KR101265552B1

KR101265552B1 - 용접로봇 이지티칭 장치 및 그 용접방법

Info

Publication number: KR101265552B1
Application number: KR1020120018238A
Authority: KR
Inventors: 권정한; 강성원; 이재승
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2012-02-23
Filing date: 2012-02-23
Publication date: 2013-05-20

Abstract

본 발명은 용접로봇 이지티칭(easy teaching) 장치 및 그 용접방법에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 와이어 엔코더, 절대 엔코더 및 지시봉을 이용하여 용접 대상물에 대한 거리, 피치(pitch) 및 요우(yaw)를 측정하고 좌표 변환하여 용접 대상물에 대한 용접 시작점과 끝점의 위치를 자동으로 계산하고 데이터베이스에 저장된 용접 로봇의 용접 자세 및 용접 조건을 반영하여 용접을 수행함으로써 직접적으로 로봇을 이동시키지 않고도 용접 시작점과 끝점을 계산할 수 있게 되어 용접 작업 시간을 단축시킬 수 있고 이에 따라 작업 생산성을 제고할 수 있는 용접로봇 이지티칭 장치 및 그 용접방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 일단에 와이어 후크가 설치되고 상기 후크에 지시봉이 결합되고 상기 지시봉이 가리키는 용접 대상물과의 거리를 측정하는 거리 센싱 수단; 용접점과 이루는 피치(pitch) 각도를 측정하는 제1 각도 센싱 수단; 상기 용접점과 이루는 요우(yaw) 각도를 측정하는 제2 각도 센싱 수단; 용접로봇의 동작을 지시하는데 사용되는 로봇 교시 조작기(Teaching Pendant); 상기 거리 센싱 수단, 상기 제1 각도 센싱 수단 및 상기 제2 센싱 수단으로부터의 센싱 데이터를 수집하고 상기 로봇 교시 조작기와의 무선 통신을 수행하는 제어 패널; 상기 거리 센싱 수단, 상기 와이어 후크, 상기 제1 각도 센싱 수단, 상기 제2 각도 센싱 수단 및 상기 제어 패널을 포함하는 센서 모듈을 용접 로봇에서 분리 또는 용접로봇에 부착하는 마운팅 브라켓; 및 상기 용접 로봇의 용접 자세 및 용접 조건이 저장되어 있는 로봇 제어기 데이터베이스를 구비하는 것을 특징으로 하는 용접로봇 이지티칭 장치를 제시한다.

Description

용접로봇 이지티칭 장치 및 그 용접방법{Easy Teaching Apparatus for Welding Robot and Welding Method Using the Same}

본 발명은 용접로봇 이지티칭(easy teaching) 장치 및 그 용접방법에 관한 것으로, 특히 와이어 엔코더, 절대 엔코더 및 지시봉을 이용하여 용접 대상물에 대한 거리, 피치(pitch) 및 요우(yaw)를 측정하고 좌표 변환하여 용접 대상물에 대한 용접 시작점과 끝점의 위치를 자동으로 계산하고 데이터베이스에 저장된 용접 로봇의 용접 자세 및 용접 조건을 반영하여 용접을 수행함으로써 직접적으로 로봇을 이동시키지 않고도 용접 시작점과 끝점을 계산할 수 있게 되어 용접 작업 시간을 단축시킬 수 있고 이에 따라 작업 생산성을 제고할 수 있는 용접로봇 이지티칭 장치 및 그 용접방법에 관한 것이다.

도 1은 이와 같은 일반적인 레이저 용접장치를 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 레이저 용접장치는 로봇 제어부(11)에 의해 작동되어 관절부위 선단에 연결된 레이저 헤드(12)를 통해 레이저 발진기(13)에서 발생된 레이저 빔을 용접 대상물(14)의 용접부위에 조사하는 방식을 사용한다.

레이저 용접장치는 용접 작업 진행하기 전에 용접대상물의 형상 즉, 용접이 이루어지는 용접면의 형상을 미리 측정한 후 용접할 용접대상물에 대하여 전술한 바와 같이 레이저 빔을 조사하여 용접을 수행한다.

이러한 레이저 용접 장치는 레이저 빔의 초점이 형성되는 거리에 대하여 미세한 높이의 거리 오차가 발생하면 용접 대상물의 용접 성능이 떨어지기 때문에 레이저 빔의 초점 거리를 정확하게 알아야 한다.

또한, 용접 빔의 초점 지름은 0.6㎜로 초점이 조금만 벗어나도 용접이 불가능하게 되므로 정밀하게 측정하여야 한다.

