KR101482608B1

KR101482608B1 - 용접와이어 오토피딩장치

Info

Publication number: KR101482608B1
Application number: KR1020140051204A
Authority: KR
Inventors: 이병주; 문태호
Original assignee: 이병주; (주)대흥엔지니어링
Priority date: 2014-04-29
Filing date: 2014-04-29
Publication date: 2015-01-15

Abstract

본 발명은 용접와이어 오토피딩장치에 관한 것으로서, BLDC모터를 사용하여 물리적인 부하가 발생하더라도 릴에 감겨있는 용접와이어를 정속으로 용접토치에 공급할 수 있는 용접와이어 오토피딩장치에 관한 것으로서, 용접와이어의 피딩을 위한 직류모터에 전압인가가 휴지되는 기간에 발생하는 역기전력신호와 모터속도설정신호를 비교하여 오차신호를 출력하는 비교기와, 상기 비교기로부터 출력되는 오차신호에 의해 직류모터의 속도를 조절하는 용접기 제어부가 포함되어 구성되는 용접와이어 오토피딩장치에 있어서, 상기 직류모터 대신에 BLDC모터를 사용하고, 상기 용접기 제어부로부터 공급되는 위상제어된 반파교류의 위상폭을 검출하는 위상폭검출부와; 상기 위상폭검출부로부터 입력되는 위상폭을 기준으로 상기 위상폭에 대응되는 듀티비를 갖는 PWM신호로 생성하여 상기 BLDC모터에 출력하고, 상기 위상폭에 따라 종래 직류모터에서 발생하는 역기전력에 대응되는 전압제어신호를 출력하는 보조 제어부;가 포함되어 이루어지고, 상기 보조 제어부로부터 출력되는 전압제어신호를 아날로그 신호로 변환한 후 증폭하여 상기 용접기 제어부로 출력하는 것을 특징으로 한다.

Description

용접와이어 오토피딩장치{A welding wire auto feeding device}

본 발명은 용접와이어 오토피딩장치에 관한 것으로서, BLDC모터를 사용하여 물리적인 부하가 발생하더라도 릴에 감겨있는 용접와이어를 정속으로 용접토치에 공급할 수 있는 용접와이어 오토피딩장치에 관한 것이다.

일반적으로 보호가스 금속아크 용접(shield gas metal arc welding)은 보호가스로 용접분위기를 형성하여 용접효율과 품질을 향상시키면서도 피복아크 용접으로 불가능한 재질의 용접을 가능하게 하는 용접방법이다. 이러한 보호가스 금속아크 용접에는 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접법과 같은 비용극식 용접법과 MIG(Metal Inert Gas)나 탄산가스(CO₂) 또는 MAG(Metal Active Gas) 용접법과 같이 소모성 전극을 사용하는 용극식 용접법이 있다.

나아가, 용극식 보호가스 금속아크 용접에 있어서는 소모성 전극으로 금속제 와이어(wire)를 사용하여 용접봉의 연속공급을 도모하고 있는데, 이때 와이어를 송급하는 와이어 송급장치가 사용됨은 이 기술 분야에서 널리 알려져 있다.

한편, 종래 CO₂가스/MAG 아크 용접법에서는 전압 피드백제어에 의해 피더모터에 인가되는 전압을 일정하게 유지함으로써 용접전류를 제어하고 있다. 그러나, 중공업 분야 및 일반 산업 분야에 있어서는 용접작업의 편의를 위해 와이어피더를 휴대 가능한 크기 및 중량으로 구성하고 있기 때문에 용접기 본체(Power Unit)와 와이어피더 사이에는 평균 30m의 거리차가 존재한다. 이에 따라, 실제 피더모터에 인가되는 전압이 목표로 하는 전압보다 낮아져서 와이어 송급 속도가 변화하게 되는데, 용접전류는 와이어 송급 속도에 비례하여 결정되기 때문에 결과적으로 용접전류가 변화하게 된다.

그리고, 전술한 바와 같이 용접전류가 변화됨으로써 용접전류의 헌팅(Hunting) 현상에 의해 용접 용융물이 선행하는 사례, 즉 용입부족(IP) 현상이 발생하여 용접 부위 외관에 미려함이 없어지는 문제점이 있었으며, 나아가, 용접 아크가 끊기는 현상이 발생하여 피더모터에 과부하가 인가됨은 물론 스퍼터(sputter) 현상이 발생하는 문제점이 있었다.

