KR20020035186A - 용접선 자동추적 및 용접조건 적응제어 방식의 용접캐리지장치 - Google Patents

용접선 자동추적 및 용접조건 적응제어 방식의 용접캐리지장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용접선 자동추적 및 용접조건 적응제어 방식의 용접캐리지 장치에 관한 것으로, 그 목적은 시각센서에서 획득한 용접선 추적 데이터를 피드백을 하여 용접선 추적 기능을 가지고 스스로 이동방향을 산출하여 이동하도록 하고, 시각센서에서 획득한 용접조건 데이터를 피드백으로 하여 실시간으로 용접선 갭 정보에 맞도록 용접조건 적응제어 하며, 시각센서를 이용하여 용접의 시작점 및 끝점 자동 검출 기능을 가진 용접캐리지 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 구성은 용접선(6)을 따라 작업부재(50)를 용접하는 통상의 용접캐리지장치에 있어서, 상기 용접토치 앞, Z축 슬라이드(4)에 설치되어 레이저띠(8)를 주사하여 용접선의 시각 정보를 파악하고, 용접의 시작점 및 끝점을 검출하는 시각센서(7)와, 상기 각 장치들을 제어하는 제어장치로 구성되어 용접선 자동추적 및 용접조건 적응제어가 가능하도록 한 것을 특징으로 하는 용접선 자동추적 및 용접조건 적응제어 방식의 용접캐리지 장치.

Description

용접선 자동추적 및 용접조건 적응제어 방식의 용접캐리지 장치{Welding carriage system with automatic weld-seam tracking and adaptive controlling of weld condition}
본 발명은 용접선 자동추적 및 용접조건 적응제어 방식의 용접캐리지 장치에관한 것이다.
일반적으로 용접캐리지는 도 1에 도시된 바와 같이 용접캐리지는 작업자에 의해 용접선(6)과 어느 정도 평행하게 놓여진 레일(2) 위에 놓여진다.
처음 작업자는 Y축 슬라이드(3)와 Z축 슬라이드(4)를 이동시켜 용접 토치(5)를 용접조건에 알맞게 설정한다.
그리고 작업자는 용접캐리지의 이동속도를 설정하고, 용접캐리지 몸체(1)는 좌우측 구동바퀴에 의해 레일(2)을 이동한다.
그래서 용접캐리지(1)는 용접선(6)과 평행하게 움직이면서 용접을 실시하게 되는데, 이때, 작업자는 용접의 진행상황을 주시하면서 용적선(6)과 용접토치(5)가 일치하지 않을 때에는 Y축(3)과 Z축(4) 슬라이드를 이용하여 수동으로 용접선 추적을 실시한다.
그리고 용접선(6)의 갭이 변화할 때에는 갭의 변화량에 맞도록 작업자가 용접조건(용접전류, 용접전압, 용접속도=용접캐리지 속도)을 적절하게 조절하여 용접을 수행한다.
하지만 이와 같은 용접캐리지를 사용한 방법은 용접부재의 크기가 커지고, 경사진 곳에서 작업할 경우, 작업자는 상당한 어려움을 겪게 된다는 단점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 시각센서에서 획득한용접선 추적 데이터를 피드백을 하여 용접선 추적 기능을 가지고 스스로 이동방향을 산출하여 이동하도록 하고, 시각센서에서 획득한 용접조건 데이터를 피드백으로 하여 실시간으로 용접선 갭 정보에 맞도록 용접조건 적응제어 하며, 시각센서를 이용하여 용접의 시작점 및 끝점 자동 검출 기능 및 다층용접기능을 가진 용접캐리지 장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적은 작업 부재 상에 레일을 주행할 수 있는 용접캐리지 몸체와, Y축 슬라이드와 Z축 슬라이드가 있고, 그리고 Z축에 용접토치가 부착되고 용접토치 앞에 용접선의 정보를 파악할 수 있는 시각센서로 구성된 용접캐리지를 구비하여, 이를 제어하는 제어장치에 의해 용접선 자동추적 및 용접조건 적응제어가 가능한 용접캐리지 장치를 제공함으로서 달성된다.
이러한 장치는 작업자가 작업초기에 용접캐리지를 용접선과 어느 정도 평행하게 위치시키고 용접캐리지를 작동시키면 용접이 끝날 때까지 시각센서에 의해 자동으로 용접선 추적을 수행하며, 용접조건 역시 시각센서에 의해 현재의 용접선의 정보에 맞도록 적절하게 조절되어 질 수 있는 장치이다.
