KR101563858B1 - 자동 용접장치 및 자동 용접방법 - Google Patents

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하영열
문종현
윤인근
배준홍
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Abstract

변곡부 감지센서를 구비하지 않고도 변곡부를 감지할 수 있는 자동 용접장치 및 자동 용접방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 용접 대상물을 자동으로 용접하는 자동 용접장치는, 용접 대상물의 용접심을 따라 주행하면서 용접 수행하는 용접유닛과, 용접유닛과 연결되어 용접심을 따라 용접유닛을 이송시키는 이송유닛과, 용접유닛의 위치 및 자세를 제어하는 제어부를 포함하고, 용접유닛은 용접심을 탐지하는 심추적 센서를 포함하고, 제어부는 용접유닛이 주행하면서 심추적 센서로부터 탐지되는 용접심 위치를 저장하고, 저장된 복수의 용접심 위치들로부터 직선 또는 곡선을 피팅하고, 피팅된 직선 또는 곡선 상의 점들 중 이전 용접위치로부터 미리 정해진 거리만큼 떨어진 거리의 점을 다음 용접위치로 결정한다.

Description

자동 용접장치 및 자동 용접방법{AUTOMATIC WELDING APPARATUS AND AUTOMATIC WELING METHOD}
본 발명은 자동 용접장치 및 자동 용접방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 변곡부 감지센서를 구비하지 않고도 변곡부를 감지할 수 있는 자동 용접장치 및 자동 용접방법에 관한 것이다.
최근에 자동 용접장치에 이용되는 방법으로는 고정된 용접 대상물 상에 용접로봇을 이용하여 용접하는 방식과, 특정위치에 레이저 스캔헤드를 고정한 상태에서 용접 대상물을 용접하는 방식이 사용된다. 자동 용접장치에는 레이저 용접장치, 티그 용접장치, 또는 플라즈마 용접장치 등이 있지만, 이하에서는 레이저 용접장치를 일 예로 들어 설명하도록 한다.
용접로봇을 이용하는 레이저 용접장치는 용접 대상물에 레이저를 조사하도록 로봇암의 선단부에 레이저 조사장치가 마련되고, 로봇암을 동작시켜 레이저 조사장치로부터 레이저가 조사되는 방향을 변경할 수 있다.
용접 대상물은 평면에 한정되지 않고 굴곡부를 포함하는 것이 보통이다. 종래의 용접로봇을 이용하는 레이저 용접장치는 용접선의 좌우 오차 발생을 방지하기 위한 심추적 센서와, 굴곡부가 시작되는 부분(또는 변곡부)을 검출하기 위한 별도의 굴곡부 감지센서를 포함한다. 굴곡부 감지센서에 의해 변곡부가 검출되면 로봇암이 동작하여 굴곡부의 형상에 맞게 레이저 조사방향을 변경할 수 있다.
그러나 종래의 레이저 용접장치는 굴곡부 감지센서를 포함함으로써 시스템이 복잡해지고 용접장치의 무게와 가격이 상승하는 문제가 있다. 또한, 굴곡부 감지센서를 위한 별도의 보정이 필요할 뿐만 아니라, 요구되는 용접품질을 얻기 위해서는 로봇암과 심추적 센서와 굴곡부 감지센서 간의 상호 보정이 필요하게 되는 문제점이 발생한다.
미국 공개특허공보 US 5997498호에는 굴곡부 감지센서를 포함하는 용접로봇을 이용하는 레이저 용접장치가 개시된다.
미국 공개특허공보 US 5997498호(1997년 1월 28일 공개)
본 발명의 실시예는 변곡부를 감지하기 위하여 별도의 하드웨어를 필요로 하지 않고 소프트웨어를 이용하여 변곡부를 감지하는 자동 용접장치 및 자동 용접방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 용접 대상물을 자동으로 용접하는 자동 용접장치에 있어서, 용접 대상물의 용접심을 따라 주행하면서 용접 수행하는 용접유닛; 상기 용접유닛과 연결되어 상기 용접심을 따라 상기 용접유닛을 이송시키는 이송유닛; 및 상기 용접유닛의 위치 및 자세를 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 용접유닛은 상기 용접심을 탐지하는 심추적 센서를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 용접유닛이 주행하면서 상기 심추적 센서로부터 탐지되는 용접심 위치를 저장하고, 상기 저장된 복수의 용접심 위치들로부터 직선 또는 곡선을 피팅하고, 상기 피팅된 직선 또는 곡선 상의 점들 중 이전 용접위치로부터 미리 정해진 거리만큼 떨어진 거리의 점을 다음 용접위치로 결정하는 자동 용접장치가 제공될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 용접심을 탐지하는 탐지위치와 용접 수행하는 용접위치 사이의 구간에서 구분되는 제1구역과 제2구역 각각에 대하여 상기 저장된 복수의 용접심 위치들로부터 직선 또는 곡선을 피팅하여 변곡위치를 계측하는 자동 용접장치가 제공될 수 있다.
상기 제어부는 상기 변곡위치를 계측하기 위하여 상기 용접유닛이 주행함에 따라, 상기 제1구역에서 피팅된 직선 또는 곡선과 상기 제1구역에서 저장된 복수의 용접심 위치들 사이의 오차와, 상기 제2구역에서 피팅된 직선 또는 곡선과 상기 제2구역에서 저장된 복수의 용접심 위치들 사이의 오차를 계측하고, 상기 제1구역에서 계측된 오차의 평균값 또는 최대값과 상기 제2구역에서 계측된 오차의 평균값 또는 최대값이 모두 미리 설정된 범위 내에 들어오고, 상기 제1구역에서 피팅된 직선 또는 곡선과 상기 제2구역에서 피팅된 직선 또는 곡선이 서로 다른 것으로 판단되는 경우, 상기 제1구역과 상기 제2구역의 경계 또는 상기 경계에서 미리 설정된 범위 내에 상기 변곡위치가 있는 것으로 판단하는 자동 용접장치가 제공될 수 있다.
