KR20100002512A - 아크센서 교정을 통한 용접선 자동 추종방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아크센서 교정을 통한 용접선 자동 추종 기술에 관한 것으로, 용접부재와 토치간의 거리와 피딩속도를 결정하여 평판용접을 통해 측정된 전류를 샘플링하고, 샘플링 전류와 결정 정보로부터 아크센서 모델링식을 도출하여 아크센서모델링식의 기준전류와 실제 용접 중 측정되는 전류측정센서 출력값 간의 보간식을 도출하고, 보간식을 토대로 아크센서 교정을 수행하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 자동용접 로봇의 전류측정센서에 대한 교정을 통하여 아크센서의 성능을 높일 수 있으며, 이를 통해 좀 더 정확한 용접선 추종을 가능하게 할 수 있다.

자동용접 로봇, 전류측정센서, 아크센서, 용접선

Description

아크센서 교정을 통한 용접선 자동 추종방법{METHOD FOR AUTOMATIC TRACKING OF WELDING LINE THROUGH ARC-SENSOR CALIBRATION}

본 발명은 로봇의 자동 용접 기술에 관한 것으로서, 특히 아크센서를 이용한 로봇의 자동 용접 시 전류 측정 센서의 정확한 교정을 수행하는데 적합한 아크센서 교정을 통한 용접선 자동 추종방법에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 아크센서는 로봇자동용접에 있어서 로봇의 끝단에 장착된 용접토치가 용접선을 추종하기 위해 사용되는 것으로서, 용접 토치-모재간 거리 변화에 의한 전류값 변화를 이용한다.

이하 도면을 참조하여 용접 공정 및 아크센서에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.

도 1은 일반적인 용접 로봇에 의해 용접되는 용접공정의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 용접로봇(100)은 여러개의 아암(102)이 결합하여 구성되어 있다. 이 아암(102)의 끝단부에는 토치(104)가 결합되어 취부된다. 또한, 용접로봇(100)의 아암(102) 끝단부에는 용접기(108)에서 인출되어 용접전류를 인가하는 제 1전원선(110)이 취부되고, 용접봉(106)의 아래쪽에는 용접봉(106)과 일정간격 이격하여 아크에 의해 용접되는 모재(114)가 구비되어 있다. 이 모재(114)는 전류가 잘 전도되는 도체성질을 갖는 작업대(116)의 상부에 위치해 있다. 이 작업대(116)에는 제 1전원선(110)에 대응되어 전류를 통전시키는 제 2전원선(112)이 취부되어 있다. 이 제 2전원선(112)과 제 1전원선(110)은 용접기(108)로 인입되어 있어, 용접기(108)에 인가되는 전류에 의해 작업대(116) 상부에 위치한 모재(114)와 로봇 아암(102)에 취부된 용접봉(106) 사이에 아크(Arc)를 발생시킨다. 이 아크의 발열작용에 의해 용접봉(106)이 용융되어 모재(114)를 접합하게 된다. 이때, 용접로봇(100)은 비드(Bead)용접을 수행하기 위해 모재(114)의 용접부분을 따라 용접선(118)을 추종하면서 위빙(Weaving)하여 모재(114)를 용접한다.

한편, 용접기(108)는 용접로봇(100)의 제어를 수행하는 로봇 제어기(120)와 연결되어 있으며, 로봇 제어기(120)는 용접로봇(100)에 장착된 용접토치(106)가 용접선(118)의 그루브를 따라서 위빙하며 움직이도록 연산 제어를 수행하는 로봇 구동 연산부(122)와, 용접기(108)가 구동되어 용접전압, 전류를 출력할 때 전류를 샘플링하고 샘플링한 전류를 이용하여 로봇이 이동되어야 할 보정값을 연산하는 아크센서부(124)를 포함한다.

