KR100237302B1 - 로봇의 초기 용접위치 검출방법 - Google Patents

Abstract

개시된 검출방법은 용접 대상물의 불규칙성이나 용접 대상물을 고정할 경우의 위치 틀어짐 등에 관계없이 초기 용접위치를 정확히 검출하는 것이다.

개략적으로 교시된 용접 개시점에서 용접 끝점 부위에 주어진 가상점으로의 방향 벡터를 제1방향 벡터로 인식하고, 용접 대상물의 접합부를 향하여 접합면 사이를 대략 이등분한 각으로 놓이는 토치의 방향 벡터를 제2방향 벡터로 인식하고, 인식한 제1방향 벡터를 기준으로 제2방향 벡터가 +, - 회전된다고 하였을 경우의 방향과 일치하는 방향을 토치의 수직 및 수평 트래킹 방향으로 결정하며, 결정한 수직 및 수평 트래킹 방향으로 토치를 이동시켜 통전이 일어날 때까지 진행하고 통전이 일어나면 각각 파라미터에 정해진 위치로 이동하며, 정해진 위치로 이동이 완료되면 토치를 용접 진행반대 방향으로 이동하여 용접 대상물의 끝 부분을 트래킹하고, 용접 대상물의 끝부분에 통전이 발생할 경우에 미리 정해진 크기만큼 용접 진행방향으로 이동하는 것을 특징으로 한다.

[색인어]

용접 로봇, 용접 대상물, 초기 용접위치, 통전

Description

로봇의 초기 용접위치 검출방법

본 발명은 용접용 로봇에 있어서, 용접 대상물의 불규칙성이나 용접 대상물을 고정할 경우의 위치 틀어짐 등에 관계없이 용접 대상물의 초기 용접위치를 정확하게 검출하는 로봇의 초기 용접위치 검출방법에 관한 것이다.

자동화 라인에서 용접을 행할 경우에는 용접 대상물의 불규칙성, 용접 대상물 고정시의 위치 틀어짐 등의 이유로 로봇이 정해진 경로를 따라 일정하게 이동하여도 초기 용접위치를 정확하게 검출하기가 어렵다.

즉, 공장 자동화 라인 등에서 용접용 로봇은, 위치를 고정하는 지그(JIG) 및 프레임(Frame) 등에 의하여 항상 일정하게 자리잡고 있으나, 용접 대상물을 이동시키는 컨베이어 및 이동용 포지셔너(positioner) 등에서는 오차가 발생됨이 없이 작업공간 내의 정확한 위치에 용접 대상물을 위치시키기가 어렵기 때문이다.

또한 동일한 용접 대상물도 미세하지만 규격에서 조금씩 차이가 있을 수 있기 때문이다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 터치 센서 트래킹을 통해 초기 용접위치를 검출하는 방법이 개발 및 사용되고 있다.

상기 터치 센서 트래킹은, 용접을 진행하기 전에 아크(arc)를 발생시키지 않은 상태에서 용접 와이어 또는 토치와 용접 대상물의 전기적 통전 유무를 확인하여 대상물의 위치를 정확하게 판단하는 방법이다.

즉, 용접 와이어 또는 토치와 용접 대상물을 전기적으로 개방(open)시킨 상태에서 토치를 조금씩 이동시키면서 통전(short)이 발생하는 지를 판단하고, 통전이 발생할 경우에 그 통전이 발생한 지점의 데이터를 이용하여 용접 대상물의 초기 용접위치를 검출하는 것이다.

이러한 원리를 이용하여 개발된 제품으로는 ‘FANAC‘, ‘DAIDEN’, ‘ABB’ 및 ‘IGMC’와 같은 제품들이 있고, 이들 제품은 터치 센서를 위한 구동기 소스를 외부에 장착하도록 되어 있고, 용접 대상물이 기울어져 있거나 뒤집어져 있는 경우에도 정확하게 용접 초기위치를 결정할 수 있도록 하기 위하여 약 4~5번 정도 교시점을 터치하도록 하고 있다.

