KR200447312Y1 - 용접 로봇 대차의 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 로봇이 거꾸로 매달린 상태에서 이동하는 대차 제어장치에 관한 것으로서, 주행기능을 담당하는 2개의 유도모터와 조향기능을 담당하는 4개의 서보모터로 구성되고, 주행모터는 대차의 양 대각선에 위치하며, 주행을 위한 속도제어는 인버터를 이용한 아날로그 속도제어로 모터를 제어하게 되며, 조향 모터는 4개의 휠 축에 위치하며 밸트를 이용 휠의 방향을 결정하며, 조향을 위한 서보모터 위치제어는 PLC의 아날로그 입력모듈을 이용 조이스틱에서 가변되는 아날로그 지령값과 서보모터의 펄스수를 비교하여 차가 제로가 될 때까지 모터를 구동시키는 원리로 모터제어가 이루어지도록 구성되며, 허공감지센서가 더 포함되어 대차의 추락을 방지하도록 구성됨에 특징이 있다.

대차, 용접, 로봇, 제어장치, 조향, 추락방지

Description

용접 로봇 대차의 제어장치{Control apparatus for wedding robot carrying truck}

본 고안은 로봇이 거꾸로 매달린 상태에서 이동하는 용접 로봇 대차의 제어장치에 관한 것으로서, 제자리에서 대차 휠만 횡행/회전 기능이 가능하도록 구성함으로써 대차를 용접대상에 위치시키는데 소요시간이 적게 들어 생산성 향상 및 소요인력을 줄일 수 있도록 한 용접 로봇 대차의 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로, 조선소에서의 선박 건조와 같이 대형 철구조물을 제작하는 작업 현장에서는 작업 능률의 향상을 위하여 철구조물을 블록 단위로 가공하게 되며, 이에 철구조물 블록에 여타의 부속물을 용접하는 작업이 빈번하게 수행된다.

용접하는 대상물의 위치나 장소 등을 고려하여 다양한 용접 로봇이 이용되기도 하는데 그 중에 로봇이 거꾸로 매달린 상태에서 이동하는 용접로봇 대차가 이용되고 있다.

그런데, 기존의 용접 로봇 대차는, 4개 혹은 2개의 서보모터를 주행모터로 사용하여 좌측 2개와 우측 2개의 모터를 동기시켜 좌우 속도차로 대차의 조향을 제어하게 된다. 속도차로 조향을 구현하기 어려우며, 구현하여도 OPEN LOOP 제어이므 로 실시간 조향제어 특성이 좋지 않았다.

이와 같이 기존의 용접 로봇 대차는 제자리에서 회전/횡행하는 기능이 없으며, 속도 차에 의해 대차 차체를 각도를 주어 조향 기능을 구현하였으나 조향특성이 좋지 않으며, 사용하기에 불편하여 작업자로 하여금 대차를 용접대상에 위치시키는데 시간이 많이 소요되어 생산성 악화를 초래한다.

본 고안의 목적은, 용접 로봇이 거꾸로 매달려 이동시키는 용접 로봇 대차에 있어서, 주행모터와는 별도의 조향모터를 이용하여 제자리에서 대차의 휠만을 횡행(90도)/회전(45도)/주행(0도)모드로 조향 가능하도록 한 용접 로봇 대차를 제공하기 위한 것이다.

또한 본 고안의 다른 목적은, 본 고안에 의해 조향 모터를 구비한 용접 로봇 대차에 있어서 광전 센서를 이용한 제자리에서 휠 횡행/회전/주행 모드 변환의 손쉬운 구현이 가능하도록 하기 위한 것이다.

또한 본 고안의 또 다른 목적은, 본 고안에 의해 조향모터를 구비한 용접 로봇 대차에 있어서 펄스 피드백을 이용한 정확한 조향 각도 제어(CLOSE LOOP 제어)가 가능하도록 하기 위한 것이다.

또한, 본 고안의 또 다른 목적은, 본 고안에 의해 조향모터를 구비한 용접 로봇 대차에 있어서, 허공감지 센서를 이용하여 전방 허공감지 센서동작시 후진 기능만 가능하도록 함으로써 추락을 방지하도록 하기 위한 것이다.

