KR20040000985A - 로봇 캘리브레이션 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

로봇 캘리브레이션 장치 및 그 방법이 개시된다. 개시된 로봇 캘리브레이션 방법은, (a) 자동차 라인의 기준 절대좌표를 알고 있는 지그 위의 적어도 3점의 위치를 측정점으로 선정하는 단계와; (b) 상기 단계 (a)에서 측정된 3점에 대하여 시뮬레이션 데이터와 현장의 실제 측정 위치가 일치하는지를 확인하는 단계와; (c) 와이어를 이용하여 로봇 건 팁 단부 및 상기 지그 위의 최소 3점 위치에 각각 티칭하는 단계와; (d) 이론적인 측정 위치 데이터 값을 입력하고, 상기 건의 툴 센터 포인트(TCP)(Tool Center Point)를 입력하여 측정 티칭 프로그램과, 측정 데이터를 비교하여 상기 로봇의 베이스 프레임 및 상기 건의 툴 센터 포인트 값을 계산하는 단계와; (e) 상기 단계 (d)에서 계산한 오차 크기를 판단하는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 로봇 베이스 프레임 및 TCP값을 와이어를 이용하여 측정 및 보정할 수 있어 정확한 예컨대, 1mm 이내의 고정도 캘리브레이션이 가능하고, 기존의 툴 및 레이아웃 캘리브레이션 방식에 비해 측정시간이 단축되는 이점이 있다.

Description

로봇 캘리브레이션 장치 및 그 방법{CALIBRATION APPARATUS FOR ROBOT AND METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 로봇 캘리브레이션 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 정확한 캘리브레이션이 가능하고, 작업 시간이 단축되도록 개선된 로봇 캘리브레이션 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
자동차의 차체 라인의 문제점을 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 사전에 문제점을 발췌하여 품질을 조기에 확보하고 생산준비기간을 단축하는 주요기술의 하나로 가상 생산기술이 주목받고 있다.
이러한 기술은 모든 제품의 제조 프로세스 또는 제조라인을 설계하고, 제작하여 현장에 설치한 후 문제점을 파악하고 제품을 생산할 때까지 일련의 과정들을 컴퓨터를 이용하여 모델링(modeling)하고 시뮬레이션 함으로써, 현장설치 후 발생할 수 있는 문제점들을 사전에 검토하고, 대처케 하여, 생산 준비기간의 단축, 원가절감, 설비의 신뢰성 향상 등의 목표를 달성할 수 있도록 지원하는 기술이다.
상기와 같은 기술을 이용하여 장비의 문제점 검토 등은 가능하겠지만, 최종적인 결과물은 로봇 등의 설비 프로그램을 작성하는 것이다. 이를 오프라인 프로그래밍(Off Line Programming) 기술이라 한다. 이 오프라인 프로그래밍 기술은 생산준비기간을 단축할 수 있는 핵심적인 기술중의 하나이다.
그러나 시뮬레이션을 통하여 작성된 로봇 프로그램은 바로 사용될 수는 없다. 이는 현장을 모델링할 때는 거의 CAD 데이터를 기준으로 모델링하게 되나 실제 설비를 현장에 설치하게 되면 모든 데이터가 차이가 있기 때문이다. 용접 건(Gun)도 설계된 데이터와는 다르며, 로봇 위치, 지그 위치 등도 모두 설계된 데이터와는 차이가 있게 된다.
그리고 오프라인으로 작성된 프로그램은 이들 설계된 데이터와 실제 현장과의 차이가 보정된 후에 실제 로봇의 컨트롤러(Controller)에 다운 로드(Down Load)되어 사용될 수 있다. 이를 캘리브레이션(Calibration) 기술이라 한다.
이를 캘리브레이션 기술에는 건 캘리브레이션(Gun Calibration)과, 레이아웃 캘리브레이션(Lay Out Calibration)이 있다.
우선, 건 캘리브레이션 용접 건의 CAD 모델링 데이터와 실제 현장의 용접 건의 차이를 보정한다. 오차가 발생할 수 있는 요인으로는 건 제작오차, 로봇 부착 각도 오류 등이 있다.
그리고 레이아웃 캘리브레이션은 CAD상의 로봇 위치, 지그 위치와 실제 현장의 로봇 위치, 지그 위치 차이를 보정한다.
툴(Tool) 또는 건 캘리브레이션 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
차체 패널(Panel) 용접 로봇 예컨대, 스포트(Spot) 용접 로봇(10)은 도 1에 도시된 바와 같이, 대부분 6축으로 구성되어 있으며 각 축 관절은 서보(Servo) 모터로 구동된다.
