KR20160022195A

KR20160022195A - 자동 용접 제어장치

Info

Publication number: KR20160022195A
Application number: KR1020140108027A
Authority: KR
Inventors: 조영식; 류신욱; 이지형; 안준수; 이정우
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2014-08-19
Filing date: 2014-08-19
Publication date: 2016-02-29
Also published as: KR101615903B1

Abstract

모재의 기하학적 형상을 정확히 묘사하도록 용접 전류를 검출하여 용접 조건과 위빙(weaving) 조건을 용이하게 설정하고, 용접 정밀도를 향상토록 한 자동 용접 제어장치에 관한 것으로서, 용접기로부터 측정한 현재 전류 값을 위빙폭 방향으로 정렬하여 전류 데이터를 생성하고, 생성한 전류 데이터와 이전 모션에서의 전류 데이터를 위치 기반으로 평균하여 모재의 기하학적 형상을 나타내는 전류 값을 생성하며, 생성한 전류 값을 기반으로 위빙을 위한 폭방향 보정값 및 깊이방향 보정값을 생성하는 아크 센서; 상기 아크 센서로부터 생성한 폭방향 보정값 및 깊이방향 보정값을 기초로 로봇 기구의 위빙 모션을 제어하는 위빙 모듈; 상기 용접기에 출력할 전류 값을 전송하고, 상기 용접기로부터 현재 전류 값을 수신하여 상기 아크 센서에 전달하는 용접 모듈을 포함하여, 자동 용접 제어장치를 구현한다.

Description

자동 용접 제어장치{Automatic welding control device}

본 발명은 자동 용접 제어장치에 관한 것으로, 특히 모재의 기하학적 형상을 정확히 묘사하도록 용접 전류를 획득하여 용접 조건과 위빙(weaving) 조건을 용이하게 설정하고, 용접 정밀도를 향상토록 한 자동 용접 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로 산업현장에는 다양한 종류의 산업용 로봇이 사용되고 있으며, 그 중 철판 등의 각종 재료를 자동으로 용접하기 위해 용접 로봇을 사용한다. 용접 로봇을 사용한 용접에는 용접대상 모재를 운반하여 지그에 고정시키고, 대상 모재에 용접이 실시될 용접 라인 상의 용접 시작점과 용접 종료점을 입력하면, 제어기는 저장된 소정의 프로그램에 기초하여 로봇에 구비된 용접 토치를 구동하여 용접을 행한다.

여기서 모재를 용접하는 데에는 아크 용접(arc welding) 등의 방법이 주로 사용된다. 아크 용접은 용접 토치에 와이어를 공급하면서 용접 토치와 용접 모재 사이에 강한 전류를 형성하여 와이어 및 모재를 순간적으로 녹이면서 융착시키는 용접방법이다. 아크 용접을 행할 때에는 모재의 종류나 용접하고자 하는 용접 부위의 상호 접촉형상에 따라 소정의 용접조건을 미리 설정하여 입력시킨다. 이러한 용접조건들에는 용접전류, 용접전압, 용접 토치와 모재간의 이격거리, 와이어의 공급속도 및 용접 토치에 의한 위빙 모션(weaving motion)의 속도 등이 포함된다.

여기서 위빙 모션이란 용접 로봇이 용접 작업을 행할 때 한 번의 경로이동으로 용입량을 많게 하기 위하여, 단순한 직선/곡선만으로 움직이는 것이 아니라 용접 진행방향에 대하여 지그재그로 진자운동(oscillation motion)을 하는 것을 의미한다.

용접 로봇을 이용하여 아크 용접을 하는 경우, 상기 위빙 모션을 위해 아크 센싱(arc sensing)을 이용한다.

아크 센싱은 로봇의 위빙 용접 중 용접 전류를 획득하여 단위 모션에 대한 용접 전류 값과 토치의 편향 값을 계산하고, 이를 기준 전류값 및 기준 편향값과 비교하여 용접 토치를 위빙 모션에 대한 깊이 방향과 폭 방향으로 조정하여 용접전류를 유지하고 용접선을 추적하는 방법을 말한다. 이러한 아크 센싱은 용접전류를 측정하는 장치와 소프트웨어의 조합으로 비교적 간단하게 구현이 가능하므로 용접 자동화의 분야에서 널리 시도되고 있다.

