KR101608189B1 - 레이저 용접장치 및 레이저 용접방법 - Google Patents

레이저 용접장치 및 레이저 용접방법 Download PDF

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Abstract

레이저 용접장치 및 레이저 용접방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접방법은 레이저광이 용접 대상물에 조사되는 용접 궤적을 포함하는 용접 데이터를 입력받고, 입력된 용접 데이터에 따라 용접 대상물에 레이저광을 조사하면서 레이저광을 용접 궤적을 따라 이동시키고, 레이저광의 용접 궤적이 곡률을 갖는 곡선 구간인지를 판단하고, 레이저광의 용접 궤적이 곡선 구간이면, 곡선 구간에 레이저광을 조사하는 동안 레이저광의 조사각도를 조절하는 액추에이터의 회전각도를 미리 설정된 각도범위 이내로 제한시킨다.

Description

레이저 용접장치 및 레이저 용접방법{LASER WELDING APPARATUS AND LASER WELDING METHOD}
본 발명은 레이저 용접장치 및 레이저 용접방법에 관한 것으로서, 용접 궤적을 따라 이동하면서 부재를 용접하는 레이저 용접장치 및 레이저 용접방법에 관한 것이다.
일반적으로, 용접 대상물의 용접 품질을 결정하기 위해서는 X축, Y축, Z축, X축 회전(Ry), Z축 회전(Rz)의 5 자유도가 필요하다. 이들 중 Rx 및 Rz는 법선 벡터 기준의 2회전 조건에 의해 결정될 수 있다.
기존에는 법선 벡터 기준의 2회전 조건을 만족하기 위해서 강한 강성을 가진 큰 기구를 이용하여 레이저 용접 시스템을 구축하였다. 이러한 레이저 용접 시스템은 가격적인 면이나 크기, 무게 면에서 큰 값들을 필요로 한다. 또한 이러한 조건을 만족하기 위해 부가축을 활용하는 기술도 있다.
최근에는 레이저 용접 시스템을 보다 작고 가벼우며 정밀 위치 제어가 가능하도록 용접 궤적에 대하여 법선 벡터 기준의 2회전 조건을 변경하여 보다 부드러운 유사 법선 벡터 기준 궤적을 적용하여 용접을 수행하는 방법이 요구되고 있다.
미국 특허공보 US 5,340,962(출원인 Lumonics)
본 발명의 실시예에 따르면, 용접 품질을 유지하면서도 레이저 용접장치의 크기와 무게를 대폭 줄여 컴팩트하게 구축할 수 있는 레이저 용접장치 및 레이저 용접방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 레이저광이 용접 대상물에 조사되는 용접 궤적을 포함하는 용접 데이터를 입력받고, 상기 입력된 용접 데이터에 따라 상기 용접 대상물에 레이저광을 조사하면서 상기 레이저광을 상기 용접 궤적을 따라 이동시키고, 상기 레이저광의 용접 궤적이 곡률을 갖는 곡선 구간인지를 판단하고, 상기 레이저광의 용접 궤적이 상기 곡선 구간이면, 상기 곡선 구간에 상기 레이저광을 조사하는 동안 상기 레이저광의 조사각도를 조절하는 액추에이터의 회전각도를 미리 설정된 각도범위 이내로 제한시키는 레이저 용접방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 액추에이터의 회전각도를 제한시키는 것은, 상기 액추에이터의 회전각도의 변곡점이 곡선으로 이루어지도록 상기 액추에이터의 각속도를 점진적으로 증감시킬 수 있다.
