KR19980083281A - 로봇의 초기 용접 위치 검출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접용 로봇이 모재의 불규칙성이나 고정시의 위치 틀어짐에 관계없이 초기 용접 위치를 정확하게 검출하는 방법에 관한 것으로서, 개략적으로 교시된 용접 개시점에서 용접 끝점 부위에 주어진 가상점으로의 방향 벡터를 제 1 방향 벡터로 인식하고, 모재의 접합부를 향하여 접합면 사이를 대략 이등분한 각으로 놓이는 토치의 방향 벡터를 제 2 방향 벡터로 인식하여 제 1 방향 벡터를 기준으로 상기 제 2 방향 벡터가 + - 회전된다고 하였을 때의 방향과 일치하는 방향을 토치의 수직 및 수평 트래킹 방향으로 결정하며, 결정된 트래킹 방향에 따라 수직 및 수평 트래킹 방향으로 토치를 각각 이동시켜 용착이 일어날 때까지 진행하고 용착이 일어나면 각각 파라미터에 정해진 위치로 이동한 후, 파라미터에 정해진 크기만큼 토치를 용접 진행 방향 반대쪽으로 이동하여 모재의 끝 부분을 트래킹하고, 모재의 끝 부분에서 용착이 발생하면 미리 정해진 크기만큼 용접 진행 방향으로 이동하여 초기 용접 위치로 토치가 이동되도록 함을 특징으로 한다.

Description

로봇의 초기 용접 위치 검출 방법

본 발명은 용접용 로봇에 관한 것으로서, 특히 모재의 불규칙성이나 고정시의 위치 틀어짐에 관계없이 초기 용접 위치를 검출하는 방법에 관한 것이다.

자동화 라인에서 용접을 행할 때는 용접 대상물의 불규칙성, 고정시 위치 틀어짐 등의 이유로 로봇은 정해진 패스를 일정하게 지나가더라도 용접의 시작점을 정확하게 검출하기가 어렵다. 왜냐하면 공장 자동화 라인 등에서 볼 때 용접용 로봇은 위치를 고정하는 지그(JIG) 및 프레임(Frame)에 의해 항상 일정하게 자리잡고 있지만 대상물을 이동시키는 컨베이어 혹은 이동용 포지셔너(positioner) 등에서는 오차 없이 정확한 작업공간 내에 대상물을 위치시키기가 어렵기 때문이다. 또한 같은 대상물이라도 미세하지만 규격에서 조금씩 차이가 있을 수 있기 때문이다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 터치 센서 트래킹을 통해 초기 용접 위치를 검출하는 방법이 개발되었으며, 터치 센서 트래킹은 실제 용접을 진행하기 전에 아크(arc)를 발생시키지 않은 상태에서 용접 와이어 혹은 노즐과 대상물과의 전기적 통전 유무를 확인하여 대상물의 위치를 정확히 파악하는 방법이다. 즉 평소에는 전기적으로 개방(open)되어 있지만 토치를 조금씩 이동시키면서 용착(short)이 발생하면 그 지점을 데이터로 하여 작업 대상물의 용접 초기점을 검출하는 것이다,

이와 같은 기본 원리를 이용하여 개발된 제품으로는 FANAC, DAIDEN, ABB 그리고 IGMC와 같은 제품들이 있으며, 이와 같은 제품들은 터치 센서를 위한 구동기 소스를 외부에 장착하도록 되어 있고, 모재가 기울어져 있거나 뒤집어져 있는 경우에도 정확한 위치 결정을 위해 4∼5번 정도 교시점을 터치하도록 하고 있다.

그러나 기존의 터치 센서 트래킹에서 여러곳의 교시점을 터치하도록 하는 것은 그만큼 정확할 수는 있지만 여러 번의 터치 동작에 걸리는 시간이 길어져 다량 용접에 있어서 매우 중요한 요소인 시간 단축에 불리하게 작용된다.