아크 센서를 이용한 용접심 추적 성능은 측정한 전류가 얼마만큼 모재의 형상을 잘 묘사하는가에 의해 결정된다. 그런데 용융 풀(molten pool)의 유체적인 거동과 아크의 비직진성 및 모션 지령과 실제 위치의 지연 등으로 인해 취득한 용접 전류의 형태는 모재의 기하학적 형상을 잘 나타내지 못하는 경우가 있다. 만일 용접 전류가 극단적으로 치우친 형태로 측정되었다면 계산된 토치의 편향값도 극단적으로 치우친 결과로 계산되므로 좌우방향의 보정 값이 큰 폭으로 진동하는 현상이 발생하고 시스템은 불안정해 질 수 있다. 따라서 아크 센싱을 사용할 경우에는 측정된 용접 전류의 형태가 모재의 기하학적 형상을 잘 나타낼 수 있도록 용접조건과 위빙 조건을 세밀하게 조정하거나 시스템의 안정성을 높이기 위해 추종 성능을 낮추어 사용하게 되며 경우에 따라서는 적용이 힘든 경우도 있다.

또한, 일반적인 아크 센싱은 기준 전류값과 기준 편향값을 아크 센싱 초기에 측정하는데, 이때 용접 선과 토치가 오프셋을 가진 상태라면 기준 전류값과 기준 편향값도 오프셋을 가진 값으로 지정되고, 이는 결과적으로 용접전류와 용접선의 추적에도 오프셋이 적용되는 단점이 있다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위해 종래에 제안된 기술이 하기의 <특허문헌 1> 대한민국 공개특허 공개번호 10-2012-0035969호(2012.04.17. 공개) 및 <특허문헌 2> 대한민국 공개특허 공개번호 10-2012-0033524호(2012.04.09. 공개)에 개시되었다.

<특허문헌 1>에 개시된 종래기술은 위빙 개시 후 최초 기준점을 설정하고, 위빙 용접을 개시하면서 다음 위빙 인덱스가 짝수인지를 확인하여, 홀수이면 위빙 인덱스가 짝수가 될 때까지 위빙 용접을 계속하고, 짝수라면 용접전류의 DAQ를 시작하여 짝수 인덱스에 이르면 DAQ를 기반으로 용접전류에 대한 노이즈 필터를 하고, 시간 지연을 획득한다. 이러한 <특허문헌 1>은 별도의 측정장비를 추가하지 않으면서도 로봇 자체만으로 구현가능하며, 용접기 및 로봇제어기의 특성을 일일이 고려하지 않고도 측정이 가능하고, 용접시 발생하는 노이즈에도 강인하게 대처할 수 있어 시간지연량에 대한 측정 오차를 최소화하게 된다.

<특허문헌 2>에 개시된 종래기술은 아크 용접 시 발생하는 용접 전류를 측정하여 용접선과 토치 단부간의 거리를 일정하게 유지하는 알고리즘을 이용하여 용접 장치 및 용접선과 토치 간 높이를 제어함으로써, 용접 선의 변형에 대한 정밀한 티칭 작업 없이도 용접선과 토치가 일정한 높이로 이격된 상태로 용접 수행을 한다.

대한민국 공개특허 공개번호 10-2012-0035969호(2012.04.17. 공개) 대한민국 공개특허 공개번호 10-2012-0033524호(2012.04.09. 공개)

