KR20000042139A - 용접토치 변위 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

목적 : 물결주름 형상의 곡면부를 가진 피용접물을 용접할 때 용접토치의 변위를 실시간 제어하여 곡면부의 법선에 대해서 직각을 유지할 수 있도록 하는 용접토치 변위 제어 시스템을 제공한다.

구성 : x,y,z축 방향으로도 조절 가능한 용접토치의 θ축 회전을 구동하며, θ축 변위를 감시하는 피드백 신호를 발생하는 서보모터와; 용접토치의 몸체 전후에 장착되어 용접토치에 대한 피용접물의 기울기를 측정하는 두 개의 접촉형 센서와; 상기 접촉형 센서의 검출신호에 의해 곡면부 구간을 x축으로 세분화하여 다수의 구간을 설정하고, 상기 서보모터의 피드백 신호와 상기 접촉형 센서의 검출신호를 연산하여 상기 각 구간 별 곡면부의 법선에 대한 용접토치의 θ축 회전각도를 감시하며, 상기 감시된 θ축 회전각도에 상기 접촉형 센서에 의해 측정되는 기울기를 실시간 보정하여 상기 서보모터를 제어하는 제어기로 구성된다.

효과 : 용접토치의 위치를 실시간 보상하는 학습 및 재생 방식의 방식으로 용접토치의 용접토치의 변위를 정확히 제어하게 되므로 어떠한 피용접물 형태에도 용접토치를 원하는 자세로 유지시킬 수 있어 용접 품질과 용접 속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

용접토치 변위 제어 시스템

본 발명은 용접 자동화 시스템에 관한 것으로서, 특히 물결주름 형상의 곡면부를 가진 피용접물을 용접할 때 용접토치의 변위를 실시간 제어하여 곡면부의 법선에 대해서 직각을 유지할 수 있도록 하는 용접토치 변위 제어 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, LNG 운반선이나 LNG 보관소에 구비된 LNG 저장탱크와 같이 액체 연료 등을 저장하는 대형의 탱크는 긴밀성과 압력에 대한 내력이 우수하여야 하므로, 탱크를 구성하는 판상 부재들 간의 용접 품질이 양호하여야 한다.

이와 같이 대형의 시설이나 구조물을 용접하는 데에는 보통 프로그램에 의해서 작업을 진행시키는 용접 자동화 시스템이 사용된다.

용접 자동화 시스템에 의해서 용접 작업을 행함에 있어서도 용접토치의 변위를 제어하는 것은 매우 중요하다.

특히, 물결주름 형상을 갖는 판상 부재를 피용접물로서 용접할 때 용접토치는 곡선부의 법선에 대해서 직각을 유지하여야 양호한 품질의 용접 결과를 기대할 수 있다.

이를 위하여, 종래에는 필요시 용접토치를 적당한 θ각으로 변위를 제어할 수 있는 구조를 갖게 하고 있다.

도 1 은 본 발명이 적용되는 일반적인 용접장치의 개략적인 구조도로서, 용접토치(6)는 x,y,z,θ축을 조절할 수 있는 조절기(2,3,4,5)를 갖춘 용접장치의 바디에 결합되어 프로그램에 따라 미리 정해진 경로로 x축 가이드레일(1)을 따라 괘적이동하면서 피용접물(7)(8)을 접합하는 작업을 할 수 있도록 되어 있다.

도면부호 9는 상기 피용접물(7)(8)을 랩 조인트(Lap Joint)로 용접하기 위한 용접선을 나타내며, 이 용접선(9)을 맞추기 위해 자동화 시스템의 제어기에 미리 입력한 피용접물(7)(8)의 형상에 대한 CAD 데이터를 이용하여 상기 y,z,θ축 조절기(3,4,5) 및 x축 이송장치(2)가 움직이게 된다.

도면에 도시된 바와같이 피용접물(7)(8)이 물결주름 형상의 곡면(co)을 갖고 있는 경우, 이송장치(2)의 x축 이동에 따라 용접토치(6)가 피용접물(7)(8)의 곡면(co)에 이르기 전에 θ축 조절기(5)에 내장된 모터가 동작되어, 용접토치를 곡면(co)의 법선에 대해서 직각으로 되게 함과 동시에 용접토치(6)의 x축 진행에 따라 z축 조절기(4)를 조절하여 용접토치(6)의 높이를 조절하게 된다.

또한, 용접토치(6)의 θ축 조절을 상기 CAD 데이터에만 의존하지 않고 보다 미세한 물결주름 형상의 인식 및 용접토치의 위치보정을 위해, 용접토치(6)의 전후에 제어기와 연결되는 두 개의 접촉형 센서(SRa,SRb)를 배치하고 있다.