상기 미리 정해진 거리는 상기 용접유닛의 주행속도를 기준으로 이전 용접위치에서 다음 용접위치를 계측하는 데 걸리는 시간 동안 상기 용접유닛이 이동할 수 있는 거리인 자동 용접장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 자동 용접장치를 이용하여 굴곡부를 포함하는 용접 대상물을 용접하는 자동 용접방법에 있어서, 용접위치를 결정하는 방법은, 상기 자동 용접장치가 주행함에 따라 용접심 위치들을 탐지하여 저장하고, 상기 저장된 복수의 용접심 위치들로부터 직선 또는 곡선을 피팅하고, 상기 피팅된 직선 또는 곡선 상의 점들 중 이전 용접위치로부터 미리 정해진 거리만큼 떨어진 점을 다음 용접위치로 결정하여 용접 수행하는 자동 용접방법이 제공될 수 있다.
상기 피팅된 직선 또는 곡선 상의 점들 중 이전 용접위치로부터 미리 정해진 거리만큼 떨어진 점이 복수인 경우에, 이전 용접위치와 상기 자동 용접장치의 주행방향을 비교하여 상기 이전 용접위치보다 상기 자동 용접장치의 주행방향 측에 위치하는 점을 다음 용접위치로 결정하는 자동 용접방법이 제공될 수 있다.
상기 굴곡부가 변곡점을 포함하는 경우 변곡위치를 계측하는 방법은, 상기 용접심을 탐지하는 탐지위치와 용접 수행하는 용접위치 사이의 구간을 제1구역과 제2구역을 포함하는 복수의 구역으로 구분하고, 상기 제1구역과 제2구역 각각에 대하여 상기 저장된 복수의 용접심 위치들로부터 직선 또는 곡선을 피팅하여 변곡위치를 계측하는 자동 용접방법이 제공될 수 있다.
상기 변곡위치를 계측하는 방법은, 상기 제1구역에서 피팅된 직선 또는 곡선과 상기 제1구역에서 저장된 복수의 용접심 위치들 사이의 오차와, 상기 제2구역에서 피팅된 직선 또는 곡선과 상기 제2구역에서 저장된 복수의 용접심 위치들 사이의 오차를 계측하고, 상기 제1구역에서 계측된 오차의 평균값 또는 최대값과 상기 제2구역에서 계측된 오차의 평균값 또는 최대값이 모두 미리 설정된 범위 내에 들어오고, 상기 제1구역에서 피팅된 직선 또는 곡선과 상기 제2구역에서 피팅된 직선 또는 곡선이 서로 다른 것으로 판단되는 경우, 상기 제1구역과 상기 제2구역의 경계 또는 상기 경계에서 미리 설정된 범위 내에 상기 변곡위치가 있는 것으로 판단하는 자동 용접방법이 제공될 수 있다.
상기 미리 정해진 거리는 상기 자동 용접장치의 주행속도를 기준으로 이전 용접위치에서 다음 용접위치를 계측하는 데 걸리는 시간 동안 상기 자동 용접장치가 이동할 수 있는 거리인 자동 용접방법이 제공될 수 있다.
상기 용접위치를 결정하는 방법은, 데이터 수집구간 내에 저장된 복수의 용접심 위치들로부터 직선 또는 곡선을 피팅하되, 상기 데이터 수집구간은, 이전 용접위치가 상기 계측된 변곡위치 보다 상기 자동 용접장치의 주행방향에 대하여 후방에 위치하는 경우 상기 변곡위치 보다 후방에 위치하는 저장된 복수의 용접심 위치들을 이용하도록 설정되고, 이전 용접위치가 상기 계측된 변곡위치 보다 상기 자동 용접장치의 주행방향에 대하여 전방에 위치하는 경우 상기 변곡위치 보다 전방에 위치하는 저장된 복수의 용접심 위치들을 이용하도록 설정되는 자동 용접방법이 제공될 수 있다.
상기 용접위치를 결정하는 방법은, 상기 피팅된 직선 또는 곡선으로부터 미리 설정된 오차범위를 넘는 용접심 위치를 제거하고, 상기 제거된 용접심 위치를 제외한 나머지 용접심 위치들로부터 직선 또는 곡선을 피팅하고, 상기 피팅된 직선 또는 곡선 상의 점들 중 이전 용접위치로부터 미리 정해진 거리만큼 떨어진 점을 다음 용접위치로 결정하여 용접 수행하는 자동 용접방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 자동 용접장치 및 자동 용접방법은 변곡부를 감지하기 위한 별도의 하드웨어를 필요로 하지 않음으로써, 용접장치의 무게 및 가격을 낮출 수 있다.
또한, 변곡부를 감지하기 위한 센서를 보정하는 과정이 필요치 않음으로써 용접 과정이 간소화되어 보다 신속한 용접이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자동 용접장치를 이용하여 화물창의 방벽을 용접하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 2는 화물창의 방벽 용접부를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 용접유닛을 나타내는 도면이다.
도 4는 화물창 방벽의 주름부와 용접선을 나타내는 단면도이다.
도 5는 도 4에서 탐지된 용접심과 변곡점의 위치를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 자동 용접방법의 용접위치를 제어하는 방법을 나타내는 개념도이다.