이러한 아크센서는 소모성 전극봉을 이용하는 가스메탈 아크용접(GMAW:Gas Metal Arc Welding)인 경우, 용접 토치-모재간 거리가 증가함에 따라 측정되는 전류값은 감소하고, 거리가 줄어들수록 용접 전류값은 증가하게 되는 원리를 이용해 용접토치(Torch)가 그루브(Groove)양단 사이를 움직이는 동안 전류값을 측정하여 용접선 추적을 수행하게 된다.

아크센서를 이용한 로봇의 자동 용접 시에 아크 센서부(124)는 용접기가 출력하고 있는 전류값을 필요로 하게 된다. 전류측정센서는 여러 가지 방식으로 용접기(108)가 출력하는 전류를 측정하게 되는데 전류측정센서의 출력범위는 보편적으로 DC 0~10V 정도이다. 여기서 전류측정센서는 아크 센서부(124)에 포함되거나, 로봇제어기(120)내에 포함될 수 있다.

결국 용접기(108)가 출력하는 실제전류는 0~600A사이이고 이를 측정하는 전류측정센서의 출력값은 0~10V 정도이며, 아크 센서부(124)가 필요로 하는 전류치는 0~600A사이에 존재하는 값이므로 전류측정센서의 출력값과 아크 센서부(124)가 요구하는 전류사이의 상관관계식을 가지게 되는데 이를 아크센서 교정(Calibration)이라 한다. 로봇 용접시에 용접선 추종을 위한 용접토치 보상치를 연산하기 위해서는 정확한 전류값을 얻는 것이 필요하나, 전류측정센서를 정확히 교정하는 것은 어렵다. 도 2는 종래의 교정방식과 전류측정 센서의 정격 교정 그래프이다.

도 2를 참조하면, 참조번호 200은 전류측정센서가 가지는 정격 교정그래프이며, 참조번호 202는 통상적인 종래의 교정방식에 따른 정격 교정그래프이다. 통상적인 종래의 교정방식(202)은 다양한 용접조건(용접전류)하에서 수 회 평판용접을 수행하여 얻게 되는 전류측정센서의 출력값과 교정이 된 또 다른 전류측정센서의 출력값을 참조번호 202에 각각의 점들과 같이 표현한 후에 점들 간의 거리를 최소화 하는 직선을 보간하여 교정을 수행하게 된다.

상기한 바와 같이 동작하는 종래 기술에 의한 교정방식에 있어서는, 별도의 교정된 전류측정센서가 필요하며 자동용접로봇마다 수회의 반복 과정을 거쳐야 하고, 실제 용접부재가 아닌 평판에 용접을 수행한 후에 교정을 해야 하는 단점이 있었다. 또한 실제의 전류측정센서는 참조번호 202와 같은 직선식으로 교정되지 않고 용접전류의 범위에 대해 각 범위의 직선의 기울기가 다른 경우가 많다는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 아크센서를 이용한 자동용접 수행 시, 아크센서의 성능을 좌우할 수 있는 전류측정센서의 정확한 교정을 수행할 수 있는 아크센서 교정을 통한 용접선 자동 추종방법을 제공한다.

또한 본 발명은 아크센서를 이용한 자동용접 수행 시, 전류측정센서의 정확한 교정을 통하여 아크센서를 보정하고 이를 통해 용접선 자동 추종을 수행할 수 있는 아크센서 교정을 통한 용접선 자동 추종방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예 방법은, 용접부재와 토치간의 거리(TWD)와 피딩속도를 결정하여 평판용접을 통해 측정된 전류를 샘플링하는 과정과, 상기 샘플링 전류와 결정 정보로부터 아크센서 모델링식을 도출하는 과정과, 상기 아크센서모델링식의 기준전류와 실제 용접 중 측정되는 전류측정센서 출력값 간의 보간식을 도출하는 과정과, 상기 보간식을 토대로 아크센서 교정을 수행하는 과정을 포함한다.

