KR20040084309A - 레이저 용접장치의 레이저 헤드 위치 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로봇을 이용한 3차원 레이저 용접에서 레이저를 이용하여 용접 대상물을 용접시 로봇의 레이저 헤드의 변화 각도와 레이저 빔의 초점 거리 관측에 관한 것으로, 특히 로봇을 이용하여 용접 대상물에 레이저 용접을 할 용접선을 생성할 경우 레이저 빔의 높이 방향에 대한 거리를 검출하고, 헤드의 X, Y축 비틀린 각도를 관측하면서 평면적인 용접선 외에 비선형적인 용접선까지 관측 가능하도록 하는 것이다.

본 발명은 용접대상물과의 접촉여부를 감지하여 초점거리가 일정 영역안에 존재하는 가를 판단한 후, 거리측정센서 및 각도측정센서의 값을 처리하여 그 값을 반영하도록 하는 것으로, 레이저 헤드와 용접대상물간의 거리 및 각도를 구함에 있어서 발생될 수 있는 간섭을 최대한 회피하고 다양한 용접대상물에 대해서 거리가 측정가능 하도록 하므로써, 용접대상물의 정확한 형상을 측정할 수 있도록 하여 용접대상물의 형상을 기준으로 하여 작업자가 레이저 용접 빔의 초점 거리 및 변형각도를 설정하는데 최적의 상태를 제공할 수 있도록 하는 레이저 용접장치를 제공하고자 한다.

Description

레이저 용접장치의 레이저 헤드 위치 측정장치{Position measuring observer device laser head for welding}

본 발명은 로봇을 이용한 3차원 레이저 용접에서 레이저를 이용하여 용접 대상물을 용접시 로봇의 레이저 헤드의 변화 각도와 레이저 빔의 초점 거리 관측에 관한 것으로, 더욱 상세히 말하자면, 로봇을 이용하여 용접 대상물체에 레이저 용접을 할 용접선을 생성할 경우 레이저 빔의 높이 방향에 대한 거리를 검출하고, 헤드의 X, Y축 비틀린 각도를 관측하면서 평면적인 용접선 외에 비선형적인 용접선까지 관측 가능하도록 하는 레이저 헤드의 각도, 거리 관측 장치 및 측정 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 레이저 용접장치는 용접 대상물에 레이저 빔을 조사해서 용접 대상물을 용접하는 장치이다.

도 1은 이와 같은 일반적인 레이저 용접장치를 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 레이저 용접장치는 로봇제어부(11)에 의해 작동되어 관절부위 선단에 연결된 레이저 헤드(12)를 통해 레이저 발진기(13)에서 발생된 레이저 빔을 용접 대상물(14)의 용접부위에 조사하는 방식을 사용한다.

레이저 용접장치는 용접 작업과정을 수행함에 앞서, 용접대상물의 형상 즉, 용접이 이루어지는 용접면의 형상을 미리 측정하는 과정을 수행한 후, 이에 따라 해당하는 용접대상물에 대하여 상기와 같은 용접과정을 수행하게 된다.

이러한 레이저 용접 장치는 레이저 빔의 초점이 형성되는 거리에 대하여 미세한 높이 거리 오차가 발생하면 용접 대상물의 용접 성능이 떨어지기 때문에 레이저 빔의 초점 거리를 정확하게 알아야 한다.

용접 빔의 초점 지름은 0.6㎜로 초점이 조금만 벗어나도 용접이 불가능하게 되므로 정밀하게 측정하여야 한다.

또한 레이저 헤드의 수직도에 따라서 용접 성능이 변화 될 수 있으므로, 빔의 초점 거리와 레이저 헤드의 수직도를 알아내는 것이 중요하다.

또한 3차원 형태의 용접에서는 용접대상이 3차원적인 비선형 형상이 존재하므로 이러한 3차원 형상에 대한 데이터를 얻는 것 또한 중요하다.

