 의해 필터링하는 제4단계; 및 상기 필터링된 전류의 평균값과 획득된 전류값의 차를 일정하게 유지하기 위한, 용접토치가 이동하는 방향 축의 위치값을 산출하는 제5단계;를 포함하는 마크 자동용접로봇 제어방법을 제시한다.

이하, 본 발명을 도면을 통하여 상세히 설명하기로 한다.

도 6은 본 발명의 제어장치가 적용된 마크 자동용접로봇을 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 마크 자동용접로봇은 토치(705)를 X축선으로 이동시키는 X축 이송장치부(702), 토치(705)를 Z축선으로 승강 이동시키는 Z축 이송장치부(703) 및 토치(705)를 Y축선으로 이동시키는 Y축 이송장치부(704)로 이루어진다.

상기 X축 이송장치부(702)는 가이드 레일(701) 상에 슬라이드 이동이 가능하게 결합되고, Z축 이송장치부(704)는 X축 이송장치부(702)의 일 측에 슬라이드 승강 이동이 가능하게 결합되며, Y축 이송장치부(704)는 Z축 이송장치부(703)에 슬라 이드 이동이 가능하게 결합되어 구성되며, 상기 토치(705)는 Y축 이송장치부(704)에 고정되어 결합된다.

도 7은 본 발명의 마크 자동용접로봇이 작업에 적용되기 위한 구성의 사시도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 마크 자동용접로봇은 고소차(706)에 장착된 와이어 피더(707)와 용접기(708) 등에 연결되고, 컨트롤러로 구비된 팬던트(709)와는 전기적으로 또는 전자적으로 연결되어 장치를 운전할 수 있도록 한다.

작업자는 고소차(706) 상에 탑승하여 마크 자동용접로봇을 목적하는 작업위치로 이동시키고, 작업지점에서 장치의 장착과 함께 팬던트를 조작하여 작업구간에 대하여 용접할 수 있다.

도 8a는 본 발명의 진공 흡착 패드가 구비된 마크 자동용접로봇의 정면도이고, 도 8b는 본 발명의 패드 고정용 축이 구비된 마크 자동용접로봇의 정면도이다. 도 8a와 도 8b에 도시된 바와 같이, 마크 자동용접로봇의 흡착은 진공 흡착 패드(800)를 이용한다. 선체 외판의 3차원 곡면에 진공이 새어나가지 않게 흡착하기 위해서 가이드 레일(830)의 진행 방향 및 수직 방향으로 힌지(hinge, 810)가 구비되어 진공 흡착 패드(800)가 곡면에 대해 대응할 수 있도록 하고, 흡착 시에는 진공 흡착 패드(800)의 탄성과 힌지(810)의 힘을 이용하여 곡면에 흡착할 수 있다. 또한, 가이드 레일(830)의 수직 방향으로 높낮이를 조절하는 패드 고정용 축(820)을 진공 흡착 패드(800)의 양단에 구비하도록 하여 용접 시 흡착된 자세를 유지하여 흔들림을 방지한다.

도 9a는 본 발명의 방수 커버를 도시하지 않은 마크 자동용접로봇의 제어장 치의 사시도이고, 도 9b는 본 발명의 방수 커버를 도시한 마크 자동용접로봇의 제어장치의 사시도이며, 도 9c는 도 9a와 도 9b의 저면도이다. 도 9a 내지 도 9c에 도시된 바와 같이, 마크 자동용접로봇의 제어장치는 다음과 같이 구성된다.

상단에는 방수 커버(900)를 구비하도록 하여 전원 스위치(910) 또는 케이블 투입구(920)가 위치된 부분이 상단에서 떨어지는 물에 대비하도록 하고, 2개의 손잡이(930)를 위치시켜 이동이 용이하게 한다. 또한, 전면에는 진공센서(940)를 구비하도록 하여 작업자가 작업 중에 공급되는 압축공기의 압력을 체크할 수 있게 하고, 압력이 기준치 이하로 떨어지는 경우에는 경광등(950)을 동작시켜 사용자로 하여금 주의할 수 있게 한다.