본 발명에 있어서, 개시되는 발명 중 대표적인 것에 의하여 얻어지는 효과를 간단히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, 자동용접 로봇의 전류측정센서에 대한 교정을 통하여 아크센서의 성능을 높일 수 있으며, 이를 통해 좀 더 정확한 용접선 추종을 가능하게 할 수 있는 효과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명은 아크센서를 이용한 자동용접 수행 시, 전류측정센서의 정확한 교정을 통하여 아크센서를 보정하고 이를 통해 용접선 자동 추종을 수행하는 것이다.

이에 하기 실시예를 통해 전류측정센서의 정확한 교정 방안에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 아크센서 모델링 절차를 도시한 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 사전샘플링단계에서 미리 결정한 다수의 용접조건으로 평판용접을 실시하며, 미리 교정된 전류측정센서를 이용하여 각 용접조건에서의 전류값을 저장하게 된다. 300단계에서는 피딩속도(FR)와, 용접부재와 토치간의 거리(Tool-to-Workpiece Distance, 이하 TWD라 한다.) 조건(SO)과 샘플링 횟수를 결정하고, 샘플링 횟수의 확인을 위한 K를 1로 설정하게 된다. 이에 피딩속도가 n개이며, TWD 조건이 m개인 경우, 샘플링 횟수는 n*m 번이 될 수 있다.

이에 302단계로 진행하여 기 결정된 샘플링 횟수가 K보다 크거나 같은 경우에는 304단계에서 K번째 샘플링 조건에 따라 평판용접을 실시하여 각 용접 조건에서의 전류값(CR)을 저장하며, 평판용접을 통해 측정 전류값에 대한 샘플링을 수행하고, K에 샘플링 횟수 1을 더한 후, 302단계로 다시 복귀하게 되며, 이와 같은 동작을 K가 기 결정된 샘플링 횟수 보다 커질 때 까지 반복하도록 한다.

즉, 302단계에서 기 결정된 샘플링 횟수가 K보다 작은 경우에는 306단계로 진행하게 되며, 306단계에서는 샘플링된 전류값(CR)과 피딩속도(FR), TWD(SO) 값을 이용하여 다음과 같은 아크센서모델링식의 계수(a0, a1, a2, a3)를 계산한다. 계산방법은 최소자승법(Least-Square-Method)을 사용한다. 즉, SO=a0+a1*CR+a2*FR*CR+a3*FR이 될 수 있다.

이와 같이 도 3을 통해 도출된 아크센서 모델링 식은 유사한 용접조건하에서 적용될 수 있는 식으로서, 아크센서 캘리브레이션시에 기준 TWD와 피딩속도(FR)를 결정하게 되면 그에 대응하는 전류값(CR)을 계산해 낼 수 있다. 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전류측정 센서의 교정 절차를 도시한 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 400단계에서 수직방향 또는 수평방향의 용접선을 결정하고, 해당 용접선의 기준용접 조건(전압, 피딩속도)을 결정한다. 또한, TWD를 결정하고, 샘플링 횟수의 확인을 위한 K를1로 설정하게 된다.

이에 402단계로 진행하여 샘플링 횟수가 K 보다 크거나 같은 경우에는 404단계에서 실제 용접선을 용접하며, 전류측정센서로부터의 출력값을 샘플링한다. 이 값은 앞서 언급한 것처럼 0-10V의 값을 가지게 된다. 이후 K에 샘플링 횟수 1을 더한 후, 402단계로 다시 복귀하게 되며, 이와 같은 동작을 K가 기 결정된 샘플링 횟수 보다 커질 때 까지 반복하도록 한다.

이를 통해, 402단계에서 샘플링 횟수가 K보다 크거나 같은 경우에는 404단계에서 다시 샘플링을 수행하게 되나, 402단계에서 샘플링한 횟수가 K보다 작아진 경우에는 406단계로 진행하게 되며, 406단계에서는 샘플링된 전류측정센서 출력값(IS)과 아크센서 모델링식에 기준TWD(SO)와 기준피딩속도(FR)를 대입하여 구하는 기준 전류값(CR)에 대해 최소자승법을 적용하여 보간식을 구하면, 전류 측정 센서의 교정을 수행할 수 있다.