본 고안은, 용접 로봇 대차 제어장치에 있어서, 대차의 4개의 휠 축 중 서로 대향하는 2개의 휠 축에 설치되는 2개의 주행모터와; 상기 4개의 휠 축에 각각 설치되는 4개의 조향 서보모터와; 상기 4개의 조향 서보모터의 각 회전 펄스신호를 검출하는 4개의 펄스 피드백부와, 상기 펄스 피드백부의 각 펄스신호와 운전자의 조향 조작에 따른 설정치가 일치되도록 상기 4개의 조향 서보모터를 제어하여 대차의 휠 만을 횡행(90도)/회전(45도)/주행(0도)모드로 조향 가능하도록 제어함과 아울러 주행모터를 제어하여 대차의 운전 제어를 하는 콘트롤러와; 운전자가 대차의 조향 제어 및 주행 제어를 하기 위한 조이스틱과; 상기 조이스틱의 아날로그 입력신호를 상기 콘트롤러로 입력하기 위한 아날로그 입력모듈 및 상기 콘트롤러의 주행제어에 의거하여 상기 주행모터를 구동시키는 인터버 모터 구동부를 포함을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 조향 정위치 센서는 광전 센서를 사용하여 휠 횡행/회전/주행 모드 변환을 손쉽게 구현하도록 이루어짐을 특징으로 한다.

또한, 본 고안은, 대차의 4방향 단부에 각각 허공감지센서를 설치하여 대차의 전복방지를 위하여 허공 감지시 해당 방향에 대해서 후진기능만으로 제어함에 특징이 있다.

이와 같이, 본 고안은 로봇이 거꾸로 매달린 상태에서 이동하는 대차로써, 구성은 주행기능을 담당하는 2개의 유도모터와 조향 기능을 담당하는 4개의 서보모터를 포함하여 구성된다. 주행모터는 대차의 양 대각선에 위치하며, 주행을 위한 속도제어는 인버터를 이용한 아날로그 속도제어로 모터를 제어하게 되며, 조향 모터는 4개의 휠 축에 위치하며 벨트를 이용 휠의 방향을 결정한다.

조향을 위한 서보모터 위치제어는 PLC의 아날로그 입력모듈을 이용 조이스틱에서 가변되는 아날로그 지령값과 서보모터의 펄스 수를 비교하여 차가 제로가 될 때까지 모터를 구동시키는 원리로 모터제어가 이루어진다.

그리고 횡행/회전/주행모드가 있어 제자리에서 대차의 조향 휠을 각각 90도/45도/0도로 조향 시킬 수 있어 작업자로 하여금 대차를 용접대상에 쉽게 위치시킬 수 있도록 하였다. 조향 휠의 모드변환은 펄스 피드백으로 구현하지 않고 별도의 광전센서를 이용하여 쉽게 구현되었다.

또한, 특성상 주판 위에서 작업하는 관계로 전복을 피하기 위해 대차 양 끝단부에 허공감지 센서(레이저 센서)를 설치하여 대차의 휠이 추락하는 것을 방지하도록 설계하였다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 고안에 의한 용접로봇의 대차 제어장치는, 제자리에서 대차 휠만 횡행/회전 기능이 가능하며, 조향 제어특성이 우수하여 작업자가 대차를 용접대상에 위치시키는데 편리하여 생산성 향상에 기여하는 효과가 있다. 또한, 본 고안은 특성상 주판 위에서 작업하는 관계로 대차 전복위험이 우려되나 허공감지센서를 이용 전복에 대한 대비를 함으로써 안전성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 고안의 실시 예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 고안에 의한 용접 로봇 대차 장치의 평면 구성도이다.

이에 도시된 바와 같이, 대차의 구조물을 이루는 프레임에 4개의 휠 축이 설치되어 서로 대각 방향에 위치되는 좌측 후방과 우측 전방에 각각 후방/전방 주행 모터(20 ; 21, 22)가 설치되며, 4개의 휠 축에 각각 조향 서보모터(40 ; 41, 42, 43, 44)가 설치된다. 각 휠축에는 4개의 조향 정위치센서(50 ; 51, 52, 53, 54)가 설치되며, 4개의 휠 축에는 상기 4개의 휠축 지지 프레임에 각각 고정 실린더(90 ; 91, 92, 93, 94)가 설치되고, 아울러 각 휠 축의 모서리에 추락방지를 위한 허공감지센서(80 ; 81, 82, 83, 84)가 설치된다.