도 2에는 이러한 툴(Tool) 또는 건 캘리브레이션 방법을 순차적으로 나타내 보인 플로차트가 개략적으로 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 우선, 끝이 뾰족하고 스틸(Steel)로 된 니들 핀(NeedlePin)(21) 또는 폴(Pole)을 제작하고 로봇(10)의 작업반경 내에 설치한다.(단계 31)
그리고 작업자가 티칭(Teaching) 조작반으로 로봇(10)을 티칭하여 건(11) 하부 팁(Tip)이 니들 핀(21) 단부에 일치되게 한다.(단계 33)
또한 로봇(10)을 티칭하는데, 이때 4점 이상으로 한다.(단계 35) 여기서 4점의 의미는 동일한 점에서 4가지 자세를 의미한다.
이어서, 로봇 티칭 프로그램을 시뮬레이션 컴퓨터로 전송한다.(단계 37) 로봇 프로그램에서 4점이상의 동일한 점은 로봇 자세 등의 오차(백래쉬(backlash) 등)로 인하여 실제 한점으로 모이지 않는다.
그리고 오차 보정을 실시한다.(단계 39) 시뮬레이션 소프트웨어에서 업 로드(Up Load)한 프로그램을 구동하여 한점으로 모이지 않은 4점 이상을 한점으로 모은다.
또한 상기 단계에서 실시한 오차 크기를 확인한다.(단계 41) 건 제작 도면상의 축1에서 축2까지 거리와 시뮬레이션 소프트웨어에서 모델링된 데이터에서 축1과 축2의 거리를 비교한다.
상기 단계 41에서 오차 크기가 작으면, 로봇 티칭 프로그램을 작성하고, 이 프로그램을 다운 로드한다.(단계 43) 즉, 캘리브레이션 완료 후, 로봇 프로그램을 작성(오프라인 프로그래밍)하여 로봇 컨트롤러에 프로그램을 예컨대, 노트북 컴퓨터를 이용하여 다운 로드한다.
반면, 상기 단계 41에서 오차 크기가 크면, 시뮬레이션 소프트웨어상의 건을 수정한다.(단계 45)
그리고 레이아웃 캘리브레이션 방법을 보다 구체적으로 설명하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 지그(Jig)는 자동차 라인(Car Line) 좌표(제품 도면상의 좌표)를 기준으로 설치되며 패널을 규제하기 위한 유니트(Unit) 예컨대, 클램프(Clamp), 로케이터(Locator) 및 툴링(Tooling Pin)을 지칭한다.
도 4에는 레이아웃 캘리브레이션 방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 플로차트가 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 우선, 로봇이 설치된 위치(로봇 베이스 프레임)를 알기 위해서 줄자로 현장의 특정 기준점으로부터 로봇 베이스 프레임까지 로봇 위치를 계산한다.(단계 51)
그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 끝이 스틸(Steel)로 된 작은 핀[예컨대, 다우웰 핀(Dowel Pin)]을 제작하고 지그에 설치한다.(단계 53) 상기한 다우웰 핀은 지그와 지그를 결합하기 위하여 수치제어기 홀(NC Hole)에 삽입하는 핀이다.
이어서, 작업자가 로봇을 티칭하여 로봇 팁 단부를 다우웰 핀(자동차 라인 기준 절대좌표를 도면상으로 확인하여 위치를 알고 있음) 단부에 4점 이상 일치시킨다.(단계 55)
또한 로봇 티칭 프로그램을 시뮬레이션컴퓨터로 전송한다.(단계 57)
이어서, 시뮬레이션 소프트웨어에서 업 로드(up load)한 프로그램을 구동하여 현장 로봇을 티칭하여 획득한 4점 이상을 고려하여 모델링된 데이터와 비교하여 현장기준으로 일치시킨다.(로봇 데이터 위치이동)(단계 59)
그리고 캘리브레이션 완료 후, 로봇 프로그램을 작성(오프라인 프로그래밍)하여 로봇 컨트롤러에 프로그램을 노트북 컴퓨터를 이용하여 다운로드한다.(단계 61)
그런데, 상기와 같은 종래의 기술에 따른 캘리브레이션 방법은, 레이아웃 캘리브레이션을 하기 위해서 별도로 로봇 티칭을 해야하기 때문에 작업시간이 과다하게 걸린다.
그리고 로봇 위치를 정확히 알지 못하므로 위치정도 오차(5~20mm)가 많이 발생하여 다운 로드 후, 작업자가 미세 티칭을 모두 해야한다.
정도의 보장을 위하여 집중이 요구됨에 따라 작업자의 스트레스가 과다하게 발생한다.
기존 레이저 방식을 이용한 측정시 측정기의 가격이 고가이므로 측정비용이 증가된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 고정도 캘리브레이션이 가능하고, 작업 시간이 단축되며, 캘리브레이션 비용이 절감되고, 측정 장비의 설치시간이 줄어들 수 있도록 한 로봇 캘리브레이션 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 및 도 3은 종래의 기술에 따른 로봇 캘리브레이션 장치의 구성을 각각 개략적으로 나타내 보인 도면.
