KR102591186B1 - 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 - Google Patents

Abstract

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 로봇을 제공한다.
상기 용접 로봇은 중공의 원기둥 형태를 가지는 한 쌍의 모재의 이음 부분의 용접선에 위빙비드가 형성되도록 용접을 수행하는 용접 로봇에 있어서, 한 쌍의 모재의 외주연을 따라 형성되는 회전궤도를 레일에 장착되어 이동하는 캐리지; 상기 캐리지에 배치되며 모재에 용접을 수행하는 용접팁; 상기 용접팁을 가동시키는 제1액추에이터를 포함하고, 상기 제1액추에이터는 상기 용접팁을 상기 한 쌍의 모재의 중심축과 나란한 x축을 기준으로 왕복 이동시켜 위빙비드의 두께를 형성하고, 상기 제1액추에이터는 10mm 이상 20mm 이하의 위빙비드의 두께에서 2Hz 이상 15Hz 이하로 상기 용접팁을 가동시키는 것을 특징으로 한다.

Description

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{WELDING ROBOT THAT CAN PERFORM PRECISE WELDING BY CORRECTING DISTANCE FROM WELDING LINE ACCORDING TO DIFFERENCE IN GRADIENT OF JOINT OF PAIR OF STEEL PIPES BY PERFORMING WEAVING OPERATION AT APPROPRIATE HERTZ TO PREVENT THERMAL DEFORMATION WHILE FORMING CORRECT WELDING BEAD}

본 발명은 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 로봇에 관한 것이다.

용접은 금속의 야금적 접합법을 총칭하는 용어로서, 같은 종류 또는 다른 종류의 금속재료에 열과 압력을 가하여 고체 사이에 직접 결합이 되도록 접합시키는 방법을 의미한다.

스마트팩토리는 제품을 제작과 포장하고 기계를 점검하는 전 과정이 자동으로 이뤄지는 공장으로서, 전통적인 인적리소스 기반으로 공정이 진행되는 공장에 로봇기술과 정보통신기술(ICT)을 융합하여 이뤄지는 차세대 4차산업력명의 핵심으로 꼽힌다.

그러나 용접분야에서 스마트팩토리의 구현을 위해서는 용접로봇의 암이 숙련된 용접공의 손동작을 정확하게 묘사해야 가능하기 때문에, 이를 위해 많은 연구개발이 이뤄지고 있는 실정이다.

즉, 용접 작업에서 용착 부분에 생기는 띠모양의 볼록하게 된 형상을 용접비드라고 하는데, 특히, 균일한 용접과 관련된 위빙비드는 용접기술자의 운봉에 의해 용접팁을 용접선의 한 곳에 집중하지 않고 좌우로 이동하면서 용접선을 지그재그식(용접 로봇에서는 왕복운동으로 구현)으로 일정한 속도와 각도로 지나가야 형성될 수 있다.

이를 용접로봇으로 구현함에 있어서, 용접로봇의 왕복 진동수(Hz)가 너무 느리면 열변형이 과하게 발생하며 용접물이 흘러내려 바른 용접비드가 형성되지 못하는 문제가 있고, 진동수(Hz)가 너무 빠르면 용접이 제대로 수행되지 않아 반복동작으로 전체 공정이 느려지는 문제가 있다.

나아가 한 쌍의 모재의 이음 부위를 용접함에 있어서, 동일한 스펙으로 제작된 모재라고 하더라도 한 쌍의 모재가 완전하게 합치하지 않아 이음 부위에 구배가 생기는데, 이를 반영하지 않으면 용접팁과 모재의 적정거리가 형성되지 않고 용접이 진행되어 용접 품질이 나빠질 수 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 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 로봇을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 용접 로봇은 중공의 원기둥 형태를 가지는 한 쌍의 모재의 이음 부분의 용접선에 위빙비드가 형성되도록 용접을 수행하는 용접 로봇에 있어서, 한 쌍의 모재의 외주연을 따라 형성되는 회전궤도를 레일에 장착되어 이동하는 캐리지; 상기 캐리지에 배치되며 모재에 용접을 수행하는 용접팁; 상기 용접팁을 가동시키는 제1액추에이터를 포함하고, 상기 제1액추에이터는 상기 용접팁을 상기 한 쌍의 모재의 중심축과 나란한 x축을 기준으로 왕복 이동시켜 위빙비드의 두께를 형성하고, 상기 제1액추에이터는 10mm 이상 20mm 이하의 위빙비드의 두께에서 2Hz 이상 15Hz 이하로 상기 용접팁을 가동시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 용접팁을 가동시키는 제2액추에이터를 더 포함하고, 상기 제2액추에이터는 상기 용접팁을 x축과 수직하고 상기 용접팁의 직립 상태에서 상기 용접팁의 중심축과 일치하는 z축을 기준으로 직선 이동시켜 상기 용접팁의 중심축을 기준으로 상기 용접팁과 상기 한 쌍의 모재의 용접선 사이의 거리를 결정하는 것을 특징으로 할 수 있다.

