KR101386741B1 - 아크 용접의 제어시스템 및 제어방법 - Google Patents

아크 용접의 제어시스템 및 제어방법 Download PDF

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마사루 세토
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Abstract

위빙폭의 제어와 토치 높이의 제어를 동시에 고성능으로 실행할 수 있는 아크 용접의 제어시스템 및 제어방법을 제공한다. 위빙폭의 조작량(Δw) 및 토치 높이의 조작량(Δz)은 각각 홈 벽의 거리 편차(ΔPd)에 대해 토치 높이 편차(ΔPh)가 각 조작량에 영향을 미치는 영향 비율(δw, δz)이 워크피스(5)의 홈 각도(θ)에 따라 설정되어 있고, 연산기(21)는 그 홈 각도(θ)가 클수록 영향 비율(δw, δz)이 커지도록 액추에이터(13, 14)의 토치 높이 및 위빙폭에 관한 조작량(Δz, Δw)을 연산한다.

Description

아크 용접의 제어시스템 및 제어방법 {ARC-WELDING CONTROL SYSTEM AND CONTROL METHOD}
본 발명은 아크(arc)의 전류 또는 전압에 따라 용접토치(torch)를 위치제어하기 위한 아크 용접의 제어시스템 및 제어방법에 관한 것이다.
용접 대상인 워크피스(workpiece)에 대하여 워크피스의 용접선을 따라 용접토치를 자동적으로 추적하면서 아크 용접을 실행하는 기술이 알려져 있다. 이와 같은 자동 아크 용접 장치에 있어서, 용접토치를 워크피스 홈의 폭방향으로 소정의 위빙폭(weaving width) 및 소정의 토치 높이에서 주기적으로 이동시키면서 워크피스의 용접선방향을 따라 비드(bead)가 형성되도록 이동시키는 제어를 실행할 필요가 있다. 이와 같은 제어에 있어서는 용접토치와 워크피스의 용접선과의 상대적인 위치 관계를 파악할 필요가 있다. 예를 들면, 용접토치에 레이저센서 등의 위치센서(position sensor)를 설치하는 것도 생각할 수 있지만, 고가이며, 좁은 부분을 용접할 경우에는 위치센서가 방해되는 경우가 있다.
그래서 용접아크의 특성을 이용하여 용접토치 주위에 부가장치의 불필요한 아크센서를 이용한 용접에서는 용접토치의 선단에 돌출된 전극과 워크피스와의 사이에서 발생하는 아크의 용접 전류나 아크 전압을 검출하고, 전극의 선단과 워크피스와의 거리를 연산하는 것에 의해 용접토치의 위치를 파악하고 있다. 구체적으로는 위빙 양단에서의 용접 전류값 또는 아크 전압값을 비교하는 것에 의해 용접선 추적을 제어할 수 있고, 위빙 중의 용접 전류값 또는 아크 전압값을 목표값과 비교하는 것에 의해 토치 높이 제어를 할 수 있다.
또한 워크피스의 홈 넓이에 대하여 적절한 위빙폭을 얻기 위해 위빙폭을 제어하는 방법도 알려져 있다(예를 들면 특허 문헌1 참조). 이 경우, 위빙 단부에서의 용접 전류값 또는 아크 전압값을 목표값과 비교하여 위빙폭을 증감하는 제어가 실행된다.
일본 특공평 4-70117호 공보
상기 특허문헌 1의 방법에 있어서는 위빙폭의 제어와 토치 높이의 제어는 독립하여 실행되고 있다. 그러나 위빙폭의 제어와 토치 높이의 제어는 서로 영향을 주기 때문에, 각각의 제어를 최적화 하고자 한다면, 다음과 같은 불편이 생긴다.
도 11a~도 11c는 종래의 아크 센서 위빙폭 제어의 불편을 설명하기 위한 모식도이다. 도 11a에 도시한 바와 같은 초기 위빙폭 w0 및 토치 높이 z0 인 경우에, 위빙폭 w의 단부와 워크피스와의 수평거리(벽거리)가 목표값 dref가 되도록 위빙폭 w를 넓히는 제어를 실행함과 동시에, 토치 높이 z가 목표값 zref가 되도록 토치 높이 z를 낮게 하는 제어를 실행하면, 도 11b에 도시한 바와 같이, 토치 높이가 낮아지는 것에 의해 위빙폭의 단부와 워크피스와의 수평거리도 짧아지기 때문에, 위빙폭 w가 목표 토치 높이 zref에서의 목표 위빙폭 wt보다 커져 버리게 된다. 일반적으로 위빙폭 및 토치 높이의 제어는 소정의 제어 사이클마다 조금씩 변화시킨다. 따라서 위빙폭 w에 관해 말하면, 도 11c의 파선에서 도시한 바와 같이, 초기 위빙폭 w0 로부터 제어 사이클을 반복할 정도로 목표 위빙폭 wt 에 점근해 가는 것이 바람직하다. 그러나 상기 종래의 구성에 있어서는, 초기 위빙폭 w0에 대해 본래라면 목표 위빙폭 wt에 가까워지기 위해 위빙폭 w를 좁히는 제어를 실행할 필요가 있음에도 불구하고, 위빙폭 w를 넓히는 제어를 실행해 버리게 되기 때문에, 도 11c의 실선에서 도시한 바와 같이, 목표값에 대해 반대방향으로 동작하거나 목표값에 안정될 때까지 시간이 걸리게 된다.
이와 같이 위빙폭의 제어 및 토치 높이의 제어의 각각의 제어에 있어서, 개별적으로 최적인 제어를 실행하면, 결과로서 용접토치와 워크피스와의 수평거리가 매우 가까워지고, 용접 결함이 되거나 용접토치와 워크피스가 접촉하는 문제가 생길 수 있다. 따라서 이와 같은 종래의 방법에 있어서, 위빙폭의 제어와 토치 높이의 제어를 독립하여 실행하면서 용접 결함 등의 문제를 발생시키지 않기 위해서는, 각각의 제어에 있어서 게인을 낮출 수밖에 없고, 고성능인 제어를 실행할 수 없다.
또한, 위빙폭의 제어와 토치 높이의 제어를 위빙 주기에 따라 교대로 실행하는 것도 가능하다. 즉, 이 방법에 있어서는 위빙폭의 제어를 실행할 때에 토치 높이의 제어는 실행하지 않고, 토치 높이의 제어를 실행하는 때에 위빙폭의 제어는 실행하지 않는 것도 가능하다. 이렇게 하면 용접 결함 등의 문제는 생기지 않지만, 각각의 제어에 있어서 그 제어를 실행하지 않은 기간이 존재하게 되므로, 결과적으로 게인이 반감해 버려 고성능의 제어를 실행할 수 없다.