도 2 및 도 4는 종래의 기술에 따른 로봇 캘리브레이션 방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 플로차트.
도 5는 본 발명에 따른 로봇 캘리브레이션 장치의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.
도 6은 본 발명에 따른 로봇 캘리브레이션 방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 플로차트.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
70. 로봇
71. 건
72. 베이스 프레임
80. 광학 측정기
81. 와이어
91. 컴퓨터
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 로봇 캘리브레이션 장치는, 선단에 용접용 건이 부착된 로봇과; 상기 건의 단부 및 측정하고자 하는 위치에 설치되어 상기 로봇을 티칭함에 따라 그 길이가 변화되는 와이어가 설치된 광학 측정기와; 상기 광학 측정기의 일측에 설치되어 기준좌표가 설정되도록 하는 지그와; 상기 광학 측정기와 연결되어 캘리브레이션 완료 후 작성된 로봇프로그램을 상기 로봇의 컨트롤러에 다운로드 되도록 하는 컴퓨터;를 포함하여 된 것을 그 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 로봇 캘리브레이션 방법은, (a) 자동차 라인의 기준 절대좌표를 알고 있는 지그 위의 적어도 3점의 위치를 측정점으로 선정하는 단계와; (b) 상기 단계 (a)에서 측정된 3점에 대하여 시뮬레이션 데이터와 현장의 실제 측정 위치가 일치하는지를 확인하는 단계와; (c) 와이어를 이용하여 로봇 건 팁 단부 및 상기 지그 위의 최소 3점 위치에 각각 티칭하는 단계와; (d) 이론적인 측정 위치 데이터 값을 입력하고, 상기 건의 툴 센터 포인트(TCP)(Tool Center Point)를 입력하여 측정 티칭 프로그램과, 측정 데이터를 비교하여 상기 로봇의 베이스 프레임 및 상기 건의 툴 센터 포인트 값을 계산하는 단계와; (e) 상기 단계 (d)에서 계산한 오차 크기를 판단하는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 5에는 본 발명에 따른 로봇 캘리브레이션 장치를 개략적으로 나타낸 구성도가 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 로봇 캘리브레이션 장치는, 선단에 용접용 건(71)이 부착된 로봇(70)과, 상기 건(71)의 단부 및 측정하고자 하는 위치에 설치되어 상기 로봇(70)을 티칭함에 따라 그 길이가 변화되는 와이어(81)가 설치된 광학 측정기(80)와, 이 광학 측정기(80)의 일측에 설치되어 기준좌표가 설정되도록 하는 지그(90)와, 상기 광학 측정기(80)와 연결되어 캘리브레이션 완료 후 작성된 로봇프로그램을 상기 로봇(70)의 컨트롤러에 다운로드 되도록 하는 컴퓨터(91)를 포함하여 구성된다.
상기한 바와 같은 구성을 갖는 로봇 캘리브레이션 장치를 이용하여 본 발명에 따른 로봇 캘리브레이션 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 6에는 본 발명에 따른 로봇 캘리브레이션 방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 플로차트가 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 우선, 자동차 라인의 기준 절대좌표를 알고 있는 지그(90) 위의 적어도 3점의 위치를 측정점으로 선정한다.(단계 110)
상기 단계 110에서 측정된 3점에 대하여 시뮬레이션 데이터와 현장의 실제 측정 위치가 일치하는지를 확인한다.(단계 120)
이어서, 와이어(81)를 이용하여 건(71)의 팁 단부 및 지그(90) 위의 최소 3점 위치에 각각 예컨대, 15점씩 티칭한다.(단계 130)
그리고 이론적인 측정 위치 데이터 값을 입력하고, 상기 건(71)의 툴 센터 포인트(TCP)(Tool Center Point)를 입력하여 측정 티칭 프로그램과, 측정 데이터(와이어(81) 길이량의 변화)를 비교하여 상기 로봇(70)의 베이스 프레임(72) 및 건(71)의 툴 센터 포인트 값을 계산한다.(단계 140)
상기 단계 140에서 계산한 오차 크기를 판단한다.(단계 150)
상기 단계 150에서 오차가 작은 경우에는, 재 캘리브레이션을 수행토록 하고, 반면에 오차가 큰 경우에는, 에러(error)값을 보정하고 재 캘리브레이션을 수행토록 한다.(단계 160,170)
이렇게 캘리브레이션 완료 후, 로봇프로그램을 작성(오프라인 프로그래밍)하여 로봇(70)의 컨트롤러에 프로그램을 노트북 등의 컴퓨터(91)를 이용하여 다운로드 한다.
