KR101198422B1 - 용접 전류 측정용 센서 시스템 - Google Patents

용접 전류 측정용 센서 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직류를 정확히 감지하는 홀센서를 이용하여 스팟 용접기의 이차측 전류를 정확히 측정하는 센서 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 산업용 로봇의 몸체의 끝단에 엔드 이펙트로 장착되어 모재를 용접하는 스팟 용접용 용접건, 상기 용접건의 로봇 몸체 쪽으로 설치되어 상기 용접건에 이차측 전류를 공급하는 변압기 및 상기 용접건에 흐르는 이차측 전류를 실시간으로 감지하는 용접 전류 측정용 센서 시스템에 있어서, 홀 센서; 및 홀 센서의 출력 신호를 처리하는 신호처리기를 포함하되, 상기 홀 센서는 자기코어 없이 상기 용접건에 장착되어 용접건에 흐르는 변압기의 이차측 전류를 감지하는 것을 특징으로 한다.

Description

용접 전류 측정용 센서 시스템{Sensor system for sensing welding current}
본 발명은 용접 전류 측정용 센서 시스템에 관한 것으로 더욱 상세하게는 스팟 용접기가 장착된 로봇 시스템에서 용접 건에 장착되어 용접 전류를 측정하는 용접 전류 측정용 센서 시스템에 관한 것이다.
용접은 2개의 부재를 부착하는 기술로, 기계류의 제작이 가장 많이 적용되는 기술 중 하나이다.
상기 용접은 구체적인 방법에 따라 다양한 형태를 가지나, 자동차 차체 제작에 가장 많이 적용되는 기술로 스팟용접을 들 수 있다.
상기 자동차 차체 제작에 적용되는 스팟용접은 용접건을 산업용 로봇의 엔드 이펙터에 부착하여 무인으로 수행되는 것으로, 다양한 위치의 용접을 프로그램의 조절에 따라 수행하는 장점이 있어 현재까지도 많이 적용되고 있다.
한편, 스팟용접은 변압기를 기준으로 변압기 일차측의 전류를 인가하면, 변환된 2차측의 전류가 용접건에 공급되어 실질적으로 용접이 수행되는 형태이다. 이때 용접 전류는 제어기에서 일차측의 전류만을 기준으로 제어하는 방식이 주로 이용되어 왔다. 상기의 방식은 비교적 간단하게 제어할 수 있는 특징이 있으며, 소재나 기타 특성을 반영하여 일차측의 전류를 제어하는 경우 적절한 품질을 얻을 수 있는 장점이 있다.
그러나 실제 용접 품질을 결정하는 것은 이차측의 전류이기 때문에 더 높은 용접 품질을 얻기 위해서는 변압기 이차측에서 발생되어 실제 용접에 적용되는 전류를 취득할 수 있어야 정확한 제어 또는 감시를 수행할 수 있다.
한편, 등록특허 제760513호에는 용접 품질을 모니터링하기 위한 구성이 개시되어 있다. 상기 특허는 스팟 용접의 이차측 전류를 감지하여 상기 전류의 하한 및 상한을 감시하고 상/하한을 넘어가는 이차측 전류의 경우에는 별도의 경고를 출력하는 것을 특징으로 하는 것으로, 상기 특허가 현장에 적용되는 경우 실질적인 용접 품질을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
상기와 같은 이차측 전류를 이용한 감시 시스템의 적용을 위해서는 이차측 전류의 정확한 실시간 측정이 우선적으로 이루어져야 한다.
이차측 전류를 측정하기 대표적인 센서 시스템에 적용되는 센서로 트로이달 코일을 들 수 있다. 상기 트로이달 코일은 이차측의 전류가 흐르는 용접건의 일측을 몇 바퀴 감아서 전류 흐름에 의한 전기장의 변화를 감지하는 것으로 비교적 간단한 구성을 가진다.
한편, 스팟 용접기의 경우 크케 교류형과 직류형으로 구분할 수 있다. 교류형의 경우에는 이차측에 교류가 흐르며, 용접 시간에 따라 교류의 크기를 조절하고, 직류형인 경우에는 인버터 등을 이용하여 직류의 크기를 용접 시간에 따라 조절하여 용접이 수행되는 특성이 있다.
상기 트로이달 코일의 경우에는 전류의 변화를 감지하는 역할을 하므로 교류에 대한 전류 감지는 우수한 특성을 나타내나 직류 성분을 측정하는 경우에는 직류의 변화량만 감지하여 정확한 직류성분을 감지하지 못하는 단점이 있다.
또한, 상기 트로이달 코일은 반드시 이차측 전류가 흐르는 전선을 감아야 감지가 가능하므로 운동속도가 가장 큰 로봇 건에 부착되므로 고정에도 많이 어려움이 있으며, 지속적인 관성에 의하여 수명도 길지 않은 단점이 있어, 작은 크기로 직류를 감지할 수 있는 새로운 센서 시스템이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 센서의 단점을 극복하기 위하여 안출된 것으로 직류를 정확히 감지하는 홀센서를 이용하여 스팟 용접기의 이차측 전류를 정확히 측정하는 센서 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 산업용 로봇의 몸체의 끝단에 엔드 이펙트로 장착되어 모재를 용접하는 스팟 용접용 용접건, 상기 용접건의 로봇 몸체 쪽으로 설치되어 상기 용접건에 이차측 전류를 공급하는 변압기 및 상기 용접건에 흐르는 이차측 전류를 실시간으로 감지하는 용접 전류 측정용 센서 시스템에 있어서, 홀 센서; 및 홀 센서의 출력 신호를 처리하는 신호처리기를 포함하되, 상기 홀 센서는 자기코어 없이 상기 용접건에 장착되어 용접건에 흐르는 변압기의 이차측 전류를 감지하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 용접건은 상기 변압기의 일측의 이차측과 연결되는 제1전선과 상기 제1전선에 연결되는 제1전극, 상기 변압기의 타측의 이차측과 연결되는 제2전선과 상기 제2전선에 연결되는 제2전극을 포함하며, 상기 홀 센서는 상기 제1전선 또는 제2전선에서 제1전극 또는 제2전극의 반대쪽에 설치되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 홀 센서는 상기 변압기의 표면에 설치되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 신호처리기는 외부에 고정 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 용접 전류 측정용 센서 시스템은 직류 방식의 스팟 용접에서 정확한 측정값을 제공하여 용접 품질 감시 시스템을 신뢰성을 향상시키는 효과가 있으며, 또한 자체 크기 및 무게의 감소로 인하여 장착 시 관성을 줄여주는 효과가 있으며, 더 나아가 한번 장착 시에 오랜 기간 장착되는 효과가 있어 유지 보수가 편리한 효과가 있다.
