KR20040099665A - 레이저 용접 제어장치와 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로봇을 이용한 레이저 용접 장치에 관한 것으로, 특히 사전에 용접대상물과 용접헤드의 위치를 검출하여 저장하고, 이와 같이 저장된 값으로부터 로봇이 동작하면서 레이저 용접을 진행하는 과정에서 발생할 수 있는 용접헤드와 용접대상물의 위치오차를 반복적으로 보상하여 용접대상물의 용접궤적의 높이변화가 발생하는 경우에 로봇의 용접 궤적의 수정없이 용접 헤드의 위치만을 조절하여 레이저의 초점(focus) 위치와 출력을 최적의 상태로 유지시켜 용접성능을 향상시킬 수 있도록 하는 레이저 용접 제어장치와 방법을 제공한다.

Description

레이저 용접 제어장치와 제어방법{Apparatus and method for laser welding control}

본 발명은 레이저 용접 장치에 관한 것으로, 특히 사전에 용접헤드와 용접대상물간의 거리를 검출하여 저장하고, 이와 같이 저장된 값으로부터 로봇이 동작하면서 레이저 용접을 진행하는 과정에서 발생할 수 있는 용접헤드와 용접대상물의 위치오차를 반복적으로 보상하여, 용접대상물의 용접궤적의 높이변화가 발생하는 경우에 로봇의 용접 궤적의 수정 없이 용접 헤드의 위치만을 조절하여 레이저의 초점(focus) 위치와 출력을 최적의 상태로 유지시켜 용접성능을 향상시킬 수 있도록 하는 레이저 용접 제어장치와 방법에 관한 것이다.

종래 로봇을 사용하여 레이저 용접을 진행하는 경우, 로봇을 이용하여 반복되는 용접작업을 수행하는 과정에서 용접대상물의 위치가 로봇의 좌표계에 대하여 상대적 위치오차를 수반할 경우 레이저 용접 효율이 저하되는 문제점이 발생한다.

도 1은 일반적인 로봇을 이용한 레이저 용접 장치 구성을 보여주기 위한 블록 구성도.

도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 용접 로봇은 로봇제어기(14)에 의해 작동하며 지지부(11)와 연결된 관절부위(12)의 선단에 부착된 용접헤드(13)를 통해 레이저 발생기(15)에서 발생된 레이저 빔이 조사되는 방식을 사용한다.

이와 같은 종래의 레이저 용접 로봇은 로봇이 설치된 작업공간내에 용접대상물을 고정시켜야 용접 작업을 수행할 수 있으며, 로봇과의 상대적 위치를 모든 점에 대하여 교시하여야 하며, 대량 생산시에는 용접대상물을 반복적으로 교시할 수 없으므로 용접대상물의 형상오차나 고정위치에 따른 상대오차에 의하여 제품마다 레이저 용접의 품질이 일정하지 못하게 되는 문제점을 갖게 되는 바,

첫째, 공간상 이동이 자유로운 다관절 로봇은 용접 고정장치와 로봇의 상대위치오차가 있으며 반복되는 용접대상물의 형상 오차로 인하여 레이저 빔의 초점 위치에 변화를 주어 용접품질을 저하시킨다.

둘째, 로봇의 길이가 고정되어 있어, 로봇에 따라 작업공간이 결정되어 있으므로, 작업공간을 다소 벗어나면 용접작업이 실시되지 않는다.

본 발명에서는 로봇이 용접 궤적을 따라 움직이면서 용접을 수행함에 있어서, 사전에 용접대상물에 대하여 용접 궤적을 따라 이동하면서 각 용접점의 용접 헤드와 용접대상물의 거리를 검출하여 저장하고, 용접작업이 진행되면, 해당 위치의 용접 헤드와 용접 대상물의 검출된 거리와 설정된 용접헤드와 용접대상물의 거리를 비교하여 상대위치 오차 및 용접 궤적에서 높이차가 발생하는 경우 용접 궤적을 변화시키지 않고, 용접 헤드의 위치만을 조정하여 용접 헤드와 용접대상물이 일정한 거리를 유지하도록 하므로써, 용접 상태가 최적의 상태가 되도록 하는 레이저 용접제어장치와 제어방법을 제공하고자 한 것이다.

