KR100762365B1 - 아크센서의 특성이 반영된 확률적 모델을 통한 용접심 추적방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아크센서의 특성이 반영된 확률적 모델을 통한 용접심 추적 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 용접로봇 제어기가 아크센서를 구동하여 용접 개시점으로 이동하는 단계; 상기 용접로봇 제어기가 실험 데이터를 얻기 위한 용접을 수행하여 매측정시간마다 전류값을 추출하는 단계; 상기 용접로봇 제어기가 상기 추출된 전류값을 이용하여 산출된 데이터의 평균값과 편차를 산출하는 단계; 상기 용접로봇 제어기가 상기 산출된 평균값과 편차를 이용하여 정규 분포 함수를 산출하는 단계; 상기 용접로봇 제어기가 확률모델을 산출하여 상기 확률 데이터, 아크센서의 거리값, 전류값을 통해 보정거리를 계산하는 단계; 및 상기 용접로봇 제어기가 상기 보정거리에 따라 용접로봇을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크센서의 특성이 반영된 확률적 모델을 통한 용접심 추적 방법이 제공된다.

용접로봇, 용접로봇 제어기, 전류검출부, 제어부

Description

아크센서의 특성이 반영된 확률적 모델을 통한 용접심 추적 방법{Seam Tracking Method of Welding Robot Based on Probability Model Considered The Property of 'Through-Arc' Sensor}

도 1은 본 발명에 따른 아크센서의 특성이 반영된 확률적 모델을 통한 용접심 추적 시스템을 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 아크센서의 특성이 반영된 확률적 모델을 통한 용접심 추적 방법을 나타내는 흐름도.

도 3은 본 발명에 따른 아크센서의 특성이 반영된 정규 분포 함수를 나타내는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 용접로봇 111 : 용접토치

200 : 용접로봇 제어기 210 : 전류검출부

220 : 변환부 230 : 저장부

250 : 제어부

본 발명은 아크센서의 특성이 반영된 확률적 모델을 통한 용접심 추적 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용접시 용접토치가 그루브 양단 사이를 움직이는 동안 전류값을 측정하는 과정에서, 용접 전류값을 기준으로 확률적 방법을 도입하여, 자동 추적에 따른 오차를 방지하도록 한 아크센서의 특성이 반영된 확률적 모델을 통한 용접심 추적 방법에 관한 것이다.

종래에는 용접기의 특성에 따라 용접 토치-모재간 거리 변화에 의한 전류 및 전압값 변화를 이용하는데, 소모성 전극봉을 이용하는 가스메탈 아크용접(GMAW:Gas Metal Are Welding)인 경우, 용접 토치-모재간 거리가 증가함에 따라 측정되는 전류값은 감소하고, 거리가 줄어들수록 용접 전류값은 증가하게 되는 원리를 이용해 용접토치(Torch) 가 그루브(Groove)양단 사이를 움직이는 동안 전류값을 측정하여 용접선 추적을 행하게 된다.

하지만, 전극봉과 모재 사이의 거리에 따른 전류값 측정시 금속이행모드(Metal Transfer)에 의해 전류 및 전압값의 변화가 심하고, 또한 전기적인 잡음(Noise)에 의해 측정되는 용접전류 신호의 신빙성이 떨어지는데, 이는 아크센서(Are Sensor)의 정밀도 및 기능을 저하시키는 요인이 되었다.

즉, 종래의 아크센서 알고리즘은 세가지 방법으로 전류 신호 측정이 행해졌는데, 첫 번째 방법은 그루브 양단 근처에서 전류값을 측정하는 방법이며, 두 번째 방법은 그루브, 토치의 위빙(Weaving) 중 그루브 측정 구간을 이등분하여, 이 이등 분한 각 측정 구간의 측정된 전류값을 적분한 차이 만큼 용접토치를 이송하는 방법이고, 세 번째 전류 신호 측정 방법은 두 번째 방법과 마찬가지로 그루브, 토치의 위빙 중 그루브 측정 구간을 이등분 하는데, 이 이등분한 각 측정 구간의 측정된 전류값을 평균하여, 이 평균된 값들의 차이만큼 용접토치를 이송하는 방법이다.