그러나 상기와 같은 종래기술은 아크 센싱 값을 효과적으로 사용하기 위해서는 초기 시작 위치를 정밀하게 설정하기 위한 많은 노력이 요구되고, 기준 값을 측정하는 구간에서는 용접 선을 추적할 수가 없는 단점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 모재의 기하학적 형상을 정확히 묘사하도록 용접 전류를 획득하여 용접 조건과 위빙(weaving) 조건을 용이하게 설정하고, 용접 정밀도를 향상토록 한 자동 용접 제어장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 용융 풀의 유체적인 거동과 아크의 비직진성 및 모션 지령과 실제 위치의 지연 등이 존재하더라도 용접 전류의 형태가 모재의 기하학적 형상을 잘 묘사할 수 있도록 한 자동 용접 제어장치를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 자동 용접 제어장치는 용접기로부터 측정한 현재 전류 값을 위빙폭 방향으로 정렬하여 전류 데이터를 생성하고, 생성한 전류 데이터와 이전 모션에서의 전류 데이터를 위치 기반으로 평균하여 모재의 기하학적 형상을 나타내는 전류 값을 생성하며, 생성한 전류 값을 기반으로 위빙을 위한 폭방향 보정값 및 깊이방향 보정값을 생성하는 아크 센서; 상기 아크 센서로부터 생성한 폭방향 보정값 및 깊이방향 보정값을 기초로 로봇 기구의 위빙 모션을 제어하는 위빙 모듈; 상기 용접기에 출력할 전류 값을 전송하고, 상기 용접기로부터 현재 전류 값을 수신하여 상기 아크 센서에 전달하는 용접 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 위빙 모듈은 용접 위치인 조인트가 위치하여야 하는 위치 값을 상기 로봇 기구로 전송하여 위빙 모션을 제어하면서, 위빙 모션 모드를 결정하고, 단위 모션의 인덱스에 대한 신호를 상기 아크 센서에 전달하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 아크 센서는 상기 용접 모듈에서 전달되는 용접기의 현재 전류 값을 단위 모션동안 순서대로 저장하는 용접데이터 수집모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 아크 센서는 새로운 모션일 경우, 상기 용접데이터 수집모듈에 저장된 최근 단위 모션동안의 전류 값에서 잡음을 제거하고 전류 데이터를 생성하는 노이즈 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 아크 센서는 상기 노이즈 필터로부터 생성된 전류 데이터를 모션 인덱스에 따라 위빙 폭방향에 대해 정렬하는 순서변환모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 순서변환모듈은 상기 모션 인덱스가 홀수인 경우에만 상기 전류 데이터를 역전시켜 위빙 폭 방향에 대한 정렬된 전류데이터를 생성하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 아크 센서는 상기 정렬된 전류 데이터 또는 상기 노이즈 필터에서 출력되는 전류데이터를 이전 모션에 대한 전류데이터로 저장하는 버퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 아크 센서는 상기 노이즈 필터 또는 순서변환모듈을 통해 출력된 위빙폭 방향으로 정렬된 전류데이터와 상기 버퍼에 저장된 이전 모션의 전류데이터를 순서에 따라 평균하여 모재의 기하학적 형성을 나타내는 전류 값을 생성하는 위치기반 평균필터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 아크 센서는 상기 위치기반 평균필터에서 출력되는 전류 값을 기초로 토치가 중심에 대해 편향된 정도를 계산하는 편향값 계산모듈; 미리 설정된 폭방향 비례이득을 이용하여 상기 편향값 계산모듈에서 계산된 편향된 정도에 반비례하는 폭방향 보정값을 생성하여 상기 위빙 모듈에 전달하는 폭방향 보정값 계산모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 아크 센서는 상기 위치기반 평균필터에서 출력되는 전류 값을 평균하여 평균 전류 값을 생성하는 평균 전류값 계산모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 아크 센서는 미리 설정된 깊이방향 비례이득(C_zw)과 용접 모듈에서 측정한 현재 전류값(I_trg) 및 상기 평균 전류값 계산모듈에서 생성한 평균 전류 값(I_mean)을 하기의 <수식>에 적용하여 위빙 모션을 위한 깊이방향 보정 값(d_zw)을 생성하는 깊이방향 보정값 계산모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

<수식>

본 발명에 따르면 모재의 기하학적 형상을 정확히 묘사하도록 용접 전류를 획득함으로써, 용접 조건과 위빙(weaving) 조건을 용이하게 설정할 수 있는 장점이 있으며, 모재의 기하학적 형상의 정확한 묘사에 의해 용접 정밀도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 용융 풀의 유체적인 거동과 아크의 비직진성 및 모션 지령과 실제 위치의 지연 등이 존재하더라도 용접 전류의 형태가 모재의 기하학적 형상을 잘 묘사할 수 있으므로, 용접 정밀도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자동 용접 제어장치의 블록 구성도,
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에서 모재의 기하학적 특성을 강조하는 과정 설명도,
도 3은 본 발명에서 필렛 조인트에 대한 로봇 위빙 모션의 궤적 설명도,
도 4는 위빙 모션에 대한 일반적인 용접 전류 데이터 형태도,
도 5는 본 발명에 의한 모재의 기하학적 특성이 나타나는 용접 전류 데이터 형태도,
도 6은 용접 거리 170mm에서의 용접 전류 데이터 예시도,
도 7은 기준값 측정이 사용되지 않은 아크 센싱의 용접 전류 데이터 제1예시도,
도 8은 기준값 측정이 사용되지 않은 아크 센싱의 용접 전류 데이터 제2예시도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자동 용접 제어장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자동 용접 제어장치의 블록 구성도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자동 용접 제어장치는 아크 센서(100), 위빙 모듈(200), 로봇 기구(300), 용접기(400) 및 용접 모듈(500)을 포함한다.