본 발명은 이상과 같은 과제를 해결하고자 하는 것이며, 위빙폭의 제어와 토치 높이의 제어를 동시에 고성능으로 실행할 수 있는 아크 용접의 제어시스템 및 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명과 관련된 아크 용접의 제어시스템은, 용접토치를 용접 대상인 워크피스 홈의 폭방향으로 소정의 위빙폭에서 주기적으로 이동시키면서 상기 워크피스의 용접선방향으로 소정의 토치 높이에서 상기 용접토치를 이동시켜 상기 워크피스의 용접선을 추적하는 액추에이터(actuator)와, 용접 전류 또는 아크 전압을 검출하는 센서를 구비하고, 상기 워크피스의 홈에 양호한 비드를 형성하기 위한 아크 용접의 아크 센서 제어시스템이며, 상기 용접 전류 또는 아크 전압으로부터 위빙 단부에서의 상기 용접토치와 상기 워크피스와의 수평거리를 나타내는 홈 벽의 거리에 상당하는 값 및 상기 토치 높이에 상당하는 값을 각각 취득하고, 각각의 목표값과의 차이를 각각 연산하고, 상기 홈 벽의 거리에 상당하는 값의 그 목표값으로부터의 편차(이하, 홈 벽의 거리 편차라고 한다)와 상기 토치 높이에서 상당하는 값의 그 목표값으로부터의 편차(이하, 토치 높이 편차라고 한다)로부터 상기 액추에이터의 상기 위빙폭에 관한 조작량을 연산함과 동시에, 상기 홈 벽의 거리 편차와 상기 토치 높이 편차로부터 상기 액추에이터의 상기 토치 높이에 관한 조작량을 연산하는 연산기와, 상기 위빙폭에 관한 조작량 및 상기 토치 높이에 관한 조작량에 기초하여 상기 위빙폭 및 상기 토치 높이를 각각 제어하는 제어기를 가지고, 상기 위빙폭의 조작량 및 상기 토치 높이의 조작량에 대해 각각 상기 홈 벽의 거리 편차 및 상기 토치 높이 편차가 영향을 주는 비율(이하, 영향 비율이라고 한다)이 상기 워크피스의 홈 각도에 따라 설정되어 있고, 상기 홈 벽의 거리 편차 및 상기 토치 높이 편차의 영향 비율은 상기 홈 각도가 클수록 상기 홈 벽의 거리 편차의 영향 비율에 대해 상기 토치 높이 편차의 영향 비율이 상대적으로 커지도록 설정되도록 구성되어 있다.
상기 구성에 따르면, 용접토치를 용접선을 추적할 때에 센서에서 검출되는 용접 전류 또는 아크 전압값으로부터 취득된 홈 벽의 거리에 상당하는 값 및 토치 높이에 상당하는 값의 양쪽을 이용하여 위빙폭에 관한 수평 액추에이터의 조작량 및 토치 높이에 관한 연직 액추에이터의 조작량이 각각 연산된다. 또한 각 조작량에서의 홈 벽의 거리 편차 및 토치 높이 편차에 관한 파라미터에 걸린 영향 비율(무게 계수)이 워크피스의 홈 각도에 따라 설정되어 있다. 그리고 발명자들은 예의 연구의 결과, 어느 조작량에 있어서도 워크피스의 홈 각도가 클수록 토치 높이 편차의 영향 비율이 홈 벽의 거리 편차의 영향 비율보다 상대적으로 커지도록 설정함으로써, 게인을 내리지 않고 위빙폭과 토치 높이를 신속하고 최적으로 제어할 수 있다는 식견을 얻은 것이다. 따라서 상기 구성을 가지는 것에 의해 위빙폭의 제어와 토치 높이의 제어를 동시에 고성능으로 실행할 수 있다.
상기 조작량은 상기 영향 비율에 해당 영향 비율을 조정하는 조정계수가 걸려 있어도 좋다. 이로써, 동일 홈 각도라 하더라도 워크피스의 종류나 사용 용도에 따라 보다 적합한 제어 성능으로 조정할 수 있다.
또한 상기 토치 높이의 조작량 Δz은 하기 수학식 1로 표시되고, 상기 위빙폭의 조작량 Δw은 하기 수학식 2로 표시되어도 좋다.
[수학식 1]
Figure 112013026139896-pct00001
[수학식 2]
Figure 112013026139896-pct00002
여기에서 Kz, Kw 는 연직 액추에이터의 조작량 및 수평 액추에이터의 조작량의 각 게인을 나타내고, ΔPd는 홈 벽의 거리편차를 나타내고, ΔPh는 토치 높이 편차를 나타내고, t는 홈 각도 θ를 이용하여 t=tan(θ/2)로 표시되는 값을 나타내고, Kh는 조정계수를 나타낸다.
이에 따르면, 토치 높이의 조작량에서의 토치 높이 편차에 의한 영향 비율이 위빙폭의 조작량에서보다 커지기 때문에, 토치 높이 편차를 더 반영시켜 제어할 수 있다.
또한, 상기 연산기는 위빙 1 주기가 미리 정해진 수로 분할된 복수의 구간마다, 상기 센서로부터 검출되는 상기 용접 전류 또는 아크 전압의 평균값을 산출하고, 상기 복수의 구간 중 위빙 단부에 대응하는 1 또는 복수의 구간의 평균값에 기초하여 상기 홈 벽의 거리에 상당하는 값을 취득하고, 위빙 1 주기분의 상기 용접 전류 또는 아크 전압의 평균값에 기초하여 상기 토치 높이에 상당하는 값을 취득하는 것으로 하여도 좋다. 이와 같이 용접 전류 또는 아크 전압을 위빙 주기에 따라 구분하는 것에 의해 용접토치의 각 위치에서의 아크의 전류 또는 전압을 간편하게 연산할 수 있다.
또, 본 발명과 관련된 아크 용접의 아크 센서 제어방법은, 용접토치를 용접 대상인 워크피스 홈의 폭방향으로 소정의 위빙폭에서 주기적으로 이동시키면서 상기 워크피스의 용접선 방향으로 소정의 토치 높이에서 상기 용접토치를 이동시켜 상기 워크피스의 용접선을 추적한 액추에이터와, 용접 전류 또는 아크 전압을 검출하는 센서를 구비하고, 상기 워크피스의 홈에 비드를 형성하기 위한 아크 용접의 아크 센서 제어방법이며, 상기 용접 전류 또는 아크 전압을 검출하는 단계와, 상기 용접 전류 또는 아크 전압으로부터 위빙 단부에서의 상기 용접토치와 상기 워크피스와의 수평거리를 나타내는 홈 벽의 거리에 상당하는 값 및 상기 토치 높이에 상당하는 값을 각각 취득하고, 각각의 목표값과의 차이를 각각 연산하는 단계와 상기 홈 벽의 거리에 상당하는 값의 그 목표값으로부터의 편차(이하, 홈 벽의 거리 편차라고 한다)와 상기 토치 높이에서 상당하는 값의 그 목표값으로부터의 편차(이하, 토치 높이 편차라고 한다)로부터 상기 액추에이터의 상기 위빙폭에 관한 조작량을 연산함과 동시에, 상기 홈 벽의 거리 편차와 상기 토치 높이 편차로부터 상기 액추에이터의 상기 토치 높이에 관한 조작량을 연산하는 단계와, 상기 위빙폭에 관한 조작량 및 상기 토치 높이에 관한 조작량에 기초하여 상기 위빙폭 및 상기 토치 높이를 각각 제어하는 단계를 포함하고, 상기 위빙폭의 조작량 및 상기 토치 높이의 조작량에 대해, 각각 상기 홈 벽의 거리 편차 및 상기 토치 높이 편차가 영향을 주는 비율(이하, 영향 비율이라고 한다)이 상기 워크피스의 홈 각도에 따라 설정 되어 있고, 상기 홈 벽의 거리 편차 및 상기 토치 높이 편차의 영향 비율은 상기 홈 각도가 클수록 상기 홈 벽의 거리 편차의 영향 비율에 대해 상기 토치 높이 편차의 영향 비율이 상대적으로 커지도록 설정되어 있는 것이다.
