KR870002164B1

KR870002164B1 - 용접용 로보트의 용접선 추적시스템

Info

Publication number: KR870002164B1
Application number: KR1019840005013A
Authority: KR
Inventors: 서일홍; 신동렬
Original assignee: 대우중공업 주식회사; 윤영석
Priority date: 1984-08-20
Filing date: 1984-08-20
Publication date: 1987-12-14
Also published as: KR860001631A

Abstract

내용 없음.

Description

용접용 로보트의 용접선 추적시스템

제 1 도는 용접전류와 아크길이의 관계도.

제 2 도는 용접면과 아크길이의 물리적 변화 관계도.

제 3 도는 종래 용접봉의 수직방향위치 보정설명도.

제 4 도는 본 발명의 시스템의 개략구성도.

제 5 도는 본 발명의 기본개념을 설명하기 위한 논리도.

제 6 도는 제 4 도의 시스템에 따른 용접선 추적 상태도.

제 7 도 및 제 8 도는 본 발명방법의 설명도.

제 9 도는 본 발명장치의 일실시예의 개략회로도.

본 발명은 용접로보트에 관한 것으로서, 특히 용접로보트의 용접 정밀도를 극히 간단한 방법으로 높힐 수 있는 용접로보트의 용접선 추적시스템에 관한 것이다.

종래의 아크 용접로보트는 위치정밀도, 위치 재현정도, 속도등에서 만족할만한 것이다. 그 수량이 많고 동일한 작업물들을 반복 용접할때 용접물의 가공편차, 용접온도에 의한 용접선의 열변형등 변화인자에 의하여, 최초 프로그램된 방식으로는 일급품질의 용접을 얻기가 극히 어려운 것이다.

따라서 최초 프로그램으로 교시된 각 용접물의 용접선이 허용된 오차내에 들어오면 용접물이 변형이 되더라도 수정없이 올바른 용접을 할수 있는 시스템이 요구되는 실정이다.

종래의 기술로서는 외부에 감지기를 부착하지 않고 용접봉 자체의 전류를 감지하여 용접선을 추적하는 용접선 추적방식이 있으며, 이 방식에서는 용접전압이 일정할때 용접전류와 아크길이는 역비례 관계가 성립하기 때문에 아크길이가 짧은쪽의 용접봉이 아크길이가 긴쪽의 용접봉보다 많은 전류가 흐르게 된다. (제 1 도)

따라서 용접봉을 용접선 중심으로 좌우로 진동시켜서 전류를 검출할 경우, 용접봉의 진동폭이 용접선과 일치하면 좌우양단에서의 전류치는 같은 것이며, 용접봉의 중심이 용접선 좌측에 놓이면 좌측이 우측보다 많은 전류가 흐르게되는 것이고, 용접봉의 중심이 용접선 우측에 놓이면 우측이 좌측보다 많은 전류가 검출되는 것이다. (제 2 도)

종래의 또다른 용접선 추적방식으로서는, 용접봉의 좌우측에서 전류차를 검출하여 현재의 용접선의 방향을 알아내며 용접봉의 좌우진동 중심위치를 보정해주는 좌우보정방법과, 용접선의 용접면이 불균일하여 용접봉이 용접선상에 바르게 있을지라도 전류가 불균일해지고 아크길이가 일정치않게 되는 현상을 보정하기 위해서 양쪽전류치의 평균치와 정상치와의 차이를 계산하고 이 계산치에 따라 수직한 방향으로 보정하는 상하보정 방법이 있다.

이러한 용접전류치와 위치편차(용접봉의 중심과 용접선과의 거리)의 관계는 용접물의 종류, 용접면의 표면처리상태등에 따른 함수관계를 갖고 있기 때문에, 전류치의 측정만으로 용접선의 절대위치 편이량을 계산할 수 없는 것이다.

따라서 대부분의 경우 각종 실험치를 구해서 좌우측에서 소정의 전류치가 검출될 때마다 보정해주는 방법을 사용하고 있는 것이다.

이러한 방법은, 일정한 주기마다 전류를 검출하여 계산된 위치편차와 현재용접봉 끝의 위치의 차이에 따라서 미리 입력된 데이타치 단위로 보정을 행하는 방법이기 때문에 위치편차에 급격한 차이가 생길경우 수차례의 보정을 중복하게 되어 실시간제어를 행할 수 없게되는 것이다.