후방 우측 휠 축에는 접지 실린더(100)가 설치되며, 우측 수직 프레임의 내측 면에 대차를 러그에 위치시킬 때 사용하는 복수의 레이저(110)가 설치되고, 대차 프레임의 정 중앙부에 로봇을 대차에 부착시키는 로봇 부착부(120)가 구비되며, 상기 4개의 고정 실린더(90)를 각각 좌우측 2개씩으로 구분하여 동작시키기 위한 우 고정 및 좌 고정 실린더 솔밸브(131, 132) 및 접지 실린더 솔밸브(133)와, 프레임의 상하단에 각각 대차 동작시 표시를 위한 플리커 램프(141, 142)가 설치되며, 좌측 수직 프레임의 하단부에 콘트롤러(10)가 설치되어 구성된다. 여기서 콘트롤러(10)는 대차 콘트롤러를 의미하며, PLC를 이용한 콘트롤러이다. 대차에서 로봇 콘트롤러와 대차 콘트롤러가 각각 별도로 장착되며, 도면에서는 편의상 콘트롤러라고 칭하였다.

도 3은 본 고안에 의한 용접 로봇 대차 제어장치 블록도이다.

이에 도시된 바와 같이, 용접 로봇 대차 제어장치에 있어서,

대차의 4개의 휠 축 중 서로 대향하는 2개의 휠 축에 설치되는 2개의 주행모터(20 ; 21,22)와; 상기 4개의 휠 축에 각각 설치되는 4개의 조향 서보모터(40 ; 41, 42, 43, 44)와; 상기 4개의 조향 서보모터(41-44)의 각 회전 펄스신호를 검출 하는 4개의 펄스 피드백부(40a ; 41a, 42a, 43a, 44a)와, 상기 펄스 피드백부(40a)의 각 펄스신호와 운전자의 조향 조작에 따른 설정치가 일치되도록 상기 4개의 조향 서보모터(40)를 제어하여 대차의 휠 만을 횡행(90도)/회전(45도)/주행(0도)모드로 조향 가능하도록 제어함과 아울러 주행모터(20)를 제어하여 대차의 운전 제어를 하는 콘트롤러(10)와; 운전자가 대차의 조향 제어 및 주행 제어를 하기 위한 조이스틱(70)과; 상기 조이스틱(70)의 아날로그 입력신호를 상기 콘트롤러(10)로 입력하기 위한 아날로그 입력모듈(60) 및 상기 콘트롤러(10)의 주행제어에 의거하여 상기 주행모터(20;21,22)를 구동시키는 인터버 모터 구동부(30; 31, 32)와, 각 휠축에 설치되어 각각의 방향에 대해 대차가 이동하는 주판을 벗어났는지를 검출하는 4개의 허공감지센서(80 ; 81,82,83,84)를 포함하여 구성된다.

이와 같이 구성되는 본 고안에 의한 대차 장치는, 로봇 콘트롤러(10)의 제어에 의해 각 구성요소들을 제어하여 로봇을 탑재한 상태로 이동되고, 제자리에서 좌향이 가능하도록 제어된다.

상기 주행모터(20 ; 21, 22)는, 각각 후방 주행모터(21)(와 전방주행모터(22)로 구분되며, 후방 주행모터(21)는 전방 주행모터(22)와 동기하여 대차의 전후진 기능을 담당하는 모터로서 유도 모터를 사용한다. 리모트 조작반에서 조이스틱(70)으로 속도 지령을 입력하면, 아날로그 입력모듈(60)을 통해 콘트롤러(10)에 입력되고, 콘트롤러(10)가 인버터 모터구동부(30 ; 31. 32)를 통해서 주행모터(20 ; 21, 22)를 구동시키게 된다. 이와 같이 후방 주행모터와 전방 주행모터는 대차의 양 대각선에 위치하여 서로 동기하여 구동되며, 대차의 전후진 주행을 담당한 다.