한 쌍의 모재의 용접선을 센싱하여 용접선의 위치에 대한 데이터와 한 쌍의 모재 간의 구배 차이에 대한 데이터를 생성하는 센서를 더 포함하고, 상기 제2액추에이터는 상기 용접팁이 상기 용접팁의 중심축을 기준으로 상기 용접팁과 상기 한 쌍의 모재의 용접선 간의 거리에서 상기 한 쌍의 모재 간의 구배 차이만큼 보정한 거리가 기설정된 거리가 되도록 상기 용접팁을 가동하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 용접팁을 x축을 기준으로 왕복 틸팅시키는 제3액추에이터와, 상기 용접팁을 x축을 기준으로 일정 각도로 회동시켜 상기 용접팁의 자세를 결정하는 제4액추제이터를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 제1액추에이터는 상기 제3액추에이터와 연동되어 작동하고, 상기 제2액추에이터는 상기 제3액추에이터와 상기 제4액추에이터와 연동되어 작동하고, 상기 제4액추에이터는 상기 용접팁이 회전궤도에 위치하는 영역에 대응하여 작동하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 용접 로봇은 레일에 의해 용접선의 회전궤적을 따라 이동하는 캐리지에 견인되어 용접을 진행하됨에 있어서, 10mm 이상 20mm 이하의 위빙비드의 두께에서 2Hz 이상 15Hz 이하로 상기 용접팁의 위빙가동을 수행하므로 바른 용접비드가 형성되는 동시에 열변형이 발생하지 않으며 빠르게 공정을 진행할 수 있는 장점이 있다.

나아가 본 발명의 용접 로봇에 의하면 용접팁과 모재 사이의 거리가 상기 한 쌍의 모재 간의 구배 차이를 반영하여 보정한 거리가 기설정된 거리가 되도록 설정함으로써, 적정 거리를 유지하며 용접이 진행되어 용접 품질이 향상될 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 용접 로봇을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 용접 로봇이 한 쌍의 모재에 배치된 것을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 용접 로봇이 제2액추에이터에 의해 모재와 균일한 거리를 유지하며, 제1액추에이터와 제3액추에이터에 의해 위빙 동작을 수행하는 것을 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 용접 로봇이 제2액추에이터에 의해 모재와 균일한 거리를 유지하며, 제4액추에이터에 의해 자세가 제어되는 것을 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명의 용접 로봇에서 제2액추에이터가 한 쌍의 모재의 구배의 외곽선에 따라 보정하여 구동하는 것을 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 변형례의 용접 로봇에서 제2액추에이터가 한 쌍의 모재의 구배 차이에 따라 보정하여 구동하는 것을 나타낸 개념도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 용접 로봇(100)과 용접 로봇을 설명한다. 도 1은 본 발명의 용접 로봇을 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 용접 로봇이 모재에 배치된 것을 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명의 용접 로봇이 제2액추에이터에 의해 모재와 균일한 거리를 유지하며, 제1액추에이터와 제3액추에이터에 의해 위빙 동작을 수행하는 것을 나타낸 개념도이고, 도 4는 본 발명의 용접 로봇이 제2액추에이터에 의해 모재와 균일한 거리를 유지하며, 제4액추에이터에 의해 자세가 제어되는 것을 나타낸 개념도이고, 도 5는 본 발명의 용접 로봇에서 제2액추에이터가 한 쌍의 모재의 구배의 외곽선에 따라 보정하여 구동하는 것을 나타낸 개념도이고, 도 6은 본 발명의 변형례의 용접 로봇에서 제2액추에이터가 한 쌍의 모재의 구배 차이에 따라 보정하여 구동하는 것을 나타낸 개념도이다.

본 발명의 용접 로봇(100)은 중공의 원기둥 형태를 가지는 한 쌍의 모재의 용접선(일 예로, 한 쌍의 모재가 접촉하는 이음 부분, 관의 이음 부분)에 위빙비드가 형성되도록 용접을 수행(일 예로, 상호 이웃하여 나란히 누어있는 한 쌍의 강관의 이음 부위에 위빙비드가 형성되도록 용접을 수행)할 수 있다. 본 발명의 용접 로봇(100)이 수행하는 용접 방식으로는 불활성가스 종류의 플라즈마 용접이나 티그 용접이 이용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 용접 로봇(100)은 캐리지(10)와 센서(미도시)와 용접팁(20)과 액추에이터(30)와 전자 제어 유닛(미도시)을 포함할 수 있다.