도 1은 종래의 용접캐리지,
도 2는 본 발명의 시스템을 도시한 개념도,
도 3은 본 발명의 실시예에서 위치이동 경로,
도 4는 본 발명의 작동을 위한 제어기의 주요 블록선도,
도 6은 본 발명의 필렛 이음부 용접시의 시스템 개념도,
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(1) : 용접캐리지 몸체 (2) : 캐리지용 레일
(3) : Y축 슬라이드 (4) : Z축 슬라이드
(5) : 용접토치 (6) : 용접선
(7) : 시각센서 (8) : 레이저 띠
(9) : 용접 토치 각도 설정 지그 (20) : 좌측 구동 바퀴
(21) : 우측 구동 바퀴
(30) : 용접캐리지의 상의 이동 좌표계(OXYZ)
(31) : 시각센서 상의 좌표 이동 좌표계(oxyz)
(32) : 좌표계(OXYZ)의 이동 경로
(33) : 실제의 용접선 (50) : 작업 부재
(101) : 조작부
(102) : 인터페이스(Man-Machine Interface)
(105) ; 영상처리부 (106) : Y-Z축 경로 보정부
(107) : 운동제어부 (108) : 구동부
(109) : 용접조건 설정부
(121) : 초기 주행속도 설정 및 운전지령
(122) : 경로보정 데이터(△X, △Y △Z)
(123) : 용접캐리지 위치정보(X, Y, Z)
(124) : 속도 정보 데이터(Vx, Vy, Vz)
(125) : 용접조건 보정 데이터(△A, △V)
(126) : 초기 용접조건 설정 데이터(A, V)
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 용접캐리지장치는 그 구성이 용접선(6)을 따라 작업부재(50)를 용접하도록 좌우측 구동바퀴(20, 21)에 의해 움직이는 용접캐리지 몸체와(1), 이용접캐리지 몸체에 부착된 수평방향으로 움직이는 Y축 슬라이드(3) 및 수직방향으로 움직이는 Z축 슬라이드(4)와, Z축 슬라이드(4)에 부착된 용접토치(5)로 구성된 통상의 용접캐리지장치에 있어서,
상기 용접토치 앞, Z축 슬라이드(4)에 설치되어 레이저띠(8)를 주사하여 용접선의 시각 정보를 파악하고, 용접의 시작점 및 끝점을 검출하는 시각센서(7)와,
상기 각 장치들을 제어하는 제어장치로 구성되어 용접선 자동추적 및 용접조건 적응제어가 가능하도록 한 용접캐리지장치이다.
상기 제어장치는 초기 용접조건 설정 데이터(용접전류, 용접전압)(126) 및 초기 주행속도 설정 및 운전지령(121)을 입력하여 인터페이스(102)를 통해 전달하는 조작부(101)와,
용접선(6)이 용접캐리지의 주행방향과 일치하지 않을 경우, 경로 오차를 시각센서(7)에서 획득하여 경로보정 데이터(△X, △Y △Z)(122)와 용접선의 갭(Gap) 정보(갭 크기, 단차, 그루브 면적 등)를 이용하여 용접조건 보정 데이터(△A, △V)(125)를 산출하는 영상 처리부(105)와,
경로보정 데이터(△X, △Y △Z)(122)를 입력받아 실제 용접속도(Vx)를 구현하고, Y축 및 Z축 슬라이드를 제어하기 위한 용접캐리지 위치정보(X, Y, Z)(123)를 운동제어부(107)로 넘겨주는 Y-Z축 경로보정부(106)와,
시각센서(7)가 용접토치(5)와의 거리를 보상하여 산출된 값인 용접캐리지 위치정보(X, Y, Z)(123)를 입력받아 실제 용접캐리지의 양측 구동 바퀴(20, 21) 및YZ축 슬라이드(3, 4)를 제어하기 위한 속도 정보 데이터(Vx, Vy, Vz)(124)를 산출하여 구동부(108)를 제어하는 운동제어부(107)와,
영상처리부(105)에서 얻어진 용접조건 보정 데이터(△A, △V)(125)를 입력받아 현재의 용접선의 갭(Gap) 정보에 맞는 용접조건을 설정하게 되어, 갭의 변화에 따른 실시간 용접조건 적응제어를 하는 용접조건 설정부(109)로 구성된다.
이하 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 시스템의 주요 부분 구성을 나타낸 개념도인데,
좌측 구동바퀴(20), 우측 구동 바퀴(21)를 구동하여 작업부재(50)상의 용접선(6)을 따라 움직이는 용접캐리지 몸체(1)와, 이 용접캐리지 몸체(1)에 탑재되어 수평방향 이동하는 Y축 방향 슬라이드(3)와, Y축 방향 슬라이드(3)의 일측단에 설치되어 수직방향 이동하는 Z축 방향 슬라이드(4)와, Z축 방향 슬라이드(4)와 연동하여 움직이는 용접토치(5)와, 용접선(6)의 정보를 획득하기 위해 작업부재 상에 레이저 띠(8)를 주사하는 시각센서(7)로 구성된다.
