KR20000007629A - 자동 용접방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동 용접방법에 관한 것으로, 실제의 용접 전류값을 추정 용접 전류값에 비교하여 상호 차이값을 수득한 후 칼만 이득을 계산해 주어 용접전류를 샘플링하는 칼만 필터링 기법을 통하여 수득된 필터링 용접 전류값을 용접선 추적에 사용하여 용접 대상물을 접합시키는 것을 특징으로 한다. 따라서, 용접선 추적을 정밀하게 구현할 수 있고, 용접 대상물을 더욱 긴밀하게 접합시킬 수 있는 탁월한 효과가 있다.

Description

자동 용접방법

본 발명은 자동 용접방법(Automatic Welding Method)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실제의 용접 전류값을 추정 용접 전류값에 비교하여 상호 차이값을 수득한 후 칼만 이득을 계산해 주어 용접전류를 샘플링(Sampling)하는 칼만 필터링 기법을 통하여 수득된 필터링 용접 전류값을 용접선 추적에 사용하여 용접선 추적을 보다 정밀하게 구현할 수 있는 자동 용접방법에 관한 것이다.

일반적으로 용접방법은 같은 종류 또는 다른 종류의 2가지 고체재료 사이에 원자간 결합이 되도록 가열 및 가압 등의 조작에 의하여 야금적으로 접합시키는 것을 말하고, 그 예로는 아크용접 및 저항용접, 레이저 용접 등 다양한 방법이 있다.

이때, 상기 아크용접(arc welding)은 아크방전에 의한 아크의 발열을 이용한 용접방법으로, 용접하려는 모재와 용접봉 사이에 아크를 발생시켜 수득되는 열을 이용하여 모재와 용접부의 표면을 녹인 후 그 용접부에 용접봉의 금속을 녹여 넣어 상호 접합시키는 것을 말한다. 그리고, 상기 용접봉 대신 탄소 전극이나 텅스텐 전극을 사용하는 경우도 있다.

한편, 적당한 용접회로에 접속한 용접전원과 모재를 서로 접촉시킨 후 약간 떼어놓으면 이 두전극 사이에는 강렬한 아크(electric arc)가 발생되는데, 그 거리를 어느 정도 멀리하여도 아크는 지속됨을 알 수 있다. 이것은 양 전극 사이에 존재하는 가스와 전극물질의 증기 중에서의 방전현상이며, 통상적으로 방전현상이 지속되기 위해서는 음극(-극)으로부터 충분한 전자가 방출 공급되어야 한다.

아크에서 전극간의 전위차를 아크전압(arc voltage), 아크를 통하여 흐르는 전류를 아크전류(arc current)라 하며, 아크용접의 경우 이것을 용접전류(welding current)라고도 한다

용접전류는 용접에 필요한 열을 주기 위하여 흘리는 전류, 모재의 판두께, 용접의 형식, 층수, 루트 간격, 용접봉의 지름 등에 의하여 그 전류의 크기가 정해진다.

예를 들어, 균일한 단면적을 가지는 금속도체에서는 전압 강하는 도체의 길이에 따라 균일하나, 아크 전압의 경우는 이와 달라 도 1에 도시된 바와 같이 아크의 길이에 따라 압력분포가 다르며 양전극 부근에서 급격히 하강하고, 전극 사이의 아크기둥(arc column) 또는 플라스마(plasma)라 불리우는 부분에서는 전압의 구배는 비교적 완만함을 알 수 있다.

전극 부근의 전압강하를 특히 전극강하(양극강하와 음극강하), 아크 기둥의 전압강하를 플라스마 강하라 부르고, 전극강하는 전극의 종류나 아크를 시일드하는 분위기 및 가스의 종류에 따라 변화하며, 플라스마 강하는 아크의 길이와 아크 전류의 값에 따라 변화한다.

따라서, 정해진 전극과 시일드 가스에 대해서는 아크전압은 아크길이와 아크전류의 관수(關數)이다. 도 2는 일정한 전류값에 대한 아크길이와 아크전압의 관수를 나타낸 곡선으로, 아크전압이 아크길이에 비례하여 감소하는 특성은 자동용접의 전극 와이어 송급장치에서 아크길이의 자동제어에 이용되는 중요한 성질이다.