캐리지(10)는 본 발명의 용접 로봇(100)을 한 쌍의 모재의 이음 부분의 외주연을 따라 형성되는 회전궤도를 레일(R)에 장착되어 이동하는 구성요소일 수 있다. 이러한 기능에 따라, 캐리지(10)는 "대차" 등으로 호칭될 수도 있다. 즉, 캐리지(10)는 본 발명의 용접 로봇(100)을 한 쌍의 모재의 이음 부분의 외주연을 따라 회전하여 이동하도록 하는 이송수단일 수 있다.

센서(미도시)는 한 쌍의 모재의 용접선을 센싱하여 용접선의 위치에 대한 데이터를 생성할 수 있다. 또한, 센서(미도시)는 한 쌍의 모재의 용접선을 센싱하여 한 쌍의 모재의 용접선 내에서 한 쌍의 모재 간의 구배 부분의 외곽선에 대한 데이터를 생성할 수 있으며, 나아가 한 쌍의 모재 간의 구배 차이에 대한 데이터를 생성할 수 있다. 일 예로, 센서는 비전 센서로서 한 쌍의 모재에 형성된 용접선에 대한 이미지를 처리하여 용접선의 위치에 대한 데이터를 생성할 수 있고, 한 쌍의 모재에 형성된 용접선 인근에서 한 쌍의 모재 각각의 외주면의 위치 좌표를 추적하여 한 쌍의 모재 간의 구배 차이에 대한 데이터를 생성할 수 있지만, 본 발명의 용접 로봇(100)에서 센서의 종류가 비전 센서에 한정되는 것은 아니다. 센서에서 생성된 용접선의 위치 데이터와 한 쌍의 모재 간의 구배 차이에 대한 데이터는 전자 제어 유닛(미도시)으로 송신될 수 있으며, 전자 제어 유닛은 이를 바탕으로 액추에이터(30)를 제어하여 본 발명의 용접 로봇(100)이 용접을 수행하도록 할 수 있다. 센서(미도시)는 캐리지(10)에 배치될 수 있으며, 용접팁(20) 또는 액추에이터(30)에 장착되거나 이웃하여 배치될 수 있다.

용접팁(20)은 캐리지(10)에 배치되어 용접을 수행하는 구성 요소일 수 있다. 용접팁(20)은 캐리지(10)에 실려 모재의 외주연을 따라 형성되는 회전궤도를 이동하며 용접을 수행할 수 있으며, 이와 동시에 액추에이터(30)에 의해 가동하여 숙련공의 정교한 운봉이 모사될 수 있다.

액추에이터(30)는 전자 제어 유닛(미도시)에 의해 제어되어 용접팁(20)을 가동시키는 구동력을 제공하는 구성 요소일 수 있다. 이를 위해, 액추에이터(30)는 제1액추에이터(31)와 제2액추에이터(32)와 제3액추에이터(33)와 제4액추에이터(34)를 포함할 수 있다.

제1액추에이터(31)는 용접팁(20)을 직선 이동시킬 수 있으며, 제2액추에이터(32)는 용접팁(20)을 제2액추에이터(31)에 의한 이동 방향과 수직한 방향으로 직선 이동시킬 수 있다. 제1액추에이터(31)는 용접팁(20)을 모재의 중심축과 나란한 x축을 기준으로 직선이동시킬 수 있고, 제2액추에이터(32)는 용접팁(20)을 x축과 수직하고 용접팁(20)의 직립 상태에서 용접팁(20)의 중심축과 일치하는 z축을 기준으로 직선 이동시킬 수 있다. 한편, 본 발명의 용접 로봇(100)에서는 z축이 본 발명의 용접 로봇(100)이 회전궤도를 이동함에 따라 함께 이동하는 "이동 좌표계"를 형성한다.

이 경우, 제1액추에이터(31)는 용접팁(20)을 x축을 기준으로 일정 영역에서 왕복 이동시켜 위빙비드의 두께를 형성할 수 있고, 제2액추에이터(32)는 용접팁(20)을 z축을 기준으로 이동시켜 용접팁(20)의 중심축을 기준으로 용접팁(20)과 한 쌍의 모재의 사이의 거리를 결정할 수 있다.

즉, 본 발명의 용접 로봇(100)이 캐리지(10)에 의해 회전궤도를 따라 이동하는 경우 제1액추에이터(31)는 모재의 중심축과 나란하게 왕복 이동하여 마치 숙련공이 용접선을 좌우로 넘나들도록 지그재그로 위빙을 진행하며 회전궤적을 따라 용접을 진행하는 것과 같은 운봉을 수행할 수 있다. 또한, 제2액추에이터(32)는 용접팁(20)과 한 쌍의 모재의 사이의 거리를 조절할 수 있으며, 용접팁(20)이 틸팅(제3액추에이터)되거나 직립 상태에서 기울어진 자세(제4액추에이터; 용접선의 중심축이 z축에 대해서 일정 각도로 기울어진 자세)에서 용접팁(20)과 모재의 간격을 적정 용접 간격이 되도록 일정하게 유지시켜 용접 품질을 향상시킬 수 있다.