또한, 상기 액추에이터의 각속도를 점진적으로 증감시키는 것은, 상기 액추에이터의 각속도를 증가시킬 때 상기 각속도가 증가하는 가속구간을 가지면서 상기 각속도가 증가되도록 제어하고, 상기 액추에이터의 각속도를 감소시킬 때 상기 각속도가 감소하는 감속구간을 가지면서 상기 각속도가 감소되도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 액추에이터의 회전각도를 제한시키는 것은, 상기 액추에이터를 회전시킬 때 상기 액추에이터를 Z축 회전(rz) 및 Y축 회전(ry) 중 어느 하나로 회전시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 용접 대상물에 조사되는 레이저광의 용접 궤적을 포함하는 용접 데이터를 입력받는 입력부; 상기 레이저광을 상기 용접 대상물에 조사하고, 상기 레이저광의 조사각도를 조절하는 액추에이터의 회전각도를 조절하여 상기 레이저광의 조사각도를 조절하는 레이저 조사유닛; 상기 레이저 조사유닛을 상기 용접 대상물을 따라 이송시키는 레이저 이송유닛; 및 상기 입력부를 통해 입력된 용접 데이터에 따라 상기 레이저 조사유닛 및 레이저 이송유닛을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 레이저광을 상기 용접 대상물에 조사하면서 상기 용접 데이터의 용접 궤적을 따라 이동시키고, 상기 레이저광이 상기 용접 궤적을 따라 이동하는 중에 상기 레이저광의 용접 궤적이 소정의 곡률을 갖는 곡선 구간이면 상기 곡선 구간에 상기 레이저광을 조사하는 동안 상기 레이저 조사유닛의 액추에이터의 회전각도를 미리 설정된 각도범위 이내로 제한시키는 레이저 용접장치가 제공될 수 있다.
삭제
본 발명의 일 측면에 의하면, 용접 궤적 중 곡률 변화가 급격한 구간에 대응하는 레이저 조사유닛의 이동 궤적을 용접 품질에 영향을 주지 않는 정도의 이동 궤적으로 변경함으로써 용접 품질을 유지하면서도 레이저 용접 장치의 크기와 무게를 대폭 줄여 컴팩트하게 구축할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접장치를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접장치의 용접 대상물을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사유닛을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접장치의 제어블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접장치의 용접 궤적과 이동 궤적을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5의 용접 궤적과 이동 궤적에 대하여 XZ 평면에서 본 용접 궤적과 이동 궤적을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 5의 용접 궤적과 이동 궤적에 대하여 XY 평면에서 본 용접 궤적과 이동 궤적을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 5의 용접 궤적과 이동 궤적에 대하여 YZ 평면에서 본 용접 궤적과 이동 궤적을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 5의 용접 궤적에서 소정 곡률을 갖는 곡선 구간을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접장치에서 레이저광의 조사각도를 조절하는 액추에이터의 회전각도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접장치에서 레이저광의 조사각도를 조절하는 액추에이터의 회전각도 포화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 12는 도 11의 액추에이터의 회전각도 포화에 따른 액추에이터의 각속도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 13은 도 12의 액추에이터의 각속도 포화에 따른 액추에이터의 회전각도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접장치에서 액추에이터의 회전각도 포화와 각속도 포화를 적용 전후의 회전각도 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접장치에서 레이저광의 조사각도를 조절하는 액추에이터의 회전각도 포화와 각속도 포화를 적용 전후의 회전각도 변화와 그에 따른 이동 궤적 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 16은 도 15의 액추에이터를 Y축 회전시킬 때 액추에이터의 회전각도 포화와 각속도 포화를 적용 전후의 회전각도 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 17은 도 15의 액추에이터를 Z축 회전시킬 때 액추에이터의 회전각도 포화와 각속도 포화를 적용 전후의 회전각도 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 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 일 실시예에 따른 레이저 용접장치를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접장치의 용접 대상물을 나타낸 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사유닛을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 레이저 용접장치는, 레이저광이 용접 대상물(W)에 조사되도록 레이저광의 초점거리를 조절하고 레이저광의 조사각도를 조절하는 레이저 조사유닛(200)과, 이 레이저 조사유닛(200)을 용접 대상물(W)을 따라 이송시키는 레이저 이송유닛(100)을 포함한다.
레이저 용접장치는, 레이저 이송유닛(100)을 이용하여 광범위하게 분포된 용접 대상물(W)을 따라 레이저 조사유닛(200)을 이송하면서 용접할 수 있어 용접범위에 제한을 받지 않고 용접 대상물(W)을 용접할 수 있다.