도 2는 종래 레이저 용접 장치의 Z축 거리(수직높이)를 측정하기 위한 레이저 헤드의 구성을 나타낸 도면으로서,

종래 레이저 용접 장치의 거리 측정 방식은 로봇의 선단에 연결된 레이저 헤드(12)에 지그(21)를 연결하여 레이저 센서(22)를 부착한 구성을 갖는다.

이때, 용접 대상물(14)에 대하여 레이저 헤드(12)에서 발생되는 레이저 빔(B)의 초점 거리와 레이저 센서 빛(S)의 거리를 일치시켜서 기준 거리를 설정한다.

그후 로봇의 이동 및 용접 대상물(14)의 변화에 대하여 Z축 거리를 측정하게 된다.

그러나 이와 같은 방식은 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 레이저 거리 측정 센서는 빛을 대상체에 조사하여 반사된 양을 측정하는 장비인데 위의 장비에 대해서는 수직 상태의 측정이 아닌 도2에서 보는 바와 같이, 각도 변화량이 주어져 있으므로 빛의 반사율이 떨어지게 된다. 그러므로, 정확한 거리 측정이 어렵게 된다.

둘째, 레이저 거리 측정 센서는 빛의 반사에 의해 거리를 측정하는 장비인데, 반사율이 큰 용접대상물에 대하여 거리측정을 적용시킬 경우 거리측정자체가 불가능하게 된다.

셋째, 레이저 거리 측정 센서가 지그를 통해 레이저 헤드에 연결되어 있으므로, Z축 방향으로의 연결은 간섭이 거의 존재하지 않으나, XY축 방향은 용접시 작업 부재들과 간섭이 발생하는 상황이 되어 적용이 힘들다.

도 3은 종래 3차원 레이저 측정 장비에 의한 거리 측정 장치에 관한 개략적인 도면으로서, 이와 같은 레이저 용접 장치의 거리 측정 방식은 로봇의 관절부위 선단에 연결된 레이저 헤드(12)에 레이저 센서 반사경(31)이 레이저 용접 빔의 초점 거리가 되도록 지그(32)를 부착하여 외부의 레이저 트랙커(33)로 측정하는 장치이다.

이때, 로봇이 이동하면 레이저 트랙커(33)에서 생성된 레이저 변위 측정 빛이 레이저 헤드(12)에 연결된 레이저 센서 반사경(31)의 거리를 측정하게 되어 레이저 용접 빔의 3방향 거리 측정을 하게 된다.

위의 방식은 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 레이저 트랙커 등의 3차원 거리 측정 장비는 고가의 장비이고, 측정을 위해 사용되어야하는 부가 장치들이 많아서 단품 생산등의 현장에서는 타산성이 나오지 않는다.

둘째, 레이저 트랙커는 레이저 센서의 반사경에 의해 거리 측정이 되는 장비이다. 이것은 로봇이 공간상에서는 작업 부재들의 간섭 없이 로봇이 이송중일 때 반사경의 설치가 가능하여 거리 측정이 가능해지나, 실제 용접 대상물에 대하여 거리를 측정하고자 할 경우에는 작업 부재들의 간섭 및 측정 자체가 불가능해진다. 즉, 용접 대상물의 형상 측정이라는 관점에서는 효율성이 떨어지게 된다.

셋째, 레이저 트랙커에서 생성된 레이저 센서 측정 빛은 직진성에 의해 바로 반사경에 도달하여야 거리 측정을 할 수 있다.

이것은 레이저 트랙커와 레이저 센서의 반사경 사이에는 어떠한 간섭조차 허용할 수 없음을 의미하는 것으로, 설치 및 측정의 제약성이 많이 존재하게 된다.

