KR20200072780A

KR20200072780A - 동적 심트래킹 장치 및 이를 포함하는 레이저 용접 시스템

Info

Publication number: KR20200072780A
Application number: KR1020180160753A
Authority: KR
Inventors: 송문종; 박상언
Original assignee: 주식회사 성우하이텍
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2020-06-23
Also published as: KR102591350B1

Abstract

동적 심트래킹 장치 및 이를 포함하는 레이저 용접 시스템이 개시된다.
본 발명의 실시 예에 따른, 레이저 용접 시스템의 용접헤드에 장착되는 동적 심트래킹 장치는, 상기 용접헤드의 외주면에 베어링을 통해 회전가능 하게 결합되는 기어; 상기 기어와 치합되어 서보모터의 구동에 따른 회전력을 전달하는 웜, 상기 기어의 일부 둘레에 접합된 브라켓에 장착되며 용접경로를 따라 이동되는 상기 용접헤드에 선행하여 용접부의 폭방향으로 띠 형상의 레이저를 조사하고 반사되는 레이저 영상을 촬영하는 레이저 비젼 센서, 상기 레이저 영상을 분석하여 용접 심(Seam)을 인식하는 심 추적 모듈 및 상기 용접헤드의 진행방향을 고려한 상기 서보모터의 회전량을 제어하여 상기 레이저 비젼 센서의 회전각도를 조절하는 제어 모듈을 포함한다.

Description

동적 심트래킹 장치 및 이를 포함하는 레이저 용접 시스템{DYNAMIC SEAM TRACKING DEVICE AND LASER WELDING SYSTEM COMPRISING SAME}

본 발명은 동적 심트래킹 장치 및 이를 포함하는 레이저 용접 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용접헤드에 설치되어 다방향 심트래킹(Seam Tracking)을 지원하는 동적 심트래킹 장치 및 이를 포함하는 레이저 용접 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 레이저 용접 시스템의 용접공정을 자동화하기 위해서는 핵심적으로 모재의 용접 심(Welding Seam)을 정확히 측정하는 심트래킹(Seam Tracking) 센서가 사용된다. 여기서, 상기 심(Seam)은 실제 용접이 이루어져야 하는 용접선을 의미하고, 상기 심트래킹은 상기 용접선에 해당되는 심(Seam)을 연속적으로 찾아 인식하는 것을 의미한다.

레이저 용접 시스템에 있어서 심트래킹 센서는 접촉식과 비접촉식 방법이 광범위하게 적용되고 있으며, 특히 용접의 적응제어 능력이 탁월한 레이저 비전센서가 많이 사용되고 있다.

예컨대, 도 1은 종래의 심트래킹 센서가 적용된 레이저 용접 시스템을 개략적으로 나타낸다.

도 1을 참조하면, 종래의 레이저 용접 시스템은 용접헤드의 진행방향에 레이저를 이용한 심트래킹 센서를 고정하여 용접부 전체에 걸친 심(Seam)을 자동으로 인식한 후 용접을 수행한다.

이러한 심트래킹 기술은 차체 부품 제작을 위한 자동용접공정에 적용되고 있으며, 최근에는 경량 차체 부품개발의 일환으로 제한된(최소화된) 용접면 플랜지를 가진 필렛(Fillet) 구조의 용접에 주목 받고 있다.

그러나, 종래의 심트래킹 센서는 용접헤드에 선행하여 단차면을 감지해야 하는 특성상 용접헤드의 진행방향에 고정되므로 직선구간의 판재나 원통형 관재의 맞대기 용접에 유리하지만, 로봇의 회전반경 제약 때문에 용접 자유도가 확보되지 못하는 단점이 있다.

즉, 심트래킹 센서는 용접진행방향과 일직선 라인에 배열되어야 하므로 용접방향 전환이나 곡률부 레이저 용접에 제약이 있는 단점이 있으며, 특히 필렛 구조와 같은 코너부의 용접 시 심트래킹이 불가능한 문제점이 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예는 용접헤드에 회전가능 하게 장착되는 레이저 비젼 센서를 용접경로에 따른 다양한 각도로 회전하여 다방향 심트래킹을 지원하는 동적 심트래킹 장치 및 이를 포함하는 레이저 용접 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 레이저 용접 시스템의 용접헤드에 장착되는 동적 심트래킹 장치는, 상기 용접헤드의 외주면에 베어링을 통해 회전가능 하게 결합되는 기어; 상기 기어와 치합되어 서보모터의 구동에 따른 회전력을 전달하는 웜; 상기 기어의 일부 둘레에 접합된 브라켓에 장착되며, 용접경로를 따라 이동되는 상기 용접헤드에 선행하여 용접부의 폭방향으로 띠 형상의 레이저를 조사하고 반사되는 레이저 영상을 촬영하는 레이저 비젼 센서; 상기 레이저 영상을 분석하여 용접 심(Seam)을 인식하는 심 추적 모듈; 및 상기 용접헤드의 진행방향을 고려한 상기 서보모터의 회전량을 제어하여 상기 레이저 비젼 센서의 회전각도를 조절하는 제어 모듈을 포함한다.

