KR20010017651A

KR20010017651A - 왕복운동을 하는 레이저 변위센서와 피.엘.씨를 이용한 브이-홈 용접선 자동 추적 시스템

Info

Publication number: KR20010017651A
Application number: KR1019990033280A
Authority: KR
Inventors: 김종철; 류상훈; 권봉재
Original assignee: 김형벽; 현대중공업 주식회사
Priority date: 1999-08-13
Filing date: 1999-08-13
Publication date: 2001-03-05

Abstract

본 발명은 용접시 레이저 변위센서를 이용해 V-홈 용접선을 자동으로 추적할 수 있는 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 왕복운동을 하는 레이저 변위센서와 PLC 제어기를 이용하여 용접 작업을 수행함으로써 용접기법에 상관없이 적용할 수 있으며 검출된 토치 높이 방향과 용접선 횡 방향의 검출 오차를 손쉽게 수정할 수 있는 왕복운동을 하는 레이저 변위센서와 PLC를 이용한 V-홈 용접선 자동추적 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 레이저 변위센서(12), 레이저 변위센서(12)를 왕복운동시키는 서보모터와 슬라이드(16), 토치(28)의 위치를 잡는 X/Y-축 서보모터와 슬라이드(30,30'), 용접 토치(28), 아크 빛과 스패터를 차단하는 보호막으로 센서 및 구동부위를 형성하였다.

또한, 아날로그(Analog) 신호를 디지털(Digital)화하는 아날로그-디지털 변환유닛(18)을 사용하여 레이저 변위센서(12)의 출력신호를 읽어 PLC 제어기(10)의 CPU(32)로 읽어들이고, 위치유닛(20)을 사용하여 레이저 변위센서(12)의 왕복운동과 용접 토치(28)의 위치를 수정하는 지령을 서보앰프(24)에 내릴 수 있도록 PLC 제어기(10)를 형성하였다.

Description

왕복운동을 하는 레이저 변위센서와 피.엘.씨를 이용한 브이-홈 용접선 자동추적 시스템{Automatic V-groove Joint Tracking System Using a Laser Displacement Sensor and PLC}

일반적으로, 용접의 자동화에 있어서 용접선 자동추적은 필수적인 부분으로서 용접선 추적이란 임의의 용접경로에 따라 토치의 위치와 자세를 적절히 맞추는 것을 의미한다. 용접경로를 미리 알고있는 경우에도 용접공정 중 모재의 열변형에 의해 경로변화가 발생하므로 이러한 변화를 실시간으로 측정하여 보정해 주어야 한다.

용접선 추적센서는 크게 접촉식과 비접촉식으로 분류된다. 기계적 가이드 롤러(Guide Roller) 센서는 용접선에 가접 등의 돌기가 있을 경우는 그대로 오차로 나타나며 기구가 고장나기 쉬워서 대체적으로 신뢰성이 떨어진다. 접촉식 탐침센서는 마모와 탐침의 구부러짐 등에 의한 문제점을 갖고 있어서 생산현장에서는 사용을 꺼리고 있다. 비접촉식 센서인 아크센서는 별도의 감지장치가 필요없고 주요기능이 소프트웨어로 이루어져 있으나 PLC(Programmable Logic Controller)를 제어기로 사용하는 용접자동화 장비에서의 구현이 어려우므로 별도의 센서 제어기를 추가해야 하며, 토치가 반드시 위빙을 하여야 하므로 박판금속의 용접에는 적용이 불가능하다. 시각센서의 경우에는 가격이 지나치게 고가이므로 적용처가 한정된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명에 사용된 레이저 변위센서(Laser Displacement Sensor)는 광삼각측정법(Optical Triangulation)으로 대상물체까지의 거리를 검출한다. 발광소자로는 반도체 레이저가 사용되며 발광된 레이저 빔은 렌즈에 의해 대상물체로 집광된다. 대상물체에 반사된 광선은 수광소자인 CCD로 집광이 되어 빔 스폿을 형성한다. 대상물체까지의 거리가 변함에 따라 빔 스폿이 CCD 위를 이동하며 이를 검출함으로써 실제 거리를 결정하게 된다. CCD를 수광소자로 사용하기 때문에 대상물체에서 산란된 빛에 영향을 받지 않아서 용접 개선면의 상태 변화와 용접 중의 어느 정도의 아크 빛에도 안정적으로 변위를 측정할 수 있다.

또한, 본 발명의 적용 대상물은 V-홈을 갖는 맞대기 용접 혹은 필렛 용접이 될 수 있다. 본 발명에서는 연속적으로 공급되는 전극 와이어의 선단과 모재 사이에 아크를 발생시키고 아크열로 와이어의 모재를 용융시켜 용착금속을 만드는 용접법으로 와이어 속에 플럭스를 채운 코아드 와이어를 사용하는 플럭스 코아드 용접(Flux Cored Arc Welding)에 적용했으나 위와 같은 용접 조인트를 갖는 부재에는 용접기법에 상관없이 적용할 수 있는 왕복운동을 하는 레이저 변위센서와 PLC를 이용한 V-홈 용접선 자동추적 시스템을 제공함에 있다.