상기 로봇 기구(300)는 상기 위빙 모듈(200)의 제어에 따라 용접 토치의 위빙 모션을 동작시키는 역할을 하며, 상기 용접기(400)는 상기 용접 모듈(500)에서 발생하는 용접 전류를 기반으로 실제 아크 용접을 수행하는 역할을 한다.

여기서 용접기(400)와 로봇 기구(300)는 일반적인 또는 종래기술에서 언급하는 용접 로봇에 필수적으로 구비된 구성요소이며, 당해 분야에서 이미 잘 알려진 구성이므로 그에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

상기 용접 모듈(500)은 미리 저장된 용접에 필요한 파라미터를 기반으로 각 샘플링 시간마다 상기 용접기(400)가 출력해야 하는 전류 값(I_trg)을 상기 용접기(400)에 전달하고, 상기 용접기(400)로부터 현재 전류 값(I_act)을 수신하여 상기 아크 센서(100)에 전달하는 역할을 한다.

상기 아크 센서(100)는 상기 용접기(400)로부터 측정한 현재 전류 값(I_act)을 위빙폭 방향으로 정렬하여 전류 데이터(I_dir(1:n))를 생성하고, 생성한 전류 데이터와 이전 모션에서의 전류 데이터(I_dir(1:n)')를 위치 기반으로 평균하여 모재의 기하학적 형상을 나타내는 전류 값(I_go(1:n)을 생성하며, 생성한 전류 값을 기반으로 위빙을 위한 폭방향 보정값 및 깊이방향 보정값을 생성하여 상기 위빙 모듈(200)에 전달하는 역할을 한다.

이러한 아크 센서(100)는 상기 용접 모듈(500)에서 전달되는 용접기(400)의 현재 전류 값(I_act)을 단위 모션동안 순서대로 저장하는 용접데이터 수집모듈(102); 새로운 모션일 경우, 상기 용접데이터 수집모듈(102)에 저장된 최근 단위 모션동안의 전류 값(I_act(1:n))에서 잡음을 제거하고 전류 데이터(I_w(1:n))를 생성하는 노이즈 필터(103)를 포함한다.

또한, 상기 아크 센서(100)는 상기 노이즈 필터(103)로부터 생성된 전류 데이터(I_w(1:n))를 모션 인덱스(짝수, 홀수)에 따라 위빙폭 방향에 대해 정렬하는 순서변환모듈(105)을 더 포함하는 것이 바람직하다. 여기서 순서변환모듈(105)은 상기 모션 인덱스가 홀수인 경우에만 상기 전류 데이터(I_w(1:n))를 역전시켜 위빙폭 방향에 대한 정렬된 전류데이터(I-dir(1:n))를 생성한다.

또한, 상기 아크 센서(100)는 상기 정렬된 전류 데이터(I-dir(1:n)) 또는 상기 노이즈 필터(103)에서 출력되는 전류데이터(I_w(1:n))를 이전 모션에 대한 전류데이터로 저장하는 버퍼(107); 상기 노이즈 필터(103) 또는 순서변환모듈(105)을 통해 출력된 위빙폭 방향으로 정렬된 전류데이터와 상기 버퍼(107)에 저장된 이전 모션의 전류데이터(I-dir(1:n)')를 순서에 따라 평균하여 모재의 기하학적 형상을 나타내는 전류 값(I_go(1:n))을 생성하는 위치기반 평균필터(106)를 더 포함한다.

바람직하게 상기 아크 센서(100)는 상기 위치기반 평균필터(106)에서 출력되는 전류 값(I_go(1:n))을 기초로 용접 토치가 중심에 대해 편향된 정도(W)를 계산하는 편향값 계산모듈(109); 미리 설정된 폭방향 비례이득(C_yw)을 이용하여 상기 편향값 계산모듈(109)에서 계산된 편향된 정도(W)에 반비례하는 폭방향 보정값을 생성하여 상기 위빙 모듈(200)에 전달하는 폭방향 보정값 계산모듈(110)을 더 포함한다.

더욱 바람직하게 상기 아크 센서(100)는 상기 위치기반 평균필터(106)에서 출력되는 전류 값(I_go(1:n))을 평균하여 평균 전류 값(I_mean)을 생성하는 평균 전류값 계산모듈(108); 미리 설정된 깊이방향 비례이득(C_zw)과 용접 모듈(500)에서 측정한 현재 전류값(I_trg) 및 상기 평균 전류값 계산모듈(108)에서 생성한 평균 전류 값(I_mean)을 연산하여 위빙 모션을 위한 깊이방향 보정 값(d_zw)을 생성하는 깊이방향 보정값 계산모듈을 더 포함한다.