상기한 바와 같이 본 발명에 이용되는 측정원리는, 광학 측정기(80)를 건(71)의 단부 및 측정하고자 하는 위치에 부착하고, 로봇(70)을 티칭함에 따라 와이어의 길이가 변화하고, 이 길이의 변화량 및 로봇 티칭 프로그램을 비교하여 로봇(70)의 끝단의 위치 및 로봇(70)의 베이스 프레임(72)을 알아낸다.
그리고 그 전제 조건은, 기준좌표를 기준으로 측정하고자 하는 3점 이상의 정확한 x,y,z 위치를 시뮬레이션 데이터에서 알아낸다. 또한 이 측정 위치 데이터가 실제 현장 지그 위의 측정점과 정확히 일치하는지를 검증한다.
그리고 로봇(70)의 위치 및 TCP값 추론방법을 설명하면 다음과 같다.
우선, 현장 지그의 정확히 알고 있는 최소 3곳 이상의 측정점 선정하고, 각 측정 위치별로 와이어 광학측정기 설치 후, 15점 이상 로봇(70) 티칭한다. 이때 티칭과 동시에 광학 측정기(80)상의 와이어(81)의 길이량을 각각 측정한다.
이 두 가지 데이터 즉, 각 측정위치별 로봇 티칭 프로그램 및 와이어 길이량을 비교하여 인버스 카이너메틱스(Inversed Kinematics) 식으로 로봇(70)의 TCP값 및 로봇(70)의 베이스 프레임(72)을 알아낸다.
또한 로봇(70) 위치값 계산식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
우선, 베이스 프레임 = L1 + L3 + L+ j1 + j2 + j3 + j4 + j5 + j6
여기서, L1: 기준좌표에서 로봇(70) 베이스 프레임(72)까지 대략 측정거리,
L2: 기준좌표에서 측정점까지 거리,
L: 측정된 와이어 거리이다.
그리고 TCP값 = j1 + j2 + j3 + j4 + j5 + j6 + j7
여기서, j7: j6에서 TCP까지의 거리.
이때, 상기 TCP값은 앞서 계산한 로봇(70)의 베이스 프레임(72)을 기준으로 재 계산한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 로봇 캘리브레이션 장치 및 그 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
로봇 베이스 프레임 및 TCP값을 와이어를 이용하여 측정 및 보정할 수 있어 정확한 예컨대, 1mm 이내의 고정도 캘리브레이션이 가능하다.
그리고 기존의 툴 및 레이아웃 캘리브레이션 방식에 비해 측정시간이 단축된다.
또한 기존의 레이저를 이용한 방식에 비하여 측정기의 가격이 저렴하여 비용이 대폭적으로 줄어든다.
그리고 기존의 레이저를 이용한 방식에 비하여 설치 시간이 단축되고, 크기가 소형이므로 휴대하기 편리하다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (4)

  1. 선단에 용접용 건이 부착된 로봇과;
    상기 건의 단부 및 측정하고자 하는 위치에 설치되어 상기 로봇을 티칭함에 따라 그 길이가 변화되는 와이어가 설치된 광학 측정기와;
    상기 광학 측정기의 일측에 설치되어 기준좌표가 설정되도록 하는 지그와;
    상기 광학 측정기와 연결되어 캘리브레이션 완료 후 작성된 로봇프로그램을 상기 로봇의 컨트롤러에 다운로드 되도록 하는 컴퓨터;를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 와이어 광학측정기.
  2. (a) 자동차 라인의 기준 절대좌표를 알고 있는 지그 위의 적어도 3점의 위치를 측정점으로 선정하는 단계와;
    (b) 상기 단계 (a)에서 측정된 3점에 대하여 시뮬레이션 데이터와 현장의 실제 측정 위치가 일치하는지를 확인하는 단계와;
    (c) 와이어를 이용하여 로봇 건 팁 단부 및 상기 지그 위의 최소 3점 위치에 각각 티칭하는 단계와;
    (d) 이론적인 측정 위치 데이터 값을 입력하고, 상기 건의 툴 센터 포인트(TCP)(Tool Center Point)를 입력하여 측정 티칭 프로그램과, 측정 데이터를 비교하여 상기 로봇의 베이스 프레임 및 상기 건의 툴 센터 포인트 값을 계산하는 단계와;
    (e) 상기 단계 (d)에서 계산한 오차 크기를 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 캘리브레이션 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (e)에서 상기 오차가 작은 경우에는, 재 캘리브레이션을 수행토록 하는 것을 특징으로 하는 로봇 캘리브레이션 장치 및 그 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (e)에서 상기 오차가 큰 경우에는, 에러값을 보정하고, 재 캘리브레이션을 수행토록 하는 것을 특징으로 하는 로봇 캘리브레이션 장치 및 그 방법.
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