KR20010095570A - 회전아크 자동용접장치의 용접선 추적방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전아크 자동용접장치의 용접선 추적방법에 관한 것으로, 용접토치의 전극이 회전하는 동안 전류 및 전압을 샘플링하며 전류 및 전압 데이터를 입력받는 과정과, 전극을 회전시키는 회전모터의 펄스값을 저장하여 입력된 전류 및 전압 데이터들에 대한 각각의 전극회전위치를 매칭시키는 과정과, 상기 입력된 전류 및 전압 데이터들을 칼만필터에 의해 필터링하여 노이즈를 제거하며 구해진 전압전류 데이터들로부터 보정량을 계산하는 과정과, 상기 계산된 보정량만큼 토치위치를 보정하여 용접토치가 용접선을 추종하도록 하는 과정을 포함하며, 용접품질의 향상 및 용접 투입시수를 감소시키는 이점이 있다.

Description

회전아크 자동용접장치의 용접선 추적방법{Method for chasing weld line of rotating arc type automatic welding machine}

본 발명은 회전아크 자동용접장치의 용접선 추적방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 칼만필터링 기법을 이용하여 입력 데이터의 노이즈를 효과적으로 제거하여 정밀한 용접선 추적을 수행하도록 하는 회전아크 자동용접장치의 용접선 추적방법에 관한 것이다.

일반적으로 조선, 교량 등과 같이 대형의 철골구조물을 제작하는 산업현장에서 후판의 맞대기 용접은 도 1의 작업 공정도에 나타낸 바와 같이 용접토치가 개선홈 사이로 깊숙이 들어갈 수가 없으므로 부재에 X형상의 개선을 가공(ST11)하여 한쪽 면을 용접(ST12)한 후에 부재를 턴 오버(ST13), 가우징(ST14)하여 나머지 면을 용접(ST15)하는 X개선 용접법이 이용된다.

그런데, X개선 용접법은 부재에 X개선 가공을 하여야하므로 절단시수가 많이 투입되며, 용접 중 부재 턴 오버 및 가우징을 하여야하므로 부대시수 소모가 많고, 부재에 X개선을 함으로서 용착량이 많아 용접재료 소모 및 용접 투입시수가 많다.

이러한 X개선 용접법의 문제점을 해결하기 위하여 근래에는 도 2의 작업 공정도에 나타낸 바와 같이 부재에 I개선 가공(ST21)을 하고 용접전에 용접물이 흘러내리지 않도록 백킹재료를 부착(ST22)한 후 전극이 회전되는 협홈 용접용 토치를 이용하여 부재를 한쪽 면에서 일괄 용접(ST23∼ST24)하는 I개선 용접법이 시행되고있다.

I개선 용접법은 부재 턴 오버 및 가우징을 할 필요가 없고 부재를 I개선 가공하므로 X개선 용접법에 비하여 상대적으로 용접 부대시수 소모가 적고 절단 시수가 절약되는 장점을 갖는다.

한편, 용접선 자동 추적을 위한 센서로는 레이저 비전 센서와 아크 센서를 사용할 수 있으며, 피용접 부재의 상황에 따라 적절한 센서가 선택된다. 그런데 후판 용접시에는 용접가스가 많이 발생하므로 용접전압과 전류를 이용하여 용접선을 추적하는 아크 센서가 주로 적용된다.

전술한 바와 같이 용접선 추적을 위해 사용되는 아크 센서는 용접전압과 전류를 이용하여 용접토치가 용접선을 벗어난 정도를 계산하는데, 전압 및 전류는 용접상황에 따라 민감하게 변화되므로 정확한 데이터 수집이 필수적이다.

따라서, 본 발명에서는 칼만필터링 기법을 이용하여 입력 데이터의 노이즈를 효과적으로 제거함으로써 정밀한 용접선 추적을 수행하도록 하는 회전아크 자동용접장치의 용접선 추적방법을 제공하여 용접품질의 향상 및 용접 투입시수를 감소시키는 데 그 목적이 있다.

도 1은 후판 X개선 용접법의 작업 공정도.