상기 위빙 모듈(200)은 상기 아크 센서(100)로부터 생성한 폭방향 보정값 및 깊이방향 보정값을 기초로 로봇 기구의 위빙 모션을 제어하는 역할을 한다. 이러한 위빙 모듈(200)은 용접 위치인 조인트가 위치하여야 하는 위치 값을 상기 로봇 기구(300)로 전송하여 위빙 모션을 제어하면서, 위빙 모션 모드(모션중 모드, 새로운 모션)를 결정하고, 단위 모션의 인덱스(짝수, 홀수)에 대한 신호를 상기 아크 센서(100)에 전달하는 것이 바람직하다.

도 1에서 참조부호 101 및 104는 스위치를 나타낸다.

이와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자동 용접 제어장치의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

기본적으로 용접 로봇은 로봇 기구(300)와 용접기(400)를 포함하며, 이들에 대한 제어를 위빙 모듈(200)과 용접 모듈(500)이 수행한다. 이때, 로봇 프로그램에 의해 위빙에 필요한 파라미터와 용접에 필요한 파라미터는 위빙 모듈(200)과 용접 모듈(500)에 각각 전달된 상태이다.

각 샘플링 시간마다 위빙 모듈(200)은 1 ~ 6번 조인트가 위치하여야 하는 값 (th(1:6)을 로봇 기구(300)로 전송하고, 용접 모듈(500)은 용접기(400)가 출력해야 하는 전류값(I_trg)을 용접기(400)로 전송하고, 현재 전류값(I_act)을 상기 용접기(400)로부터 수신한다.

그리고 상기 위빙 모듈(200)은 위빙 모션을 제어하면서 위빙 모션중(모션중)인지 새로운 위빙 모션을 계획해야하는지(새로운 모션)를 나타내는 위빙모션모드, 단위 모션의 인덱스가 짝수인지 홀수인지에 대한 모션 인덱스에 대한 신호를 출력하여 아크 센서(100)에 전달한다.

상기 아크 센서(100)는 상기 위빙 모듈(200)에서 생성하는 위빙모션모드가 "모션중"이면 용접데이터 수집모듈(102)은 상기 용접 모듈(500)로부터 전달받은 현재 전류값(I_act)을 단위 모션 동안의 용접전류(I_act(1:n))로 내부 버퍼에 순서대로 저장한다.

다음으로, 위빙모션모드가 "새로운 모션"을 나타내면 아크 센서(100)는 용접 토치의 위빙 모션을 조정하기 위한 폭방향 보정값 및 깊이방향 보정값을 생성하여 상기 위빙 모듈(200)에 전달한다, 여기서 위빙모션모드가 "모션중"이면 위빙 모듈(200)은 이전에 입력받은 폭방향 보정값 및 깊이방향 보정값을 그대로 사용하여 로봇 기구(300)의 위빙 모션을 제어한다.

위빙모션모드가 "새로운 모션"일 경우, 노이즈 필터(103)는 상기 용접데이터 수집모듈(102)에 저장된 최근 단위 모션 동안의 전류데이터(I_act(1:n))에서 기본적인 노이즈를 제거한 전류데이터(I_w(1:n))를 생성한다.

이어, 아크 센서(100)는 상기 위빙 모듈(200)에서 출력되는 모션 인덱스가 홀수인지 짝수인지를 파악하여, 짝수이면 상기 노이즈 필터(103)에서 출력되는 전류데이터(I_w(1:n))를 그대로 이용하고, 이와는 달리 모션 인덱스가 홀수이면 순서변환모듈(105)에서 상기 전류데이터(I_w(1:n))를 역전시켜 위빙 폭방향에 대해 정렬된 전류데이터(I_dir(1:n)를 생성한다. 여기서 위빙 폭방향은 모션 인덱스가 짝수일 때 움직이는 방향으로 정의된다.