하단에는 미끄러짐을 방지하기 위해 고무패드(970)를 구비하고, 공압부품과 전장부품이 배치되어 있는 부분의 중앙에 보호 커버(960)를 구비하여 레귤레이터(regulator)와 같은 공압부품에서 물이 흘러나올 수 있으므로 각종 안전사고에 대비하도록 한다.

상기 수직 곡면용 마크 자동용접로봇은 옥외에서 사용되기 때문에 각종 악천후에 대하여 대비해야만 한다. 특히, 제어반은 물, 열 및 먼지 등에 약하기 때문에 방수 및 방열 대책과 이 물질에 대한 대책이 필요하다. 또한, 수직 곡면용 마크 자동용접로봇의 제어장치는 고소차 상에 탑재되어야 하므로, 무게가 가볍고 조작성 및 이동성이 좋아야 한다.

도 10은 본 발명의 마크 자동용접로봇의 제어장치의 역 궤적 추적 시스템이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 마크 자동용접로봇의 제어장치의 역 궤적 추적 시 스템은 메인 쓰레드(1010), 팬던트 쓰레드(1020), 아크센서 쓰레드(1030), 모션 쓰레드(1040) 및 일시정지 쓰레드(1050)를 포함하는데, 이들 각각에 대하여 상세히 살펴보기로 한다.

메인 쓰레드(1010)는 용접토치가 작업수행을 위해 이동되는 연속궤적 제어, 키 조작 및 응급정지의 세마포어 신호를 각각의 하위 쓰레드에 특정의 간격으로 인가하고, 용접토치가 이동하여 작업을 수행하기 위한 교시점 및 용접토치의 방향 선회, 용접토치를 이동시키기 위한 입출력신호를 제어하는 데이터가 저장되도록 구성된다. 여기서, 메인 쓰레드(1010)의 세마포어 신호는 10ms의 시간 간격으로 인가되며, 이는 장치 내에 타이머(timer) 등을 구비하여 설정할 수 있다.

팬던트 쓰레드(1020)는 키 조작을 수행하기 위해 구비된 팬던트로 입력된 신호를 PC 제어부(1000)로 입력하고, PC 제어부(1000)에 의해 토치를 이동시키기 위한 장치의 구동상황을 출력하도록 구성되며, 세마포어 신호가 대기하기 위한 대기구문을 포함한다.

아크센서 쓰레드(1030)는 용접토치에 흐르는 전류를 검출하고, Z축(용접토치가 이동하는 방향 축)의 위치값을 산출한다.

모션 쓰레드(1040)는 아크센서 쓰레드(1030)에서 전달받은 위치값을 나타내는 위치로 용접토치를 이동시키고, 3차원 변환된 문자 궤적을 추적할 수 있게 X축과 Y축(용접토치가 이동하는 방향에 수직인 평면의 두 축)을 연동시킨다.

일시정지 쓰레드(1050)는 용접토치에 흐르는 전류의 일시 정지상태를 모니터링(monitoring)한다.

이상 현상이 생기지 않는 경우에는, 일시 정지함수가 메인 쓰레드(1010), 모션 쓰레드(1040) 및 아크센서 쓰레드(1030)를 연결한다. 그러나, 이상현상이 생기는 경우에는, 일시 정지함수가 활성화되어 X축, Y축, Z축의 모든 움직임을 정지시키고, 메인 쓰레드(1010), 역 궤적 추적함수(용접한 위치를 시간에 따라 역으로 나타내는 함수) 및 모션 쓰레드(1040)를 연결시킨다. 작업자가 팬던트에 값을 입력하고 궤적을 앞뒤로 조정하여 눈으로 토치를 원하는 위치에 위치시켜 놓은 후에 일시 정지함수를 비활성화시키면, 수행하던 작업을 계속 수행할 수 있다.

