KR20120056146A

KR20120056146A - 롤 포밍 시스템용 레이저 용접장치 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR20120056146A
Application number: KR1020100117722A
Authority: KR
Inventors: 이문용; 설현욱
Original assignee: 주식회사 성우하이텍
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2012-06-01
Also published as: KR101247106B1; US20120125898A1; US8847107B2; DE102010061336B4; US20140360990A1; DE102010061336A1

Abstract

롤 포밍 시스템용 레이저 용접장치 및 그 제어방법이 개시된다. 본 실시예에 따른 롤 포밍 시스템용 레이저 용접장치는 롤 포밍유닛의 후방에서 성형빔의 롤 포밍 성형과 동시에 그 용접위치에 대한 실시간 레이저 용접을 진행함으로써 롤 포밍 성형빔의 용접접합을 롤 포밍 공정 내에서 한번에 이룰 수 있도록 하며, 그 제어방법을 통하여 롤 포밍 성형빔의 성형속도에 따라 조사되는 레이저빔의 출력과 초점이동속도를 실시간 가변 제어하여 성형빔 상의 용접위치에 일정한 지그재그 선을 따라 일정규격의 용접비드를 형성하는 용접접합을 이룬다.

Description

롤 포밍 시스템용 레이저 용접장치 및 그 제어방법{LASER WELDING DEVICE FOR ROLL FORMING SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 롤 포밍 시스템용 레이저 용접장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 롤 포밍유닛의 후방에서 롤 포밍 성형속도에 따라 레이저빔의 출력 및 초점이동속도를 제어하여 성형빔 상의 각 용접위치에 실시간 레이저 용접접합을 진행하는 롤 포밍 시스템용 레이저 용접장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 롤 포밍 공법은 코일을 풀어 상부 성형롤과 하부 성형롤을 한 쌍으로 구성하는 롤 포머가 다단으로 일렬 배치되는 롤 포밍유닛을 거치도록 하여 다양한 형상으로 절곡 성형하는 것으로, 특히 차량용 범퍼빔과 같이 다양한 형상으로 절곡 성형된 직선타입의 빔류를 제조하는데 적용된다.

도 1은 상기한 롤 포밍 공법을 이루기 위한 종래 기술에 따른 롤 포밍 시스템의 단계별 공정 개념도로서, 종래 기술에 따른 롤 포밍 시스템 및 그 공정은 먼저, 공급되는 코일(200)을 풀어주는 언코일러(201)가 공정라인 전방에 구성되어 언코일 단계(S110)를 이루고, 상기 언코일러(201)로부터 풀려 나온 코일을 평판의 패널(250)로 펴주는 스트레이트너(203)가 그 후방에 구비되어 스트레이트닝 단계(S120)를 이룬다.

그리고 상기 스트레이트너(203)의 후방에는 상기 스트레이트너(203)로부터 공급된 패널(250)에 성형될 빔류의 조립을 위한 여러 용도의 홀을 가공하는 브레이크 프레스(205)가 구비되어 피어싱 단계(S130)를 진행한다.

이후, 적어도 10단 이상의 롤 포머(R1~R7; 일부 미도시)들로 구성되는 롤 포밍유닛(207)은 상기 브레이크 프레스(205)의 후방에 배치되어 상기 언코일러(201), 스트레이트너(203), 및 브레이크 프레스(205)를 거쳐 공급되는 패널(250)을 순차적으로 절곡하여 얻고자 하는 성형빔(260)의 형상으로 롤 성형하는 롤 포밍 단계(S140)를 진행하게 된다.

그리고 상기 롤 포밍유닛(207)의 후방에는 일정 곡률을 갖는 롤 포밍 성형품의 곡률을 성형하기 위한 라운드 벤더(209)가 구비되어 성형하고자하는 곡률의 반경을 따라 상기 성형빔(260)을 통과시킴으로써 일정 곡률의 성형빔(260)을 제조하는 벤딩단계(S150)를 이루게 된다.

또한, 상기 라운드 벤더(209)의 후방에는 상기 성형빔(260)을 일정규격으로 절단하는 컷팅 프레스(211)가 구성되어 제품화하기 위한 완성품의 규격대로 성형빔(260)을 절단하는 컷팅단계(S160)를 이룬다.

이러한 롤 포밍 시스템 및 그 공정을 통하여 생산되는 성형빔(260)의 사용 예로, 도 2에서는 길이방향을 따라 폐단면 형상으로 절곡되어 롤 포밍 성형된 차량용 범퍼빔(300)을 도시하고 있다.