이와 같이 두 개의 접촉형 센서(SRa,SRb)를 사용하여 용접토치(6)의 변위를 제어하는 종래의 제어 시스템은 용접조건을 평탄부에서 물결주름 형상의 곡면부로 전환할 때, 상기 두 개의 센서(SRa,SRb)에 의해 용접토치(6)의 θ축 회전각도를 검출하고, 그 검출신호로부터 물결주름 형상의 곡면부(co) 위치신호를 생성하여, 이 신호의 온,오프에 의해 피용접물(7,8)의 평탄부와 곡면부(co)의 접속 위치를 검출하게 된다.

이와 같이 구성되는 종래의 용접토치 변위 제어 시스템은 학습 및 재생(Teach & Playback) 방식에 의해 용접토치(6)의 변위를 제어하는 것이 아니고 미리 입력한 CAD 데이터를 보정하는 방법, 즉 센서(SRa,SRb)와의 단순 접촉에 의해 물결주름 형상을 인식한 후 x축 방향으로 이송장치(2)를 이동하여 용접토치(6)를 전진시키도록 된 것이었기 때문에, 용접 속도를 빠르게 할 수 없는 단점을 갖고 있다.

또한, 용접조건이 물결주름 형상의 곡면부(co)와 평탄부 2개소로 구분됨으로써 곡면부(co)의 용접조건에 대한 변화가 없어야 하므로, 양호한 용접 품질을 기대하기 어렵다.

이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은 피용접물의 물결주름 형상에 대하는 용접토치의 θ축 각도를 검출하여 실시간 보상하는 학습 및 재생에 의한 로봇제어 방식으로 미리 입력된 정보에 따라 괘적을 이동하는 용접토치의 변위를 정확히 제어할 수 있는 용접토치 변위 제어 시스템을 제공하는데 목적을 두고 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, x,y,z축 방향으로도 조절 가능한 용접토치의 θ축 회전을 구동하며, θ축 변위를 감시하는 피드백 신호를 발생하는 서보모터와; 용접토치의 몸체 전후에 장착되어 용접토치에 대한 피용접물의 기울기를 측정하는 두 개의 접촉형 센서와; 상기 접촉형 센서의 검출신호에 의해 곡면부 구간을 x축으로 세분화하여 다수의 구간을 설정하고, 상기 서보모터의 피드백 신호와 상기 접촉형 센서의 검출신호를 연산하여 상기 각 구간 별 곡면부의 법선에 대한 용접토치의 θ축 회전각도를 감시하며, 상기 감시된 θ축 회전각도에 상기 접촉형 센서에 의해 측정되는 기울기를 실시간 보정하여 상기 서보모터를 제어하는 제어기로 구성되는 것을 특징으로 하는 용접토치 변위 제어 시스템이 제공된다.

이와 같이 구성되는 본 발명은 피용접물이 갖고 있는 물결주름 형상의 곡면부를 구간 별 세분화하여 구간 별 용접토치 위치를 제어하는 동시에 각 구간 내에서도 용접토치의 곡면부 법선에 대한 각도의 오차를 감시하는 학습 및 재생 방식으로 정확한 용접토치의 위치를 실시간 보상하게 되므로 용접토치의 변위를 정확히 제어할 수 있게 된다.

도 1 은 본 발명이 적용되는 일반적인 용접장치의 개략적인 구조도

도 2 는 본 발명에 의한 장치의 구성을 보인 블록도

도 3 은 본 발명에 의해 구현되는 제어방식의 개념을 설명하기 위해 용접토치 및 곡면부의 관계를 보인 개략도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1-x축 가이드레일 20-x축 이송장치

30-y축 조절기 40-z축 조절기

50-서보모터(θ축 조절기) 6-용접토치

7,8-피용접물 9-용접선

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하며, 종래와 동일한 부분에 대하여는 중복 설명의 회피와 설명의 명료성을 위해 동일 부호를 부여하기로 한다.

도 2 는 본 발명에 의한 장치의 구성을 보인 블록도로서, x,y,z축 방향으로도 조절 가능한 용접토치(6)의 θ축 회전을 구동하며, θ축 변위를 감시하는 피드백 신호를 발생하는 서보모터(50)와, 용접토치(6)의 몸체 전후에 장착되어 용접토치(6)에 대한 피용접물의 기울기를 측정하는 두 개의 접촉형 센서(SRa,SRb)와, 상기 접촉형 센서(SRa,SRb)의 검출신호에 의해 곡면부(co) 구간을 x축으로 세분화하여 다수의 구간을 설정하고, 상기 서보모터(50)의 피드백 신호와 상기 접촉형 센서(SRa,SRb)의 검출신호를 연산하여 상기 각 구간 별 곡면부(co)의 법선에 대한 용접토치(6)의 θ축 회전각도를 감시하며, 상기 감시된 θ축 회전각도에 상기 접촉형 센서(SRa,SRb)에 의해 측정되는 기울기를 실시간 보정하여 상기 서보모터(50)의 구동을 연속으로 제어하는 제어기(110)로 이루어지는 본 발명의 구성을 보여주고 있다.