특히, LNG 운반선의 화물창은 복수의 베이스 판(P)과, 이 베이스 판(P)의 상부에 상호 이격되게 복수의 단열블록(B)이 마련된다. 그리고, 복수의 단열블록(B) 사이에는 파형(corrugation) 형상을 갖는 멤브레인(M)(membrane)들이 겹쳐진 형태로 용접되어 복수의 베이스 판(P)을 상호 연결한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 화물창을 이루는 복수의 베이스 판(P)과 복수의 멤브레인(M)을 상호 용접하기 위해서는 레이저 조사유닛(200)을 용접 라인인 용접 대상물(W)을 따라 이송하여야 한다.
따라서, 레이저 용접장치는 레이저 조사유닛(200)을 용접 대상물(W)을 따라 이송시키는 레이저 이송유닛(100)을 포함한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 레이저 이송유닛(100)은, 용접 대상물(W)의 상부에 마련되어 레이저 조사유닛(200)이 이송되는 경로를 형성하는 이송 레일부(110)와, 이 이송 레일부(110)를 따라 이송가능하게 연결되되 레이저 조사유닛(200)이 결합된 이송대차(130)와, 일측이 이송대차(130)에 연결되고 타측이 이송 레일부(110)에 연결되어 이송대차(130)를 이송 레일부(110)를 따라 이송시키는 이송 구동부(150)를 포함한다.
이송 레일부(110)는, 적어도 하나의 레이저 조사유닛(200)이 이송되는 경로를 안내하는 역할을 한다.
이송 레일부(110)는 용접 대상물(W)의 상부에 배치되며 화물창의 베이스 판(P)의 상부에 배치된 복수의 단열블록(B)을 따라 길게 마련된다.
따라서, 레이저 조사유닛(200)이 이송 레일부(110)를 따라 이송되면서 용접 대상물(W)에 레이저광을 조사하여 용접 대상물(W)을 용접한다.
그리고, 이송대차(130)는 적어도 하나 이상의 레이저 조사유닛(200)이 결합되며, 적어도 하나의 레이저 조사유닛(200)을 이송 레일부(110)를 따라 이송시키는 역할을 한다.
레이저 조사유닛(200)이 이송대차(130)에 결합된 상태에서, 이송대차(130)가 이송 레일부(110)를 따라 용접 대상물(W)의 상부로 이송된다.
그리고, 이송 구동부(150)는 이송대차(130)와 이송 레일부(110)를 연결하여 이송대차(130)가 이송 레일부(110)를 따라 이송되게 하는 구동력을 제공하는 역할을 한다.
여기서, 이송 구동부(150)는, 일측이 이송대차(130)에 연결되고 타측이 이송 레일부(110)에 연결되어 회전하는 구동롤러(151)와, 구동롤러(151)에 연결되어 구동롤러(151)에 구동력을 제공하는 구동모터를 포함한다.
구동모터의 회전력에 의해 구동롤러(151)가 이송 레일부(110)를 따라 회전되면서 이송대차(130)를 이송 레일부(110)를 따라 이송시킨다.
상기한 바와 같이, 화물창을 구성하는 복수의 단열블록(B)의 상부를 연결하는 이송 레일부(110)를 따라 이송대차(130)를 이송시키고, 레이저 조사유닛(200)을 이용하여 레이저광을 용접 대상물(W)에 조사함으로써, 광범위하게 배치된 용접 대상물(W)을 용접범위에 제한없이 용접할 수 있다.
한편, 레이저 이송유닛(100)은 용접 대상물(W)의 상부에서 이송되므로, 레이저 조사유닛(200)과 용접 대상물(W)의 상대적 거리가 변하는 경우에 조사되는 레이저광의 초점거리를 조절하여야 하며, 레이저 조사유닛(200)이 이송되는 과정에서 용접 대상물(W)의 위치가 레이저 조사유닛(200)을 기준으로 특정위치에 위치하지 않는 경우 레이저 조사유닛(200)에서 조사되는 레이저광의 조사각도를 변경할 필요가 있다.