상기 방법에 따르면, 용접토치가 용접선을 추적할 때에, 센서에서 검출된 용접 전류 또는 아크 전압값으로부터 취득된 홈 벽의 거리에 상당하는 값 및 토치 높이에 상당하는 값의 양쪽을 이용하여 위빙폭의 조작량 및 토치 높이의 조작량이 각각 연산된다. 또한 각 조작량에서의 홈 벽의 거리 편차 및 토치 높이 편차에 관한 파라미터의 영향 비율(무게 계수)이 워크피스의 홈 각도에 따라 설정되어 있다. 그리고 발명자들은 예의 연구의 결과, 어느 조작량에 있어서도 워크피스의 홈 각도가 클수록 토치 높이 편차의 영향 비율이 홈 벽의 거리 편차의 영향 비율에 대해 상대적으로 커지도록 설정함으로써, 게인을 내리지 않고 위빙폭과 토치 높이를 신속하고 최적으로 제어할 수 있다는 식견을 얻은 것이다. 따라서 상기 방법을 이용하여 제어하는 것에 의해 위빙폭의 제어와 토치 높이의 제어를 동시에 고성능으로 실행할 수 있다.
본 발명의 상기 목적, 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면을 참조하여, 이하의 적절한 실시형태의 상세한 설명으로부터 분명해 진다.
본 발명은 이상에서 설명한 것과 같이 구성되고, 위빙폭의 제어와 토치 높이의 제어를 동시에 고성능으로 실행할 수 있다는 효과를 갖는다.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태와 관련된 아크 용접의 제어시스템의 개략적인 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는, 도 1에 도시한 용접 시스템의 용접토치와 워크피스와의 위치 관계를 모델화한 기하 형상 모델을 도시한 도면이다.
도 3은, 도 1에 도시한 용접 시스템의 제어 모델을 도시한 블록선도이다.
도 4는, 도 1에 도시한 용접 시스템의 용접토치의 궤적 및 그에 대응하는 아크 전압 변화를 도시한 도면이다.
도 5a는, 도 1에 도시한 용접 시스템의 용접토치 제어를 개념적으로 도시한 모식도이다.
도 5b는, 도 1에 도시한 용접 시스템의 용접토치 제어를 개념적으로 도시한 모식도이다.
도 6a는, 실시예 1에 있어서 사용한 워크피스형상을 도시한 측면도이다.
도 6b는, 실시예 1에 있어서 사용한 워크피스형상을 도시한 사시도이다.
도 7a는, 실시예 1에서의 아크 센서 제어에 있어서 검출된 아크 전압을 도시한 도면이다.
도 7b는, 실시예 1에서의 아크 센서 제어에서의 위빙폭의 목표값에 대한 편차를 도시한 도면이다.
도 8a는, 실시예 1에서의 아크 센서 제어에서의 용접토치의 수평위치 궤적을 도시한 도면이다.
도 8b는, 실시예 1에서의 아크 센서 제어에서의 용접토치의 연직위치 궤적을 도시한 도면이다.
도 9a는, 실시예 2 및 비교예에서의 아크 센서 제어에서의 위빙폭의 시간변화를 도시한 도면이다.
도 9b는, 실시예 2 및 비교예에서의 아크 센서 제어에서의 위빙폭과 워크피스와의 사이의 수평거리의 시간변화를 도시한 도면이다.
도 10a는, 실시예 2 및 비교예에서 아크 센서 제어에서의 중앙토치 높이의 시간변화를 도시한 도면이다.
도 10b는, 실시예 2 및 비교예에서 아크 센서 제어에서의 평균토치 높이의 시간변화를 도시한 도면이다.
도 11a는, 종래의 아크 센서 위빙폭 제어에서의 단점을 설명하기 위한 모식도이다.
도 11b는, 종래의 아크 센서 위빙폭 제어에서의 단점을 설명하기 위한 모식도이다.
도 11c는, 종래의 아크 센서 위빙폭 제어에서의 단점을 설명하기 위한 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하면서 설명한다. 아울러, 이하에는 모든 도면을 통하여 동일 또는 상당하는 요소에는 동일한 참조 부호를 붙여, 그 중복하는 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 한 실시형태와 관련한 아크 용접의 아크 센서 제어시스템이 적용되는 용접 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 블록도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시형태의 아크 용접의 아크 센서 제어시스템이 적용되는 용접 시스템은, 용접 장치(1)와 용접 장치(1)를 제어하는 연산 제어기(2)와 용접 장치(1)에 있어서 아크를 발생시키기 위한 용접 전원(3)과 아크의 용접 전류 및 아크 전압을 검출하는 센서(4)를 구비하고 있다.
용접 장치(1)는 실드 가스를 용접부에 공급하는 노즐을 가지는 용접토치(11)를 가지고 있다. 용접토치(11)의 선단(하단)에는 전극(12)이 설치되어 있다. 용접토치(11)에는 용접 전원(3)으로부터의 전력선이 접속되어 전력이 공급된다. 또한, 용접 장치(1)는 용접토치(11)를 수평축방향으로 이동시킨 수평 액추에이터(13)와 용접토치(11)를 연직방향으로 이동시킨 연직 액추에이터(14)를 가지고 있다. 수평 액추에이터(13) 및 연직 액추에이터(14)는 연산 제어기(2)로부터의 제어 신호에 기초하여 작동하고, 용접토치(11)를 수평방향 및 연직방향으로 이동시킨다. 아울러, 이와 같은 구성은 선단부에 용접토치(11)가 구비된 다관절 로봇에 의해 구성되어도 좋다.
용접토치(11)의 하방에는, 용접 대상인 워크피스(5)가 배치된다. 워크피스(5)는 2개의 피용접재가 맞대어진 상태로 배치되어 있고, 용접해야 할 곳에 홈(51)이 형성되어 있다. 홈(51)은 2개의 피용접재가 맞대어진 상태에서 각각의 홈 면이 소정의 홈 각도 θ를 가지도록 배치되어 있다. 아울러, 이 홈 각도 θ는 피용접재끼리의 접합부 근방이 곡면으로 되어 있는 경우도 있으므로, 홈 면들을 연장한 면들이 교차할 때 이루는 각을 의미하고 있다.
용접 전원(3)은 워크피스(5)에도 용접 전원(3)의 전력선이 연결되도록 구성되어 있다. 용접 전원(3)으로부터 공급되는 전력에 의해, 용접토치(의 전극(12))(11)와 워크피스(5)와의 사이에 전압이 인가되고, 용접토치(11)의 선단으로부터 돌출된 전극(12)과 워크피스(5)와의 사이에 아크가 발생한다. 이로써, 워크피스(5)가 용접되고 비드가 형성된다. 용접 전원(3) 및 용접토치(11) 사이의 전력선과 용접 전원(3) 및 워크피스(5) 사이의 전력선과의 사이에는 용접 전류 또는 아크 전압 중 아크 전압을 검출하는 전압 센서(41)가 센서(4)로 설치되어 있다. 또한 본 실시형태에 있어서는, 전력선의 어느 한쪽에 설치된 전류 센서(42)도 센서(4)로 설치되어 있다. 아울러, 본 실시형태에 있어서는 용접 전류 또는 아크 전압을 검출하는 센서(4)로 아크 전압값을 검출하는 전압 센서(41) 및 용접 전류값을 검출하는 전류 센서(42)의 양쪽을 다 갖고 있지만, 어느 한쪽만이어도 좋다. 또한, 용접 전류 또는 아크 전압은 용접 전원(3)으로부터의 전원선 사이의 용접 전류 또는 아크 전압을 직접적으로 검출하여도 좋고, 간접적으로 검출하여도 좋다. 일반적으로 MIG 용접, MAG 용접, CO2 용접에서는 전류값으로 제어하고, TIG 용접에서는 전압값으로 제어하기 때문에, 용접의 종류에 따라 구성을 재편성하거나 나누어 사용하면 좋다.