또한, 상기 기어는 상기 브라켓이 연결되는 부분을 제외한 전 둘레에 치형이 형성될 수 있다.

또한, 상기 레이저 비젼 센서는 최초 상기 용접헤드의 전방인 기준각도와 동일한 방향에 위치되도록 캘리브레이션되고, 상기 기준각도의 정반대의 상기 용접헤드의 외주면에 상기 웜과 서보모터가 내장되는 하우징이 구성될 수 있다.

또한, 상기 서보모터는 상기 용접헤드의 기준각도를 기준으로 양방향 회전제어가 가능한 DC 모터로 구성될 수 있다.

또한, 상기 서보모터는 정방향(+) 및 역방향(-)을 포함하는 180도의 회전 반경으로 상기 레이저 비젼 센서를 회전 제어할 수 있다.

또한, 상기 브라켓은 상기 기어의 일면에 접합되는 제1 브라켓 및 상기 제1 브라켓과 힌지 결합되며 상기 레이저 비젼 센서가 장착되는 제2 브라켓을 포함할 수 있다.

또한, 상기 힌지는 체결부재에 의해 고정되고, 상기 힌지에 의해 상기 레이저 비젼 센서의 레이저 조사 각도, 상기 용접헤드의 용접점과 조사된 레이저 포인트 간의 거리가 조절될 수 있다.

또한, 상기 레이저 비젼 센서는 상기 띠 형상의 레이저 포인트의 중심을 미리 설정된 상기 용접경로를 기준으로 조사할 수 있다.

또한, 상기 심 추적 모듈은 상기 레이저 영상을 분석하여 띠 형상의 레이저가 단차면에 의해 굴절되거나 반사도가 다른 부분을 상기 심(Seam)으로 인식할 수 있다.

또한, 상기 심 추적 모듈은 인식된 상기 심의 위치가 상기 띠 형상의 레이저 포인트의 중심으로부터 벗어난 편차를 산출하여 상기 제어 모듈로 전달할 수 있다.

또한, 상기 제어 모듈은 상기 편차를 보정하기 위한 보정좌표를 생성하여 상기 용접헤드의 자세를 제어하는 용접 제어기로 전송할 수 있다.

또한, 상기 제어 모듈은 상기 보정좌표에 상기 레이저 비젼 센서의 레이저 포인트와 상기 용접헤드의 용접점간의 간격만큼의 딜레이 시간 값을 설정하여 전송할 수 있다.

또한, 상기 제어 모듈은 상기 용접헤드가 용접경로를 이동 시 용접방향, 용접각도 및 로봇의 자세제어정보를 참조한 상기 레이저 비젼 센서의 회전각도를 다방향으로 조절할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 측면에 따른, 레이저 용접 시스템은, 다관절 매니퓰레이터로 구성된 로봇; 상기 로봇의 엔드 이펙터에 장착된 용접헤드; 상기 용접헤드에 레이저 광원을 공급하는 레이저 발진기; 상기한 항 중 어느 한 항에 기재된 심트래킹 장치; 및 상기 로봇의 자세제어를 통해 상기 용접헤드가 상기 심트래킹 장치에서 인식된 용접 심을 따라 이동하면서 레이저빔을 조사하도록 제어하는 용접 제어기를 포함한다.

또한, 상기 용접 제어기는 용접을 위해 로딩된 모재의 설계데이터를 기반으로 소재, 형상 및 두께에 따라 진행되는 상기 용접헤드의 용접경로 및 상기 용접경로 별 상기 용접헤드를 위치시키기 위한 기구학적 자세제어정보를 파악하여 상기 용접헤드를 제어할 수 있다.