본 발명은 거리 및 각도측정수단을 구성하여, 용접전에 용접대상물 형상을 정확하게 측정하여 용접의 품질도를 향상시키고자 하는 것으로,

본 발명은 레이저 용접을 수행하기 위해 레이저 헤드와 용접대상물간의 거리 즉, 레이저 빔의 초점과 용접대상물과의 거리를 측정하는 거리측정 수단을 구성하여 레이저 헤드와 용접 대상물과의 거리를 구하고 거리측정시 발생할 수 있는 간섭을 최대한 회피하며, 다양한 비선형적인 용접면을 갖는 용접대상물에 대해서도 거리를 측정할 수 있어 항상 최적의 용접 거리를 유지시켜 줄 수 있도록 한 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 레이저 헤드의 수직도에 대한 데이터를 확보할 수 있도록 하는 각도 측정 장비를 구비하여 레이저 헤드의 다양한 각도 변화에 따른 용접 실험 및 성능 평가를 할 수 있도록 하는 각도 측정장비를 제공하고자 한 것이다.

또한 본 발명은 거리 측정 및 각도측정 과정을 수행함에 있어, 용접대상물과의 접촉여부를 판별하여 용접대상물과 용접 빔의 초점이 일정거리안에 존재할 경우에 거리측정 및 각도측정값을 처리할 수 있도록 하므로써, 연속적인 측정 데이터를 얻을 수 있으며, 용접 대상물의 정확한 형상을 측정 할 수 있도록 한 것이다.

도 1은 일반적인 종래 레이저 용접장치의 구성을 보인 도면.

도 2는 종래 레이저 용접 장치의 Z축 거리 측정하기 위한 레이저 헤드의 구성을 나타낸 도면.

도 3은 종래 3차원 레이저 측정 장비에 의한 거리 측정 장치에 관한 개략적인 도면.

도 4는 본 발명 레이저 용접장치의 레이저 헤드 위치 측정장치의 구성을 보인 도면.

도 5는 도 4에 있어서의 'A'부 상세도.

도 6은 본 발명에 있어서, 접촉센서에 따른 용접용 레이저 헤드의 각도, 거리 센서 출력신호의 처리흐름에 관한 도면.

도 7은 본 발명에 있어서, 거리센서에 의한 감지데이터에 따른 용접 대상물의 형상 측정을 설명하기 위한 도면.

도 8은 본 발명에 있어서, 이와 같은 로봇제어수단의 데이터 처리 제어 방법을 나타낸 흐름도.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

로봇을 이용한 레이저 용접장치에 있어서,

레이저 헤드의 선단에 탈, 장착 가능하도록 하는 연결수단과, 용접대상물과의 접촉여부를 감지하는 접촉감지수단과, 용접 대상물과 레이저 헤드와의 거리를 측정하기 위한 거리측정수단과, 레이저 헤드의 변형각도를 측정하기 위해 구비된 각도 측정 수단을 포함하여 구성되어 작업자에 의해 레이저 헤드의 선단에 탈, 장착되는 측정 장치 본체와,

접촉감지수단에 의해 용접대상물의 접촉을 감지하여 레이저 용접 빔의 초점 거리가 일정 영역 안에 존재하는 가를 판단하고 이에 따라 상기 거리측정수단 및 각도측정수단의 감지 데이터를 처리하여 용접대상물의 용접면 형상을 측정하는 제어수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접장치의 레이저 헤드 위치 측정장치.