본 발명의 목적은 이상에서 설명된 바와같은 종래 기술상의 문제점을 개선하고 용접선의 추적속도 및 추적정밀도를 높힐 수 있는 용접선추적 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 구체적인 첫째목적은 최초로 입력된 프로그램으로 각 용접물의 용접선이 허용된 오차내에 들어오면 변형이 발생되더라도 수정없이 용접선을 따라서 올바른 용접을 행할 수 있는 용접선 추적 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 둘째목적은 본 발명시스템을 5자유도를 갖는 용접용 로버트에 적용할 때 보정량을 로버트 절대좌표계의 보정량으로 환산하여 이 보정량을 로보트축의 회전각도로 바꾸어 로보트의 손목부에 부착된 용접봉이 용접선을 추적할 수 있도록 하는 방법을 제공하는 것이다.

이러한 본 발명의 특징은 진동주파수를 증가시켜 더욱 짧은 시간간격으로 보정해주는 방법이 위빙주파수의 제약을 받고, 단위 보정량을 크게하는 것은 추적후에 발진할수 있는 불합리를 배제하기 위하여, 비연속적분기의 입력을 일정위치 편차에 따른 가변 보정량으로 함에 있는 것이다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

제 1 도에서는 용접전압이 일정할때 용접전류와 아크길이가 역비례의 함수관계를 갖고 있어 아크길이가 짧은쪽(4)의 용접봉(2)이 아크길이가 긴쪽(3)의 용접봉(1)보다는 많은 전류가 흐르게 된다.

따라서 용접봉을 좌우 진동시켜서 전류를 검출할 경우 제2(a)도와 같이 용접봉의 진동폭이 용접선과 일치하면 좌우 양단에서의 전류치들은 서로 같게되고 제2(b)도와 같이 용접봉의 중심이 용접선 좌측에 위치하면 좌측이 우측보다 많은 전류가 흐르게 되고 그 반대의 경우는 제2(c)도에서 도시되어 있다.

제3(a)도에서 종래의 또다른 기술로서 일정주기(T)마다 전류를 검출하여 계산된 위치편차와 현재 용접봉끝의 위치사이의 차이와 부호(Sine)(4)에 따라서 미리 입력된 단위보정량(5)으로 보정하는 방법이 도시되어 있으며, 제3(b)도에서는 위치편차치와 적분기출력을 도시하고 있으며, 위치편차의 보정에 반복된 편차보정으로 시간의 소비가 커지기 때문에 실시간제어가 불능함을 보여주고 있다.

제 4 도에서 비연속적 분기의 입력은 일정보정량이 아니고 위치편차에 따른 N배의 가변보정량을 취해서 효율적으로 추적하는 방법을 도시하고 있다.

즉 편차 Δg의 부호 (Sine : 즉, 좌, 우측)가 매주기(T)마다 같은 경우 한방향으로의 편차가 적분된다는 의미이므로 비연속 가변이득을 N배 증가시켜서 급속한 추적이 일어나도록 하고, 이러한 판단을 할 수 있는 이득 조정밥법(6)은 하드웨어 또는 소프트웨어로 구성될 수 있으며, 여기서는 후자만을 설명하겠다.

제 5 도에 표시되어 있는 로직은 위치편차 Δq를 (k-1)와 kT일때와의 부호를 비교하여(2) 연속으로 부호가 같으면(2) 보정량을 N배(N은 정수로서 보통 2) 적용시키고(3), 부호가 다르면서 보정량의 절대치가 예상 데이타치 Δa 혹은 Δb와 같으면(4) 정상상태의 추적으로 처리하고, 부호가 다르면서 보정량의 크기가 |Δa|이상이면 현재의 위치가 정상치에 대해 오우버슈우트(over shoot)가 일어나고 있는 경우이므로(이에 대한 보정으로 단순히 그 이전의 보정량 Δq를 보정하면 언더슈우트(under shoot)가 크게 일어나게 되어 발진현상이 일어날 수 있으므로) 보정량의 크기를 정상보정량(Δa)만큼씩 줄여서(5) 바로 정상치로 수정되도록 하는 방법을 행하고 있는바, 종래의 방법에 비하여 급속한 추적기능을 갖고 또 일정가변 이득 기능만을 갖는 방법에 비해 발진 진동현상을 방지하면서 쉽게 정상치에 도달하는 이점을 지니고 있는 것이다.

또한 추적정도는 제 6 도에 도시되어 있다.

로보트에 이상의 원리를 적용할 경우에 용접봉의 이동보정량을 실제로 로보트 각축의 모우터 회전각도로 바꾸어주기 위하여 필요로 하는 로보트 절대좌표계로의 좌표변환방법을 설명한다.

