KR101348794B1 - 레이저 스캔을 이용한 원통 외주연 용접로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 스캔을 이용한 원통 외주연 용접로봇에 관한 것으로, 몸체판(100)과; 상기 몸체판(100)의 하단부에 회동 가능하게 설치되는 톱니형 바퀴로 구성되어 원통 외주면의 이송레일을 따라 이동시키는 이송캐리지(200)와; 용접선을 따라 용접하는 용접봉이 체결되는 로봇헤드(300); 상기 몸체판(100)과 고정연결되어 상기 로봇헤드(300)를 3축 구동시키는 위빙모션 구동부(400); 상기 로봇헤드(300) 측면에 고정연결되어 상기 위빙모션 구동부(400)의 구동에 따라 다이오드 레이저를 조사하여 상기 용접선을 추적하는 레이저 스캔장치(500); 및 상기 레이저 스캔장치(500) 및 상기 위빙모션 구동부(400)의 구동을 제어하는 중앙제어부(600)를 포함한다.
이와 같은 본 발명은, 레이저 스캔장치(500)를 로봇헤드(300)에 고정 장착하고, 로봇헤드(300)를 위빙모션 구동부(400)로 동작하여 레이저 스캔을 통한 용접선 추적과 용접을 하나의 구동부로 통일할 수 있다는 점에서 용접로봇의 단가를 낮출 수 있고, 설치 구성이 간단할 뿐만 아니라, 용접 프로세스 운용이 효율적이라는 점에서 큰 장점이 있다.

Description

레이저 스캔을 이용한 원통 외주연 용접로봇{WELDING ROBOT FOR CYLINDER CIRCUMFERENCE USING OF LASER SCANNING}

본 발명은 파이프용접을 위한 용접 자동화 로봇의 구조 및 용접선 추적장치에 관한 것으로, 특히 개시된 내용은 레이저를 이용한 용접선 추적장치에 관한 것으로서 특히 서보모터의 위치제어를 통하여 용접선에 입사되는 레이저빔의 위치 및 깊이 정보를 이용하여 정확한 용접선 추적장치 및 용접로봇에 관한 것이다.

일반적으로, 용접로봇은 자동차, 선박등과 같이 금속판재의 접합공정에 사용되며, 작업프로그램에 의해 자동적으로 용접작업을 진행하게 된다. 용접로봇은 작업명령에 따라 로봇팔에 부착된 용접토치를 이동시켜 피용접부재의 용접선을 추종하면서 용접하게 된다.

종래기술에서는 용접로봇에 설치된 레이저비전센서를 이용하여 용접선을 추종하며, 레이저비전센서에 의해 획득된 영상으로부터 용접부위를 인식하여 용접작업을 수행할 수 있다. 이와 같이, 레이저비전센서를 이용하여 용접작업을 수행하는 경우 안정적인 용접부위에 대한 영상을 획득하고자 용접속도를 느리게 설정하고 용접토치가 위빙(weaving)하지 않고 용접선을 추종하게 된다. 그러나, 상기 레이저비전센서의 경우 장치가 고가이며 크기가 커서 로봇의 헤드에 장착이 어렵다는 문제점이 있다.

도 1은 종래의 거울을 이용한 레이저 용접선 추적장치의 구성을 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 용접선 추적장치는 레이저 발생기(10), 레이저 스캔을 위한 거울(20), 상기 거울(20)의 각도를 조정하기 위한 각도 조절부(21,22,23) 및 상기 용접 대상체에 반사된 레이저광을 수신하는 광검출기(11)로 구성된다.

그러나, 이와 같은 종래의 레이저 용접선 추적장치는 거울의 난반사로 인한 정밀도의 문제가 있을 수 있으며 크기의 제약을 받는 로봇의 헤드에 장착이 어려운 문제점이 있다.

