KR20020007142A - 용접로봇의 위빙모션 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접시 용접사가 행하는 용접에 가까운 위빙모션을 실현하기 위한 용접로봇의 위빙모션 제어방법에 관한 것인데, 목적위치를 티칭하고, 용접 파라미터를 설정하며, 파라미터와 티칭된 목적위치에 의해 용접경로를 산출하고, 산출된 경로에 따라서 위빙 용접을 실시함으로써, 별도의 장치 없이 목적위치의 교시 및 파라미터 설정만으로 모든 용접경로를 일시에 산출하고 그에 따라 원활한 위빙동작을 수행할 수 있다.

Description

용접로봇의 위빙모션 제어방법{Controlling method for weaving motion of welding robot}

본 발명은 용접로봇의 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용접시 용접사가 행하는 용접에 가까운 위빙모션을 실현하기 위한 용접로봇의 위빙모션 제어방법에 관한 것이다.

최근에 산업현장에서는, 다양한 종류의 산업용 로봇이 사용되고 있으며, 이들 중에는, 철판 등의 각종 재료를 용접하는 용접용 로봇도 제안되어 있다. 로봇을 사용한 용접에서는 용접대상 모재를 운반하여 지그에 고정시키고, 대상 모재에 용접이 실시될 용접 라인상의 용접 시작점과 용접 종료점을 입력하면, 제어부는 그 저장된 소정의 프로그램에 기초하여 용접토치를 구동하여 용접을 행한다.

이러한 모재를 용접하는 데에는 아크용접(arc welding) 등의 방법이 주로 사용된다. 아크용접은 용접토치에 와이어를 공급하면서 용접토치와 용접모재사이에 강한 전류를 형성하여 와이어 및 모재를 순간적으로 녹이며 융착시키는 용접방법이다. 아크용접을 행할 때에는, 모재의 종류나 용접하고자 하는 용접 부위의 상호 접촉형상에 따라 소정의 용접조건을 미리 설정하여 입력시킨다. 이러한 용접조건들에는 용접전류, 용접전압, 용접토치와 모재간의 이격거리, 와이어의 공급속도 및 용접토치에 의한 위빙모션(weaving motion)의 속도 등이 포함된다.

위빙모션(weaving motion)이란, 로봇이 용접 작업을 행할 때 한 번의 경로이동으로 용입량을 많게 하기 위하여 단순한 직선/곡선만으로 움직이는 것이 아니라좌우로 왔다 갔다 하면서 진자운동(oscillation motion)을 하는 것을 의미한다.

종래의 위빙모션은 용접 시작점(#PNT1)과 용접 마치는 점(#PNT2) 사이가 N개의 위빙 사이클로 이루어지며 각 위빙 사이클은 4개의 단위직선(#1/4 내지 #4/4)으로 이루어진다. 즉, #1/4 per 1 내지 #4/4 per N개의 직선의 조합으로 위빙 모션이 이루어진다.

이하에서는 상술한 종래의 위빙모션 동작에 대하여 설명하도록 한다.

로봇 언어 프로그램 상에서 위빙 모션 명령이 떨어지면(S10) 현재 로봇의 위치를 체크한다(S20). 시작점(#PNT1)에서 끝점(#PNT2) 까지의 위빙 모션을 위한 N개의 위빙 사이클을 생성하고 이를 위한 위치를 산출한다(S30).

현재위치 및 진행할 위빙 사이클의 단위직선(#n/4)의 경로를 산출한다(S40). 즉, 위빙모션 개시일 경우 시작점(#PNT1)에서 첫 번째 단위직선 #1/4 per 1의 경로를 산출한다.

로봇의 각 구동부를 제어하여 산출된 경로에 대하여 위빙 모션을 시작하면(S50) 로봇은 산출된 경로인 #PNT1에서 #1/4 per 1을 따라서 이동하면서 용접을 실시한다. 산출된 경로를 따라 용접이 완료되면 해당 경로의 위빙모션을 중지한다(S60).

그리고 현재위치가 위빙모션의 종점인지를 판단한다. 즉, 현재위치가 끝점인 #PNT2(즉, #4/4 per N까지 종료한 위치)인지를 판단한다(S70). 단계(S70)에서 종점이 아니라고 판단되면 현재위치(#1/4 per 1)와 계속 진행할 위치(#2/4 per 1)의 경로를 산출한다(S40).

단계(S70)에서 현재위치가 끝점인 #PNT2라고 판단되면 위빙모션을 종료한다(S80).