본 발명 장치는 접촉 센서에 의해서 용접 대상물과의 접촉여부를 판단하는 과정과, 용접대상물과의 접촉이 감지되면 거리측정수단에 의한 거리측정값을 처리하여 저장하는 과정과, 용접대상물과의 접촉이 감지되면 각도측정수단에 의해 측정된 변형각도를 처리하여 저장하는 과정과, 저장된 거리 측정값과 변형각도를 기준으로 용접 대상물의 형상으로 변환하는 과정의 실행 수순으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명 레이저 용접장치의 레이저 헤드 위치 측정장치의 구성을 보인 도면이며, 도 5는 이의 구성을 상세히 나타내기 위한 도 4에 있어서의 'A'부 상세도이다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명 레이저 용접장치의 레이저 헤드 위치 측정장치는, 레이저 헤드(110)와 나사 결합구조를 갖는 탭을 포함하는 연결부(120)와, 레이저 헤드(110)의 각도 측정이 가능하도록 하기 위한 각도 측정 센서(130)와, Z축의 높이 측정이 가능하도록 하기 위한 거리 측정 센서(140)와, 용접대상물과의 접촉에 따라 탐침부(160)와 함께 수직이동되며 거리측정을 위해 발사되는 레이저에 대한 반사평면 역할을 하는 기준면(150)과, 용접대상물(작업 부재)과 접촉이 이루어지는 탐침부(160)와, 용접대상물과 직접 접촉되는 부분이며 용접대상물이 접촉된 상태에서 유연하게 이송되어질 수 있도록 하는 볼(ball)(170)과, 탐침부(160)에 용접대상물이 접촉됨을 감지하는 접촉 센서(180)와, 기준면(150) 방향으로 탄성력을 제공하여 공간상에서 또는 용접대상물과의 접촉이 없는 경우 초기 상태로 유지시켜주기 위한 스프링(190)을 포함하여 구성되는 측정 장치 본체와,

상기 측정장치 본체의 각도 측정 센서(130), 거리 측정 센서(140),접촉센서(180)로부터 입력되는 측정 데이터를 입력으로 하여 용접대상물의 형상을 측정하는 로봇 제어부를 포함하여 구성된다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명 레이저 용접장치의 레이저 헤드 위치 측정장치의 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4에 도시된 바와 같이, 로봇의 관절부위 선단에 구성된 레이저 헤드(110)에 본 발명을 따르는 레이저 헤드(110)의 위치를 측정하기 위한 'A'에 나타낸 측정장치 본체가 부착된다.

이와 같은 장치는 레이저 헤드(110)와 연결하기 위하여 나사산이 형성된 탭으로 이루어진 연결부(120)에 의해 레이저 헤드(110)와 나사결합구조를 갖는다.

즉, 레이저 헤드(110)와 연결부(120)에는 각각 서로 대응하는 형상의 나사산이 형성되며, 이와 같은 구조를 이용하여 연결부(120)를 레이저 헤드(110)에 연결하는 것이다.

이와 같은 본 발명 측정장치는 거리측정센서(140)와 각도측정센서(130)를 구성하여, 거리 측정은 Z축 방향의 거리 성분을 측정하고, 각도의 측정은 X, Y 방향을 측정한다.

이와 같은 본 발명 레이저 헤드 위치 측정장치는 레이저 헤드(110)에 연결부(120)를 체결하고, 로봇(102)을 이동시킨다.

용접대상물과의 접촉이 없을 경우, 기준면(150)에 작용하는 스프링(190)에 의해 항상 초기 상태는 유지하고 있기 때문에 접촉 센서(180)에서는 현재 용접대상물과 접촉이 발생하고 있지 않음을 감지한다.

여기서, 상기 기준면(150)은 스틸(steel)로 이루어지며, 거리측정감지수단인 거리측정센서(140)로부터 발사되는 레이저에 대한 반사평면역할을 하는 것으로, 빛에 의한 거리측정시 반사율이 큰 용접대상물인 경우 발생될 수 있는 문제를 해결할 수 있다.

이때 로봇 제어부에서는 거리 측정 센서(140)와 각도 측정 센서(130)에서 측정되고 있는 데이터는 획득(처리)하지 않는다.

로봇을 용접대상물로 이동시키면서, 용접대상물에 탐침부(160)의 볼(170)이 접촉을 하게되면 탐침부(160)가 용접대상물에 접촉되면서 용접대상물과 탐침부(160)간의 거리에 따라 눌린만큼 압축력이 발생하게 되고, 이에 따라 기준면(150)에 작용하는 스프링(190)이 발생된 힘에 대하여 스프링(190)이 수축된다.