이와 같이 도 3과 도 4의 절차를 통한 전류 측정 장치 교정 및 아크센서 보정 방법은 다수의 자동용접로봇이 개별적으로 자동용접을 실시하는 경우에 초기에 도 3에서 설명한 작업을 한 대의 로봇에 대해 실시하여 일반적인 아크센서 관계식을 설정한 후에 모든 로봇에 대해 도 4에서 설명한 방법으로 전류측정센서를 교정할 수 있기 때문에 종래의 용접기 교정방법과 같이 각 로봇마다 평판용접을 다수 실행하며 교정을 할 필요가 없다. 실제로 자동용접이 적용되는 분야인 수직방향 용 접선의 용접과 수평방향 용접선의 용접조건이 매우 상이하므로(예를 들어, 수직방향 기준전류 250A, 수평방향 기준전류 400A) 종래의 방식으로 전류측정센서를 교정하는 데에 따른 오차에 비해 보다 정확히 교정을 수행할 수 있다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전류 측정 센서 교정 결과를 나타낸 그래프이다.

도 5를 참조하면, 수직용접 기준전류구간에서는 참조번호 500과 같은 보간식을 얻을 수 있으며, 수평용접 기준전류구간에서는 참조번호 502와 같은 보간식을 얻을 수 있으므로, 도 2의 참조번호 202의 보간식보다 실제 용접조건에 보다 근접하게 됨을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 아크센서를 이용한 자동용접 수행 시, 전류측정센서의 정확한 교정을 통하여 아크센서를 보정하고 이를 통해 용접선 자동 추종을 수행한다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 일반적인 용접 로봇에 의해 용접되는 용접공정의 구성도,

도 2는 종래의 교정방식과 전류측정 센서의 정격 교정 그래프,

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 아크센서 모델링 절차를 도시한 흐름도,

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전류측정 센서의 교정 절차를 도시한 흐름도,

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전류 측정 센서 교정 결과를 나타낸 그래프.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 >

100 : 용접로봇 104 : 용접봉

106 : 용접 와이어(wire) 108 : 용접기

114 : 모재 118 : 용접선

120 : 용접로봇제어기 124 : 아크센서부

Claims (5)

1. 용접부재와 토치간의 거리(TWD)와 피딩속도를 결정하여 평판용접을 통해 측정된 전류를 샘플링하는 과정과,

   상기 샘플링 전류와 결정 정보로부터 아크센서 모델링식을 도출하는 과정과,

   상기 아크센서모델링식의 기준전류와 실제 용접 중 측정되는 전류측정센서 출력값 간의 보간식을 도출하는 과정과,

   상기 보간식을 토대로 아크센서 교정을 수행하는 과정

   을 포함하는 아크센서 교정을 통한 용접선 자동 추종방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 아크센서 모델링 식은,

   상기 샘플링 전류 및 TWD, 상기 피딩속도로부터 아크센서 모델링 식의 계수를 최소자승법으로 계산하는 과정

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 아크센서 교정을 통한 용접선 자동 추종방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 보간식을 도출하는 과정은,

   해당 용접선, TWD, 상기 해당 용접선의 전압과 피딩속도를 결정하는 과정과,

   상기 실제 용접을 수행하여 전류 측정 센서로부터 측정된 전류값을 샘플링하는 과정과,

   상기 샘플링된 센서 출력값과 상기 아크센서 모델링식의 기준 전류 간 보간식 연산을 수행하는 과정

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 아크센서 교정을 통한 용접선 자동 추종방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 방법은,

   상기 아크센서 모델링식을 도출하여 다수의 자동용접 로봇에 적용하는 과정과,

   각 자동 용접 로봇별 보간식 도출을 통한 아크센서 교정을 수행하는 과정

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 아크센서 교정을 통한 용접선 자동 추종방법.
5. 제 3항에 있어서,

   상기 보간식을 도출하는 과정은,

   각 용접선별로 수행하는 것을 특징으로 하는 아크센서 교정을 통한 용접선 자동 추종방법.

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