또한, 레이저 헤드의 수직도에 따라서 용접 성능이 변화할 수 있으므로 레이저 빔의 초점 거리와 레이저 헤드의 수직도를 정확하게 알고 있어야 한다.

또한, 3차원 형태의 용접에서는 용접대상이 3차원적인 비선형 형상이 존재하므로 이러한 3차원 형상에 대한 데이터를 얻는 것 또한 중요하다.

그런데 종래에는 레이저 용접 장치든 아크 용접 장치든 로봇의 선단에 부착된 용접 토치가 용접 대상물의 용접 시작점과 끝점에 실제 위치하도록 로봇을 이동시킨 후 시작점과 끝점의 위치를 계산하였으므로 작업시간이 오래 걸리는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허 제10-0531768호에는 용접 대상물과의 접촉 여부를 감지하여 초점거리가 일정 영역 내에 존재하는지를 판단한 후, 거리측정센서 및 각도측정센서의 값을 처리하여 그 값을 반영하도록 함으로써 연속적인 측정 데이터의 저장이 가능하며 레이저 헤드와 용접 대상물 간의 거리 및 각도를 구함에 있어서 발생될 수 있는 간섭을 최대한 회피하고 비선형적인 다양한 용접 대상물에 대해서 거리를 측정할 수 있는 장치를 개시하고는 있지만, 용접 대상물에 대한 용접 시작점과 끝점의 위치를 자동으로 계산할 수는 없었으며 접촉센서를 이용하여 용접 대상물과 접촉함으로써 용접 대상물에 대한 거리 및 각도를 입수하여 용접을 수행하는 방식이었다.

대한민국 등록특허 제10-0531768호

본 발명은 상기와 같은 배경하에서 안출된 것으로서, 거리 측정용 와이어 엔코더와 요우(Yaw), 피치(Pitch) 각도 측정용 절대 엔코더로 구성되어있는 센서 모듈과 와이어 엔코더에 연결하여 측정 위치를 가리키기 위한 지시봉으로 구성된 용접 로봇에 부착된 이지티칭 장치를 이용하여 이지티칭 장치로 용접 대상물의 용접 시작점과 끝점을 측정하여 로봇 베이스 좌표계에서 용접 대상물의 시작점과 끝점의 위치를 자동으로 계산하고 계산된 위치 값을 바탕으로 로봇 제어기에 저장되어 있는 용접 자세 및 용접 조건에 대한 데이터 베이스를 호출하는 방식으로 로봇 용접을 수행할 수 있는 용접로봇 이지티칭 장치 및 그 용접방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 용접로봇 이지티칭 장치는, 아크 용접 또는 레이저 용접을 수행하기 위한 용접로봇에 용접 대상물에 대한 용접 시작점과 끝점의 위치를 자동으로 계산하여 용접 정보를 제공하는 용접로봇 이지티칭 장치로서,

일단에 와이어 후크가 설치되고 상기 후크에 지시봉이 결합되고 상기 지시봉이 가리키는 용접 대상물과의 거리를 측정하는 거리 센싱 수단;

용접점과 이루는 피치(pitch) 각도를 측정하는 제1 각도 센싱 수단;

상기 용접점과 이루는 요우(yaw) 각도를 측정하는 제2 각도 센싱 수단;

용접로봇의 동작을 지시하는데 사용되는 로봇 교시 조작기(Teaching Pendant);

상기 거리 센싱 수단, 상기 제1 각도 센싱 수단 및 상기 제2 센싱 수단으로부터의 센싱 데이터를 수집하고 상기 로봇 교시 조작기와의 무선 통신을 수행하는 제어 패널;

상기 거리 센싱 수단, 상기 와이어 후크, 상기 제1 각도 센싱 수단, 상기 제2 각도 센싱 수단 및 상기 제어 패널을 포함하는 센서 모듈을 용접 로봇에서 분리 또는 용접로봇에 부착하는 마운팅 브라켓; 및

상기 용접 로봇의 용접 자세 및 용접 조건이 저장되어 있는 로봇 제어기 데이터베이스를 구비하는 것을 특징으로 하는 용접로봇 이지티칭 장치를 제시한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 용접로봇 이지티징 장치를 이용한 용접방법은, 상기 일 실시예의 용접로봇 이지티칭 장치를 이용하여 용접을 수행하는 용접방법으로서,