접촉센서(180)는 상기와 같이 탐침부(160)의 변위가 변화하게 됨을 감지하여 탐침부(160)가 용접대상물과 접촉하게 됨을 감지하게 되고, 레이저 용접장치의 로봇 제어부에 감지신호를 보내게 된다.

이때 상기 기준면(150)은 수축된 스프링(190)에 의해 상측으로 탐침부(160)와 함께 이동된다.

로봇 제어부에서는 접촉 센서(180)의 신호를 기준으로 거리 측정 센서(140)와 각도 측정 센서(130)의 데이터가 유효화되어 작업자에게 부가적인 작업을 요구하거나 데이터의 변환이 발생하게 된다.

도 6은 본 발명에 있어서, 접촉센서(180)에 따른 용접용 레이저 헤드의 각도, 거리 센서 출력신호의 처리흐름에 관한 도면이다.

여기서 Ts 는 탐침부(160)의 볼(170)이 용접대상물에 접촉하기 시작하는 시점을 표시하며, Tf는 탐침부(160)의 볼(170)이 용접대상물과의 접촉을 종료하는 시점을 표시하고 있다.

시간(t)이 Ts 이전 또는 Tf 이후 인 경우는 용접대상물과의 접촉이 발생하지 않는 상태이므로, 거리 측정 센서(140)와 각도 측정 센서(130)의 데이터가 유효화 되지 않고 있으며, Ts 로부터 Tf구간은 용접대상물과 접촉되는 시간이므로, 거리 측정 센서(140)와 각도 측정 센서(130)의 데이터가 유효화 되고 있음을 알 수 있다.

즉, 로봇 제어부에서는 용접대상물과의 접촉이 감지된 시점(Ts)으로부터 거리측정센서(140) 및 각도측정센서(130)로 부터의 감지데이터를 취득하여 처리하기 시작하여, 접촉이 종료된 시점(Tf) 동안에 측정된 거리측정센서(140) 및 각도측정센서(130)의 감지데이터를 처리하도록 하는 것이다.

도 7은 본 발명에 있어서, 거리센서에 의한 감지데이터에 따른 용접 대상물의 형상 측정을 설명하기 위한 도면이다.

탐침부(160)의 볼(407)이 작업 부재(105)와 접촉하지 않음으로써 거리 측정 센서(140)의 데이터는 버려지고, 로봇이 이동하면서 탐침부(160)가 용접대상물과 접촉하는 순간(Ts) 거리 측정 센서(140)의 데이터가 유효화되면서 데이터의 기록을 수행한다.

이때 거리 측정 센서(140)로부터 측정된 데이터는 용접대상물의 형상과Mirror 형태를 따른다.

거리 측정 센서(140)의 데이터가 +로 가면 발명장치의 Z축 길이가 증가한다는 의미로써 결국 용접 대상물체의 패인 곳을 나타내고, 거리 측정 센서(140)의 데이터가 -로 가면 발명장치의 Z축 길이가 감소한다는 의미로써 결국 용접 대상물체의 돌출인 곳을 나타낸다.

이와 같이 용접대상물과 접촉하는 시간동안(Ts~Tf) 거리측정센서(140)의 거리 측정데이터를 처리하여, 도 7에서와 같이 용접대상물의 형상을 측정하는 것이다.

도 8은 본 발명 이와 같은 로봇제어수단에서의 데이터 처리 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 8에 도시된 바와 같이,

먼저, 로봇이 이동을 하면서 접촉 센서(180)의 신호를 상시 검사하여 용접대상물과의 접촉여부를 판단하게 된다.

이때는 거리 측정 센서(140), 각도 측정 센서(130)로 입력되는 데이터의 관측은 가능하나 데이터의 유효화는 이루어지지 않는다.

이후 로봇이 이동됨에 따라 접촉센서(180)로부터 접촉 감지신호가 전달되면, 용접대상물과 접촉되었음을 인식하여 거리 측정 센서(140), 각도 측정 센서(130)로부터 입력되는 데이터를 처리한다.

