KR100737680B1 - 실링비드 및 본 용접의 동시수행이 가능한 자동용접장치및 이를 이용한 자동용접방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실링비드 및 본 용접의 동시수행이 가능한 자동용접장치 및 이를 이용한 용접방법에 관한 것이며, 그 목적은 레이저 비전 센서를 이용하여 갭의 형상 및 실링비드의 유무를 인식한 후, 측정된 갭의 형상에 따라 실링비드 크기를 제어하여 균일한 실링비드를 형성하고, 이어서 본 용접을 수행하여 종래의 실링비드 및 본 용접 공정으로 이원화된 종래의 용접공정을 일원화시켜 생산성 및 인건비를 절감할 수 있는 실링비드 및 본 용접의 동시수행이 가능한 자동용접장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기 목적달성을 위한 본 발명은 실링비드를 형성하는 실링비드 용접부와 본 용접작업을 수행하는 본 용접부가 순차적으로 위치하도록 모션 기구부에 설치되고, 상기 실링비드 용접부의 전방에 레이저 비젼센서가 설치되어 검출된 갭의 크기에 따라 설정되는 오실레이션 폭만큼 실링비드 용접부를 좌우방향으로 움직여 실링비드를 형성하고 이후 본 용접부에서 레이저 비젼센서에서 인식된 용접선을 자동으로 추적하여 본 용접작업을 수행하도록 구성된 자동용접장치 및 이를 이용한 용접방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

레이저 비젼센서, 실링비드 용접부, 오실레이션 기구부, 본 용접부, 자동용접조건 제어부

Description

실링비드 및 본 용접의 동시수행이 가능한 자동용접장치 및 이를 이용한 자동용접방법{Automatic welding system and process which can be able to accomplish seal and main weld simultaneously}

도 1 은 본 발명에 따른 자동용접시스템의 구성을 나타낸 구성도

도 2 는 판재의 용접상태를 나타낸 단면도

도 3 은 종래의 판재 용접 공정을 나타낸 공정 예시도

도 4 는 판재 용접 중 발생할 수 있는 용접부의 형상을 나타낸 단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 레이저 비젼센서

(2) : 오실레이션 기구부

(3) : 오실레이션 용접부

(4) : 본 용접부

(5) : 모션 기구부

(6) : 자동용접조건 제어부

(7) : 판재

(8) : 갭

(9) : 실링비드

본 발명은 실링비드 및 본 용접의 동시수행이 가능한 자동용접장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용접부위의 갭 유무에 상관없이 용접선의 중심점을 자동으로 인식하며 실링비드 및 본 용접을 수행하도록 구성된 자동용접장치 및 방법에 관한 것이다.

종래의 판재 용접의 경우, 두께의 제약조건 때문에 도 2와 같이 양면 용접을 통해 조립되며, 상·하면 개별 용접시 판재의 갭(Gap) 정도에 따라 본 용접시 발생할 수 있는 용접부의 용락(Burn through)을 방지하기 위해 작업자가 실링비드를 GMAW(Gas Metal Arc Welding)공법을 이용해 수행하게 된다. 따라서 판재 용접을 위해서는 일반적으로 도 3과 같이 수동 실링비드 용접을 행한 후 본 용접을 수행하는 두 가지의 분리 작업을 통해 판재 용접이 이루어지게 된다.

상기와 같은 종래의 용접방식은 판재를 용접하는데 막대한 시간이 소요되고, 실링비드 용접자와 본 용접 작업자를 따로 구분하여 선정해야 하기 때문에 인건비 또한 2배로 소요되는 단점이 있었다. 또한, 실링비드 용접의 경우 작업자에 의한 수작업으로서 작업자의 기량에 전적으로 의존하게 되므로 작업자의 숙련도에 따라 실링비드의 직진성 및 일관성이 보장되지 못하는 단점이 있었다.

한편, 판재 용접시 발생할 수 있는 용접부재 형상은 도 4와 같이 판과 판 사이에 갭이 없는 경우, 판과 판 사이에 갭이 있는 경우, 판과 판 사이에 실링비드가 존재하는 경우의 3가지로 분류될 수 있다.

위에 열거된 3가지 용접부재 형상은 종래의 용접시스템이 본 용접 자동화를 구현하는데 많은 걸림돌이 되는 요소로 작용한다.

한편, 종래의 용접 자동화를 구현하기 위한 시스템은 크게 인덕티브 센서(Inductive Sensor)를 이용하여 용접부를 자동으로 추적하는 방법과, 레이저 비젼센서(Laser Vision Sensor)를 이용하여 용접부를 추적하는 방법으로 나눌 수 있다.