상술한 문제를 해결하고자 하는 본 발명의 과제는 단가를 낮출 수 있고, 설치 구성이 간단할 뿐만 아니라, 용접 프로세스 운용이 효율적인 원통 외주연 용접로봇을 제공하기 위함이다. 또한, 장치가 가볍고 단가가 낮을 뿐만 아니라, 용접선의 3차원 위치정보를 획득할 수 있다는 점에서 정밀도가 높은 원통 외주연 용접로봇을 제공하기 위함이다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 특징은, 원통 외주면을 따라 이동하며 외부를 용접하는 용접로봇에 있어서, 몸체판과; 상기 몸체판의 하단부에 회동 가능하게 설치되는 톱니형 바퀴로 구성되어 원통 외주면의 이송레일을 따라 이동시키는 이송캐리지(200)와; 용접선을 따라 용접하는 용접봉이 체결되는 로봇헤드(300); 상기 몸체판과 고정연결되고 상기 로봇헤드(300)를 3축 구동시키는 위빙모션(weaving motion) 구동부(400); 상기 로봇헤드(300) 측면에 고정연결되어 상기 위빙모션 구동부(400)의 구동에 따라 다이오드 레이저를 조사하여 상기 용접선을 추적하는 레이저 스캔장치(500); 및 상기 레이저 스캔장치(500) 및 상기 위빙모션 구동부(400)의 구동을 제어하는 중앙제어부(600)를 포함한다.

여기서, 상기 이송캐리지(200)에 설치된 용접기 및 상기 원형레일을 따라 회동하기 위한 구동부는 외부의 제어박스와 연결되어 용접수행의 제어가 가능한 것이 바람직하고, 상기 제어박스와의 연결은 무선으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 바람직하게는 상기 위빙모션 구동부(400)는, 상기 로봇헤드(300)를 3축으로 구동시키기 위한 3축 서보모터와, 각도 조절 기어와, 위빙모션 구동 링크를 포함하는 것일 수 있고, 상기 레이저 스캔장치(500)는, 상기 용접선 영역에 레이저 광을 조사하는 다이오드 레이저와, 상기 용접선 영역에서 반사되는 레이저 광을 수신하는 광검출기와; 상기 위빙모션 구동에 따른 위치좌표와 상기 광센서의 신호를 분석하여 상기 용접선의 위치정보를 산출하는 마이크로컨트롤러를 포함하는 것일 수 있다.

더하여, 상기 위치정보는 상기 위빙모션 구동에 따른 위치좌표와 상기 광센서에서 수신된 레이저 광의 출력의 세기 정보를 이용한 3차원 위치정보인 것이 바람직하다.

이와 같은 본 발명은, 레이저 스캔장치(500)를 로봇헤드(300)에 고정 장착하고, 로봇헤드(300)를 위빙모션 구동부(400)로 동작하여 레이저 스캔을 통한 용접선 추적과 용접을 하나의 구동부로 통일할 수 있다는 점에서 용접로봇의 단가를 낮출 수 있고, 설치 구성이 간단할 뿐만 아니라, 용접 프로세스 운용이 효율적이라는 점에서 큰 장점이 있다.

또한, 소형의 다이오드 레이저를 사용하여, 장치가 가볍고 단가가 낮을 뿐만 아니라, 위빙모션 구동부(400)의 3축 구동에 의한 좌표와, 레이저 스캔에 의한 검출정보를 이용해 용접선의 3차원 위치정보를 획득할 수 있다는 점에서 정밀도가 높아지는 장점이 있다.

도 1은 종래의 거울을 이용한 레이저 용접선 추적장치의 구성을 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 스캔을 이용한 원통 외주연 용접로봇의 구성을 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 스캔을 이용한 원통 외주연 용접로봇에서 용접 프로세스를 수행하는 구성의 블럭도이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 스캔을 이용한 원통 외주연 용접로봇의 용접하는 모식도를 나타낸 도면이고,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 스캔을 이용한 원통 외주연 용접로봇으로 용접한 결과를 나타내는 그래프이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 통해 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 여기에서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 본 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

도면들에 있어서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니며 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소를 나타낸다.