여기서 단위 모션에 대한 전류 측정값에는 모재의 기하학적 영향과 함께 아크 특성, 용융 풀의 거동 및 모션 생성과 관련된 여러 가지 현상이 복잡하게 얽혀있다. 단위 모션에서 측정한 전류값에서 모재의 기하학적 특성만 분리해내기는 실제로 어렵다. 또한, 여러 가지 방법으로 아크 특성, 용융 풀의 거동에 대한 특성을 정의하더라도 또 다른 용접 환경에서는 그 값을 더 이상 사용하지 못할 수도 있다. 하지만, 이러한 요소들은 해당 용접에 대해서는 비슷한 경향을 가지고 존재하므로 이전 단위 모션의 용접 전류값과 해당 모션의 용접 전류값을 위치에 대해 평균한다면 기하학적 영향 이외의 현상들은 상당부분 서로 상쇄되고 기하학적 형상의 영향이 주된 데이터가 될 수 있다. 이렇게 처리된 용접 전류 데이터는 모재의 기하학적 형상의 특징을 잘 나타내므로 아크 센싱을 사용함에 있어 용접조건과 위빙 조건을 조정하는 데에 노력을 적게 들일 수 있고, 안정성이 높으면서도 추종성능이 높은 시스템을 구축할 수 있으므로 아크 센싱을 사용하여 용접 자동화를 구현하는 데에 매우 유용하다.

도 2a 내지 도 2c는 단위 모션에서 측정한 용접 전류값에 모재의 기하학적 특성 이외의 여러 가지 현상들이 섞여 들어온 것과 이를 상쇄하여 모재의 기하학적 특성만 남게 되는 것을 개념적으로 나타내는 그림이다. 도 2a 및 도 2b는 모재의 중심을 기준으로 폭 방향으로 움직이는 동안 측정한 전류 데이터라고 볼 수 있는데, 데이터가 중심에 위치하지 않고 다소 지연되는 듯한 느낌이 든다(가로축은 폭 방향 위치, 세로축은 전류값을 나타낸다). 이 두 번에 걸쳐 측정한 데이터를 위치 기준으로 평균값을 취하면 도 2c와 같은 전류값을 얻을 수 있는데, 데이터가 중심에 위치하고 오목한 것이 강조되어 나타난다. 즉, 모재의 기하학적 특성이 잘 나타나게 된다.

이를 위해 본 발명에서는 해당 모션에 대한 모재의 기하학적 특성을 부각시키고 필요치 않은 특성을 제거하기 위해 위치기반 평균필터(106)를 이용하여, 위빙 폭방향으로 정렬된 전류데이터(I_dir(1:n))와 버퍼(107)에 저장된 이전 모션에서의 전류데이터(I_dir(1:n)')를 하기의 [수학식1]과 같이 순서(위치기반)에 따라 평균하여 모재의 기하학적 형상을 잘 나타내는 전류값(I_go(1:n))을 생성한다. 여기서 위빙 폭방향에 대해 정렬된 전류데이터(I_dir(1:n)은 다음 모션에서 사용할 수 있도록 버퍼(107)에 저장된다.

한편, 본 발명의 다른 특징으로서 기준 전류값과 기준 편향값을 측정하는 과정을 생략하는 용접 제어장치를 제공하는 것이다. 이를 통해 아크 센싱 초기에 용접 토치가 용접 선과 오프셋을 가지더라도 본 발명에서 제안된 아크 센서를 이용한 아크 센싱을 통해 용접 토치가 용접 선에 수렴되므로 초기 시작 위치를 정밀하게 설정하지 않아도 되며 용접 선을 추적하는 구간을 보다 연장시 킬 수 있는 장점이 있다.

예컨대, 편향값 계산모듈(109)은 상기 전류값(I_go(1:n))을 이용하여 용접 토치가 중심에 대해 편향된 정도(W)를 생성한다. 용접 토치가 중심에 대해 편향된 정도를 구하는 방법은 하기 [수학식2]와 같으며, 이는 기존의 아크 센서에서 사용하는 방법을 그대로 적용하는 것이 바람직하다.

다음으로, 폭방향 보정값 계산모듈(110)은 미리 설정된 폭방향 비례이득(C_yw)을 이용하여 상기 편향된 정도(W)와 반비례하게 폭방향 보정값(d_yw)을 생성하고, 이를 상기 위빙 모듈(200)에 전달한다. 여기서 폭방향 보정값 계산을 위해 기준 편향값은 사용되지 않으며, 폭방향 비례이득(C_yw)은 사용자에 의해 정의된다. 여기에서는 기본적인 제어방법을 사용하였으나 경우에 따라서는 적분이득이나 미분이득 등을 사용할 수도 있다.