인덕티브 센서는 센서 자체에서 발생하는 와류를 이용한 것으로, 용접부 갭이 존재하는 경우, 와류의 불연속점이 발생하는 원리를 응용한 것이다. 즉, 용접부에 갭이 존재하는 경우 갭 양 끝단 와류의 크기가 달라지며, 이에 따라 값이 변화되는 특이점의 중심값을 추정하여 용접부를 추적하는 방식을 채택한 것이나, 아래와 같은 문제점을 갖고 있다.

1. 센서의 응답 특성이 늦기 때문에 고속 용접에 적용하기에 무리가 있다.

2. 실링비드가 존재할 경우, 갭 유·무에 대한 정확한 정보를 얻기 어렵기 때문에 오작동이 발생할 소지가 있다.

이와 같은 이유로 인해 인덕티브 센서를 이용한 판재용접 자동화가 매우 어려운 실정이며, 실제 적용시에도 많은 문제점이 내재하기 때문에 많은 실패 사례가 있었다.

레이저 비젼센서는 판재의 갭 형상에 대한 많은 정보를 얻을 수 있는 장점이 있으나, 아래와 같은 단점을 갖고 있다.

1. 갭이 존재하는 경우, 갭이 없는 경우 및 실링비드가 존재하는 경우에 대한 용접선 자동추적 알고리즘이 분리되어 실행되어야 하나, 갭이 있는 경우와 실링비드가 있는 경우 모두 용접선 추적을 수행하는 알고리즘으로 구성되어 있다.

2. 실링비드의 경우, 수작업에 의존하기 때문에 일직선으로 형성되지 않고 불규칙적인 곡선으로 형성되기 때문에 레이저 비젼센서를 이용한 용접선 추적 결과가 매우 불량하며, 결국 용접결함을 유발하게 되는 문제점이 발생되었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출되는 것으로, 그 목적은 레이저 비젼센서를 이용하여 갭의 형상 및 실링비드의 유무를 인식한 후, 측정된 갭의 형상에 따라 실링비드 크기를 제어하여 균일한 상태의 실링비드 형성이 가능하고, 이어서 본 용접을 수행하도록 구성되어 종래의 실링비드 및 본 용접 공정으로 이원화된 용접공정을 일원화시켜 생산성 및 인건비를 절감할 수 있는 실링비드 및 본 용접의 동시수행이 가능한 자동용접장치 및 용접방법을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 용접부의 갭 형상 및 실링비드 유무를 인식하는 레이저 비젼센서와, 상기 레이저 비젼센서의 후단에 위치하도록 설치된 실링비드 용접부와, 상기 레이저 비젼센서에서 획득된 갭 형상에 따라 실링비드 용접부의 좌·우방향 오실레이션폭을 조정하여 실링비드의 크기를 결정하는 오실레이션 기구부와, 상기 실링비드 용접부의 후단에 설치되어 본 용접을 수행하는 본 용접부와, 상기 용접부와 오실레이션 기구부 및 레이저 비젼센서를 상하·좌우로 이동시키는 모션 기구부와, 1차 용접전원의 변화에 의해 2차 용접전압/전류값이 변화할 경우, 이를 센싱하여 사용자가 설정한 값으로 용접조건을 제어해주는 자동용접조건 제어부로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 레이저 비젼센서를 통해 용접부의 갭의 유무 및 그 형상을 판단하는 단계(S1)와, 상기 단계(S1)를 통해 갭이 인식될 경우, 갭의 크기를 인식하는 단계(S2)와, 상기 단계(S1)를 통해 그 크기가 인식된 갭의 용접선 중심점 인식 및 상하·좌우방향 모션 기구부를 통해 용접선을 추적하는 단계(S3)와, 상기 단계(S2)를 통해 인식된 갭의 크기에 따라 오실레이션 기구부에 적정 실링비드를 형성하기 위한 오실레이션 폭을 설정하는 단계(S4)와, 상기 단계(S4)를 통해 설정된 오실레이션 폭에 따라 실링비드를 형성하는 단계(S5)와, 오실레이션 기구부의 후단에 설치된 본 용접부를 통해 본 용접을 수행하는 단계(S6)와, 본 용접부에 구성된 용접기가 1차 용접전원의 변화에 의해 2차 용접전압/전류값이 변화할 경우, 이를 사용자가 설정한 값으로 제어해 주는 자동용접조건 제어부를 실행하는 단계(S7)와, 상기 단계(S1)를 통해 갭이 인식되지 않을 경우, 이전 추적 경로를 통해 용접선을 추적하는 단계(S8)와, 레이저 비젼센서를 통해 용접부 끝단을 인식 및 인식된 용접부 끝단과 본 용접장치의 거리 및 용접속도를 이용해 용접을 마무리 하는 단계(S9)로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명에 따른 자동용접장치의 구성을 나타낸 구성도를 도시한 것으로, 본 발명의 자동용접장치는 레이저 비젼센서(1), 오실레이션 기구부(2), 오실레이션 용접부(3), 본 용접부(4), 모션 기구부(5), 자동용접조건 제어부(6)로 구성되어 있다.