도 1은 로봇 앤드 이펙터에 장착된 건타입 스팟 용접기의 구성도이며,
도 2는 본 발명에 따른 용접 전류 측정용 센서 시스템의 홀 센서와 신호처리기의 구성을 나타내는 설명도이며,
도 3은 도 2 홀 센서의 장착 위치를 나타내는 설명도이다.
이하 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
먼저 로봇을 이용한 스팟 용접기의 구성에 대하여 설명한다.
로봇에 장착된 스팟 용접기는 도 1에 도시된 바와 같이, 로봇 본체(10)의 끝단에 부착되는 엔드 이펙터의 용접건(20)을 포함한다.
상기 로봇 본체(10)는 3자유도를 갖는 다관절 로봇의 끝단을 의미한다.
상기 용접건(20)은 제1전극(21)과 제2전극(22)을 포함하는 집게 형태로 구성되며, 외부 공압 또는 전원에 의하여 상기 제1전극(21) 또는 제2전극(22)이 이동하며, 필요한 경우 액추에이터를 중앙에 장착하여 2개의 전극(21,22)가 동시에 이동할 수 있게 구현될 수 있으나, 본 발명에서는 설명의 편이를 위하여 제2전극(22)이 이동하는 것으로 설정한다.
또한, 상기 제1전극(21) 및 제2전극(22)은 끝단에 용접을 위한 접촉부인 제1팁(23) 및 제2팁(24)을 각각 포함한다.
실제 용접 시에는 상기 용접건(20)의 제1전극(21)과 제2전극(22) 사이에 용접이 필요한 모재들이 위치하며, 상기 제2전극(22)이 이동하여 제1전극(21)의 제1팁(23), 모재, 제2전극(22)의 제2팁(24) 순으로 접촉하고 건 사이에 전류를 인가하여 모재, 제1팁(23) 및 제2팁(24)의 내부 저항 및 접촉 저항에 의하여 열이 발생되어 용접을 수행한다.
따라서, 용접에 필요한 전류는 상기 제1전극(21) 및 제2전극(22)에 각각 연결되는 제1전선(25) 및 제2전선(26)에 의하여 공급된다.
한편, 변압기(30)는 상기 용접건(20)에 설치되는데 그 위치는 로봇 몸체(10)에 근접하는 곳, 즉 제1팁(23) 및 제2팁(24)의 반대편에 배치되며, 용접제어기(미도시)에서 출력되는 전류를 일차측으로 입력받아 이차측으로 용접건(20)에 필요한 전류 형태로 변환하는 역할을 하며, 상기 이차측이 상기 제1전선(25) 및 제2전선(26)에 각각 연결된다.
물론, 용접제어기는 별도의 외부에 고정 설치되며, 상기 용접제어기에서 출력되는 전류는 별도의 전선을 통하여 상기 변압기(30)의 일차측으로 공급된다.
본 발명에 따른 홀 센서 시스템(100)은 상기 용접건(20)에 흐르는 이차측 전류를 정확히 측정하기 위한 것으로 도 2에 도시된 바와 같이, 홀 센서(110)와 신호처리부(120)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
일반적으로 홀 센서(110)를 이용하여 전류를 측정하는 경우 전류가 흐르는 전선 주위에 자기코어를 설치하고, 상기 전선의 전류에 의하여 유도되는 자기코어의 자력선의 변화를 감지하는 형태로 실시하므로 반드시 자기코어가 필요하다.
그러나 본 발명에 따른 홀 센서 시스템(100)은 홀 센서(110) 자체만으로 이차측 전류를 측정하는 것에 그 특징이 있다.
스팟 용접, 특히 자동차 차체 용접에 적용되는 경우 용접이 수행될 때 700~15,000A의 높은 전류가 용접건(20)에 흐르므로, 별도의 자기코어 없이 홀 센서(110) 자체만으로도 일부 측정이 가능하다.
특히 용접건(20)은 로봇 몸체(10)에 연결되어 항상 운동을 수행하므로 가능한 한 관성이 적도록 설계한다. 따라서, 상기와 같이 자기코어 없이 홀 센서(110) 단독으로 이차측 전류를 감지하는 경우에는 용접건(20)의 무게도 줄일 수 있는 장점이 있다.
상기 홀 센서(110)는 도 3에 도시된 바와 같이, 용접건(20)에 장착된 이차측 전류가 흐르는 제1전선(25) 또는 제2전선(26) 측면 "A"에 위치한다. 상기 전선에 전류가 흐르는 경우 전류 흐름에 의한 자장이 형성되고 상기 자장을 상기 홀 센서(110)가 감지하여 해당 신호를 출력한다.
상기 신호처리부(120)는 상기 홀 센서(110)에서 출력되는 신호를 처리하여 최종 감시시스템 또는 제어시스템으로 출력하는 역할을 하는 것으로, 역시 별도의 외부에 설치되며 상기 홀 센서(110)와 와이어링된다.
상기 신호처리부(120)는 필터, 증폭기, A/D변환기 등을 포함하는 통상의 센서 신호 처리 시스템과 동일하며, 필요한 경우 비교기를 추가하여 정상적인 전류 흐름을 갖는지 간단히 인식할 수 있게 구현할 수 있다.
한편, 상기 홀 센서(110)는 용접건(20)에 설치된 전선 인근에 배치하여 전선에 흐르는 전류에 의한 자기장을 감지하여 이차측의 전류를 측정하는 경우에는 용접의 대상이 되는 모재, 특히 강자성의 모재가 상기 용접건(20) 사이에 반드시 위치하므로 모재에서 유도되는 자기장에 의하여 간섭이 발생된다.
특히 별도의 자기코어 없이 단독의 홀 센서(110)로 전류를 측정하는 경우에는 상기 모재에 의한 간섭 영향은 더욱 높아진다.
따라서, 상기 홀 센서(110)는 상기 용접건(20)의 용접이 수행되는 끝단, 즉 제1팁(23) 및 제2팁(24)이 설치된 반대 끝에 설치하는 것이 바람직하다.
이 경우에는 모재와 가장 멀리 홀 센서(110)가 위치하므로 모재에 의한 간섭을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
또한, 필요한 경우 상기 홀 센서(110)를 변압기(30)의 "B" 위치에 부착하여 변압기(30)에서 발생되는 자기장을 감지할 수 있다. 여기서 위치 "B"는 변압기(30) 표면 어디에도 가능하다.
통상 변압기(30)는 내부에 자기코어를 포함하고 있어, 높은 자기장이 형성되고, 발생된 자기장 역시 이차측의 전류와 연동되므로 상기 자기장을 감지하는 경우에도 이차측 전류를 계산할 수 있는 장점이 있다.
상기 변압기(30)의 자기장을 감지하는 경우, 변압기(30) 내부에 포함된 자기코어 역시 높은 강자성체이므로 외부 모재에 의한 간섭을 줄일 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
10: 로봇 본체 20: 용접건
21: 제1전극 22: 제2전극
23: 제1팁 24: 제2팁
25: 제1전선 26: 제2전선
30: 변압기 110: 홀 센서
120: 신호처리부