더욱이, 용접전류는 높은데 와이어가 송급되지 않아서 전압이 증가되고 이렇게 증가된 전압에 의해 와이어 스틱의 길이가 길어져 팁에 용접 와이어가 달라붙는 번백(Burn Back) 현상이 발생하여 용접 결함이 유발되는데, 이렇게 되면 작업을 중단한 채로 결함을 제거해야 되기 때문에 재가동시까지의 많은 시간적 손실이 발생하는 문제점이 있었다.

그리고, 일반적으로 용접와이어 오토피딩장치는 도 1과 같이 용접와이어를 피딩하기 위한 직류모터(30)를 구동하는 전원은 상용 전원의 주파수를 다운 트랜스로 직류모터에 적합한 전압으로 변환한 후 직류모터에 공급하도록 되어 있다. 모터속도조절부(20)를 통해 용접와이어의 피딩장치의 속도를 조절하면 모터속도조절부(20)의 조절정도에 따라 도 2와 같은 위상폭이 조절된 반파교류를 용접기 제어부는 직류모터에 공급한다.

그리고 비교기(40)는 직류모터(30)에 전압인가가 휴지되는 기간에 발생하는 역기전력신호와 모터속도설정신호를 비교하여 오차신호를 출력하고, 용접기 제어부(10)는 상기 비교기(40)로부터 입력되는 오차신호에 의해 직류모터(30)의 속도를 조절한다. 도 3은 직류모터(30)에서 발생된 역기전력신호가 반영된 반파교류의 파형이다.

한편, 직류모터를 제어하여 정속으로 제어할 수 있는 방안으로 특허문헌 1 내지 4등이 제안되어 있으나, 직류모터의 제어방식은 위상제어방식으로 정밀제어에 한계가 있어, 여전히 용접전류의 헌팅현상, 용입부족현상, 스퍼터현상 및 번백현상이 발생할 우려가 있는 문제가 있다.

1. 공개특허 제2006-0072104호 2. 공개특허 제2005-0077254호 3. 공개특허 제1998-0008420호 4. 공개특허 제2011-0122315호

이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 모터의 정밀제어가 불가능한 위상제어방식의 직류모터 대신에 정밀제어가 가능한 BLDC모터를 사용하면서 종래의 용접와이어 오토피딩장치의 제어회로를 이용하여 용접와이어를 정속으로 용접토치에 공급할 수 있는 용접와이어 오토피딩장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 용접와이어의 피딩을 위한 직류모터에 전압인가가 휴지되는 기간에 발생하는 역기전력신호와 모터속도설정신호를 비교하여 오차신호를 출력하는 비교기와, 상기 비교기로부터 출력되는 오차신호에 의해 직류모터의 속도를 조절하는 용접기 제어부가 포함되어 구성되는 용접와이어 오토피딩장치에 있어서,

상기 직류모터 대신에 BLDC모터를 사용하고,

상기 용접기 제어부로부터 공급되는 위상제어된 반파교류의 위상폭을 검출하는 위상폭검출부와;

상기 위상폭검출부로부터 입력되는 위상폭을 기준으로 상기 위상폭에 대응되는 듀티비를 갖는 PWM신호로 생성하여 상기 BLDC모터에 출력하고, 상기 위상폭에 따라 종래 직류모터에서 발생하는 역기전력에 대응되는 전압제어신호를 출력하는 보조 제어부;가 포함되어 이루어지고,

상기 보조 제어부로부터 출력되는 전압제어신호를 아날로그 신호로 변환한 후 증폭하여 상기 비교기로 출력하는 것을 특징으로 하는 용접와이어 오토피딩장치를 제공한다.

그리고 상기 보조 제어부로부터 출력되는 전압제어신호를 아날로그 신호로 변환하는 DA 변환부와, 상기 DA 변환부에 의해 변환된 아날로그 신호를 증폭하여 상기 비교기로 출력하는 증폭부가 포함되어 이루어지는 것이 바람직하다.

특히, 상기 용접기 제어부로부터 공급되는 위상제어된 반파교류를 직류의 정전압으로 변환하는 정전압 전원부와;

상기 보조 제어부의 PWM신호에 따라 FET의 온/오프를 결정하는 FET 게이트 드라이버와;

상기 정전압 전원부로부터 직류의 정전압을 입력받아 상기 FET 게이트의 드라이버의 신호에 따라 전원을 상기 BLDC 모터에 인가하여 구동시키는 FET 어레이;가 포함되어 이루어지는 것이 좋다.