또한, 제3액추에이터(33)는 용접팁(20)을 x축을 기준으로 왕복 틸팅시킬 수 있으며, 제4액추에이터(34)는 용접팁(20)을 x축을 기준으로(x축을 회전축으로) 일정 각도로 회동시켜 용접팁(20)의 자세를 결정할 수 있다.

이 경우, 제3액추에이터(33)는 용접팁(20)을 x축을 기준으로 왕복 틸팅(왕복 진자 운동)시켜 용접팁(20)이 제1액추에이터(31)에 의해 일측 방향과 타측 방향으로 왕복 이동 시 반대 방향으로 틸팅시킬 수 있고, 제4액추에이터(34)는 회전궤도에서 본 발명의 용접 로봇(100)의 위치에 따라 용접팁(20)이 z축을 기준으로 일정 각도를 가지도록 기울여, 비드가 흐르는 것을 방지하여 균등한 위빙비드를 형성시킬 수 있다. 한편, 제3액추에이터(33)와 제4액추에이터(34)이 용접팁(20)을 틸팅시키거나 자세를 제어하는 자세한 설명은 후술하도록 한다.

전자 제어 유닛(미도시)은 센서(미도시)로부터 용접선의 위치에 대한 신호를 수신받아, 캐리지(10)와 용접팁(20)과 액추에이터(30)를 전자적으로 제어하여, 본 발명의 용접 로봇(100)을 용접선에 맞추어 얼라인시킨 다음 숙련된 용접공의 위빙 운봉을 모사하여 용접을 수행하도록 하는 기능을 수행할 수 있다.

한편, 본 발명의 용접 로봇(100)은 캐리지(10)에 의해 회전궤적을 따라 이동하면서 제1액추에이터(31)와 제2액추에이터(32)와 제3액추에이터(33)와 제4액추에이터(34)가 상호 연동되어 작동함으로써 용접공의 위빙 운봉을 정교하게 모사할 수 있다. 이 경우, 제1액추에이터(31)는 제3액추에이터(33)와 연동되어 작동할 수 있다. 즉, 용접팁(20)이 제1액추에이터(31)에 따라 왕복 이동을 하는 경우 제3액추에이터(33)는 제1액추에이터(31)와 연동되어 왕복 이동 방향에 따라 틸팅 방향이 연동됨으로써 용접 비드가 흘러내리는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제2액추에이터(32)는 제3액추에이터(33)와 제4액추에이터(34)와 연동되어 작동할 수 있다. 즉, 용접팁(20)이 제3액추에이터(33)와 제4액추에이터(34)에 의해 틸팅되거나 z축을 기준으로 용접팁(20)의 기준축이 특정 각도로 기울어지도록 자세가 제어되는 경우 이에 따라 발생하는 용접팁(20)과 모재 사이의 거리를 보상하기 위해 용접팁(20)은 제2액추에이터(32)에 의해 z축을 따라 이동하여 한 쌍의 모재의 용접선과의 적정 거리를 유지할 수 있다. 나아가 제4액추에이터(34)는 용접팁(20)이 회전궤도에 위치하는 영역에 대응하여 작동할 수 있다. 즉, 제4액추에이터(34)는 용접팁(20)의 회전궤도에서의 위치에 따라 용접팁(20)의 자세를 제어하여 용접 비드가 흘러내리는 것을 방지할 수 있다.

이하, 본 발명의 용접 로봇의 제어(100)를 설명한다. 전자 제어 유닛(미도시)이 센서(미도시)가 센싱한 용접선의 위치에 대한 데이터와 한 쌍의 모재 간의 구배 차이에 대한 데이터를 를 수신하는 단계 는 센서가 한 쌍의 모재의 이음부위에 형성된 용접선을 센싱하여 이의 위치 데이터를 전자 제어 유닛에 송신함으로써 전자 제어 유닛이 용접선의 절대적인 위치에 대한 좌표값을 획득하거나 용접 로봇(100)을 기준으로 용접선의 상대적인 위치에 대한 좌표값을 획득하는 단계일 수 있다.