그러나 상기한 바와 같은 범퍼빔(300)의 경우, 폐단면으로 성형되어 그 양단이 별도의 용접공정에서 롤 스폿 용접(SW) 또는 CMT(Cold Metal Transfer)용접 등을 통하여 용접되어야 함으로 추가적인 공정을 통하여 진행되는 용접단계(S170)가 반드시 필요한 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 단점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명이 해결하려는 과제는 롤 포밍유닛의 후방에서 성형빔의 롤 포밍 성형과 동시에 그 용접위치에 대한 실시간 레이저 용접을 진행함으로써 롤 포밍 성형빔의 용접접합을 롤 포밍 공정 내에서 한번에 이룰 수 있도록 하는 롤 포밍 시스템용 레이저 용접장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하려는 다른 과제는 롤 포밍 성형빔의 성형속도에 따라 조사되는 레이저빔의 출력과 초점이동속도를 실시간 가변 제어하여 성형빔 상의 용접위치에 일정한 지그재그 선을 따라 일정규격의 용접비드를 형성하는 용접접합을 이루어 레이저 용접품질을 향상시키는 롤 포밍 시스템용 레이저 용접장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 기술적 과제를 실현하기 위한 본 발명의 롤 포밍 시스템용 레이저 용접장치는 다단의 롤 포머로 구성되는 롤 포밍유닛을 통하여 롤 포밍된 성형빔을 생산하는 롤 포밍 시스템에서, 상기 롤 포밍유닛의 후방측 베이스 상에 일정간격을 두고 설치되어 상기 성형빔의 이동을 안내하는 전측 및 후측 가이드 수단; 상기 전측 및 후측 가이드 수단 사이의 상부에 배치되어 일측 가이드 수단에 브라켓을 통하여 설치되며, 미러모터의 정역 구동제어로 내부의 반사미러를 일정각 반복 회전 구동하면서 이동중인 성형빔 상의 용접위치에 레이저빔을 조사하여 일정한 용접비드를 갖는 용접부를 형성하는 레이저 용접수단; 상기 전측 가이드 수단의 일측에 구성되어 상기 성형빔의 성형속도를 검출하여 그 신호를 제어기로 출력하는 성형속도 감지수단; 상기 후측 가이드 수단의 후방측에 구성되어 상기 성형빔 상의 용접부를 촬영하여 그 영상신호를 상기 제어기로 출력하는 카메라를 포함한다.

또한, 상기 전측 및 후측 가이드 수단은 상기 베이스 상에 설치되는 가이드 프레임; 상기 가이드 프레임의 하부에 슬라이더를 통하여 설치되어 상기 성형빔의 하면을 구름 안내하는 하부 가이드 롤러; 및 상기 가이드 프레임의 상부에 슬라이더를 통하여 설치되어 상기 성형빔의 상면을 구름 안내하는 상부 가이드 롤러로 구성될 수 있다.

또한, 상기 레이저 용접수단은 제어신호에 따라 레이저빔을 발진하는 레이저 발진기; 상기 후측 가이드 수단의 상부에 브라켓을 통하여 설치되는 하우징; 상기 하우징의 일측에 구성되어 상기 레이저 발진기과 광케이블로 연결되며, 내부에 상기 레이저 발진기에서 발진된 레이저빔의 초점을 제어하는 광학계를 구성하는 옵틱헤드; 상기 하우징의 내부에 구성되어 상기 옵틱헤드로부터 출력되는 레이저빔을 상기 성형빔의 용접위치로 반사하는 반사미러; 상기 하우징의 내측에 구성되어 상기 반사미러와 회전축을 통하여 연결되며, 제어신호에 따라 상기 반사미러의 반사각도를 제어하여 상기 성형빔 상의 용접위치에 대한 레이저빔의 초점을 일정폭 내에서 반복적으로 왕복 이동시키는 미러모터를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 미러모터는 정역 회전 구동제어가 가능한 스텝모터로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 성형속도 감지수단은 상기 성형빔의 하면 일측에 구름 접촉된 상태로 상기 성형빔의 성형속도에 비례하여 회전하는 회전롤러; 상기 전측 가이드 수단의 일측에 설치된 상태로 상기 회전롤러와 회전축으로 연결되며, 상기 회전롤러의 회전수를 상기 성형빔의 성형속도로 연산하여 그 신호를 제어기로 출력하는 인코더 모터로 구성될 수 있다.

여기서, 상기 회전롤러는 우레탄 소재로 구성될 수 있다.

그리고 상기한 롤 포밍 시스템용 레이저 용접장치의 제어방법은 인코더 모터로부터 성형빔의 성형속도를 검출하는 제1단계; 레이저 발진기로부터 발진되는 레이저빔의 출력 및 미러모터의 회전에 따른 레이저빔의 초점이동속도를 기준값으로 제어하여 상기 성형빔의 용접위치에 대하여 설정용접패턴으로 레이저 용접을 진행하여 용접부를 형성하는 제2단계; 상기 검출된 성형속도가 설정속도의 오차범위 내에 있는가를 판단하는 제3단계; 상기 제3단계의 조건을 만족하면, 카메라로부터 상기 성형빔 상의 용접부 영상정보를 영상신호로 수신하여 판독하는 제4단계; 상기 제3단계의 조건을 만족하지 않으면, 상기 레이저빔의 출력 및 초점이동속도를 실시간 성형속도별 설정값으로 제어하여 상기 제4단계로 리턴되는 제5단계; 상기 제4단계에 이어, 상기 용접부의 영상정보로부터 판독된 판독용접패턴이 상기 설정용접패턴을 유지하는가를 판단하는 제6단계; 상기 제6단계의 조건을 만족하면, 상기 레이저빔의 출력 및 초점이동속도를 유지하도록 상기 레이저 발진기 및 미러모터를 구동 제어하는 제7단계; 상기 제6단계의 조건을 만족하지 않으면, 상기 레이저 발진기 및 미러모터를 정지 제어함과 동시에, 이상신호를 출력하는 제8단계를 포함한다.