연산 제어기(2)는 용접토치를 용접선에 추적할 때에서의 아크 전압 또는 용접 전류로부터 위빙 단부에서의 용접토치(11)와 워크피스(5)의 홈 벽과의 수평거리를 나타내는 홈 벽의 거리에 상당하는 값 및 토치 높이에 상당하는 값을 각각 취득하고, 각각의 목표값과의 차이를 각각 연산하고, 홈 벽의 거리에 상당하는 값의 그 목표값으로부터의 편차(홈 벽의 거리 편차)와 토치 높이에 상당하는 값의 그 목표값으로부터의 편차(토치 높이 편차)로부터 액추에이터의 위빙폭에 관한 조작량(즉, 연직 액추에이터(14)의 조작량)을 연산함과 동시에, 홈 벽의 거리 편차와 토치 높이 편차로부터 액추에이터의 토치 높이에 관한 조작량(즉, 수평 액추에이터(13)의 조작량)을 연산하는 연산기(21)로서 기능한다. 또한, 연산 제어기(2)는 위빙폭에 관한 조작량 및 토치 높이에 관한 조작량에 기초하여 용접 장치(1)의 각 액추에이터(13, 14)를 제어하는 제어기(22)로서 기능한다. 구체적으로는 본 실시형태의 제어기(22)로서 기능하는 연산 제어기(2)는 센서(4)에서 검출된 용접 전류 또는 아크 전압에 기초하여, 용접토치(11)를 용접 대상인 워크피스(5)의 홈(51)의 폭방향으로 소정의 위빙폭에서 주기적으로 이동시키면서 워크피스(5)의 홈(51)의 용접선 방향으로 소정의 토치 높이에서 이동시켜, 워크피스(5)의 홈(51)에 비드를 형성하도록 제어한다. 연산 제어기(2)는 처리 기능을 가지는 한 어떠한 구성도 좋고, 예를 들면 마이크로 컨트롤러(micro controller), CPU, MPU, PLC(Programmable Logic Controller), 논리 회로 등으로 구성되어 있다. 또한, 본 실시형태에 있어서는 1개의 연산 제어기(2)가 연산기(21) 및 제어기(22)의 어느 쪽에서도 기능하는 구성으로 설명하고 있지만, 별개의 제어기 또는 연산기로 구성되어도 좋다.
이하, 구체적인 제어 상태에 대하여 설명한다. 먼저, 연산 제어기(2)는 센서(4)에서 검출된 용접 전류 또는 아크 전압으로부터 홈 벽의 거리에 상당하는 값 및 토치 높이에 상당하는 값을 취득한다. 이 때문에, 본 실시형태에 있어서는 아크 전압으로부터 위빙 단부에서의 용접토치(11)와 워크피스(5)와의 수평거리와 용접토치(11)의 평균 높이를 연산한다. 도 2는 도 1에 도시한 용접 시스템의 용접토치와 워크피스와의 위치 관계를 모델화한 기하 형상 모델을 도시한 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 홈(51)의 하단을 원점으로 수평 방향에 Y축 및 연직 방향에 Z축을 지니고 있다. 또, 위빙폭 w의 중심 좌표를(y, z)로 하고, 이들을 제어 파라미터(parameter)로서 사용한다. 또한, 위빙폭 w의 좌단과 워크피스(5)의 좌벽(좌측의 피용접재)과의 사이의 수평거리를 dl로 하고, 위빙폭의 우단과 워크피스(5)의 우벽(우측의 피용접재)과의 사이의 수평거리를 dr로 하고, 위빙 위치로부터 워크피스(5)까지의 연직 거리의 평균값을 평균 토치 높이 h로 하고 있다.
여기에서 본 발명의 발명자들은 예의 연구의 결과, 상기 각 파라미터의 관계를 하기 수학식으로 설정하였다. 즉, 수평거리 dl, dr 및 평균 토치 높이 h의 어느 쪽에 있어서도 위빙폭 w와 위빙 중심에서의 실제의 토치 높이 z가 소정의 비율로 포함되도록 설정하고 있다.
[수학식 3]
Figure 112013026139896-pct00003
그리고 본 실시형태에 있어서는, 상기 수학식 3을 이용한 제어 모델이 적용되고 제어기(22)는 적용된 제어모델에 기초하여 제어한다. 도 3은 도 1에 도시한 용접 시스템의 제어 모델을 도시한 블록선도이다. 도 3에 도시된 블록선도에서 상기 수학식 3은 출력 벡터를 x로 하고 입력 벡터를 u로 하였을 때에, x = Mu로 표시되는 것이다. 이 때의 조작량 Δu는 목표값을 xref로 하고, 게인을 K1, K2로 하여, Δu = K2M-1 K1 (xref - x)로 표시된다. 이 때의 각 파라미터의 관계식을 하기 수학식으로 설정하였다.
[수학식 4]
Figure 112013026139896-pct00004
수학식 4를 전개하면 하기 수학식과 같이 된다.
[수학식 5]
Figure 112013026139896-pct00005
여기에서 거리 d와 전압 V는 일차식 관계(d=mV+b, 단 m, b는 정수)를 갖는 것이 알려져 있기 때문에, 이것을 이용하여 수학식 5를 변환하면 하기 수학식으로 표시된다.
[수학식 6]
Figure 112013026139896-pct00006
이상으로부터 Δy가 용접선 추적의 조작량을 나타내고, Δz가 토치 높이의 조작량을 나타내고, Δw가 위빙폭의 조작량을 나타낸 것이 된다.
이와 같은 식의 도출 결과, 상기 수학식 6에서 이 워크피스(5)의 홈 각도 θ가 클수록 어느 하나의 조작량에 있어서도 토치 높이 편차가 영향을 주는 비율이 홈 벽의 거리 편차가 영향을 주는 비율보다 상대적으로 커지도록 설정함으로써, 게인을 낮추지 않고 고성능으로 위빙폭 w와 토치 높이 z를 최적으로 제어할 수 있다는 식견을 얻을 수 있었다.
또한, Vdref - (Vdl + Vdr) / 2 는 홈 벽의 거리 편차를 나타내고, Vhref - Vh 는 토치 높이 편차를 나타내는 것이므로, 각각 ΔPd, ΔPh 로 하고, 토치 높이의 조작량 Δz 는 하기 수학식 7로 표시되고, 위빙폭 w의 조작량 Δw는 하기 수학식 8로 표시된다.
[수학식 7]
Figure 112013026139896-pct00007
[수학식 8]
Figure 112013026139896-pct00008
여기에서 Kz, Kw는 토치 높이 및 위빙폭에 관한 조작량의 각 게인을 나타내고, Kh는 조정계수를 나타낸다.
다음으로 상기에서 얻어진 수학식 6의 입력 파라미터인 Vdl, Vdr, Vh의 검출 방법에 대하여 설명한다. 도 4는 도 1에 도시한 용접 시스템의 용접토치의 궤적 및 그에 대응하는 아크 전압 변화를 도시한 도면이다. 도 4의 상측의 도면은 토치 궤적의 그래프를 도시하고, 도 4의 하측의 도면은 토치 궤적에 대응하는 아크 전압 변화의 그래프를 도시하고 있다. 토치 궤적의 그래프에 있어서 초기값을 0으로 한다.