도 1 은 본 발명의 장치 사진

도 2 는 본 발명의 전체 장치 구성도

도 3 은 측정, 왕복운동, 신호처리를 위한 타이밍 차트

도 4 는 추적에 의한 레이저 변위센서의 출력신호 변화

도 5 는 용접선 추적점 검출과 토치 위치교정을 위한 자동제어 선도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

(10) : PLC 제어기 (12) : 레이저 변위센서

(14) : 서보모터 (16) : 위빙 슬라이드

(18) : 아날로그-디지털 변환유닛

(20) : 위치유닛 (22) : 센서앰프

(24) : 서보앰프 (26) : 용접 대상물

(28) : 토치 (30,30') : X/Y-축 슬라이드

(32) : CPU

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용을 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명의 장치 사진을 나타내 것으로서, 레이저 변위센서(12), 레이저 변위센서(12)를 왕복운동시키는 서보모터와 슬라이드(16), 토치(28)의 위치를 잡는 X/Y-축 서보모터와 슬라이드(30,30'), 용접 토치(28), 아크 빛과 스패터를 차단하는 보호막으로 센서 및 구동부위(도시하지 않음)를 형성하였다.

도 2 는 본 발명의 전체 장치 구성도를 도시한 것으로서, 아날로그(Analog) 신호를 디지털(Digital)화하는 아날로그-디지털 변환유닛(18)을 사용하여 레이저 변위센서(12)의 출력신호를 읽어 PLC 제어기(10)의 CPU(32)로 읽어들이고, 위치유닛(20)을 사용하여 레이저 변위센서(12)의 왕복운동과 용접 토치(28)의 위치를 수정하는 지령을 서보앰프(24)에 내릴 수 있도록 PLC 제어기(10)를 구성하였다.

첨부된 도면중 미설명 부호 (30,30')는 X/Y-축 슬라이드이고, (26)은 용접 대상물이다.

도 3 은 측정, 왕복운동, 신호처리를 위한 타이밍 차트를 도시한 것으로서, 레이저 변위센서(12)의 왕복운동에 맞추어 측정과 신호처리, 용접 토치(28)의 위치수정을 하기 위한 타임차트(Timing Chart)이다. 좌정지, 우행, 우정지, 신속복귀 등의 일련의 동작이 한 주기(Cycle)를 이룬다. 용접부재의 홈의 크기에 따라 소요시간은 달리 설정할 수 있을 것이다. 레이저 변위센서(12)에 의한 측정은 좌정지 및 우정지 기간 동안 행하도록 하였다.

도 4 는 용접 중 추적을 하고 있을 때 레이저 변위센서의 출력신호 변화를 도시한 것으로서, 산 모양의 신호는 레이저 변위센서가 V-홈을 가로질러 통과할 때 출력한 부분이며, 산과 산사이의 구간이 PLC 제어기가 용접선 추적점 검출을 위해 받아들이는 부분이다. 센서의 위빙폭 중심이 V-홈의 중심과 일치할 때는 산을 기준으로 좌·우의 높이값이 같으나 첫 번째 위빙에서와 같이 한쪽으로 치우치면 좌·우의 높이값에 차이가 나게된다. 두 번째 위빙에서는 용접선 횡방향으로 오차가 수정되어 좌·우의 높이값에 차이를 보이지 않는다. 세 번째 위빙에서는 두 번째 위빙에서 검출된 토치 높이 방향의 검출 오차가 수정되어 나타나고 있다.

도 5 는 레이저 변위센서의 출력신호를 읽어 용접선 추적점을 검출한 후 토치의 위치를 수정하기까지의 자동제어 선도를 나타낸 것으로서, 측정 데이터(Data)의 신뢰성 확보와 V-홈면의 요철로부터 영향을 덜 받기 위해 좌정지 및 우정지 중 각각 다수의 데이터를 t₃시간동안 구해 평균을 높이로 취했다. 위빙폭을 V-홈의 폭보다 작게 잡고 V-홈의 중심이 항상 위빙구간 안에 있는 것으로 가정하면 수정해야 할 용접선 횡방향과 높이방향의 거리값은 다음의 식으로 얻을 수 있다.

ΔX = (ΔH/2)tan(θ/2)

ΔY = H_Ref- H

단, ΔX : 횡방향의 거리,

ΔY : 높이방향의 거리,

ΔH : 위빙구간 양쪽 측정값의 차,

θ : V-홈의 각도,

H_Ref: 미리 설정해 둔 기준높이,

H : 위빙구간 양쪽 측정값의 평균을 나타낸다.

본 발명은 용접시 왕복운동을 하는 레이저 변위센서와 PLC를 제어기로 하는 V-홈 용접선을 자동으로 추적하는 시스템을 개발 사용함으로써 기계의 수명을 연장시킬 수 있고 신뢰성을 향상시킬 수 있으며 또한, 본 발명에 적용되는 용접 대상물은 V-홈을 갖는 맞대기 용접 혹은 필렛 용접이 될 수 있어 용접 조인트를 갖는 부재에는 용접기법에 상관없이 적용할 수 있음과 검출된 토치 높이 방향과 용접선 횡 방향의 검출 오차를 손쉽고 완벽하게 수정할 수 있도록 한 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims

서보모터(14)와 위빙 슬라이드(16)가 레이저 변위센서(12)를 왕복운동시키고 센서앰프(22)를 통해 아날로그 신호를 디지털화하는 아날로그-디지털 변환유닛(18)을 사용하여 레이저 변위센서(12)의 출력신호를 읽어 PLC 제어기(10)의 CPU(32)로 읽어들이며 PLC 제어기(10)의 위치유닛(20)을 사용하여 레이저 변위센서(12)의 왕복운동과 용접 토치(28)의 위치를 수정하는 지령을 서보앰프(24)로 내리게 되면 서보앰프(24)는 서보모터(14)와 위빙 슬라이드(16)로 신호를 보내게 되고 서보모터(14)와 슬라이드(16)는 다시 레이저 변위센서(12)로 신호를 보내 측정과 신호처리, 용접 토치(28)의 위치를 수정하게 되는 것을 특징으로 하는 왕복운동을 하는 레이저 변위센서와 PLC를 이용한 V-홈 용접선 자동추적 시스템.