본 발명의 목적은 상기와 같이 모재가 기울어져 있거나 뒤집어져 있는 경우 정확한 초기 용접 위치 결정을 위하여 여러 곳의 교시점을 터치하도록 하고 있어 시간이 길어진다는 종래의 문제점을 해결하기 위하여 두 번(?)의 터치만으로 용접 모재의 불규칙성이나 고정시의 위치 틀어짐에 관계없이 용접 초기점을 정확하게 검출할 수 있는 로봇의 초기 용접 위치 검출 방법을 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초기 용접 위치 검출 방법은 개략적으로 교시된 용접 개시점에서 용접 끝점 부위에 주어진 가상점으로의 방향 벡터를 제 1 방향 벡터로 인식하고, 모재의 접합부를 향하여 접합면 사이를 대략 이등분한 각으로 놓이는 토치의 방향 벡터를 제 2 방향 벡터로 인식하여 제 1 방향 벡터를 기준으로 상기 제 2 방향 벡터가 + - 회전된다고 하였을 때의 방향과 일치하는 방향을 토치의 수직 및 수평 트래킹 방향으로 결정하며, 결정된 트래킹 방향에 따라 수직 및 수평 트래킹 방향으로 토치를 각각 이동시켜 용착이 일어날 때까지 진행하고 용착이 일어나면 각각 파라미터에 정해진 위치로 이동한 후, 파라미터에 정해진 크기만큼 토치를 용접 진행 방향 반대쪽으로 이동하여 모재의 끝 부분을 트래킹하고, 모재의 끝 부분에서 용착이 발생하면 미리 정해진 크기만큼 용접 진행 방향으로 이동하여 초기 용접 위치로 토치가 이동되도록 함을 특징으로 한다.

도 1 은 아크 용접 시스템을 나타낸 도면.

도 2 는 L자 형태의 모재에 대하여 본 발명에 따른 초기 용접 위치 검출 방법을 설명하기 위한 사시도.

도 3 은 L자 형태의 모재에 대하여 본 발명에 따른 초기 용접 위치 검출 방법을 설명하기 위한 측면도.

도 4 는 도 2에 보인 L자 형태의 모재에 대하여 토치의 방향 벡터 및 용접 진행 방향 백터를 나타낸 도면.

도 5 는 도 4에서 얻을 수 있는 제 3 의 방향 벡터를 나타낸 도면.

도 6 은 모재가 임의의 방향으로 틀어져 있고, 베이스가 기울어져 있는 T자 형태의 모재에 대하여 본 발명에 따른 초기 용접 위치 검출 방법을 설명하기 위한 도면.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1은 아크 용접 시스템을 나타낸 도면으로서, 쉴딩 가스(Shielding Gas), 컨트롤 콘솔(Control Console), 용접 로봇(Welding Robot), 용접 와이어(Welding Eire), 와이어 피더(Wire Feeder), 토치(Torch) 그리고 웰딩 지그(Welding Jig) 등을 보인다.

이와 같은 구성으로 웰딩 지그에 용접 대상 모재가 장착되면, 로봇은 먼저 모재의 초기 용접 부위를 검출하게 되고, 검출된 위치에서 토치로 피딩되는 용접 와이어로부터 용접 대상물까지 강한 전류,전압이 형성되도록 하여 아크(arc)를 발생시키게 된다. 이 때 토치로 피딩되는 와이어가 녹아 들어가면서 용접을 진행하게 된다.

이와 같은 용접 동작에서 로봇의 초기 용접 위치 검출 방법은 아크를 발생시키기 전에 로봇의 팔을 이용하여 모재에 용접 와이어 혹은 노즐과 터치되는 전기적 통전 유무를 확인하여 용접 위치를 파악하게 된다. 즉, 평소에는 전기적으로 개방(open)되어 있지만 토치를 조금씩 이동시켜 용착 발생(short) 지점을 확인하면서 위치를 검출하게 된다.

여기에서 본 발명에 따른 로봇의 초기 용접 위치 검출 방법을 살펴보자.