그러나 기존의 터치 센서 트래킹에서 여러 곳의 교시점을 터치하도록 하는 것은 그만큼 정확하게 용접 초기위치를 결정할 수 있으나, 여러 번의 터치 동작에 의하여 소요되는 시간이 길어져 다량의 용접에 있어서 매우 중요한 요소인 시간 단축에 불리하게 작용된다.

따라서 본 발명의 목적은 용접 대상물이 기울어져 있거나 뒤집어져 있는 경우에 정확한 초기 용접위치를 결정하기 위하여 여러 곳의 교시점을 터치하도록 하고 있어 용접 시간이 길어지는 종래의 문제점을 해결하기 위하여 두 번의 터치만으로 용접 대상물의 불규칙성이나 용접 대상물 고정시의 위치 틀어짐에 관계없이 초기 용접위치를 정확하게 검출할 수 있는 로봇의 초기 용접위치 검출방법을 제공하는데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초기 용접위치 검출방법에 따르면, 개략적으로 교시된 용접 개시점에서 용접 끝점 부위에 주어진 가상점으로의 방향 벡터를 제1방향 벡터로 인식하고, 용접 대상물의 접합부를 향하여 접합면 사이를 대략 이등분한 각으로 놓이는 토치의 방향 벡터를 제2방향 벡터로 인식하는 인식 단계; 상기 인식단계에서 인식한 제1방향 벡터를 기준으로 상기 제2방향 벡터가 +, - 회전된다고 하였을 경우의 방향과 일치하는 방향을 토치의 수직 및 수평 트래킹 방향으로 결정하는 결정 단계; 상기 결정 단계에서 결정된 수직 및 수평 트래킹 방향으로 토치를 이동시켜 통전이 일어날 때까지 진행하고 통전이 일어나면 각각 파라미터에 정해진 위치로 이동하는 이동 단계; 및 상기 이동 단계에서 정해진 위치로 이동이 완료되면 토치를 용접 진행반대 방향으로 이동하여 용접 대상물의 끝 부분을 트래킹하고, 용접 대상물의 끝부분에 통전이 발생할 경우에 미리 정해진 크기만큼 용접 진행방향으로 이동하는 용접 진행단계로 이루어짐을 특징으로 한다.

제1도는 일반적인 아크 용접 시스템의 전체 구성을 개략적으로 보인 도면.

제2도는 L자 형태의 용접 대상물에 대한 본 발명의 초기 용접위치 검출방법을 설명하기 위한 사시도.

제3도는 L자 형태의 용접 대상물에 대한 본 발명의 초기 용접위치 검출방법을 설명하기 위한 측면도.

제4도는 제2도의 L자형 용접 대상물에 대한 토치의 방향벡터 및 용접 진행방향 벡터를 보인 도면.

제5도는 제4도에서 얻을 수 있는 제3의 방향벡터를 보인 도면.

제6도는 용접 대상물이 임의의 방향으로 틀어져 있고, 베이스가 기울어져 있는 T자 형태의 용접 대상물에 대한 본 발명의 초기 용접위치 검출방법을 설명하기 위한 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 쉴딩 가스 탱크 2 : 컨트롤 콘솔

3 : 용접 로봇 4 : 용접 와이어

5 : 토치 6 : 와이어 피더

7 : 웰딩 지그 8 : 용접 대상물

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 로봇의 초기 용접위치 검출방법을 상세히 설명한다.

제1도는 일반적인 아크 용접 시스템의 전체 구성을 개략적으로 보인 도면이다. 이에 도시된 바와 같이 아크 용접 시스템은, 쉴딩 가스(Shielding Gas)를 저장 및 공급하는 쉴딩 가스 탱크(1)와, 아크 용접의 전체 동작을 제어하는 컨트롤 콘솔(Control Console)(2)과, 아크 용접을 수행하는 용접 로봇(Welding Robot)(3)과, 상기 용접 로봇(3)에 공급하는 용접 와이어(Welding Eire)(4)와, 상기 용접 로봇(3)에 설치되어 용접을 수행하는 토치(Torch)(5)와, 상기 용접 와이어(4)를 상기 토치(5)로 이송하는 와이어 피더(Wire Feeder)(6)와, 용접 대상물(8)을 고정하는 웰딩 지그(Welding Jig)(7)를 구비한다.