용접대상물에 대해 수직 용접을 할 것인지 수평 용접을 할 것인지 선택하고, 각목(脚目; effective throat)을 선택하고, 지시봉에 의해 용접 시작점과 끝점을 가리키고, 상기 거리 센싱 수단에 의해 거리 센싱 수단과 용접 대상물의 용접 시작점과 그리고 끝점 사이의 거리를 측정하고, 제1 각도 센싱 수단에 의해 제1 각도 센싱 수단과 용접점이 이루는 피치 각도 그리고 제2 각도 센싱 수단에 의해 상기 제2 각도 센싱 수단과 용접점이 이루는 요우 각도를 측정하여 이 측정된 센싱 정보를 입수하는 단계; 및

위에서 입수한 센싱 정보의 구면 좌표(L(length), Y(yaw), P(pitch))를 직교 좌표(x, y, z)로 변환하여 용접 대상물에 대한 용접 시작점과 끝점의 위치를 계산하고, 로봇 제어기의 데이터베이스에 미리 저장되어 있는 용접 자세 및 용접 조건에 대한 데이터를 반영하여 용접 교시점에 근접하는 좌표(R(반지름), P(위도), A(경도)))를 구한 다음 용접 작업용 로봇 프로그램을 자동으로 생성하여 로봇용접을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접로봇 이지티칭 장치를 이용한 용접방법을 제시한다.

본 발명에 의하면, 와이어 엔코더, 절대 엔코더 및 지시봉을 이용하여 용접 대상물에 대한 거리, 피치 및 요우를 측정하고 좌표 변환하여 용접 대상물에 대한 용접 시작점과 끝점의 위치를 자동으로 계산하고 데이터베이스에 저장된 용접 로봇의 용접 자세 및 용접 조건을 반영하여 용접을 수행함으로써 직접적으로 로봇을 이동시키지 않고도 용접 시작점과 끝점을 계산할 수 있게 되어 용접 작업 시간을 단축시킬 수 있고 이에 따라 작업 생산성을 제고할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 이와 같은 일반적인 레이저 용접장치를 나타낸 도면이다.
도 2(a) 및 도 2(b)는 본 발명의 용접로봇 이지티칭 장치의 사시도와 이 장치의 신호 흐름 블록도를 각각 도시한다.
도 3은 도 2에 도시한 이지티칭 장치를 포함하는 용접로봇의 사시도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 용접로봇 이지티칭 장치의 로봇 교시 조작기와의 통신 및 로봇 교시 조작기의 화면상태를 도시한 도면이다.
도 5는 구면 좌표(L, Y, P)를 직교 좌표(x, y, z)로 변환하는 과정을 나타낸 도면이다.

이하 도면을 참조로 하여 본 발명의 일 실시예에 따른 용접로봇 이지티칭 장치 및 그 용접방법을 상세히 설명하기로 한다.

도 2의 (a), (b)는 본 발명의 용접로봇 이지티칭 장치의 사시도와 이 장치의 신호 흐름 블록도를 도시한다.

본 발명의 용접로봇 이지티칭 장치는 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 와이어 엔코더(100), 와이어 후크(200), 제1 절대 엔코더(300), 제2 절대 엔코더(400), 제어 패널(500), 마운팅 브라켓(600) 및 지시봉(700)을 포함하고 있다.

상기 와이어 엔코더(100)는 와이어 엔코더(100)와 용접 대상물 사이의 거리를 측정한다. 상기 와이어 후크(hook; 200)는 상기 지시봉(700)의 일단과 연결되어 상기 지시봉(700)을 구속한다. 상기 제1 절대 엔코더(300)는 제1 절대 엔코더와 용접점이 이루는 피치(pitch) 각도를 측정하며, 상기 제2 절대 엔코더(400)는 제2 절대 엔코더와 용접점이 이루는 요우(yaw) 각도를 측정한다. 상기 피치 각도는 -90°~ + 90°이고, 상기 요우 각도는 -90°~ + 90°이다. 상기 제어 패널(500)은 와이어 엔코더(100), 제1 절대 엔코더(300) 및 제2 절대 엔코더(400)로부터의 센싱 데이터를 수집하고 후술하는 로봇 교시 조작기(800)와의 무선 통신을 수행한다. 상기 무선 통신에는 RS232, RS485 또는 CAN 통신 방식을 이용하지만 이에 한정되지 않으며 이와 동등하거나 유사한 기능을 발휘하는 것이라면 어느 것이라도 좋다. 또한, 도면에 도시치는 않았지만, 본 발명의 이지티칭 장치는 용접로봇(1000)의 용접 자세 및 용접 조건이 저장되어 있는 로봇 제어기 데이터베이스를 구비할 수 있다.