도 2는 후판 I개선 용접법의 작업 공정도.

도 3은 본 발명에 따른 회전아크 자동용접장치의 용접선 추적방법을 설명하기 위한 플로우차트.

도 4는 본 발명에 따른 회전아크 자동용접장치의 용접선 추적방법에서 적용되는 칼만필터의 기본 개념도.

도 5a 내지 도 5d는 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 칼만 필터의 변수를 설정하는 한 예를 나타낸 도면.

도 6a 내지 도 6d는 칼만필터가 적절히 구성된 후의 데이터 추종 및 필터링 성능을 시험해 본 결과 도면.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 회전아크 자동용접장치의 용접선 추적방법은, 용접토치의 전극이 회전하는 동안 전류 및 전압을 샘플링하며 전류 및 전압 데이터를 입력받는 과정과,

상기 전극을 회전시키는 회전모터의 펄스값을 저장하여 입력된 전류 및 전압 데이터들에 대한 각각의 전극회전위치를 매칭시키는 과정과,

상기 입력된 전류 및 전압 데이터들을 칼만필터에 의해 필터링하여 노이즈를 제거하며 구해진 전압전류 데이터들로부터 보정량을 계산하는 과정과,

상기 계산된 보정량만큼 토치위치를 보정하여 용접토치가 용접선을 추종하도록 하는 과정을 포함한다.

바람직하기로, 상기 전류 및 전압 샘플링과정은 전류 샘플링과 전압 샘플링을 각각 분리하여 수행하고, 상기 전극이 단위회전하는 동안 소정개의 전류 또는 전압을 일정간격으로 샘플링하며 상기 전극이 설정회수만큼 회전하는 동안 전류 또는 전압 데이터를 입력받는다.

아울러, 상기 전류 및 전압 매칭과정은 상기 샘플링이 끝나는 시점에서 상기 회전모터의 펄스값을 저장하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예로는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이 실시예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 보다 잘 이해할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 회전아크 자동용접장치의 용접선 추적방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.

용접이 시작되어 아크가 발생되면 용접토치의 전극이 단위회전하는 동안 소정개의 전류를 일정간격으로 샘플링하며 전극이 설정회수만큼 회전하는 동안 전류 데이터를 입력받는다. 여기서 전극이 1회전하는 동안 100개의 전류를 샘플링하며, 총 3회 회전하는 동안 전류 데이터를 입력받는 것이 바람직하다(ST101).

전류 샘플링이 끝나는 시점에서 회전모터의 펄스값을 저장하여 입력된 전류 데이터들에 대한 각각의 전극회전위치를 매칭시킨다(ST102).

여기서, "회전위치 = 펄스값 % 분해능"이다.

최종 샘플링된 전류에 대한 전극회전위치는 측정된 펄스값에서 모의 분해능을 나눈 나머지 값이 된다. 나머지 값이 "0"일 때에 전극회전위치는 0도가 되며, 나머지가 "분해능 × 1/2" 일 때에 전극회전위치는 180도가 된다.

전류 샘플링시 일정간격으로 1회전을 100등분하여 데이터를 입력받았으므로 최종 샘플링된 전류 데이터에 대한 전극회전위치가 구해지면 나머지 데이터에 대한 전극회전위치는 역으로 추종하면 쉽게 계산할 수 있다. 샘플링된 각 전류데이터들은 전극이 회전할 때 어느 시점에서 측정되었는지를 알아야 올바른 보정량을 계산할 수 있으므로 전극회전위치의 정확한 매칭은 필수적인 것이다.

위와 동일한 방식으로 전압을 샘플링하고 측정된 펄스값으로부터 각 입력데이터들에 대한 전극회전위치를 매칭시킨다(ST103∼ST104).

입력된 전류 및 전압 데이터들을 칼만필터에 의해 필터링하여 노이즈를 제거하며, 구해진 전압전류 데이터들로부터 보정량을 계산한다(ST105∼ST107).

이후, 계산된 보정량만큼 토치위치를 보정하여 용접토치가 용접선을 제대로추종하도록 한다(ST108).