따라서, 레이저 조사유닛(200)은, 용접 대상물(W)에 조사되도록 레이저광 초점거리를 조절하고 레이저광의 조사각도를 변경할 수 있도록 구성된다.
그리고, 레이저 조사유닛(200)은 이송대차(130)에 결합된다. 이는 이송되는 도중에 복수의 용접 대상물(W)을 동시에 용접할 수 있도록 하기 위함이다.
도 3을 참조하면, 레이저 조사유닛(200)은, 레이저광을 발생시키는 레이저 발진기와, 이 레이저 발진기에서 발생된 레이저광을 유도하는 광 케이블(optic cable,210)과, 이 광 케이블(210)의 출력단부에서 확산되는 레이저광을 평행광으로 출력하는 제1 렌즈(220)와, 제1 렌즈(220)에 의해 평행광이 된 레이저광을 집광하는 제2 렌즈(230)와, 용접 대상물(W)에 레이저광이 조사되도록 회전 가능하게 마련되되 제2 렌즈(230)를 통과한 레이저광을 용접 대상물(W) 방향으로 반사하는 제1 미러(240)와, 제1 렌즈(220)와 제2 렌즈(230) 사이에 마련되되 제1 렌즈(220)를 통과한 평행광인 레이저광을 제2 렌즈(230) 방향으로 반사시키는 제2 미러(250)와, 제1 미러(240)에 연결되되 제1 미러(240)를 회전시켜 레이저광의 조사각도를 변경하는 제1 미러 액추에이터(270)와, 용접 대상물(W)로부터 이격거리에 대응하여 레이저광의 초점거리를 조절하도록 제1 렌즈(220) 및 제2 렌즈(230) 중 적어도 어느 하나의 위치를 조절하는 렌즈 위치조절부(260)를 포함한다.
레이저 발진기에서 발생된 레이저광은 광 케이블(210)에 의해 유도되고, 레이저광은 광 케이블(210)의 출력단부에서 확산되어 출력된다. 여기서 레이저 발진기에서 발생된 레이저광은 YAG(Yttrium Aluminum Garnet ; YAG) 레이저광일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 용접 대상물(W)을 용접할 수 있으면 어느 것이든 사용가능하다.
그리고, 광 케이블(210)의 출력단부에서 확산되어 출력된 레이저광은 제1 렌즈(220)를 통과하면서 평행광으로 출력된다. 여기서, 제1 렌즈(220)는 입사된 레이저광을 평행광으로 출력하는 콜리메이트 렌즈(collimate lens)로 구성된다.
그리고, 제1 렌즈(220)에서 평행광이 된 레이저광은 제2 미러(250)에서 제2 렌즈(230) 방향으로 반사되고, 제2 렌즈(230)를 통과하면서 집광된다. 여기서, 제2 렌즈(230)는 입사된 레이저광을 집광하는 볼록렌즈로 구성된다.
그리고, 제2 렌즈(230)에서 집광된 레이저광은 제1 미러(240)에서 용접 대상물(W) 방향으로 반사된다.
한편, 이송대차(130)가 이송 레일부(110)를 따라 이송되는 동안, 용접 대상물(W)의 위치가 이송 레일부(110)를 기준으로 특정위치에 위치하지 않은 경우, 즉, “ㄱ”자형으로 용접하여야 하는 경우에 조사되는 레이저광의 방향을 변경하여야 한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 제1 미러(240)를 회전시켜 레이저광의 조사각도를 변경할 수 있도록 제1 미러(240)에 연결되어 제1 미러(240)를 회전시키는 제1 미러 액추에이터(270)가 마련된다.
제1 미러 액추에이터(270)는 제1 미러(240)를 소정각도 회전시키는 모터로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 제1 미러(240)에 연결되어 제1 미러(240)를 소정각도 회전시킬 수 있으면 어느 것이든 사용 가능하다. 제1 미러 액추에이터(270)는 제 미러(240)를 Z축 회전방향, Y축 회전방향 혹은 X축 회전방향 중 적어도 하나의 방향으로 회전시킬 수 있다.