도 7 내지 도 9는 변곡위치를 추출하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 10은 용접위치를 결정하기 위한 모습을 나타내는 도면이다.
도 11은 도 5에서 구역에 따른 데이터 수집구간을 나타내는 도면이다.
이하에서는 본 발명의 실시예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
이하에 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자동 용접장치를 이용하여 화물창의 방벽(30)을 용접하는 모습을 나타내는 도면이고, 도 2는 화물창의 방벽(30) 용접부를 나타내는 도면이다. 도 1과 도 2를 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 용접장치를 설명하기로 한다. 이하에서는 화물창의 방벽(30) 용접에 사용되는 자동 용접장치를 일 예로 설명하지만, 굴곡부를 포함하는 용접 대상물을 용접하는 것이라면 그 대상물이 무엇인지를 가지리 않고 본 발명의 실시예에 포함된다 할 것이다.
액상화물 운반선 등에 사용되는 화물창은 하부 단열패널(10) 상에 주방벽(31)이 적층되고 주방벽(31) 상에 상부 단열패널(20)이 적층될 수 있다. 한편, 화물창의 방벽(30)은 기밀성 기준을 만족하여야 하기 때문에 인접하는 주방벽(31)을 밀봉하는 보조방벽(32)이 마련된다. 보조방벽(32)은 인접하는 주방벽(31) 사이를 연결하는 연결 보조방벽(33)과, 연결 보조방벽(33)과 연결 보조방벽(33)이 교차하는 교차부에 마련되어 밀봉하는 교차부 보조방벽(34)을 포함할 수 있다.
주방벽(31)과 연결 보조방벽(33)과 교차부 보조방벽(34)이 각각 연결되는 연결부는 기밀성을 유지하기 위하여 용접에 의해 마감되어야 한다. 보조방벽(32)은 주방벽(31) 위에 겹쳐져 용접선(W1)을 따라 용접되고, 교차부 보조방벽(34)은 연결 보조방벽(33) 위에 겹쳐져 용접선(W2)을 따라 용접될 수 있다. 한편, 교차부 보조방벽(34)은 주방벽(31) 위에 겹쳐져 용접선(W3)을 따라 용접될 수도 있다.
보조방벽(32)은 열응력을 해소하기 위하여 주름부(30b)(Corrugation)를 포함할 수 있다. 주름부(30b)는 서로 교차하는 두 방향의 주름부를 포함할 수 있다. 보조방벽(32)의 주름부(30b)는 서로 연결되기 때문에 용접선(W)은 직선뿐만 아니라 곡선을 포함하게 된다.
위와 같이 주름부(30b)를 포함하는 용접 대상물을 용접하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 용접유닛(200)은 굴곡부를 용접할 수 있도록 마련된다. 굴곡부는 직선과 직선이 만나는 변곡점, 직선과 곡선이 만나는 변곡점, 및/또는 곡선과 곡선이 만나는 변곡점을 포함한다.
도 1에는 2차 방벽(30)을 용접하는 자동 용접장치를 도시하였지만, 화물창의 1차 방벽(미도시)을 용접하는 데에 본 발명의 실시예에 따른 자동 용접장치가 사용될 수 있음은 당연하다.
자동 용접장치에는 레이저 용접장치, 티그 용접장치, 또는 플라즈마 용접장치 등이 있지만, 이하에서는 레이저 용접장치를 일 예로 들어 설명하도록 한다. 다만, 본 발명의 실시예에는 레이저 용접장치뿐만 아니라 티그 용접장치 또는 플라즈마 용접장치를 포함하여 자동으로 용접선을 추적하여 용접 대상물을 용접할 수 있는 용접장치를 포함한다.
자동 용접장치는 레이저의 초점거리와 레이저의 조사방향을 조절하여 레이저를 용접 대상물에 조사하는 적어도 하나 이상의 용접유닛(200)과, 용접유닛(200)을 용접 대상물을 따라 이송시키는 이송유닛(100)을 포함할 수 있다. 자동 용접장치는 이송유닛(100)이 용접 대상물을 따라 광범위에 걸쳐 설치됨으로써 용접범위에 제한을 받지 않고 용접할 수 있다. 다만, 이하에서 설명되는 이송유닛(100)과 용접유닛(200)은 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 설명하는 것에 불과하며, 단지 여러 실시예 중 하나의 예를 설명하는 것뿐이다. 즉, 본 발명의 권리범위는 아래에서 설명되는 이송유닛(100)과 용접유닛(200)에 한정되지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이송유닛(100)은 용접 대상물의 상부에 마련되어 적어도 하나 이상의 용접유닛(200)이 이송될 수 있는 경로를 형성하는 이송 레일부(110)와, 이송 레일부(110)를 따라 이송 가능하게 연결되되 적어도 하나 이상의 용접유닛(200)이 결합된 이송대차(120)와, 일측이 이송대차(120)에 연결되고 타측이 이송 레일부(110)에 연결되어 이송대차(120)를 이송 레일부(110)를 따라 이송시키는 이송 구동부(130)를 포함할 수 있다.
이송 레일부(110)는 용접유닛(200)이 용접선(W)을 따라 이송될 수 있도록 경로를 안내하는 역할을 하며, 도 1과 같이 상부 단열패널(20) 상에 고정될 수 있다. 이송대차(120)는 용접유닛(200)과 결합되어 이송 레일부(110)를 따라 이송될 수 있으며 용접유닛(200)을 지지하는 역할을 한다. 이송 구동부(130)는 일측이 이송대차(120)에 연결되고 타측이 이송 레일부(110)를 따라 회전운동할 수 있는 구동롤러와, 구동롤러에 연결되어 구동력을 제공하는 구동모터(미도시)를 포함할 수 있다.
