KR100941715B1 - 레이저 원격용접기용 시뮬레이션 장치 - Google Patents

레이저 원격용접기용 시뮬레이션 장치 Download PDF

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본 발명은 CO2 레이저 원격용접기 본체상의 프레임 후방에 가이더 로드를 따라 이동 가능하게 장착되어 용접 대상물에 대해 3점의 위치검출용 레이저빔를 출력하고, 그 반사파의 세기를 이용하여 3점 용접점의 위치정보를 추출하며, 제어기에서 3점 용접점의 위치정보를 이용하여 해당 용접 대상물에 대한 거리조건 및 각도조건을 판단하여 해당 용접 대상물의 용접점에 대한 용접 가능성의 판별을 가능하게 하는 레이저 원격용접기용 시뮬레이션 장치를 제공한다.
CO2레이저, 원격용접기, 시뮬레이션 장치, 위치검출, 레이저빔

Description

레이저 원격용접기용 시뮬레이션 장치{A SIMULATION DEVICE FOR LASER WELDER}
본 발명은 레이저 원격용접기용 시뮬레이션 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용접 대상물에 대하여 3점의 위치검출용 레이저빔를 출력하고, 그 반사파의 세기를 이용하여 3점 용접점의 위치정보를 추출한 후, 그 위치정보를 이용하여 해당 용접 대상물에 대한 용접 가능성의 판별을 가능하게 하는 레이저 원격용접기용 시뮬레이션 장치에 관한 것이다.
최근, 산업분야에서 금속 소재의 절단, 용접 및 열처리 등은 원가절감, 공장 자동화 및 품질향상의 측면에서 우수한 효과를 갖는 레이저빔이 적용되고 있는 추세이며, 이러한 레이저빔의 적용에 있어 요구되는 몇 가지 목표는 레이저빔 에너지 분포의 균일화, 일정한 열처리 온도를 유지할 수 있는 레이저 출력제어, 생산성과 품질을 충족시킬 수 있는 최적 레이저빔의 조사 속도, 에너지 흡수율의 극대화 등을 들 수 있다.
이러한 레이저빔 중에서, CO2 레이저빔은 긴 파장 특성으로 인해 광 화이버 를 통한 빔 전송이 불가능하여 Nd:YAG 레이저빔이나 화이버 레이저빔을 이용한 용접장치와는 다르게 프레임 구조를 갖는 용접장치에 적용된다.
즉, 도 1에서 도시한 바와 같이, CO2 레이저 원격용접기(10)는 레이저 발진기(1)에서 발생된 레이저빔(B)이 본체(3) 상의 프레임(5)을 관통하여 초점 미러(7)에 의해 반사되며, 최종 클램핑된 용접 대상물(20)에 조사되어 용접 대상물(20)을 용접하도록 구성된다.
미 설명 도면부호 9는 스캐닝 미러를 지칭함.
그런데, 이러한 CO2 레이저 원격용접기(10)는 레이저빔(B)이 일정한 궤적 내에서 조사되며 또한, 원거리에서 용접이 진행되므로 용접 시, 용접 대상물(20)의 특정부위에 대해 간섭이 발생하거나, 용접 대상물(20)을 고정하는 클램퍼(30)와 간섭이 발생하는 경우가 있다.
또한, 상기 CO2 레이저 원격용접기(10)의 경우, 용접 대상물(20)에 조사되는 레이저빔(B)의 입사각에 따라 용접 대상물(20)에 대한 에너지 밀도가 변하게 되는데, 특히, 레이저빔(B)이 용접 대상물(20)과 이루는 입사각이 37°이상인 경우, 에너지 밀도 저하현상으로 용접 불량이 발생하는 단점이 있다.