또한, 상기 설정용접패턴은 상기 성형빔의 용접위치에 대하여 일정한 지그재그 선을 따라 형성되는 일정규격의 용접비드가 갖는 윤곽선 모양일 수 있다.

여기서, 상기 설정용접패턴은 상기 용접비드의 윤곽선의 정보로 데이터화되어 제어기에 저장되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 성형속도별 설정값은 상기 성형빔이 롤 포밍유닛에 의해 성형되어 이동하는 속도별로 상기 성형빔의 각 용접위치에 설정용접패턴으로 용접부를 형성하도록 레이저빔의 출력 및 초점이동속도의 시험치를 근거로 연산되어 맵 테이블에 저장된 상기 레이저 발진기 및 미러모터의 제어값인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 판독용접패턴은 상기 성형빔의 용접부에 대한 모재와 용접비드의 음영값의 차이로 인식되는 용접비드의 윤곽선 모양일 수 있다.

여기서, 상기 판독용접패턴은 상기 카메라로부터 상기 용접비드의 윤곽선의 정보로 데이터화되어 제어기에 전송되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 롤 포밍 시스템용 레이저 용접장치 및 그 제어방법에 따르면, 롤 포밍유닛의 후방에서 성형빔의 롤 포밍 성형과 동시에 그 용접위치에 대한 실시간 레이저 용접을 진행함으로써 롤 포밍 성형빔의 용접접합을 롤 포밍 공정 내에서 한번에 이룰 수 있도록 하여 별도의 용접공정을 둘 필요가 없으며, 추가적인 공정을 배제함에 따른 공정 사이클 타임을 줄이는 효과가 있다.

또한, 롤 포밍 성형빔의 성형속도에 따라 조사되는 레이저빔의 출력과 초점이동속도를 실시간 가변 제어하여 성형빔 상의 각 용접위치에 일정한 지그재그 선을 따라 일정규격의 용접비드를 형성하는 레이저 용접접합을 가능하게 하여 용접품질을 향상시킨다.

도 1은 일반적인 롤 포밍 시스템 및 단계별 공정 개념도이다.
도 2는 일반적인 롤 포밍 시스템 및 공정을 이용하여 제조된 차량용 범퍼빔의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접장치가 적용되는 롤 포밍 시스템 및 단계별 공정도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접장치의 측면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접장치에 의한 용접부 형성 원리도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접장치의 제어 블록도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접장치에 의한 용접부의 설정용접패턴을 도시한 성형빔의 평면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접장치의 제어방법에 의한 제어 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접장치가 적용된 롤 포밍 시스템을 이용하여 제조된 성형품의 사시도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접장치가 적용되는 롤 포밍 시스템 및 단계별 공정도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접장치의 측면도이다.

먼저, 본 실시예에 따른 레이저 용접장치가 적용되는 롤 포밍 시스템은, 도 3에서 도시한 바와 같이, 먼저, 공정라인 전방에 언코일러(1)가 구성되어 공급되는 코일(10)을 풀어주게 된다.

상기 언코일러(1)의 후방에는 스트레이트너(2)가 구성되어 언코일러(1)로부터 풀려 나온 코일(10)을 평판의 패널(20)로 펴주게 된다.

그리고 상기 스트레이트너(2)의 후방에는 브레이크 프레스(3)가 구비되어 상기 스트레이트너(2)로부터 공급되는 패널(20)에 성형할 빔류의 조립을 위한 여러 용도의 홀을 성형하도록 구성된다.

상기 브레이크 프레스(3)의 후방에는 상기 스트레이트너(2)와 브레이크 프레스(3)를 거쳐 공급되는 패널(20)을 순차적으로 절곡하여 폐단면 형상의 성형빔(30)으로 롤 성형하는 롤 포밍유닛(4)이 구성된다.

상기한 롤 포밍유닛(4)은 적어도 10단계 이상의 롤 포머(R1,R2,R3...R6,R7; 일부 미도시)들이 일렬로 배치되어 구성된다.

그리고 상기 롤 포밍유닛(4)의 후방에는, 도 4에서 도시한 바와 같이, 상기 성형빔(30)의 용접위치에 레이저 용접을 진행하기 위한 본 실시예에 따른 레이저 용접장치(5)가 적용된다.

