KR20170066905A - 곡면부재 위빙용접을 위한 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 로봇(10), 용접기(20), 제어기(30)를 이용하여 곡면부재의 위빙용접을 수행하기 위한 제어방법에 있어서: (a) 곡면부재에서 시작점(S), 경유점(M), 종료점(E)을 탐색하고, 각각의 거리값을 검출하여 저장하는 단계; (b) 검출된 3점의 거리값을 이용하여 원호의 정보를 연산하는 단계; (c) 공간상의 원호좌표계(x, y, z)를 이용하여 좌표평면을 연산하는 단계; 및 (d) 3차원 공간상의 위빙 노드 지점을 연산하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 로봇으로 티칭한 3점을 지나는 원호를 계산하므로 실제 로봇좌표계에 근접하면서 연산에 따른 부하를 경감하여 용접의 신속성과 더불어 정밀도를 향상하는 임의의 3차원 평명을 비롯한 다양한 평면공간에 대해 위빙용접이 가능한 효과가 있다.

Description

곡면부재 위빙용접을 위한 제어방법{Control method for weaving welding of curved piece}
본 발명은 곡면부재의 용접에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 선박 선수미나 블록내부에서 3차원 공간상의 위치/자세까지 모두 고려하여 위빙용접의 품질을 향상할 수 있는 곡면부재 위빙용접을 위한 제어방법에 관한 것이다.
선박 제조현장에서 겐트리 타입의 로봇을 이용하여 수직부재와 원호를 이루는 주판이 만나는 곡면부분에 대해 원호위빙을 하는 경우가 있다. 일예로, 이와 관련되어 하기의 한국 공개특허공보 제2002-0082502호를 참조할 수 있다. 이는 위빙 용접할 용접선의 기본점들을 검출하는 단계와; 기본점들 사이에 위치하는 용접점 들을 검출하는 단계와; 갠트리를 상기 원호에 따라 이동시킬 이동 경로를 검출하는 단계와; 원호 경로에 따라 갠트리를 이동시키면서 용접점들을 순차적으로 용접하는 단계를 순차적으로 수행한다.
그러나, 수직부재인 경우만 허용되는 방법이므로 특정의 주판으로 한정되어 많은 제약을 수반하는 것은 물론 실 현장에 적용 시 로봇과 부재사이의 완벽한 수직이 되지 않아 용접품질이 우수하지 못하다.
다른 예로서, 터치센서를 사용하여 용접 위치를 구하는 방식의 경우 정밀도는 높일 수 있으나 센싱하는데 시간이 많이 소요되는 단점을 보인다.
또, 다른 예로서 하기의 한국 등록특허공보 제1093650호가 알려져 있다. 이는 사다리꼴 및 삼각형 위빙 패턴을 상하로 조합하여 3차원 위빙 패턴을 형성하는 단계; 상기 사다리꼴 및 삼각형 위빙 패턴을 결정하는 다수개의 주 절점을 형성하는 단계; 상기 주절점 이동 경로 내부를 세분화하여 상기 경로 사이에 위치한 다수개의 보조절점을 형성하는 단계를 포함한다.
그러나, 사다리꼴 및 삼각형 위빙 패턴을 기반으로 다양한 위빙경로를 설정하기에 많은 시간이 소요되고 높은 정밀도를 기대하기 곤란하여 특정한 곡면에 대한 용접으로 활용성이 제한된다.
1. 한국 공개특허공보 제2002-0082502호 "수직 원호 부재 용접 방법" (공개일자 : 2002.10.31.) 2. 한국 등록특허공보 제1093650호 "맞대기 용접의 대용착 3차원 위빙 방법" (공개일자 : 2011.05.25.)
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 수직부재에 대해서 한정되는 방식에서 탈피하여 임의의 어떤 3차원 평면 어디서든지 원호위빙이 가능하도록 하여 용접품질과 생산성 향상을 도모하는 곡면부재 위빙용접을 위한 제어방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 로봇, 용접기, 제어기를 이용하여 곡면부재의 위빙용접을 수행하기 위한 제어방법에 있어서: (a) 곡면부재에서 시작점, 경유점, 종료점을 탐색하고, 각각의 거리값을 검출하여 저장하는 단계; (b) 검출된 3점의 거리값을 이용하여 원호의 정보를 연산하는 단계; (c) 공간상의 원호좌표계(x, y, z)를 이용하여 좌표평면을 연산하는 단계; 및 (d) 3차원 공간상의 위빙 노드 지점을 연산하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (a)는 거리센서를 통하여 신속한 위치 탐색과 동시에 터치센서로 정밀한 위치 검출을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (b)는 다음의 수식을 이용하여 경유점과 종료점 사이의 점P를 지나는 제1직선(ℓ1) 및 시작점과 경유점 사이의 점Q를 지나는 제2직선(ℓ2)의 교점(O)을 연산하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00001
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (c)는 다음 수식으로 나타내는 변환행렬을 이용하여 좌표평면을 연산하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00002
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (d)는 다음의 수식으로 나타내는 위치변환 벡터를 이용하여 위빙 노드 지점을 연산하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00003
이상과 같이 본 발명에 의하면, 로봇으로 티칭한 3점을 지나는 원호를 계산하므로 실제 로봇좌표계에 근접하면서 연산에 따른 부하를 경감하여 용접의 신속성과 더불어 정밀도를 향상하는 효과가 있다.