도 3의 (가),(나)는 일반적인 아크용접을 설명하기 위한 소정의 아크에 대하여 아크전압과 아크전류의 관계를 나타낸 곡선으로, 이와 같은 아크전압 및 아크전류의 관계는 통상의 저항부하에 관한 오옴(ohm)의 법칙과 다름을 알 수 있다. 즉, 작은 전류밀도에서 오옴의 법칙과 반대로 전압-전류 곡선은 수하특성을 가지며 부저항 특성(-저항특성)을 나타내며 전류밀도가 다소 커지면 아크전압은 전류의 증감에 관계없이 거의 일정한 극소값을 가지며 다시 전류밀도가 증가하면 곡선은 상승특성을 나타냄을 알 수 있다.

한편, 아크용접이 안정되기 위해서는 아크가 중단되지 않아야 하고, 만약 중단되더라도 즉시 재아크(아크의 재발생)가 되어야 한다. 그런데, 교류아크에 있어서는 1사이클(cycle)에 2회, 즉, 전류의 순간값이 0이 되므로 아크는 반드시 중단되고야 만다. 따라서, 교류아크는 직류아크에 비하여 본질적으로 불안정함을 알 수 있다.

도 4는 일반적인 아크용접을 설명하기 위한 아크전압과 아크전류의 시간적 변화를 나타낸 것으로 O에서 전류의 순간값은 0이 되어 아크가 일단 멎으면 다음 사이클의 전압 P점에서 재아크가 발생한다. 이 재아크의 전압 OP의 높이가 재기전압이며 전극의 종류나 시일드 가스에 의하여 변화하게 된다. 즉, 불용전극의 경우에는 재기전압 OP는 낮아도 되며, 또한, 후락스 성분의 아크 안정제에 의해서도 재기전압은 어느 정도 낮아도 아크는 안정하다. 이 절연회복 특성은 전류값에 의해서도 영향을 받는다. 작은 전류의 경우에는 아크가 중단되면 전극부가 빨리 냉각되므로 재아크 발생은 비교적 어려우며 특히 교류의 경우에는 아크가 매우 불안정해지게 된다.

한편, 용접로봇을 이용한 자동용접 작업시 용접선의 추적성능은 용접 품질문제와 관련하여 매우 중요한 문제로 대두되고 있다. 그리고, 피드백되는 용접전류의 노이즈 문제로 인하여 아크센서의 동작에 영향을 미쳐 용접선을 정상적으로 추적하지 못하는 문제가 종종 발생되기도 하는데, 이러한 실제 용접전류는 도 5에 도시된 바와 같이 잡음성분이 포함된 상태로 피드백되므로 도 6에 도시된 바와 같이 고주파 영역에 존재하는 노이즈 성분을 제거하기 위하여 저역통과 필터(LPF;Low Pass Filter)를 통하여 필터링하거나, 도 7에 도시된 바와 같이 교류의 맥동분인 잡음성분의 영향을 감소시키기 위하여 이동평균(moving average) 방법을 사용하기도 한다.

그런데, 종래 기술에 따른 자동 용접방법에 적용된 용접전류의 필터링방법은 용접전류 속에 포함된 잡음성분을 단순히 저역통과 필터 또는 이동평균을 통하여 제거시키는 방법을 사용하므로 인하여 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 원래의 용접전류의 신뢰성을 크게 떨어뜨리거나 잡음제거가 명확히 이루어지지 않아, 결국, 아크센서의 동작에 악영향을 미쳐 용접선을 정상적으로 추적하지 못하고 용접품질의 저하를 초래하는 커다란 단점이 있었다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적으로 하는 바는 칼만 필터링 기법을 통하여 수득된 필터링 용접 전류값을 용접선 추적에 사용하여 보다 정밀한 용접선 추적을 통한 용접 대상물의 접합을 긴밀히 구현할 수 있도록 한 자동 용접방법을 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 아크용접에 의한 전압분포를 나타내는 설명도.

도 2는 일반적인 아크용접을 설명하기 위한 아크길이에 따른 아크전압을 나타내는 그래프.

도 3의 (가),(나)는 일반적인 아크용접을 설명하기 위한 소정의 아크에 대하여 아크전압과 아크전류의 관계를 나타낸 그래프.

도 4는 일반적인 아크용접을 설명하기 위한 아크전압과 아크전류의 시간적 변화를 나타내는 그래프.

도 5는 일반적인 자동 용접방법에 적용된 실제 용접전류를 나타내는 그래프.

도 6은 종래 기술에 따른 자동 용접방법에 적용된 저역통과 필터(LPF)에 의하여 실제 용접전류를 필터링한 그래프.