본 명세서에서 "및/또는"이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 또한, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "포함한다" 또는 "포함하는"으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 소자 및 장치의 존재 또는 추가를 의미한다.

이하에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 스캔을 이용한 원통 외주연 용접로봇의 구성을 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 원통 외주연 용접로봇은, 몸체판(100)과; 상기 몸체판(100)의 하단부에 회동 가능하게 설치되는 톱니형 바퀴로 구성되어 원통 외주면의 이송레일을 따라 이동시키는 이송캐리지(200)와; 용접선을 따라 용접하는 용접봉이 체결되는 로봇헤드(300); 상기 몸체판(100)과 고정연결되고 상기 로봇헤드(300)를 3축 구동시키는 위빙모션 구동부(400); 상기 로봇헤드(300) 측면에 고정연결되어 상기 위빙모션 구동부(400)의 구동에 따라 다이오드 레이저를 조사하여 상기 용접선을 추적하는 레이저 스캔장치(500); 및 상기 레이저 스캔장치(500) 및 상기 위빙모션 구동부(400)의 구동을 제어하는 중앙제어부(600)를 포함하여 구성한다.

본 발명의 실시예에 따른 용접로봇은 원통(cylinder) 외연을 따라 회동하는 이송캐리지(200)가 톱니형 레일(210)이 중심부에 형성된 원형레일을 따라 이동하며 상기 원통의 용접부위를 용접봉이 체결된 로봇 헤드가 용접하는 장치로서, 이송캐리지(200) 하단부에 톱니형 바퀴가 구비되어 톱니형 레일(210)과 맞물려 회동 되도록 구성되어 있다. 여기서 이송캐리지(200)는 몸체판(100), 회동을 위해 몸체판(100) 하단부에 톱니형 바퀴와, 이를 구동시키기 위한 구동부를 포함하여 구성된다.

이에 더하여 몸체판(100)에 중앙제어부(600)가 설치되어 상기 스캔장치, 이송캐리지(200), 로봇헤드(300)의 구동을 제어하고, 필요에 따라 로봇헤, 이송캐리지(200) 및 스캔장치의 작동 제어를 위한 외부의 제어박스가 유선 또는 무선으로 연결되는 것도 가능하다.

이 제어박스를 통하여 이송캐리지(200)에 설치된 센서 등(도시하지 않음)을 통하여 용접의 상태 및 진행상황을 체크 할 수 있게 되고, 속도 및 시스템 on-off를 제어할 수 있게 됨으로써 훨씬 용이하게 용접작업을 수행할 수 있게 된다.

또한, 톱니형 바퀴의 맞물림을 통한 회동은 외부의 진동 또는 이송캐리지(200) 및 로봇헤드(300)의 진동 등이 발생하더라도 앞 또는 뒤로 미끄러질 염려가 없고 원하는 지점에서 안정적으로 용접을 수행되도록 하는 장점이 있다. 종래의 길이 방향의 단순한 레일에서 나타나는 미끄러짐 현상이 나타나지 않는다.

그리고, 본 발명의 핵심적 특징은 용접선을 따라 용접하는 용접봉이 체결되는 로봇헤드(300)와, 상기 몸체판(100)과 고정연결되고 상기 로봇헤드(300)를 3축 구동시키는 위빙모션 구동부(400)와, 상기 로봇헤드(300) 측면에 고정연결되어 상기 위빙모션 구동부(400)의 구동에 따라 다이오드 레이저를 조사하여 상기 용접선을 추적하는 레이저 스캔장치(500)에 있다.