이러한 구성을 가지는 아크 용접 시스템에서 용접을 수행할 경우에 먼저 웰딩 지그(7)에 용접 대상물(8)이 고정되고, 용접 로봇(3)은 웰딩 지그(7)에 고정된 용접 대상물(8)의 초기 용접 위치를 검출하며, 검출한 초기 용접위치에서, 토치(5)로 이송되는 용접 와이어(4)로부터 용접 대상물(8)로 강한 전류 및 전압이 흐르도록 하여 아크(arc)를 발생시키게 된다.

이 때, 발생되는 아크에 의하여 용접 와이어(4)가 녹으면서 용접 대상물(8)의 용접이 진행된다.

이러한 용접 동작에서 로봇의 초기 용접위치 검출방법은 아크를 발생시키기 전에 용접 로봇(3)의 팔을 이용하여 용접 대상물(8)에 용접 와이어(4) 또는 노즐과 접촉도는 전기적 통전 유무를 확인하여 초기 용접위치를 파악하게 된다.

즉, 평상시에는 전기적으로 개방(open)되어 있지만 토치(5)를 조금씩 이동시켜 통전(short) 지점을 확인하면서 위치를 검출하게 된다.

여기서, 본 발명에 따른 로봇의 초기 용접위치 검출방법을 상세히 설명한다.

먼저, 제2도 및 제3도에 도시된 바와 같은 웰딩 지그(7)에 L자 형태의 용접 대상물(7)이 장착되고, 작업자가 개략적인 용접 개시점(A)을 교시하면, 토치(5)는 상기 개략적으로 교시한 용접 교시점(A)에 위치하게 된다.

다음에 작업자가 용접 끝점 부위에 개략적인 끝점(B) 즉, 가상점(B)을 지정하면, 용접 로봇(3)은 상기 교시한 개략적인 용접 개시점(A)의 위치에서 가상점(B)까지의 용접 진행 방향을 판단하고, 이 판단한 용접 진행 방향을 제1방향 벡터로 인식한다.

그리고 용접 대상물(8)의 접합부를 향하여, 용접 대상물(8)의 접합면의 사이각을 대략 이등분한 각으로 놓이는 토치(5)의 방향 벡터를 제2방향 벡터로 인식한다.

이와 같이 하여 제1 및 제2방향 벡터가 인식되면, 용접 로봇(3)은 인식된 제1방향 벡터를 기준으로 하여 제2방향 벡터가 -방향으로 회전된다고 할 경우의 방향으로 토치(5)를 트래킹(1st tracking)하게 된다.

즉, 토치(5)가 아래 방향의 접합면(수평면)에 대하여 통전이 발생될 때까지 수직 방향(Vertical)으로 이동하고, 통전이 발생(제1터치)되면, 파라미터에 정해진 위치로 이동하게 된다.

다음으로 토치(5)는 제1방향 벡터를 기준으로 제2방향 벡터가 +방향으로 회전된다고 할 경우의 방향으로 트래킹(2nd tracking)을 하게 된다.

즉, 토치(5)가 상부 방향의 접합면(수직면)에 대하여 통전이 발생될 때까지 수평 방향(Horizontal)으로 이동하고, 통전이 발생(제2터치)되면, 파라미터에 정해진 위치로 이동하게 된다.