상기 레이저 비젼센서(1)는 용접부의 갭(8)의 유무 및 갭(8)의 크기를 인식하는 것으로, 통상 시각센서는 3차원 혹은 2차원 형상 정보를 카메라를 통해 획득한 다음, 이를 적절히 처리하여 용접선 자동추적 및 형상 인식 등에 사용되는 센서이며, 용접공정에 적용되는 일반적인 구성은 반도체 레이저, 카메라, 반도체 레이저의 파장대만을 통과시키는 대역통과필터, 카메라에 영상을 맺히게 하기 위한 렌즈 등으로 이루어진다.

한편, 상기 반도체 레이저(Diode Laser)는 반도체 특정을 이용하여 레이저를 발생시키는 장치로서, 가시영역의 적외선을 방출하게 되며, 종류에 따라 점(Point) 형태의 레이저를 발생시키는 경우와, 원통형 렌즈를 이용하여 선(Line) 형태의 레이저를 발생시키는 경우로 나룰 수 있다. 또한 발생된 레이저는 측정하고자 하는 물체에 반사되며, 대역통과필터 및 렌즈를 통해 카메라에 영상이 맺히게 된다.

상기 오실레이션 기구부(2)는 레이저 비젼센서(1)를 통해 획득된 갭(8)의 크기에 따라 실링비드(9)의 폭을 설정하는 것으로, 레이저 비젼센서(1)의 후단에 위치하도록 모션 기구부(5)에 설치되고, 레이저 비젼센서(1)에 의해 획득된 갭(8)의 크기에 따라 오실레이션 용접부(3)의 좌우방향 이동폭을 설정하도록 구성되어 있다.

상기 오실레이션 용접부(3)는 본 용접전 용접부 갭(8)을 채워주는 것으로, 상기 오실레이션 기구부(2)에 설치되며, 오실레이션 기구부(2)에 설정된 이동폭만큼 좌우방향으로 움직이며 실링비드(9)를 형성하도록 구성되어 있다.

상기 본 용접부(4)는 실링비드(9)가 형성된 용접부에 본 용접을 수행하는 것으로, 상기 오실레이션 용접부(3)의 후단에 위치하도록 모션 기구부(5)에 설치되어 레이저 비젼센서(1)에 의해 인식된 용접선을 따라 본 용접을 수행하도록 구성되어 있다.

상기 모션 기구부(5)는 레이저 비젼센서(1), 오실레이션 기구부(2), 본 용접부(4)의 상하·좌우방향의 모션을 제어하는 것으로, 기 설정된 와이어 공급속도, 용접토치의 이송속도 등의 데이터와 레이저 비젼센서(1)에 의해 검출되는 용접선 추정데이터에 따라 센서 및 용접토치를 이송시키며 용접작업을 수행하도록 구성되어 있다.

한편, 상기 오실레이션 기구부(2)는 오실레이션 용접 토치의 오실레이션 동작을 위해 1개의 스텝 모터로 구성되어 있으며, 모션 기구부(5)는 AC 서보모터를 이용해 용접진행방향으로의 이동 및 상하·좌우방향의 모션을 수행하도록 3축으로 구성되어 있다.

상기 자동용접조건 제어부(6)는 1차 용접전원의 변화에 의한 용접불량을 방지는 것으로, 1차 용접전원의 변화에 의해 2차 용접전압/전류값이 변화하는 것을 센싱하여, 변화값이 검출된 경우, 이를 사용자가 기 설정해둔 값으로 제어해 주어 용접조건 변화에 따른 용접불량을 방지하도록 구성되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 자동용접장치는 모션 기구부(5)에 의해 레이저 비젼센서(1) 및 오실레이션 기구부(2), 본 용접부(4)가 용접선에 위치하게 되며, 이때 레이저 비젼센서(1)는 용접부의 갭(8) 유무를 판단하게 된다, 여기서 갭(8)이 감지된 경우, 레이저 비젼센서(1)는 갭(8)의 폭을 측정하여 오실레이션 용접부(3)의 좌우방향 이동폭, 즉 오실레이션 폭을 설정하게 되고, 모션 기구부(5)를 통해 용접선을 추적하게 된다.

한편, 모션 기구부(5) 및 레이저 비젼센서(1)에 의한 용접선 추적과정이 진행되는 동안, 오실레이션 기구부(2)는 갭(8)의 크기에 따라 설정된 오실레이션 폭만큼 오실레이션 용접부(3)를 좌우방향으로 이동시키며 실링비드(9)를 형성하게 되며, 이어서 오실레이션 용접부의 후단에 설치된 본 용접부(4)가 본 용접작업을 수행하게 된다.