또한, 상기 용접 제어기는 상기 동적 심트래킹 장치의 심 추적에 따른 보정좌표을 추종하여 용접점을 보정하되, 레이저 비젼 센서가 선행된 간격만큼의 딜레이 시간 값 이후 시점으로 보정하고, 상기 용접헤드가 상기 보정된 용접점을 용접하도록 수정된 자세제어를 수행할 수 있다.

또한, 상기 용접 제어기는 설정된 용접경로 기반 레이저 비젼 센서의 방향전환에 필요한 각도를 상기 로봇의 자세제어에 따른 상기 용접헤드의 전환각도와 레이저 비젼 센서의 회전각도로 분배할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 레이저 용접 시스템은 심트래킹 장치의 제어를 통해 레이저 비젼 센서의 각도를 용접경로 상의 곡률에 맞게 다양한 각도로 회전함으로써 용접 자유도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 로봇의 자세제어에 따른 회전반경과 심트래킹 장치의 최대 180도의 회전반경을 더하여 용접 자유도를 극대화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 종래 차체에 부착되는 다양한 부재 용접 시 다양한 용접경로와 방향에 대한 용접이 필요한 반면, 로봇의 회전반경 제약 때문에 용접 자유도가 확보되지 못하여 다수의 로봇 설비가 필요했으나, 회전각도 전환이 가능한 심트래킹 장치를 통해 용접 자유도를 확보함으로써 추가 로봇 설비 비용을 줄일 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 종래의 심트래킹 센서가 적용된 레이저 용접 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 심트래킹 장치의 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 도 3에 도시된 심트래킹 장치의 A-A 단면도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 영상을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 레이저 용접 시스템의 코너부 레이저 용접 방법을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 레이저 용접 시스템의 곡률부 레이어 용접 방법을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 레이저 용접 시스템의 180도 방향전환 방법을 나타낸다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

명세서 전체에서, 제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.

이제 본 발명의 실시 예에 따른 동적 심트래킹 장치 및 이를 포함하는 레이저 용접 시스템에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접 시스템을 개략적으로 나타낸다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접 시스템(100)은 다관절 로봇(110), 로봇(110)의 엔드 이펙터(End-effector)에 장착되는 용접헤드(120), 용접헤드(120)에 레이저 광원을 공급하는 레이저 발진기(130), 용접헤드(120)의 외주면에 다방향으로 회전가능 하게 장착되는 동적 심트래킹 장치(140) 및 로봇(110)의 자세제어를 통해 용접헤드(120)가 심트래킹 장치(140)에서 인식된 용접선을 따라 이동하면서 레이저빔(LB)을 조사하도록 제어하는 용접 제어기(150)를 포함한다.

레이저 용접 시스템(100)은 두 모재(P)가 겹쳐진 심(Seam)에 레이저빔(LB)을 조사하여 용접하는 시스템으로써 차체의 생산을 위한 공정라인에 배치될 수 있다.

모재(P)는 스틸, 알루미늄이 및 알루미늄 합금 등으로 구성될 수 있으며, 예컨대 차체에 적용되는 알루미늄 합금으로 Al-Mg계 합금인 5000계열과 Al-Mg-Si계 합금인 6000계열의 소재가 적용될 수 있다.

로봇(110)은 다관절 매니퓰레이터(Manipulator)로 구성될 수 있으며, 6자유도구현을 통해 모재(P)의 다양한 용접경로, 용접방향 및 용접위치에 대한 용접헤드(120)의 자세를 변경할 수 있다.

용접헤드(120)는 레이저 용접 방식에 따른 레이저빔(LB)의 에너지의 밀도를 조절하기 위한 초점렌즈 등의 광학계를 포함할 수 있다.

심트래킹 장치(140)는 용접헤드(120)에 선행하여 용접경로를 따라 이동하면서 용접부의 형상 인식에 따른 심 위치를 추적한다.

용접 제어기(150)는 레이저 용접 시스템(100)의 전반적인 동작을 제어하기 위한 프로그램 및 데이터를 저장하고, 이를 토대로 로봇(110)의 자세제어를 수행하여 레이저 용접을 수행한다.