따라서, 마크 자동용접로봇을 이용하여 용접하는 과정에서 용접 토치의 팁이 막히거나 기타 이상 현상이 생기는 경우에, 일시 정지 기능을 이용하여 토치를 정지시키고, 정지된 위치에서 다시 용접을 준비할 수 있다. 상기와 같은 이상 현상이 생기는 경우에 팬던트의 버튼을 동시에 누르는 것은 거의 불가능하므로, 일시 정지상태에서 용접위치의 역 궤적을 추적하여 이상이 발생했던 위치까지 토치를 이동시킬 수 있다.

도 11a는 본 발명의 마크 자동용접로봇의 제어장치의 3차원 좌표 변환을 나타낸 좌표계이고, 도 11b는 본 발명의 마크 자동용접로봇의 제어장치의 3차원 좌표 변환 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 11a와 도 11b에 도시된 바와 같이, 마크 자동용접로봇의 제어장치는 다음과 같이 3차원 좌표 변환된다.

문자의 하단, 상단 및 측단의 교시점을 각각 P1, P2, P3로 설정하고(S100), 에어 실린더 및 레이저 다이오드를 이용하여 설정된 교시점을 교시한다(S110). 이를 통하여 교시점에 대한 각각의 X축, Y축, Z축의 좌표를 산출하면(S120), 데이터 생성 프로그램을 통해 생성된 가이드 레일의 기준좌표(0, 0, 0)와 교시를 통해 얻어진 평면 좌표와의 차이인 X축, Y축, Z축의 좌표에 대한 회전각도 α, β, γ를 산출할 수 있다(S130). 여기서, α, β, γ는 각각 X축 중심의 회전각도(P13의 Z/Y), Y축 중심의 회전각도(P12의 Z/X) 및 Z축 중심의 회전각도(P23의 X/Y)로 정의한다. 상기와 같이 산출된 회전각도 α, β, γ에 수학식 2와 같은 회전변환행렬을 연산하여 레일 기준좌표를 곡면 기준좌표로 변환한다(S140). 회전변환행렬은 로봇 기준 좌표계 A를 기준으로 하여 수학식 1과 같은 기준좌표(0, 0, 0)를 곡면 기준 좌표계 B의 점들로 표현하기 위하여 계산된다.

[수학식 1]

여기서, X, Y, Z : 3차원 좌표축

A : 로봇 기준 좌표계

B : 곡면 기준 좌표계

R : 회전변환행렬(rotation matrix)을 나타내는 기호

T : 전치행렬(translation matrix)을 나타내는 기호

^ : 단위행렬(unit matrix)을 나타내는 기호

3개의 교시점은 로봇 기준의 좌표 데이터이다. 상기 계산된 각도에 의해 교시된 평면 기준좌표 B 상의 곡면각도를 수학식 2의 회전변환행렬에 반영하고, 2번째 교시점의 XY 좌표만큼 이동하여 변환을 수행하며, 기준좌표(0, 0)를 좌표 A 기준으로 변환한다. 이동에는 토치의 중심과 레이저 다이오드의 차이를 계산에 포함시켜야 한다. 수학식 2에서는 그 차이는 offset으로 표현되었다. 여기서, 수학식 2에서 C와 S로 표현된 부분은 각각 코사인(cosine)과 사인(sine)을 나타내고, 1, 2 및 3으로 표현된 각도는 각각 α, β, γ를 나타낸다. 즉, C1, C2, C3는 각각 cos α, cos β, cos γ를 나타내고, S1, S2, S3는 각각 sin α, sin β, sin γ(α, β, γ는 각각 X축, Y축, Z축 중심의 회전각도)를 나타낸다. 또한, Teach_x, Teach_y는 교시된 교시점을 나타내고, 왜곡된 문자의 교시는 왜곡된 문자의 좌측 하단을 P2로 한다.

[수학식 2]

여기서, x, y, z : 각각 X축, Y축, Z축의 값

C1, C2, C3 : 각각 cos α, cos β, cos γ

S1, S2, S3 : 각각 sin α, sin β, sin γ

α, β, γ: 각각 X축, Y축, Z축 중심의 회전각도

도 12는 본 발명의 마크 자동용접로봇의 제어장치의 아크센서를 이용한 Z축 제어방법을 나타낸 흐름도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 마크 자동용접로봇의 제어장치의 아크센서를 이용한 Z축 제어방법은 다음과 같다.