전자 제어 유닛이 용접선의 위치에 대한 데이터와 한 쌍의 모재의 용접선 내에서 한 쌍의 모재 간의 구배 부분의 외곽선에 대한 데이터에 따라 용접 로봇(100)의 용접팁(20)의 위치와 자세를 제어하는 단계 는 전자 제어 유닛이 용접선의 위치를 파악한 다음 용접 로봇(100)이 올바른 시작 위치에서 정자세를 가지도록 제어하는 단계일 수 있다(초기 얼라인 단계). 이 경우, 전자 제어 유닛은 제1액추에이터(31)를 제어하여 용접 로봇(100)의 용접팁(20)이 x축을 기준으로 한 쌍의 모재의 용접선의 시작점과 동일한 위치를 가지도록 할 수 있고, 제2액추에이터(32)를 제어하여 용접팁(20)의 중심축의 연장선이 한 쌍의 모재 간의 구배 부분의 외곽선과 만나는 지점과 용접팁(20) 간의 거리가 기설정된 거리(적정 거리, 설계조건에 따라 기설정된 용접팁과 모재 간의 거리)가 되도록 할 수 있다. 또한, 전자 제어 유닛은 제3액추에이터(33)와 제4액추에이터(34)를 제어하여 용접 로봇(100)의 용접팁(20)이 용접 로봇(100)의 용접팁(20)의 중심축을 기준으로 직립 상태(정자세)를 가지도록 할 수 있다.

상세하게, 전자 제어 유닛은 제1액추에이터(31)와 제3액추에이터(33)와 제4액추에이터(34)를 제어하여 용접팁(20)을 한 쌍의 모재의 용접선의 시작점에서 직립된 상태를 유지하게 한 다음, 센서(미도시)로부터 한 쌍의 모재의 용접선 내에서 한 쌍의 모재 간의 구배 부분의 외곽선을 센싱한 데이터로 용접팁(20)과 현재 위치에서의 용접팁(20)의 중심축의 연장선이 한 쌍의 모재 간의 구배 부분의 외곽선과 만나는 지점과 용접팁(20) 간의 거리가 기설정된 거리(적정 거리, 설계조건에 따라 기설정된 용접팁과 모재 간의 거리)가 되도록 제2액추에이터(32)를 제어할 수 있다.

이와 달리, 본 발명의 용접 로봇(1000)의 변형례(도 6 참조, 용접선이 한쪽 모재에만 표시된 경우)에서는 전자 제어 유닛이 제2액추에이터(32)를 제어하여 용접팁(20)이 용접팁(20)과 한 쌍의 모재의 용접선 간의 거리에서 한 쌍의 모재 간의 구배 차이를 반영하여 보정한 거리가 기설정된 거리(적정 거리, 설계조건에 따라 기설정된 용접팁과 모재 간의 거리)가 되도록 용접팁(20)을 가동시킬 수 있다.

이 경우, 용접팁(20)과 한 쌍의 모재의 용접선 간의 거리는 용접팁(20)과 한 쌍의 모재가 접촉하는 부분 중 가장 가까운 거리일 수 있으며, 한 쌍의 모재 간의 구배 차이는 한 쌍의 모재 중 하나가 용접선에서 경방향 최외측으로 이탈한 부분의 차이일 수 있다. 한편, 용접팁(20)과 한 쌍의 모재의 용접선 간의 거리에서 한 쌍의 모재 간의 구배 차이를 반영하여 보정한 거리는 용접선과 X축으로 동일한 위상을 가지는 좌표 상에서 용접팁(20)과 한 쌍의 모재가 접촉하는 부분과 접촉하지 않는 부분을 포함하여 가장 가까운 거리일 수 있으며, 이와 달리, 용접선과 X축으로 동일한 위상을 가지는 좌표 상에서 용접팁(20)과 한 쌍의 모재가 접촉하는 부분 중 가장 가까운 거리와 접촉하지 않는 부분 중 가장 가까운 거리를 합하여 1/2한 거리를 의미할 수도 있다.

전자 제어 유닛이 용접 로봇(100)을 제어하여 용접 로봇(100)이 모재의 외주연을 따라 형성된 회전궤도를 이동하며 용접을 수행하는 단계 는 전자 제어 유닛이 캐리지(10)를 제어하여 용접 로봇(100)이 모재의 회전궤도를 따라 이동하도록 하는 동시에 용접팁(20)과 액추에이터(30)를 제어하여 용접공의 운봉을 정밀하게 모사하여 용접이 수행되는 단계일 수 있다.

상술한 바와 같이, 제1액추에이터(10)는 전자 제어 유닛에 의해 용접 로봇(100)의 용접팁(20)을 x축을 기준으로 직선 이동시킬 수 있고, 제2액추에이터(32)는 전자 제어 유닛에 의해 용접 로봇(100)의 용접팁(20)을 z축을 기준으로 직선 이동시킬 수 있고, 제3액추에이터(33)는 전자 제어 유닛에 의해 용접 로봇(100)의 용접팁(20)을 x축을 기준으로 틸팅 시킬 수 있고, 제4액추에이터(34)는 전자 제어 유닛에 의해 용접 로봇(100)의 용접팁(20)을 x축을 기준으로 일정 각도로 회동시켜 용접 로봇(100)의 용접팁(20)의 자세를 결정할 수 있다.