로봇헤드(300)는 용접봉이 체결되어 원통 외주연에 표시된 용접선 라인을 따라 용접하는 장치이고, 위빙모션 구동부(400)는 상기 로봇헤드(300)와 고정 연결되어 3축으로 구동할 있도록 연결된 장치이다. 위빙모션 구동부(400)는 상기 로봇헤드(300)를 3축으로 구동시키기 위한 3축 서보모터와, 각도 조절 기어와, 위빙모션 구동 링크를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 스캔을 이용한 원통 외주연 용접로봇에 적용된 레이저 스캔장치(500)는, 로봇헤드(300)의 측면에 장착된 레이저 스캔장치(500)에 의해 용접선을 추적하고 상기 용접선의 위치정보를 이용해 자동으로 용접하는 프로세스를 수행하는 장치로, 종래의 자동 용접로봇에서 독립된 구동부에 의해 스캔장치의 모션을 구동하거나, 레이저 광의 조사각도를 변화시키는 거울을 별도의 구동부에 의해 용접선을 추적하는 장치와 달리, 용접을 위해 위빙모션 구동을 하는 로봇헤드(300)에 직접 장착되어 하나의 위빙모션 구동부(400)의 구동과 함께 레이저를 조사하고, 반사된 레이저 광을 검출하여 상기 위빙모션 구동부(400)의 좌표정보와 레이저 광의 검출 신호를 분석하여 용접선의 위치정보를 정밀하고 용이하게 산출할 수 있는 장치라는 점이 그 특징이 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 스캔을 이용한 원통 외주연 용접로봇에서 용접 프로세스를 수행하는 구성의 블럭도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 용접을 수행하기 위한 구동장치는 레이저 스캔장치(500)의 MCU(Micro Control Unit)(550)와, 위빙모션 구동부(400) 및 중앙제어부(600)가 서로 연동하여 연결되는 구성이다.

먼저, 레이저 스캔장치(500)에서 다이오드 레이저(510)가 용접 영역을 직접조사하여 반사된 레이저 광을 광검출기(530)가 수신하는 동시에, MCU(550)가 미리 설정된 범위에서 상기 레이저 광의 조사 각도를 변경하여 용접선을 추적하기 위해 상기 위빙모션 구동부(400)에 필요한 구동을 명령하고, 상기 구동에 따라 용접선 영역을 스캔하여 용접선의 위치정보를 산출하게 된다. 그리고, 중앙제어부(600)는 몸체판(100) 내부에 설치되어 상기 위빙모션 구동부(400)와 레이저 스캔장치(500)의 MCU(550)를 통합제어함으로써, 시스템 효율 및 정밀성을 높일 수 있게 된다.

이처럼, 종래에는 용접봉 모션 구동부와, 레이저 스캔장치(500) 구동부가 서로 독립되어 별도로 동작 구동하는 장치여서, 구동부의 추가설치에 따른 비용 증가와 그 설치가 복잡하다는 문제점이 있었으나, 본 발명의 실시예에서는 레이저 스캔장치(500)를 로봇헤드(300)에 고정 장착하고, 로봇헤드(300)를 위빙모션 구동부(400)로 동작하여 레이저 스캔을 통한 용접선 추적과 용접을 하나의 구동부로 통일할 수 있다는 점에서 용접로봇의 단가를 낮출 수 있고, 설치 구성이 간단할 뿐만 아니라, 용접 프로세스 운용이 효율적이라는 점에서 큰 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서 적용되는 레이저 스캔장치(500)는 대형 레이저 발진기를 사용하는 것이 아니고, 소형의 다이오드 레이저를 사용하여, 장치가 가볍고 단가가 낮을 뿐만 아니라, 위빙모션 구동부(400)의 3축 구동에 의한 좌표와, 레이저 스캔에 의한 검출정보를 이용해 용접선의 3차원 위치정보를 획득할 수 있다는 점에서 정밀도가 높아지는 장점이 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 스캔을 이용한 원통 외주연 용접로봇의 용접하는 모식도를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 스캔을 이용한 원통 외주연 용접로봇으로 용접한 결과를 나타내는 그래프이다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 용접 대상체에는 용접선이 표시되어 있거나 일정 홈이 형성되어 있으므로, 상기 레이저 스캔장치(500)로 지그재그 모션 또는 위빙모션으로 용접선 영역을 스캔하고 반사된 레이저 광을 검출하여, 위빙모션 구동부(400)의 좌표정보와 함께 용접선(L)의 3차원 위치정보를 획득하게 된다.