본 실시형태에 있어서는, 연산기(21)는 위빙 1 주기가 미리 정해진 수로 분할된 복수의 구간마다 센서(4)로부터 검출된 아크 전압의 평균값을 산출하고, 복수의 구간 중 산출되는 위빙 단부에 대응하는 1 또는 복수의 구분의 평균값에 기초하여 홈 벽의 거리에 상당하는 값(전압값)을 취득하고, 위빙 1 주기분의 아크 전압의 평균값에 기초하여 토치 높이에 상당하는 값(전압값)을 취득하도록 구성되어 있다. 구체적으로는 도 4의 하측의 도면에 도시한 바와 같이, 예를 들면 위빙 1 주기를 8등분하고, 위빙 단부에 대응하는 구간(도 4의 예에 있어서는 8개의 구간 0~7 중 구간 1, 2 및 구간 5, 6)의 평균 아크 전압값을 위빙 단부에서의 전압 Vdl, Vdr 로 이용하고, 위빙 1 주기의 전체의 평균 아크 전압값을 토치 높이를 나타내는 전압 Vh로 이용한다.
이와 같이, 용접 전류 또는 아크 전압을 위빙 주기에 따라 구분하는 것에 의해 용접토치의 각 위치에서의 아크 전압을 간편하게 연산할 수 있다. 아울러, 본 실시형태에 있어서는 위빙 1 주기를 8분할하는 것에 의해 위빙 단부에서의 아크 전압을 검출한다고 하였지만, 위빙 단부에서의 아크 전압을 검출 가능한 한, 분할수를 이보다 많게 하여도 좋고, 적게 하여도 좋다. 또, 위빙 단부의 아크 전압은 위빙 단부에서의 피크 전압값을 이용하는 것으로 하여도 좋다. 또한, 토치 높이의 전압을 나타내는 전압으로서, 위빙 중앙 위치에서의 전압을 검출하는 것으로 하여도 좋다. 더욱이 MIG, MAG, CO2 용접 등의 소모 전극식 용접에 있어서는, 전극(12)인 와이어의 선단과 워크피스의 거리가 소정 거리 이내로 가까워지면, 아크가 소호(消弧)되어 단락하는 시간(단락시간)이 길어지거나 단락하는 횟수(단락횟수)가 증가한다. 따라서 이와 같은 단락시간이나 단락횟수를 계측함으로써, 와이어의 선단과 워크피스와의 거리를 추정하는 것으로 하여도 좋다.
또한, 본 실시형태에 있어서는 홈 벽의 거리에 상당하는 값 및 토치 높이에 상당하는 값을 소정 구간에서의 아크 전압을 검출함으로써 취득하고, 그 전압값 자체를 목표값(전압값)과 비교하는 것으로 하지만, 검출한 아크 전압 또는 용접 전류로부터 실제로 홈 벽의 거리 및 토치 높이를 연산에 의해 구한 후, 홈 벽의 거리 및 토치 높이 각각의 목표값(거리값)과 비교하는 것으로 하여도 좋다.
이상과 같이, 본 실시형태에 있어서 토치 높이의 조작량 Δz 및 위빙폭의 조작량 Δw에 대해, 각각 홈 벽의 거리 편차 ΔPd 및 토치 높이 편차 ΔPh가 영향을 주는 비율(이하, 영향 비율이라고 한다)이 워크피스(5)의 홈 각도 θ에 따라 설정되어 있다. 구체적으로는, 영향 비율은 상기 수학식 7 및 8에서의 홈 벽의 거리 편차 ΔPd 및 토치 높이 편차 ΔPh 의 무게를 나타낸 계수의 절대값으로 나타낸다. 위빙폭의 조작량 Δw에서의 홈 벽의 거리 편차 ΔPd의 영향 비율은 δwd = 4이며, 토치 높이 편차 ΔPh 의 영향 비율은 δwh = 8tKh 이며, 그 비율(ΔPh / ΔPd)은 δw = 2tKh 가 된다. 또한, 토치 높이의 조작량 Δz에서의 홈 벽의 거리 편차 ΔPd의 영향 비율은 δzd = 1/t이며, 토치 높이 편차 ΔPh의 영향 비율은 δzh = Kh 이며, 그 비율(ΔPh / ΔPd)은 δz = tKh가 된다. 그 결과, 연산기(21)는 그 홈 각도 θ가 클수록 홈 벽의 거리 편차의 영향 비율 δwh, δzh 에 대해, 토치 높이 편차의 영향 비율 δwh, δzh가 상대적으로 커지도록(영향 비율의 비 δw, δz가 커지도록) 토치 높이의 조작량 Δz 및 위빙폭의 조작량 Δw를 연산한다.
예를 들면, 홈 각도 θ가 90도(즉 t=1)이고 후술하는 조정계수 Kh = 1이라고 하면, 토치 높이의 조작량 Δz에서의 홈 벽의 거리 편차 ΔPd와 토치 높이 편차 ΔPh와의 영향 비율의 비 δz는 δz = 2(ΔPd:ΔPh=1:2)가 되고, 동일하게 위빙폭의 조작량 Δw에서의 상기 영향 비율의 비 δw는 δw = 1(ΔPd:ΔPh=1:1)이 된다. 또한, 홈 각도 θ가 120도(즉 t=1.73)이고 조정계수 Kh = 1이라고 하면, 토치 높이의 조작량 Δz에서의 상기 영향 비율 δz는 δz = 3.46(ΔPd:ΔPh=1:3.46)이 되고, 동일하게 위빙폭의 조작량 Δw에서의 상기 영향 비율 δw는δw=1.73(ΔPd:ΔPh=1:1.73)이 된다. 이처럼 홈 각도 θ가 클수록 어느 조작량 Δz, Δw에 있어서도 토치 높이 편차 ΔPh에 의한 영향이 홈 벽의 거리 편차 ΔPd에 의한 영향보다 커지게 된다(영향 비율의 비 δw, δz의 크기가 커지게 된다).
제어기(22)는 연산기(21)로 연산된 각 조작량에 기초하여 수평 및 연직 액추에이터(13, 14)를 구동하여 용접토치(11)를 이동시키는 제어를 실행한다.
상기 구성에 따르면, 센서(4)에서 검출된 위빙 1 주기의 평균 아크 전압값 및 위빙 단부 구간의 평균 아크 전압값의 양쪽을 이용하여 각 액추에이터(13), (14)의 토치 높이에 관한 조작량 Δz 및 위빙폭에 관한 조작량 Δw 가 각각 연산된다. 더욱이 각 조작량에서의 홈 벽의 거리 편차 ΔPd 및 토치 높이 편차 ΔPh 에 관한 파라미터에 걸린 영향 비율(무게 계수)이 워크피스(5)의 홈 각도 θ에 따라 설정되어 있다. 그리고 어느 한쪽의 조작량에 있어서도 워크피스(5)의 홈 각도 θ가 클수록 토치 높이 편차 ΔPh의 영향 비율이 홈 벽의 거리 편차 ΔPd의 영향 비율보다 커지도록 설정함으로써, 게인을 내리지 않고 위빙폭 w와 토치 높이 z를 신속하고 최적으로 제어할 수 있다. 따라서, 이와 같은 제어 모델을 도입하는 것에 의해 위빙폭의 제어와 토치 높이의 제어를 동시에 고성능으로 실행할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 도 1에 도시한 용접시스템의 용접토치 제어를 개념적으로 도시한 모식도이다. 도 5a및 도 5b는 종래예를 도시한 도 11a 및 도 11c에 대응한 도면이다. 본 실시형태에 따르면, 도 5a에 도시한 바와 같이, 위빙폭의 제어와 동시에 토치 높이의 제어가 실행되기 때문에, 용접토치(11)와 워크피스(5)가 이상 접근하는 것을 방지할 수 있고, 도 5b에 도시한 바와 같이, 초기 위빙폭 w0에서 목표 위빙폭 wt로 짧은 제어 사이클에서 점근시킬 수 있다.