상기 조향 서보모터(40 ; 41,42,43,44)는 대차의 휠의 조향 기능을 담당 하는 것으로서, 서보 모터를 사용하고, 대차 휠과는 밸트로 동력을 전달하여 조향을 제어하도록 구성되며, 상기 4개의 조향 서보모터(41-44)의 각 회전 펄스신호를 검출하는 4개의 펄스 피드백부(40a ; 41a, 42a, 43a, 44a)로부터 각각의 회전 펄스신호를 콘트롤러(10)가 입력받아 조이스틱(70)을 통해 입력된 조향 설정치와 일치되도록 조향 서보모터(40)들을 각각 제어하여 조향 제어를 하게 된다.

도 4 및 도 5는 본 고안에 의한 대차 제어장치의 요부 단면도이다. 이에 도시된 바와 같이, 대차의 휠 축에 주행모터(21)가 설치되고, 그 휠축이 회전가능하게 설치되어 일측의 조향 서보모터(41)가 밸트(41-1)에 의해 동력전달을 하도록 연결되어 조향을 제어할 수 있도록 구성된다. 여기서 상기 밸트(41-1)는 조향 서보모터와 휠을 연결하는 타이밍 밸트로서, 밸트 체인을 사용한다.

상기 조향 정위치 센서(50 ; 51, 52, 53, 54)는 도 6에서 원으로 표시된 부분에 설치 구성된다. 각 휠축의 정위치 상태를 검출할 수 있도록 대차의 휠축 지지 프레임에 설치되며, 조향 정위치시 센서가 동작하여 정위치를 검출하게 되면, 플리커 램프(141, 142)를 점등시키고, 작업자로 하여금 조향이 원점에 위치해 있다는 것을 알리도록 한다.

상기 조향 정위치 센서는 광전 센서를 사용하며, 대차 양 끝에 설치된다.(4개 설치). ㄷ 자 형태로 생겨 둥근 원판과 맞물리게 설치되어 있다. 도 5에 도시된 바와 같이 둥근 원판(50a)은 센서 검출을 위한 도그이며, 조향모터가 회전함에 따 라 도그 또한 회전하게 된다. 둥근 원판(50a)은, 각 모드에 따라 둥근원판에 홈을 파서 횡행/주행/회전모드 설정에 따라 센싱되는 홈의 개수가 틀리게 둥근 원판을 제작하여 운용한다.

횡행(90도)/주행(0도)/회전(45도) 대차의 휠을 제자리에서 변경시키기 위해 아날로그 펄스를 이용한 엔코더 방식을 사용할 경우 90도/0도/45도에 해당하는 펄스수를 계산하여 실시간적으로 비교하여 제어하며, 이럴 경우 4개의 휠에 같은 펄스가 들어왔다고 가정하더라도 휠 4개가 정확히 맞지 않아 추가적인 교정을 위한 프로그램 수정이 요구된다.

이 과정을 조향 정위치 센서인 광전센서를 이용하여 모드 변환시에는 펄스 입력을 무시하고, 광전센서가 동작시때까지 조향모터를 동작하도록 하였으며, 그 외 모드 변환 후 조향 변경에 대해서는 펄스입력을 받아 조이스틱에 의한 아날로그 입력값과의 차가 제로가 될 때까지 조향모터를 동작시키게 된다.