이 경우, 전자 제어 유닛은 제1액추에이터(31)를 제어하여 용접 로봇(100)의 용접팁(20)이 왕복 이동하며 용접을 수행하도록 할 수 있고, 제2액추에이터(32)를 제어하여 용접팁(20)과 현재 위치에서의 용접팁(20)의 중심축의 연장선이 한 쌍의 모재 간의 구배 부분의 외곽선과 만나는 지점 간의 거리가 기설정된 거리를 유지하며 용접을 수행하도록 할 수 있고, 제3액추에이터(33)를 제어하여 용접 로봇(100)의 용접팁(20)이 왕복 틸팅(진자 운동)하며 용접을 수행하도록 할 수 있고, 제4액추에이터(34)를 제어하여 용접 로봇(100)의 용접팁(20)이 z축에 대해서 일측 또는 타측으로 경사지거나 직립 상태의 자세로 용접을 수행하도록 할 수 있다.

또한, 제1액추에이터(31)는 10mm 이상 20mm 이하의 위빙비드의 두께에서 2Hz 이상 15Hz 이하로 상기 용접팁을 가동시킴으로써, 왕복 진동수(Hz)가 너무 느리면 열변형이 과하게 발생하며 용접물이 흘러내려 바른 용접비드가 형성되지 못하는 문제가 있고, 진동수(Hz)가 너무 빠르면 용접이 제대로 수행되지 않아 반복동작으로 전체 공정이 느려지는 문제를 해결할 수 있다.

전자 제어 유닛은 제3액추에이터(33)를 제어하여, 용접 로봇(100)의 용접팁(20)이 x축을 기준으로 일측으로 직선 이동 시 타측으로 경사지도록 틸팅되며 x축을 기준으로 타측으로 직선 이동 시 일측으로 경사지도록 틸팅되며 용접을 수행하도록 할 수 있다. 즉, 전자 제어 유닛은 제3액추에이터(33)를 제어하여 용접 로봇(100)의 용접팁(20)이 x축 이동 방향과 반대 방향으로 틸팅되도록 하여 왕복 이동 시의 용접 로봇(100)의 용접팁(20)의 위치에 따라 한 쌍의 모재의 용접선에 열사각지대가 발생하는 것을 방지하여 열적으로 균일한 용접을 수행함으로써 균등한 용착부위를 형성할 수 있다.

또한, 전자 제어 유닛은 제4액추에이터(34)를 제어하여 용접 로봇(100)의 용접팁(20)이 회전궤도(캐리지에 의해 회전운동하는 궤도)의 제1영역에 있을 때 용접 로봇(100)의 용접팁(20)이 z축에 대해서 회전 방향으로 경사지며, 회전궤도의 제2영역에 있을 때 용접 로봇(100)의 용접팁(20)이 z축에 대해서 직립하며, 회전궤도의 제3영역에 있을 때 용접 로봇(100)의 용접팁(20)이 z축에 대해서 회전 방향과 반대 방향으로 경사지도록 자세가 결정되어 용접을 수행하도록 할 수 있으며, 이에 따라, 회전궤도 상에서 용접 로봇(100)의 용접팁(20)의 회전궤도 상의 위치에 따라 용접 비드가 흘러내리는 것을 방지하며 용접을 수행하도록 할 수 있다. 이 경우, 용접 로못(100)의 용접팁(20)은 시계열적으로 회전궤도 상의 제1영역과 제2영역과 제3영역을 순차적으로 이동할 수 있다. 바람직하게, 제1영역은 회전궤도 상에서 회전각이 0도에서 120도 사이의 영역일 수 있고 제2영역은 회전궤도 상에서 회전각이 120도에서 240도 사이의 영역일 수 있고 제3영역은 회전궤도 상에서 회전각이 240도에서 360도 사이의 영역일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 용접 로봇(100)의 용접팁(20)은 제1영역에서 z축을 기준으로 용접 로봇(100)의 용접팁(20)의 중심축이 30도 회전 방향으로 기울어지도록 자세가 제어될 수 있고, 제2영역에서 z축을 기준으로 용접 로봇(100)의 용접팁(20)의 중심축이 직립된 상태로 일치하도록 자세가 제어될 수 있고, 제3영역에서 z축을 기준으로 용접 로봇(100)의 용접팁(20)의 중심축이 30도 회전 방향과 반대 방향으로 기울어지도록 자세가 제어될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

나아가 본 발명의 용접 로봇의 제어방법(200)에서는 제3액추에이터(33)의 틸팅과 제4액추에이터(34)의 자세 제어에 의해, 용접 로봇(100)의 용접팁(20)과 모재 사이의 간격이 적정 용접 거리를 벗어나는 것을 보상하기 위해, 전자 제어 유닛은 제2액추에이터(32)를 제어하여, 용접 로봇(100)의 용접팁(20)이 제3액추에이터(33)에 의해 틸팅되고 제4액추에이터(34)에 의해 자세가 제어되는 상황에서, 용접 로봇(100)의 용접팁(20)의 중심축을 기준으로 용접 로봇(100)의 용접팁(20)과 모재가 기설정된 거리를 유지하며 용접을 수행하도록 할 수 있다.