도 1은 종래 로봇을 이용한 레이저 용접 장치의 블록 구성도.

도 2는 본 발명 로봇을 이용한 레이저 용접 제어장치의 블록 구성도.

도 3은 본 발명에 있어서, 용접대상물의 용접점의 일예를 나타낸 도면.

도 4는 본 발명에 있어서, 도 3에 도시된 용접대상물의 용접점을 측면에서 나타낸 도면.

도 5는 본 발명에 있어서, 용접궤적에 따른 용접 헤드와 용접대상물간 거리편차를 나타낸 그래프.

도 6은 본 발명에 있어서, 용접헤드와 용접대상물간 거리 오차 보상을 위한 위치제어부의 제어데이터 값 그래프.

도 7은 본 발명 로봇을 이용한 용접 제어방법의 실행과정을 나타낸 플로우챠트.

본 발명은, 레이저 용접장치에 있어서,

레이저 용접 장치의 로봇 아암(arm)에 설치되어 용접을 수행하는 용접 헤드와, 용접헤드를 이송시키는 용접헤드 이송기와, 용접 헤드 이송기를 구동하는 구동수단과, 용접 헤드와 용접대상물간의 거리를 검출하는 거리검출수단과, 용접 헤드 위치를 검출하는 위치검출수단과, 용접작업이 수행되기전 용접궤적을 따라 이동하면서 각 용접점에 대해 거리검출수단을 통해 검출된 용접 헤드와 용접대상물간 거리값을 저장하고, 용접작업 수행시 용접헤드와 용접대상물간에 대해 설정된 기준거리값과 추정된 용접궤적을 비교하여(기검출하여 저장된 상기 거리값)을 비교하여 용접헤드와 용접대상물간의 거리가 기준거리로 유지될 수 있도록 용접헤드 이송기를 제어하여 용접 헤드의 위치를 조절하는 제어수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 제어수단은 거리검출수단으로 하여금 용접작업이 수행되기전 용접 궤적을 따라 이동하면서 용접대상물의 각 용접점에 대해 용접작업 수행전 용접 헤드와 용접 대상물간 거리를 검출하도록 제어하는 사전거리검출부와, 사전거리검출부에 의해 거리검출수단으로부터 검출된 각 용접점에 대한 용접헤드와 용접 대상물간 거리가 저장되는 저장부와, 용접 헤드와 용접 대상물간의 기준거리가 설정되어 있는 기준거리설정부와, 각 용접점에 대해 용접작업을 수행함에 있어서 저장부에 저장된 해당 용접점의 용접 헤드와 용접대상물간 거리와 기준거리설정부에 설정된 기준거리를 비교하여 용접헤드이송기를 제어하여 용접 헤드의 위치를 조절하는 용접헤드위치 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 레이저 용접 방법에 있어서,

레이저 용접 제어방법에 있어서,

설정된 용접궤적에 따라 이동하여 용접대상물과 용접헤드의 거리를 검출하여 저장하는 레이저 용접 실행이전에 수행되는 사전거리검출과정과,

용접이 시작되면 용접점을 판단하고, 용접점에 위치하게 되면, 해당 위치에 대해 사전검출과정에서 저장된 용접헤드와 용접대상물간의 거리와 내부에 설정된기준거리를 비교하는 과정과,

비교결과 기준거리와 차가 발생하지 않는 경우 현재의 용접헤드위치에서 용접을 수행하고, 차가 발생하는 경우 용접궤적의 변화가 발생하는 것으로 판단하여 그 차이만큼 용접헤드의 위치를 조절하여 용접을 수행하는 과정과,