먼저 웰딩 지그에 도 2 및 도 3에 보인 것과 같은 L자 형태의 용접 대상물이 장착되고 유저가 개략적인 용접 개시점(A)을 교시하면, 토치는 개략적인 교시점(A)에 위치하게 된다. 그리고 유저가 용접 끝점 부위에 개략적인 끝점(B), 즉 가상점(B)을 지정하게 되면, 로봇은 현재의 개략적인 용접 개시점(A) 위치에서 가상점(B)까지의 용접 진행 방향을 파악하게 되고, 이를 제 1 방향 벡터로 인식한다. 그리고 모재의 접합부를 향하여 접합면 사이를 대략 이등분한 각으로 놓이는 토치의 방향 벡터를 제 2 방향 벡터로 인식한다. 다음으로 로봇은 이렇게 인식된 제 1 방향 벡터를 기준으로 제 2 방향 벡터가 - 방향으로 회전된다고 하였을 때의 방향으로 토치를 트래킹(1st tracking) 하게 된다. 즉 토치가 아래 방향의 접합면(수평면)에 대하여 수직이 되는 방향(Vertical)으로 이동하여 용착이 일어날 때까지 진행되고, 용착이 발생(제 1 터치)하면 파라미터에 정해진 위치로 이동하게 된다. 다음으로 토치는 제 1 방향 벡터를 기준으로 제 2 방향 벡터가 + 방향으로 회전된다고 하였을 때의 방향으로 트래킹(2nd tracking)을 하게 된다. 즉, 토치가 위 방향의 접합면(수직면)에 대하여 수직이 되는 방향(Horizontal)으로 이동하여 용착이 일어날 때까지 진행되고, 용착이 발생(제 2 터치)하면 파라미터에 정해진 위치로 이동하게 된다. 그리고 용착 발생 후 파라미터에 정해진 위치로 이동이 완료되면 다음으로 파라미터에 정해진 크기만큼 토치를 용접 진행 방향 반대쪽으로 이동하여 모재의 끝 부분을 트래킹(3rd tracking)하고, 모재의 끝부분에 용착이 발생(제 3 터치)하면 미리 정해진 크기만큼 용접 진행 방향으로 이동하여 위치하게 된다. 바로 그 위치하는 점이 초기 용접 위치가 되는 것이다.

여기에서 용접 초기점을 찾는데 필요한 용접 개시점과 끝점 사이의 방향 벡터가 사실상 30°정도까지 틀어지는 경우에는 시작점을 트래킹 하는데 문제가 되지 않다는 점을 전제로 한다. 왜냐하면 실제로 용접 개시점을 파인 튜닝(fine tuning)하는데 용접 개시점과 끝점 사이의 방향 벡터가 중요하기는 하지만 최종적으로 찾아낸 초기 용접 개시점은 접합 기준선에서 5㎜ 내의 돔셋(offset)만을 갖기 때문이다.

도 4는 도 2에 보인 형태의 모재에서 토치의 방향 벡터 및 용접 진행 방향벡터를 나타낸 도면이며, 도 5는 도 4에서 얻을 수 있는 방향 벡터를 나타낸 도면으로서, 개략적으로 교시된 교시점으로부터 가상점으로의 방향 벡터(X)와 토치의 방향 벡터(a)에 의해 제 3의 벡터(a × X)를 얻을 수 있음을 보인다.

도 6은 모재가 임의의 방향으로 틀어져 있고, 베이스가 θ의 각도로 들려져 있는 상태가 되어 용접 부위가 베이스가 어느 정도 기울어져 있는 경우에 본 발명에 따라 초기 용접 위치를 검출하는 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 먼저 위와 같은 타입의 모재가 웰딩 지그에 놓이면 유저는 개략적인 용접 개시점을 교시하여 토치를 모재의 벌어진 각의 중심점 위치에 이동시키고, 이동된 위치에서 다음과 같은 터치 센서 트래킹을 프로그램 하여 명령 수행을 시키게 된다.

TST ∧ { #End-point},{모재 Type = 4},{옆방향 각 변환},{진행방향 각 변환},{접

합부에서의 돔셋(offset)}

여기에서 End-point는 유저가 임의로 정하는 가상점을 말하며, 모재 타입의 종류에는 2차원 검출인 경우 1, 3차원 검출인 경우 2, 토치의 방향 결정인 경우 3, 사용자 정의형인 경우 4가 된다. 모재 타입 1,2,3은 모재가 바닥에 고정되어 모재의 법선 벡터가 로봇의 월드 Z좌표와 일치하는 국부적인 경우이다. 도 4에서는 임의의 방향을 검출하는 경우이므로 모재 타입은 4가 된다. 또한 모재 타입이 4인 경우는 {옆방향 각 변환},{진행방향 각 변환} 값이 불필요하며 초기점 교시(teach- -ing)를 정확히 함으로써 처리되어야 하는 부분이며, 최소 20%의 오차를 벗어나지만 않으면 된다. 또한 초기 교시점과 끝점은 이를 연결하는 라인이 모재의 위치를 말해 주는 중요한 방향 벡터가 되므로 이들의 교시점도 어느 정도까지(대략 20%)는 정확히 교시할 필요가 있다.