이때, 첫 번째 방법인 그루브 양단 근처에서 전류값을 측정하여 용접토치를 이송하는 방법에 있어서의 문제점은 그루브 양 끝단 근처에서 전기적인 잡음에 의해 측정된 전류 신호가 왜곡되는 경우 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있으며, 두 번째와 세 번째 방법인 적분법과 전류 평균값을 이용하는 아크센서의 경우 전기적인 잡음에 대한 민감도는 덜하지만, 아크센서의 추적 성능이 감소하는 문제점이 발생되었다.

또한, 아크센서를 이용한 용접심 추종 방법의 가장 큰 문제점은 용접조건, 즉, 용접 전류/전압, 아크 전압/전류, 용접속도, 가스방출 비율등과 같은 요소에 대해서만 수학적인 모델이 고려되었기 때문이다.

다시 말해, 아크센서의 특성은 전혀 고려되지 않았기 때문에 종래의 아크 센서를 이용한 용접심 추종 방법에 많은 어려움이 있었다.

따라서, 종래의 방법들은 아크센서를 통해 들어온 데이터를 단순히 전기적인 노이즈로 판단하여 의미있는 데이터 조차도 노이즈로 보는 문제점이 발생되었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 용접조건을 고려한 아크 센서의 특성을 이용하여 최적 용접조건 설정과 용접품질 및 용접선 자동 추적을 할 수 있도록 하는 아크센서의 특성이 반영된 확률적 모델을 통한 용접심 추적 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 아크센서의 특성이 반영된 확률적 모델을 통한 용접심 추적 방법은 (a) 용접로봇 제어기가 아크센서를 구동하여 용접 개시점으로 이동하는 단계(S1); (b) 상기 용접로봇 제어기가 실험 데이터를 얻기 위한 용접을 수행하여 매측정시간마다 전류값을 추출하는 단계(S3); (c) 상기 용접로봇 제어기가 상기 추출된 전류값을 이용하여 산출된 데이터의 평균값과 편차를 산출하는 단계(S5); (d) 상기 용접로봇 제어기가 상기 산출된 평균값과 편차를 이용하여 정규 분포 함수를 산출하는 단계(S7); (e) 상기 용접로봇 제어기가 확률모델을 산출하여 상기 확률 데이터, 아크센서의 거리값, 전류값을 통해 보정거리를 계산하는 단계(S9); 및 (f) 상기 용접로봇 제어기가 상기 보정거리에 따라 용접로봇을 제어하는 단계(S11); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 아크센서의 특성이 반영된 확률적 모델을 통한 용접심 추적 방법에 대한 일실시예로서는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 가장 바람직한 일 실시예에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 아크센서의 특성이 반영된 확률적 모델을 통한 용접 심 추적 시스템을 도시한 도면이다.

상기 도 1을 참조하면, 본 발명은 피용접물에 용접토치(111)를 이용하여 용접을 수행하는 용접로봇(110), 상기 용접로봇의 용접토치가 용접할 모재와 용접토치(111) 사이의 거리를 측정하기 위해 이들 사이의 용접 전류값을 측정하는 아크센서를 통해 측정된 용접 전류값으로 용접로봇을 제어하는 용접로봇제어기(200)를 포함한다.

이때, 용접로봇제어기(200)는 피용접물에서 발생되는 아크전류를 검출하여 파형으로 출력하는 전류검출부(210), 상기 전류검출부에서 검출된 전류를 데이터화 하여 평균값과 편차를 통해 정규 분포 함수를 구하여 변환하는 변환부(220), 상기 변환부를 통해 얻은 용접토치의 위치 데이터를 저장하기 위한 저장부(230) 및 상기 각 부를 제어하도록 하는 제어부(250)를 포함한다.

상기 전류검출부(210)는 상기 용접로봇의 용접토치를 이용하여 모재에 용접을 수행할 때 용접토치의 위치를 산출하고, 용접로봇의 용접토치와 모재와의 고전압으로 인해 발생되는 전류를 검출한다.

상기 변환부(220)는 상기 전류검출부에서 검출된 전류를 데이터화 하여 평균값과 편차를 구하여 정규 분포 함수로 변환한다.