조향 서보모터의 펄스 피드백부는 엔코더 역할이다. 즉 조향모터의 위치가 어디에 있는지를 검출하기 위한 장치이다. 범용 서보모터를 사용할 경우 실시간적으로 들어오는 조향모터 펄스값과 지령값을 비교할 수 있는 별도의 고가의 제어기를 사용하여야 하지만, 본안에서는 범용 서보모터가 아니라 엔코더의 펄스를 쉽게 외부에서 검출할 수 있도록 제작된 특수 모터를 사용하여 PLC(콘트롤러)의 펄스 입력기(펄스 피드백부)를 이용하여 입력을 받아 PLC에서 지령값과 입력값을 비교하여 조향모터의 동작 여부를 결정하게 된다. 본 고안에서 이용되는 클로즈 루프(CLOSE LOOP)제어(피드백 제어)란 지령에 대해 제어하는 대상이 지령에 맞게 움직였는지를 피드백 신호(펄스)를 받아 동작하므로 외란에 대해 강인하며, 정확도가 높다. 그 반대인 OPEN LOOP 제어(무 피드백 제어)는 지령에 대한 피드백을 받지 않는 관계로 지령 신호에 외란신호(노이즈)가 첨가될 경우 모터가 발산할 수 있다. 그러나 피드백 신호를 받지 않으므로 구현이 간단하며, 가격이 싸서 정밀위치 제어가 요구되지 않는 곳에 많이 사용된다.

또한, 도 2의 각 고정 실린더(90 ; 91, 92, 93, 94)는, 각 휠 축에 설치되어 대차의 위치 고정을 위한 것으로서, 실린더 솔 밸브(131, 132)에 의해 좌/우측 고정 실린더(91,93)(92,94)가 각각 쌍으로 제어된다. 접지 실린더(100)는, 접지 실린더 솔밸브(133)를 통해 제어되고, 대차 용접기가 탑재되어 있기 때문에 주판에서 용접을 하기 위해서 용접기(-)가 주판에 연결되어야 하는데, 이것을 접지 실린더(100) 즉, 에어실린더를 사용하여 구현한 것이다. 대차 주행시에는 접지 실린더(100)가 상승되어 있다가 용접 작업시 용접기(-)의 접지측과 연결되어 접지 실린더(100)가 하강하여 주판에 접지된다.

4개의 고정실린더를 기준으로 상부와 하부가 구분되고, 상부와 하부사이에는 스프링이 달려있어 대차가 움직일 경우 상부에 위치한 로봇 제어기측의 충격을 완화 시켜줍니다. 하지만 로봇이 용접을 할 경우에는 상부가 움직이면 않되는 관계로 고정 실린더가 동작하여 상부와 하부를 연결시켜 하나로 구성되게 한다. 솔밸브 2개는 한 개의 솔밸브로 두 개의 대차 고정 실린더를 동작하게 되며, 대차 고정실린더는 대차 양끝단부에 4개로 구성되어 있다. 접지 실린더는 용접을 하기 위한 접지 장치로써 용접을 위한 (-) 전위를 나타낸다.

그리고, 각 휠 축에는 허공감지센서(80 ; 81, 82, 83, 84)가 설치되는데, 대차 주행시 허공감지센서(80)가 주판을 벗어났는지를 감지하게 되고, 콘트롤러(10)는 허공감지센서(80)가 주판을 벗어남을 감지하는 경우, 해당 위치의 방향으로 전진동작은 중지하고, 해당 위치의 방향에 대해서는 후진 동작만 제어하도록 한다.

상기와 같이 구성된 본 고안은, 러그용접로봇 대차를 러그에 근접시키기 위해서 주로 모드 변환과 미세조정에 의해 이루어진다. 먼저 (1) 러그용접로봇 대차를 천정 크레인으로 러그 주변에 위치시킨다. (2) 주행모드로 전환 대차를 전진시켜 러그가 대차 영역 안에 오도록 위치시킨다. (3) 대차 영역안에 들어왔으면 러그가 대차중안에 위치하도록 횡행모드로 전환 대차를 러그 중앙에 위치시키도록 한다. (4) 러그가 대차 중앙에 위치하여도 대차가 평행하지 못하고 틀어져있는 경우가 많은 관계로 회전모드로 전환시켜 러그와 대차가 평행하도록 위치시킨다. (5) 대차 고정 실린더를 동작시켜 상부를 고정시키고, 접지 실린더를 동작시켜 로봇의 용접작업을 개시하게 된다

이와 같이 본 고안에 의한 용접 로봇용 대차 제어 장치는, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 제자리에서 90도 회전이 가능하다. 즉, 4개의 조향 서보모터(40)를 제어하여 제자리에서 대차의 조향 휠을 각각 90도/45도/0도로 조향 시킬 수 있어 작업자로 하여금 대차를 용접대상에 쉽게 위치시킬 수 있도록 한다. 그 일예로서, 도 4a와 같은 상태에서 도 4b와 같은 상태로 제자리에서 바퀴가 90도 회전시킬 수 있게 된다. 조향을 위한 서보모터 위치제어는 PLC의 아날로그 입력모듈을 이용 조이스틱에서 가변되는 아날로그 지령값과 서보모터의 펄스 수를 비교하여 차 가 제로가 될 때까지 모터를 구동시키는 원리로 모터제어가 이루어진다.