본 발명의 용접 로봇(100)의 다른 변형례(미도시)에서는 캐리지(10)에 캐리지(10) 인근을 촬상하여 적외선 열적 영상을 생성하는 적외선 모듈(미도시)과 캐리지(10) 인근을 촬상하여 가시광선 영상을 생성하는 카메라 모듈(미도시)이 배치될 수 있다. 또한, 전자 제어 유닛은 적외선 모듈로부터 적외선 열적 영상을 수신하고 카메라 모듈로부터 가시광선 영상을 수신할 수 있다.

전자 제어 유닛의 데이터베이스에는 사람의 열적 영상 온도범위가 기록되어 있으며 적외선 열적 영상에서 데이터베이스의 열적 영상 온도범위와 매칭되는 온도범위가 존재하는지 판단하여 사람의 존재 여부를 판단할 수 있다. 또한, 전자 제어 유닛의 데이터베이스에는 사람의 윤곽선(프로파일) 데이터가 기록되어 있으며 가시광선 영상을 분석하여 가시광선 영상에서 사람을 트랙킹하여 사람의 수를 추출하고 단위 시간에서 가시광선 영상에서 각각의 사람의 이동거리에 따라 이동 속도를 판단할 수 있다.

전자 제어 유닛은 용접 로봇(100)의 작동이 시작되면 적외선 모듈을 온시키고 카메라 모듈을 오프시킬 수 있으며, 적외선 열적 영상에서 사람이 존재한다는 것을 판단한 경우 카메라 모듈을 온시킬 수 있다.

그 다음, 전자 제어 유닛은 가시광선 영상에서 사람을 트랙킹하여 1) 사람의 수가 3인 이하이고 특정 시간동안 모든 사람(1 이상 3 이하의 사람) 각각의 속도의 평균값의 평균값이 특정값 미만인 경우 용접 로봇(100)의 작동을 중지시킬 수 있으며(이 경우, 작업검사자가 용접 로봇이 정상적으로 작동하는지 검사하러 왔을 확률이 높기 때문에 일단 작업을 정지하고 검사가 끝난 다음 다시 작동하게 하기 위함), 2) 사람의 수가 3인 이하이고 특정 시간동안 모든 사람(1 이상 3 이하의 사람) 각각의 속도의 평균값의 평균값이 특정값 이상인 경우 용접 로봇(100)의 작동을 유지시키고(이 경우, 트랙킹된 사람은 용접 로봇과 무관하게 지나가는 사람일 확률이 높기 때문), 3) 사람의 수가 3인을 초과하고 특정 시간동안 모든 사람 각각의 속도의 평균값의 평균값이 특정값 미만인 경우 용접 로봇(100)의 작동을 중지시킬 수 있으며(이 경우, 다수의 작업검사자가 용접 로봇이 정상적으로 작동하는지 검사하러 왔을 확률이 높기 때문에 일단 작업을 정지하고 검사가 끝난 다음 다시 작동하게 하기 위함), 4) 사람의 수가 3인을 초과하고 특정 시간동안 모든 사람 각각의 속도의 평균값의 평균값이 특정값 이상이고 특정 시간동안 모든 사람 각각의 속도의 평균값 중에서 최대값과 최소값의 차이가 특정값 이상인 경우 용접 로봇(100)의 작동을 유지시킬 수 있고(이 경우, 상호 관련없는 사람들끼리 용접 로봇과 무관하게 지나갈 확률이 높기 때문), 5) 사람의 수가 3인을 초과하고 특정 시간동안 모든 사람 각각의 속도의 평균값의 평균값이 특정값 이상이고 특정 시간동안 모든 사람 각각의 속도의 평균값 중에서 최대값과 최소값의 차이가 특정값 미만인 경우 용접 로봇(100)의 작동을 중지시킬 수 있다(이 경우, 공장에 재난이 발생하는 등의 위급상황으로 사람들이 빠르게 정신 없이 움직이는 상황이므로 용접 로봇의 작동에 의한 2차 사고가 발생하는 것을 방지하기 위함).