Claims (4)

  1. 산업용 로봇의 몸체의 끝단에 엔드 이펙트로 장착되어 모재를 용접하는 스팟 용접용 용접건, 상기 용접건의 로봇 몸체 쪽으로 설치되어 상기 용접건에 이차측 전류를 공급하는 변압기 및 상기 용접건에 흐르는 이차측 전류를 실시간으로 감지하는 용접 전류 측정용 센서 시스템에 있어서,
    홀 센서; 및
    홀 센서의 출력 신호를 처리하는 신호처리기를 포함하되,
    상기 홀 센서는 자기코어 없이 상기 용접건에 장착되어 용접건에 흐르는 변압기의 이차측 전류를 감지하는 것을 특징으로 하는 용접 전류 측정용 센서 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 용접건은 상기 변압기의 일측의 이차측과 연결되는 제1전선과 상기 제1전선에 연결되는 제1전극, 상기 변압기의 타측의 이차측과 연결되는 제2전선과 상기 제2전선에 연결되는 제2전극을 포함하며,
    상기 홀 센서는 상기 제1전선 또는 제2전선에서 제1전극 또는 제2전극의 반대쪽에 설치되는 것을 특징으로 하는 용접 전류 측정용 센서 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 홀 센서는 상기 변압기의 표면에 설치되는 것을 특징으로 하는 용접 전류 측정용 센서 시스템.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신호처리기는 외부에 고정 설치되는 것을 특징으로 하는 용접 전류 측정용 센서 시스템.
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