또한, 상기식(7) 및 (8)에 도시한 바와 같이, 각 조작량은 영향 비율에 그 영향 비율을 조정하는 조정계수 Kh가 걸려있다. 이로써, 동일 홈 각도 θ라도 워크피스(5)의 종류나 사용 용도에 따라 적합한 제어 성능에 조정할 수 있다. 아울러, 조정계수 Kh는 반드시 필요하지 않고, Kh = 1로 고정되어 있어도 좋다.
아울러, 본 실시형태에 있어서는 아크 전압을 검출하는 구성에 대하여 설명하였지만, 용접 전류를 검출하는 구성으로 하여도 좋다. 이 경우, 전류거리와의 관계가 전압에서의 거리와의 관계와는 반대(거리가 커지게 되면, 전압은 커지지만 전류는 작아진다)가 되기 때문에, 수학식 6(즉 수학식 7 및 8)의 각각의 식에 있어서 마이너스(-)의 부호가 부가된 것이 된다. 또한, 예를 들면 MIG, MAG, CO2 용접에 있어서는 용접 전류를 이용하여 아크 센서 제어하는 것이 일반적이기 때문에, 조작량 연산을 위한 검출값도 용접 전류값으로 하는 것이 바람직하고, 예를 들면 TIG 용접에 있어서는 아크 전압을 이용하여 아크 센서 제어하는 것이 일반적이기 때문에, 조작량 연산을 위한 검출값도 아크 전압값으로 하는 것이 바람직하다.
실시예 1
상기 실시형태의 용접 시스템에 있어서 실제로 워크피스를 TIG 용접하는 실험을 수행하였다. 도 6a 및 도 6b는 본 실시예 1에 있어서 이용한 워크피스의 형상을 도시한 도면이다. 도 6a는 측면도이며, 도 6b는 사시도이다. 도 6a 및 6b에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 있어서는 워크피스(5)로 판면이 길이방향 중앙부에서 폭방향 축주위에 만곡형상을 가지는 강판(5A)의 폭 축에 수직인 측면을 45도 기울인 강판(5B)에 용접할 경우(홈 각도 θ = 90도)의 용접선 추적을 검증하였다. 이와 같은 워크피스(5)에 도 6a에서의 좌측에서 우측으로 용접을 추적할 경우, 용접선 L은 용접토치(11)가 올라가면서 진행방향 왼쪽으로 구부러지고, 중앙부를 넘으면 내려가면서 진행방향 오른쪽으로 구부러진다.
또한, 본 실시예의 용접 조건은 하기와 같이 설정하였다.
항목 값 비고
용접속도 15cm/분
위빙폭 10mm 초기설정값
위빙 주파수 2Hz
위빙 패턴 단진동
중앙 토치 높이 10mm 초기설정값
용접 길이 300mm 토치 이동방향의 수평거리
그리고 본 실시예에서 수학식 6의 각 제어 파라미터를 하기와 같이 설정한 후, 용접선 추적을 실행하면서 검출된 아크 전압값에 기초하여 수학식 6을 이용하며 위빙폭 및 토치 높이의 조작량을 연산하고, 용접토치(11)의 제어를 실행하였다. 아울러, 아크가 안정될 때까지의 개시로부터 수초간은 아크 센서 제어를 실행하지 않도록 하였다. 또한, 용접 장치(1)에는 용접 개시 위치 및 종료 위치의 2점만을 교시하고, 제어를 실행하지 않은 경우에는 용접토치(11)가 이 2점 사이를 연결하는 직선상을 이동하도록 설정되어 있다.
항목 기호 값
좌우 게인 Ky 0.2mm/V
조정 계수 Kh 1
Δz게인 Kz 1mm/V
Δw게인 Kw 0.2mm/V
상기의 조건에서 실제로 용접 동작을 실행한 결과를 도 7a, 도 7b, 도 8a 및 도 8b에 도시한다. 도 7a, 도 7b, 도 8a 및 도 8b는 실시예 1에서의 아크 센서 제어 결과를 도시한 도면이다. 도 7a는 검출된 아크 전압을 도시한 도면이며, 도 7b는 위빙폭의 목표값에 대한 편차를 도시한 도면이며, 도 8a는 용접토치의 수평위치 궤적을 도시한 도면이며, 도 8b는 용접토치의 연직 위치 궤적을 도시한 도면이다. 아울러, 도 8a 및 도 8b에 있어서 어떤 도면도 초기값 0을 가지고 있다.
도 8a 및 도 8b에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 있어서는 용접선 추적에 관한 수평위치 및 토치 높이 제어에 관한 연직위치 모두 용접선의 곡선을 고성능으로 추적할 수 있었다. 특히, 본 실시예의 워크피스(5)의 형상에 의해 용접 전반은 용접선 L이 올라가게 되고, 용접토치는 수평으로 움직이려고 하기 때문에, 용접토치(11)와 워크피스(5)와의 상대거리가 가까워지는 것에 의해, 도 7b에 도시한 바와 같이 위빙폭이 비교적 작아지게 된다. 이것은 도 8a의 전반부분에서의 수평위치 및 진폭에서도 확인할 수 있다. 한편, 용접 후반은 용접선 L이 내려가게 되고, 용접토치가 수평으로 움직이려고 하기 때문에, 용접토치(11)와 워크피스(5)와의 상대거리가 떨어지는 것에 의해, 도 7b에 도시한 바와 같이 위빙폭이 비교적 커진다. 이것은 도 8b의 후반부분에서의 수평위치 및 진폭에서도 확인할 수 있다. 이처럼, 워크피스(5)의 형상에 따라 아크 용접이 충실히 실행되는 것이 나타나 있다.
실시예 2
또한, 본 실시형태의 제어 상태를 비교예와 비교하는 실험을 수행하였다. 본 실시예에 있어서도 상기 실시예 1과 마찬가지로, 아래와 같은 용접 조건에 기초하여 수학식 6을 이용하여 제어를 실행하였다.
항목 값
용접속도 20cpm
위빙폭의 초기값 8mm
위빙폭의 목표값 11mm
위빙 주파수 2Hz
위빙 패턴 단진동
중앙 토치 높이의 초기값 14mm
중앙 토치 높이의 목표값 10mm
또한, 비교예에 있어서 토치 높이의 조작량 Δz에 대해서는 수학식 6의 Δz의 식 중 Vdref - (Vdl + Vdr) / 2 의 항이 없는 식을 이용함과 동시에, 위빙폭의 조작량 Δw 에 대해서는 수학식 6의 Δw의 식 중 Vhref - Vh의 항이 없는 식을 이용하여 각 조작량을 연산하는 것으로 하였다. 즉, 비교예에 있어서는 토치 높이의 조작량 Δz의 연산에 있어서 홈 벽의 거리 방향의 값은 기여하지 않고, 위빙폭의 조작량 Δw의 연산에 있어서 토치 높이의 값은 기여하지 않은 제어로 하였다. 아울러, 비교하기 쉽도록 본 실시예와 비교예에 있어서는 각 게인의 값을 다르게 할 수 있다. 또한, 아크가 안정되기까지의 개시로부터 수초 간은 아크 센서 제어를 실행하지 않은 것으로 하였다.