상기 마운팅 브라켓(600)은 상기 와이어 엔코더(100), 와이어 후크(200), 제1 절대 엔코더(300), 제2 절대 엔코더(400), 및 제어 패널(500)을 포함하는 용접로봇 이지티칭 장치를 용접 로봇(도시 않음)에 탈, 부착하는 역할을 한다. 또한 상기 지시봉(700)은 상기 와이어 후크(200)를 연결한 상태에서 용접 대상물의 용접 시작점과 끝점을 가리킨다. 로봇 교시 조작기(800; Teaching Pendant)는 로봇의 동작을 지시하는데 사용되는 기기이다.

도 3은 도 2에 도시한 이지티칭 장치를 포함하는 용접로봇의 사시도를 도시한다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 용접로봇(1000)은 도 2에서 설명한 바와 같은 와이어 엔코더(100), 제1 절대 엔코더(300), 및 제2 절대 엔코더(400), 제어 패널(500) 등을 포함하는 센서 모듈(A)을 구비한다. 도면에서 B는 용접점이며 본 발명과 직접적으로 관련되지 않는 용접로봇(1000)의 그 밖의 기계적 구성 등에 대해서는 불필요하게 본 발명의 요지를 않도록 그 설명을 생략하기로 한다. 도면에서 210은 와이어 이다.

도 4는 본 발명의 용접로봇 이지티칭 장치의 로봇 교시 조작기와의 통신 및 로봇 교시 조작기의 화면상태를 도시한 도면이다.

그러면 이하에서는 도 2 및 도 4를 참조로 하여 본 발명의 용접로봇 이지티칭 장치의 용접 방법을 상세히 설명한다.

먼저, 용접 방법에서 수직 용접 인지 수평용접인지 용접 방법을 선택하고(S10), 이어서 용접 이음의 강도를 계산하는 데 유효한 용착 금속의 단면 두께인 각목(脚目; effective throat)을 선택하고(S20), 도 2의 지시봉에 의해 용접 시작점과 끝점을 가리키고, 와이어 엔코더(100)에 의해 와이어 엔코더(100)와 용접 대상물의 용접 시작점과 그리고 끝점 사이의 거리를 측정하고, 제1 절대 엔코더(300)에 의해 제1 절대 엔코더와 용접점이 이루는 피치 각도 그리고 제2 절대 엔코더(400)에 의해 상기 제2 절대 엔코더와 용접점이 이루는 요우 각도를 측정하여 이 측정된 센싱 정보를 입수한다(S30, S40).

그리고 상기 단계 S40에서 입수한 구면 좌표(L(length), Y(yaw), P(pitch))를 데카르트 좌표, 즉 직교 좌표(x, y, z)로 변환하여 용접 대상물에 대한 용접 시작점과 끝점의 위치를 계산하고, 도시치 않은 로봇 제어기의 데이터베이스에 미리 저장되어 있는 용접 자세 및 용접 조건에 대한 데이터를 반영하여 용접 교시점에 근접하는 좌표(R(반지름), P(위도), A(경도)) 즉, 오일러 각도(Euler angles)를 구한다(S50, S60).

다음에 용접 작업용 로봇 프로그램을 자동으로 생성하여 로봇용접을 수행한다(S70).

도 5는 도 4에서 구면 좌표(L, Y, P)를 직교 좌표(x, y, z)로 변환하는 과정을 나타낸 도면이다.

도면에서 먼저 ①은 로봇 베이스 프레임(Robot Base Frame)에서 바라본 센서 프레임(Sensor Frame)의 위치 계산을 도시한 것으로, 로봇 관절 값과 순 운동 방정식(Forward Kinematics)을 사용하여 계산한다.

또한, 도면에서 ②는 센서 프레임에서 바라본 센싱 포인트의 위치계산으로 나타내는 것으로, 거리(L), 요우(Y), 피치(P) 센싱 정보를 좌표 변환한다.

구체적으로 도면에서 하단의 구면 좌표계에 있어서,

r: 주어진 점 즉, 용접 대상물 센싱 포인트까지의 거리

Φ: x축의 양의 방향으로부터 원점과 r이 이루는 각

θ: 는 z축의 양의 방향으로부터 원점과 r이 이루는 각이다.

이에 따라 x = r·cosΦ·sinθ

y = r·sinΦ·sinθ

z = r·cosθ로 주어진다.