따라서 종래의 CO2 레이저 원격용접기(10)에서 레이저빔(B)과 용접 대상물(20)간의 간섭, 클램프(30)와의 간섭, 입사각에 따른 에너지 밀도 저하 현상에 의한 개별 용접점들에 대한 용접 가능 혹은 불가능을 판단하여, 용접 대상물(20)에 대한 최적의 용접위치를 설정할 수 있도록 해주며, 용접 대상물(20)에 대한 용접소 요시간을 사전에 계산하여 최적의 사이클 타임을 구현할 수 있도록 하는 시물레이션 장치의 개발이 요구된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 요구에 의해 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 CO2 레이저 원격용접기 본체상의 프레임 후방에 가이더 로드를 따라 이동 가능하게 장착되어 용접 대상물에 대해 3점의 위치검출용 레이저빔를 출력하고, 그 반사파의 세기를 이용하여 3점 용접점의 위치정보를 추출하며, 제어기에서 3점 용접점의 위치정보를 이용하여 해당 용접 대상물에 대한 거리조건 및 각도조건을 판단하여 해당 용접 대상물의 용접점에 대한 용접 가능성의 판별을 가능하게 하는 레이저 원격용접기용 시뮬레이션 장치를 제공하는 것이다.
이를 실현하기 위하여 본 발명에 따른 레이저 원격용접기용 시뮬레이션 장치는 본체 내부에서 레이저 발진기로부터 출력되는 레이저빔의 경로 상에 프레임을 설치하고, 상기 프레임의 전방에는 다수개의 초점 미러와 하나의 스캐닝 미러를 구성하는 레이저 원격용접기에서,
4개의 가이드 로드를 평행하게 배치하여 그 양단을 각각 조립 플레이트로 장착하여 구성되며, 상기 프레임 후방에 설치되는 가이드 유닛; 상기 가이드 유닛의 각 가이드 로드에 슬라이드 가능하게 설치되는 블록형태의 레이저빔 뭉치; 상기 레이저빔 뭉치의 중앙에 설치되어 용접 대상물에 대해 3점의 위치검출용 레이저빔를 출력함과 동시에, 그 반사파의 세기를 추출하여 그 신호를 출력하는 3개의 레이저 다이오드; 상기 각 레이저 다이오드로부터 출력되는 반사파의 세기로부터 3점 용접점의 위치정보를 추출하며, 3점 용접점의 위치정보를 이용하여 해당 용접 대상물에 대한 거리조건 및 각도조건을 판단하여 해당 용접 대상물의 용접점에 대한 용접 가능성의 판별작동을 수행하는 제어기로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 가이드 유닛은 양측 조립 플레이트의 각 모서리부에 4개의 가이드 로드가 연결되며, 상기 각 가이드 로드의 길이는 적어도 상기 레이저빔 뭉치의 길이보다 2배 이상 긴 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 레이저빔 뭉치는 그 길이방향을 따라 상기 각 가이드 로드가 전후 상하부를 관통하여 가이드 로드를 따라 슬라이드 하게 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 3개의 레이저 다이오드는 상기 레이저빔 뭉치의 중앙에 원형의 다이오드 블록을 통하여 설치되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 레이저 원격용접기용 시뮬레이션 장치에 의하면, CO2 레이저 원격용접기 본체상의 프레임 후방에 가이더 로드를 따라 이동 가능하게 장착되어 용접 대상물에 대해 3점의 위치검출용 레이저빔를 출력하고, 그 반사파의 세기를 이용하여 3점 용접점의 위치정보를 추출하며, 제어기에서 3점 용접점의 위치정보를 이용하여 해당 용접 대상물에 대한 거리조건 및 각도조건을 판단하여 해당 용접 대상물의 용접점에 대한 용접 가능성의 판별을 가능하게 함으로 써, 종래의 CO2 레이저 원격용접기에서 레이저빔과 용접 대상물간의 간섭, 클램프와의 간섭, 입사각에 따른 에너지 밀도 저하 현상에 의한 개별 용접점들에 대한 용접 가능 혹은 불가능을 사전에 판단하게 되며, 용접 대상물에 대한 최적의 용접위치를 설정할 수 있어 용접 대상물에 대한 용접소요시간을 사전에 계산하고, 최적의 사이클 타임을 구현할 수 있도록 하는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 구성 및 작용을 첨부한 도면에 의거하여 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 시뮬레이션 장치가 적용된 CO2 레이저 원격용접기의 부분 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 시뮬레이션 장치의 사시도이다.