상기 저장부(230)는 상기 변환부로부터 변환된 데이터를 저장한다.

상기 제어부(250)는 상기 아크센서에서 보내온 전류의 파형을 기준치의 파형과 비교 분석하고 연산된 제어신호를 용접로봇에 전달한다.

용접로봇(110)은 상기 제어부로부터 제어신호를 전달받아 용접 중심선에 근 접한 위치로 이동하는 용접토치를 제어한다.

도 2는 본 발명에 따른 아크센서의 특성이 반영된 확률적 모델을 통한 용접심 추적 방법을 나타내는 흐름도이고, 도 3은 본 발명에 따른 아크센서의 특성이 반영된 정규 분포 함수를 나타내는 도면이다.

상기 도 2에 도시된 바와 같이, 아크센서의 특성이 반영된 확률적 모델을 통한 용접심 추적 방법은 먼저, 용접로봇 제어기가 아크센서를 구동하여 용접 개시점으로 이동하는 단계를 수행한다.(S1)

상기 S1 단계는, 상기 용접로봇 제어기가 제어부의 제어에 따라 용접조건 즉, 용접 결함을 유발하지 않는 최적의 용접조건을 이용하여 용접선 자동 추적을 하여 아크센서를 구동하여 용접 개시점으로 이동하게 된다.

이때, 상기 용접로봇 제어기는 용접토치를 제어하여 용접 경로를 따라 좌, 우 위빙 운동을 하고, 이때, 위빙 운동 하는 한 주기 동안의 아크 전류는 용접토치와 모재 사이의 거리에 비례하는 적분치 파형으로 변화한다.

다음으로, 상기 용접로봇 제어기가 데이터를 얻기 위한 용접을 수행하여 매측정시간마다 전류값을 추출하는 단계를 수행한다.(S3)

상기 S3 단계는, 일정한 용접 조건(용접 전압 / 전류, 아크 전압 / 전류, 용접 속도, 가스 방출 속도 등)과 일정한 용접거리를 유지한 상태에서 데이터를 얻기 위하여 용접을 수행한다.

이때, 용접로봇 제어기는 용접토치와 모재간의 거리를 산출하기 위하여 전류 값을 추출하는데, 용접로봇의 용접 토치와 모재간의 거리에 측정된 각각의 전류값이 어느 위치에서든지 동일한 전류값을 추출하도록 한다.

다음으로, 상기 용접로봇 제어기는 상기 추출된 전류값을 이용하여 산출된 데이터의 평균값과 편차를 산출하는 단계를 수행한다.(S5)

상기 S5 단계는, 용접 조건에 따라 용접 토치와 모재간의 거리에 따른 전류값 데이터의 평균값과 그에 해당하는 편차를 산출한다.

이때, 상기 용접로봇 제어기가 다수 회 수행되어 추출된 전류값 데이터를 이용하여 상기 전류값의 평균값과 상기 평균값에 대한 편차를 산출한다.

다음으로, 상기 용접로봇 제어기가 아크센서의 특성을 반영하여 정규 분포 함수를 산출하는 단계를 수행한다.(S7)

상기 S7 단계는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 산출된 전류값의 평균값과 그에 해당하는 편차의 데이터를 이용하여 정규 분포 함수를 산출하게 된다.

이때, 정규 분포 함수는 평균값을 중앙으로 하여 좌우대칭인 종 모양으로서, 측정 오차의 분포에서 사용하기 때문에 오차 분포 또는 오차 곡선이라 한다.

상기 정규 분포 함수(P(x), Normal distribution)는 도 3의 평균와 표준편차 의 정규분포함수를 참고하면, 이때, 인수 는 x의 평균(mean)을, 는 x의 표준편차(standard deviation)를 나타내고, 매순간 측정된 전류값이 평균(mean)을 기준으로 하여 측정된 값에 의해 위치되어 있다.

상기 S1 단계 내지 상기 S7 단계는 용접로봇 제어기가 용접선을 자동 추적 하기 위한 ID 작업을 하는 과정으로서, 상기 단계들은 실시간의 형태로 작업이 된 다.