다음으로, 현재 용접토치의 위치가 용접끝점에 도달했는지 확인한다. 이때 용접끝점에 도달했을 경우에는 아크 발생을 멈추도록 하고 용접을 종결하며, 용접끝점에 도달하지 않았을 경우에는 용접선 추적작업을 되풀이하면서 용접을 계속 수행하게 된다(ST109).

도 4는 본 발명에 따른 회전아크 자동용접장치의 용접선 추적방법에서 적용되는 칼만필터의 기본 개념을 나타낸 것이다.

칼만필터는 크게 예측그룹과 수정그룹의 두 그룹으로 나누어져 있으며, 이전 입력데이터에 의해 향후 데이터를 예측하고, 예측된 데이터로부터 현재 입력된 데이터들을 수정하는 방식을 되풀이한다. 이 데이터 예측 및 수정방식에 의해 데이터에 섞인 노이즈를 제거하고 시스템의 특성을 효과적으로 반영하도록 한다.

1) 데이터 예측 : 이전 입력된 데이터들로부터 향후 데이터를 예측한다.

2) 에러 예측 : 향후 데이터 측정시 수반될 에러를 예측한다.

3) 칼만 게인 계산 : 측정 데이터 수정시 사용되는 게인값을 계산한다.

4) 측정 데이터 수정 : 예측된 데이터와 게인으로부터 현재 측정된 데이터를 수정한다.

5) 에러 수정 : 데이터 수정시 발생한 에러를 계산(Xk : 예측되는 데이터, Zk : 측정된 데이터)한다.

칼만필터는 위에 기술한 바와 같은 기본적인 개념을 가지고 있으나, 적용되는 시스템과 적용방식에 따라 크게 다른 효과 가져올 수 있다. 즉, 변수들이 많아 시스템에 맞게 적절하게 구성되어지지 않으면 시스템의 특성과 맞지 않은 엉뚱한 결과를 초래할 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 각 변수들이 회전아크 용접특성을 잘 반영할 수 있도록 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 구한다.

도 5a 내지 도 5d는 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 칼만 필터의 변수를 설정하는 한 예를 나타낸 것이다.

고속회전아크 용접에서 전압,전류 데이터가 사인파형을 그리게 되므로, 컴퓨터 시뮬레이션시 사용된 데이터는 노이즈가 완전히 없을 때의 사인파형과 노이즈가 임의로 들어갔을 경우의 사인파형 및 노이즈파형을 이용하였다.

각 도면은 데이터 예측시 설정되는 변수인 B값이 0.5, 0.8, 1.0, 1.1로 변화함에 따른 칼만필터 추종성능을 시험한 것이다.

이에 나타난 바와 같이 B값이 0에 가까울수록 필터링된 데이터는 진폭이 작아지면서 래깅(lagging) 현상이 심화되고, B값이 1에 가까울수록 필터링된 데이터는 원래의 데이터와 가깝게 나타난다. 그리고 1이상이 되면 필터링된 데이터는 발산하게 된다. 따라서 고속회전아크 용접에서는 B값이 0과 1사이에서 설정되어져야 하며, 이때 발생하는 래깅 현상은 오프셋을 주어 래깅량 만큼 파형을 이동하여 보정한다.

도 6a 내지 도 6d는 칼만필터가 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 고속회전아크 용접의 특성을 반영하도록 적절히 구성된 후의 데이터 추종 및 필터링 성능을 시험해본 결과이다.

도 6a는 사인곡선에 대한 칼만필터의 추종성을 나타낸 것으로서, 노이즈가 없이 이상적인 조건하에서의 데이터에 대한 칼만필터링 결과는 래깅 또는 감쇄현상 없이 거의 완벽하게 추종하였다.

도 6b는 사인곡선에 노이즈가 임의로 섞여 있을 경우의 노이즈 필터링 성능을 나타낸 것으로서, 입력 데이터가 사인파형 및 노이즈파형인 경우 칼만필터링에 의해 노이즈가 적절히 제거되고 시스템의 특성이 잘 반영된 것을 볼 수 있다.