한편, 자동용접조건 제어부(6)는 본 작업이 진행하는 동안 2차 용접전압 및 전류값을 센싱하여 변화값이 검출될 경우, 사용자에 의해 설정되어 있는 값으로 제어해 주어 용접조건 변화에 따른 용접불량을 방지하게 된다.

한편, 상기 레이저 비젼센서(1)에 의해 갭(8)이 검출되지 않을 경우, 이전 추적 경로를 통해 용접선을 추적하게 되며, 이때 1차 회귀 분석법(Linear regression)을 이용한 알고리즘에 의해 용접선을 추적하게 된다.

상기와 같은 용접과정이 진행되어 레이저 비젼센서(1)에 의해 용접부 끝단이 인식되며, 인식된 용접부 끝단과 본 용접장치의 거리 및 용접속도를 이용해 모션 기구부(5)를 일정거리 더 이동시킴으로서 용접작업을 완료하게 된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명은 종래의 실링비드 용접과 본 용접 공정이 이원화된 판재 용접공정을 일원화시킴으로써 생산성 향상 및 인건비 절감 효과를 기대할 수 있고, 장치의 선단에 설치된 레이저 비젼센서를 통해 갭 형상 인식 및 이를 통한 오실레이션 폭 설정이 가능하여 최적의 실링비드 형성이 가능해지며, 갭 이 존재하지 않은 경우라도 용접선 추적 데이터를 통해 용접선 추적이 가능해 갭의 유무에 상관없이 자동용접이 가능한 효과가 있다. 또한, 1차 전원의 변화에 대응하여 용접조건을 자동 제어함으로써 용접품질을 향상시킬 수 있는 효과 등이 있는 것이다.

Claims (2)

1. 용접부의 갭(8) 형상 및 실링비드(9) 유무를 인식하는 레이저 비젼센서(1)와,

   상기 레이저 비젼센서(1)의 후단에 위치하도록 설치된 실링비드(9) 용접부와,

   상기 레이저 비젼센서(1)에서 획득된 갭(8) 형상에 따라 실링비드(9) 용접부의 좌·우방향 오실레이션폭을 조정하여 실링비드(9)의 크기를 결정하는 오실레이션 기구부(2)와,

   상기 실링비드(9) 용접부의 후단에 설치되어 본 용접을 수행하는 본 용접부(4)와,

   상기 용접부와 오실레이션 기구부(2) 및 레이저 비젼센서(1)를 상하·좌우로 이동시키는 모션 기구부(5)와,

   1차 용접전원의 변화에 의해 2차 용접전압/전류값이 변화할 경우, 이를 센싱하여 사용자가 설정한 값으로 용접조건을 제어해주는 자동용접조건 제어부(6)로 구성된 것을 특징으로 하는 실링비드 및 본 용접의 동시수행이 가능한 자동용접장치.
2. 레이저 비젼센서를 통해 용접부의 갭의 유무 및 그 형상을 판단하는 단계(S1)와,

   상기 단계(S1)를 통해 갭이 인식될 경우, 갭의 크기를 인식하는 단계(S2)와,

   상기 단계(S1)를 통해 그 크기가 인식된 갭의 용접선 중심점 인식 및 상하·좌우방향 모션 기구부를 통해 용접선을 추적하는 단계(S3)와,

   상기 단계(S2)를 통해 인식된 갭의 크기에 따라 오실레이션 기구부에 적정 실링비드를 형성하기 위한 오실레이션 폭을 설정하는 단계(S4)와,

   상기 단계(S4)를 통해 설정된 오실레이션 폭에 따라 실링비드를 형성하는 단계(S5)와,

   오실레이션 기구부의 후단에 설치된 본 용접부를 통해 본 용접을 수행하는 단계(S6)와,

   본 용접부에 구성된 용접기가 1차 용접전원의 변화에 의해 2차 용접전압/전류값이 변화할 경우, 이를 사용자가 설정한 값으로 제어해 주는 자동 용접조건 장치를 실행하는 단계(S7)와,

   상기 단계(S1)를 통해 갭이 인식되지 않을 경우, 이전 추적 경로를 통해 용접선을 추적하는 단계(S8)와,

   레이저 비젼센서를 통해 용접부 끝단을 인식 및 인식된 용접부 끝단과 본 용접장치의 거리 및 용접속도를 이용해 용접을 마무리 하는 단계(S9)로 이루어진 것을 특징으로 하는 실링비드 및 본 용접의 동시수행이 가능한 자동용접방법.

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