용접 제어기(150)는 상기 저장된 정보에서 용접을 위해 지그에 로딩된 모재들의 종류별 용접작업을 수행하기 위한 용접정보를 파악할 수 있다. 여기서, 상기 용접정보는 모재(P)의 소재, 형상 및 두께에 따라 진행되는 용접헤드(120)의 용접경로 및 상기 용접경로 별 용접헤드(120)를 위치시키기 위한 기구학적 자세제어정보를 포함한다. 이 때, 상기 자세제어정보는 설계데이터기반 상기 용접경로에 의한 것이지만 실제 모재가 로딩된 상태는 설계와 실제 제작상의 다양한 사유로 오차가 발생되어 실제 용접 심의 위치오차가 발생될 수 있다.

그러므로, 용접 제어기(150)는 용접헤드(120)에 선행하여 용접경로를 따라 이동하는 심트래킹 장치(140)에서 실시간으로 인식된 용접선의 위치를 확인하여 상기 용접헤드(120)를 위치시키기 위한 기구학적 자세제어정보를 보정할 수 있다.

이러한, 용접 제어기(150)는 로봇(110)의 자세제어를 통해 용접헤드(120)를 다양한 위치와 각도로 이동할 수 있다. 그러나, 앞서 도 1을 통해 설명한 것과 같이 종래의 심트래킹 센서를 용접헤드의 진행방향에 고정하는 경우 심트래킹 센서를 선행시켜야 하므로 용접방향 전환이나 곡률부 레이저 용접에 제약이 되는 문제가 발생된다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 용접헤드(120)에서 용접경로를 따라 다방향으로 회전될 수 있는 동적 심트래킹 장치(140)에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 심트래킹 장치의 구성을 개략적으로 나타낸다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 도 3에 도시된 심트래킹 장치의 A-A 단면도를 나타낸다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 심트래킹 장치(140)는 용접헤드(120)의 외주면에 베어링(141)을 통해 회전가능 하게 결합되는 기어(142b), 상기 기어(142b)에 서보모터(143)의 회전력을 전달하는 웜(142a), 상기 기어(122a)의 일면에 접합된 브라켓(145)에 장착된 레이저 비젼 센서(146), 상기 레이저 비젼 센서(146)에서 측정된 영상을 분석하여 용접 심을 인식하는 심 추적 모듈(147) 및 용접헤드(120)의 진행방향을 고려한 서보모터(143)의 회전량을 제어하여 레이저 비젼 센서(146)의 각도를 조절하는 제어 모듈(148)을 포함한다.

웜기어(142)는 서보모터(143)의 회전력을 전달하는 웜(142a)과 상기 회전력을 감속하여 레이저 비젼 센서(146)를 회전시키는 기어(142b)를 포함한다.

기어(122a)의 일면에 장착된 레이저 비젼 센서(146)는 최초 용접헤드(120) 전방의 기준각도(0도)와 동일한 방향에 위치되도록 캘리브레이션 된다. 이 때, 상기 기준각도의 전반대(후방)의 용접헤드(120)의 외주면에는 웜(142a)과 서보모터(143)가 내장되는 하우징(144)이 구성된다. 또한, 기어(142b)는 브라켓(145)이 연결되는 부분을 제외한 전 둘레에 치형이 형성된다.

서보모터(143)는 레이저 비젼 센서(146)를 회전시키기 위한 구동원으로 제어 모듈(148)에서 인가되는 제어신호에 따라 용접헤드(120)의 기준각도(0도)를 기준으로 정방향(예; 시계방향(+)) 혹은 역방향(예; 반시계 방향(-))으로 회전력을 가하는 양방향 DC 모터로 구성된다.

서보모터(143)는 레이저 비젼 센서(146)를 상기 정방향(+) 및 역방향(-)을 포함하는 최대 180도까지의 회전 반경으로 회전시킬 수 있다.

브라켓(145)은 상기 기어(122a)의 일면에 접합되는 제1 브라켓(145a) 및 제1 브라켓(145a)과 힌지(145c) 결합되며 레이저 비젼 센서(146)가 장착되는 제2 브라켓(145b)을 포함한다(도 4 참조). 이 때, 상기 힌지(145c)는 볼트와 너트와 같은 체결부재에 의해 고정되며, 이를 통해 레이저 비젼 센서(146)의 레이저 조사 각도, 용접점(WP)과 레이저 포인트(LP) 간의 간격(D)이 조절될 수 있다. 상기 용접점(WP)은 용접선 상의 한 점을 의미한다.

레이저 비젼 센서(146)는 용접경로를 따라 이동되는 용접헤드(120)에 선행하여 용접부의 폭방향으로 일정 길이의 띠 형상의 레이저를 조사하고, 반사되는 레이저 영상을 촬영한다.