한편, 평균 전류값 계산모듈(108)은 상기 위치기반 평균필터(106)로부터 출력되는 전류값(I_go(1:n))을 이용하여 해당 모션의 평균 전류값(I_mean)을 생성한다. 그리고 깊이방향 보정값 계산모듈(111)은 미리 설정된 깊이방향 비례이득(C_zw)과 해당 모션의 평균 용접전류(I_mean) 및 용접 모듈(500)에서 목표로 하는 전류값(I_trg)을 하기의 [수학식3]에 적용하여 위빙 깊이방향의 보정값(d_zw)을 생성하고, 이를 위빙 모듈(200)에 전달한다. 여기서 깊이방향 비례이득(C_zw)은 사용자에 의해 정의된다. 여기에서는 기본적인 제어방법을 사용하였으나 경우에 따라서는 적분 이득이나 미분 이득 등을 사용할 수도 있다.

상기 위빙 모듈(200)은 전달되는 폭방향 보정값과 깊이방향 보정값을 다음 단위 모션을 생성하는 데에 적용하며, 이러한 과정을 반복하여 용접 선을 추적하게 된다.

한편, 본 발명자는 제안한 자동 용접 제어장치의 효과를 입증하기 위해 실험을 하였다.

도 3은 시험을 수행한 수직 필렛 조인트와 위빙 모션의 궤적을 나타낸 것이다. 용접 시작 위치는 필렛 중심에서 위빙 폭방향으로 -2.5mm 오프셋을 주었으며 단위 모션의 순서는 1부터 지정된다. 본 발명에서는 짝수의 모션 방향을 위빙 폭방향으로 정의한다고 하였으나 아래 시험 데이터에는 홀수가 위빙 폭방향으로 정의되어 있다. 이를 구현한 것은 본 발명의 설명대로였으나 데이터를 플로팅하는 프로그램의 특성으로 인해 아래에는 반대로 표현되었다.

도 4는 위빙 모션에 대한 일반적인 용접 전류 데이터를 도시한 것이고, 도 5는 본 발명의 제안을 적용한 모재의 기하학적 특성이 나타나는 용접 전류 데이터를 나타낸 것이다.

도 4는 기준 편향값과 기준 전류값을 측정하는 방법이 적용되었으며 측정 위치는 용접 거리 약 15mm이다. 가로축은 위빙 폭방향으로 정렬된 샘플링 순서이고 세로축은 전류데이터의 ADC값이다. 범례는 단위 모션의 인덱스를 나타낸다. 도 4에서는 모재의 형상적 특성 이외에 용융 풀의 거동, 아크 특성, 모션 특성 등이 뒤섞여 있다. 이 데이터를 해당 모션의 편향 값을 계산하는 데에 사용하면 불안정한 경향을 가지게 된다. 도 5는 상기 데이터를 본 발명에서 처리한 방법으로 처리한 데이터를 보여준다. 기대하는 조인트의 기하학적 형상이 반영되어 중앙에서 왼쪽 부위(가로축 약 50 위치)가 오목한 형상이 나타난다.

도 6은 용접에서 용접거리 약 170mm에서 측정한 용접 전류 데이터를 나타낸 것이다. 도 5와 마찬가지로 조인트의 기하학적 형상이 반영되어 중앙에서 왼쪽 부위(가로축 약 50 위치)가 오목한 형상이 나타난다. 단, 기준 편향값과 기준 전류값을 측정하고 이를 이용하여 보정 값을 구하는 방법이 사용되었으므로, 최초 2.5mm 정도의 오프셋으로 시작한 용접이 170mm가 지나도 유지되고 있음을 알 수 있다.

도 7과 도 8은 본 발명에서 제안하는 데이터 처리 방법을 사용하여 보정 값을 계산하고, 기준 편향값과 기준 용접 전류를 측정하지 않는 아크 센싱 방법을 사용하였을 때의 위빙 모션에 대한 용접 전류값을 나타낸 것이다. 초기 오프셋은 상기 시험과 마찬가지로 위빙 폭방향으로 -2.5mm를 주었다. 각각 용접거리 15mm(도 7)와 170mm(도 8) 부근에서 측정되었는데, 두 경우 모두 모재의 기하학적 특성을 일정하게 잘 나타내고 있음을 알 수 있다. 단, 기준 편향값과 기준 용접 전류를 측정하지 않는 아크 센싱 방법을 사용하였으므로 15mm 부근에서는 중심에서 좌측으로 편향된 그래프이지만 170mm에서는 중심으로 수렴되는 현상을 보여주고 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

본 발명은 기준 편향값 및 기준 전류값을 측정하지 않고서도 모재의 기하학적 형상을 정확하게 묘사하고, 위빙 모션을 정밀하게 제어할 수 있는 용접 로봇 기술에 효과적으로 적용된다.