즉, 구동모터의 회전력에 의해 구동롤러가 회전하고, 구동롤러와 연결된 이송대차(120)가 이송 레일부(110)를 따라 이동하면서 이송대차(120)와 연결된 용접유닛(200)이 용접선(W)을 따라 이송될 수 있다. 따라서 광범위하게 배치된 용접 대상물을 용접범위에 제한 없이 용접할 수 있는 것이다.
용접유닛(200)은 이송대차(120)에 적어도 하나 이상 결합될 수 있으며, 도 1에는 이송대차(120)의 양 측부에 2개의 용접유닛(200)이 결합되는 것을 도시하였다. 따라서 자동 용접장치는 복수의 용접선(W, 도 1에는 두 개의 용접선이 나타남)을 동시에 용접할 수 있다.
용접유닛(200)은 용접 대상물의 상부에 위치하게 되므로 용접 대상물과의 상대적 거리가 변하는 경우 조사되는 레이저의 초점거리를 조절하여야 할 필요가 있다. 또한, 용접유닛(200)이 이송되는 과정에서 용접 대상물의 위치가 용접유닛(200)을 기준으로 특정위치에 위치하지 않는 경우 용접유닛(200)에서 조사되는 레이저의 조사방향을 변경할 필요가 있다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 용접유닛(200)은 용접 대상물에 조사되는 레이저의 초점거리와 조사방향을 변경할 수 있도록 구성될 수 있다.
이하에서는 도 3을 참고하여 위와 같은 기능을 구현하기 위한 일 실시예로서의 용접유닛(200)을 설명하도록 한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 용접유닛(200)을 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 용접유닛(200)은 레이저를 발생시키는 레이저 발진기(미도시)와, 레이저 발진기에서 발생된 레이저를 유도하는 광케이블(210)(Optic cable)과, 광케이블(210)의 출력단부에서 확산되는 레이저를 평행광으로 출력하는 제1렌즈(220)와, 제1렌즈(220)에 의해 평행광이 된 레이저를 집광하는 제2렌즈(230)와, 제1렌즈(220)와 제2렌즈(230) 사이에 마련되어 제1렌즈(220)를 통과한 평행광인 레이저를 제2렌즈(230) 방향으로 반사시키는 제1미러(240)와, 제2렌즈(230)를 통과한 레이저를 용접 대상물 방향으로 반사하되 용접 대상물에 레이저가 조사되도록 회전 가능하게 마련되는 제2미러(250)를 포함할 수 있다.
또한, 용접 대상물로부터 이격되는 거리에 대응하여 레이저의 초점거리를 조절하도록 제1렌즈(220) 및 제2렌즈(230) 중 적어도 어느 하나의 위치를 조절하는 렌즈 위치조절부(260)와, 제2미러(250)를 회전시켜 레이저의 조사방향을 변경하는 제2미러 액츄에이터(270)를 포함할 수 있다.
레이저 발진기에서 발생된 레이저는 광케이블(210)에 의해 유도되고, 레이저는 광케이블(210)의 출력단부에서 확산되어 출력되며, 출력된 레이저는 제1렌즈(220)를 통과하면서 평행광으로 출력된다. 여기서 제1렌즈(220)는 입사된 레이저를 평행광으로 출력하는 콜리메이트 렌즈(Collimate lens)로 구성될 수 있다.
제1렌즈(220)에서 평행광이 된 레이저는 제1미러(240)에서 제2렌즈(230) 방향으로 반사되고, 제2렌즈(230)를 통과하면서 집광된다. 제2렌즈(230)에서 집광된 레이저는 제2미러(250)에서 반사되어 용접 대상물 방향으로 조사된다. 여기서 제2렌즈(230)는 입사된 레이저를 집광하는 볼록렌즈로 구성될 수 있다.
용접유닛(200)은 용접선(W)에 굴곡부가 포함되는 등으로 인하여 이송 레일부(110)로부터 용접선(W)까지의 위치 및/또는 거리가 달라지는 경우 레이저의 조사방향 및/또는 초점거리를 변경할 필요가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 용접유닛(200)은 제2미러(250)를 회전시켜 레이저의 조사방향을 변경할 수 있도록 제2미러(250)에 연결되는 제2미러 액츄에이터(270)를 포함할 수 있다. 제2미러 액츄에이터(270)는 제2미러(250)를 소정 각도 회전시키는 모터로 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 용접유닛(200)은 레이저의 초점거리를 조절하기 위하여 제1렌즈(220)와 제2렌즈(230) 중 적어도 어느 하나의 위치를 조절할 수 있는 렌즈 위치조절부(260)를 포함할 수 있다.
렌즈 위치조절부(260)는 제1렌즈(220)에 연결되어 제1렌즈(220)를 이송시켜 레이저가 확산되어 출력되는 광케이블(210)의 출력단부와 제1렌즈(220) 사이의 거리를 조절할 수 있는 제1렌즈용 액츄에이터(261)와, 제2렌즈(230)에 연결되어 제2렌즈(230)를 이송시켜 제1렌즈(220)와 제2렌즈(230) 사이의 거리를 조절하는 제2렌즈용 액츄에이터(262)를 포함할 수 있다.