또한, 임의의 3차원 평명에서 위빙이 가능하므로 실제 부재가 CAD 데이터와 다르게 조금 틀어져 있다거나 수평부재든 다양한 평면공간에 대해 위빙용접이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 제어방법을 구현하기 위한 시스템 구성도
도 2는 본 발명에 따른 제어방법의 주요부를 나타내는 플로우차트
도 3 내지 도 6은 도 1의 플로우 구현을 위한 연산을 나타내는 도표
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 로봇(10), 용접기(20), 제어기(30)를 이용하여 곡면부재의 위빙용접을 수행하기 위한 제어방법에 관하여 제안한다. 로봇(10)은 수직다관절 방식을 적용하고, 용접기(20), 주피더, 보조피더 등과 연계되어 용접을 수행한다. 제어기(30)는 로봇제어를 위한 네트워크제어모듈(LAN카드, EtherCAT I/O)과 PC를 탑재하고 있으며 교시조작기와 연계하여 제어 알고리즘을 수행한다.
선박의 건조현장에서 종래의 상대좌표계 적용을 위한 완전한 수직형상이 실제로 존재하기 어렵다는 점에 근거하여 로봇(10)과 용접대상의 곡면부재 간의 상대좌표계에 후술하는 실용접 알고리즘을 적용한다.
본 발명의 단계 (a)는 곡면부재에서 시작점(S), 경유점(M), 종료점(E)을 탐색하고, 각각의 거리값을 검출하여 저장하는 과정으로 진행된다. 곡면부재의 시작점(S), 경유점(M), 종료점(E)은 특정의 원호 상에 존재하며, 이러한 원호를 인식하는 알고리즘은 하드웨어 입력과 연계하여 최단/최적으로 실행된다. 시작점(S), 경유점(M), 종료점(E)의 거리값은 로봇(10)에 탑재된 용접와이어 끝단의 위치와 이동을 포함하는 벡터로 연산된다.
한편, 해당 곡면부재의 시작점(S), 경유점(M), 종료점(E)의 거리값 센싱 모션은 제어기(30)에 탑재된 공지의 프로그램에 의하여 수행되는 것으로서 본 발명의 알고리즘에서 포함시켜 설명하지 않는다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (a)는 거리센서(15)를 통하여 신속한 위치 탐색과 동시에 터치센서(25)로 정밀한 위치 검출을 수행하는 것을 특징으로 한다. 거리센서(15)는 LDS(Laser Distance Sensor)를 사용하는 것이 좋으며, 로봇(10)의 서보드라이버 상에 설치된다. 서보드라이버의 해당 아날로그 신호는 산업용 네트워크 통신(예컨대 EtherCAT)을 통하여 제어기(30) 측으로 전달된다. 제어기(30)는 터치센서(25)의 신호를 받는 순간 각 축별(axis) 조인트 앵글(joint angle)을 읽어와 와이어 끝단의 위치를 파악한다. 터치센서(25)는 용접기(20)에 설치되며, 용접와이어 끝단이 용접부재와 닿는 순간 전기적인 폐루프(Closed Loop)를 형성한다. 일예로, 릴레이 등의 회로를 이용하여 용접와이어가 곡면부재와 닿았다는 것을 인식하는 순간 로봇의 각축별 조인트 앵글을 읽어와 와이어끝단의 위치를 파악할 수 있다.
거리센서(15)는 센서 특성상 원거리에서 레이저를 통해 탐색이 가능하고 터치센서(25)보다 빠른 속도로 러프한 탐색이 가능하다. 터치센서(25)는 정밀 측정에 적합한 반면 특성상 느린 속도로 부재의 위치를 탐색하게 되고 부재와 근접하면서 탐색을 해야 하는 단점이 있다. 이와 같이 거리센서(15) 터치센서(25)의 조합으로 신속하고 정밀하게 시작점(S), 경유점(M), 종료점(E)을 찾을 수 있으므로 위빙 용접품질을 높이고 생산성을 향상하는 목적의 달성이 가능하다.