본 발명의 실시예에 따른 레이저 원격용접기용 시뮬레이션 장치는, 도 1에서 도시한 바와 같은 CO2 레이저 원격용접기(10)에 적용되어 레이저 발진기(1)에서 발생된 용접용 레이저빔(B)이 본체 상의 프레임을 관통하여 초점 미러(7)에 의해 반사되어 최종 클램핑된 용접 대상물(20)을 용접하기 이전에, 용접 대상물(20)의 특정부위에 대해 간섭이 발생하거나, 용접 대상물(20)을 고정하는 클램퍼(30)와 간섭이 발생하는 경우, 또는 용접 대상물(20)에 조사되는 용접용 레이저빔(B)의 입사각이 설정범위를 벗어나는 경우 등에 해당 용접 대상물(20)의 용접 가능성 여부를 판단해 주게 된다.
이러한 시뮬레이션 장치(40)는 상기 본체(3) 내부에서 레이저 발진기(1)로부터 출력되는 레이저빔(B)의 경로 상에 프레임(5)의 후방에 적용되는데, 그 구성은 4개의 가이드 로드(41)를 평행하게 배치하여 그 양단을 각각 조립 플레이트(43)로 장착하여 가이드 유닛(45)을 구성하고, 상기 가이드 유닛(45)은 상기한 본체(3) 내부의 프레임(5) 후방에 설치된다.
그리고 상기 가이드 유닛(45)의 각 가이드 로드(41)에는 블록형태의 레이저빔 뭉치(47)가 슬라이드 가능하게 설치된다.
여기서, 상기 가이드 유닛(45)은 양측 조립 플레이트(43)의 각 모서리부에 4개의 가이드 로드(41)가 연결되고, 상기 각 가이드 로드(41)의 길이는 적어도 상기 레이저빔 뭉치(47)의 길이보다 2배 이상 길게 형성된다.
또한, 상기 레이저빔 뭉치(47)는 그 길이방향을 따라 상기 각 가이드 로드(41)가 전후 상하부를 관통하여 가이드 로드(41)를 따라 슬라이드 하게 설치된다.
그리고 상기 레이저빔 뭉치(47)의 중앙에는 3개의 레이저 다이오드(49)가 설치되는데, 상기 3개의 레이저 다이오드(49)는 상기 레이저빔 뭉치(47)의 중앙에 원형의 다이오드 블록(48)을 통하여 설치되는 것이 바람직하다.
상기 3개의 레이저 다이오드(49)는 용접 대상물(20)에 대해 3점의 위치검출용 레이저빔(B)를 출력함과 동시에, 그 반사파의 세기를 추출하여 그 신호를 제어기(50; 도4 참조)로 출력하게 된다.
그리고 상기 제어기(50)는 스캐닝 미러(9)의 스캔 위치값과 상기 각 레이저 다이오드(49)로부터 출력되는 반사파의 세기로부터 3점 용접점(P1,P2,P3)의 위치정보를 추출하며, 3점 용접점(P1,P2,P3)의 위치정보를 이용하여 해당 용접 대상물(20)에 대한 거리조건 및 각도조건을 판단하여 해당 용접 대상물(20)의 용접점(P1,P2,P3)에 대한 용접 가능성의 판별작동을 수행하는 제어로직을 포함한다.
즉, 상기 스캐닝 미러(9)의 스캔 위치값을 "P0"라고 하고, 상기 스캔 위치값(P0)은 용접점(P1,P2,P3)까지의 거리 및 각도를 구하는 기준점이 된다.
이때, 상기 스캔 위치값(P0)은 (0,0,0)으로 정의하며, 3점 용접점(P1,P2,P3)는 시뮬레이션 장치를 이용하여 산출하며, 상기 거리 및 각도는 수식으로 정의가 가능하며, 시뮬레션 프로그램 및 알고리즘으로 구현이 가능하다.
따라서 상기한 바와 같은 구성을 갖는 레이저 원격용접기용 시뮬레이션 장치는 도 4에서 도시한 바와 같이, CO2 레이저 원격용접기(10)는 레이저 발진기(1)에서 발생된 용접용 레이저빔(B)이 상기 프레임(5)을 관통하여 초점 미러(7)에 의해 반사되어 용접 대상물(20)을 용접하기 전에, 상기 가이드 로드(41) 상의 레이저빔 뭉치(47)를 용접용 레이저빔(B)의 경로 상으로 이동하여 배치시킨다.