적응 추적장치의 출력인 보정량 Δq가 용접봉끝에 설정된 직각좌표계에서의 수치이므로 이를 그대로 사용할 때는 로보트에 부착된 용접봉이 실제로 추적을 할수 없으며, 올바른 추적을 위해 이를 로보트의 절대좌표계로의 환산은 매우 중요하다.

로보트의 보정량 추적방법은, 용접봉 끝에서의 위치보정량(Δq)을 로보트 절대좌표계(R₀)의 위치로 환산하여 로보트의 보간샘플링 구간마다 그 위치에 대응하는 로보트 각축에 해당하는 모우터를 구동하여 최종점까지 용접선을 추적하는 방법이다.

구체적으로, 본 발명은 제 7 도와 같이 미리 입력된 용접구간이 P₁P₂(1), 실제용접선은 P₁P₂,(2)라 하고 P₁P₂의 보간에서 샘플링 시간을 z₁용접봉 진동에 의한 전류 샘플링시간을 T 이라 할때 (대체로 T₁5z₁)이므로 제 8 도에서처럼 직선보간의 매보 간점에서 그 이전에 구한 보정량과 더불어 새로운 경로 P₁P₂"(3)로 교정하기 위한 다음과 같은 새로운 교정방식의 구성함으로써 실시간 제어가 가능하다.

1) P₁P₂를 잇는 직선에 수직이고 점 P₁을 지나는 평면의 방정식을 구한다. 즉 P₁P₂방향의 벡터성분은(x₂-x₁, y₂-y₁, z₂-z₁)이므로 구하고자 하는 평면 방정식은 다음과 같다.

(x₂-x₁)(x-x₁) + (y₂-y₁)(y-y₁) + (z₂-z₁)(z-z₁)=0

이때 (x=이전구간의 보정량으로서 값은 0)

2) P₃P₁을 잇는 직선(용접봉의 자세)에 수직이고 점 P₁을 지나는 평면의 방정식을 구한다.

이 식은 다음과 같이 주어진다.

(x₁-x₃)(x-x₁) + (y₁-y₃)(y-y₁) + (z₁-z₃)(z-z₁)=0

3) 두 평면이 이루는 교선의 방정식 (lx+my+nz=0)을 구한다.

구체적으로 l,m,n은 직선의 방향 여현(餘弦)이고 또 직선은 교선이므로 각각의 평면에 대해 공유한다.

또한, 평면의 방정식의 계수는 평면과 수직된 직선의 벡터성분이므로 이 벡터성분과 교선의 방향여현과는 수직관계로 Al+Bm+Cn=0로 표시된다.

따라서 두 평면과 교선의 공유식은,

(x₂-x₁) + (y₂-y₁)m + (z₂-z₁)n=0

(x₃-x₁) + (y₃-y₁)m + (z₃-z₁)n=0

가 되면 l²+m²+n¹=1의 관계식을 이용하면

l=(z₂-z₁)(x₃-x₁)-(x₂-x₁)9x₃-z₁)

m=(y₂-y₁)(z₃-z₁)-(y₃-y₁)(z₂-z₁)

n=(x₂-x₁)(y₃-y₁)-(x₃-x₁)(y₂-y₁)

표시된다.

즉(l,m,n)의 방향 여현이 P₁점에서의 두 평면의 교선의 방정식을 나타낸다.

4) P₁점을 교선의 원점으로 하고 P₁P₂방향을 x₁, 교설의 방향을 y₁로 하는 용접봉 끝의 우수좌표계 R'(i',j',k')을 설정한다. 이때 단위벡터 x',y',z'는 다음의 표현으로 나타내진다.

과 같이 주어진다.

그러므로 구하고자 하는 좌표계 R'는 위치 표현을 간략히 하여

R'=T.Ro로 표현되며

이때 T는 변화매트릭스로서, 로보트 절대좌표계 R₀(i,j,k)에 대한 P₁에서 설정된 용접봉 끝 좌표계 R'(i,j,k)의 변환을 나타내는 것으로 R' 좌표계에 대해 표현한 벡터나 매트릭스를 로보트절대 좌표계로 표시하는 경우는 R₀=T^-1. R'의 T^-1를 사용케 된다.

5) 앞의 발명에서 용접전류를 검출하고 계산된 Δq를 용접끝 좌표계 R'에 대한 벡터형식으로 표시한다.

좌우 보정으로는 (0,Δq,0), 상하보정으로는 (0,0,Δq) Tr의 형태로 표현한다.