도 7은 종래 기술에 따른 자동 용접방법에 적용된 이동평균(moving average) 방법에 의하여 실제 용접전류를 필터링한 그래프.

도 8은 본 발명에 따른 자동 용접방법에 적용된 칼만 필터링 기법을 설명하기 위한 플로우챠트.

도 9의 (가),(나)는 본 발명에 따른 자동 용접방법에 적용된 칼만 필터링 기법을 설명하기 위한 필터링 전후의 용접전류를 비교한 그래프.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 실제의 용접 전류값을 추정 용접 전류값에 비교하여 상호 차이값을 수득한 후 칼만 이득을 계산해 주어 용접전류를 샘플링(Sampling)하는 칼만 필터링 기법을 통하여 수득된 필터링 용접 전류값을 용접선 추적에 사용하여 용접 대상물을 접합시키는 것을 그 기술적 방법상의 기본 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 자동 용접방법의 바람직한 실시예를 도 8 및 도 9를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 8은 본 발명에 따른 자동 용접방법에 적용된 칼만 필터링 기법을 설명하기 위한 플로우챠트이고, 도 9의 (가),(나)는 본 발명에 따른 자동 용접방법에 적용된 칼만 필터링 기법을 설명하기 위한 필터링 전후의 용접전류를 비교한 그래프이다.

본 발명에 따른 용접로봇을 이용한 자동 용접방법은 실제의 용접 전류값을 추정 용접 전류값에 비교하여 상호 차이값을 수득한 후 칼만 이득(Kalman Gain)을 계산해 주어 용접전류를 샘플링(Sampling)하는 칼만 필터링 기법을 통하여 수득된 필터링 용접 전류값을 용접선 추적에 사용하여 용접 대상물을 접합시키는 방법이 적용된다.

즉, 용접 작업시 용접 전류값의 변화는 도 9의 (가)에 도시된 바와 같이 매우 심하여 용접선의 추적을 어렵게 한다. 이에, 추정기법인 칼만 필터링(Kalman Filtering) 기법을 이용하여 신뢰성 있는 용접 전류값을 예측하여 현재의 용접 전류값의 변화를 반영한 후 새로운 용접 전류값으로 바꾸어 도 9의 (나)에 도시된 바와 같은 필터링된 용접 전류값을 수득하여 용접선 추적을 이룰 수 있도록 하므로써 보다 정밀한 용접 대상물의 접합을 이룰 수 있게 되는 것이다.

이때, 상기 칼만 필터링 기법을 통한 용접전류를 필터링하는 방법은 도 8에 도시된 바와 같다.

먼저, 아날로그의 용접 전류값을 디지털의 용접 전류값으로 변환하는 A/D 컨버터를 통하여 실제의 용접 전류값을 입력받은(S10) 후, 초기의 추정 용접 전류값은 사용자가 입력하고 다음의 순차적인 추정 용접 전류값은 아래의 식①을 통하여 예측한다(S20). 그리고, 식②를 이용하여 상기 실제의 용접 전류값을 상기 추정 용접 전류값에 비교한 후 상호 차이값 P를 계산한(S30) 다음 식③을 이용하여 칼만 이득 K를 계산한다(S40). 그 후, 식④를 이용하여 상기 상호 차이값 P를 갱신해주고(S50), 식⑤를 이용하여 상기 A/D 컨버터를 통하여 입력된 실제의 용접 전류값과 상기 추정 용접 전류값으로부터 필터링 용접 전류값을 수득한다(S60). 여기서, 상기 필터링 용접 전류값으로부터 다음의 추정 용접 전류값을 예측하여 상기 순차적인 추정 용접 전류값을 예측하는 단계로 환원시킴(S70)과 동시에 상기 필터링 용접 전류값을 수득하는 단계로부터 얻어진 필터링 용접 전류값을 용접선 추적에 사용하여(S80) 용접 대상물을 정밀하게 접합시키게 된다.

이때, 상기 식①, 식②, 식③, 식④, 식⑤는,

x_k+1= A_kx_k+ Bu_k······················①

P_k+1= A_kP_kA^T _k+ Q_k······················②

K_k= P_kH^T _k(H_kP_kH^T _k+ P_k)^-1···················③

P_k= (I - K_kH_k)P_k······················④

x_k= x_k+ K(z_k-H_kx_k) ·····················⑤이고,

상기 식에서 Z_k는 실제 용접 전류값, x_k은 필터링 용접 전류값, x_k+1은 추정 용접 전류값, P_K+1은 실제의 용접 전류값과 추정 용접 전류값의 차이의 변화값, P_K는 실제의 용접 전류값과 추정 용접 전류값의 실제 차이값을 각각 나타낸다.