이러한 레이저 용접장치(5)의 후방에는 용접공정을 거친 성형빔(40)에 일정 곡률을 성형하기 위한 5세트의 곡률 성형롤로 구성되는 라운드 벤더(6)가 구성된다.

또한, 상기 라운드 벤더(6)의 후방에는 상기 곡률 성형된 성형빔(50)을 일정규격으로 절단하는 컷팅 프레스(7)가 구성된다.

이러한 롤 포밍 시스템에서, 본 실시예에 따른 레이저 용접장치(5)의 구성은, 상기 도 4에서 도시한 바와 같이, 전측 및 후측 가이드 수단(110,120), 레이저 용접수단(130), 성형속도 감지수단(140), 및 카메라(150)로 구성된다.

먼저, 상기 전측 가이드 수단(110) 및 후측 가이드 수단(120)은 상기 롤 포밍유닛(4)의 최후단 롤 포머(즉, 도 3에서 R7)와 그 후방의 라운드 벤더(6) 사이의 베이스(9) 상에 일정간격을 두고 각각 구성되어 성형빔(30)의 이동을 안내한다.

여기서, 상기 전측 및 후측 가이드 수단(110,120)은 동일한 기능 및 형상으로 구성되는데, 그 각각의 구성은 먼저, 베이스(9) 상에 가이드 프레임(111,121)이 설치된다.

상기 가이드 프레임(111,121)의 하부에는 슬라이더(113,123)를 통하여 상기 성형빔(30)의 하면을 구름 안내하는 하부 가이드 롤러(115,125)가 회전 가능하게 설치된다.

또한, 상기 가이드 프레임(111,121)의 상부에는 슬라이더(117,127)를 통하여 상기 성형빔(30)의 상면을 구름 안내하는 상부 가이드 롤러(119,129)가 회전 가능하게 설치된다.

이러한 전측 및 후측 가이드 수단(110,120)은 롤 포밍유닛(4)으로부터 일정속도로 롤 포밍 성형된 성형빔(30)을 각각의 상부 및 하부 가이드 롤러(119,129)(115,125)를 통하여 구름 지지하여 안내한다.

즉, 상기 상부 및 하부 가이드 롤러(119,129)(115,125)는 롤 포밍 성형과정에 성형빔(30)에 남아 있는 잔류응력으로 인한 스프링백(spring back)을 잡아주어 상기 레이저 용접장치(5)에 의한 레이저 용접 시에 용접위치(WP)인 성형빔(30)의 양단이 벌어지는 것을 방지해준다.

그리고 상기 레이저 용접수단(130)은 전측 및 후측 가이드 수단(110,120) 사이의 상부에 배치되어 상기 롤 포밍유닛(4)으로부터 성형이 이루어져 이동중인 성형빔(30) 상의 용접위치(WP)에 대하여 레이저 용접을 진행한다.

즉, 레이저 발진기(131)로부터 발진되는 레이저빔(LB)의 초점을 일정폭 내에서 반복적으로 이동시키면서 성형빔(30) 상의 용접위치(WP)에 조사하며, 이로 인해 성형빔(30)에 일정한 모양의 용접비드(B)를 갖는 용접부(W)를 형성한다.

이러한 레이저 용접수단(130)의 구체적인 구성은 제어기(C)의 제어신호에 따라 레이저빔(LB)을 발진하는 레이저 발진기(131)를 구비한다.

또한, 상기 전측 및 후측 가이드 수단(110,120)의 각 가이드 프레임(111,121) 사이의 상부 중앙에는 하우징(132)이 배치되며, 상기 하우징(132)은 후측 가이드 수단(120)의 가이드 프레임(121) 상단에 브라켓(133)을 통하여 설치된다.

상기 하우징(132)의 일측면에는 옵틱헤드(134)가 구성되는데, 상기 옵팁헤드(134)는 상기 레이저 발진기(131)와 광케이블(135)로 연결되며, 내부에 상기 레이저 발진기(131)에서 발진된 레이저빔(LB)의 초점을 제어하는 광학계(미도시)를 구성한다.

또한, 상기 하우징(132)의 내부 중앙에는 옵틱헤드(134)로부터 출력되는 레이저빔(LB)을 상기 성형빔(30)의 용접위치(WP)로 반사하는 반사미러(136)가 구성된다.

또한, 상기 하우징(132)의 내측부에는 미러모터(137)가 구성되어 상기 반사미러(136)와 회전축(138)을 통하여 연결된다.

즉, 도 5에서 도시한 바와 같이, 상기 미러모터(137)는 제어기(C)의 제어신호에 따라 상기 반사미러(136)의 반사각도를 제어하여 상기 성형빔(30) 상의 용접위치(WP)에 대한 레이저빔(LB)의 초점을 일정폭(Wd) 내에서 반복적으로 왕복 이동시키도록 구동된다.

이러한 미러모터(137)는 정역 회전 구동제어가 가능한 스텝모터로 이루어질 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.