이러한 상태로, 해당 용접 대상물(20)에 대하여 3개의 레이저 다이오드(49)로부터 위치검출용 레이저빔(B)을 조사하여 3점 용접점(P1,P2,P3)을 형성한다.
이어서, 상기 레이저 다이오드(49)는 상기 3점 용접점(P1,P2,P3)으로부터 반사되는 위치검출용 레이저빔(B)의 반사파의 세기를 추출하여 상기 제어기(50)로 전송하면, 상기 제어기(50)는 상기 스캐닝 미러(7)의 스캔 위치값과 함께, 3점 용접점(P1,P2,P3)의 위치정보를 추출하게 된다.
이에 따라, 상기 제어기(50)는 상기 3점 용접점(P1,P2,P3)의 각 위치정보를 이용하여 스캐닝 미러(7)에서 용접 대상물(20)의 용접점까지의 거리조건과, 레이저빔(B)과 용접 대상물(20)이 이루는 각도조건을 판단하여 제어로직에 따라 용접 가능 또는 불가능을 평가하게 된다.
즉, 상기 시뮬레이션 장치(40)는 CO2 레이저 원격용접기(10)의 용접용 레이저빔(B)이 일정한 궤적 내의 원거리에서 용접을 진행되는 과정에서, 용접 대상물(20)의 특정부위 또는 용접 대상물을 고정하는 클램퍼(30)와 간섭이 발생하는 경우, 또는 용접 대상물(20)에 조사되는 용접용 레이저빔(B)의 입사각이 설정범위를 벗어나는 경우를 사전에 판단하여 용접 대상물에 대한 최적의 용접위치를 설정할 수 있도록 해준다.
이로써, 작업자는 용접 대상물(20)에 대한 용접소요시간을 사전에 계산하여 최적의 사이클 타임을 구현할 수 있게 된다.
도 1은 일반적인 CO2 레이저 원격용접기의 사용 상태도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 시뮬레이션 장치가 적용된 CO2 레이저 원격용접기의 부분 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 시뮬레이션 장치의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 시뮬레이션 장치의 작동 개념도이다.

Claims (4)

  1. 본체 내부에서 레이저 발진기로부터 출력되는 레이저빔의 경로 상에 프레임을 설치하고, 상기 프레임의 전방에는 다수개의 초점 미러와 하나의 스케닝 미러를 구성하는 레이저 원격용접기에서,
    4개의 가이드 로드를 평행하게 배치하여 그 양단을 각각 조립 플레이트로 장착하여 구성되며, 상기 프레임 후방에 설치되는 가이드 유닛;
    상기 가이드 유닛의 각 가이드 로드에 슬라이드 가능하게 설치되는 블록형태의 레이저빔 뭉치;
    상기 레이저빔 뭉치의 중앙에 설치되어 용접 대상물에 대해 3점의 위치검출용 레이저빔를 출력함과 동시에, 그 반사파의 세기를 추출하여 그 신호를 출력하는 3개의 레이저 다이오드;
    상기 스캐닝 미러의 스캔 위치값과 상기 각 레이저 다이오드로부터 출력되는 반사파의 세기로부터 3점 용접점의 위치정보를 추출하며, 3점 용접점의 위치정보를 이용하여 해당 용접 대상물에 대한 거리조건 및 각도조건을 판단하여 해당 용접 대상물의 용접점에 대한 용접 가능성의 판별작동을 수행하는 제어기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 원격용접기용 시뮬레이션 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가이드 유닛은
    양측 조립 플레이트의 각 모서리부에 4개의 가이드 로드가 연결되며, 상기 각 가이드 로드의 길이는 적어도 상기 레이저빔 뭉치의 길이보다 2배 이상 긴 것을 특징으로 하는 레이저 원격용접기용 시뮬레이션 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이저빔 뭉치는
    그 길이방향을 따라 상기 각 가이드 로드가 전후 상하부를 관통하여 가이드 로드를 따라 슬라이드 하게 설치되는 것을 특징으로 하는 레이저 원격용접기용 시뮬레이션 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 3개의 레이저 다이오드는
    상기 레이저빔 뭉치의 중앙에 원형의 다이오드 블록을 통하여 설치되는 것을 특징으로 하는 레이저 원격용접기용 시뮬레이션 장치.
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