그리고 상기 보조 제어부는 상기 BLDC 모터로부터 회전속도를 검출하여 PWM신호를 보정하여 상기 FET 게이트 드라이버에 출력하는 것이 바람직하다.

특히, 상기 용접기 제어부로부터 공급되는 위상제어된 반파교류를 축전하여 상기 정전압 전원부에 전원을 일시적으로 공급하는 축전부가 구비되고,

상기 보조 제어부는 상기 용접기 제어부로부터 전원공급이 차단될 경우 상기 BLDC모터에 3상의 출력전압이 모두 턴온되도록 PWM신호를 생성하여 상기 FET 게이트 드라이버에 출력하고, 상기 FET 어레이는 상기 축전부로부터 일시 공급되고 상기 정전압 전원부에 의해 변환된 직류의 정전압을 이용하여 상기 BLDC모터의 3상을 모두 턴온시켜 상기 BLDC모터의 회전을 정지시켜 용접와이어가 모재에 달라붙는 것을 방지하는 것이 바람직하다.

본 발명의 용접와이어 오토피딩장치는 모터의 정밀제어가 불가능한 위상제어방식의 직류모터 대신에 정밀제어가 가능한 BLDC모터를 사용하면서 종래의 용접와이어 오토피딩장치의 제어회로를 이용하여 용접와이어를 정속으로 용접토치에 공급할 수 있는 효과가 있다.

따라서, 물리적 부하가 발생하더라도 용접와이어를 정속으로 정밀하게 용접토치에 공급함으로서, 용접전류의 헌팅현상, 용입부족현상, 스퍼터현상 및 번백현상을 현저히 줄일 수 있어 용접품질을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래의 용접와이어 오토피딩장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 용접기 제어부에서 출력되는 위상폭이 조절된 반파교류의 파형을 나타내는 도면이고,
도 3은 직류모터에서 발생된 역기전력신호가 반영된 반파교류의 파형을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 용접와이어 오토피딩장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는 증폭부에 의해 증폭되어 비교기로 출력되는 전압의 파형을 나타내는 도면이고,
도 6은 용접기 제어부로부터 출력되는 반파교류에 도 5의 전압이 반영된 파형을 나타내는 도면이다.
도 7은 축전부가 구비된 용접와이어 피딩장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.

이하, 본 발명의 용접와이어 오토피딩장치를 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같고, 본 발명의 권리범위는 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 4는 본 발명의 용접와이어 오토피딩장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.

본 발명의 용접와이어 오토피딩장치는 도 4와 같이 모터속도조절부(20), 비교기(40), 용접기 제어부(10), 위상폭 검출부(510), 보조제어부(520) 및 BLDC모터(60)를 포함하여 이루어진다.

상기 모터속도조절부(20), 비교기(40) 및 용접기 제어부(10)는 종래의 용접와이어 오토피딩장치에 일반적으로 사용되는 구성이다. 본 발명에서는 종래에 송급모터로 사용하던 직류모터 대신에 상기 BLDC모터(60)를 사용하고, 종래의 모터속도조절부(20), 비교기(40) 및 용접기 제어부(10)를 통하여 상기 BLDC모터(60)를 정속으로 제어하기 위하여 위상폭 검출부(510) 및 보조제어부(520)가 구비된다.

상기 모터속도조절부(20)에 의해 용접와이어의 송급속도를 조절하면 상기 모터속도조절부(20)의 속도조절에 따라 위상폭이 조절된 반파교류가 상기 용접기 제어부(10)를 통해 출력된다.

그리고 상기 비교기(40)는 종래에 사용되던 직류모터에 전압인가가 휴지되는 기간에 발생하는 역기전력신호와 상기 모터속도조절부(20)의 모터속도설정신호를 비교하여 오차신호를 상기 용접기 제어부(10)에 출력하고, 상기 용접기 제어부(10)는 상기 비교기(40)로부터 입력되는 오차신호에 의해 직류모터의 속도를 보정하여 조절한다.