100: 아크 센서
102: 용접 데이터 수집모듈
103: 노이즈 필터
105: 순서변환모듈
106: 위치기반 평균필터
108: 평균 전류값 계산모듈
109: 편향값 계산모듈
110: 폭방향 보정값 계산모듈
111: 깊이방향 보정값 계산모듈

Claims

용접기로부터 측정한 현재 전류 값을 위빙폭 방향으로 정렬하여 전류 데이터를 생성하고, 생성한 전류 데이터와 이전 모션에서의 전류 데이터를 위치 기반으로 평균하여 모재의 기하학적 형상을 나타내는 전류 값을 생성하며, 생성한 전류 값을 기반으로 위빙을 위한 폭방향 보정값 및 깊이방향 보정값을 생성하는 아크 센서;
상기 아크 센서로부터 생성한 폭방향 보정값 및 깊이방향 보정값을 기초로 로봇 기구의 위빙 모션을 제어하는 위빙 모듈;
상기 용접기에 출력할 전류 값을 전송하고, 상기 용접기로부터 현재 전류 값을 수신하여 상기 아크 센서에 전달하는 용접 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 용접 제어장치.
청구항 1에 있어서, 상기 위빙 모듈은 용접 위치인 조인트가 위치하여야 하는 위치 값을 상기 로봇 기구로 전송하여 위빙 모션을 제어하면서, 위빙 모션 모드를 결정하고, 단위 모션의 인덱스에 대한 신호를 상기 아크 센서에 전달하는 것을 특징으로 하는 자동 용접 제어장치.
청구항 1에 있어서, 상기 아크 센서는 상기 용접 모듈에서 전달되는 용접기의 현재 전류 값을 단위 모션동안 순서대로 저장하는 용접데이터 수집모듈; 상기 용접데이터 수집모듈에 저장된 최근 단위 모션동안의 전류 값에서 잡음을 제거하고 전류 데이터를 생성하는 노이즈 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 용접 제어장치.
청구항 3에 있어서, 상기 아크 센서는 상기 노이즈 필터로부터 생성된 전류 데이터를 모션 인덱스에 따라 위빙 폭 방향에 대해 정렬하는 순서변환모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 용접 제어장치.
청구항 4에 있어서, 상기 순서변환모듈은 상기 모션 인덱스가 홀수인 경우에만 상기 전류 데이터를 역전시켜 위빙폭 방향에 대한 정렬된 전류데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는 자동 용접 제어장치.
청구항 4에 있어서, 상기 아크 센서는 상기 정렬된 전류 데이터 또는 상기 노이즈 필터에서 출력되는 전류데이터를 이전 모션에 대한 전류데이터로 저장하는 버퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 용접 제어장치.
청구항 6에 있어서, 상기 아크 센서는 상기 노이즈 필터 또는 순서변환모듈을 통해 출력된 위빙 폭 방향으로 정렬된 전류데이터와 상기 버퍼에 저장된 이전 모션의 전류데이터를 순서에 따라 평균하여 모재의 기하학적 형성을 나타내는 전류 값을 생성하는 위치기반 평균필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 용접 제어장치.
청구항 7에 있어서, 상기 아크 센서는 상기 위치기반 평균필터에서 출력되는 전류 값을 기초로 용접 토치가 중심에 대해 편향된 정도를 계산하는 편향값 계산모듈; 미리 설정된 폭 방향 비례이득을 이용하여 상기 편향값 계산모듈에서 계산된 편향된 정도에 반비례하는 폭방향 보정값을 생성하여 위빙 모듈에 전달하는 폭방향 보정값 계산모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 용접 제어장치.
청구항 7에 있어서, 상기 아크 센서는 상기 위치기반 평균필터에서 출력되는 전류 값을 평균하여 평균 전류 값을 생성하는 평균 전류값 계산모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 용접 제어장치.
청구항 9에 있어서, 상기 아크 센서는 미리 설정된 깊이방향 비례이득(C_zw)과 용접 모듈에서 측정한 현재 전류값(I_trg) 및 상기 평균 전류값 계산모듈에서 생성한 평균 전류 값(I_mean)을 하기의 <수식>에 적용하여 위빙 모션을 위한 깊이방향 보정 값(d_zw)을 생성하는 깊이방향 보정값 계산모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 용접 제어장치.
<수식>