다음으로, 도 4 이하를 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 자동 용접장치가 평면부(30a)와 주름부(30b)를 포함하는 용접선(W)을 따라 용접하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 3에서 본 발명의 실시예에 따른 레이저 조사장치가 굴곡부를 용접할 수 있도록 레이저의 조사방향과 초점거리를 조절할 수 있음을 설명하였다. 한편, 굴곡부를 용접하기 위하여서는 변곡점(직선과 직선이 만나거나, 직선과 곡선이 만나거나, 곡선과 곡선이 만나는 변곡점을 모두 포함)의 위치(이하 <변곡위치>라고 한다)를 인식하고, 변곡점을 지난 용접선(W)(직선 또는 곡선)의 정확한 형상과 변곡점을 지난 용접선(W)에서 다음 용접위치를 알 수 있어야 한다.
만일 변곡점 및/또는 변곡점을 지난 용접선(W)에서 다음 용접위치를 정확하게 알지 못하고 단지 심추적 센서에 의해 탐지된 용접심 정보를 토대로 다음 용접위치를 채택한다면, 용접유닛(200)의 주행 속도에 따른 오차가 발생하게 된다. 즉, 용접유닛(200)의 주행 속도가 20mm/s인 경우에 다음 용접위치를 0.1s 간격으로 계측한다면, 변곡점 부근에서 최대 2mm(20mm/s * 0.1s) 만큼의 오차가 발생할 수 있다.
종래의 자동 용접장치는 별도의 굴곡부 감지센서를 이용하여 변곡점을 인식하였다. 그러나 본 발명의 실시예에 따른 자동 용접장치는 굴곡부 감지센서와 같은 별도의 하드웨어를 구성으로 포함하지 않으면서도 제어방법에 의해 굴곡부의 위치 및 형상을 인식할 수 있다.
우선, 도 4와 도 5를 참고하여 화물창 방벽(30)의 평면부(30a)와 주름부(30b)의 형상을 살펴보도록 한다. 도 4는 화물창 방벽(30)의 주름부(30b)와 용접선(W)을 나타내는 단면도이고, 도 5는 도 4에서 탐지된 용접심(d)과 변곡점의 위치를 나타내는 도면이다.
도 4는 방벽 주름부(30b)의 일 예를 나타내는 것으로, 화물창 방벽(30)에 사용되는 주름부(30b)의 형상은 다양할 수 있음을 밝혀둔다. 예를 들어, 도 4에서는 아래로 볼록한 주름부(30b)를 도시하였지만 이와 달리 위로 볼록한 주름부를 포함하는 화물창 방벽일 수 있다.
도 4를 참고하면, 화물창의 방벽(30)은 평면부(30a)와 주름부(30b)를 포함할 수 있다. 이 때 주름부(30b)의 형상은 다양하게 마련될 수 있지만, 일 예로, 평면부(30a)의 직선(L)과 접하도록 연결되는 볼록원호(C1)와, 볼록원호(C1)와 접하도록 연결되는 오목원호(C2)를 포함할 수 있다. 이 때, 직선(L)과 볼록원호(C1)가 접하는 부분이 제1변곡지점(P1)이 되고, 볼록원호(C1)와 오목원호(C2)가 접하는 부분이 제2변곡지점(P2)이 된다. 제1변곡지점(P1)과 제2변곡지점(P1)에서 서로 다른 도형이 접하도록 만나는 이유는 주름부(30b)가 열수축 또는 열팽창 하는 경우에 변곡지점(P1, P2)에 열응력이 집중되어 피로파괴되는 것을 방지하기 위함이다.
또한, 볼록원호(C1)는 제1원(R1)의 일부를 이루는 원호로 마련되고 오목원호(C2)는 제2원(R2)의 일부를 이루는 원호로 마련된다. 이는 자동용접을 용이하게 할 수 있도록 하기 위함이다. 도 4에서는 볼록원호(C1)와 오목원호(C2)가 직접 접하는 것을 도시하였지만, 주름부(30b)의 형상에 따라 볼록원호(C1)와 오목원호(C2) 사이에 양단이 각각 접하는 또 다른 직선이 포함될 수도 있다.
자동 용접장치가 종래기술과 같이 별도의 굴곡부 감지센서를 포함하지 않으면서도 주름부(30b)를 용접하기 위하여서는 제어방법에 의하여 제1변곡지점과 제2변곡지점의 위치를 인식할 수 있어야 하고, 주름부(30b)의 형상(즉, 직선, 볼록원호, 및 오목원호의 형상)에 따라 다음 용접위치를 정확하게 채택할 수 있어야 한다.
이하에서는 도 6 내지 도 11을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 자동 용접장치가 굴곡부를 포함하는 용접 대상물을 용접하는 방법에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명의 실시예에 따른 자동 용접장치는 용접선(W)의 용접심(d)을 탐지할 수 있는 심추적 센서를 포함할 수 있다. 심추적 센서에 의해 용접심(d)을 탐지함으로써 용접선(W)의 좌우 오차가 없어지도록 제어할 수 있다. 용접장치에 사용되는 심추적 센서는 이미 여러 타입이 공지되어 있다. 본 발명의 실시예는 용접심(d)을 탐지하는 방법에 상관없이 용접심(d)을 탐지할 수 있는 심추적 센서를 모두 포함한다. 심추적 센서의 일 예로서, “레이저를 이용하여 용접선(W)을 인식하는 자동용접장치”에 관한 발명이 공개특허공보 2006-0078462호(2006년 7월 5일 공개)에 개시되어 있다.
심추적 센서는 일정 시간 간격으로 용접심(d)을 탐지할 수 있다. 또는 용접유닛(200)의 위치 및 자세에 따라 심추적 센서가 탐지하는 용접심(d)의 탐지 시간 간격이 달라질 수도 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 자동 용접방법의 용접위치(w)를 제어하는 방법을 나타내는 개념도이다.