전술한 종래의 위빙모션은, 위빙 경로(weaving path) 전체 영역을 위한 위빙 고유의 경로계획(path planning)을 하지 않고 - 즉, 순수 위빙 모션을 위한 경로 계획이 아닌 - 단위 모션을 조합한 위빙 사이클을 구현한 방법이다. 이러한 위빙모션은 한 사이클 내의 수십 개 내지 수백 개의 단위 직선을 조합, 즉 짧은 직선의 경로를 하나씩 조합하여 만들어진다. 즉, 모든 사이클 구간에서 각 직선경로를 일시에 산출하지 않고 개별적으로 산출하여 동작하기 때문에 위빙 모션 자체가 동작의 연속성이 결여되어 용접결과가 부자연스러운 단점이 있었다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 원활한 위빙 동작을 구현할 수 있는 용접로봇의 위빙모션 제어방법을 제공하는 것이다.

도 1은 종래 용접로봇의 위빙모션 제어방법을 설명하기 위한 흐름도.

도 2는 본 발명에 따른 용접로봇을 설명하기 위한 블록도.

도 3은 본 발명에 따른 위빙 모션을 설명하기 위한 설명도.

도 4a, 4b는 본 발명에 따른 용접로봇의 위빙모션을 설명하기 위한 설명도.

도 5a, 5b는 본 발명에 따른 용접로봇의 위빙모션을 설명하기 위한 설명도.

도 6은 본 발명에 따른 용법로봇의 위빙모션 제어방법을 설명하기 위한 흐름도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10:제어수단 11:제 1 저장부

12:제 2 저장부 20:입력부

30:표시부 40:중앙처리부

50:축컨트롤러 60:서보회로부

70:용접기 인터페이스 80:로봇메카니즘

90:아크용접컨트롤러 100:용접토치

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 본 발명에 따른 용접로봇의 위빙모션 제어방법은, 목적위치를 티칭하는 단계, 용접 파라미터를 설정하는 단계, 파라미터와 상기 티칭된 목적위치에 의해 용접경로를 산출하는 단계, 산출된 경로에 따라서 위빙 용접을 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2를 참조하면, 전술한 본 발명에 따른 용접로봇의 로봇 메카니즘(80)은 관절부에 용접토치(100)를 구비하며, 용접토치(100)는 아크용접 전력컨트롤러(arc welding power controller;90)와 접속되는데, 로봇 메카니즘(80)과 아크용접 전력컨트롤러(90)는 제어수단(10)과 접속되어 제어를 받는다.

상기 제어수단(10)은, 중앙처리부(central processing unit; CPU;40)와, 저장부와, 입력부(20)와, 표시부(30)와, 축 컨트롤러(axis controller;50)와, 용접기 인터페이스(70)를 구비하고 이 모두는 버스를 토해 중앙처리부(40)와 접속된다. 또한 제어수단은 로봇 메카니즘(80)의 각 축(individual axes)들을 구동하는 서보모터(미도시) 등을 제어하는 서보회로부(60)를 포함한다.

상기 저장부(10)는 제어 프로그램을 저장하는 제 1 저장부(11)와, 데이터 및 제어 파라미터를 저장하는 제 2 저장부(12)를 포함하여 구성된다. 상기 입력부(20)는 용접로봇을 작동 및 데이터 입력을 위한 각종 입력 버튼(미도시)을 구비하며, 상기 표시부(30)는 용접로봇의 작동 상태를 표시할 수 있도록 CRT 혹은 LCD 등의 디스플레이로 이루어진다. 상기 축 컨트롤러(50)는 다수의 축(axis)을 제어하기 위한 인터폴레이터(interpolator)(미도시)를 포함한다. 또한 상기 용접 메카니즘의 각 부분에는 다수의 센서(엔코더; encoder; 미도시)들이 설치되는데 각 센서들을 통하여 검출되는 데이터는 중앙 처리부(40)를 통하여 상기 제 2 저장부(12)에 저장된다.

아크용접의 개략적인 과정은 다음과 같다.

소정의 대상 모재를 용접지그에 고정시킨다. 중앙처리부(40)는 미리 저장된데이터에 따라서 용접을 실시하는데, 용접을 실시하기 전에 용접 대상인 모재의 실질적인 위치에 근거하여 오차를 보상한 정확한 용접시작점, 용접종료점 및 용접부위의 용접라인을 확인한다. 이러한 용접시작점, 용접종료점 및 용접부위의 용접라인을 산출 및 확인하는 방법은 이미 알려져 있다. 예로서, 용접라인을 중심으로 한 모재들간의 접촉형상타입과 용접라인상의 개략적 용접시작점 및 용접종료점을 설정하고, 용접시작점에 인접한 공간상의 일 부위에 용접토치를 위치시키고, 모재를 향해 용접토치를 이동시켜 용접토치와 모재간의 접촉을 감지함으로써 모재의 위치를 판별하며, 모재들간의 접촉형상타입과 판별된 모재의 위치를 기준으로 용접라인을 산출하여 용접을 행하는 방법이 있다.