모든 용접점에 대한 용접이 완료되었는 가를 판단하는 과정과,

모든 용접점에 대한 용접이 완료되지 않았을 경우 용접 궤적에 따라 다음 용접점으로 이동하여 상기 기준거리비교 및 용접과정을 반복수행하고, 모든 용접점에 대한 용접이 완료될 경우 작업 종료하는 과정의 수순으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명의 구성 및 동작과정을 첨부된 도면에 도시된 그 실시예를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 로봇을 이용한 레이저 용접장치의 구성을 보인 블록도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 지지부(11)와 연결된 로봇 관절부위(12) 선단에 구성되며, 용접 헤드(13)의 위치를 이동시키는 용접헤드이송기(21)와, 용접헤드이송기(21)에 의해 이송되는 용접 헤드(13)의 위치를 검출하는 위치검출부(22)와, 용접 헤드(13)의 선단에 구성되며 용접 헤드(13)와 용접대상물간의 거리를 측정하기 위한 거리검출소자(23)와, 상기 용접헤드이송기(21)를 동작시키는 구동부(24)와, 거리검출소자(23)로부터 검출된 신호를 위치제어부(25)로 출력하는 신호검출부(26)와, 거리검출소자(23)로부터 검출된 용접 헤드(13)와 용접대상물간의 거리를 저장하고, 로봇이 동작하여 로봇제어기(14)에 의해 궤적에 따라 이동하여 용접 수행시 해당 용접점에서 저장된 용접 헤드(13)와 용접 대상물간의 거리와 설정된 기준거리를 비교하여 소정의 설정되는 용접 헤드(13)와 용접 대상물간의 거리를 유지하도록 용접헤드이송기(24)를 제어하여 용접 헤드(13)의 위치를 조절하는 위치제어부(25)를 포함하여 구성된다.

미 설명된 부호 15는 용접 헤드(13)를 통해 레이저를 발사하여 용접을 수행하기 위한 레이저 발생기이다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명을 따르는 실시예는 미세하게 발생될 수 있는 용접 헤드(13)와 용접 대상물간의 상대오차를 보정함은 물론, 용접 판재와 같은 구성물에 의해 궤적변화가 발생하는 용접점을 파악하여 궤적의 변화없이 용접 헤드(13)의 위치만을 조절하여 용접 헤드(13)와 용접대상물간의 거리를 적절하게 유지할 수 있도록 하는 것으로,

로봇 관절부위(12)의 선단에 용접헤드이송기(21)가 구성되며, 용접헤드이송기(21)의 상단으로 용접 헤드(13)를 부착시켜, 레이저 발생기(15)에서 발생된 레이저 빔이 용접 헤드(13)를 통하여 조사되어 용접이 진행된다.

용접 헤드(13)의 선단에 거리검출소자(23)를 두고, 신호검출부(26)를 통해 용접 헤드(13)와 용접 대상물과의 거리를 검출하며, 위치제어부(25)에서 용접 헤드(13)의 위치를 인식하여 신호검출부(26)를 통해 입력된 거리검출소자(23)로 부터 검출된 용접 헤드(13)와 용접 대상물간의 거리와 설정된 각 용접점과의 기준거리를 비교하여, 용접헤드이송기(21)에 구성된 위치검출소자(22)로부터 용접헤드(13)의 위치를 인식하여, 용접헤드이송기(21)를 제어하여 용접 헤드(13)의 위치를 조절한다.

즉, 위치제어부(25)는 거리검출소자(23)를 통해 용접 헤드(13)로부터 용접대상물까지의 거리를 측정하고, 그 측정된 값과 기준거리값을 비교하여 각 용접점에 대한 용접 헤드(13)의 위치를 정확하게 설정하게 된다.

그러나, 용접이 진행될 때 고온 및 고열 또는 레이저 파장에 의해 거리검출소자(23)에 의해 거리측정이 어려운 점을 고려하여 위치제어부(25)는 각 용접점에서의 거리측정은 진행하지 않고, 용접과정이 진행되기 이전에 각 용접점에 대한 거리를 측정하고, 그 측정값을 저장하고, 용접과정이 진행되면 그 저장된 값을 이용하여 용접헤드 이송기(21)를 제어하도록 한다.

도 7은 본 발명에 따른 로봇을 이용한 레이저 용접 방법의 일실시예를 보인 플로우챠트이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 용접이 진행되기 이전에, 각 용접점에 대한 거리검출소자(23)에 의한 거리측정을 진행하고, 그 측정된 값은 위치제어부(25)에 저장된다.

즉, 도 3에 도시된 바와 같은 용접대상물(31)에 대하여 용접을 수행한다면, 먼저 각 용접점(A~H)에 대하여 로봇 제어기(14)의 제어에 따른 궤적을 따라 이동하면서 거리를 측정하고, 그 측정된 값을 저장하는 것이다.

위치제어부(25)에는 각 용접점(A~H)에 대한 기준거리가 설정되어 있다.