즉, 중앙제어부(600)에서 엔코더 등을 통하여 위빙모션 구동부(400)의 움직임으로 산출되는 좌표정보를 획득하고, 상기 좌표정보와 함께 레이저 스캔장치(500)의 다이오드 레이저에 용접선 영역에 조사하고 반사된 레이저 광을 광검출기(530)가 검출하여 검출정보를 수신받아, 상기 좌표정보에 따른 X 및 Y축의 좌표정보와 용접선(L)에서 생성되는 깊이 정보(Z)를 조합하여 3차원의 용접선 위치정보를 획득할 수 있게 된다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 위빙모션 또는 지그재그의 형태로 용접선을 레이저 스캔하게 되면, 광검출기에서 검출된 검출신호 그래프가 용접선 영역의 용접 대상체의 표면상태에 따라 파형을 그리며 형성하게 되는데, 상기 파형 중 가장 높은 피크점이 용접선(L)이 표시된 위치라는 것을 명확하게 알 수 있다. 또한, 이와 같은 1차원 또는 2차원의 위치정보를 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 위빙모션 구동부(400)의 좌표정보와 함께 보다 정밀한 3차원 용접선 위치정보도 획득할 수 있게 된다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능 하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

100: 몸체판, 200: 이송캐리지, 300: 로봇헤드, 400: 위빙모션 구동부,
500: 레이저 스캔장치, 510: 다이오드 레이저, 530: 광검출기,
550: MCU, 600: 중앙제어부

Claims (6)

1. 원통 외주면을 따라 이동하며 외부를 용접하는 용접로봇에 있어서,
   몸체판(100)과;
   상기 몸체판(100)의 하단부에 회동 가능하게 설치되는 톱니형 바퀴로 구성되어 원통 외주면의 이송레일을 따라 이동시키는 이송캐리지(200)와;
   용접선을 따라 용접하는 용접봉이 체결되는 로봇헤드(300);
   상기 로봇헤드(300)를 3축으로 구동시키기 위한 3축 서보모터와, 각도 조절 기어와, 위빙모션 구동 링크로 구성되는 것으로, 상기 몸체판(100)과 고정연결되어 상기 로봇헤드(300)를 3축 구동시키는 위빙모션 구동부(400);
   다이오드 레이저(510)가 용접 영역을 직접조사하여 반사된 레이저 광을 광검출기(530)가 수신하는 동시에, MCU(550)가 미리 설정된 범위에서 상기 레이저 광의 조사 각도를 변경하여 용접선을 추적하기 위해 상기 위빙모션 구동부(400)에 필요한 구동을 명령하고, 상기 구동에 따라 용접선 영역을 스캔하여 상기 위빙모션 구동에 따른 평면 위치좌표와 상기 광검출기에서 수신된 레이저 광의 출력의 세기에 따른 깊이정보를 이용한 상기 용접선의 3차원 위치정보 산출하는 레이저 스캔장치(500);
   상기 레이저 스캔장치(500) 및 상기 위빙모션 구동부(400)의 구동을 제어하는 중앙제어부(600)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 스캔을 이용한 원통 외주연 용접로봇.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 이송캐리지(200)에 설치된 용접기 및 상기 이송레일을 따라 회동하기 위한 구동부는 외부의 제어박스와 연결되어 용접수행의 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 레이저 스캔을 이용한 원통 외주연 용접로봇.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 제어박스와의 연결은 무선으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 스캔을 이용한 원통 외주연 용접로봇.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
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