한편, 용접로봇의 용접토치가 용접시작점에 배치되면, 가스공급장치는 쉴딩가스를 공급하는 한편, 와이어 공급장치를 통해 와이어를 적절히 공급하면서 대상모재에 용접을 실시한다.

이하에서는 본 발명에 따른 위빙 모션을 설명하도록 한다.

도 3을 참조하면 모재(111 및 112)를 용접할 때 본 발명에 따른 위빙 모션에서는 x, y, z로 이루어지는 3개의 좌표축을 가지는데, x축은 좌우 위빙 운동 방향이며, y축은 용접진행 방향(직선 모션 경로 방향)이며, z축은 위빙직각 방향(토치 접근방향)이다.

상기 위빙모션은 옵션(/opt), 위빙 타입(TYPE), 위빙 주파수(FREQ), 위빙 진폭(AMP), 좌우측 지연시간(TIME LEFT, TIME RIGHT) 혹은 좌우측 진행거리(DL, DR),용접속도 등 다수의 파라미터를 가진다. 각 파라미터의 값은 입력부를 통하여 사용자로부터 입력받거나 저장부(10)에 저장된 미리 설정된 데이터를 이용한다.

상기 옵션(/opt)은 위빙모션의 끝점을 지정하는 것으로, 예를 들어 두께가 얇은 박판과 두께가 두꺼운 후판을 용접할 경우, 후판쪽에서 용접이 종료하도록 하여 박판의 손상을 방지할 수 있도록 한다. 즉, 후판이 용접 진행방향의 오른쪽일 경우 옵션을 /R로 하여 위빙평면(121)상에서 위빙 기준선의 오른쪽(123)에서 위빙을 종료(도 4의 a)하며, 후판이 용접 진행방향의 왼쪽일 경우 옵션을 /L로 하여 위빙평면(121) 상에서 위빙 기준선의 왼쪽(122)에서 위빙을 종료한다(도 4의 b). 옵션(/opt)이 없을 경우에는 위빙 기준선에서 위빙을 종료한다.

상기 위빙 타입(TYPE)은 위빙형태를 정의하는 것으로 TYPE이 1 및 2이면 단진동 위빙, TYPE가 3이면 진자형 위빙, TYPE가 0이면 사용자 위빙으로 구분된다. 상기 단진동 위빙은 모재는 정지해 있고 용접로봇의 모션에 의해 용접토치가 이동하면서 용접이 이루어지는 것으로, TYPE이 1일 경우 도 5a와 같이 톱니바퀴형의 위빙형태를 가지며, TYPE이 2일 경우 도 5b와 같이 사다리꼴의 위빙형태를 가진다. 상기 진자형 위빙은 모재가 이송되며 용접토치는 모재의 이송방향에 대하여 수직방향으로 진자운동을 하면서 용접이 이루어진다.

상기 FREQ는 위빙 주파수(weaving frequency)로서 위빙모션을 행할 때 위빙 횟수를 지정하기 위한 것인데, 0.1 내지 9.9㎐의 범위를 가진다. 즉, FREQ가 1㎐일 경우 초당 1회 위빙을 행한다.

상기 AMP는 위빙 진폭(weaving amplitude; AMP)으로서 상기 위빙 주파수에따른 위빙 모션시 시작위치(#PNT1)와 목적위치(#PNT2)를 연결하는 위빙 기준선에서 좌우로의 진동 범위를 결정하는 것이며, 좌우 0.1 내지 99㎜의 범위를 가진다.

상기 좌측지연시간(TIME LEFT)은 진자형 위빙 혹은 톱니바퀴형 단진동 위빙에서 적용되는 파라미터로, 상기 위빙 주파수(FREQ)에 따라 단진동 위빙을 할 경우, 위빙 기준선에서 상기 위빙 진폭(AMP)만큼 좌측으로 이동했을 때 최고점에서 머무르는 시간이며 0.1 내지 9.9sec의 범위를 가진다. 또한 상기 우측지연시간(TIME RIGHT) 역시 톱니바퀴형 단진동 위빙에서 적용되는 파라미터로 상기 위빙 주파수(FREQ)에 따라 단진동 위빙을 할 경우, 위빙 기준선에서 상기 위빙 진폭(AMP)만큼 우측으로 이동했을 때 최고점에서 머무르는 시간이며 0.1 내지 9.9sec의 범위를 가진다(도 5a).