이와 같이 하여 통전이 발생된 후 파라미터에 정해진 위치로 이동이 완료되면, 다음에는 파라미터에 정해진 크기만큼 토치(5)를 용접 진행 방향의 반대 방향으로 이동하여 용접 대상물(8)의 끝 부분을 트래킹(3rd tracking)하고, 용접 대상물(8)의 끝 부분에서 통전이 발생(제3터치)되면, 미리 정해진 크기만큼 용접 진행 방향으로 이동하여 위치하게 되는 것으로서 바로 그 위치하는 점이 초기 용접위치가 된다.

여기서 용접 초기위치를 찾는데 필요한 용접 개시점(A)과 끝점(B) 사이의 방향 벡터가 사실상 30°정도까지 틀어지는 경우에 초기 용접위치를 트래킹하는데 문제가 되지 않다는 점을 전제로 한다.

왜냐하면 실제로 용접 개시점(A)을 파인 튜닝(fine tuning)하는데 용접 개시점(A)과 끝점(B) 사이의 방향 벡터가 중요하기는 하지만 최종적으로 찾아낸 초기 용접위치는 접합 기준선에서 5mm 이내의 오프 셋(offset)만을 갖기 때문이다.

제4도는 제2도에 도시된 L자 형태의 용접 대상물(8)에서 토치(5)의 방향 벡터 및 용접 진행 방향벡터를 나타낸 도면이고, 제5도는 제4도에서 얻을 수 있는 방향 벡터를 나타낸 도면으로서, 개략적으로 교시된 교시점(A)으로부터 가상점(B)으로의 방향 벡터(X)와 토치(5)의 방향 벡터(a)에 의하여 제3벡터(a x X)를 얻을 수 있음을 보이고 있다.

제6도는 용접 대상물(8)이 임의의 방향으로 틀어져 있고, 베이스가 θ의 각도로 기울어진 상태가 되어 용접 부위의 베이스가 어느 정도 기울어져 있는 경우에 본 발명에 따라 초기 용접위치를 검출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이에 도시된 바와 같이 먼저 소정 형태의 용접 대상물(8)이 웰딩 지그(7)에 놓이면 작업자는 개략적인 용접 개시점(A)을 교시하여 토치(5)를 용접 대상물(8)의 벌어진 각을 중심점 위치로 이동시키고, 이동된 위치에서 다음과 같은 터치 센서 트래킹을 프로그램하여 명령 수행을 시키게 된다.

TST ∧ {#End-point}, {용접 대상물 타입=4}, {옆방향 각 변환}, {진행방향 각 변환}, {접합부에서의 오프 셋(offset)}

여기서, End-point는, 작업자가 임의로 정하는 가상점을 말하고, 용접 대상물 타입의 종류에는 2차원 검출인 경우에 1, 3차원 검출인 경우에 2, 토치(5)의 방향 결정인 경우에 3, 사용자 정의형인 경우에 4가 된다.

용접 대상물 타입 1, 2, 3은 용접 대상물(8)이 바닥에 고정되어 용접 대상물(3)의 법선 벡터가 용접 로봇(3)의월드 Z좌표와 일치하는 국부적인 경우이다.

제4도에서는 임의의 방향을 검출하는 경우이므로 용접 대상물(8) 타입은 4가 된다.

그리고 용접 대상물 타입이 4인 경우에는 {옆방향 각 변환}, {진행방향 각 변환} 값이 불필요하고, 초기점 교시(teaching)를 정확히 하여 처리되어야 하는 부분이며, 최소 20%의 오차를 벗어나지만 않으면 된다.

또한 초기 교시점(A)과 끝점(B)은 이를 연결하는 라인이 용접 대상물(8)의 위치를 말해 주는 중요한 방향 벡터가 되므로 이들의 교시점도 어느 정도까지 (대략 20%)는 정확히 교시할 필요가 있다.

이와 같이 터치 센서 트래킹이 프로그램되어 수행 명령이 주어지면, 용접 로봇(3)은 개략적인 용접 개시점(A')의 위치에서 끝점(End-point : B')까지의 용접 진행방향을 판단하게 되고, 이를 제1방향 벡터로 인식한다.