이하에서는 설명의 편의상 제1 미러 액추에이터(270)를 액추에이터(270)로 칭한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접장치의 제어블록도이다.
도 4를 참조하면, 레이저 용접장치는 레이저 이송유닛(100), 레이저 조사유닛(200), 입력부(300) 및 제어부(400)를 포함할 수 있다.
레이저 이송유닛(100)은 레이저 조사유닛을 이송시킨다.
레이저 조사유닛(200)은 레이저광을 용접 대상물에 조사하고, 레이저광의 조사각도를 조절하는 액추에이터(270)의 회전각도를 조절하여 레이저광의 조사각도를 조절한다.
입력부(300)는 용접 대상물(W)에 조사되는 레이저광의 용접 궤적을 포함하는 용접 데이터를 입력받는다.
제어부(400)는 입력부를 통해 입력된 용접 데이터에 따라 레이저 조사유닛(200) 및 레이저 이송유닛(100)을 제어하여 레이저광을 용접 대상물에 조사하면서 용접 데이터의 용접 궤적을 따라 이동시킨다. 제어부(400)는 레이저광이 용접 궤적을 따라 이동하는 중에 레이저광의 용접 궤적이 소정의 곡률을 갖는 곡선 구간이면 레이저광이 용접 대상물에 조사되는 조사각도가 제한되도록 곡선 구간에 레이저광을 조사하는 동안 레이저 조사유닛(200)의 액추에이터(270)의 회전각도를 미리 설정된 각도범위 이내로 제한시킨다.
이하에서는 제어부(400)의 작동을 보다 구체적으로 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접장치의 용접 궤적과 이동 궤적을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 도 5의 용접 궤적과 이동 궤적에 대하여 XZ 평면에서 본 용접 궤적과 이동 궤적을 설명하기 위한 도면이며, 도 7은 도 5의 용접 궤적과 이동 궤적에 대하여 XY 평면에서 본 용접 궤적과 이동 궤적을 설명하기 위한 도면이며, 도 8은 도 5의 용접 궤적과 이동 궤적에 대하여 YZ 평면에서 본 용접 궤적과 이동 궤적을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 실선으로 표시된 WC는 레이저광이 조사되어 용접이 되어야 하는 용접선을 나타내는 용접 궤적을 나타내고, 일점 쇄선으로 표시된 MC는 용접 궤적(WC)에 대응하는 레이저 조사유닛(200)의 이동 궤적을 나타낸다.
또한, 점선으로 표시된 RL은 레이저 조사유닛(200)으로부터 용접 대상물(W)에 조사되는 레이저광의 조사선을 나타낸다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 용접 궤적(WC)에 대하여 법선 기준으로 생성된 레이저 조사유닛(200)의 이동 궤적(MC) 상에는 이점 쇄선 박스와 같이 가속 영역(AR)이 생긴다. 레이저 조사유닛(200)은 이 가속 영역(AR)에서 급격한 가속 모션을 발생한다. 이러한 가속 영역(AR)에서의 급격한 가속 모션은 레이저 용접시스템에 관성에 대한 영향이 유발한다. 즉, 가속 영역은 레이저광의 정밀한 조사 위치 제어를 방해하는 요인들로 작용한다.
따라서, 레이저 조사유닛(200)이 레이저광을 용접 궤적(WC) 상에 원하는 위치에 조사하더라도 원하는 위치에 조사되지 않고 다른 위치에 조사될 수 있다. 이러한 이유로 레이저광의 조사위치에 오차가 생길 수 있다.
이러한 오차를 줄이기 위해서 기존에는 고강성의 큰 기구를 이용하여 레이저 용접 시스템을 구축하거나 별도의 부가축을 이용하여 이 오차를 보상한다.
하지만, 이러한 기존의 레이저 용접 시스템은 고강성의 큰 기구를 가격적인 면이나 크기, 무게 면에서 큰 값들을 필요로 하기 때문에 용접 품질 유지와 장치 컴팩트를 동시에 만족시킬 수 없었다. 따라서, 최근에는 용접 품질을 유지하면서도 레이저 용접장치의 크기와 무게를 대폭 줄여 컴팩트하게 구축할 수 있는 레이저 용접장치를 구현할 필요가 있다.