이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (5)

1. 중공의 원기둥 형태를 가지는 한 쌍의 모재의 이음 부분의 용접선에 위빙비드가 형성되도록 용접을 수행하는 용접 로봇에 있어서,
   한 쌍의 모재의 외주연을 따라 형성되는 회전궤도를 레일에 장착되어 이동하는 캐리지;
   상기 캐리지에 배치되며 모재에 용접을 수행하는 용접팁; 및
   상기 용접팁을 가동시키는 제1액추에이터를 포함하고,
   상기 제1액추에이터는 상기 용접팁을 상기 한 쌍의 모재의 중심축과 나란한 x축을 기준으로 왕복 이동시켜 위빙비드의 두께를 형성하고,
   상기 제1액추에이터는 10mm 이상 20mm 이하의 위빙비드의 두께에서 2Hz 이상 15Hz 이하로 상기 용접팁을 가동시키고,
   상기 용접팁을 가동시키는 제2액추에이터를 더 포함하고,
   상기 제2액추에이터는 상기 용접팁을 x축과 수직하고 상기 용접팁의 직립 상태에서 상기 용접팁의 중심축과 일치하는 z축을 기준으로 직선 이동시켜 상기 용접팁의 중심축을 기준으로 상기 용접팁과 상기 한 쌍의 모재의 용접선 사이의 거리를 결정하고,
   한 쌍의 모재의 용접선을 센싱하여 용접선의 위치에 대한 데이터와 한 쌍의 모재의 용접선 내에서 한 쌍의 모재 간의 구배 부분의 외곽선에 대한 데이터를 생성하는 센서를 더 포함하고,
   상기 제2액추에이터는 상기 용접팁이 상기 용접팁의 중심축을 기준으로 상기 용접팁과 상기 한 쌍의 모재의 용접선 간의 거리에서 상기 한 쌍의 모재 간의 구배 차이를 반영하여 보정한 거리가 기설정된 거리가 되도록 상기 용접팁을 가동하고,
   상기 용접팁을 x축을 기준으로 왕복 틸팅시키는 제3액추에이터와, 상기 용접팁을 x축을 기준으로 일정 각도로 회동시켜 상기 용접팁의 자세를 결정하는 제4액추에이터를 더 포함하고,
   상기 제1액추에이터는 상기 제3액추에이터와 연동되어 작동하고,
   상기 제2액추에이터는 상기 제3액추에이터와 상기 제4액추에이터와 연동되어 작동하고,
   상기 제4액추에이터는 상기 용접팁이 회전궤도에 위치하는 영역에 대응하여 작동하고,
   상기 캐리지에 배치되어 적외선 열적 영상을 생성하는 적외선 모듈과 가시광선 영상을 생성하는 카메라 모듈과, 상기 적외선 모듈로부터 적외선 열적 영상을 수신하고 상기 카메라 모듈로부터 가시광선 영상을 수신하는 전자 제어 유닛을 포함하고,
   상기 전자 제어 유닛의 데이터베이스에는 사람의 열적 영상 온도범위가 기록되어 있으며 적외선 열적 영상에서 데이터베이스의 열적 영상 온도범위와 매칭되는 온도범위가 존재하는지 판단하여 사람의 존재 여부를 판단하고, 사람의 윤곽선 데이터가 기록되어 있으며 가시광선 영상을 분석하여 가시광선 영상에서 사람을 트랙킹하여 사람의 수를 추출하고 단위 시간에서 가시광선 영상에서 각각의 사람의 이동거리에 따라 이동 속도를 판단하고,
   상기 전자 제어 유닛은 가시광선 영상에서 사람을 트랙킹하여 사람의 수가 3인 이하이고 특정 시간동안 모든 사람 각각의 속도의 평균값의 평균값이 특정값 미만인 경우 용접 로봇의 작동을 중지시키고, 사람의 수가 3인 이하이고 특정 시간동안 모든 사람 각각의 속도의 평균값의 평균값이 특정값 이상인 경우 용접 로봇의 작동을 유지시키고, 사람의 수가 3인을 초과하고 특정 시간동안 모든 사람 각각의 속도의 평균값의 평균값이 특정값 미만인 경우 용접 로봇의 작동을 중지시키고, 사람의 수가 3인을 초과하고 특정 시간동안 모든 사람 각각의 속도의 평균값의 평균값이 특정값 이상이고 특정 시간동안 모든 사람 각각의 속도의 평균값 중에서 최대값과 최소값의 차이가 특정값 이상인 경우 용접 로봇의 작동을 유지시키고, 사람의 수가 3인을 초과하고 특정 시간동안 모든 사람 각각의 속도의 평균값의 평균값이 특정값 이상이고 특정 시간동안 모든 사람 각각의 속도의 평균값 중에서 최대값과 최소값의 차이가 특정값 미만인 경우 용접 로봇의 작동을 중지시키는 것을 특징으로 하는 용접 로봇.
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