그리고 상기 성형속도 감지수단(140)은 상기 전측 가이드 수단(110)의 가이드 프레임(111) 중앙부 일측에 구성되어 상기 성형빔(30)의 성형속도(V)를 검출하여 그 신호를 제어기(C)로 출력한다.

이러한 성형속도 감지수단(140)은 상기 성형빔(30)의 하면 일측에 회전롤러(141)가 구름 접촉된 상태로 상기 성형빔(30)의 성형속도(V)에 비례하여 회전하도록 구성된다.

여기서, 상기 회전롤러(141)는 우레탄 소재의 롤러로 구성되어 구름 접촉되는 성형빔(30)의 하면에 접촉에 의한 스크레치(흠집)를 남기지 않으면서 접촉력을 유지하여 헛돌지 않도록 구성되며, 본 실시예의 우레탄 소재 이외에도 탄성력을 갖는 고무소재의 롤러도 적용이 가능하다.

또한, 상기 전측 가이드 수단(110)의 가이드 프레임(111)의 중앙부 일측에는 인코더 모터(143)가 설치된 상태로 상기 회전롤러(141)와 회전축(145)으로 연결된다.

즉, 상기 인코더 모터(143)는 상기 회전롤러(141)의 회전수에 따른 전기적 신호를 발생시켜 이를 상기 성형빔(30)의 성형속도(V)로 연산하여 그 신호를 제어기(C)로 출력한다.

그리고 상기 카메라(150)는 통상의 CCD 카메라를 적용할 수 있으며, 상기 후측 가이드 수단(120)의 가이드 프레임(121) 후방측에 구성되어 레이저 용접된 성형빔(40) 상의 용접부(W)를 촬영하여 그 영상정보를 상기 제어기(C)에 영상신호로 출력한다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 레이저 용접장치(5)는, 도 6에서 도시한 바와 같이, 제어기(C)가 인코더 모터(143)로부터 검출된 성형빔(30)의 성형속도(V)를 수신하여 성형속도별로 설정된 맵 테이블의 설정값에 따라 레이저 발진기(131)로부터 출력되는 레이저빔(LB)의 출력을 제어한다.

이와 동시에, 제어기(C)는, 상기 도 5에서 도시한 바와 같이, 상기 성형빔(30)의 성형속도별로 설정된 맵 테이블의 설정값에 따라 미러모터(137)를 정역 구동 제어하여 반사미러(136)의 반복적인 왕복 회전속도를 제어하여 성형빔(30) 상의 용접위치(WP)에 대한 레이저빔(LB)의 초점이동속도를 상기 성형속도(V)에 맞추어 제어한다.

또한, 제어기(C)는 레이저 용접이 완료된 성형빔(40)의 용접부(W) 영상정보를 카메라(150)로부터 영상신호로 수신하여 용접품질을 판단하며, 그 판단 결과에 따라 상기 레이저 발진기(131) 및 미러모터(137)의 작동을 유지 또는 정지 제어한다.

여기서, 제어기(C)는 상기 용접부(W)의 용접품질을 판단하기 위한 기준으로 자체 맵 정보에 설정용접패턴(SP)을 저장한다.

상기 설정용접패턴(SP)은, 도 7에서 도시한 바와 같이, 상기 성형빔(30)의 용접위치(WP)에 대하여 일정한 지그재그 선(WL)을 따라 형성되는 일정규격의 용접비드(B)가 갖는 윤곽선 모양으로 형성된다.

이러한 설정용접패턴(SP)은 레이저빔(LB)의 초점이 지나간 흔적이 이동하는 성형빔(30)의 각 용접위치(WP)에서 일정한 속도로 지그재그 선(WL)을 그리며 레이저 용접이 진행될 때 얻을 수 있다.

여기서, 상기 설정용접패턴(SP)은 성형속도(V)가 5m/min일 때, 레이저빔(LB)의 출력이 5.8kW이고, 용접비드(B)의 폭(Wd)은 1.6mm, 피치(P)는 0.5mm인 경우에 이상적으로 형성되었다.

이러한 설정용접패턴(SP)은 상기 용접비드(B)의 윤곽선의 정보로 데이터화되어 제어기(C)에 저장된다.

한편, 제어기(C)는 레이저 발진기(131)의 구동 제어를 통하여 레이저빔(LB)의 발진 타이밍도 함께 제어한다.

이하, 상기한 바와 같은 본 실시예에 따른 레이저 용접장치(5)의 제어 작동을 전체적인 롤 포밍 시스템의 공정과 함께 설명하면, 도 3에서 도시한 바와 같이, 먼저, 공정라인의 전방에서, 언코일러(1)를 이용하여 성형용으로 공급할 코일(10)을 풀어주는 언코일 단계(S1)를 진행한다.

상기 언코일 단계(S1)에 이어, 상기 언코일러(1)의 후방에서는 스트레이트너(2)를 이용하여 상기 언코일 단계(S1)로부터 풀려 나온 코일(10)을 패널(20)로 펴주는 스트레이트닝 단계(S2)를 진행한다.