상기의 조건에서 실제로 용접 동작을 실행한 결과를 도 9a, 도 9b , 도 10a 및 도 10b에 도시한다. 도 9a, 도 9b , 도 10a 및 도 10b는 실시예 2 및 비교예에서의 아크 센서 제어의 결과를 도시한 도면이다. 도 9a는 위빙폭의 시간 변화를 도시한 도면이며, 도 9b는 위빙폭과 워크피스 사이의 수평거리의 시간 변화를 도시한 도면이며, 도 10a는 중앙 토치 높이의 시간 변화를 도시한 도면이며, 도 10b는 평균 토치 높이의 시간 변화를 도시한 도면이다.
도 9a에 도시한 바와 같이, 비교예에 있어서는 위빙폭이 제어 개시 직후에 오버슈트하고 있다. 즉, 도 9b에 도시한 바와 같이, 용접토치(11)와 워크피스(5) 사이의 수평거리가 이상 접근하고 있다. 이와 같은 이상 접근은 언더컷 등의 용접 결함의 요인이 된다. 이에 대해, 본 실시예에 있어서는 위빙폭의 제어가 오버슈트하지 않고 매끄럽게 실행되어 있고, 비교예와 같은 용접 결함의 우려는 없고, 더욱이 소정 시간 경과 후에는 위빙폭이 안정되어 있다. 토치 높이에 관해서도 도 10a및 도 10b에 도시한 바와 같이, 비교예에 있어서는 토치 높이가 제어 개시 직후에 오버슈트하고 있는 것에 반해, 실시예에 있어서는 매끄럽고 안정된 제어가 실행되어 있다. 이것으로부터도 분명해진 것처럼, 본 실시형태의 제어방법을 이용한 것에 의해 위빙폭 및 토치 높이의 목표값에 대한 수속을 오버슈트를 발생시키지 않고 신속히 실행할 수 있다.
상기 설명에서 당업자에 있어서는 본 발명의 많은 개량이나 다른 실시형태가 분명하다. 따라서 상기 설명은 예시로만 해석되어야만 하며, 본 발명을 실행하는 최선의 형태를 당업자에게 교시하는 목적으로 제공된 것이다. 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 그 구조 및/또는 기능의 상세를 실질적으로 변경할 수 있다.
이상, 실시형태에 관해서 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시형태로 한정된 것이 아니고 그 취지를 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 개량, 변경, 수정이 가능하다.
본 발명의 아크 용접의 제어시스템 및 제어방법은 위빙폭의 제어와 토치 높이의 제어를 동시에 고성능으로 실행하기 위해 유용하다.
1: 용접 장치
2: 연산 제어기
3: 용접 전원
4: 센서
5: 워크피스
11: 용접토치
12: 전극
13: 수평 액추에이터
14: 연직 액추에이터
21: 연산기
22: 제어기
41: 전압 센서
42: 전류 센서
51: 홈
θ: 홈 각도

Claims (5)

  1. 용접토치를 용접 대상인 워크피스 홈의 폭방향으로 소정의 위빙폭에서 주기적으로 이동시키면서 상기 워크피스의 용접선 방향으로 소정의 토치 높이에서 상기 용접토치를 이동시켜 상기 워크피스의 용접선을 추적하는 액추에이터와, 용접 전류 또는 아크 전압을 검출하는 센서를 구비하고, 상기 워크피스 홈에 양호한 비드를 형성하기 위한 아크 용접의 아크 센서 제어시스템으로서,
    상기 용접 전류 또는 아크 전압으로부터 위빙 단부에서의 상기 용접토치와 상기 워크피스와의 수평거리를 나타내는 홈 벽의 거리에 상당하는 값 및 상기 토치 높이에 상당하는 값을 각각 취득하고, 각각의 목표값과의 차이를 각각 연산하고, 상기 홈 벽의 거리에 상당하는 값의 그 목표값으로부터의 편차(이하, 홈 벽의 거리 편차라고 한다)와 상기 토치 높이에 상당하는 값의 그 목표값으로부터의 편차(이하, 토치 높이 편차라고 한다)로부터 상기 액추에이터의 상기 위빙폭에 관한 조작량을 연산함과 동시에, 상기 홈 벽의 거리 편차와 상기 토치 높이 편차로부터 상기 액추에이터의 상기 토치 높이에 관한 조작량을 연산하는 연산기와,
    상기 위빙폭에 관한 조작량 및 상기 토치 높이에 관한 조작량에 기초하여 상기 위빙폭 및 상기 토치 높이를 각각 제어하는 제어기를 가지고,
    상기 위빙폭의 조작량 및 상기 토치 높이의 조작량에 대해 각각 상기 홈 벽의 거리 편차 및 상기 토치 높이 편차가 영향을 주는 비율(이하, 영향 비율이라고 한다)이 상기 워크피스의 홈 각도에 따라 설정되어 있고,
    상기 홈 벽의 거리 편차 및 상기 토치 높이 편차의 영향 비율은 상기 홈 각도가 클수록 상기 홈 벽의 거리 편차의 영향 비율에 대해 상기 토치 높이 편차의 영향 비율이 상대적으로 커지도록 설정되어 있는, 아크 용접의 아크 센서 제어시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조작량은 상기 영향 비율에 그 영향 비율을 조정하는 조정계수가 걸려 있는 아크 용접의 제어시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 토치 높이의 조작량 Δz는 하기 수학식 1로 표시되고, 상기 위빙폭의 조작량 Δw는 하기 수학식 2로 표시되는 아크 용접의 제어시스템:
    [수학식 1]
    Figure 112013026139896-pct00009

    [수학식 2]
    Figure 112013026139896-pct00010

    여기서, Kz, Kw 는 토치 높이에 관한 조작량 및 위빙폭에 관한 조작량의 각 게인을 나타내고, ΔPd는 홈 벽의 거리편차를 나타내고, ΔPh는 토치 높이 편차를 나타내고, t는 홈 각도 θ를 이용하여 t=tan(θ/2)로 표시되는 값을 나타내고, Kh는 조정계수를 나타낸다.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연산기는 위빙 1 주기가 미리 정해진 수로 분할된 복수의 구간마다 상기 센서로부터 검출되는 상기 용접 전류 또는 아크 전압의 평균값을 산출하고, 상기 복수의 구간 중 위빙 단부에 대응하는 1 또는 복수의 구간 평균값에 기초하여 상기 홈 벽의 거리에 상당하는 값을 취득하고, 위빙 1 주기분의 상기 용접 전류 또는 아크 전압의 평균값에 기초하여 상기 토치 높이에 상당하는 값을 취득하는 아크 용접의 제어시스템.