그러나, 종래의 용접와이어 오토피딩장치에 상기 직류모터 대신에 상기 BLDC모터(60)를 적용할 경우 상기 직류모터와 달리 상기 BLDC모터(60)로부터 발생되는 역기전력이 불균일하기 때문에 상기 용접기 제어부(10)가 역기전력을 통해 상기 BLDC모터(60)의 속도를 정확히 검출할 수 없어 상기 BLDC모터(60)를 효과적으로 제어하기 어렵다. 구체적으로 상기 BLDC모터(60)의 경우 종래 직류모터와 달리 회전속도에 비례하여 역기전력이 발생하지 않기 때문에, 상기 BLDC모터(60)가 상기 모터속도조절부(20)에 의해 조절된 속도로 회전되더라도 상기 비교기(40)가 오차가 있는 것으로 판단하여 오차신호를 발생하는 문제가 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 상기 보조제어부(520)는 상기 모터속도조절부(20)에 의해 조절된 속도와 대응되는 역기전력을 생성하여 상기 비교기(40)에 출력한다.

상기 위상폭 검출부(510)는 상기 용접기 제어부(10)로부터 공급되는 위상제어된 반파교류의 위상폭을 검출하여 상기 보조제어부(520)에 출력한다. 상기 위상폭 검출부(510)에 의해 위상제어된 반파교류의 위상폭을 검출함으로써 상기 모터속도조절부(20)에 의해 조절된 모터의 속도를 측정할 수 있다.

상기 보조제어부(520)는 상기 위상폭 검출부(510)로부터 입력된 위상폭을 기준으로 상기 위상폭에 대응되는 듀티비를 갖는 PWM신호를 생성하고 상기 BLDC모터(60)에 출력하고, 상기 위상폭에 따라 종래 직류모터에서 발생하는 역기전력에 대응되는 전압제어신호를 출력한다.

종래 직류모터의 회전수, 반파교류의 위상폭에 따라 발생되는 역기전력과 대응되는 전압제어신호를 상기 보조제어부(520)가 생성하여 출력한다.

도 5는 증폭부에 의해 증폭되어 비교기로 출력되는 전압의 파형을 나타내는 도면이고, 도 6은 용접기 제어부로부터 출력되는 반파교류에 도 5의 전압이 반영된 파형을 나타내는 도면이다.

상기 보조제어부(520)로부터 출력되는 전압제어신호는 DA 변환부(530)에 의해 아날로그 신호로 변환되고, 증폭부(540)에 의해 일정한 비율로 증폭되어 도 5와 같은 파형을 갖는 전압으로 상기 비교기(40)에 출력된다.

상기 BLDC모터(60)는 자체의 홀센서 등과 상기 보조제어부(520)에 의해 정밀제어가 가능하기 때문에, 상기 BLDC모터(60)의 회전수와 관계없이 상기 위상폭 검출부(510)로부터 입력된 위상폭을 기준으로 전압제어신호를 출력하게 되고, 상기 비교기(40)는 모터속도설정신호와 역기전력신호를 비교하여 오차가 없는 것으로 상기 용접기 제어부(10)에 출력하고, 상기 용접기 제어부(10)는 위상제어된 반파교류를 보정하지 않고 출력하게 된다.

그리고 상기 용접기 제어부(10)로부터 공급되는 위상제어된 반파교류는 정전압 전압부(550)에 의해 상기 BLDC모터(60)를 구동하기 위한 12V 또는 24V 등의 직류의 정전압으로 변환된다.

상기 보조제어부(520)의 PWM신호에 따라 FET의 온/오프를 결정하는 FET게이트 드라이버(560)와, 상기 정전압 전압부(550)로부터 직류의 정전압을 인가받고 상기 FET게이트 드라이버(560)의 신호에 따라 전원을 상기 BLDC모터(60)에 인가하여 구동시키는 FET 어레이(570)가 구비된다.

그리고 상기 BLDC모터(60)의 홀센서로부터 출력되는 센서신호에 의해 상기 보조제어부(520)는 상기 BLDC모터(60)의 회전속도를 연산하고, 회전속도와 상기 PWM신호를 비교하여 오차여부를 판단하여 오차가 있는 경우 상기 PWM신호를 보정하여 상기 FET게이트 드라이버(560)에 출력함으로써, 상기 BLDC모터(60)는 물리적 부하가 발생하더라도 정속으로 회전하게 된다.

도 7은 축전부가 구비된 용접와이어 피딩장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.