물론, 본 발명은 x,y,z 축 조절기(20,30,40)에도 종래에 사용하던 모터에 비해 회전량을 보다 정밀하게 제어할 수 있는 서보모터를 사용하면 더욱 바람직하며, 이와같이 서보모터를 사용하여 용접토치(6)를 움직이도록 하는 본 발명은 제어기(110)에 의해 모든 동작이 관장되는 로봇구조를 갖게 되므로, 어떠한 형태의 피용접물에도 용접토치를 원하는 자세로 유지시킬 수 있게 된다. 미리 교시된 용접선(9)에 대하여 x축은 용접선 방향의 진행, y축은 용접선의 보정, z축 및 θ축은 피용접물의 형태에 따른 용접자세를 결정한다.

본 발명은 곡면부(co)의 형상인식을 위해, 피용접물(7,8)의 형상의 CAD 데이터를 이용하여 제어기(110)의 내부 메모리에 학습 데이터에 상정하는 데이터(Db,Dc,Dd,De)를 미리 입력한 후 용접시에 재생시키게 된다.

상기 두 개의 접촉형 센서(SRa,SRb)는 가이드 레일(1) 상의 이송장치(20) 이동에 따라 용접토치(6)와 용접선(9) 간의 거리 및 용접토치(6)의 각도를 측정, 제어기(110)로 피드백함으로써 학습 데이터를 재생(Da)하여 용접 작업 중인 용접토치(6)의 실시간 위치보정에 사용된다.

상기 두 개의 센서(SRa,SRb) 중 앞에 위치한 센서(SRa)는 피용접물(7,8)의 왜곡된 곡면부(co) 형상을 인식하며, 뒤에 위치한 센서(SRb)는 용접토치(6)의 위치보정에 사용된다.

용접토치(6)의 각도는 두 개의 접촉형 센서(SRa,SRb)의 변위량으로 산출이 가능하며, 산출된 결과치와 제어기(110)의 메모리에 저장된 현재의 θ축 회전량과 비교하여 실시간 조절이 가능하도록 한다.

도 3 은 본 발명에 의해 구현되는 제어방식의 개념을 설명하기 위해 용접토치 및 곡면부의 관계를 보인 개략도로서, 본 발명은 도면부호 A, B, C, D 및 E 와같이 용접토치(6)의 위치 인식에 필요한 구간을 다수의 구간 별로 세분화하여 설정하여 두고, 이렇게 세분화된 각각의 구간 별로 로봇 제어기(110)에 학습을 실시함으로써 재생시에 정확한 용접토치(6)의 위치를 얻을 수 있게 된다.

즉, 프로그램이 교시하는 대로 이송장치(20)가 괘적 이동할 때 구간 별 접촉센서(SRa,SRb)에서 읽어들인 변위량과 현재 용접토치(6)의 자세를 비교 및 판단함으로써 보다 정확한 용접토치(6)의 변위를 위한 제어량을 결정할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명은 용접토치의 위치를 실시간 보상하는 학습 및 재생 방식의 방식으로 용접토치의 용접토치의 변위를 정확히 제어하게 되므로 어떠한 피용접물 형태에도 용접토치를 원하는 자세로 유지시킬 수 있어 용접 품질과 용접 속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. x,y,z축 방향으로도 조절 가능한 용접토치의 θ축 회전을 구동하며, θ축 변위를 감시하는 피드백 신호를 발생하는 서보모터와; 용접토치의 몸체 전후에 장착되어 용접토치에 대한 피용접물의 기울기를 측정하는 두 개의 접촉형 센서와; 상기 접촉형 센서의 검출신호에 의해 곡면부 구간을 x축으로 세분화하여 다수의 구간을 설정하고, 상기 서보모터의 피드백 신호와 상기 접촉형 센서의 검출신호를 연산하여 상기 각 구간 별 곡면부의 법선에 대한 용접토치의 θ축 회전각도를 감시하며, 상기 감시된 θ축 회전각도에 상기 접촉형 센서에 의해 측정되는 기울기를 실시간 보정하여 서보모터를 제어하는 제어기로 구성되는 것을 특징으로 하는 용접토치 변위 제어 시스템.