이어서, 상기 스트레이트너(2)의 후방에서는 브레이크 프레스(3)를 이용하여 상기 스트레이트닝 단계(S2)로부터 공급되는 패널(20)에 성형할 빔류의 조립을 위한 여러 용도의 홀을 성형하는 피어싱 단계(S3)를 진행한다.

이후, 상기 브레이크 프레스(3)의 후방에서는 다단의 롤 포머(R1,R2,R3.. R6,R7; 일부 미도시)로 구성되는 롤 포밍유닛(4)을 이용하여 상기 피어싱 단계(S3)로부터 공급되는 패널(20)을 각각 순차적으로 절곡하여 얻고자 하는 폐단면 성형빔(30)의 형상으로 성형하는 롤 포밍 단계(S4)를 진행한다.

상기 롤 포밍유닛(4)의 후방에서는, 도 4에서 도시한 바와 같이, 본 실시예의 레이저 용접장치(5)에 의해, 도 8에서 도시한 바와 같은 레이저 용접장치의 제어방법으로 성형빔(30)의 각 용접위치(WP)에 레이저빔(LB)을 이용하여 레이저 용접을 진행하는 용접 단계(S5)를 진행한다.

또한, 상기 레이저 용접장치(5)의 후방에서는 라운드 벤더(6)를 이용하여 상기 용접 단계(S5)로부터 공급되는 성형빔(40)을 성형하고자하는 일정 곡률로 성형하는 벤딩 단계(S6)를 진행한다.

상기 라운드 벤더(6)의 후방에서는 컷팅 프레스(7)를 이용하여 상기 벤딩 단계(S6)로부터 공급되는 성형빔(50)을 일정규격으로 절단하여 컷팅 단계(S7)를 진행함으로써, 도 9에서 도시한 바와 같이, 완성된 성형빔(60)을 생산하게 된다.

이하, 본 실시예에 따른 상기 레이저 용접장치(5)의 제어방법을, 도 8을 통하여 구체적으로 설명한다.

먼저, 제어기(C)는 인코더 모터(143)로부터 성형빔(30)의 성형속도(V)를 검출한다.(S1)

그리고 제어기(C)는 레이저 발진기(131)로부터 발진되는 레이저빔(LB)의 출력 및 미러모터(137)의 회전에 따른 레이저빔(LB)의 초점이동속도를 기준값으로 제어한다.(S2)

이에, 상기 성형빔(30)에는 각 용접위치(WP)에 설정용접패턴(SP)으로 레이저 용접이 진행되어 용접부(W)가 형성된다.

여기서, 상기 설정용접패턴(SP)이라 함은, 상기 도 7의 설명에서 언급한 바와 같이, 성형빔(30)의 각 용접위치(WP)에 대하여 일정한 지그재그 선을 따라 형성되는 일정규격의 용접비드(B)가 갖는 윤곽선의 모양을 갖는다.

즉, 설정용접패턴(SP)은 상기한 바와 같이, 용접비드(B)의 윤곽선의 정보로 데이터화되어 제어기(C)에 저장된다.

그리고 상기 제어기(C)는 인코더 모터(143)로부터 검출된 성형속도(V)가 설정속도의 오차범위 내에 있는가를 판단한다.(S3)

이때, 실시간 검출된 성형속도(V)가 설정속도의 오차범위 내에 있으면, 제어기(C)는 카메라(150)로부터 상기 성형빔(30) 상의 용접부(W) 영상정보를 수신하여 이를 판독한다.(S4)

반면, 상기 실시간 검출된 성형속도(V)가 설정속도의 오차범위를 벗어나면, 제어기(C)는 상기 레이저빔(LB)의 출력 및 초점이동속도를 실시간 성형속도별 설정값으로 제어하며, 상위단계(S4)로 리턴한다.(S5)

여기서, 상기 성형속도별 설정값은 상기 성형빔(30)이 롤 포밍유닛(4)에 의해 성형되어 이동하는 속도별로 상기 성형빔(30)이 용접위치(WP)에 설정용접패턴(SP)의 용접부를 형성하도록 레이저빔(LB)의 출력 및 초점이동속도의 시험치를 근거로 연산되어 맵 테이블로 저장된 상기 레이저 발진기(131) 및 미러모터(137)의 제어값이다.

한편, 상기 단계(S4)에 이어서, 제어기(C)는 용접부(W)의 영상정보로부터 판독된 판독용접패턴이 상기 설정용접패턴(SP)을 유지하는지를 판단한다.(S6)

이때, 상기 판독용접패턴이 설정용접패턴(SP)을 유지하면, 제어기(C)는 상기 레이저빔(LB)의 출력 및 초점이동속도를 그대로 유지하도록 상기 레이저 발진기(131) 및 미러모터(137)의 구동 제어를 유지한다.(S7)

반면, 상기 판독용접패턴이 설정용접패턴(SP)을 유지하지 못하면, 제어기(C)는 상기 레이저 발진기(131) 및 미러모터(137)를 정지 제어함과 동시에, 이상신호를 출력한다.(S8)

여기서, 상기 판독용접패턴이라 함은 실시간 레이저 용접이 진행된 상기 성형빔(30)의 용접부(W)에 대한 모재와 용접비드(B)의 음영값의 차이로 인식되는 용접비드(B)의 윤곽선 모양으로 이루어진다.