여기서, 상기 A/D 컨버터를 통하여 받아들인 현재의 실제 용접 전류값과 추정 용접값을 비교하여 상호 차이값(Error Covariance)을 계산하여 적당한 이득(Kalman Gain)을 계산해 주어 현재의 용접 전류값을 생플링 할 때 필터링하여 새로운 신뢰성 있는 값으로 바꾸어 주므로써 도 9의 (나)와 같은 필터링된 용접 전류값을 수득할 수 있게 되어 보다 정밀한 용접작업을 이룰 수 있음을 알 수 있다.

즉, 도 9의 (가),(나)의 비교 그래프에서 알 수 있듯이 원래의 실제 용접전류는 잡음성분이 많이 포함되어 있기 때문에 용접선 추적이 매우 어려워 정밀한 용접공정을 이룰 수 없지만, 칼만 필터링 알고리즘에 의하여 필터링 된 용접전류를 이용한 용접선 추적은 매우 정밀하게 이루어질 수 있게 되어 용접공정시의 정밀도를 한층 높여줄 수 있는 작용을 기대할 수 있는 것이다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 용접방법에 의하면, 실제의 용접 전류값을 추정 용접 전류값에 비교하여 상호 차이값을 수득한 후 칼만 이득을 계산해 주어 용접전류를 샘플링(Sampling)하는 칼만 필터링 기법을 통하여 수득된 필터링 용접 전류값을 용접선 추적에 사용하므로써, 용접선 추적을 정밀하게 구현할 수 있게 되어 용접 대상물을 더욱 정밀하게 접합시킬 수 있는 탁월한 효과가 있다.

Claims (2)

1. 실제의 용접 전류값을 추정 용접 전류값에 비교하여 상호 차이값을 수득한 후 칼만 이득을 계산해 주어 용접전류를 샘플링(Sampling)하는 칼만 필터링(Kalman Filtering) 기법을 통하여 수득된 필터링 용접 전류값을 용접선 추적에 사용하여 용접 대상물을 접합시키는 것을 특징으로 하는 자동 용접방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 칼만 필터링 기법을 통한 용접전류를 필터링하는 방법은,

   아날로그의 용접 전류값을 디지털의 용접 전류값으로 변환하는 A/D 컨버터를 통하여 실제의 용접 전류값을 입력받는 단계와,

   초기의 추정 용접 전류값은 사용자가 입력하고 다음의 순차적인 추정 용접 전류값은 식①을 통하여 예측하는 단계와,

   식②를 이용하여 상기 실제의 용접 전류값을 상기 추정 용접 전류값에 비교한 후 상호 차이값 P를 계산하는 단계와,

   식③을 이용하여 칼만 이득 K를 계산하는 단계와,

   식④를 이용하여 상기 상호 차이값 P를 갱신해주는 단계와,

   식⑤를 이용하여 상기 A/D 컨버터를 통하여 입력된 실제의 용접 전류값과 상기 추정 용접 전류값으로부터 필터링 용접 전류값을 수득하는 단계와,

   상기 필터링 용접 전류값으로부터 다음의 추정 용접 전류값을 예측하여 상기 순차적인 추정 용접 전류값을 예측하는 단계로 환원시키는 단계와,

   상기 필터링 용접 전류값을 수득하는 단계로부터 얻어진 필터링 용접 전류값을 용접선 추적에 사용하여 용접 대상물을 접합시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동 용접방법.

   [여기서, 상기 식①, ②, ③, ④, ⑤는,

   x_k+1= A_kx_k+ Bu_k··········①

   P_k+1= A_kP_kA^T _k+ Q_k··········②

   K_k= P_kH^T _k(H_kP_kH^T _k+ P_k)^-1·······③

   P_k= (I - K_kH_k)P_k··········④

   x_k= x_k+ K(z_k-H_kx_k) ·········⑤이고,

   상기 식에서 Z_k는 실제 용접 전류값, x_k은 필터링 용접 전류값, x_k+1은 추정 용접 전류값, P_K+1은 실제의 용접 전류값과 추정 용접 전류값의 차이의 변화값, P_K는 실제의 용접 전류값과 추정 용접 전류값의 실제 차이값을 각각 나타낸다.]