도 1은 종래 용접 로봇 대차의 제어장치 개요를 보인 블록도.

도 2는 본 고안에 의한 로봇 대차의 평면 구성도.

도 3은 본 고안에 의한 용접 로봇 대차의 제어장치 블록도.

도 4 및 도 5는 본 고안에 의한 대차 제어장치의 광전센서와 조향 서보모터를 보인 요부 구성도.

도 6은 본 고안에 의한 대차 제어장치의 광정 센서의 설치 예시도

도 7a 및 도 7b는 본 고안에 의한 대차 제어장치에 의해 대차가 제자리에서 바퀴를 90도 회전한 상태 예시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 콘트롤러

20 ; 21, 22 : 주행모터

30 ; 31, 32 : 인버터 모터 구동부

40 ; 41, 42, 43, 44 : 조향 서보모터

40a : 41a, 42a, 43a, 44a : 펄스피드백부

50 : 51, 52, 53, 54 : 조향 정위치 센서

60 : 아날로그 입력모듈

70 : 조이스틱

80 ; 81, 82, 83, 84 : 허공감지센서

90 ; 91, 92, 93, 94 : 고정 실린더

100 : 접지 실린더

110 : 레이저 마커

120 : 용접 로봇 장착 위치부

131, 132 : 실린더 솔밸브

141, 142 : 플리커 램프

Claims (4)

1. 삭제
2. 용접 로봇 대차의 제어장치에 있어서,

   대차의 4개의 휠 축 중 서로 대향하는 2개의 휠 축에 설치되는 2개의 주행모터(20 ; 21,22)와;

   상기 4개의 휠 축의 지지 프레임에 각각 설치되어 밸트에 의해 휠축을 조향하도록 동력을 전달하는 4개의 조향 서보모터(40 ; 41, 42, 43, 44)와;

   상기 4개의 조향 서보모터(41-44)의 각 회전 펄스신호를 검출하는 4개의 펄스 피드백부(40a ; 41a, 42a, 43a, 44a)와;

   상기 펄스 피드백부(40a)의 각 펄스신호와 운전자의 조향 조작에 따른 설정치가 일치되도록 상기 4개의 조향 서보모터(40)를 제어하여 대차의 휠 만을 횡행(90도)/회전(45도)/주행(0도)모드로 조향 가능하도록 제어함과 아울러 주행모터(20)를 제어하여 대차의 운전 제어를 하는 콘트롤러(10)와;

   각 휠축에 설치되어 각각의 방향에 대해 대차가 이동하는 주판을 벗어났는지를 검출하여 상기 콘트롤러(10)에 입력하면 상기 콘트롤러(10)가 해당 방향으로의 전진 제어를 중지하고 해당 방향에 대해서 후진 제어만 가능하도록 하기 위한 4개의 허공감지센서(80 ; 81,82,83,84)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 용접 로봇 대차의 제어장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 용접 로봇 대차의 제어장치는,

   각 휠축에 설치되어 조향 정위치시 센서가 동작하여 정위치를 검출하는 조향 정위치 센서(50 ; 51, 52, 53, 54)와;

   상기 조향 정위치 센서(50 ; 51, 52, 53, 54)가 정위치를 검출하면, 작업자로 하여금 조향이 원점에 위치해 있다는 것을 알리도록 점등되는 플리커 램프(141, 142)를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 용접 로봇 대차의 제어장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 조향 정위치 센서(50 ; 51, 52, 53, 54)는, 광전센서로 구성된 것을 특징으로 하는 용접 로봇 대차의 제어장치.

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