본 발명의 실시예에 따른 자동 용접장치는 용접유닛(200)의 위치 및 자세를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다. 제어부는 변곡위치 추출과정과 용접위치 추출과정을 수행할 수 있다.
더 상세히 설명하면 제어부는 심추적 센서에 의해 탐지된 용접심(d) 탐지결과를 심버퍼(Seam buffer)에 저장한다. 자동 용접장치의 주행에 따라 일정 시간 간격으로 계속하여 용접심(d)이 탐지될 수 있으며, 심버퍼에는 연속되는 용접심(d)의 위치 정보가 저장된다.
제어부는 연속적으로 저장된 용접심(d)의 위치 정보를 이용하여 변곡점이 존재하는 변곡위치(P1, P2)를 추출하고, 변곡위치(P1, P2)를 기준으로 데이터 수집구간(D)을 설정하여 다음 용접위치(w(n), 도 10)를 추출한다. 이후 다음 용접위치(w(n))에서 용접할 수 있도록 용접유닛(200)의 자세를 제어하는 모션지령이 저장되고, 이에 따라 용접위치(w)의 제어가 종료된다.
도 7 내지 도 9를 참고하여 제어부의 변곡점(d(P)) 추출과정에 대하여 설명하도록 한다.
도 7 내지 도 9는 변곡점(d(P))를 추출하는 모습을 나타내는 도면으로, 실제의 용접선(l3)과 변곡점(d(P))이 나타나 있다. 이 때, 탐지되는 용접심(d)은 실제의 용접선(l3)과 오차가 발생할 수 있다.
제어부는 연속적으로 저장된 용접심(d) 정보를 이용하여 변곡점(d(P))의 위치를 추출할 수 있다. 도 7 내지 도 9에는 용접유닛(200)이 용접 대상물을 용접하는 위치인 용접위치와 심추적 센서가 용접심(d)을 탐지하는 탐지위치가 나타나 있다. 심추적 센서는 용접위치를 결정하기 위한 정보를 제공하기 위해 용접심(d)을 탐지하여야 하므로, 탐지위치가 용접유닛(200)의 주행 방향에 대하여 용접위치 보다 전방에 위치하게 된다.
용접위치와 탐지위치 사이의 구역은 제1구역(A)과 제2구역(B)을 포함할 수 있다. 제1구역(A)은 분할된 구역 중 주행방향(X 방향)에 대하여 전방에 위치하는 구역을, 제2구역(B)은 분할된 구역 중 주행방향(X 방향)에 대하여 후방에 위치하는 구역을 의미한다.
제어부는 탐지된 용접심(d) 위치에 관한 정보를 기억하되, 제1구역(A)과 제2구역(B)에 관한 정보를 나누어 각각 기억한다. 제어부는 제1구역(A)에 저장된 복수의 용접심(d) 위치들(도면에는 6개의 용접심이 나타남)로부터 직선 또는 곡선(도면에는 직선)을 피팅(Fitting, 추세선을 생성함)한다. 마찬가지로 제어부는 제2구역(B)에 저장된 복수의 용접심(d) 위치들(도면에는 6개의 용접심(d)이 나타남)로부터 직선 또는 곡선(도면에는 직선)을 피팅한다.
도 7의 제1구역(A)에는 변곡점(d(P))이 포함되어 있기 때문에 저장된 용접심(d)들로부터 피팅된 직선(l1) 또는 곡선과 실제의 용접선(l3)에 차이가 발생한다. 따라서 피팅된 직선(l1) 또는 곡선과 저장된 용접심(d) 사이에 오차가 크게 발생한다. 반면에, 제2구역(B)에는 변곡점(d(P))이 포함되어 있지 않기 때문에 저장된 용접심(d)들로부터 피팅된 직선(l2) 또는 곡선과 실제의 용접선(l3)이 유사하다. 따라서 피팅된 직선(l2) 또는 곡선과 저장된 용접심(d) 사이에 오차가 작게 발생한다.
도 8은 도 7과 비교할 때 용접유닛(200)이 주행함에 따라 하나의 용접심(d)을 더 탐지하면서 탐지위치와 용접위치가 전방으로 소정 거리 이동하였다. 도 8에는 변곡점(d(P))이 제1구역(A)과 제2구역(B)의 경계에 위치하는 경우를 도시하였다. 따라서 저장된 용접심(d)들로부터 피팅된 직선(l1, l2) 또는 곡선이 실제의 용접선(W)과 일치되거나 아주 작은 오차만을 가지게 된다. 한편, 제1구역(A)에서 피팅된 직선(l1) 또는 곡선과 저장된 용접심(d) 사이에 오차가 작게 발생하며, 제2구역(B)도 마찬가지로 피팅된 직선(l2) 또는 곡선과 저장된 용접심(d) 사이에 오차가 작게 발생한다.
마지막으로 도 9는 도 8과 비교할 때 용접유닛(200)이 주행함에 따라 하나의 용접심(d)을 더 탐지하면서 탐지위치와 용접위치가 전방으로 소정 거리 이동하였다. 도 9의 제1구역(A)에는 변곡점(d(P))이 포함되어 있지 않기 때문에 저장된 용접심(d)들로부터 피팅된 직선(l1) 또는 곡선과 실제의 용접선(l3)이 유사하다. 따라서 피팅된 직선(l1) 또는 곡선과 저장된 용접심(d) 사이에 오차가 작게 발생한다. 반면에, 제2구역(B)에는 변곡점(d(P))이 포함되어 있기 때문에 저장된 용접심(d)들로부터 피팅된 직선(l2) 또는 곡선과 실제의 용접선(l3)에 차이가 발생한다. 따라서 피팅된 직선(l2) 또는 곡선과 저장된 용접심(d) 사이에 오차가 크게 발생한다.