즉, 상기 판독용접패턴은 상기 카메라(150)로부터 상기 용접비드(B)의 윤곽선의 정보로 데이터화되어 상기 제어기(C)에 전송되며, 제어기(C)는 상기 판독용접패턴과 설정용접패턴(SP)의 각 윤곽선 정보를 매칭시켜 용접품질을 비교 판단한다.

이와 같이, 본 실시예의 레이저 용접장치(5) 및 그 제어방법이 적용된 롤 포밍 시스템 및 그 공정을 통하여 제조되는 성형빔(60)은, 도 9에서 도시한 바와 같이, 차량용 범퍼빔을 그 예로 하며, 배면 중앙에 양단이 길이방향을 따라 일정 길이(L)로 용접비드(B)를 엇갈리게 형성하여 용접되는 관재로 형성된다.

즉, 본 실시예에 따른 롤 포밍 시스템용 레이저 용접장치(5)는 롤 포밍 공정에서 폐단면 성형빔(30)을 성형함과 동시에, 롤 포밍 공정 내에서 각 용접위치(WP)에 레이저 용접을 바로 진행하여 추가적인 용접공정을 배제할 수 있게 된다.

또한, 본 실시예에 따른 롤 포밍 시스템용 레이저 용접장치의 제어방법으로 롤 포밍 성형빔(30)의 성형속도(V)에 따라 레이저빔(LB)의 출력과 초점이동속도를 실시간 가변 제어함으로써 성형빔(30) 상의 각 용접위치(WP)에 일정한 지그재그 선(WL)을 따라 일정규격 용접비드(B)로 이루어진 용접부(W)를 형성할 수 있어, 레이저 용접품질을 향상시킬 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 한정된 실시 예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

1: 언코일러 2: 스트레이트너
3: 브레이크 프레스 4: 롤 포밍유닛
5: 레이저 용접장치 6: 라운드 벤더
7: 컷팅 프레스 10: 코일
9: 베이스 20: 패널
30,40,50,60: 성형빔 110,120: 전측 및 후측 가이드 수단
130: 레이저 용접수단 140: 성형속도 감지수단
150: 카메라 111,121: 가이드 프레임
113,123,117,127: 슬라이더 115,125,119,129: 가이드 롤러
131: 레이저 발진기 132: 하우징
133: 브라켓 134: 옵틱헤드
135: 광케이블 136: 반사미러
137: 미러모터 141: 회전롤러
143: 인코더 모터 WL: 지그재그 선
V: 성형속도 LB: 레이저빔
WP: 용접위치 B: 용접비드
W: 용접부 C: 제어기
SP: 설정용접패턴 Wd: 폭
P: 피치 L: 길이