이 때, 레이저 비젼 센서(146)는 띠 형상의 레이저 포인트의 중심(LC)을 미리 설정된 용접경로를 기준으로 조사한다.

예컨대, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 영상을 나타낸다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 심 추적 모듈(147)은 레이저 비젼 센서(146)에서 촬영된 레이저 영상을 분석하여 띠 형상의 레이저가 단차면에 의해 굴절되거나 반사도가 다른 부분을 심(Seam)으로 인식한다. 이 때, 상기 띠 형상의 레이저 포인트의 중심(LC)은 용접경로를 기준으로 조사되므로, 상기 레이저 중심(LC)과 인식된 심이 일치하는 것이 이론상으로 바람직하다. 그러나 선행공정에서의 모재의 성형, 마운팅 등에서 다양한 사유로 편차가 나타날 수 있으며 심 추적 모듈(147)은 이를 추적하여 편차를 산출한다.

즉, 심 추적 모듈(147)은 인식된 심의 위치(좌표)가 상기 미리 설정된 용접경로를 기준으로 조사된 띠 형상의 레이저 포인트의 중심(LC)으로부터 벗어난 편차를 산출하여 제어 모듈(148)로 전달한다.

제어 모듈(148)은 본 발명의 실시 예에 따른 동적 심트래킹 장치(140)의 구동을 위한 전반적인 동작을 제어하며, 이를 위한 프로그램 및 데이터를 저장한다.

제어 모듈(148)은 심 추적 모듈(147)에서 산출된 편차를 보정하기 위한 보정좌표를 생성하여 용접 제어기(150)로 전송한다.

이 때, 제어 모듈(148)은 레이저 비젼 센서(146)의 레이저 포인트(LP)와 용접헤드(120)의 용접점(WP)간에 일정 선행간격이 존재하므로, 상기 보정좌표에 상기 선행간격(D)만큼의 딜레이 시간 값을 설정하여 전송할 수 있다.

이와 연동하여, 용접 제어기(150)는 제어 모듈(148)에서 수신된 상기 보정좌표을 추종하여 상기 딜레이 시간 값 이후 시점의 용접점(WP)을 보정하고, 용접헤드(120)가 보정된 용접점(WP)을 용접하도록 수정된 자세제어를 수행할 수 있다.

한편, 제어 모듈(148)은 용접 제어기(150)와 연동하여 용접헤드(120)가 용접경로를 이동 시 용접방향, 용접각도 및 로봇(110)의 자세제어정보를 참조한 레이저 비젼 센서(146)의 회전각도를 다방향으로 조절할 수 있다.

예컨대, 도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 레이저 용접 시스템의 코너부 레이저 용접 방법을 나타낸다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접 시스템(100)이 90도로 방향전환된 용접경로를 따라 레이저 용접을 수행하는 과정을 보여준다.

S1 단계에서, 레이저 용접 시스템(100)은 용접헤드(120)의 기준각도와 심트래킹 장치(140)의 레이저 비젼 센서(146) 각도가 0도로 일치된 상태에서 용접경로를 따라 직진한다.

S2 단계에서, 레이저 용접 시스템(100)은 용접헤드(120)에 선행되는 레이저 비젼 센서(146)의 레이저 포인트(LP)가 코너점에 도달하면 레이저 비젼 센서(146)를 정방향(+)으로 90도 회전한다. 이 때, 레이저 용접 시스템(100)의 용접 제어기(150)는 심트래킹 장치(140)의 제어 모듈(148)과 연동되는 상위 제어기로써 용접경로를 따라 이동되는 용접헤드(120)의 거동 대비 필요한 만큼의 레이저 비젼 센서(146)의 각도 변경을 요구할 수 있다.

따라서, 레이저 용접 시스템(100)은 심트래킹 장치(140)의 제어를 통해 레이저 비젼 센서(146)의 각도만 정방향(+)으로 90도 회전시키고 용접헤드(120)의 기준각도는 0도로 회전을 위한 자세제어 없이 진행방향만 90도 전환하여 용접이 가능하여 용접 자유도를 확보할 수 있는 효과가 있다.

또한, 도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 레이저 용접 시스템의 곡률부 레이어 용접 방법을 나타낸다.

도 7을 참조하면, S1 단계에서, 레이저 용접 시스템(100)은 용접헤드(120)의 기준각도와 심트래킹 장치(140)의 레이저 비젼 센서(146) 각도가 0도로 일치된 상태에서 용접경로를 따라 직진한다.