도 6c는 저역통과필터를 거치지 않고 측정된 전류 데이터의 칼만필터링 결과를 나타낸 것으로서, 저역통과필터를 거치지 않은 전류 데이터는 노이즈가 상당히 크게 섞여 있는 것을 볼 수 있는데 칼만필터링에 의해 노이즈 효과적으로 제거되었다.

도 6d는 저역통과필터를 거친 전압 데이터 및 칼만필터링 결과를 나타낸 것으로서, 저역통과필터를 거친 전압 데이터의 경우 노이즈의 진폭은 작으나 많은 노이즈가 섞여 있는 것을 볼 수 있는데 칼만필터에 의해 노이즈가 거의 제거된 것을 볼 수 있다.

본 발명은

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전류 샘플링과 전압 샘플링을 분리하여 수행하므로 각 입력데이터와 전극회전위치간 매칭을 혼선 없이 명료하게 하며, 전류 전압 샘플링이 각각 끝난 시점에서 회전전극 모터의 펄스값을 입력받으므로 샘플링된 데이터와 전극회전위치간 매칭을 정밀하고 간단하게 수행한다.

아울러, 전류 및 전압데이터 샘플링시 각각 전극이 설정회수만큼 회전하는 동안데이터를 입력받으므로 칼만필터링에 의한 데이터 필터링을 효율적으로 하여 필터링 성능이 높아진다.

일예로, 3회전하는 동안 데이터를 입력받는 경우에 첫번째 1회전 동안 입력된 데이터는 칼만필터링의 초기 데이터 수집에 이용하며, 두번째 1회전 동안 입력된 데이터는 보정량 산출시 이용되는 본 데이터이고, 세번째 1회전 동안 입력된 데이터는 필터링시 수반되는 데이터의 래깅 현상을 보정해 주므로 부분적으로 보정량을 산출하는 본 데이터에 이용된다. 즉 실제로 보정량 계산시 이용되는 데이터는 두번째 1회전하는 동안 입력된 데이터이며, 나머지 데이터들은 본 데이터가 올바른 값을 가지도록 돕는다.

전술한 바와 같이 전류,전압 샘플링과 전극회전위치를 매칭하므로 부재 사이의 협홈내에서 전극위치를 정밀하게 추정하고, 칼만필터에 의해 노이즈를 제거하여 보정량을 정확히 구하므로 용접선 자동추적 성능이 향상된다. 이로서 결과적으로는 불량을 최소화하므로 용접품질의 향상 및 용접 투입시수 감소의 효과가 있다.

Claims (4)

1. 용접토치의 전극이 회전하는 동안 전류 및 전압을 샘플링하며 전류 및 전압 데이터를 입력받는 과정과,

   상기 전극을 회전시키는 회전모터의 펄스값을 저장하여 입력된 전류 및 전압 데이터들에 대한 각각의 전극회전위치를 매칭시키는 과정과,

   상기 입력된 전류 및 전압 데이터들을 칼만필터에 의해 필터링하여 노이즈를 제거하며 구해진 전압전류 데이터들로부터 보정량을 계산하는 과정과,

   상기 계산된 보정량만큼 토치위치를 보정하여 용접토치가 용접선을 추종하도록 하는 과정을 포함하여 된 회전아크 자동용접장치의 용접선 추적방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전류 및 전압 샘플링과정은 전류 샘플링과 전압 샘플링을 각각 분리하여 수행하는 것을 특징으로 한 회전아크 자동용접장치의 용접선 추적방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 전류 및 전압 샘플링과정은 상기 전극이 단위회전하는 동안 소정개의 전류 또는 전압을 일정간격으로 샘플링하며 상기 전극이 설정회수만큼 회전하는 동안 전류 또는 전압 데이터를 입력받는 것을 특징으로 한 회전아크 자동용접장치의 용접선 추적방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 전류 및 전압 매칭과정은 상기 샘플링이 끝나는 시점에서 상기 회전모터의 펄스값을 저장하는 것을 특징으로 한 회전아크 자동용접장치의 용접선 추적방법.