도 9는 도 5의 용접 궤적에서 소정 곡률을 갖는 곡선 구간을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 용접 궤적(WC)는 직선 구간과 소정 곡률을 갖는 곡선 구간으로 이루어질 수 있다.
용접 궤적의 직선 구간에 대해서는 그에 대응하는 이동 궤적(MC) 상에 가속 모션이 급격히 발생하는 가속 영역(AR)이 발생하지 않지만, 곡선 구간에 대해서는 그에 대응하는 이동 궤적(MC) 상에 가속 모션이 급격히 발생하는 가속 영역(AR)이 발생한다.
본 발명의 일 실시예에서는 용접 궤적(WC)의 곡선 구간에 대응하는 이동 궤적(MC)을 레이저광의 조사각도를 조절하는 액추에이터의 회전각도와 각속도를 매개변수로 하여 용접 품질에 영향을 주지 않는 정도의 다른 이동 궤적으로 변경시킨다.
이때, 용접 품질에 영향을 주지 않는 정도의 다른 이동 궤적은, 용접 궤적 중 소정 곡률을 갖는 곡선 구간에서 레이저광의 조사각도를 조절하는 액추에이터의 회전범위를 좁히고 그 회전도 천천히 이루어지게 함으로써 얻는 궤적이다. 예를 들면, 액추에이터의 회전각도를 제한하고, 그 제한된 회전각도를 구현할 때 액추에이터의 각속도를 점진적 혹은 선형적으로 증감시킴으로써 얻는 궤적일 수 있다.
즉, 레이저 조사유닛(200)의 이동 궤적(MC)을 액추에이터의 회전각도가 과도하지 않게 하면서도 액추에이터의 회전이 급격하지 않은 이동 궤적으로 변경함으로써 용접 품질을 유지하면서도 레이저 용접장치의 크기와 무게를 대폭 줄여 컴팩트하게 구축할 수 있는 레이저 용접장치를 구현할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접장치에서 레이저광의 조사각도를 조절하는 액추에이터의 회전각도를 설명하기 위한 그래프이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접장치에서 레이저광의 조사각도를 조절하는 액추에이터의 회전각도 포화를 설명하기 위한 그래프이며, 도 12는 도 11의 액추에이터의 회전각도 포화에 따른 액추에이터의 각속도를 설명하기 위한 그래프이며, 도 13은 도 12의 액추에이터의 각속도 포화에 따른 액추에이터의 회전각도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 10 내지 도 13을 참조하면, 용접 궤적(WC)의 곡선 구간을 용접하는 경우, 액추에이터(270)의 회전각도가 -α1 내지 α1 범위에서 연속적으로 변화한다고 가정할 수 있다.
이러한 경우, Ta 시간동안 각각 0에서 α1까지, 이 α1에서 다시 0도까지, 0도에서 -α1까지, -α1에서 0도까지 회전각도가 변화한다.
이와 같이, 액추에이터(270)의 회전각도를 최대 허용각 αs 이내로 제한시키는 것을 회전각도 포화로 정의한다.
도 11은 회전각도 포화된 그래프를 나타낸다. 회전각도 포화된 그래프는 Tb 시간동안 회전각도가 최대 허용각 αs 까지 증가하고, Tc 시간동안 회전각도가 회전각도가 최대 허용각 αs 을 유지하며, 다음 Tb 시간동안 회전각도가 최대 허용각 αs에서 0도까지 감소한다.
회전각도 포화를 적용하면 액추에이터(270)의 회전각도를 미리 설정된 범위 내에서 제한시킬 수 있다. 이에 따라, 용접 궤적(WC)의 곡선 구간에서 급격한 가속 모션이 발생하는 가속 영역(AR)을 최소화할 수 있다.