아크 센서는 고소차 상에 설치된 와이어 피더의 토치단에 흐르는 전류를 검출하여(S200) 아날로그/디지털(A/D) 변환하고(S210), 그 평균값을 산출하여(S 20) 칼만 필터링에 의해 필터링한 후(S230), 용접토치가 이동하는 방향 축의 위치값을 산출한다(S240). 아크 센서를 이용하여 와이어의 돌출길이를 검출하여 토치가 면의 형상에 관계없이 일정한 높이에 있도록 Z축 및 용접조건을 제어함으로써 3차원 곡면상의 전 자세 용접의 자동화를 실현할 수 있다.

아크 센서는 용접 자동화에 있어 용접선의 추적에 주로 사용되고, 용접선의 추적은 아크 센서의 성능에 의존하며, 정확한 용접 전류의 피드백(feedback)이 이루어져야만 신뢰성이 있는 동작이 가능하다. 신뢰성이 있는 용접전류를 얻기 위하여 하드웨어 및 소프트웨어를 이용한 필터링 기법을 사용한다. 아크 센서에도 마찬가지로 필터링 기법이 이용되는데, 종래의 저역 필터(low pass filter)를 사용하지 않고, 칼만 필터(kalman filter)를 사용하였다(S230).

Z축의 제어는 필터링된 결과가 사용된다. 필터링된 결과를 이용하여 Z축의 위치값을 산출하면 Z축의 지령치가 주어지며, Z축은 설정된 칼만 이득과 전류의 변화량에 상당하는 이득이 주어져 제어된다. 전류의 에러량은 최초 용접을 수행한 후 에 일정한 시간(0.5초 정도) 동안의 전류를 평균하여 얻은 목표 전류값과 획득된 전류값의 차로 계산되고, 그 전류값의 차를 일정하게 유지하기 위한 Z축의 위치값을 계산한다(S240).

평균이 계산되는 구간이고, 이 구간에서는 계산된 Z축의 위치값에 관계없이 실린더로 인식한 최초의 Z축의 위치값을 그대로 유지하며, 정해진 시간 동안에는 아크 센서를 사용한 Z축 제어기능이 사용되지 않는다.

이상에서 살펴본 바와 같은 마크 자동용접로봇 및 그 제어방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술사상을 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

본 발명의 마크 자동용접로봇 및 그 제어방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 흡착 시에는 진공 흡착 패드의 탄성과 힌지의 힘을 이용하여 곡면에 흡착할 수 있다.

둘째, 용접 시 이상 현상이 발생하였을 경우에는, 아크센서 쓰레드, 모션 쓰레드 및 일시정지 쓰레드를 이용하여 용접 이상이 발생한 지점을 추적할 수 있다.

셋째, 아크 센서를 이용하여 와이어의 돌출길이를 검출함으로써 3차원 곡면상의 전 자세 용접의 자동화를 실현할 수 있다.

Claims (4)

1. 상면에 래크 기어가 구비되고, 하부에는 레일 고정부가 구비되며, 양단에는 손잡이가 형성된 브래킷이 구비되되, 상기 레일 고정부는 본체의 하부에 압축 스프링에 의해 지지되는 볼 캐스터와, 상기 볼 캐스터의 측면에 구비되는 전자석으로 이루어지는 가이드 레일;

   상기 가이드 레일의 양측에 밀착되어 가이딩되는 다수 개의 가이드 롤러가 구비되고, 상기 래크 기어에 맞물리는 피니언 기어를 구동시키는 캐리지 구동모터가 구비되며, 상단에 수평축과 수직축이 구비되는 캐리지;

   상기 캐리지의 수평축에 장착되어 축 위를 이동하도록 구비되고, 케이블로 용접기에 연결되어 용접기의 제어에 의해 작동되는 용접토치;