6) 4)에서 구한 변환매트릭스(T^-1)를 이용하여 R'계에서의 보정량을 R₀계에서의 보정량으로 바꾼다.

여기서 T^-1는 매트릭스 T의 역행열이고 Δq|R₀좌표계에 대한 Δq의 x,y,z성분을 나타내며, 벡터형태로는

로서 표시됨을 알 수 있다.

7) 로보트 절대좌표계로 환산된 보정량 (

) T4 을 고려하여 보간시 다음의 위치점을 계산한다.

보정의 보간중간점에서 다음의 위치점 계산은

로 계산된다.

8) 위의 (1)-(7)의 절차가 바로 본 발명의 구성을 나타내며 위의 7)에서 구한 P'(k+1)의 위치점은 로보트 각축의 모우터의 회전각도로 바꾸어서(직각좌표와 로보트의 각축간의 좌표변환)각 모우터를 구동하여 로보트를 움직이므로써 용접선의 보정이 이루어진다.

위와 같은 목적 1, 2에 대응한 알고리즘을 하드웨어와 더불어 구성하면 제 9 도와 같다.

용접봉(1)을 좌우로 진동시켜서 좌우양단에서 아날로그 스위치(2)에 의해 좌 또는 우외 전류를 택하여 S/H(샘플링/호울더)(3)(4)를 동작하여 그 출력이 비교기(7)의 입력으로 넣어 그 출력을 ADC(A-D converter)의 입력으로 (9)하면 출력(11)은 용접봉의 진동 양단(5)(6)에서의 전류차를 구할 수 있다.

이때 전류차는 매우 작아서 5-6비트(비트 0-비트 5)로서 나타낼수 있다. 앞의 알고리즘에서는 샘플링때마다 전류차의 부호가 계속 같은 방향인가 아닌가를 체크하게 되므로 위의 F/F₁(플립플롭)(12)과 F/F₂(13)를 사용하여 전류차의 부호를 비트 6 및 비트 7로 하여서 CPU의 데이타버스(19)를 통해 해독한다.

이때 CPU(16)는 읽어들인 데이타를 근거로 Δa 및 Δb를 정하고 자기의 주변장치인 RAM(26), ROM(27) 연산 CPU(28)를 이용목적 2의 알고리즘을 계산하여 그 결과치를 DAC(D-A converter)(23)에 출력시킨다.

이 DAC(23)의 출력은 각 모우터의 아날로그 속도지령(25)으로 6개의 S/H회로를(24) 이용하여 일정시간내에 각각의 모우터에 시분할하여 출력하면 이속도 지령이 각 서어보드라이버를 구동하여 최종적으로는 로보트의 용접봉이 요구되는 보정량만큼 이동된다.

따라서 위와같은 알고리즘은 직선보간의 샘플링시간마다 보정을 하게되지만 실제보정량 Δq는 진동샘플링 시간마다 한번씩 계산되므로, T₁이 z₁의 5배라고 가정하고 위의 알고리즘에 의한 용접선 추적을 도시하면 제 8 도와 같이되는 것이다. P₁P₂(1)는 교시된 경로 P₁P_2'(2)는 용접선의 실제경로이고 P₁P_2"(3)은 위의 알고리즘 수행시의 추적경로를 나타낸다.

Claims

용접선상에서 좌,우로 진동되는 용접봉의 위치에 대응하면서 0-5비트의 신호로 나타낼 수 있는 전기류차 및 부호(Sine)를 구하기 위하여 용접봉(1)에 아날로그스위치(2), S/H(샘플링/홀드)(3)(4), 비교기(7) 및 ADC(A/D 콘버터)(10)를 연결하고, 6비트 및 7비트로 나타내는 상기 전류차의 부호(Sine)를 체크하고 해독하며, 해독결과로서 보정치 Δa, Δb를 정하기 위하여 상기 전류차의 부호를 F/F₁(플립플롭)(12), F/F₂(13)및 데이타버스(18)를 통하여 읽을 수 있게 CPU(16)를 접속하고, 로보트 각축의 서오보드라이버 구동량을 계산하기 위하여 CPU(16)에 RAM(26), ROM(27) 및 연산 CPU(28)를 접속함과 동시에 그 결과치의 출력 DAC(D/A 컨버터(23)를 접속하며, DAC에 로보트 각축의 속도 지령 S/H(25)를 접속시킨 것을 특징으로 하는 용접로보트의 용접선 추적시스템.