여기에서 피팅된 직선(l1, l2)과 저장된 용접심(d) 사이의 오차의 크고 작음은 다양한 방법으로 비교될 수 있다. 일 예로, 피팅된 직선(l1, l2)과 복수의 저장된 용접심(d) 사이의 오차들의 평균값이 미리 결정된 오차 허용값을 초과하는지 여부에 따라 오차의 크고 작음을 결정하거나, 피팅된 직선(l1, l2)과 복수의 저장된 용접심(d) 사이의 오차들 중 최대값이 미리 결정된 오차 허용값을 초과하는지 여부에 따라 오차의 크고 작음을 결정할 수 있다.
제어부는 제1구역(A)에서 계측된 피팅된 직선(l1) 또는 곡선과 저장된 용접심(d) 사이의 오차와 제2구역(B)에서 계측된 피팅된 직선(l2) 또는 곡선과 저장된 용접심(d) 사이의 오차가 모두 최소로 되는 경우에 변곡점(d(P))이 제1구역(A)과 제2구역(B)의 경계 또는 경계로부터 미리 설정된 범위 내에 존재하는 것으로 판단할 수 있다. 여기에서 미리 설정된 범위는 변곡점(d(P))의 보다 정확한 위치를 알고자 할 때 사용할 수 있다. 또는, 미리 설정된 범위는 도 8에서 제1구역(A)과 제2구역(B)의 경계에서 전, 후에 위치하는 용접심(d)의 사이일 수 있다.
도 10은 용접위치를 결정하기 위한 모습을 나타내는 도면이다.
제어부는 용접위치를 결정하기 위하여 저장된 용접심(d) 위치들 중에 신뢰가 높은 데이터 수집구간에서의 용접심(d) 위치만을 선택할 수 있다. 도 10에 나타난 실시예에서는 5개의 용접심(d) 위치를 선택하였다. (a) 단계는 5개의 용접심(d) 위치 데이터를 기초로 직선 또는 곡선을 피팅하는 과정을 나타내며, (c) 단계는 이전 용접위치(w(n-1))로부터 다음 용접위치(w(n))를 계측하는 과정을 나타낸다.
(b) 단계는 다음 용접위치(w(n)) 계측의 정확도를 높이기 위하여 용접심(d) 위치 데이터 중에서 (a) 단계에서 피팅된 직선 또는 곡선과의 오차가 미리 설정된 허용 오차범위를 넘는 용접심(d) 위치 데이터를 삭제하고, 나머지 4개의 용접심(d) 위치 데이터를 기초로 새로운 직선 또는 곡선을 피팅하는 과정을 나타낸다. (a) 단계에서 피팅된 직선 또는 곡선을 이용하여 다음 용접위치(w(n))를 계측하는 것보다 (b) 단계를 포함하여 피팅된 직선 또는 곡선을 이용하여 다음 용접위치(w(n))를 계측하는 것의 정확도가 더 높기 때문이다. (b) 단계에서 미리 설정된 허용 오차범위를 넘는 용접심(d) 위치 데이터를 삭제하는 대신, 오차가 가장 큰 용접심(d) 위치를 제거할 수도 있다.
(c) 단계에 대해서 자세히 설명하면, 제어부는 피팅된 직선 또는 곡선 상의 점들 중 이전 용접위치(w(n-1))로부터 미리 정해진 거리만큼 떨어진 점을 다음 용접위치(w(n))로 결정하여 용접 수행하게 된다. 이 때, 미리 정해진 거리는 용접유닛(200)의 주행속도를 기준으로 이전 용접위치(w(n-1))에서 다음 용접위치(w(n))를 계측하는 데 걸리는 시간 동안 용접유닛(200)이 이동할 수 있는 거리를 의미할 수 있다. 도 10의 (c)에서는 이전 용접위치(w(n-1))를 중심점으로 하여 미리 정해진 거리만큼을 반경으로 하는 가상의 원을 그리고, 이 원과 피팅된 직선 또는 곡선이 만나는 점을 다음 용접위치(w(n))로 결정하였다.
도 11은 도 5에서 구역에 따른 데이터 수집구간(D)을 나타내는 도면이다.
제어부가 용접위치를 결정하기 위하여 사용하는 데이터 수집구간(D)은 변곡위치(P1, P2)의 전 후에 따라 달라질 수 있다. 제어부는 데이터 수집구간(D) 내에 저장된 복수의 용접심(d) 위치들로부터 직선 또는 곡선을 피팅하여 다음 용접위치(w(n))를 결정하되, 신뢰성을 높이기 위하여 가변적으로 데이터 수집구간(D)을 선택할 수 있다.
데이터 수집구간(D)은 용접위치(w)와 계측된 변곡위치(P1, P2)와의 위치관계에 따라 달라질 수 있다. 일 예로, 제어부는 이전 용접위치(w(n-1))가 계측된 변곡위치(P1, P2) 보다 자동 용접장치의 주행방향(X 방향)에 대하여 후방에 위치하는 경우 변곡위치(P1, P2) 보다 후방에 위치하는 저장된 복수의 용접심(d) 위치들을 이용하도록 데이터 수집구간(D)을 설정하고, 이전 용접위치(w(n-1))가 계측된 변곡위치(P1, P2) 보다 자동 용접장치의 주행방향(X 방향)에 대하여 전방에 위치하는 경우 변곡위치(P1, P2) 보다 전방에 위치하는 저장된 복수의 용접심(d) 위치들을 이용하여 데이터 수집구간(D)을 설정할 수 있다.