본 발명에 따른 단계 (b)는 검출된 3점의 거리값을 이용하여 원호의 정보를 연산하는 과정으로 진행된다. 최초 탐색 시작점(S)에서의 센서 거리값을 입력하여 저장하고, 일정방향으로 탐색을 진행하면서 거리센서(15)의 거리값을 계속 모니터링하며, 현 위치에서의 거리값이 최초 시작점(S) 기준으로 일정수준을 넘어서면 그 위치를 탐색된 위치로 입력하여 저장한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (b)는 다음의 수식을 이용하여 경유점(M)과 종료점(E) 사이의 점P를 지나는 제1직선(ℓ1) 및 시작점(S)과 경유점(M) 사이의 점Q를 지나는 제2직선(ℓ2)의 교점(O)을 연산하는 것을 특징으로 한다.
도 3의 수식 1은 교점(O)을 기준으로 하는 제1직선(ℓ1)과 제2직선(ℓ2)에 대한 위치를 나타낸다. 제1직선(ℓ1)은 경유점(M)과 종료점(E)을 연결한 직선의 중심(P)을 지나고, 제2직선(ℓ2)은 시작점(S)과 경유점(M)을 연결한 직선의 중심(Q)을 지난다. 제1직선(ℓ1)과 제2직선(ℓ2)이 만나는 위치에 교점(O)이 형성되며, 이는 하기와 같은 수식 2를 이용하여 λ1, λ2를 구함으로서 연산된다.
Figure pat00004
본 발명에 따른 단계 (c)는 공간상의 원호좌표계(x, y, z)를 이용하여 좌표평면을 연산하는 과정으로 진행된다. 도 4의 수식 4는 교점에 대한 시작점(S)의 노멀벡터를 구하는 과정을 나타내고, 수식 6은 원호의 중심(O)에서 볼 때 시작점(S)에서 시작하여 종료점(E)까지 이르는 원호의 각(θTotal)을 계산하는 것을 나타낸다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (c)는 다음의 수식 5로 나타내는 변환행렬을 이용하여 좌표평면을 연산하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00005
이 단계에서 최종적으로 도 4의 수식 5로 나타내는 4 x 4 변환행렬로 원호좌표계를 생성한다. θTotal은 수식 6을 이용하여 연산할 수 있다.
본 발명에 따른 단계 (d)는 3차원 공간상의 위빙 노드 지점을 연산하는 과정으로 진행된다. 도 5(a)는 원호의 단면(측면)에서 볼 때의 위빙 노드의 위치를 나타내는 것으로 원호의 중심(O)을 기준으로 노드의 x축, z축 각각의 위치를 길이(L)과 높이(H)로 연산한 것이다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (d)는 다음의 수식 10으로 나타내는 위치변환 벡터를 이용하여 위빙 노드 지점을 연산하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00006
도 6에 의하면 로봇(10)의 베이스좌표계(B)에서 원호좌표계(C) 상의 위빙 노드 위치가 연산된다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
10: 로봇 15: 거리센서
20: 용접기 25: 터치센서
30: 제어기 35: 교시조작기

Claims (5)

  1. 로봇(10), 용접기(20), 제어기(30)를 이용하여 곡면부재의 위빙용접을 수행하기 위한 제어방법에 있어서:
    (a) 곡면부재에서 시작점(S), 경유점(M), 종료점(E)을 탐색하고, 각각의 거리값을 검출하여 저장하는 단계;
    (b) 검출된 3점의 거리값을 이용하여 원호의 정보를 연산하는 단계;
    (c) 공간상의 원호좌표계(x, y, z)를 이용하여 좌표평면을 연산하는 단계; 및
    (d) 3차원 공간상의 위빙 노드 지점을 연산하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 곡면부재 위빙용접을 위한 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계 (a)는 거리센서(15)를 통하여 신속한 위치 탐색과 동시에 터치센서(25)로 정밀한 위치 검출을 수행하는 것을 특징으로 하는 곡면부재 위빙용접을 위한 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계 (b)는 다음의 수식을 이용하여 경유점(M)과 종료점(E) 사이의 점P를 지나는 제1직선(ℓ1) 및 시작점(S)과 경유점(M) 사이의 점Q를 지나는 제2직선(ℓ2)의 교점(O)을 연산하는 것을 특징으로 하는 곡면부재 위빙용접을 위한 제어방법.
    Figure pat00007
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계 (c)는 다음 수식으로 나타내는 변환행렬을 이용하여 좌표평면을 연산하는 것을 특징으로 하는 곡면부재 위빙용접을 위한 제어방법.
    Figure pat00008
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계 (d)는 다음의 수식으로 나타내는 위치변환 벡터를 이용하여 위빙 노드 지점을 연산하는 것을 특징으로 하는 곡면부재 위빙용접을 위한 제어방법.
    Figure pat00009
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