(여기서, r > 0, 0 ≤ Φ ≤ π, 0 ≤ θ ≤ 2π)

이상 기술한 바와 같이 본 발명에 의하면 와이어 엔코더, 절대 엔코더 및 지시봉을 이용하여 용접 대상물에 대한 거리, 피치 및 요우를 측정하고 좌표 변환하여 용접 대상물에 대한 용접 시작점과 끝점의 위치를 자동으로 계산하고 데이터베이스에 저장된 용접 로봇의 용접 자세 및 용접 조건을 반영하여 용접을 수행함으로써 직접적으로 로봇을 이동시키지 않고도 용접 시작점과 끝점을 계산할 수 있게 되어 용접 작업 시간을 단축시킬 수 있고 이에 따라 작업 생산성을 제고할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

지금까지 본 발명의 일 실시예에 따른 용접로봇 이지티칭 장치 및 그 용접방법을 도면을 참조로 하여 설명하였으나 이것은 예시 목적이지 이것으로 본 발명을 한정하고자 함은 아니며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 이하의 부속청구범위에 의해 정해지며, 본 발명의 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형 형태는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 와이어 엔코더 200: 와이어 후크
210: 와이어 300: 제1 절대 엔코더
400: 제2 절대 엔코더 500: 제어 패널
600: 마운팅 브라켓 700: 지시봉
800: 로봇 교시 조작기 1000: 용접로봇

Claims

아크 용접 또는 레이저 용접을 수행하기 위한 용접로봇에 용접 대상물에 대한 용접 시작점과 끝점의 위치를 자동으로 계산하여 용접 정보를 제공하는 용접로봇 이지티칭 장치로서,
일단에 와이어 후크가 설치되고 상기 후크에 지시봉이 결합되고 상기 지시봉이 가리키는 용접 대상물과의 거리를 측정하는 거리 센싱 수단;
용접점과 이루는 피치(pitch) 각도를 측정하는 제1 각도 센싱 수단;
상기 용접점과 이루는 요우(yaw) 각도를 측정하는 제2 각도 센싱 수단;
용접로봇의 동작을 지시하는데 사용되는 로봇 교시 조작기(Teaching Pendant);
상기 거리 센싱 수단, 상기 제1 각도 센싱 수단 및 상기 제2 센싱 수단으로부터의 센싱 데이터를 수집하고 상기 로봇 교시 조작기와의 무선 통신을 수행하는 제어 패널;
상기 거리 센싱 수단, 상기 와이어 후크, 상기 제1 각도 센싱 수단, 상기 제2 각도 센싱 수단 및 상기 제어 패널을 포함하는 센서 모듈을 용접 로봇에서 분리 또는 용접로봇에 부착하는 마운팅 브라켓; 및
상기 용접 로봇의 용접 자세 및 용접 조건이 저장되어 있는 로봇 제어기 데이터베이스를 구비하는 것을 특징으로 하는 용접로봇 이지티칭 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 피치 각도는 -90°~ + 90°이고, 상기 요우 각도는 -90°~ + 90°인 것을 특징으로 하는 용접로봇 이지티칭 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 무선 통신은 RS232, RS485 또는 CAN 통신 방식을 이용하는 것을 특징으로 하는 용접로봇 이지티칭 장치.
청구항 1에 청구된 용접로봇 이지티칭 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 용접로봇.
청구항 1에 청구된 용접로봇 이지티칭 장치를 이용하여 용접을 수행하는 용접방법으로서,
용접대상물에 대해 수직 용접을 할 것인지 수평 용접을 할 것인지 선택하고, 각목(脚目; effective throat)을 선택하고, 지시봉에 의해 용접 시작점과 끝점을 가리키고, 상기 거리 센싱 수단에 의해 거리 센싱 수단과 용접 대상물의 용접 시작점과 그리고 끝점 사이의 거리를 측정하고, 제1 각도 센싱 수단에 의해 제1 각도 센싱 수단과 용접점이 이루는 피치 각도 그리고 제2 각도 센싱 수단에 의해 상기 제2 각도 센싱 수단과 용접점이 이루는 요우 각도를 측정하여 이 측정된 센싱 정보를 입수하는 단계; 및
위에서 입수한 센싱 정보의 구면 좌표(L(length), Y(yaw), P(pitch))를 직교 좌표(x, y, z)로 변환하여 용접 대상물에 대한 용접 시작점과 끝점의 위치를 계산하고, 로봇 제어기의 데이터베이스에 미리 저장되어 있는 용접 자세 및 용접 조건에 대한 데이터를 반영하여 용접 교시점에 근접하는 좌표(R(반지름), P(위도), A(경도)))를 구한 다음 용접 작업용 로봇 프로그램을 자동으로 생성하여 로봇용접을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접로봇 이지티칭 장치를 이용한 용접방법.