Claims

다단의 롤 포머로 구성되는 롤 포밍유닛을 통하여 롤 포밍된 성형빔을 생산하는 롤 포밍 시스템에서,
상기 롤 포밍유닛의 후방측 베이스 상에 일정간격을 두고 설치되어 상기 성형빔의 이동을 안내하는 전측 및 후측 가이드 수단;
상기 전측 및 후측 가이드 수단 사이의 상부에 배치되어 일측 가이드 수단에 브라켓을 통하여 설치되며, 미러모터의 정역 구동제어로 내부의 반사미러를 일정각 반복 회전 구동하면서 이동중인 성형빔 상의 용접위치에 레이저빔을 조사하여 일정한 용접비드를 갖는 용접부를 형성하는 레이저 용접수단;
상기 전측 가이드 수단의 일측에 구성되어 상기 성형빔의 성형속도를 검출하여 그 신호를 제어기로 출력하는 성형속도 감지수단;
상기 후측 가이드 수단의 후방측에 구성되어 상기 성형빔 상의 용접부를 촬영하여 그 영상신호를 상기 제어기로 출력하는 카메라를 포함하는 롤 포밍 시스템용 레이저 용접장치.
제1항에서,
상기 전측 및 후측 가이드 수단은
상기 베이스 상에 설치되는 가이드 프레임;
상기 가이드 프레임의 하부에 슬라이더를 통하여 설치되어 상기 성형빔의 하면을 구름 안내하는 하부 가이드 롤러; 및
상기 가이드 프레임의 상부에 슬라이더를 통하여 설치되어 상기 성형빔의 상면을 구름 안내하는 상부 가이드 롤러로 구성되는 롤 포밍 시스템용 레이저 용접장치.
제1항에 있어서,
상기 레이저 용접수단은
제어신호에 따라 레이저빔을 발진하는 레이저 발진기;
상기 후측 가이드 수단의 상부에 브라켓을 통하여 설치되는 하우징;
상기 하우징의 일측에 구성되어 상기 레이저 발진기과 광케이블로 연결되며, 내부에 상기 레이저 발진기에서 발진된 레이저빔의 초점을 제어하는 광학계를 구성하는 옵틱헤드;
상기 하우징의 내부에 구성되어 상기 옵틱헤드로부터 출력되는 레이저빔을 상기 성형빔의 용접위치로 반사하는 반사미러;
상기 하우징의 내측에 구성되어 상기 반사미러와 회전축을 통하여 연결되며, 제어신호에 따라 상기 반사미러의 반사각도를 제어하여 상기 성형빔 상의 용접위치에 대한 레이저빔의 초점을 일정폭 내에서 반복적으로 왕복 이동시키는 미러모터를 포함하는 롤 포밍 시스템용 레이저 용접장치.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 미러모터는
정역 회전 구동제어가 가능한 스텝모터로 이루어지는 롤 포밍 시스템용 레이저 용접장치.
제1항에 있어서,
상기 성형속도 감지수단은
상기 성형빔의 하면 일측에 구름 접촉된 상태로 상기 성형빔의 성형속도에 비례하여 회전하는 회전롤러;
상기 전측 가이드 수단의 일측에 설치된 상태로 상기 회전롤러와 회전축으로 연결되며, 상기 회전롤러의 회전수를 상기 성형빔의 성형속도로 연산하여 그 신호를 제어기로 출력하는 인코더 모터로 구성되는 롤 포밍 시스템용 레이저 용접장치.
제5항에 있어서,
상기 회전롤러는
우레탄 소재로 구성되는 롤 포밍 시스템용 레이저 용접장치.
인코더 모터로부터 성형빔의 성형속도를 검출하는 제1단계;
레이저 발진기로부터 발진되는 레이저빔의 출력 및 미러모터의 회전에 따른 레이저빔의 초점이동속도를 기준값으로 제어하여 상기 성형빔의 각 용접위치에 대하여 설정용접패턴으로 레이저 용접을 진행하여 용접부를 형성하는 제2단계;
상기 검출된 성형속도가 설정속도의 오차범위 내에 있는가를 판단하는 제3단계;
상기 제3단계의 조건을 만족하면, 카메라로부터 상기 성형빔 상의 용접부 영상정보를 영상신호로 수신하여 판독하는 제4단계;
상기 제3단계의 조건을 만족하지 않으면, 상기 레이저빔의 출력 및 초점이동속도를 실시간 성형속도별 설정값으로 제어하여 상기 제4단계로 리턴되는 제5단계;
상기 제4단계에 이어, 상기 용접부의 영상정보로부터 판독된 판독용접패턴이 상기 설정용접패턴을 유지하는가를 판단하는 제6단계;
상기 제6단계의 조건을 만족하면, 상기 레이저빔의 출력 및 초점이동속도를 유지하도록 상기 레이저 발진기 및 미러모터를 구동 제어하는 제7단계;
상기 제6단계의 조건을 만족하지 않으면, 상기 레이저 발진기 및 미러모터를 정지 제어함과 동시에, 이상신호를 출력하는 제8단계를 포함하는 롤 포밍 시스템용 레이저 용접장치의 제어방법.
제7항에 있어서,
상기 설정용접패턴은
상기 성형빔의 각 용접위치에 대하여 일정한 지그재그 선을 따라 형성되는 일정규격의 용접비드가 갖는 윤곽선 모양인 것을 특징으로 하는 롤 포밍 시스템용 레이저 용접장치의 제어방법.
제8항에 있어서,
상기 설정용접패턴은
상기 용접비드의 윤곽선의 정보로 데이터화되어 제어기에 저장되는 것을 특징으로 하는 롤 포밍 시스템용 레이저 용접장치의 제어방법.
제7항에 있어서,
상기 성형속도별 설정값은
상기 성형빔이 롤 포밍유닛에 의해 성형되어 이동하는 속도별로 상기 성형빔의 각 용접위치에 설정용접패턴으로 용접부를 형성하도록 레이저빔의 출력 및 초점이동속도의 시험치를 근거로 연산되어 맵 테이블에 저장된 상기 레이저 발진기 및 미러모터의 제어값인 것을 특징으로 하는 롤 포밍 시스템용 레이저 용접장치의 제어방법.
제7항에 있어서,
상기 판독용접패턴은
상기 성형빔의 용접부에 대한 모재와 용접비드의 음영값의 차이로 인식되는 용접비드의 윤곽선 모양인 것을 특징으로 하는 롤 포밍 시스템용 레이저 용접장치의 제어방법.
제11항에 있어서,
상기 판독용접패턴은
상기 카메라로부터 상기 용접비드의 윤곽선의 정보로 데이터화되어 제어기에 전송되는 것을 특징으로 하는 롤 포밍 시스템용 레이저 용접장치의 제어방법.