이때 거리 측정 센서(140), 각도 측정 센서(130)의 신호는 아날로그 형태의 신호의 전압형태로 입력됨으로, AD 변환기를 통하여 관측 가능한 디지털 데이터로변환하여 저장하게 된다.

이와 같은 과정은 접촉센서(180)로부터 용접대상물과의 접촉이 종료되었음을 감지하기 전까지 계속 진행되며, 접촉센서(180)의 감지신호가 용접대상물과의 떨어지게 됨을 감지하게 되면, 이후부터 입력되는 거리측정센서(140) 및 각도측정센서(130)로부터 입력되는 데이터는 반영하지 않는다.

이후 작업자는 연결부(120)를 조작하여 레이저 헤드의 선단으로부터 측정장치 본체를 분리하고, 용접과정을 수행하게 되며, 로봇 제어부에서는 이와 같이 저장된 데이터를 이용하여 용접대상물의 용접면의 형상에 따라 로봇을 제어하여 용접을 수행하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 용접대상물과의 접촉여부를 감지하여 초점거리가 일정 영역안에 존재하는 가를 판단한 후, 거리측정센서 및 각도측정센서의 값을 처리하여 그 값을 반영하도록 하므로써, 연속적인 측정 데이터의 저장이 가능하며, 레이저 헤드와 용접대상물간의 거리 및 각도를 구함에 있어서 발생될 수 있는 간섭을 최대한 회피하고 비선형적인 다양한 용접대상물에 대해서 거리가 측정가능 하게 된다.

또한 스틸 재질의 거리측정 기준면을 구성하여 거리를 측정할 수 있도록 하므로써, 반사율이 큰 용접대상물에 대해서도 종래의 반사문제로 인한 거리측정이 불가능하던 문제를 해결할 수 있다.

따라서, 측정된 용접대상물의 형상을 기준으로 하여 작업자가 레이저 용접빔의 초점 거리 및 변형각도를 설정하는데 최적의 상태를 제공할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 용접전 용접대상물의 용접면에 대한 정확한 형상을 측정할 수 있으므로, 다양한 용접면을 갖는 용접대상물에 대해서도 용접의 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 로봇을 이용한 레이저 용접장치에 있어서,

   레이저 헤드의 선단에 탈 장착 가능하도록 하는 연결수단과, 용접대상물과의 접촉여부를 감지하는 접촉감지수단과, 용접 대상물과 레이저 헤드와의 거리를 측정하기 위한 거리측정수단과, 레이저 헤드의 변형각도를 측정하기 위해 구비된 각도 측정 수단을 포함하여 구성되며,

   접촉감지수단으로부터 입력되는 신호에 따라 용접대상물과의 접촉을 판단하고, 용접대상물과의 접촉여부에 따라 상기 거리측정수단 및 각도측정수단의 감지 데이터를 처리하여 용접대상물의 용접면 형상을 측정하는 제어수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접장치의 레이저 헤드 위치 측정장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 접촉감지수단은,

   용접대상물과의 접촉에 따라 탐침부(160)와 함께 수직이동되며 거리측정을 위해 발사되는 레이저에 대한 반사평면 역할을 하는 거리측정 기준면(150)과, 용접대상물과 접촉이 이루어지는 탐침부(160)와, 용접대상물과 직접 접촉되는 부분이며 용접대상물이 접촉된 상태에서 유연하게 이송되어질 수 있도록 하는 볼(ball)(170)과, 탐침부(160)의 변위를 감지하여 용접대상물과의 접촉을 감지하는 접촉 센서(180)와, 거리측정 기준면(150) 방향으로 탄성력을 제공하여 공간상에서 또는 용접대상물과의 접촉이 없는 경우 초기 상태로 유지시켜주기 위한 스프링(190)을포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접장치의 레이저 헤드 위치 측정장치.