다음으로, 상기 용접로봇 제어기는 확률모델을 산출하여 보정거리를 계산하는 단계를 수행한다.(S9)

상기 S9 단계는, 상기 용접로봇 제어기가 아크센서의 평균값을 기준으로 양 옆으로 떨어진 데이터를 확률 모델이 적용된 아크센서의 특성에 반영시킨다.

이때, 상기 용접로봇 제어기는 산출된 확률데이터, 아크센서의 거리값 및 전류값을 산출한 후 곱하여 보정거리를 산출한다.

즉, 상기 S7 단계에서 산출된 정규 분포 함수를 이용하여 산출된 확률 데이터, 아크센서의 거리값 및 전류값을 산출한 후 다음의 수학식을 산출하여 보정 거리를 산출한다.

[수학식]

보정거리 = 확률 데이터 x 아크센서의 거리값 x 전류값

예를 들면, 상기 용접로봇 제어기는 상기 수학식을 참고하여 산출된 확률 데이터가 60%, 아크센서의 거리값이 1mm, 전류값 5A 일 경우,

상기 용접로봇제어기는 60% x 1mm x 5A = 3mm, 즉, 용접 토치와 모재간의 보정거리를 3mm 로 산출한다.

이때, 상기 확률 데이터는 정규 분포 함수를 이용하여 0% ~ 100% 사이의 값으로 지정된다.

다음으로, 상기 용접로봇 제어기는 산출된 확률 데이터에 따라 용접 토치와 모재간의 거리를 보정하기 위하여 로봇을 제어하는 단계를 수행한다.(S11)

상기 S11 단계는, 상기 보정된 데이터를 이용하여 용접 토치와 모재간의 간격을 상기 산출된 보정거리만큼 보정하여 용접을 수행하게 된다.

다음으로, 상기 용접로봇 제어기는 아크센서의 특성이 반영된 용접로봇의 용접토치를 통해 용접을 하는 단계를 수행한다.(S13)

상기 S9 단계 내지 상기 S13 단계는 상기 용접로봇 제어기가 용접선을 자동추적하기 위한 설정단계(S1 단계 내지 S7 단계)인 상기 ID 작업을 통해 산출된 제어신호를 통해 보정거리만큼 이동하게 된다.

상기 단계들은, ID 작업으로부터 얻은 실시간의 데이터를 가지고 온라인 상에서 용접로봇을 제어하도록 한다.

이상에서 본 발명에 의한 아크센서의 특성이 반영된 확률적 모델을 통한 용접심 추적 방법에 대하여 설명하였다. 이러한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

상기와 같은 본 발명은 아크센서의 특성이 반영된 용접 전류값을 이용하여 보정거리를 산출하여 최적의 용접조건 설정과 용접선을 자동으로 추적하도록 하여 신뢰성이 향상되고, 용접품질이 향상되어 생산성이 높아지도록 한 효과가 있다.

Claims (2)

1. (a) 용접로봇 제어기가 아크센서를 구동하여 용접 개시점으로 이동하는 단계(S1);

   (b) 상기 용접로봇 제어기가 실험 데이터를 얻기 위한 용접을 수행하여 매측정시간마다 전류값을 추출하는 단계(S3);

   (c) 상기 용접로봇 제어기가 상기 추출된 전류값을 이용하여 산출된 데이터의 평균값과 편차를 산출하는 단계(S5);

   (d) 상기 용접로봇 제어기가 상기 산출된 평균값과 편차를 이용하여 정규 분포 함수를 산출하는 단계(S7);

   (e) 상기 용접로봇 제어기가 확률모델을 산출하여 상기 확률 데이터, 아크센서의 거리값, 전류값을 통해 보정거리를 계산하는 단계(S9); 및

   (f) 상기 용접로봇 제어기가 상기 보정거리에 따라 용접로봇을 제어하는 단계(S11);

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크센서의 특성이 반영된 확률적 모델을 통한 용접심 추적 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 (e) 단계의 보정거리는,

   상기 확률 데이터, 상기 아크센서의 거리값 및 상기 전류값의 곱에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 아크센서의 특성이 반영된 확률적 모델을 통한 용접심 추적 방법.

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