도 3은 본 발명의 한 실시 예에 관계된 위치이동 경로이다.
도면 중 30은 용접캐리지 상의 이동 좌표계(OXYZ), 31은 시각센서 상의 이동 좌표계(oxyz), 32는 좌표계(OXYZ)의 이동 경로, 33은 실제의 용접선을 추적하여 움직이는 시각센서의 이동경로를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 작동을 위한 제어기의 주요 블록선도인데, 그 구성은 초기 용접조건(126) 및 속도,운전지령(121) 입력부인 조작부(101)와, 작업자와 시스템간의 인터페이스(Man-Machine Interface ,102)와, 용접토치(5)와, 용접선 추적 및 용접조건 적응제어를 위해 용접선 정보를 파악하기 위한 시각센서(7)와, 시각센서로부터 입력받은 영상 데이터를 처리하기 위한 영상처리부(105)와, X축, Y축, Z축 경로 보정 처리부(106)와, 구동부(108)를 제어하기 위한 운동제어부(107)와, 용접조건 설정부(109)와, 용접속도 및 운전지령 데이터(121)와, 경로보정 데이터(△X-용접속도, △Y △Z)(122)와, 용접캐리지 위치정보(X, Y, Z)(123)와, 속도 정보 데이터(Vx, Vy, Vz)(124)와, 용접조건 보정 데이터(△A, △V)(125)와, 용접조건 초기설정 데이터(A, V)(126)로 구성되어 있다.
상기와 같은 본 발명 구성품들의 작동을 자세히 설명하면 다음과 같다.
작업초기에 작업자는 레일(2)을 용접선(6)과 어느 정도 평행하게 위치시키고, 용접토치(5)의 중앙에 있는 용접 와이어를 용접선(6)의 중앙에 둔다.
그리고 조작부(101)를 이용하여 용접속도 및 용접조건(용접전류-A, 용접전압-V) 초기 설정을 하고 용접을 시작한다.
용접캐래지 몸체(1)는 레일(2)상의 바퀴(20, 21)에 의해 주어진 용접속도로이동한다. 용접선(6)이 레일(2)과 평행하도록, 즉 용접캐리지의 이동경로(32)와 정확히 일치하도록 레일(2)을 설치한다면 용접선 추적이 필요없을 것이다. 하지만 이것은 실제 작업에 있어서 상당히 어려운 작업이다.
실제의 용접선(33)은 부재의 절단시 수반되는 부재의 변형, 초기 레일(2) 설치시의 위치 오차 등으로 인하여 레일(2)과 평행하지 않다.
이러한 실제의 용접선(33)과 용접캐리지의 이동경로(32)와의 경로 오차를 시각센서(7)에서 인식한다.
이 경로 오차의 허용값은 Y축 슬라이드의 유효범위에 한정된다.
영상 처리부(105)에서 경로보정 데이터(△X, △Y, △Z)(122)와 용접선의 갭(Gap) 정보(갭 크기, 단차, 그루브 면적 등)를 이용하여 용접조건 보정 데이터(△A, △V)(125)를 산출한다.
경로보정 데이터(△X, △Y, △Z)(122)를 입력받은 X-Y-Z축 경로보정부(106)는 실제 용접속도(Vx)를 구현하고, Y축 및 Z축 슬라이드를 제어하기 위한 용접캐리지 위치정보(X, Y, Z)(123)를 운동제어부(107)로 넘겨준다.
운동제어부(107)는 구동부(108)를 제어하여 샘플링 시간(Ts) 동안 이동할 거리를 이용하여 용접속도(Vx), 용접선 추적을 위한 Y축 및 Z축 속도(Vy, Vz)를 산출한다. 이때 용접토치(5)와 시각센서(7)가 일정한 거리를 두고 설치되어 있으므로, 이러한 거리를 보상하여 제어가 이루어진다.
시각센서는 용접선 추적, 뿐만 아니라 용접 시작점 및 용접 끝점을 자동으로 검출할 수 있으며 다층용접을 할수 있기 때문에 용접작업의 완전자동화를 구현할수 있다.
운동제어부(107)는 용접캐리지 위치정보(X, Y, Z)(123)를 입력받아 실제 주행 용접캐리지의 양측 구동 바퀴(20, 21) 및 YZ축 슬라이드(3, 4)를 제어하기 위한 속도 정보 데이터(Vx, Vy, Vz)(126)를 산출하여 구동부(108)를 제어한다.
용접조건 설정부(109)는 영상처리부(105)에서 얻어진 용접조건 보정 데이터(△A, △V)(125)를 입력받아 현재의 용접선의 갭(Gap) 정보에 맞는 용접조건을 설정하게 되어, 갭의 변화에 따른 실시간 용접조건 적응제어가 이루어지게 된다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예이다.