도 11에서 확인할 수 있듯이, 데이터 수집구간(D)은 직선부(L)에서 등간격으로 설정되다가 제1변곡위치(P1)에 접근함에 따라 제1변곡위치(P1)의 후방에 위치하도록 설정된다. 이전 용접위치(w(n-1))가 제1변곡위치(P1)를 넘어서면 반대로 제1변곡위치(P1) 보다 전방에 위치하는 저장된 복수의 용접심(d) 위치들을 이용하도록 데이터 수집구간(D)이 설정된다.
즉, 데이터 수집구간(D)은 변곡위치(P1, P2)를 포함하지 않는다. 만일, 데이터 수집구간(D)이 변곡위치(P1, P2)를 포함한다면 실제 용접선(W)과 용접심(d)들에 의해 피팅되는 직선 또는 곡선과의 오차가 상당히 발생할 것이기 때문이다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10: 하부 단열패널, 20: 상부 단열패널,
30: 방벽, 31: 주방벽,
32: 보조방벽, 33: 연결 보조방벽,
34: 교차부 보조방벽, 30b: 주름부,
100: 이송유닛, 110: 이송 레일부,
120: 이송대차, 130: 이송 구동부,
200: 용접유닛, 210: 광케이블,
220: 제1렌즈, 230: 제2렌즈,
240: 제1미러, 250: 제2미러,
260: 렌즈 위치조절부, 261: 제1렌즈용 액츄에이터,
262: 제2렌즈용 액츄에이터, 270: 제2미러 액츄에어터,

Claims (8)

  1. 용접 대상물의 용접심을 따라 주행하면서 용접 수행하고, 상기 용접심의 위치를 탐지하는 심추적 센서를 포함하는 용접유닛;
    상기 용접유닛과 연결되어 상기 용접유닛을 이송시키는 이송유닛; 및
    상기 용접유닛의 위치를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 용접유닛이 주행하면서 상기 심추적 센서로부터 탐지되는 용접심 위치를 저장하고,
    상기 저장된 복수의 용접심 위치들로부터 직선 또는 곡선을 피팅하고,
    상기 피팅된 직선 또는 곡선 상의 점들 중 이전 용접위치로부터 미리 정해진 거리만큼 떨어진 거리의 점을 다음 용접위치로 결정하는 자동 용접장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 용접심을 탐지하는 탐지위치와 용접 수행하는 용접위치 사이의 구간에서 구분되는 제1구역과 제2구역 각각에 대하여 상기 저장된 복수의 용접심 위치들로부터 직선 또는 곡선을 피팅하여 변곡위치를 계측하는 자동 용접장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1구역에서 피팅된 직선 또는 곡선과 상기 제1구역에서 저장된 복수의 용접심 위치들 사이의 오차와, 상기 제2구역에서 피팅된 직선 또는 곡선과 상기 제2구역에서 저장된 복수의 용접심 위치들 사이의 오차를 계측하고,
    상기 제1구역에서 계측된 오차의 평균값 또는 최대값과 상기 제2구역에서 계측된 오차의 평균값 또는 최대값이 모두 미리 설정된 범위 내에 들어오고, 상기 제1구역에서 피팅된 직선 또는 곡선과 상기 제2구역에서 피팅된 직선 또는 곡선이 서로 다른 것으로 판단되는 경우,
    상기 제1구역과 상기 제2구역의 경계 또는 상기 경계에서 미리 설정된 범위 내에 상기 변곡위치가 있는 것으로 판단하는 자동 용접장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 미리 정해진 거리는 상기 용접유닛의 주행속도를 기준으로 이전 용접위치에서 다음 용접위치를 계측하는 데 걸리는 시간 동안 상기 용접유닛이 이동할 수 있는 거리인 자동 용접장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 피팅된 직선 또는 곡선 상의 점들 중 이전 용접위치로부터 미리 정해진 거리만큼 떨어진 점이 복수인 경우에, 이전 용접위치와 상기 자동 용접장치의 주행방향을 비교하여 상기 이전 용접위치보다 상기 자동 용접장치의 주행방향 측에 위치하는 점을 다음 용접위치로 결정하는 자동 용접장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    데이터 수집구간 내에 저장된 복수의 용접심 위치들로부터 직선 또는 곡선을 피팅하여 다음 용접위치를 결정하되,
    상기 데이터 수집구간은,
    이전 용접위치가 상기 계측된 변곡위치 보다 상기 자동 용접장치의 주행방향에 대하여 후방에 위치하는 경우 상기 변곡위치 보다 후방에 위치하는 저장된 복수의 용접심 위치들을 이용하도록 설정되고,
    이전 용접위치가 상기 계측된 변곡위치 보다 상기 자동 용접장치의 주행방향에 대하여 전방에 위치하는 경우 상기 변곡위치 보다 전방에 위치하는 저장된 복수의 용접심 위치들을 이용하도록 설정되는 자동 용접장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 피팅된 직선 또는 곡선으로부터 미리 설정된 오차범위를 넘는 용접심 위치를 제거하고,
    상기 제거된 용접심 위치를 제외한 나머지 용접심 위치들로부터 직선 또는 곡선을 피팅하고,
    상기 피팅된 직선 또는 곡선 상의 점들 중 이전 용접위치로부터 미리 정해진 거리만큼 떨어진 점을 다음 용접위치로 결정하는 자동 용접장치.
  8. 굴곡부를 포함하는 용접 대상물을 용접하는 자동 용접방법에 있어서,
    제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 자동 용접장치를 이용하여 용접하는 자동 용접방법.
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