위와 같이 터치 센서 트래킹이 프로그램 되어 수행 명령이 주어지면 로봇은 개략적인 용접 개시점(A') 위치에서 끝점(End-point:B')까지의 용접 진행방향을 파악하게 되고, 이를 제 1 방향 벡터로 인식한다. 그리고 모재의 접합부를 향하여 접합면 사이를 대략 이등분한 각으로 놓이는 토치의 방향 벡터를 제 2 방향 벡터로 인식한다. 그리하여 인식된 제 1 방향 벡터를 기준으로 제 2 방향 벡터가 - 방향으로 회전된다고 하였을 때의 방향으로 토치를 트래킹(1st tracking) 하게 된다. 즉 토치가 아래 방향의 접합면(수직면)에 대하여 수직이 되는 방향(Vertical)으로 이동하여 용착이 일어날 때까지 진행되고, 용착이 발생(제 1 터치)하면 파라미터에 정해진 위치로 이동하게 된다. 다음으로 토치는 제 1 방향 벡터를 기준으로 제 2 방향 벡터가 + 방향으로 회전된다고 하였을 때의 방향으로 트래킹(2nd tracking)을 하게 된다. 즉, 토치가 위 방향의 접합면(수직면)에 대하여 수직이 되는 방향(Horizontal)으로 이동하여 용착이 일어날 때까지 진행되고, 용착이 발생(제 2 터치)하면 파라미터에 정해진 위치로 이동하게 된다. 그리고 용착 발생 후 파라미터에 정해진 위치로 이동이 완료되면 다음으로 파라미터에 정해진 크기만큼 토치를 용접 진행방향 반대쪽으로 이동하여 모재의 끝 부분을 트래킹(3rd tracking)하고, 모재의 끝부분에 용착이 발생(제 3 터치)하면 미리 정해진 크기만큼 용접 진행방향으로 이동하여 초기 용접 위치에 놓이게 된다.

위와 같은 결과에서 볼 때, 본 발명은 L, T, V 형 등의 어떠한 접합 모재의 경우, 그리고 모재가 어떻게 기울어져 있거나 뒤집어져 있다 할지라도 기존의 베이스가 바닥에 붙어 있는 것과 같이 취급을 하게 되어 초기 용접 위치를 두 번의 터치만으로 검출할 수 있게 됨을 알 수 있다.

실제 이러한 용접은 포크레인(굴착기) 붐(boom) 혹은 선박, 중공업 용접 라인 등 많은 영역에서 적용될 수 있다.

본 발명은 상기와 같이 모재가 기울어져 있거나 뒤집어져 있는 경우일지라도 단순히 두 번(?)의 터치만으로 초기 용접 위치를 정확하게 검출하여 용접을 진행할 수 있으므로 자동화 라인을 쉽게 꾸밀 수 있으며, 대량 용접에서 요구되는 시간 단축 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 개략적으로 교시된 용접 개시점에서 용접 끝점 부위에 주어진 가상점으로의 방향 벡터를 제 1 방향 벡터로 인식하고, 모재의 접합부를 향하여 접합면 사이를 대략 이등분한 각으로 놓이는 토치의 방향 벡터를 제 2 방향 벡터로 인식하는 단계; 상기 제 1 방향 벡터를 기준으로 상기 제 2 방향 벡터가 + - 회전된다고 하였을 때의 방향과 일치하는 방향을 토치의 수직 및 수평 트래킹 방향으로 결정하는 단계; 상기 트래킹 방향 결정 단계에서 결정된 수직 및 수평 트래킹 방향으로 토치를 각각 이동시켜 용착이 일어날 때까지 진행하고 용착이 일어나면 각각 파라미터에 정해진 위치로 이동하는 단계; 및 상기 수직 및 수평 트래킹 방향으로의 용착 발생 후 파라미터에 정해진 위치로 토치를 이동하는 단계에서 정해진 위치로 이동이 완료되면 토치를 용접 진행방향 반대쪽으로 이동하여 모재의 끝 부분을 트래킹하고, 모재의 끝부분에 용착이 발생하면 미리 정해진 크기만큼 용접 진행방향으로 이동하는 단계를 구비한 것을 특징으로 하는 로봇의 초기 용접 위치 검출 방법.