그리고 용접 대상물(8)의 접합부를 향하여 접합면 사이를 대략 이등분한 각으로 놓이는 토치(5)의 방향 벡터를 제2방향 벡터로 인식한다.

이와 같이 인식된 제1방향 벡터를 기준으로 제2방향 벡터가 -방향으로 회전된다고 하였을 경우의 방향으로 토치(5)를 트래킹(1st tracking)하게 된다.

즉, 토치(5)가 아래 방향의 접합면(수직면)에 대하여 수직이 되는 방향(Vertical)으로 이동하여 통전이 일어날 때까지 진행되고, 통전이 발생(제1터치)하면 파라미터에 정해진 위치로 이동하게 된다.

다음으로 토치(5)는 제1방향 벡터를 기준으로 제2방향 벡터가 +방향으로 회전된다고 하였을 경우의 방향으로 트래킹(2nd tracking)을 하게 된다.

즉, 토치(5)가 위 방향의 접합면(수직면)에 대하여 수평방향(Horizontal)으로 이동하여 통전이 일어날 때까지 진행되고, 통전이 발생(제2터치)하면 파라미터에 정해진 위치로 이동하게 된다.

그리고 통전이 발생된 후 파라미터에 정해진 위치로 이동이 완료되면, 다음으로 파라미터에 정해진 크기만큼 토치(5)를 용접 진행방향의 반대 방향으로 이동하여 용접 대상물(8)의 끝 부분을 트래킹(3rd tracking)하고, 용접 대상물(5)의 끝부분에 통전이 발생(제3터치)하면 미리 정해진 크기만큼 용접 진행방향으로 이동하여 초기 용접 위치에 놓이게 된다.

위와 같은 결과에서 볼 때, 본 발명은 L, T, V형 등의 어떠한 접합 용접 대상물(8)의 경우는 물론 용접 대상물(8)이 어떻게 기울어져 있거나 뒤집어져 있다 할지라도 기존의 베이스가 바닥에 붙어 있는 것과 같이 취급을 하게 되어 초기 용접 위치를 두 번의 터치만으로 검출할 수 있게 됨을 알 수 있다.

실제이러한 용접은 포크레인(굴착기)의 붐(boom) 또는 선박, 중공업 용접 라인 등을 비롯하여 많은 영역에서 적용될 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 용접 대상물이 기울어져 있거나 뒤집어져 있는 경우일지라도 단순히 두 번의 터치만으로 초기 용접 위치를 정확하게 검출하여 용접을 진행할 수 있으므로 자동화 라인을 쉽게 꾸밀 수 있고, 대량 용접에서 요구되는 시간 단축 문제를 간단히 해결할 수 있다.

Claims (1)

1. 개략적으로 교시된 용접 개시점에서 용접 끝점 부위에 주어진 가상점으로의 방향 벡터를 제1방향 벡터로 인식하고, 용접 대상물의 접합부를 향하여 접합면 사이를 대략 이등분한 각으로 놓이는 토치의 방향 벡터를 제2방향 벡터로 인식하는 인식 단계; 상기 인식단계에서 인식한 제1방향 벡터를 기준으로 상기 제2방향 벡터가 +, - 회전된다고 하였을 경우의 방향과 일치하는 방향을 토치의 수직 및 수평 트래킹 방향으로 결정하는 결정 단계; 상기 결정 단계에서 결정된 수직 및 수평 트래킹 방향으로 토치를 이동시켜 통전이 일어날 때까지 진행하고 통전이 일어나면 각각 파라미터에 정해진 위치로 이동하는 이동 단계; 및 상기 이동 단계에서 정해진 위치로 이동이 완료되면 토치를 용접 진행반대 방향으로 이동하여 용접 대상물의 끝 부분을 트래킹하고, 용접 대상물의 끝부분에 통전이 발생할 경우에 미리 정해진 크기만큼 용접 진행방향으로 이동하는 용접 진행단계로 이루어짐을 특징으로 하는 로봇의 초기 용접위치 검출방법.

Images