그리고 도 7과 같이 상기 용접기 제어부(10)로부터 공급되는 위상제어된 반파교류를 축전하여 상기 정전압 전원부(550)에 전원을 일시적으로 공급하는 캐패시터 등의 축전부(580)가 구비되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 보조 제어부(520)는 상기 용접기 제어부(10)로부터 전원 공급이 차단될 경우 상기 BLDC모터(60)에 3상의 출력전압이 모두 턴온되도록 PWM신호를 생성하여 상기 FET게이트 드라이버(560)에 출력한다. 상기 BLDC모터(60)의 3상이 모두 턴온되도록 전압이 인가되면 상기 BLDC모터(60)는 순간 정지한다.

상기 FET 어레이(570)는 상기 축전부(580)로부터 일시 공급되고 상기 정전압 전원부(550)에 의해 변환된 직류의 정전압을 상기 BLDC모터(60)에 출력하고, 이때 상기 FET게이트 드라이버의 제어신호에 따라 상기 BLDC모터의 3상이 모두 턴온되도록 온시키고, 상기 BLDC모터는 순간 정지한다. 이에 따라 용접와이어의 공급이 되지 않아 용접와이어가 모재 등에 달라붙는 것을 방지할 수 이점이 있다.

10: 용접기 제어부,
20: 모터속도조절부,
30: 직류모터,
40: 비교기,
510: 위상폭 검출부,
520: 보조 제어부,
530: DA 변환부,
540: 증폭부,
550: 정전압 전원부,
560: FET게이트 드라이버,
570: FET 어레이

Claims

용접와이어의 피딩을 위한 직류모터에 전압인가가 휴지되는 기간에 발생하는 역기전력신호와 모터속도설정신호를 비교하여 오차신호를 출력하는 비교기와, 상기 비교기로부터 출력되는 오차신호에 의해 직류모터의 속도를 조절하는 용접기 제어부가 포함되어 구성되는 용접와이어 오토피딩장치에 있어서,
상기 직류모터 대신에 BLDC모터를 사용하고,
상기 용접기 제어부로부터 공급되는 위상제어된 반파교류의 위상폭을 검출하는 위상폭검출부와;
상기 위상폭검출부로부터 입력되는 위상폭을 기준으로 상기 위상폭에 대응되는 듀티비를 갖는 PWM신호로 생성하여 상기 BLDC모터에 출력하고, 상기 위상폭에 따라 종래 직류모터에서 발생하는 역기전력에 대응되는 전압제어신호를 출력하는 보조 제어부와;
상기 보조 제어부로부터 출력되는 전압제어신호를 아날로그 신호로 변환하는 DA 변환부와;
상기 DA 변환부에 의해 변환된 아날로그 신호를 증폭하여 상기 용접기 제어부로 출력하는 증폭부;가 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 용접와이어 오토피딩장치.
제1항에 있어서,
상기 용접기 제어부로부터 공급되는 위상제어된 반파교류를 직류의 정전압으로 변환하는 정전압 전원부와;
상기 보조 제어부의 PWM신호에 따라 FET의 온/오프를 결정하는 FET 게이트 드라이버와;
상기 정전압 전원부로부터 직류의 정전압을 입력받아 상기 FET 게이트의 드라이버의 신호에 따라 전원을 상기 BLDC 모터에 인가하여 구동시키는 FET 어레이;가 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 용접와이어 오토피딩장치.
제2항에 있어서,
상기 보조 제어부는 상기 BLDC 모터로부터 회전속도를 검출하여 PWM신호를 보정하여 상기 FET 게이트 드라이버에 출력하는 것을 특징으로 하는 용접와이어 오토피딩장치.
제3항에 있어서,
상기 용접기 제어부로부터 공급되는 위상제어된 반파교류를 축전하여 상기 정전압 전원부에 전원을 일시적으로 공급하는 축전부가 구비되고,
상기 보조 제어부는 상기 용접기 제어부로부터 전원공급이 차단될 경우 상기 BLDC모터에 3상의 출력전압이 모두 턴온되도록 PWM신호를 생성하여 상기 FET 게이트 드라이버에 출력하고, 상기 FET 어레이는 상기 축전부로부터 일시 공급되고 상기 정전압 전원부에 의해 변환된 직류의 정전압을 이용하여 상기 BLDC모터의 3상을 모두 턴온시켜 상기 BLDC모터의 회전을 정지시키는 것을 특징으로 하는 용접와이어 오토피딩장치.
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