도 12에 도시된 액추에이터(270)의 각속도에서 알 수 있듯이 액추에이터(270)의 회전각도를 제한하더라도 액추에이터(270)의 각속도(ω)가 급격히 상승하였다가 감소하기 때문에 액추에이터(270)의 회전이 급격히 이루짐으로 인해 가속 영역(AR)이 일정 부분 생길 수 있다.
따라서, 도 13에 도시된 바와 같이, 액추에이터(270)의 회전각도를 0도에서 최대허용각도 αs 까지 증가시킬 경우, Td 시간구간동안에는 각속도를 ω1까지 증가시키고, Te 시간구간동안에는 증가된 각속도 ω1를 유지시키며, Tf 시간구간동안에는 증가된 각속도를 ω1에서 0으로 감소시키며, Tg 시간구간동안에는 각속도를 0으로 유지시키며, Ti 시간구간동안에는 각속도를 0에서 -ω1까지 증가시키며, Tj 시간구간동안에는 각속도를 증가된 각속도 -ω1로 유지시킨다. 이후 이러한 방식으로 각각의 세분화된 시간구간동안 각속도를 가감시킨다.
예를 들면, Td, Tf, Ti 시간구간동안의 각속도 제어에 의해 상대적으로 각 시간구간에서의 회전각도가 천천히 변화한다. 이러한 회전각속도가 속도증가구간과 속도감소구간을 가지고 변경되는 것을 각속도 포화라 정의한다.
이 각속도 포화를 적용하면 Td, Te, Tf, Ti 시간구간 등과 같이 회전각도의 변곡점이 곡선으로 이루어지도록 할 수 있다. 즉, 회전각도가 변곡되는 구간에서 회전각도를 상대적으로 천천히 변화시킬 수 있다. 이에 따라, 용접 궤적(WC)의 곡선 구간에서 급격한 가속 모션이 발생하는 가속 영역(AR)를 더욱 최소화할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접장치에서 액추에이터의 회전각도 포화와 각속도 포화를 적용 전후의 회전각도 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 14를 참조하면, 액추에이터(270)의 회전각도 포화와 각속도 포화를 적용하기 전에는 회전각도가 상대적으로 높은 각도까지 변화하고 회전각도 변화도 급격히 이루어지지만, 회전각도 포화와 각속도 포화를 적용한 후에는 회전각도 변화가 상대적으로 낮은 각도 범위로 제한되고 회전각도 변화도 상대적으로 천천히 이루어짐을 알 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접장치에서 레이저광의 조사각도를 조절하는 액추에이터의 회전각도 포화와 각속도 포화를 적용 전후의 회전각도 변화와 그에 따른 이동 궤적 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 15를 참조하면, 붉은 색을 용접 궤적을 나타내고, 분홍 색은 이동 궤적을 나타내며, 검은색의 점선은 레이저 조사선을 나타낸다.
용접 궤적의 곡선 구간에 대하여 액추에이터(270)의 회전각도 포화와 각속도 포화를 적용함으로써 용접 궤적의 곡선 구간에 대응하는 이동 궤적을 용접 품질에 영향을 주지 않는 정도의 이동 궤적으로 변경할 수 있다. 변경된 이동 궤적에서 가속 모션이 급격히 일어나는 가속 영역이 사라진 것을 확인할 수 있다.
이에 따라, 용접 품질을 유지하면서도 레이저 용접 장치의 크기와 무게를 대폭 줄여 컴팩트하게 구축할 수 있다.
도 16은 도 15의 액추에이터를 Y축 회전시킬 때 액추에이터의 회전각도 포화와 각속도 포화를 적용 전후의 회전각도 변화를 설명하기 위한 그래프이고, 도 17은 도 15의 액추에이터를 Z축 회전시킬 때 액추에이터의 회전각도 포화와 각속도 포화를 적용 전후의 회전각도 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 16을 참조하면, 파란 색은 Y축 회전각도(ry)를 나타내고, 검은 색은 변경된 회전각도(ry)를 나타낸다. 붉은 색은 Y축 회전각도(ry)의 에러를 나타낸다. Y축 회전각도의 변화가 제한되고 각도 변화가 상대적으로 천천히 이루어짐을 알 수 있다.