이후, 로봇이 용접을 진행하기 위한 동작신호를 인식하여, 타이머를 동작시킨다. 상기 타이머는 작업구간 시간과의 비교를 통해 해당위치의 기준거리를 찾고자 하는 것으로, 위치제어부(25)에서 이후 저장된 용접헤드(13)와 용접대상물(31)과의 거리와 비교하기 위한 해당 용접점의 비교연산시점을 찾아내기 위한 것이다.

이와 같이 기준거리 설정과정이 완료되면, 해당 용접점으로 이동하게 되고, 이에 따라 타이머의 시간을 기준으로 해당 용접점에 대한 설정된 기준거리와 상기 과정에서 검출저장된 용접 헤드(13)와 용접대상물(31)의 거리를 비교하여 용접대상물(31)의 높이변화(두께변화)가 발생하였는 가를 판단한다.

이때 용접대상물(31)에 두께 변화가 없는 경우에는 설정된 궤적에 따라 그대로 용접을 진행하고, 두께변화가 발생하는 궤적의 높이변화가 있는 경우 위치제어부(25)에서는 용접헤드이송기(21)를 제어하여 용접 헤드(13)의 위치를 조정한다.

도 3에 도시된 용접대상물(31)에서 보면, 용접궤적(32)을 따라 'A'위치에서 시작하여 'H' 위치까지 각 용접점에 대해 용접을 하게 될 경우 B,C,D,E,F,G의 위치가 용접판재(33)에 의해 용접궤적(32)에서 높이 변화가 있는 지점이다.

도 4는 도 3에서 보인 용접대상물(31)을 측면에서 본 도면으로, 용접판재(33)와 만나는 지점인 B,C,D,E,F,G의 위치에서 용접궤적(32)의 높이 변화가 나타나고 있음을 보여준다.

도 5는 용접궤적(32)에대하여 용접헤드(13)로부터 용접대상물(31)간 거리변화를 나타낸 그래프이다.

도 5에서와 같이, A~B, B~C, C~D, D~E, E~F, F~G, G~H 구간은 높이가 일정하지만, B,C,D,E,F,G 지점은 용접판재(33)의 높이만큼 높이 변화가 존재한다.

따라서 위치제어부(25)에서는 용접 헤드(13)와 용접대상물(31)간 거리에 대하여 용접 헤드(13)의 위치를 용접대상물(31)로부터 일정한 거리에 유지시키기 위하여 상기 도 3의 B 위치에 대하여 용접헤드이송기(21)를 제어하여 용접 헤드(13)가 용접대상물(31)로부터 이격되도록 하고, 도 3의 C 지점에 대하여서는 용접 헤드(13)가 용접 대상물(31) 쪽으로 이동하게 하여 용접 헤드(13)와 용접대상물(31)사이의 거리가 일정값을 유지하도록 한다.

도 6은 이와 같은 동작 제어를 위한 위상제어부(25)의 구동부(24)에 대한 출력 데이터 값을 도시한 그래프이다.

즉, 도 5에서와 같이, A~B 구간과 같이 용접대상물 상단에 용접 판재(33)가 없는 경우 높이가 일정한 구간이므로, 용접을 계속하여 진행하고, 거리값이 B 지점에서 처럼 변하게 되면 로봇의 용접 헤드(13)가 용접대상물(31)로부터 거리가 가까워지고 있는 것이므로, 위치제어부(25)는 용접 헤드(13)을 용접대상물에서 멀어지게 하는 것이며, 이와는 반대로 거리값이 C 위치와 같이 변하게 되면 용접 헤드(13)가 용접대상물(31)로부터 거리가 멀어지고 있는것이므로 위치제어부(25)는 용접 헤드(13)를 용접대상물(31)로 근접시킨다.