S2 단계에서, 레이저 용접 시스템(100)은 용접헤드(120)에 선행되는 레이저 비젼 센서(146)의 레이저 포인트(LP)가 곡률 시작점에 도달하면, 심트래킹 장치(140)를 통해 레이저 비젼 센서(146)를 정방향(+)으로 곡률 각도(예; 30도)에 맞게 조절한다.

S3 단계에서, 레이저 용접 시스템(100)은 레이저 포인트(LP)가 곡률 종료점에 도달하면, 레이저 비젼 센서(146)를 정방향(+)으로 90도 회전한다.

따라서, 레이저 용접 시스템(100)은 심트래킹 장치(140)의 제어를 통해 레이저 비젼 센서(146)의 각도를 용접경로의 곡률 각도에 맞게 회전함으로써 용접헤드(120)의 용접방향을 자유롭게 전환할 수 있는 효과가 있다.

또한, 도 8은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 레이저 용접 시스템의 180도 방향전환 방법을 나타낸다.

도 8을 참조하면, S1 단계에서, 레이저 용접 시스템(100)은 용접헤드(120)의 기준각도와 심트래킹 장치(140)의 레이저 비젼 센서(146) 각도가 0도로 일치된 상태에서 용접경로를 따라 직진한다.

S2 단계에서, 레이저 용접 시스템(100)은 로봇의 자세제어를 통해 용접헤드(120)의 기준각도가 정방향(+)으로 90도 회전하고, 레이저 비젼 센서(146)를 정방향(+)으로 90도 회전하여 180도 회전된 후진방향으로 용접헤드(120)의 용접방향을 전환할 수 있다.

이처럼 용접헤드(120)에 선행되어야 하는 레이저 비젼 센서(146)의 방향전환에 필요한 각도를 로봇(110)의 자세제어에 따른 용접헤드(120)의 전환각도와 레이저 비젼 센서(146)의 회전각도를 더하거나 분배함으로써 용접 자유도를 향상시킬 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에만 한정되는 것은 아니며 그 외의 다양한 변경이 가능하다.

예컨대, 도 6 내지 도 8에 도시한 본 발명의 실시 예에서는 코너 전환, 곡률 전환, 180도 U턴 전환을 정방향(+) 회전을 가정하여 설명하였으나 역방향(-)에 대해서도 동일하게 실시할 수 있음은 자명하다.

이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 레이저 용접 시스템은 심트래킹 장치의 제어를 통해 레이저 비젼 센서의 각도를 용접경로 상의 곡률에 맞게 다양한 각도로 회전함으로써 용접 자유도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: 레이저 용접 시스템 110: 로봇
120: 용접헤드 130: 레이저 발진기
140: 심트래킹 장치 141: 베어링
142: 웜기어 143: 서보모터
144: 하우징 145: 브라켓
146: 레이저 비젼 센서 147: 심 추적 모듈
148: 제어 모듈 150: 용접 제어기
LB: 레이저빔 LP: 레이저 포인트
LC: 레이저 포인트 중심 WP: 용접점