도 17을 참조하면, 파란 색은 Z축 회전각도(rz)를 나타내고, 검은 색은 변경된 회전각도(rz)를 나타낸다. 붉은 색은 Z축 회전각도(rz)의 에러를 나타낸다. Y축 회전각도의 변화가 제한되고 각도 변화가 상대적으로 천천히 이루어짐을 알 수 있다.
이상과 같이, 용접 궤적의 곡선 구간에 대하여 액추에이터(270)의 회전각도 포화와 각속도 포화를 적용함으로써 결과적으로 용접 궤적의 곡선 구간에 대응하는 이동 궤적을 용접 품질에 영향을 주지 않으며 가속 모션이 급격히 일어나는 가속 영역이 최소화된 이동 궤적으로 변경할 수 있다. 따라서, 레이저광을 변경된 이동 궤적을 따라 조사하여 용접을 수행함으로써 용접 품질을 유지하면서도 레이저 용접 장치의 크기와 무게를 대폭 줄여 컴팩트하게 구축할 수 있다.
100 : 레이저 이송유닛 200 : 레이저 조사유닛
270 : 제1 미러 액추에이터 300 : 입력부
400 : 제어부

Claims (6)

  1. 레이저광이 용접 대상물에 조사되는 용접 궤적을 포함하는 용접 데이터를 입력받고,
    상기 입력된 용접 데이터에 따라 상기 용접 대상물에 레이저광을 조사하면서 상기 레이저광을 상기 용접 궤적을 따라 이동시키고,
    상기 레이저광의 용접 궤적이 곡률을 갖는 곡선 구간인지를 판단하고,
    상기 레이저광의 용접 궤적이 상기 곡선 구간이면, 상기 곡선 구간에 상기 레이저광을 조사하는 동안 상기 레이저광의 조사각도를 조절하는 액추에이터의 회전각도를 미리 설정된 각도범위 이내로 제한시키는 레이저 용접방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액추에이터의 회전각도를 제한시키는 것은, 상기 액추에이터의 회전각도의 변곡점이 곡선으로 이루어지도록 상기 액추에이터의 각속도를 점진적으로 증감시키는 레이저 용접방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 액추에이터의 각속도를 점진적으로 증감시키는 것은,
    상기 액추에이터의 각속도를 증가시킬 때 상기 각속도가 증가하는 가속구간을 가지면서 상기 각속도가 증가되도록 제어하고, 상기 액추에이터의 각속도를 감소시킬 때 상기 각속도가 감소하는 감속구간을 가지면서 상기 각속도가 감소되도록 제어하는 레이저 용접방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 액추에이터의 회전각도를 제한시키는 것은, 상기 액추에이터를 회전시킬 때 상기 액추에이터를 Z축 회전(rz) 및 Y축 회전(ry) 중 어느 하나로 회전시키는 레이저 용접방법.
  5. 용접 대상물에 조사되는 레이저광의 용접 궤적을 포함하는 용접 데이터를 입력받는 입력부;
    상기 레이저광을 상기 용접 대상물에 조사하고, 상기 레이저광의 조사각도를 조절하는 액추에이터의 회전각도를 조절하여 상기 레이저광의 조사각도를 조절하는 레이저 조사유닛;
    상기 레이저 조사유닛을 상기 용접 대상물을 따라 이송시키는 레이저 이송유닛; 및
    상기 입력부를 통해 입력된 용접 데이터에 따라 상기 레이저 조사유닛 및 레이저 이송유닛을 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 레이저광을 상기 용접 대상물에 조사하면서 상기 용접 데이터의 용접 궤적을 따라 이동시키고, 상기 레이저광이 상기 용접 궤적을 따라 이동하는 중에 상기 레이저광의 용접 궤적이 소정의 곡률을 갖는 곡선 구간이면 상기 곡선 구간에 상기 레이저광을 조사하는 동안 상기 레이저 조사유닛의 액추에이터의 회전각도를 미리 설정된 각도범위 이내로 제한시키는 레이저 용접장치.
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