상기 좌측진행거리(DL)는 사다리꼴 단진동 위빙에서 적용되는 파라미터로서 상기 위빙주파수(FREQ)에 따라 단진동 위빙을 할 경우, 위빙 기준선에서 위빙 진폭(AMP)만큼 좌측으로 이동한 후 용접진행방향으로 이동하는 거리이며, 밀리미터(㎜) 단위를 가진다. 또한 상기 우측진행거리(DR) 역시 사다리꼴 단진동 위빙에서 적용되는 파라미터로서 상기 위빙주파수(FREQ)에 따라 단진동 위빙을 할 경우, 위빙 기준선에서 위빙진폭(AMP)만큼 우측으로 이동한 후 용접진행방향으로 이동하는 거리이며, 밀리미터(㎜) 단위를 가진다(도 5b).

상기 (I/O no. OR @R##, **)는 외부신호에 의한 인터럽트에 관한 것인데, 예를 들어 외부신호 I/O no.가 5이면 5번 I/O 신호가 액티브(active) 상태가 되었을 경우 위빙모션을 종료한다.

상기 용접속도는 용접 토치가 시작위치(#PNT1)에서 목적위치(#PNT2)로 이동할 때의 속도이며, 8 내지 16㎜/sec의 범위를 가진다.

본 발명에 따른 용접로봇의 위빙 제어방법은, 현재위치 및 시작점(#PNT1)을 가지고 목적점(#PNT2)을 교시(teaching)하면, 이 교시되는 점과 상기 파라미터에 의해서 위빙 모션이 이루어진다.

이하에서는 전술한 각 파라미터의 적용형식과 적용 예를 설명하도록 한다.

각 파라미터는 WS (/opt) TYPE, FREQ, AMP, TIME LEFT(혹은 DL), TIME RIGHT(혹은 DR), (I/O no. OR @R##, **)의 형식으로 적용하며, WS는 위빙모션 시작 명령어이다.

1) 톱니바퀴형 단진동 위빙

WS 1, 1.5, 4, 0, 0

WS는 위빙 모션 시작 명령어로 위빙 타입1번으로 초당 1.5회의 주파수, 진폭 4로 단진동 위빙을 개시하는 것이다. 이때 위빙 타입(TYPE)이 1번이기 때문에 용접토치(100)는 톱니바퀴형의 단진동 위빙을 하며, 좌우측 지연시간(TIME LEFT 및 TIME RIGHT)은 영(zero)이다.

2) 사다리꼴형 단진동 위빙

WS 2, 1.5, 4, 2, 1

WS는 위빙 모션 시작 명령어로 위빙 타입2번, 즉 사다리꼴형의 진자형 위빙으로 초당 1.5회의 주파수, 진폭 4로 단진동 위빙을 하면서 좌측 진행거리(DL)가 2가 되도록 하고 우측 진행 거리(DR)가 1이 되도록 용접을 하는 것이다.

3) 진자형 위빙

WS 3,1.5,4,0,0

WS는 위빙 모션 시작 명령어로 위빙 타입3번으로 초당 1.5회의 주파수, 진폭 4로 진자형 위빙을 개시하는 것이다.

이하에서는 도 6을 참조하여 전술한 본 발명에 따른 용접로봇의 위빙 제어방법에 대하여 설명하도록 한다.

중앙처리부(40)는 제 1 저장부(11)에 저장된 프로그램에 따라서 용접로봇 및 아크 용접기를 제어하여 용접을 행하는데, 위빙 모션일 경우 다음과 같은 절차를 따른다.

중앙처리부(40)는 현재 용접 토치(100)의 위치(#PNT0)를 검출한다(S100). 이때 현재 용접 토치(100)의 위치(#PNT0)는 용접로봇의 동작 중 로봇 메카니즘(80)으로부터 피드백되는 신호에 의해 검출되며, 그 방법은 통상의 로봇 위치 검출 방법에 따른다.