상기와 같이 용접과정을 반복 수행하여 모든 용접점(A~H)에 대해 용접을 완료하게 되면, 용접 헤드(13)와 용접 대상물간 거리 조절 제어동작을 종료한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 사전에 로봇이 용접 궤적을 따라 움직일 때 용접 헤드와 용접대상물간의 거리를 측정하여 저장하고, 용접이 수행됨에따라 거리를 직접 검출하지 않고 그대신 저장된 값과 설정된 기준거리 값을 비교하여, 기준거리와의 발생되는 오차만큼 용접헤드를 조절하여 용접을 진행하도록 하는 것으로, 용접대상물상단에 용접판재가 놓여있어 용접 궤적의 높이를 수정해야 할 경우 로봇제어기에 의한 궤적의 변화 없이 용접헤드의 위치만을 조절하여 용접 헤드와 용접대상물간 거리가 적절하게 유지될 수 있도록 하므로써, 레이저 용접 품질 및 용접의 신뢰성이 크게 향상되도록 한다.

Claims (6)

1. 레이저 용접장치에 있어서,

   레이저 용접 장치의 로봇 아암(arm)에 설치되어 용접을 수행하는 용접 헤드와, 용접헤드를 이송시키는 용접헤드 이송기와, 용접헤드 이송기를 구동하는 구동수단과, 용접 헤드와 용접대상물간의 거리를 검출하는 거리검출수단과, 용접 헤드 위치를 검출하는 위치검출수단과, 용접작업이 수행되기전 용접궤적을 따라 이동하면서 각 용접점에 대해 거리검출수단을 통해 검출된 용접 헤드와 용접대상물간 거리값을 저장하고, 용접작업 수행시 용접헤드와 용접대상물간에 대해 설정된 기준거리값과 추정된 용접궤적(기검출하여 저장된 상기 거리값)을 비교하여 용접헤드와 용접대상물간의 거리가 기준거리로 유지될 수 있도록 용접헤드 이송기를 제어하여 용접 헤드의 위치를 조절하는 제어수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 제어장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제어수단은 거리검출수단으로 하여금 용접작업이 수행되기전 용접궤적을 따라 이동하면서 용접대상물의 각 용접점에 대해 용접 헤드와 용접 대상물간 거리를 검출하도록 제어하는 사전거리검출부와, 사전거리검출부에 의해 거리검출수단으로부터 검출된 각 용접점에 대한 용접헤드와 용접 대상물간 거리가 저장되는 저장부와, 용접 헤드와 용접 대상물간의 기준거리가 설정되어 있는 기준거리설정부와, 각 용접점에 대해 용접작업을 수행함에 있어서 저장부에 저장된해당 용접점의 용접 헤드와 용접대상물간 거리와 기준거리설정부에 설정된 기준거리를 비교하여 용접헤드이송기를 제어하여 용접 헤드의 위치를 조절하는 용접헤드위치 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 제어장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 거리검출수단은 용접헤드의 선단에 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 제어장치.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 제어수단에서 용접작업수행중 각 용접점에 대하여 검출된 용접헤드와 용접대상물간의 거리와 기설정된 기준거리를 비교함에 있어서, 비교연산 시점을 맞추기 위한 기준시간설정수단을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 제어장치.
5. 레이저 용접 제어방법에 있어서,

   설정된 용접궤적에 따라 이동하여 용접대상물과 용접헤드의 거리를 검출하여 저장하는 레이저 용접 실행이전에 수행되는 사전거리검출과정과,

   용접이 시작되면 용접점을 판단하고, 용접점에 위치하게 되면, 해당 위치에 대해 사전검출과정에서 저장된 용접헤드와 용접대상물간의 거리와 내부에 설정된 기준거리를 비교하는 과정과,

   비교결과 기준거리와 차가 발생하지 않는 경우 현재의 용접헤드위치에서 용접을 수행하고, 차가 발생하는 경우 용접궤적의 변화가 발생하는 것으로 판단하여그 차이만큼 용접헤드의 위치를 조절하여 용접을 수행하는 과정과,

   모든 용접점에 대한 용접이 완료되었는 가를 판단하는 과정과,

   모든 용접점에 대한 용접이 완료되지 않았을 경우 용접 궤적에 따라 다음 용접점으로 이동하여 상기 기준거리비교 및 용접과정을 반복수행하고, 모든 용접점에 대한 용접이 완료될 경우 작업 종료하는 과정의 수순으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 제어방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 기준거리 비교과정에서 용접점을 판단하기 위해 용접헤드를 용접 궤적에 따라 이동시킬 때 타이머를 동작시켜 일정시간 간격마다 이동된 용접헤드의 현위치를 용접점 위치로 판단하도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 제어방법.