   상기 용접토치의 측단에 고정되어 작업 기준선을 인식하는 레이져 포인터와; 상기 캐리지, 용접기 및 작업 데이터가 전송되는 운영 컴퓨터와 케이블로 연결되어 운영 컴퓨터에서 전송되는 데이터에 의해 상기 캐리지 및 용접기를 제어하는 제어기;

   상기 제어기에 케이블로 연결되고, 엘씨디 화면, 키패드 및 제어 스위치가 구비되어, 제어기에 전송된 데이터를 확인하고, 캐리지에 작업을 배분하며, 필요시 데이터를 수정하는 펜던트;

   상기 가이드 레일의 진행 방향 및 수직 방향으로 구비된 힌지(hinge);

   흡착 시에 생기는 탄성과 상기 힌지의 힘을 이용하여 곡면에 흡착되는 진공 흡착 패드; 및

   상기 진공 흡착 패드 양단에 구비되어 상기 가이드 레일의 수직 방향으로 높낮이를 조절하는 패드 고정용 축;

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 마크 자동용접로봇.
2. 용접토치가 작업수행을 위해 이동되는 연속궤적 제어, 키 조작 및 응급정지의 세마포어 신호를 각각의 하위 쓰레드에 특정의 간격으로 인가하고, 토치가 이동하여 작업을 수행하기 위한 교시점 및 토치의 방향 선회, 토치를 이동시키기 위한 입출력신호를 제어하는 데이터가 저장되도록 구성되는 메인 쓰레드를 포함한 마크 자동용접로봇에 있어서,

   용접토치에 흐르는 전류를 검출하고, 용접토치가 이동하는 방향 축의 위치값을 산출하는 아크센서 쓰레드;

   상기 아크센서 쓰레드에서 전달받은 위치값을 나타내는 위치로 용접토치를 이동시키고, 3차원 변환된 문자 궤적을 추적할 수 있게 용접토치가 이동하는 방향에 수직인 평면의 두 축을 연동시키는 모션 쓰레드; 및

   상기 용접토치에 흐르는 전류의 일시 정지상태 여부를 모니터링하는 일시정지 쓰레드;

   를 포함하되, 일시 정지함수가 활성화되면 메인 쓰레드, 역 궤적 추적함수 및 모션 쓰레드가 서로 연결되어 용접 이상이 발생한 지점까지 역 궤적이 추적되는 것을 특징으로 하는 마크 자동용접로봇.
3. 문자의 하단, 상단 및 측단의 교시점을 설정하는 제1단계;

   에어 실린더 및 레이저 다이오드를 이용하여 상기 설정된 교시점을 교시하는 제2단계;

   상기 교시점에 대한 각각의 공간좌표를 산출하는 제3단계;

   상기 공간좌표에 대한 회전각도를 산출하는 제4단계; 및

   상기 회전각도에 하기 수학식과 같은 회전변환행렬을 연산하여 레일 기준좌표를 곡면 기준좌표로 변환하는 제5단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 마크 자동용접로봇 제어방법.

   [수학식]

   

   여기서, x, y, z : 각각 X축, Y축, Z축의 값

   C1, C2, C3 : 각각 cos α, cos β, cos γ

   S1, S2, S3 : 각각 sin α, sin β, sin γ

   α, β, γ : 각각 X축, Y축, Z축 중심의 회전각도

   Teach_x, Teach_y : 교시된 교시점

   offset : 교시점과 토치 중심 간의 거리차
4. 아크 센서가 용접토치 단에 흐르는 전류를 검출하는 제1단계;

   상기 검출된 전류를 아날로그/디지털(A/D) 변환하는 제2단계;

   일정한 시간 동안 상기 아날로그/디지털(A/D) 변환된 전류의 평균값을 산출하는 제3단계;

   상기 산출된 전류의 평균값을 칼만 필터에 의해 필터링하는 제4단계; 및

   상기 필터링된 전류의 평균값과 획득된 전류값의 차를 일정하게 유지하기 위한, 용접토치가 이동하는 방향 축의 위치값을 산출하는 제5단계;

   를 포함하는 마크 자동용접로봇 제어방법.

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