현재 위치(#PNT0)를 검출한 후에는, 사용자는 입력부(20)를 통하여목적위치(#PNT2)를 티칭한다(S110). 그리고 사용자는 용접속도, 위빙타입(TYPE), 위빙주파수(FREQ), 위빙 진폭(AMP), 좌우측 지연시간(TIME LEFT, TIME RIGHT) 등의 파라미터를 입력부(20)로 입력하거나 저장부에 저장되어 있는 미리 설정된 파라미터 값을 설정한다(S120). 이때 위빙 타입(TYPE)이 단진동형 위빙 중 사다리꼴위빙일 경우 상기 좌우측 지연시간(TIME LEFT, TIME RIGHT)은 좌우측진행거리(DL, DR)가 된다.

파라미터의 설정이 완료되면 중앙처리부(40)는 시작위치(#PNT1) 및 목적위치(#PNT2) 사이의 모든 경로를 산출한다(S130). 경로가 산출된 후 중앙처리부(40)는 산출된 경로에 관한 데이터를 제 2 저장부(12)에 저장한다.

모든 경로가 산출되면 중앙처리부(40)는 용접 로봇을 제어하여 산출된 경로를 따라 용접토치(100)를 이동시키면서 상기 파라미터 값에 따라 용접 토치(100)를 위빙시키면서 용접을 실시한다(S140). 이에 따라, 용접토치(100)는 시작위치(#PNT1)에서 목적위치(#PNT2)까지 설정된 속도로 이동하면서, 위빙주파수(FREQ)에 따라 위빙 진폭(AMP)만큼 진동(Oscillation)하며 용접이 이루어진다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 용접로봇의 위빙모션 제어방법에 의하면, 별도의 장치 없이 목적위치의 교시 및 파라미터 설정만으로 모든 용접경로를 일시에 산출하고 그에 따라 원활한 위빙 동작을 수행할 수 있다.

Claims (9)

1. 상호 접촉하는 모재간의 용접부위에 용접을 행하는 용접로봇의 제어방법에 있어서,

   목적위치를 티칭하는 단계,

   용접 파라미터를 설정하는 단계,

   상기 파라미터와 상기 티칭된 목적위치에 의해 용접경로를 산출하는 단계,

   산출된 경로에 따라서 위빙 용접을 실시하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 용접로봇의 위빙 제어방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 파라미터는 용접시작 위치와 목적위치 사이의 직선 경로상에서의 위빙 타입과, 위빙 주파수 및 위빙 진폭을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접로봇의 위빙 제어방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 위빙 타입은,

   용접 토치가 상기 직선 경로상의 좌우로 진동하며 모재가 이동하는 진자형 위빙과,

   상기 모재는 고정되며 상기 용접토치가 상기 직선 경로상을 진동하며 목적위치로 이동하는 단진동형 위빙을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접로봇의 위빙 제어방법.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 위빙 진폭은 상기 용접토치가 상기 직선 경로의 좌우로 이동하는 진폭인 것을 특징으로 하는 용접로봇의 위빙 제어방법.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 위빙 주파수는 상기 용접토치가 상기 직선 경로의 좌우로 진동하는 시간당 실행횟수인 것을 특징으로 하는 용접로봇의 위빙 제어방법.
6. 제 3 항에 있어서,

   상기 진자형 위빙시 상기 파라미터는

   상기 직선경로를 기준으로 상기 위빙 진폭의 좌측 최고점에서 머무르는 시간을 설정하는 좌측지연시간과,

   상기 직선 경로를 기준으로 상기 위빙 진폭의 우측 최고점에서 머무르는 시간을 설정하는 우측 지연시간을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접로봇의 위빙 제어방법.
7. 제 3 항에 있어서,

   상기 단진동형 위빙은 톱니바퀴형 위빙이며,

   상기 파라미터는 상기 직선경로를 기준으로 상기 위빙 진폭의 좌측 최고점에서 머무르는 시간을 설정하는 좌측지연시간과,

   상기 직선 경로를 기준으로 상기 위빙 진폭의 우측 최고점에서 머무르는 시간을 설정하는 우측 지연시간을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접로봇의 위빙 제어방법.
8. 제 3 항에 있어서,

   상기 단진동형 위빙은 사다리꼴 위빙이며,

   상기 파라미터는 상기 직선경로를 기준으로 상기 위빙 진폭의 좌측 최고점에서의 진행거리를 설정하는 좌측진행거리와,

   상기 직선경로를 기준으로 상기 위빙 진폭의 우측 최고점에서의 진행거리를 설정하는 우측진행거리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접로봇의 위빙 제어방법.
9. 제 2 항에 있어서,

   상기 파라미터는 상기 직선 경로를 기준으로 상기 목적위치의 좌측 및 우측중 어느 하나의 위치에서 위빙 모션을 마치는 것을 설정하는 위빙마침점을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접로봇의 위빙 제어방법.