Claims

레이저 용접 시스템의 용접헤드에 장착되는 동적 심트래킹 장치에 있어서,
상기 용접헤드의 외주면에 베어링을 통해 회전가능 하게 결합되는 기어;
상기 기어와 치합되어 서보모터의 구동에 따른 회전력을 전달하는 웜;
상기 기어의 일면에 접합된 브라켓에 장착되며, 용접경로를 따라 이동되는 상기 용접헤드에 선행하여 용접부의 폭방향으로 띠 형상의 레이저를 조사하고 반사되는 레이저 영상을 촬영하는 레이저 비젼 센서;
상기 레이저 영상을 분석하여 용접 심(Seam)을 인식하는 심 추적 모듈; 및
상기 용접헤드의 진행방향을 고려한 상기 서보모터의 회전량을 제어하여 상기 레이저 비젼 센서의 회전각도를 조절하는 제어 모듈;
을 포함하는 동적 심트래킹 장치.
제1항에 있어서,
상기 기어는 상기 브라켓이 연결되는 부분을 제외한 전 둘레에 치형이 형성되는 동적 심트래킹 장치.
제1항에 있어서,
상기 레이저 비젼 센서는 최초 상기 용접헤드의 전방인 기준각도와 동일한 방향에 위치되도록 캘리브레이션되고, 상기 기준각도의 정반대의 상기 용접헤드의 외주면에 상기 웜과 서보모터가 내장되는 하우징이 구성되는 동적 심트래킹 장치.
제3항에 있어서,
상기 서보모터는
상기 용접헤드의 기준각도를 기준으로 양방향 회전제어가 가능한 DC 모터로 구성되는 동적 심트래킹 장치.
제4항에 있어서,
상기 서보모터는
정방향(+) 및 역방향(-)을 포함하는 180도의 회전 반경으로 상기 레이저 비젼 센서를 회전 제어하는 동적 심트래킹 장치.
제1항에 있어서,
상기 브라켓은
상기 기어의 일면에 접합되는 제1 브라켓; 및
상기 제1 브라켓과 힌지 결합되며 상기 레이저 비젼 센서가 장착되는 제2 브라켓을 포함하는 동적 심트래킹 장치.
제6항에 있어서,
상기 힌지는 체결부재에 의해 고정되고, 상기 힌지에 의해 상기 레이저 비젼 센서의 레이저 조사 각도, 상기 용접헤드의 용접점과 조사된 레이저 포인트 간의 거리가 조절되는 동적 심트래킹 장치.
제1항에 있어서,
상기 레이저 비젼 센서는
상기 띠 형상의 레이저 포인트의 중심을 미리 설정된 상기 용접경로를 기준으로 조사하는 동적 심트래킹 장치.
제8항에 있어서,
상기 심 추적 모듈은
상기 레이저 영상을 분석하여 띠 형상의 레이저가 단차면에 의해 굴절되거나 반사도가 다른 부분을 상기 심(Seam)으로 인식하는 동적 심트래킹 장치.
제9항에 있어서,
상기 심 추적 모듈은
인식된 상기 심의 위치가 상기 띠 형상의 레이저 포인트의 중심으로부터 벗어난 편차를 산출하여 상기 제어 모듈로 전달하는 동적 심트래킹 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어 모듈은
상기 편차를 보정하기 위한 보정좌표를 생성하여 상기 용접헤드의 자세를 제어하는 용접 제어기로 전송하는 동적 심트래킹 장치.
제11항에 있어서,
상기 제어 모듈은
상기 보정좌표에 상기 레이저 비젼 센서의 레이저 포인트와 상기 용접헤드의 용접점간의 간격만큼의 딜레이 시간 값을 설정하여 전송하는 동적 심트래킹 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어 모듈은
상기 용접헤드가 용접경로를 이동 시 용접방향, 용접각도 및 로봇의 자세제어정보를 참조한 상기 레이저 비젼 센서의 회전각도를 다방향으로 조절하는 동적 심트래킹 장치.
다관절 매니퓰레이터로 구성된 로봇;
상기 로봇의 엔드 이펙터에 장착된 용접헤드;
상기 용접헤드에 레이저 광원을 공급하는 레이저 발진기;
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 기재된 동적 심트래킹 장치; 및
상기 로봇의 자세제어를 통해 상기 용접헤드가 상기 심트래킹 장치에서 인식된 용접 심을 따라 이동하면서 레이저빔을 조사하도록 제어하는 용접 제어기;
를 포함하는 레이저 용접 시스템.
제14항에 있어서,
상기 용접 제어기는
용접을 위해 로딩된 모재의 설계데이터를 기반으로 소재, 형상 및 두께에 따라 진행되는 상기 용접헤드의 용접경로 및 상기 용접경로 별 상기 용접헤드를 위치시키기 위한 기구학적 자세제어정보를 파악하여 상기 용접헤드를 제어하는 레이저 용접 시스템.
제14항에 있어서,
상기 용접 제어기는
상기 동적 심트래킹 장치의 심 추적에 따른 보정좌표을 추종하여 용접점을 보정하되, 레이저 비젼 센서가 선행된 간격만큼의 딜레이 시간 값 이후 시점으로 보정하고, 상기 용접헤드가 상기 보정된 용접점을 용접하도록 수정된 자세제어를 수행하는 레이저 용접 시스템.
제14항에 있어서,
상기 용접 제어기는
설정된 용접경로 기반 레이저 비젼 센서의 방향전환에 필요한 각도를 상기 로봇의 자세제어에 따른 상기 용접헤드의 전환각도와 레이저 비젼 센서의 회전각도로 분배하는 레이저 용접 시스템.