  5. 용접토치를 용접 대상인 워크피스 홈의 폭방향으로 소정의 위빙폭에서 주기적으로 이동시키면서 상기 워크피스의 용접선 방향으로 소정의 토치 높이에서 상기 용접토치를 이동시켜 상기 워크피스의 용접선을 추적하는 액추에이터와, 용접 전류 또는 아크 전압을 검출하는 센서를 구비하고, 상기 워크피스 홈에 비드를 형성하기 위한 아크 용접의 아크 센서 제어방법으로서,
    상기 용접 전류 또는 아크 전압을 검출하는 단계와,
    상기 용접 전류 또는 아크 전압으로부터 위빙 단부에서의 상기 용접토치와 상기 워크피스와의 수평거리를 나타내는 홈 벽의 거리에 상당하는 값 및 상기 토치 높이에 상당하는 값을 각각 취득하고, 각각의 목표값과의 차이를 각각 연산하는 단계와,
    상기 홈 벽의 거리에 상당하는 값의 그 목표값으로부터의 편차(이하, 홈 벽의 거리 편차라고 한다)와 상기 토치 높이에 상당하는 값의 그 목표값으로부터의 편차(이하, 토치 높이 편차라고 한다)로부터 상기 액추에이터의 상기 위빙폭에 관한 조작량을 연산함과 동시에, 상기 홈 벽의 거리 편차와 상기 토치 높이 편차로부터 상기 액추에이터의 상기 토치 높이에 관한 조작량을 연산하는 단계와,
    상기 위빙폭에 관한 조작량 및 상기 토치 높이에 관한 조작량에 기초하여 상기 위빙폭 및 상기 토치 높이를 각각 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 위빙폭의 조작량 및 상기 토치 높이의 조작량에 대해 각각 상기 홈 벽의 거리 편차 및 상기 토치 높이 편차가 영향을 주는 비율(이하, 영향 비율이라고 한다)이 상기 워크피스의 홈 각도에 따라 설정되어 있고,
    상기 홈 벽의 거리 편차 및 상기 토치 높이 편차의 영향 비율은 상기 홈 각도가 클수록 상기 홈 벽의 거리 편차의 영향 비율에 대해 상기 토치 높이 편차의 영향 비율이 상대적으로 커지도록 설정되어 있는 아크 용접의 제어방법.
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Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101473639B1 (ko) * 2013-02-25 2014-12-17 대우조선해양 주식회사 수평 맞대기 이음 대용착 용접 장치 및 그 방법
US9962785B2 (en) * 2013-12-12 2018-05-08 Lincoln Global, Inc. System and method for true electrode speed
US20160346867A1 (en) * 2014-02-11 2016-12-01 John Hill Method Of Joining Dissimilar Materials
US10665128B2 (en) * 2014-06-27 2020-05-26 Illinois Tool Works Inc. System and method of monitoring welding information
CN104493332B (zh) * 2014-11-05 2019-04-23 湘潭大学 一种基于电弧摆动自调节传感机构的焊缝跟踪控制方法
EP3165314A1 (de) * 2015-11-06 2017-05-10 Siegfried Plasch Auftragsschweissverfahren
CN105665885B (zh) * 2016-04-07 2018-05-25 湘潭大学 一种自适应调节焊枪倾角的立焊焊缝跟踪方法
JP6794596B2 (ja) * 2016-07-04 2020-12-02 株式会社神戸製鋼所 下向き溶接における溶接条件作成方法
US11235414B2 (en) * 2016-11-16 2022-02-01 Kobe Steel, Ltd. Method of detecting amount of discrepancy in arc tracking welding
JP6367985B2 (ja) 2017-01-26 2018-08-01 ファナック株式会社 アークセンサ調整装置、及びアークセンサ調整方法
CN108037665B (zh) * 2017-12-13 2020-07-03 唐山松下产业机器有限公司 短路过渡状态的电弧自适应控制方法
CN110434429A (zh) * 2018-05-03 2019-11-12 天津大学 一种基于人机交互的机器人多层多道焊焊缝的跟踪方法
JP7251988B2 (ja) * 2019-01-22 2023-04-04 株式会社神戸製鋼所 パルスアーク溶接の倣い制御方法、制御装置、溶接システム、溶接プログラム及び溶接電源
KR102233733B1 (ko) * 2019-09-06 2021-04-01 한국생산기술연구원 Plc기반의 용접선 자동 제어 방법
US20210268594A1 (en) * 2020-02-27 2021-09-02 The Esab Group Inc. Dynamic torch head
CN111283310A (zh) * 2020-03-23 2020-06-16 昆山安意源管道科技有限公司 熔化极气体保护焊接方法
CN111266710A (zh) * 2020-03-23 2020-06-12 昆山安意源管道科技有限公司 钨极惰性气体保护焊接方法
WO2022221142A1 (en) * 2021-04-12 2022-10-20 Newfrey Llc Computer modeling for detection of discontinuities and remedial actions in joining systems
KR102591186B1 (ko) * 2023-03-29 2023-10-19 김정현 바른 용접비드가 형성되는 동시에 열변형이 발생하지 않도록 적정 헤르츠로 위빙 동작을 수행하며 한 쌍의 강관의 이음부위의 구배의 차이에 따라 용접선과의 거리를 보정하여 정교한 용접을 수행할 수 있는 용접 로봇

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000158136A (ja) 1998-11-20 2000-06-13 Daihen Corp チップ・被溶接物間距離算出方法並びに溶接線倣い制御方法及び装置

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3646309A (en) * 1971-01-26 1972-02-29 Atomic Energy Commission Self-adaptive welding torch controller
US3924094A (en) * 1973-11-15 1975-12-02 Crayton John W Welding control arrangement with orbital torch-mounted transducing assembly
US4336440A (en) * 1979-07-03 1982-06-22 Westinghouse Electric Corp. Weld tracking/electronic arc sensing system
US4495400A (en) * 1982-04-26 1985-01-22 Crutcher Resources Corporation Method and apparatus for positioning a welding torch in automatic electric welding
US4477713A (en) * 1982-07-09 1984-10-16 Crc Welding Systems, Inc. Sidewall-matching adaptive control system for welding
JPS59120369A (ja) * 1982-12-27 1984-07-11 Hitachi Ltd 溶接線倣い制御方法および装置
JPS62230476A (ja) * 1985-11-09 1987-10-09 Nippon Steel Corp 消耗電極式ア−ク溶接方法
JPS62267071A (ja) * 1986-05-14 1987-11-19 Nippon Kokan Kk <Nkk> 片面溶接の制御方法
JPH0259179A (ja) 1988-08-26 1990-02-28 Kobe Steel Ltd アーク溶接方法
JP3532067B2 (ja) 1997-04-17 2004-05-31 新日本製鐵株式会社 アークセンサー倣い制御方法
JP3733485B2 (ja) * 2002-03-04 2006-01-11 川崎重工業株式会社 自動開先倣い溶接装置および方法
KR100614298B1 (ko) * 2002-12-24 2006-08-21 대우조선해양 주식회사 4축기구부 로봇을 이용한 자동 용접장치
JP4640908B2 (ja) * 2003-01-24 2011-03-02 日立建機株式会社 溶接装置及び溶接方法
CN2776613Y (zh) * 2005-03-23 2006-05-03 江苏科技大学 空心轴电机驱动的旋转电弧窄间隙焊炬
US7397015B2 (en) * 2006-04-13 2008-07-08 Lincoln Global, Inc. Metal cored electrode for open root pass welding
JP2008114279A (ja) * 2006-11-07 2008-05-22 Kawasaki Heavy Ind Ltd アーク溶接装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000158136A (ja) 1998-11-20 2000-06-13 Daihen Corp チップ・被溶接物間距離算出方法並びに溶接線倣い制御方法及び装置

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Publication number Publication date
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