(실시예 1)
도 5은 본 발명의 필렛 이음부에 대한 실시 예이다.
도 2에서 보인 평판 용접이 아니라, 필렛(Fillet) 이음부의 용접 예이다.
용접 토치 각도 설정 지그(9)를 이용하여 필렛 용접에 맞도록 설정하고 용접을 수행하는 예이다.
용접 토치 각도 설정용 지그(9)에 의해 시각센서(7)가 일정 각도를 유지하고 용접토치(5)의 기울어진 각도와 동일하다.
시각 센서의이동 좌표계(31-xyz)에 의해 얻어진 경로 보정량 데이터(122)는용접캐리지가 용접선을 추적하고 적절한 용접속도를 구현하기 위해 OXYZ 좌표계로 변환되어 진다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
본 발명은 앞에서 기술한 것처럼 용접선 자동추적과 용접조건 적응제어가 실시간으로 제어되는 용접캐리지이므로, 종래의 방법에서 레일을 정확하게 용접선과 일치하도록 설치해야 하고, 용접 중 작업자가 용접 진행과정을 주시하면서 용접선을 추적하도록 각 축 슬라이드를 수동 조작하는 행위, 뿐만 아니라 용접조건을 용접선 갭(Gap) 정보에 맞도록 용접조건을 수동으로 조절해야 하는 비효율적인 작업을 대신해 줄 수 있기 때문에, 용접작업에서 작업의 편의성 및 생산성 향상 등의 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 용접선(6)을 따라 작업부재(50)를 용접하도록 좌우측 구동바퀴(20, 21)에 의해 움직이는 용접캐리지 몸체와(1), 이 용접캐리지 몸체에 부착된 수평방향으로 움직이는 Y축 슬라이드(3) 및 수직방향으로 움직이는 Z축 슬라이드(4)와, Z축 슬라이드(4)에 부착된 용접토치(5)로 구성된 통상의 용접캐리지장치에 있어서,
    상기 용접토치 앞, Z축 슬라이드(4)에 설치되어 레이저띠(8)를 주사하여 용접선의 시각 정보를 파악하고, 용접의 시작점 및 끝점을 검출 및 다층용접이 가능한 시각센서(7)와,
    상기 각 장치들을 제어하는 제어장치로 구성되어 용접선 자동추적 및 용접조건 적응제어가 가능하도록 한 것을 특징으로 하는 용접선 자동추적 및 용접조건 적응제어 방식의 용접캐리지 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어장치는 초기 용접조건 설정 데이터(용접전류, 용접전압)(126) 및 초기 주행속도 설정 및 운전지령(121)을 입력하여 인터페이스(102)를 통해 전달하는 조작부(101)와,
    용접선(6)이 용접캐리지의 주행방향과 일치하지 않을 경우, 경로 오차를 시각센서(7)에서 획득하여 경로보정 데이터(△X, △Y △Z)(122)와 용접선의 갭(Gap)정보(갭 크기, 단차, 그루브 면적 등)를 이용하여 용접조건 보정 데이터(△A, △V)(125)를 산출하는 영상 처리부(105)와,
    경로보정 데이터(△X, △Y △Z)(122)를 입력받아 실제 용접속도(Vx)를 구현하고, Y축 및 Z축 슬라이더를 제어하기 위한 용접캐리지 위치정보(X, Y, Z)(123)를 운동제어부(107)로 넘겨주는 Y-Z축 경로보정부(106)와,
    시각센서(7)가 용접토치(5)와의 거리를 보상하여 산출된 값인 용접캐리지 위치정보(X, Y, Z)(123)를 입력받아 실제 용접캐리지의 양측 구동 바퀴(20, 21) 및 YZ축 슬라이드(3, 4)를 제어하기 위한 속도 정보 데이터(Vx, Vy, Vz)(124)를 산출하여 구동부(108)를 제어하는 운동제어부(107)와,
    영상처리부(105)에서 얻어진 용접조건 보정 데이터(△A, △V)(125)를 입력받아 현재의 용접선의 갭(Gap) 정보에 맞는 용접조건을 설정하게 되어, 갭의 변화에 따른 실시간 용접조건 적응제어를 하는 용접조건 설정부(109)로 구성된 것을 특징으로 하는 용접선 자동추적 및 용접조건 적응제어 방식의 용접캐리지 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 용접토치(5)는 필렛 용접일 경우, 필렛 용접에 맞도록 설정하고 용접을 수행하도록 용접 토치 각도 설정 지그(9)를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 용접선 자동추적 및 용접조건 적응제어 방식의 용접캐리지 장치.
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